Способ обработки бурового раствора и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК В) Е 21 В 21/О ЕНИЯ ОПИ ВИДЕТЕЛЬСТВ РСКОМ.1 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Среднеазиатский научно-исследовательский институт природного газа(56). Кистер Э,Г. Химическая обНработка буровых растворов. М., едра", 1972, с. 43.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке В 2506954/03,кл. Е 21 В 21/00, 11,07.773. Авторское свидетельство СССР(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ,(57) 1. Способ .обработки бурового раствора преимущественно. в зоне отрицательного электрода электролизера, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества обработки: за счет упорядочения. направленности электрохимических реакций в растворе и предотвращения поступления в него . продуктов .кислых реакций, напряжение на электродах повышают до обраэования в зоне положительного электрода малопроницаемой корки иэ частиц твердой Фазы раствора, после чего напряжение увеличивают до величинаой электрохимического разложения данно дисперсионной среды в зоне отрица. тельного электрода.904 3 б 42, Устройство для. осуществления кой плиты с размещенными на ней в способа по п.включающее желоб, - шахматном порядке шипами и металлиположительный и отрицательный элект- ческой пластины с отверстиями для широды, установленные в желобе, соеди-пов причем длина шиповВ шипов равна толщиненные с источником постоянного тока не корки из твердой фт 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 потокабурового раствора перпендикулярно рированной металлической ленты с по- направлению осаждения частиц твердой перечными прорезями на ее поверхносфазы 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 реагентов1 ,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 способэлектрообработки 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 21 В известном способе недостатком является то, что, хотя часть раство" ра 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 раствор, кроме того, поступают продукты окислительных реакций, обра вующиеся в зоне положительного электрода, что резко снижает восстановительную способность обработанного бурового раствора. 2Известно устройство для очисткибурового раствора, выполненное в виде электролизера, содержащего кор"пус - отрицательный электрод, в котором циркулирует буровой раствор, иположительный электрод, выполненныйиз диэлектрического материала в виде перфорированных трубок, заполненных циркулирующей .жидкостью, выпол 10 няющей роль электрода ГЗ 3.Недостатком устройства являетсяего конструктивная сложность, малаяпроизводительность, наличие специальных полупроницаемых перегородок и15 малая степень активизации восстановительных свойств раствора.Целью изобретения являетсяповышеение качества обработки раствора засчет упорядочения направленности20 электрохимических реакций в растворе и предотвращение поступления внего продуктов кислых реакций,Поставленная цель достигается тем,что напряжение на электродах повышают до образования в зоне положительного электрода малопроницаемойкорки из частиц твердой фазы раствора, после чего напряжение увеличивают до величины электрохимического разложения данной дисперсионнойсреды в зоне отрицательного элект"рода,Способ реализуется в устройстве, положительный электрод которого ус" тановлен в месте минимальной скорости 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 5 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 ляющими потока.Сущность изобретения заключается в следующем.Буровой раствор представляет собой сложную гетерогенную полидис персную систему, в которую в качестве дисперсной фазы входят минеральные частицы глины и барита, а в дисперсионной среде в растворенном виде присутствуют молекулы полиэлектро литов (высокомолекулярных соединений ВМС и низкомолекулярных соеди)нений - НМС). При униполярной электрообработке бурового раствора, суп- ностькоторого заключается в том, 25 что большую часть объема жидкости (до 903) обрабатывают в зоне электрода одной полярности, например от-рицательного, вода, находящаяся в растворе, насыщается свободными гид- З 0 роксильными группами ОН , образующими с молекулами воды долгоживу щие комплексы тина Н 0Восстановительная способность дисперсионной среды и определяется, в первую очередь, концентрацией типа Н 50 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 раство" ра, Так экспериментальными,исследованиями в СредАзНИИГаэе установлено, что при униполярной обработке водных. растворов неорганических веществ вязкость растворов снижается на 3-53. Дисперсионная фаза бурового раствора представлена в основном глинистыми минералами, такими, как монтморил" лонит, каолинит, вермикулит, палыгорскит, гидрослюда и т.д., в состав которых входят амфотервюе соединения, включающие кислый (510 )Ы и основной (АВО) компоненты.В мимический состав глин входятокислы 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 510 Н, например, по реак" ции2 (-10)+НО -+ 2 ("810 Н) Возникшее поверхностное соединение - поликремнекислота способна к частичной диссоциации в воде по киСлотному типу: -0 Н 510 . Образующиеся ионы Н (фактически Н О+) переходят2в жидкую фазу, но, вследствиекулоновского взаимодействия с ионами -510 образуют внешнюю обкладку в растворе у поверхности твердой фазы. Возникает двойной электрический слой с внутренней обкладкой, состоящий из "10 . Потенциалоопределяющими в этом случае будут ионы, влияющие на степень диссоциации ОН груп 4+ юпы, а именно -Н и ОН , активность которых в растворе связана с величиной 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:На+1 Са+г Н+"А 1+ ;ОН.СО.;СН СОО- О-,СЕ-" Количество молекул воды, свя эанной с поверхностью твердой фазы, в значительной степени зависит от природы катионов, находящихся на этой поверхности. Однако повышенная активность комплексов Н 0 , обусловленная не только их концентрацией, но и энергией активации химических. реакций восстановления, выступает в роли фактора, уменьшающего число молекул воды, связанной с катионаьщ, за счет компенсации их электрического заряда меньшим числом молекул водь 1, чем в случае нейтральной, находящейся в соСтоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, системой. Высокая гидрофильность плоских граней силикатных ми 9043 б 435 нералов объясняется также образованием водородных связей между молекулами воды и поверхностными ОН " группами минерала, входящими в составсиланольных групп "ОН. Но отрица- . 5тельный заряд комплексов Н О резко уменьшает число молекул воды, жестко связанных с поверхностью твердой фазы, которая в результате поглощения гидратированных электронов дефек" 0тами кристаллической решетки такжеприобретает отрицательный заряд. Слои гидратационной жидкости, окру жающие гидрофильную поверхность твердых частиц, становятся более подвиж ными в результате действия мощныхэлектростатических сил отталкивания, возникающих между одноименнозаряженными макро- и микроскопическими объектами системы. 20Поведение молекул полиэлектролитов, которыми являются практически все применяемые в настоящее время химические реагенты - стабилизаторы, в условиях унипалярной электро обработки также связано с изменением степени их ионизации и приобретением отрицательного заряда различными структурными звеньями молекулярной цепи, что обусловлено реак- З 0 циями с комплексами НО 2 (псредством водородных связей) и гидратированными электронами. В то же время молекулы воды, окружающие полярные группы микромолекул полиэлект" ролитов (ВМС), обретают гораздобольшую подвижность за счет эффективности действующих сил кулоновского взаимодействия между одноименно заряженными низкомолекулярными иона-( .ми и частицами (НО 2 , ОН , Ио 9) и ионизированными группами молекул ВМС. Этим и объясняется повьппенное водоотделение (водоотдача) изсистемы (бурового раствора), подвергнутой воздействию униполярной .электрообработки в зоне отрицатель" ного электрода в условиях фильтрования ее через пористую перегородку. в отсутствии воэможности энергетического (электрического) вэаимодейФствия с окружающей средой.Таким образом, обрабатывая боль-шую часть бурового раствора в зьне отрицательного электрода можно рез 55 ко повысить восстановительную активность бурового раствора за исключением некоторой небольшой его 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;.=,ю., з качестве полупроницаемой 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 способствуетформированию плотной защитной корки,покрывающей всю поверхность положительного электрода эа наиболее короткий по сравнению с другими формированиями такого слоя период времени. Защитный слой корки на положительном электроде не только полностью изолирует возможность проникновения продуктов электродинамическихреакций из зоны положительного электрода в обрабатываемый раствор,.но ив значительной степени предохраняетположительный электрод отэлектрохимического разрушения .и в значительной степени сйижает скорость этого процесса,904364 55 После того, как глинистая корканарастет на положительном электродедо заданной величины, напряжениемежду электродами увеличивают до величины, обеспечивакщей наиболее интенсивное электрохимическое разложение дисперсионной среды в зоне отрицательного электрода, что интенси"фицирует процесс поступления в раствор групп ОН , образующих с молекулами воды комплексы Н 0 , и гидратированных электродов.На Фиг. 1 показана кривая, характеризующая ступенчатое регулирование напряжения на электродах; на15фиг. 2 - схема устройства для реализации способа,Устройство состоит из желоба 1,на дне которого на диэлектрическойпрокладке 2 установлен положительный 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 лентыпод углом к потоку раствора и имеетна своей поверхности прорези 8 и направляющие 9. 30Отрицательный электрод 7, выполненный из двух половин, соединенных между собой шарниром 1 О, закрепляется на диэлектрической прокладке 2 и соединен с отрицательнымполюсом источника 11 постоянного тока, а положительный электрод - с положительным полюсом,Устройство работает следующимобразом, 40В начальный момент обработки бурового раствора между отрицательным 7и положительным электродами от источника 11 постоянного тока подается низкое напряжение, порядка 451,5-3 В, которое достаточно длявозникновения электрофоретическогоэффекта, но недостаточно для возникновения электрохимических реакцийв буровом растворе.На пластине 5 и шипах 4 появитсяположительный потенциал, в результате чего отрицательно заряженныетвердые частицы начнут осаждатьсяна электроде. Кроме того, процессосаждения твердых частиц (как заряженных, так и нейтральных - берит),ускоряется эа счет седиментации твердой фазы на поверхность пластины 5 в результате расположения ее надне желоба 1, т.е, в месте наименьшей скорости движения потока бурового раствора и в направлении, перпендикулярном седиментационному (поддействием сил гравитации) осаждению твердой фазы,Нипы 4 на поверхности плиты 3 и выступающие через отверстия 6 над Рповерхностью пластины 5 увеличиваютактивную площадь положительногоэлектрода, препятствуют смыву осажденных частиц твердой фазы с,поверхности пластины 5 и являются регулирующей отметкой толщины глинистой корки. Если в процессе осаждениятвердой Фазы корка будет образовываться выше длины шипа 4, то излишекее будет смываться потоком буровогораствора. Регулировка толщины глинистой корки необходима для установления оптимального режима униполярной электрообработки бурового раствора в зонеотрицательного 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 наэлектродах 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.В случае необходимости очисткиположительного электрода от глинистой корки и скопившихся в ней продуктов окислительных реакций снимают пластину 5 с глинистой коркой,что одновременно позволяет очиститьот 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 различ-ных 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 положительном 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 высококоллоидальныхглинистых растворов, например на основе саригюхского бентонита, .имеющего коэффициент коллридальностиК 0,92, напряжение электрофореза устанавливают в пределах 1-1,5 В, Вэтом случае глинистая корка, образованная на металлической пластине 5имеет низкую проницаемос 1 ь и высокуюпрочность. Толщина ее не должна превышать 10-15 мм.Для раствора на нефтеабадском глинопорошке, имеющем весьма низкий коэффициент коллоидальности (К 0,24),напряжение электрофореза устанавливают в пределах 2,5-3 В, а толщинаглинистой корки должна быть в 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.1) для создания ре-жима электрохимического разложениядисперсионной среди. Для сильно минерализованных буровых растворов с количеством солейболее 50 г/л, например на основе иджеванского бентонита с добавками 5 натриевых до 57. и кальциевых до 1,5 Хсолей, напряжение разложения устанавливается в пределах 12-14 В, а дляслабо минерализованных растворОв,например на основе нефтеабадского 10 глинопорошка, с добавками углещелоч"ного реагента до ЗЕ и хлорида натрия до 1%, напряжение разложениядостигает 45-50 В. При таких напряжениях в зоне отрицательного электро да 7 происходит интенсивное разложение дисперсионной среды, в результате чего резко повышаются восстановительные свойства обрабатываемойсреды, а в зоне положительного элект рода происходят окислительные реакции, продукты которых не поступаютв обрабатываемый раствор, а остаются в образованной на электроде глинистой корке.25Увеличение напряжения выше 50 Внедопустимо, так как приводит к интенсивному электрохимическому износу положительного электрода.30Процесс электрообработки бурового раствора в зоне отрицательного электродапродолжается 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.Надь ооькова Тех ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектна 1 Тирам 603 ВНИИПИ Государственного комипо делам изобретений и от 113035 Москва ЖРаушск Корректор О.БилакПодписноеета СССРрытийя наб, д, 4/5