Методы оценки свойств эмульсионных растворов

Для проведения качества используемых растворов на углеводородной основе, вместе с общепринятыми стандартами, применяемыми для буровых растворов на водной основе, применяется и ряд дополнительных, характеризующих агрегативную стабильность системы, физико-химические свойства дисперсионной и дисперсной фаз. В данной главе происходит описание таких исследования, объясняются их назначение и принципы. Стоит принять во внимание, что для определения химического состава водной фазы (содержание хлоридов, кальция) используются стандартные методы титрования.
Плотность
Плотность (кг/м3) – асса тела в единице его объёма бурового раствора. Контроль параметра осуществляется стандартными приборами: ареометрами, рычажными и герметизированными весами. Абсолютная плотность образца бурового раствора определяется при помощи герметизированных рычажных весов. Рычажные весы представлены на рисунке 2.1.
655320150495
а б
Рисунок 2.1 – Модели рычажных весов: а) обычные рычажные весы; б) герметизированные рычажные весы
Процедура измерения происходит по аналогии с растворами на водной основе. При контроле параметра необходимо четко различать кажущуюся и истинную плотности. Кажущаяся характеризует выходящий из скважины и содержащий газообразную фазу, истинная – раствор, освобожденный от газа. При контроле плотности растворов на углеводородной основе необходимо, чем для водных растворов, измерять газосодержащие и вносить необходимые коррективы. Это обуславливается тем, что углеводородная фаза раствора при высоких забойных давлениях очень хорошо растворяет различные газы. В зоне газосодержащего пласта газ растворяется в углеводородной фазе, а по мере продвижения раствора к устью скважины, происходит снижение давления и происходит обратный процесс выделения свободного газа и как следствие снижение плотности.
Следует обратить внимание на материал, применяемый для изготовления ареометра или рычажных весы. В большей массе случаев при продолжительном контакте с углеводородной фазой, форма и объем съемной чашки может измениться, в связи с чем замер будет произведен со значительной погрешностью
Условная вязкость
Условная вязкость (сек/кварту) – мера внутреннего сопротивления жидкости течению. Параметр определяется с помощью воронки Марша и характеризует время в секундах, необходимое для истечения одной кварты (946 см3) бурового раствора (рисунок 2.2).
1595755101600
Рисунок 2.2 – Воронка Марша
Каждая система растворов на углеводородной основе характеризуется увеличенными значения условной вязкости. Это объясняется следующим образом: во-первых, вязкость дисперсионной среды эмульсии намного выше вязкости водных растворов химических реагентов, ПАВ и солей. Во-вторых, объемное заполнение эмульсии дисперсной фазой (вода, твердые частицы), как правило, намного выше, чем для буровых растворов на водной основе. Условная вязкость раствора на углеводородной основе в большей степени зависит от содержания дисперсной фазы, и главным образом от содержания воды. Рост условной вязкости с увеличением содержания водной фазы – характерная особенность эмульсий, определяющая способ и метод регулирования данного параметра. График изменения условной вязкости от содержания водной фазы изображен на рисунке 2.3. Уменьшить условную вязкость, а также снизить содержание водной фазы можно увеличением углеводородной фазы, которая заранее обработана эмульгатором.
849630207010
Рисунок 2.3 – График изменения условной вязкости от содержания водной фазы
Реологические характеристики
Реологические показатели растворов на углеводородной компоненте (пластическая вязкость, динамическое и статическое напряжение сдвига) измеряются при температуре пробы 149F (65С). Для определения применяются ротационные вискозиметры российского(«Реотест-2», «ВСН») и импортного изготовления («FANN», «OFITE») [98].
4845053060065Вискозиметры с прямыми показаниями — приборы ротационного типа, механизм которых приводится в движение как при помощи электродвигателя, так и в ручную. Буровой раствор заполняет кольцевое пространство между двумя концентрическими цилиндрами. Внешний цилиндр или роторная гильза (втулка) производят движение при константной скорости вращения — ротационной скорости. Вращение роторной втулки в жидкости провоцирует вращающий момент на бобе (грузике) или внутреннем цилиндре. Вращательное движение внутреннего цилиндра сдерживается торсионной пружиной, а микромер, прикрепленный к внутреннему цилиндру, фиксирует его перемещение. Константы прибора синхронизированы так, что пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига получаются использованием показаний прибора при скоростях вращения роторной гильзы 600 и 300 об/мин. Ротационные вискозиметры разных моделей показаны на рисунке 2.4.
957580-260985
Рисунок 2.4 – Модели ротационных вискозиметров: а) электрический; б) ручной
Статическое напряжение сдвига для эмульсионных растворов обладает, как правило, более низки значением, чем для растворов на водной основе в тех же условиях, и в значительной степени зависит от объемного заполнения системы дисперсной фазой, основой которой является вода. Правильный выбор соотношения между водной и углеводородной фазами определяет возможность получения требуемых тиксотропных свойств.
По мере увеличения содержания водной фазы структурные свойства эмульсии растут. Тенденция к увеличению СНС наблюдается при 65-67%, а наиболее интенсивный рост отмечается при содержании водной фазы более 70%. Это объясняется известным теоретическим положением, согласно которому плотной упаковке жестких шаров монодисперсной эмульсии соответствует 74% содержания жидкой дисперсной фазы. Дальнейшее увеличение содержания водной фазы ведет к деформации глобул. Чем больше поверхность соприкосновения, тем заметнее выражена тиксотропная структура.
Динамическое напряжение сдвига обусловливается прочность структуры, распад которой требуемое условие для поддержания потока. Показания ДНС для растворов на углеводородной коммпоненте в тех же условиях имеют, обычно, достаточно высокие показания, чем для растворов на водной компоненте. Анализ тенденции изменения максимально ДНС разнообразных рецептур эмульсий, дало возможность выявить, что в случае представления дисперсионной среды ньютоновской жидкостью (как пример, дизельным топливом), колебания системы в неньютоновскую область фиксируются при содержании воды, более 10% (рисунок 2.5).
Содержание водной фазы, %
Рисунок 2.5 – График изменения динамического напряжения сдвига эмульсий от содержания водной фазы: 1 – пресная вода; 2 – 30% раствор CaCl2; 3 – насыщенный раствор NaCl; 4 – 30% раствор KCl
Изменение ДНС, как для пресной так и минерализованной воды протекает примерно одинаково, и зависит, в первую очередь, от процента содержания воды. В общем виде уравнение зависимости выглядит следующим образом:
τ = A + В·eKC (2.1)
где А – коэффициент, который зависит от реологических показателей дисперсионной среды (для дизельного топлива А=0), Па; В, К – коэффициенты, напрямую связанные со степенью дисперсности водной фазы (для эмульсии на основе дизельного топлива В=1, К=0,0515); С – объемная процентная концентрация водной фазы.
Пластическая вязкость обуславливается сопротивление течению бурового раствора. Показания пластической вязкости для раствора на углеводородной компоненте значительно больше, нежели для растворов на водной компоненте, и главным образом зависят от концентрации водной фазы

. Так, для раствора на основе минерального масла повышенный рост ее наблюдается при концентрации воды более 50-60% (рисунок 2.6).
9927859010
ПВ, сПа·с
Содержание водной фазы, %
Рисунок 2.6 – График изменения пластической вязкости эмульсии от содержания водной фазы:1 – 30% раствор CaCl2; 2 – пресная вода; 3 –30% раствор KCl;4 – насыщенный раствор NaCl
Реологические показатели растворов на углеводородной компоненте напрямую связаны с показателем вязкостных характеристик дисперсионной среды, характеристик дисперсной водной фазы (объемного содержания, характера распределения глобул по размеру, степени минерализации), характеристик ПАВ, которые обеспечивают эмульгирование и равновесие системы (компонентный состав, растворимость в фазах, концентрация, толщина созданных им межфазных защитных слоев и их реологические показатели) и показателей твердой дисперсной фазы (концентрация, степень дисперсности, характер поверхности и ее взаимодействие с жидкими фазами).
Важно не упускать из виду взаимосвязь реологических показателей от температурных показателей. При увеличении температуры, наравне с уменьшением вязкости дисперсионной среды, на систему в целом воздействует и снижение вязкости межфазных защитных слоев, как следствие, и вероятное укрупнение глобул. Вязкость эмульсии основу которой составляет дизельного топливо при нагреве от 20°С до 75°С уменьшается в 3-5 раз, несмотря на то, что вязкость ь дизельного топлива при соблюдении тех же условий уменьшается в 2,5-3 раза.
Фильтрация при высокой температуре и давлении (HTHP)
Фильтрация - показатель, на который указывает объем жидкой фазы, отфильтровавшейся из раствора на углеводородной основе под действием перепада давления при определённом температурном воздействии в течении 30 минут. Фильтрация измеряется как в статических, так и в динамических условиях, при нормальных и повышенных температурных показателях, и перепадах давления. Различие с водными системами заключается в том, что фильтрат раствора на углеводородной компоненте представлен углеводородной жидкостью.
Для определения показателя фильтрации в динамических условиях при достаточно высоких температурных показателях (до 200°С) и перепаде давления (до 490 атм) применяются фильтр-прессы импортного изготовления «FANN», «OFITE» (рисунок 2.7) [100].
1567180107315
Рисунок 2.7 – Фильтр-пресс HTHP фирмы «OFITE»
Свойства взаимодействия фильтрата раствора на углеводородной основе с горными породами имеют некоторые отличия от водных систем. Углеводородная неполярная среда, которая представляет собой базовый компонент фильтрата, исключает гидратацию глиносодержащих горных пород, в связи с чем сводится к минимуму ослабление стенок скважины, снижается негативное влияние фильтрата на коллекторские свойства пласта. Также эмульсии имммеют хорошую проникающую способностью из-за наличия углеводородорастворимых поверхностно-активных веществ. Фильтрат проходит в микротрещины горной породы, из-за чего возникают благоприятные условия для проявления «расклинивающего эффекта». В связи с этим с одной стороны, улучшаются условия разрушения забоя скважины, и происходит увеличение скорости бурения, с другой – возникают посылы для ослабления ствола скважины. Последнее стоит принять во внимание при применении эмульсионных растворов для бурения неустойчивых сильно перемятых аргиллитоподобных пород, в особенности с большими углами залегания.
Принимая во внимание качество вскрытия продуктивного коллектора, механизм взаимодействия фильтрата раствора на углеводородной основе с пластовым флюидом имеет некоторые отличия от системы взаимодействия фильтрата, на водной основе. Проникая в поры, снижается проницаемость коллекторов, содержащих в себе воду, и сохраняются естественные фильтрационные параметры нефтесодержащих коллекторов. Осуществляя контроль фильтрации стоит оценивать не только количественную величину характеристики, но и его качественный состав: представлен он углеводородной фазой, эмульсией или водной фазой [75]:
эмульсия седиментационно устойчива. Фильтрат представляет собой углеводородную фазу, а корка - эмульсию;
эмульсия седиментационно устойчива. Фильтрат представляет собой углеводородную фазу с некоторым количеством эмульсии, а корка – эмульсию с твердыми включениями;
эмульсия сравнительно устойчива. Фильтрат представляет собой эмульсию, а корка не образуется, что говорит о недостаточной коркообразующей способности;
эмульсия теряет седиментационную устойчивость. Фильтрат состоит из углеводородной жидкости и капелек воды;
эмульсия седиментационно неустойчива. Фильтрат – прямая эмульсия или вода.
Качественно стабилизированные и структурированные растворы на углеводородной основе имеют сравнительно низкие значения фильтрации. Имея температуру 150°С и перепад давления 35 атм (стандарты АНИ), фильтрация данных растворов находится в пределах 0,5-3,0 мл/30 минут. С увеличением температуры и перепада давления фильтрация также увеличивается.
Процесс регулирования фильтрации происходит главным образом в сторону уменьшения параметра и происходит с увеличением объемного наполнения системы дисперсной жидкой и твердой фазой, обработкой реагентами, снижающими фильтрацию. Рассматривая водные системы, наряду с водоотдачей, немаловажное значение имеют свойства фильтрационной глинистой корки. Для растворов на углеводородной основе этот показатель не оказывает существенное влияние. Обычно фильтрационная корка данных систем прочная, плотная, тонкая. Толщина корки зависит от соотношения диаметров фильтрационных каналов и глобул дисперсной водной фазы, а также от структурообразующих свойств дисперсионной среды. Величина корки находится в пределах 0,1-0,5 мм. В отличие от водных систем, стремящуюся к уменьшению величины корки, в эмульсиях регулирование осуществляется в сторону повышения горообразующих свойств. Такой результат достигается обработкой раствора углеводородо-набухающими веществами (асфальтенами, органофильными глинами, органофильными леонардитами).
Электростабильность
Электростабильность – параметр, которым характеризуется устойчивость раствора на углеводородной основе к фазовому обращению, определяемый величиной напряжения на электродах при протекании между ними тока утечки определённой величины. Данный способ позволяет незамедлительно оценить агрегативную стабильность эмульсии. Измерения параметра производится специальным прибором – тестером стабильности эмульсий (рисунок 2.8).
center-357505
Рисунок 2.8 – Тестер электростабильности эмульсий
В некоторых работах предлагается устойчивость раствора на углеводородной основе к фазовому обращению определить напряжением пробоя, при котором осуществляются коалесценция глобул и возникновение моста проводимости, в других научных работах говорится, что при измерении электростабильности мост проводимости не возникает, а измеряемые напряжения не соответствуют значениям электропробоя [48,94]. Исходя из этого остановимся более очевидной физическая сущность электростабильности. Пробой жидких диэлектриков в большей степени зависит от содержания посторонних включений, в том числе и от содержания водной фазы. Даже минимальное содержание воды в минеральном масле приводит к резкому понижению напряжения пробоя. Последующее повышение концентрации водной фазы, вплоть до состояния насыщения, не приводит к дальнейшему существенному уменьшению пробоя