Способ приготовления бурового раствора и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22) Заявлено 260379 (21) 2736388/23-26 (51) М. КЛ. с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет—

С 02 F 1/4 б

В 01 F 7/28

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 230882, Бюллетень ¹ 31

Дата опубликования описания 230882 (53) УДК622. 233 (088. 8) (72) Авторы изобретения

С.А.Алехин, В.М.Бахир, Ю.П.Тихонов, A.A.Áóð орй- --=-.

Среднеазиатский научно-исследовательскйй нститут природного газа (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к приготовлению бурового раствора и может быть применено в нефтегазодобывающей промышленности при бурении скважин, а также в строительной, химической и других отраслях народного хозяйства.

Успешная проводка скважин с минимальными зкономическими затратами и высокими скоростями бурения в значительной степени зависит от качества буровых растворов, от степени их диспергации. Принудительное диспергирбвание твердой фазы бурового раствора позволяет сократить расход глиноматериалов за счет повышения выхода бурового раствора из 1 т глинопорошка.

Диспергирование твердой фазы является процессом принудительного измельчения частиц до коллоидальной величины. Коллоидальные глинистые частицы являются основной составляющей для образования структуры бурового раствора. Диспергирование твердой фазы в жидкой сопровождается физико-химическими изменениями, влияющими на состояние и свойства как твердой, так и жидкой фаэ.

Известны способы приготовления бурового раствора путем смешивания твердой и жидкой фаз и последующего диспергирования твердой фазы с применением механических, механогидравлических, гидродинамических воздействий. Такие способы позволяют осуществлять измельчение твердой фаеы и смешивание ее с жидкой фазой с достаточной степенью гомогенизации $1J .

Однако при измельчении полидисперсных порошкообразных материалов такими способами не удается измельчить все частицы до одного размера за один цикл, в результате чего исходную суспензию приходится многократно пропускать через активную зону диспергирующего воздействия.

Известен способ приготовления бурового раствора путем диспергирования .. твердой фазы в воде в многоступенчатом диспергаторе (21 .

Необходимость разбавления бурового раствора водой по известному способу вызвана тем, что при диспергировании твердой фазы количество частиц и активная поверхность их резко возрас25 тают и вода переходит иэ свободного состояния в связанное для образования гидратных оболочек, что резко снижает вязкость раствора.

Недостатком известного способа явЗО ляется также то, что по мере измель952 755 чения твердых. частиц эффективность диспергирующего воздействия падает как эа счет роста прочности частиц, так и в связи с изменением окислительно-восстановительных процессов из-за изменения характера диссоциа- 5 ции силанольных групп (-Si0H), приводящих к уменьшению показателя водородных ионов (рН) в жидкой фазе.

Приготовленный известным способом раствор не обладает требуемыми свойствами, поэтому в него вводят различные химреагенты для повышения щелочности, что приводит к.удорожанию процесса приготовления раствора.

Известно Устройство для приготовления бурового раствора, содержащее многоступенчатый диспергатор, в корпусе которого размещены последовательно установленные статоры со щелями и роторы с зубцами, входящими в щели статора. В статорах выполнены церепускные отверстия для прохода бурового раствора от входа к выходу, а на валу диспергатора со стороны входа раствора установлено коаксиально ротору лопаточное колесо (3 4 .

Недостатками известного устройства являются низкая эффективность диспергирующего всздействия на твердую фазу и невысокая гомогенизирующая активность.

Целью изобретения является повышейие скорости процесса приготовления раствора и снижение затрат на его обработку. 35

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу приготовления бурового раствора путем диспергирования твердой фазы в воде в многоступенчатом диспергаторе, на каждую ступень 40 диспергирования подают дополнительную порцию воды с рН 12-14.

Причем дополнительную порцию воды обрабатывают в катодном пространстве диафрагменного электролизера.

Устройство для осуществления способа, содержащее многоступенчатый диспергатор, в корпусе которого размещены статоры со щелями и перепускными отверстиями и роторы с зубцами, дополнительно содержит диафрагменный

50 электролизер, сообщающийся посредством трубопровода с каждой ступенью диспергатора.

При этом перепускные отверстия в статорах,выполнены уменьшающимися по 55 ходу движения раствора, статоры установлены со смещением один относительно другого, а каждый иэ роторов снабжен лопаткой, выполненной по спирали

Архимеда, .развернутой от центра к 60 периферии в сторону вращения.

Кроме того, число щелей статоров и зубцов роторов каждой ступени диспергатора определяют по возрастающей арифметической прогрессии. 65

На чертеже изображено устройство для реализации способа приготовления бурового раствора.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

В многоступенчатом диспергаторе производят диспергирование твердой фазы, при этом на каждую ступень диспергирования подают дополнительную порцию воды с рН 12-14. Для получения воды с рН 12-14, ее обрабатывают в катодном пространстве диафрагменного электролизера.

На чертеже представлено предложенное устройство.

Устройство содержит многоступенчатый диспергатор 1, разделенный на секции, образованные статорами 2 и корпусом диспергатора 1. Коаксиально статору в каждой ступени установ,лен ротор 3, имеющий по образующей, как и статор 2, щели и зубцы. Внешняя сторона каждого ротора 3, обращенная к последующей ступени, снабжена лопаткой 5, выполненной по спирали Архимеда, развернутой от центра к периферии в сторону вращения. Статоры 2 в каждой ступени смещены относительно друг друга так, что в момент полного перекрытия щелей 4 статора 2 зубцами ротора 3 предыдущей ступени щели статора 2 последующей ступени полностью открыты. Число щелей статоров и зубцов роторов от ступени к ступени диспергатора воэрастает по арифметической прогрессии.устройство снабжено диафрагменным электролиэером б, полость отрицательного электрода 7 которого соединена трубопроводами 8-10 с полостями секций многоступенчатого диспергатора 1.

Для ввода и вывода раствора корпус снабжен патрубками 11 и 12. Для бесперебойной подачи обработанного раствора в циркуляционную систему служит насосное колесо 13, смонтированное на одном валу с роторами. Ротор каж" дой ступени снабжен лопаточным колесом 14.

Статоры 2 снабжены в центральной части перепускными отверстиями 15, причем диаметр отверстий на каждом последующем статоре меньше диаметра отверстий предыдущего, а диаметры отверстий первого статора больше диаметра единичной частицы, но меньше комка или агрегата, образованного слипшимися частицами. Кроме того, диаметры отверстий на последнем статоре меньше диаметра единичной частицы, но больше заданного диаметра измельченной частицы.

Устройство работает следующим образом.

Исходная суспензия поступает в устройство через патрубок 11 благодаря разряжению, создаваемому лопаточным колесом 14 первой ступени.

952755 без дополнительных энергетических затрат.

Равномерное перемешивание дополнительной порции обработанной в электролизере 6 воды с водоглинистой суспензией, находящейся в диспергаторе 1, осуществляется лопатками 5, выполненными по спирали Архимеда, развернутыми от центра к периферии в сторону вращения. Такое выполнение лопаток 5 создает направленное от оси движение раствора для поступления на всасывание лопаточными колесами 14, а благодаря изменению радиуса лопаток 5 приводит к трению жидкости, движение это будет турбулентным. Слои жидкости по сечению потока двигаются с различной скоростью с постоянным изменением направления движения. При этом одни слои проникают в другие, смешиваясь друг с другом. Обработанный таким образом раствор поступает затем в следующую секцию. Процессы обработки на последующих ступенях по,вторяются.

Смещение каждого последующего статора 2 по отношению к предыдущему выполнено таким образом, чтобы в момент перекрытия щелей предыдущего статора 2 зубцами ротора 3 щели последующего статора были полностью открыты; предусматривается это для того, .чтобы в момент создания гидроудара в предыдущей секции (что происходит при полном перекрытии щелей статора зубцами ротора) в следующей секции появилось бы глубокое разрежение за счет вращения колеса 14 и вращение самого ротора 3. Периодический рост давления и разрежения в секциях повышает кавитационную активность в секции, что ведет к интенсивному диспергирующему воздействию.

В статорах 2 выполнены отверстия

15 в центральной части статоров. Суммарные площади отверстий всех статоров равны, а диаметры отверстий 15 уменьшаются на каждом последующем статоре. Причем диаметры отверстий на первом статоре больше диаметра комков и агрегатов слипшихся частиц, которые появляются при перемешивании жидкости с порошком, но меньше диаметра единичной частицы. Таким образом, уже в первой секции происходит разрушение комка или агрегата до единичной частицы, иначе комок частиц будет возвращаться в активную периферийную часть до тех пор, пока размер частицы не позволит ей попасть в следующую секцию, диаметр отверстий статора в которой размером мень. ше этой частицы и так далее, пока частица не раздробится до величины меньшей диаметров отверстий в статоре, находящемся в последней секции.

Кроме того, количество щелей 4 каждой последующей ступени увеличиЛопатками этого колеса жидкость раз. гоняется и проталкивается при совпадении щелей 4 статора 2 и ротора 3.

Перекрытие щелей 4 статора 2 зубцами ротора 3 при вращении вызывает гидродинамический удар, кавитацию, сре- 5 зывающие усилия, соударение потоков и частиц, изменение направления движения потоков, дросселирование и др.

В результате этого происходит интенсивное диспергирование частиц твер-)0 дой фазы. Их активная поверхность резко увеличивается. Свободная вода переходит в связанное состояние, образуя устойчивые гидратные оболочки.

Частицы, соединяясь друг с другом, образуют устойчивую структуру раствора.

Кроме того, чем меньше становится частица, тем больше ее удельная поверхность, тем больше усилий требуется для ее дальнейшего измельчения.

Таким образом, с одной стороны снижение эффективности диспергирующего воздействия обусловлено повышенной прочностью мелкодисперсных частиц по сравнению с крупнодисперсными. С другой стороны, как было сказано, изменяется характер ионообменных процессов, приводящих к снижению рН раст::вора.

Для компенсации снижения щелочнос- З0 ти раствора на каждую ступень диспергирования по трубопроводам 8-10 подают дополнительную порцию воды с рН

12-14, которую предварительно обрабатывают в диафрагменном электроли- 35 зере б в зоне его отрицательного электрода 7. Под действием поля электрического тока, возникающего между электродами, в воде происходят электрохимические реакции, в результате 40 которых в зоне отрицательного электрода 7 происходит электрохимическое превращение солей, находящихся в воде в виде соединений MeR (Ме — металлу R — отрицательный ион); в соединениях типа MeOH . Отрицательные ионы под действием градиента потенциала электрода 7 и градиента концентрации ионов ОН, отходящих от этого же электрода, переходят в зону положительного электрода, отделенного от отрицательного электрода 7 диафрагмой (не обозначены), где образуют кислоты, вступая во взаимодействие с ионами водорода, выделяющимися .у поверхности положительного электрода.

Таким образом, в зоне отрицательного электрода остается вода, насыщенная гидроксильными группами ОН, т.е. вода с повышенным значением рН, эту воду и вводят в диспергатор 1. При по- 60 вышении щелочности раствора до рН 1214 повышается адсорбционно-химическая активность твердых частиц, усиливается пептизирующее воздействие и увеличивается диспергирующая активность их 65

952755

Формула изобретения

1. Способ приготовления бурового раствора путем диспергирования твердой фазы в воде в многоступенчатом диспергаторе, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью снижения затрат и повышения скорости процесса, на каждую ступень диспергирования подают дополнительную порцию воды с рН

12-14.

2, Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что дополнительную порцию воды обрабатывают в катодном пространстве диафрагменного электролиэера.

3. Устройство для осуществления способа по пп.1 и 2, содержащее многоступенчатый диспергатор, в корпусе которого размещены последовательно установленные статоры со щелями и роторы с зубцами, входящими в щели статора, при этом в статорах выполнены . перепускные отверстия для прохода бурового раствора от входа к выходу, а на валу диспергатора со стороны входа раствора установлено коаксиально ротору лопаточное колесо, о т л иа ю щ е е с я тем,что оно снабжено диафрагменным элеектролизером, сообщающимся посредством трубопровода с каждой ступенью диспергатора.

4. Устройство по п.3, о т л и ч аю щ е е с я тем, что перепускные отверстия выполнены уменьшающимися по ходу движения раствора, статоры установлены со смещением один относительно другого, а каждый иэ роторов снабжен лопаткой, выполненной по спирали

Архимеда, развернутой от центра к периферии в сторону вращения.

5..устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что число щелей статоров и зубцов роторов каждой ступени диспергатора определяют по возрастающей арифметической прогрес-. сии. вается в отношении 1:2: 3; если число щелей 20, то во второй 40, далее 60 и т.д.

Такое выполнение позволяет повысить надежность на срез зубцов в слу. чае поступления на вход в диспергатор на первую ступень особо крупных и прочных частиц, которые по мере измельчения будут изменять свои размеры и не создадут опасности излома менее широких и прочных зубцов после- о дующих ступеней. Кроме того, частота пульсации рассчитывается по формуле

nN

f -=-60 где N — число щелей; 15

n — число оборотов двигателя.

Таким образом, чем больше щелей, тем больше частота пульсации потока жидкости, тем больше активность гидродинамического и кавитационного воз-20 действия на твердую частицу, которая по мере перехода из секции в секцию становится мельче и прочнее и требует большей интенсивности воздействия на себя. 25

Прошедший через все ступени обработки буровой раствор при помощи насосного колеса 13 подается в циркуляционную систему через патрубок 12.

Ниже приведены экспериментальные данные, полученные авторами в процессе испытания четырехсекционного диспергатора, каждая из секций которого последовательно на ходу движения потока обработанной дополнительной порции жидкости сообщена с камерой диафрагментарного электролиэера, катод которого выполняют в виде пластинчатой спирали. Изменение рН дополнительной порции жидкости производят в сторону восстановительных реакций, 4О т.е. от нейтрального рН (около 7) до рН, стремящегося к 14. Обработку бурового раствора на диспергаторе проводят без ввода дополиительной порции жидкости, с вводом дополнительной порции жидкости с рН 7 (применять дополнительную порцию жидкости с рН меньше 7 нерационально, так как от 7 и ниже рН характеризует окислительные .процессы, что резко ухудшает условия диспергирования);

11,5 и 13,5.

В качестве бурового раствора используют водоглинистую суспенэию с размером частиц твердой фазы 150 мкм.

При диспергировании такого раствора без ввода дополнительной порции жидкости на выходе диспергатора получают буровой раствор с размером частиц твердой фазы 80 мкм.

При вводе в диспергатор дополни- 60 тельной порции жидкости с рН 7 на выходе из диспергатора получают буровой раствор с. размером частиц ь пределах

70 мкм. При вводе в диспергатор дополнительной порции жидкости с рН 9 на 65 выходе из диспергатора получают буровой раствор с размером частиц в пределах 50 мкм. При вводе в диспергатор дополнительной порции жидкости с рН

11,5 на выходе иэ диспергатора получают буровой раствор с размером частиц в пределах 35 мкм. При вводе в диспергатор дополнительной порции жидкости с рН 13,5 на выходе из диспергатора получают буровой раствор с размером частиц в пределах 5-7 мкм.

Экономический эффект от внедрения предлагаемых способа и устройства создается за счет повышения качества раствора; снижения расхода химреагента при последующей, обработке бурового раствора на 10-15%; сокращения времени на диспергирование твердой фазы бурового раствора на 8-10%.

952755

Составитель P.Áoðí

Редактор Л.Лукач Техред Т.Фанта

Корректор С.Шекмар

Заказ 6192/32 Тираж 981 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий, 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Алехин С.A. и др. Технология приготовления диспергированных буровых растворов. — Сер. "Бурение газовых и газоконденсаторных скважин".

ВНИИЭгазпром, M. 1979, с. 7-10.

2. Авторское свидетельство CCC&

9 559944229944, кл. Е 21 В 21/00, 1978 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР

5 9 617057, кл. В 01 F, 7/26, 1975 (прототип).