Способ обработки бурового раствора и устройство для его осуществления

 

1. Способ .обработки бурового раствора преимущественно, в зоне отрицательного электрода злектролизера, отличающийся тем, что, с целью повытения качества обработки , за счет упорядочения направленности электрохимических реакций в растворе и предотвращения поступления в него продуктов .кислых реакций, напряжение на электродах повышают до образования в зоне положительного электрода малопроницаёмой корки из частиц твердой фазы раствора, после чего напряжение увеличивают до величиил электрохимического разложения данной i дисперсионной среды в зоне отрица . тельного электрода. (Л КО о 1 00 О5 4:

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„904364

3(50 Е 21 В 21/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2735602/22-03 (22) 26.03.79 (46) 15.08.83. Бюл. В 3О (72) У.Л. Мамаджанов, В.М, Бахир, С.А. Алехин, lO,Ã. Эадорожний и Т.N. Бахир (71) Среднеазиатский научно-исследовательский институт природного газа (53) 622.243.144.2(088.8) (56) !. Кистер Э.Г. Химическая оби работка буровых растворов. М., ° едра", 1972, с. 43.

2. Авторское свидетельство СССР по з ая вк е В 2506954/0 3, кл. Е 21 В 21/00, 11.07.77.

3. Авторское свидетельство СССР . М 662688, кл. E 21 В 21/00, 22.02.78.. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, 4/8 (57) 1. Способ .обработки бурового раствора преимущественно. в зоне отрицательного электрода электролизера, отличающийся тем, что, с целью повьпнения качества обработки . за счет упорядочения. направленности электрохимических реакций в растворе и предотвращения поступления в негопродуктов .кислых реакций, напряжение на электродах повышают до обраэования в зоне положительного электрода малопроницаемой корки иэ частиц твердой фазы раствора, после чего напряжение увеличивают до величина электрохимического разложения данно ой дисперсионной среды в зоне отрица. тельного электрода.

904 364

2. Устройство для. осуществления кой плиты с размещенными на ней в способа по п. lg включающее желоб, — шахматном порядке шипами и металлиположительный и отрицательный элект- ческой пластины с отверстиями для широды, установленные в желобе, соеди- i пов причем длина шипов

В шипов равна толщиненные с источником постоянного тока не корки из твердой ф т рдо .азы, а отрицао т л и ч а ю щ е е с я тем, что,тельный электрод установлен в желоположительный электрод установлен бе под углом к потоку необработанв месте минимальной скорости потока бурового раствора перпендикулярно рированной металлической ленты с понаправлению осаждения частиц твердой перечными прорезями на ее поверхнос» фазы и выполнен в виде металличес- ти и направляющими потока.

Изобретение относится к способам обработки бурового раствора для регулирования его свойств и состояния при бурении нефтяных и газовых скважин и может найти применение в нефтегазодобыче и геологоразведке.

Известен способ бурового раствора с целью регулирования его свойств и параметров путем ввода в раствор химических реагентов 51 g.

Недостатком известного способа является то, что.практически вс% химические реагенты, применяемые в бурении при использовании их по одному назначению, оказывают побочное отрицательное воздействие на другие параметры раствора.

Известен способ электрообработки бурового раствора в зоне одного из электродов с целью повышения качества очистки раствора от излишней глинистой фазы путем обработки большей части раствора в зоне положительного электрода С2 1

В известном способе недостатком является то, что, хотя часть раствора и проходит через зону отрицательного электрода, однако воздействие на раствор отрицательного электрического поля весьма мало, т.е. большая часть раствора проходит через зону положительного электрода н в

1 раствор, кроме того, поступают яродукты окислительных реакций, обра вующиеся в зоне положительного электрода, что резко снижает восстановительную способность обработанного бурового раствора.

Известно устройство для очистки бурового раствора, выполненное в виде электролизера, содержащего корпус — отрицательный электрод, в кото5 ром циркулирует буровой раствор, и положительный электрод, выполненный из диэлектрического материала в виде перфорированных трубок, заполненных циркулирующей .жидкостью, выпол10 няющей роль электрода ГЗ 3.

Недостатком устройства является его конструктивная сложность, малая производительность, наличие специальных полупроницаемых перегородок и

15 малая степень активизации восстановительных свойств раствора.

Целью изобретения является повышение качества обработки раствора за счет упорядочения направленности

20 электрохимических реакций в растворе и предотвращение поступления в него продуктов кислых реакций.

Поставленная цель достигается тем, что напряжение на электродах повышают до образования в зоне положительного электрода малопроницаемой корки из частиц твердой фазы раствора, после чего напряжение увеличивают до величины электрохимического разложения данной дисперсионной среды в зоне отрицательного электрода.

Способ реализуется в устройстве, положительный электрод которого ус"

35 1 ановлен в месте минимальной скорос ти потока бурового раствора перпендикулярно направлению седиментационного осаждения частиц твердой фазы и выполнен в виде металлической пли3 90436 ты с размещенными на ней в шахматном порядке шипами и металлической пластины с отверстиями для шипов, причем длина шипов равна толщине корки нз твердой фазы, а отрицательный электрод установлен в желобе под углом к потоку необработанного раствора и выполнен в виде гофрированной металлической ленты с поперечными прорезями на ее поверхности и направ- 30 ляющими потока.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Буровой раствор представляет собой сложную гетерогенную полидис- 35 персную систему, в которую в качестве дисперсной фазы входят минеральные частицы глины и барита, а в дисперсионной среде в растворенном виде присутствуют молекулы полиэлектро- 20 литов (высокомолекулярных соедине ний BMC и низкомолекуляггы,гх соеди>нений - НМС). При униполярной электрообработке бурового раствора, суп ность которого заключается в том, 25 что большую часть объема жидкости (до 90X) обрабатывают в зоне электрода одной полярности, например от- рицательного, вода, находящаяся в растворе, насыщается свободными гид- З0 роксильными группами ОН, образующими с молекулами воды долгоживу-щие комплексы тина Н О„

Восстановительная способность дисперсионной среды и определяется, в первую очередь, концентрацией типа Н О и их активностью-, т.е. уров-. нем энергии гидратированных электронов. Этим же объясняется и снижение силы внутреннего трения переме- 40 щакщихся слоев жидкости вследствие их электростатического отталкивания, что ведет к снижению вязкости раствора. Так экспериментальными,исследова,ниями в СредАзНИИГаэе установлено, 4 что при униполярной обработке водных. растворов неорганических веществ вязкость растворов снижается на 3-5Х.

Дисперсионная фаза бурового раствора представлена в основном глинистыми минералами, такими, как монтмориллонит, каолинит, вермикулит, палыгорскит, гидрослюда и т.д., в состав которых входят амфотеряяе соединения, включающие кислый (510 ) 55 и основной (AC Op компоненты.

В мимический состав глин входят окислы железа, титана, кальция и другие, но основным являются окис-. лы кремния и алюминия. Обычно в водных растворах вещества, находящиеся на поверхности глинистых частиц, днссоциируют. В результате взаимодействия с водой на поверхности глинистых частиц образуются силанольные группы SiOH, например, по реакЦИИ

2(S i 0)+H 0 2(ОН

Возникшее поверхностное соединение— поликремнекислота способна к частичной диссоциации в воде по кислотному типу: -SOH SiO . Образующиеся ионы Н (фактически Н О+) переходят

2 в жидкую фазу, но, вследствие кулоновского взаимодействия с ионами

-Si0 образуют внешнюю обкладку в растворе у поверхности твердой фазы. Возникает двойной электрический слой с внутренней обкладкой, состоящий из "Si0 . Потенциалоопределяющими в этом случае будут ионы, влияющие на степень диссоциации OH гpyп4

+ пы, а именно -Н и ОН, активность которых в растворе связана с величи ной ионного произведения воды (ОН+О> -= 10 ), т..е. на знак заряда поверхности твердой глинистой частицы оказывает основное влияние величина рН дисперсионной среды.

Таким образом, гидроксильные группы и гндратированные электроны всту- пают в химические реакции с дисперс- ной фазой полидисперсной сиетемы, увеличивая ее общий восстановительный потенциал. Как показали результаты исследования воды, катионы и анионы расположены в ряды:

Ma+1>са+ Н ">А1+ ;

ОН ".>СО.; >СН СОО- > О-, СЕ "

Количества молекул воды, свя эанной с поверхностью твердой фазы, в значительной степени зависит от приро- . ды катионов, находящихся на этой поверхности. Однако повышенная активность комплексов Н 0 ., обусловленная не только их концентрацией, но и энергией активации химическихреакций восстановления, выступает в роли фактора, уменьшающего число молекул воды, связанной с катионами, за счет компенсации их электрического заряда меньшим числом молекул воды, чем в случае нейтральной, находящейся в соСтоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, системой. Высокая гидрофильность плоских граней силикатных ми904364

35 нералов объясняется также образованием водородных связей между молекулами воды и поверхностными ОН " группами минерала, входящими в состав силанольных групп Si "ОН. Но отрица- . 5 тельный заряд комплексов Н О резко уменьшает число молекул воды,- жест-. ко связанных с поверхностью твердой фазы, которая в результате поглощения гидратированных электронов дефек- 0 тами кристаллической решетки также приобретает отрицательный заряд.

Слои гидратационной жидкости, окру„ жающие гидрофильную поверхность твердых частиц, становятся более подвиж- 15 ными в результате действия мощных электростатических сил отталкивания, возникающих между одноименнозаряженными макро- и микроскопическими объектами системы. 20

Поведение молекул полиэлектролитов, которыми являются практически все применяемые в настоящее время химические реагенты — стабилизаторы, в условиях унипалярной электро- 25 обработки также связано с изменением степени их ионизации и приобретением отрицательного заряда различными структурными звеньями молекулярной цепи, что обусловлено реак- щ0 циями с комплексами Н О2 (посредством водородных связей) и гидратированными электронами. Б то же время молекулы воды, окружающие полярные группы микромолекул полиэлектролитов (ВМС), обретают гораздо большую подвижность за счет эффективности действующих сил кулоновского взаимодействия между одноименно заряженными низкомолекулярными иона. ми и частицами (Н О2, ОН, Cog) и ионизированными группами молекул

ВМС. Этим и объясняется повьппенное водоотделение (водоотдача) из системы (бурового раствора), подвергнутой воздействию униполярной .электрообработки в зоне отрицательного электрода в условиях фильтрования ее через пористую перегородку в отсутствии воэможности энергетического (электрического) вэаимодейФ ствия с окружающей средой.

Таким образом, обрабатывая боль- шую часть бурового раствора в зьне отрицательного электрода можно рез55 ко повысить восстановительную активность бурового раствора за исключением некоторой небольшой era части, которой приходится жертвовать радю обеспечения электрического контакта между электродами системы. Однако применение известных униполярных электролизов снижает эффективность процесса, так как применение полупроницаемых перегородок или электроцроводных жидкостей, препятствующих поступлению продуктов окислительных реакций иэ зоны положительного электрода в общий обмен раствора, не только усложняет конструкцию электролизера, но и замедляет процессы ионообмена и зосстановительноокислительных реакций.

В изобре",.=,нн.-:: з качестве полупро-. ницаемой перегородки,, препятствующей поступлению в раствор продуктов окислительных реакций из зоны положительного электрода, используют защитную глинистую корку, которую создают на поверхности положительного электрода. Для этого положительный электрод устанавливают в месте наименьших скоростей потока бурового раствора и перпендикулярно направлению седиментационного осаждения твердых частиц. Кроме того, в первоначальный момент обработки бурового раствора создают между электродами электрическое низковольтное поле по величине меньше„ чем необходимо для возникновения электрохимических реакций в буровом растворе, но доста" точное для возникновения электрофоретических процессов, тем более, что частицы твердой фазы, особенно глинистой, несут на своих поверхностях отрицательный заряд и, благодаря этому, отлагаются на поверхности положительного электрода, Комплекс седиментационных и электрофоретических процессов способствует формированию плотной защитной корки, покрывающей всю поверхность положительного электрода эа наиболее ко роткий по сравненко с другими формированиями такого слоя период времени. Защитный слой корки на положительном электроде не только полностью изолирует возможность проникновения продуктов электродинамических реакций из зоны положительного электрода в обрабатываемый раствор,.но и

8 значительной степени предохраняет положительный электрод от электрохимического разрушения .и в значительной степени сйижает скорость этаго процесса.

904364

После того, как глинистая корка нарастет на положительном электроде до заданной величины, напряжение между электродами увеличивают до величины, обеспечивакщей наиболее ин- 5 тенсивное электрохимическое разложение дисперсионной среды в зоне отрицательного электрода, что интенси" фицирует процесс поступления в раст вор групп ОН, образующих с молекулами воды комплексы Н 02, и гидратированных электродов.

На Лиг. 1 показана кривая, характеризующая ступенчатое регулирование напряжения на электродах; на 15 фиг. 2 — схема устройства для реализации способа.

Устройство состоит из желоба 1, на дне которого на диэлектрической прокладке 2 установлен положитель- 20 ный электрод, состоящий из металлической плиты 3 с размещенными на ней, в шахматном порядке шипами 4 и надетой на плиту 3 металлической пласти ны 5 с отверстиями 6 для . шипов 4.

Отрицательный электрод 7 выполнен из . гофрированной металлической ленты под углом к потоку раствора и имеет на своей поверхности прорези 8 и направляющие 9. 30

Отрицательный электрод 7, выполненный из двух половин, соединенных между собой шарниром IO закрепляется на диэлектрической прокладке 2 и соединен с отрицательным полюсом источника 11 постоянного тока, а положительный электрод - e положительным полюсом.

Устройство работает следующим образом. 40

В начальный момент обработки бурового раствора между отрицательным 7 и положительным электродами от источника 11 постоянного тока подается низкое напряжение, порядка 45

1,5-3 В, которое достаточно для возникновения электрофоретического эффекта, но недостаточно для возникновения электрохимических реакций в буровом растворе.

На пластине 5 и шипах 4 появится положительный потенциал, в результате чего отрицательно заряженные твердые частицы начнут осаждаться на электроде. Кроме того, процесс осаждения твердых частиц (как заря женных, так и нейтральных - берит), ускоряется sa счет седиментации твер-. дой фазы на поверхность пластины

5 в результате расположения ее на дне желоба 1, т.е. в месте наименьшей скорости движения потока бурового раствора и в направлении, перпендикулярном седиментационному (под действием сил гравитации) осаждению твердой фазы.

Нипы 4 на поверхности плиты 3 и выступающие через отверстия 6 над

Р поверхностью пластины 5 увеличивают активную площадь положительного электрода, препятствуют смыву осажденных частиц твердой фазы с,поверхности пластины 5 и являются регулирующей отметкой толщины глинистой корки. Если в процессе осаждения твердой фазы корка будет образовываться выше длины шипа 4, то излишек ее будет смываться потоком бурового раствора.

Регулировка толщины глинистой корки необходима для установления оптимального режима униполярной электрообработки бурового раствора в зоне отрицательного электрода для. различных типов растворов, а также для различных целей обработки. После того,как. глинистая корка нарастет на положительном электроде до заданной величины, напряжение на -электродах поднимают до величины, обеспечивающей оптимальный режим электрохимических реакций в обрабатываемом буровом растворе.

На фиг. 1 показан график. режима работы установки для электрообработки в униполярном электролизере бурового раствора на основе нефтеабадского глинопорошка. В начале обработки в течение 2-4 мин поддерживают напряжение на электродах не выше

1,5-3 В, до формирования корки. Затем напряжение поднимают до 20-40 В, при котором ведут обработку почти всего объема раствора в зоне отрицательного. электрода 7.

Поверхность электрода 7 (см. фиг. 2) выполнена гофрированной для увеличения площади поверхности электрода, чтобы весь объем бурового раствора попадал в зону обработки. Для этого по поверхности электрода 7 выполнены прорези 8, куда входит поток бурового раствора, и направляющие 9 для искривления траектории дви,жения потока раствора с целью перемещения слоев раствора относитель» но друг друга и по отношению к поверхности отрицательного электрода 7.

904364

В случае необходимости очистки положительного электрода от JIHHHc той корки и скопившихся в ней продуктов окислительных реакций снимают пластину 5 с глинистой коркой, что одновременно позволяет очистить от корки шипы 4. После очистки поверхности пластины 5 ее вновь устанавливают отверстиями 6 на шипы 4, соединяя с положительным электродомплитой 3.

В качестве примера можно привести экспериментальные данные по униполярной электрообработке различных типов буровых растворов на глинистой основе с применением нефтеабадской, саригюхской ;глины или иджеванского бентонита, глины городищенского завода и др. Для предот-, вращения поступления в буровой раствор продуктов окислительиых .реакций, образующихся на цоложительном электроде (см. рис. 2) на электродах .напряжение повышают до величины 1-3 В (см. рис. 1) с целью создания глинистой корки толщиной 10-25 мм.

При обработке высококоллоидальных глинистых растворов, например на основе саригюхского бентонита, .имеющего коэффициент коллоидальности

К0,92, напряжение электрофореза устанавливают в пр еделах 1-1,5 В, В этом случае глинистая корка, образованная на металлической пластине 5 имеет низкую проницаемос1ь и высокую прочность. Толщина ее не должна пре вышать 10-15 мм.

Для раствора на нефтеабадском глинопорошке, имеющем весьма низкий коэффициент коллоидальности (K0,24), напряжение электрофореза устанавливают в пределах 2,5-3 В, а толщина глинистой корки должна быть s преде-, лах 20-25 мм, так как корка образуется рыхлой и проницаемой.

После образования на металлической пластине 5 глинистой корки, напряжение на электродах повышают до . 112-50 В {см.рис.1J для создания ре-: жима электрохимического разложения дисперсионной среди.

Для сильно минерализованных буровых растворов с количеством солей более 50 г/л, например на основе иджеванского бентонита с добавками

5 натриевых до 5Х и кальциевых до L,5X солей, напряжение разложения устанавливается в пределах 12-14 В, а для слабо минерализованных растворОв, например на основе нефтеабадского глинопорошка, с добавками углещелоч" ного реагента до ЗЕ и хлорида натрия до 1% напряжение разложения достигает 45-50 В. При таких напряжениях в зоне отрицательного электро15 да 7 происходит интенсивное разложение дисперсионной среды, в результате чего резко повышаются восстановительные свойства обрабатываемой среды, а в зоне положительного электрода происходят окислительные реакции, продукты которых не поступают в обрабатываемый раствор, а остаются в образованной на электроде глинистой корке.

Увеличение напряжения выше 50 В недопустимо, так как приводит к интенсивному электрохимическому износу положительного электрода.

Процесс электрообработки бурового раствора в зоне отрицательного электрода 7 продолжается до тех пор, пока в результате седиментационных эффектов глинистая корка не вырастет до величины более 25 мм, что приве.дет к росту сопротивления между электродами 7 и 3 и резкому снижению эффективности обработки. В этом случае необходимо остановить процесс обработки, снять пластину 5 (вместе с нарощенной на ней глинистой коркой), очистить ее от глины и продуктов кислых реакций. Установить пластину 5 на штыри 4 и подать на нее напряжение в пределах 1-3 В от источника 11. На электрод 7 подать то же напряжение. После образования глинистой корки увеличить напряжение до 12-50 В, т.е. повторить весь технологический процесс.

9043б4

Редактоо П. Гооькова Техред М.Надь Корректор 0. оилак

Заказ 797271 Тирам 603 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Раутская наб. д. 4/5

Филиал Н!ТН "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4