авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование и разработка энергосберегающих технологий приготовления и гомогенизации буровых и тампонажных растворов, основанных на эффектах волновой механики

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГАНИЕВ СТАНИСЛАВ РИВНЕРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ГОМОГЕНИЗАЦИИ БУРОВЫХ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ, ОСНОВАННЫХ НА ЭФФЕКТАХ ВОЛНОВОЙ МЕХАНИКИ

Специальности 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин

05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в лаборатории нелинейных волновых процессов в нефтегазовом комплексе Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН

Научный руководитель - кандидат технических наук

Сонин Валерий Николаевич

Научный консультант - доктор технических наук

Украинский Леонид Ефимович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Фролов Андрей Андреевич

- кандидат технических наук

Мнацаканов Александр Васильевич

Ведущая организация - Уфимский государственный

нефтяной технический университет

(УГНТУ)

Защита состоится «24» марта 2010 года в 15 часов 30 минут на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 002.263.01 при Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН) по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ НВМТ РАН по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д.4.

Автореферат разослан «24» февраля 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Аверьянов А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Строительство нефтяных и газовых скважин в нефтедобывающей отрасли России – одно из капиталоемких и наиболее ответственных мероприятий при разработке месторождений углеводородов. Поэтому снижение затрат на бурение, при сохранении качества и экологической безопасности буровых работ является актуальной задачей, позволяющей снизить объем капитальных вложений и, в конечном счете, повысить рентабельность отрасли.

В свою очередь, большая часть затрат на бурение зависит от буровых растворов. Геолого-технические условия бурения скважин постоянно меняются: растут глубины, расширяются регионы буровых работ на суше и на море. В последние годы резко возросли экологические требования к процессу бурения в целом, и к буровым растворам в частности, поскольку они содержат в своем составе до десятка необходимых, но опасных для окружающей среды компонентов (солей, щелочей, поверхностно-активных веществ и др.)

Не меньшее значение при строительстве нефтяных и особенно газовых скважин придается обеспечению герметичности заколонного пространства, заполняемого, как правило, тампонажным раствором на минеральной основе.

Вопросу создания буровых и тампонажных растворов с требуемыми технологическими свойствами уделяется достаточно серьезное внимание, но проблемам энергетически оправданного смешения порошкообразных материалов и дисперсионной среды с различными малыми добавками, регулирующими те или иные физико-механические и реологические характеристики сухих смесей и растворов из них - внимание явно недостаточное и до сих пор остается на уровне смешения механическими и гидродинамическими мешалками.



Цель работы

Повышение эффективности строительства нефтяных и газовых скважин интенсификацией процессов приготовления и активации буровых и тампонажных растворов аппаратами, реализующими эффекты волновой механики.

Основные задачи исследований

  1. Обобщение технологических требований к буровым и тампонажным растворам.
  2. Создание теоретических основ совершенствования технологий приготовления и активации буровых и тампонажных растворов.
  3. Лабораторные и промысловые исследования волновой обработки исходных материалов (сухих смесей) и водных суспензий промывочных и тампонажных растворов для получения растворов с заданными технологическими характеристиками.
  4. Создание устройств на волновых принципах и ресурсосберегающих технологий с их использованием для интенсификации процессов приготовления промывочных и тампонажных растворов.

Научная новизна работы

  1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены эффекты энергосбережения при смешении и гомогенизации сухих композиций для приготовления буровых и тампонажных растворов с заранее заданными свойствами.
  2. Экспериментально установлено, что при механической активации водных растворов полимеров происходит механическое расщепление и механодеструкция их макромолекул, появление свободных радикалов и ионов, образование и рост реакционных цепей и др., что позволяет решить целый ряд технологических задач:
  • уменьшить удельные расходы дорогостоящих компонентов, например, полимеров;
  • получать новые порошкообразные и жидкофазные композиционные материалы с заранее заданными свойствами (вязкостными, структурно-механическими и т.д.);
  • повысить уровень агрегативной устойчивости и стабильности структурно-механических свойств растворов;
  • повысить плотность структуры и прочность цементного камня при затвердевании тампонажных систем при одновременном уменьшении расхода цемента и полимерных добавок;
  • повысить степень герметизации заколонного пространства скважин;
  • создавать тампонажные композиционные материалы с использованием промышленных отходов (хроматных шламов, зол ТЭЦ и т.п.);
  • создавать жидкофазные буровые композиционные материалы с улучшенными трибологическими свойствами, применение которых позволяет уменьшить износ инструмента при высоких скоростях бурения.

Практическая ценность и реализация результатов работ

  1. На основании обобщения технологических требований к буровым и тампонажным растворам созданы теоретические основы совершенствования процессов приготовления, смешения, гомогенизации и активации как исходных сыпучих продуктов, так и водных суспензий на их основе с заранее заданными свойствами, позволяющие широко использовать новейшие достижения нелинейной волновой механики для создания наукоемких ресурсосберегающих технологий.
  2. Разработаны технологические схемы введения различных химических добавок в сухие смеси для получения промывочных растворов с заранее заданными свойствами в условиях буровой.
  3. Предложена технология приготовления и гомогенизации облегченных и утяжеленных тампонажных суспензий в условиях буровой, а также волновая обработка тампонажного раствора в зоне продуктивного пласта с целью недопущения перетоков и герметизации заколонного пространства нефтяных и газовых скважин.

Апробация результатов исследований

Содержание работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Экологические проблемы производства и потребления поверхностно-активных веществ» (Россия, Москва, 4- 10 апреля 2007г.), на VII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях(NPNJ-2008),( Алушта, 24-31 мая 2008 г), на III-й Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», (Москва, 21-23 октября 2008 г), на Международной научно-практическом семинаре «Повышение нефтеотдачи пластов и капитальный ремонт скважин», (Самара, 26-31 мая 2008), на Mеждународной конференции « Потоки и структуры в жидкостях: Физика геосфер», (Москва, 24-27 июня 2009 г).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 15 печатных работах, в том числе 1 статья в журналах, рекомендованных ВАК РФ, патентов 3, монографий 1.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 85 наименований. Изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 12 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность доктору технических наук Украинскому Л.Е., кандидату технических наук Сонину В.Н. за неоценимую помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, поставлена цель и определены основные задачи диссертационной работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность и показана реализация результатов работ.

В первом разделе рассмотрены основные технологические требования к буровым растворам и тампонажным композициям.

Спектр функций, выполняемых буровыми растворами, постоянно расширяется. Сравнительно недавно появилась и стала бурно развиваться смазывающая и противоизносная функция буровых растворов. Развитие этого направления работ во многом подвигли те впечатляющие успехи, которые были достигнуты в области снижения трения и износа различных машин и механизмов, благодаря смазочным материалам. Другим примером является функция бурового раствора по защите бурильного инструмента от коррозии и нейтрализации агрессивных жидкостей и газов, поступающих в скважину из разбуриваемых пластов.

Можно сформулировать такое общее требование к промывке скважин и буровым растворам: они должны обеспечивать безопасную для недр, окружающей среды и работников проводку скважины до проектной глубины с высокими технико-экономическими показателями при минимальных затратах времени и средств. Из этого общего требования вытекает ряд частных:

1. Не нарушать устойчивость стенки скважины;

2. Не снижать естественную проницаемость продуктивных горизонтов;

3. Сохранять свои свойства при низких и высоких температурах в стволе скважины, при поступлении в раствор выбуренной породы и пластовых флюидов;

4. Не вызывать коррозию оборудования и инструмента, работающих в среде бурового раствора;

5. Не создавать опасности для недр, окружающей среды и обслуживающего персонала;

6. Быть доступной и по возможности дешевой.

Для выполнения технологических функций и удовлетворения предъявляемым требованиям физико-химические свойства буровых растворов необходимо регулировать. Это достигается вводом в них различных добавок для обеспечения требуемых технологических характеристик.

Современные технологии и технические средства для приготовления и гомогенизации буровых растворов обеспечивают достаточно высокую производительность (до 100 м3/час и выше), практически полную механизацию процесса, но, однако, не обеспечивают главного – достаточной степени диспергирования твердой фазы. В результате приготовленный буровой раствор приходится доводить до требуемой кондиции путем многократной циркуляции в системе приготовления, либо в циркуляционной системе буровой установки.

Свойства дисперсных систем, каковыми является подавляющее большинство буровых растворов, очень сильно зависят от концентрации твердой фазы, которую можно регулировать изменением массовой концентрации, но в гораздо большей степени изменением дисперсности (размеров частиц) дисперсной фазы. Она возрастает с увеличением, как массовой концентрации дисперсной фазы, так и ее дисперсности. Увеличение дисперсности значительно эффективнее, поскольку оно не вызывает изменения плотности бурового раствора, не требует дополнительных затрат дисперсной фазы, повышает седиментационную устойчивость и уменьшает его абразивность.

Особенно эти требования предъявляются к качеству тампонажного раствора и камня из него.

В качестве тампонажных материалов в настоящее время широко применяются минеральные вяжущие вещества – порошкообразные продукты, образующие при так называемом затворении, т.е. при смешивании с водой или водными растворами солей, нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию.

В качестве вяжущего обычно используется тампонажный портландцемент, который представляет собой разновидность портландцемента – порошкообразного минерального неорганического вяжущего материала, состоящего главным образом из высокоосновн ых силикатов кальция.





Несмотря на все разнообразие вяжущих веществ, служащих основой для получения тампонажных дисперсий, процесс превращения их из вязко-пластичного в камневидное состояние всегда включает образование специфических аквакомплексов — гидратных фаз, их частичную или полную кристаллизацию и вхождение в пространственную структуру твердеющего материала, постепенно приобретающего высокую механическую прочность.

Многими исследователями показано, что механические воздействия в зависимости от частоты, времени их приложения и длительности могут в широких пределах изменять период формирования структуры, т. е. управлять процессом структурообразования при твердении. Кроме того, найдены стадии структурообразования, на которых механическая и волновая обработки дают наилучшие результаты

При волновом воздействии каждая частица тампонажной смеси начинает колебаться, вследствие чего на границе частиц с дисперсионной средой происходит тиксотропное разжижение смеси до состояния временной текучести. Эти изменения реологических свойств цементных растворов при воздействии колебаний позволяют добиться однородной смеси, а также увеличить степень гидратации цемента.

Скорость нарастания пластической прочности в период упрочнения структуры цементного теста увеличивается. Предел прочности на одноосное сжатие образцов цементного камня, полученных из активированного теста, оказался значительно более высоким, чем для образцов, приготовленных без активирования. Это обусловлено увеличением равномерности распределения воды между зернами цемента при низком В/Ц, приводящее к повышению пластичности и снижению прочности коагуляционной структуры, дополнительным механическим диспергированием зерен цемента и ускорению процессов гидратации за счет усиления процессов адсорбционного и химического диспергирования и постоянного отвода продуктов гидратации с поверхности вибрирующих зерен и обнажения свежих поверхностей для дальнейшей гидратации.

Волновое воздействие позволяет максимально использовать вяжущие свойства цемента в результате увеличения дисперсности твердой фазы. При этом диспергирование может быть двояким: измельчение твердых поликристаллических частиц цемента, взвешенных в жидкой среде, и пептизация, т. е. разделение агрегатов слипшихся частиц (флокул).

Механическая активация тампонажных растворов улучшает не только физико-механические свойства цементного камня, но и реологические свойства тампонажного раствора, обеспечивает более быстрое формирование прочного цементного кольца в затрубном пространстве.

Во втором разделе рассмотрены теоретические основы совершенствования технологий приготовления буровых и тампонажных растворов.

Известны различные физические явления и процессы, в которых возникает очень высокая локальная концентрация энергии при небольших средних затратах мощности (гидродинамические, акустические, электрогидравлические и др.) нам представляется наиболее интересным использование кавитации.

Во-первых, кавитация довольно легко технически реализуется при атмосферном давлении: достаточно весьма небольших затрат мощности для организации течения с нарушением сплошности потока (рис. 1).

1 - твердая стенка; 2 - текущая жидкость; 3 – кавитационные

пузыри; V- скорость потока

Рисунок 1 - Схема образования кавитации

Известно, что кавитация – нарушение сплошности потока жидкости – возникает при условии :

(1)

где – гидростатическое давление в потоке жидкости; V- скорость потока; - плотность жидкости; Z – объемная прочность жидкости, которую можно принимать равной давлению упругости ее пара.

Из выражения (1.1) можно определить скорость потока, при которой возникает кавитация

(2)

Во-вторых, кавитационные пузыри сносятся потоком в область повышенного давления, где они схлопываются с образованием гидравлического удара. Возникающее при этом давление можно определить по формуле Н.Е. Жуковского

(3)

где - плотность жидкости; V- скорость потока; с – скорость распространения ударной волны, которую можно принимать равной скорости звука в жидкости. Для диспергирования твердой фазы в суспензии кавитация будет весьма полезной, поскольку кавитационные пузыри, как известно, легче всего образуются вокруг твердых частиц и при их схлопывании импульсы давления способствуют дальнейшему диспергированию частиц.

В-третьих, вновь образующаяся при диспергировании частиц поверхность чрезвычайно активна в момент образования. Сольватная оболочка газов образуется вокруг частиц и при сухом помоле дисперсной фазы (глины, утяжелителей) буровых растворов. Она затрудняет образование прочной гидратной оболочки или сольватной оболочки химических реагентов при приготовлении бурового раствора, способствуя коагуляции последнего. При кавитационном диспергировании частицы находятся в воде и вокруг них сразу формируется прочная гидратная оболочка или сольватная оболочка химических реагентов, стабилизирующая раствор. В результате можно получить стабильный буровой раствор с минимальной химической обработкой или даже без таковой.

Механическое (т.е. не диффузионное) смешение жидкости происходит благодаря растяжению и искривлению материальных элементов среды в процессе движения жидкости. Представим себе бесконечно малый сферический объем жидкости с центром в точке X, находящийся в начальный момент на входе в смеситель. В процессе движения жидкости будет происходить деформация этого объема и, как следствие, будут изменяться расстояния между составляющими его точками. Очевидно, если через некоторое время T в результате движения жидкости все точки этого объема будут равномерно распределены по всему объему среды, то можно говорить о хорошем перемешивании данного начального сферического объема. Степень “разбегания“ точек локального объема можно характеризовать относительным удлинением начального расстояния между ними и центральной точкой X в процессе движения. Проведя усреднения по локальному объему, по всем возможным положениям точки X и по времени смешения получим величину - среднее относительное удлинение - интегрально характеризующую степень перемешивания в данном процессе за данное время.

Таким образом, для анализа эффективности смешения можно использовать аппарат кинематики деформируемой среды

Пусть задан закон движения континуума:

(4)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.