книги из ГПНТБ / Мискарли, А. К. Влияние состава дисперсионной среды на абразивные свойства утяжеленных промывочных систем

ВВ ЕДЕНИЕ

Одной из актуальных проблем современной физической <ч коллоидной химии является разработка дисперсных систем

сзаданными свойствами и структурой для использования их

вразличных областях промышленности.

Особо важное значение имеют положения физической и коллоидной химии для успешного разрешения проблем глу­ бокого и сверхглубокого бурения на нефть и газ.

Одним из основных элементов бурения нефтяных и га­ зовых скважин являются промывочные жидкости, от кол­ лоидно-химических свойств которых зависят скорость буре­ ния и возможность борьбы со всякого рода осложнениями, особенно проявляющимися в условиях глубокого бурения.

Роль коллоидной химии в бурении, по мере развития последнего, все больше усиливается. Применяя физико-хими­ ческие методы при разработке и исследовании промывочных систем, исследователи и специалисты в этой области доби­ лись в последние годы значительных успехов, способствовав­ ших успешному развитию современного бурения и повыше­ нию его эксплуатационной и экономической эффективности.

Плодотворные исследования ряда отечественных и зару­ бежных ученых привели к разработке теоретических основ получения и применения специальных видов промывочных дисперсных систем с заданными структурно-механическими, коллоидно-химическими и другими технологическими свой­ ствами.

Однако не все вопросы этой проблемы надлежащим образом разрешены. Среди них важное место занимает изу­ чение природы абразивного действия утяжеленных промы­ вочных систем и выявление основных факторов, влияющих на них, с целью борьбы с абразивным износом бурового обо­ рудования.

Актуальность этой проблемы возрастает по мере пере­ хода на все более глубокое бурение и по мере увеличения

3.

доли утяжеленных промывочных жидкостей в общем балансе

буровых растворов.

Несмотря на осознанную актуальность данной пробле­ мы, нужно признать, что в области борьбы с абразивным из­ носом бурового оборудования до сих пор проведено недоста­ точно исследований.

Такое положение может быть объяснено существовавшим ранее представлением о том, что основным фактором абра­ зивного износа является природная твердость абразива,— утяжелителя, и что борьба с абразивностью должна заклю­ чаться в изыскании и применении менее агрессивного мате­ риала, что представляло собой, конечно, трудноразрешимую задачу.

Однако со времени развития акад. П. А. Ребпндером новой области науки, граничной с коллоидной химией и наз­ ванной физико-химической механикой, все большее призна­ ние получило значение среды в формировании механических свойств поверхностей твердых тел, другими словами — зна­ чение химических методов воздействия на твердые тела как для повышения их прочностных свойств, так и для их пони­ жения.

Труды П. А. Ребнндера, Л. А. Шрейнера, В. И. Лихтмана, К. Ж. Жигача, Г. В. Карпенко. М. II. Воларовича, Ф. Д. Овчаренко и многих других показали, какие широкие пер­ спективы открывает перед наукой и техникой физико-хими­ ческая механика, способствуя созданию материалов с задан­ ными механическими свойствами, в особенности материалов с пониженной твердостью и прочностью, имеющих важное значение в технологических процессах тонкого измельчения.

Совершенно очевидно, что н в области абразивного износа бурового оборудования большая роль отводится сре­ де, в которой это оборудование должно работать. Данная работа проводилась именно под этим углом зрения.

Среди различных видов машинного износа большое ме­ сто занимает абразивный износ. Из исследователей в этой области следует, прежде всего, отметить М. М. Хрущова, М. А. Бабичева, И. В. Крагельского и других, много сделав­ ших для установления общих закономерностей абразивного износа, а также Г. В. Виноградова, Р. М. Матвеевского, К. Веллингера, И. С. Богатырева, В. Н. Кащеева, изучавших различные формы абразивного износа и факторы, влияющие на них.

Л. А. Шрейнер, А. В. Кольченко, Э. П. Мархасмн, М. Ш. Акмулин, Э. Г.' Кистер, А. А. Спивак, Е. А. Яшнникова и другие исследовали различные стороны многообразного по форме и условиям абразивного износа бурового оборудова­ ния и тем способствовали дальнейшим успешным исследова­ ниям в этой области.

4

Особенность оборудования нефтяных и газовых сква­ жин, выделяющая его среди многообразного машинного обо­ рудования, применяемого в современной промышленности, заключается в том, что в то время как все остальные маши­ ны по своей конструкции и способу пользования допускают применение эффективных смазочных средств для уменьше­ ния трения и износа, указанное буровое оборудование этой возможности почти лишено.

Более того, ряд оборудования нефтяных скважин часто вынужден работать в агрессивной, а в большинстве случаев

вабразивной среде.

Вэтой среде вращаются опорные подшипники долот и турбин, в ней работают поршни и клапаны грязевых насосов,

абурильные и обсадные трубы непрерывно омываются по­ током этой агрессивной жидкости. Неудивительно, что в этих условиях износ бурового оборудования чрезвычайно велик. Об этом свидетельствуют литературные данные, большей

частью' статистического характера. Если перечислить эти данные в масштаб всей нефтедобычи, потребляющей утяже­ ленные растворы, получаются весьма внушительные цифры, которые не могут не привлекать к себе пристального вни­ мания.

Однако большой материальный ущерб, причиняемый бурению износом оборудования, является только одной сто­ роной проблемы. Наиболее ощутимо непосредственное влия­ ние износа бурового оборудования н а 1скорость бурения.

Частая смена долот и турбин в результате износа опор­ ных подшипников вызывает частые спуско-подъемные опе­ рации, которые, как известно, отнимают много времени, и чем глубже скважины, тем непропорционально больше.

Главным источником абразивного износа являются утя­ желенные промывочные жидкости на железистых утяжели­ телях — магнетите или гематите. С углублением горизонта бурения доля утяжеленных промывочных жидкостей будет все увеличиваться. Соответственно, будет обостряться про­ блема износа бурового оборудования.

'Согласно данным Министерства нефтедобывающей про­ мышленности Азербайджанской ССР доля утяжеленных рас­ творов в общем количестве промывочных жидкостей соста­ вила в 1965 г. 39%, а за 1966—1970 гг. она возрасла до

53%.

Детали машин, которые относятся к буровому оборудо­ ванию, различаются по конструкции, выполняемому ими действию и характеру контакта с абразивной средой. По этому последнему оборудование и его части можно разбить на две категории:

1.Машины и части, в которых износ обусловлен конт

том двух металлических поверхностей, между которыми на-

\

5

абразивному износу бурового оборудования, где сам абразив не является индивидуальным веществом и при одном и том же названии может проявляться по-,разному.

Под этим углом зрения рассмотрим работы, отмеченные в литературе и относящиеся непосредственно к абразивному износу утяжеленных суспензии; затем, к более широкой области износа бурового оборудования и, наконец, к еще более широкой области абразивного износа вообще.

Из первой категории работ, крайне незначительных, остановимся прежде всего на работе А. В. Кольченко [2]. Автор исследовал абразивные свойства утяжеленных суспен­ зий на приборе Л. А. Линевского [3] и пришел к следующим выводам: во-первых, абразивность пропорциональна концен­ трации утяжелителя; во-вторых, она зависит от формы ча­ стиц; в третьих, абразивность не является прямой функцией твердости. Так, твердость гематита в два раза больше твер­ дости барита, а абразивность в 4,3 раза больше. (Это совер­ шенно естественно, ибо утяжелители, как было уже сказано, являются не индивидуальными соединениями, а естественны­ ми породами, поэтому абразивность каждой из них будет колебаться от случая к случаю).

Близкая по характеру работа проведена А. И. Спиваком и Л. А. Шрейнером [4, 5], которые исследовали сравнитель­ ную абразивность большого числа абразивных и утяжелен­ ных суспензий, приняв в качестве условного эталона глину, абразивность которой приравнена к единице. Они как и А. В. Кольченко, показали отсутствие прямой зависимости между микротвѳрдостыо и абразивностью и наличие больших коле­ баний в абразивных свойствах у баритов различного проис­ хождения.

Авторы также установили, что степень дисперсности имеет значение, что с увеличением крупности зерна абразив­ ность увеличивается, однако для каждого утяжелителя влияние это сказывается количественно различно. Авторы считают, что формы зерен абразива имеют значение только в том случае, если твердость абразива больше твердости ме­ талла. Исследования проводились на приборе Л. А. Линев­ ского.

Ряд работ, связанных с износом оборудования при буре­ нии нефтяных скважин, проводили М. III. Акмулин и К- Ф. Жигач. Целью исследований являлось выяснение влияния промывочных жидкостей на скорость бурения как результат обусловленного ими износа бурового оборудования. Основ­ ным критерием служила проходка на долото. Работа [6] про­ водилась на стенде ЗИФ-1200. Промывочной жидкостью слу­ жила система на нефтяной основе, которая имеет значение при освоении нефтяных скважин. Авторы установили, что по сравнению с водой нефтяная промывочная жидкость увели­

8

чила проходку на 37%. Приписывается это смазочному дей­

ствию нефт.и на долото и турбины.

Авторы исследовали также [7, 8] влияние на скорость бурения карбокоиметилцеллюлозы (КМЦ), которая в настоя­ щее время частично применяется как химический реагент, для обработки промывочных жидкостей в условиях высокой минерализации. Пользуясь указанным стендом, исследова­ тели установили, что КМЦ способствовала повышению про­ ходки на долото в 1,5 раза по сравнению с водой. Они объ­ ясняют это понижением твердости породы [9] благодаря поверхностной активности КМЦ, ссылаясь при этом на [10]. Одновременно авторы приводят данные, указывающие ■на прямое понижение износа стали в водной среде, содержащей

КМЦ.

Нужно, однако, отметить, во-первых, что КМЦ вовсе не признается поверхностно-активным веществом [11] и не адсор­ бируется на глине [12]. Во-вторых, если КМЦ вследствие поверхностной активности способна понижать твердость по­ верхности, то это должно было бы привести к повышению износа стали, а не к понижению его.

іВ другой работе [13] эти же авторы совместно с Л. А. Шрейнером исследовали влияние некоторых неорганических солей на износ стали, учитывая возможное наличие этих со­ лей в буровых растворах.

Применявшаяся ими методика заключалась в следу­ ющем: диск из испытываемого металла вращается с опреде­ ленной скоростью по поверхности монокристалла кварца, который передвигается в противоположном направлении. В контакт подается раствор соли.По этой методике исследовал­ ся относительный износ стали и породы. В результате прове­ денной работы установили, что исследованные соли можно разбить на три категории: 1) повышающие износ .(Ыа2СОз,

веденной системе кварц (микротвердость > 1100 кг/мм2) из­ нашивается сильнее, чем сталь (микротвердость 750 кг/мм2). По нашему мнению, это обусловлено не внутренними законо­ мерностями, а особенностью принятой методики, приводя­ щей, помимо чисто абразивного трения, еще к срезывающему действию благодаря принудительному движению кварцевой пластинки.

Большая работа по исследованию износа различного бурового оборудования проведена Э. Л. Мархасиным [14— 17]. Основная цель заключалась в- разработке подходящей конструкции и подборе материала для бурового оборудова-, ния в целях уменьшения его износа. Роль глинистого раство­ ра в зависимости от его состава не рассматривается. Автор считает, что основным видом износа деталей нефтепромысло­

9'