Фильтрационное упрочнение оболочковой песчаной формы по аналогии с упрочнением стенок скважин в технологии бурения

 

Созданная в институте ФТИМС НАН Украины технология литья по ледяным моделям (ЛЛМ) в песчаные формы с сыпучим песком или песчаной смесью включает операцию впитывания расплава тающей модели в песок формы с сохранением на месте модели полости формы для последующей ее заливки расплавом металла. При этом фильтрация жидкости – расплава ледяной модели в песок аналогична таким явлениям в технологии бурения скважин, что позволяет проводить похожие исследования по этой теме, а также использовать их результаты и способы упрочнения, как стенки полости формы, так и стенки скважины.

В процессе бурения нарушается равновесие пород, слагающих стенки скважин. Сохранение устойчивости стенок скважины, как и стенок песчаной литейной формы – непременное условие выполнения буровых и формовочных процессов. При проведении буровых работ циркулирующую в скважине жидкость принято называть - буровым раствором или промывочной жидкостью (drilling mud, drilling fluid). Разрабатывая рецептуры промывочной жидкости, в нее, как правило, вводят компоненты, придающие ей крепящие (связующие) свойства. Кроме того, большинство промывочных жидкостей содержит твердую фазу, которая, отлагаясь при фильтрации в порах и тонких трещинах, образует малопроницаемую для жидкой фазы корку. Такая корка, обладая определенной механической прочностью, связывает слабосцементированные частицы горных пород, замедляет или полностью останавливает процесс дальнейшего распространения смоченной зоны вокруг ствола скважины.

Подобный механизм получения поверхностной связанной корки используют при изготовлении оболочковой литейной песчаной формы путем формования в песок ледяной модели, удаления из формы этой модели  путем ее расплавления и фильтрации ее расплава в песок. Расплавление модели выполняют за счет принудительного воздействия газового или жидкого теплоносителя, пропускания электротока или нагрева в контакте с окружающей модель песчаной смесью. При этом главная задача состоит в получении и сохранении целостности связанной песчаной корки (без признаков осыпания, трещинообразования, эрозии и других нарушений ее сплошности), в контакте с которой затем затвердевает заливаемый металлический расплав в виде отливки, и точное отражение размеров модели и чистота поверхности этой корки определяет качество получаемой отливки.

Сыпучие породы (песок) не обладают сцеплением ни в сухом состоянии, ни при полном насыщении водой. Только при ограниченном насыщении водой у сыпучих пород наблюдаются силы сцепления, суммирующиеся с внутренним трением их частиц. Поэтому связывание песка оболочковой формы выполняют путем введения в водную композицию (аналог буровых растворов) замораживаемой модели связующих компонентов, приготавливая эту композицию в общем виде как полидисперсную структурированную систему, руководствуясь аналитическими моделями и научными знаниями в области физикохимии. Скорость фильтрации полидисперсной системы меньше, чем монодисперсной. Это объясняется тем, что более мелкие частицы будут перекрывать просветы между более крупными. Учитывали, что при смачивании жидкости стенок капилляра имеется явление капиллярного транспорта. Наглядный пример действия капиллярных сил можно наблюдать при раскапывании сухого песка на пляже у водоема до уровня влажного песка, в зависимости от размеров зерен песка вода поднимается на высоту 300-600 мм. Прилегающие друг к другу песчинки образуют множество капилляров, и вода поднимается по стенкам капилляров за счет электромолекулярных сил. Чем уже капилляры (мельче зерна песка), тем на большую высоту она поднимается.

Физико-химическое воздействие жидкости на горную породу проявляется в трех основных формах: 1) активное воздействие, основанное на процессах гидратации, диссоциации, ионообмена и химических превращений; 2) адсорбционное воздействие; 3) осмотическое воздействие. Основное влияние промывочной жидкости на прочность горных пород сводится к физико-химическим изменениям в структуре пород под действием фильтрата, которое сопровождается диспергацией глинистой составляющей породы, набуханием, капиллярным и динамическим расклиниванием. Коллоидный механизм ухудшения коллекторских свойств пластов состоит в том, что дисперсные частицы удерживаются в жидкости и оседают в виде микроскопических фильтрационных корок на суженных поровых каналах. Проницаемость породы в этом случае зависит от фильтрационных характеристик данных микроскопических фильтрационных корок. В буровых растворах низкой фильтрации достигают за счет тонкой фильтрационной корки, содержащей глину высокой степени дисперсности. Степень набухания глины зависит от ее набухающих характеристик, а также степени дисперсности ее частиц.

Для разработки формовочной технологии при ЛЛМ полезно привлечение информации о буровых растворах с закупоривающими свойствами, для которых применяют две модели процесса фильтрации: 1) фильтрация с образованием осадка на фильтровальной перегородке и 2) фильтрация с закупоркой пор фильтровальной перегородки. В первом случае твердые частицы задерживаются на поверхности фильтра - пласта (аналог песчаной формы), образуя осадок возрастающей толщины, во втором - частицы задерживаются лишь в порах фильтра, т. е. происходит его кольматация (от итал. colmata наполнение) - процесс проникновения мелких (главным образом коллоидных, глинистых и пылеватых) частиц в поры и трещины фильтра. Отлагаясь в сужениях трещин, частицы наполнителя создают каркас, на котором осаждается твердая фаза, формируя изоляционные тампоны. Постепенно такие тампоны смыкаются, образуя в поглощающем пласте вокруг скважины водонепроницаемую завесу.

Удельное сопротивление осадка значительно повышается, если на поверхности его частиц адсорбированы макромолекулы веществ, которые способны создать вокруг частицы гелеобразную оболочку. Частицы, окруженные такой оболочкой, наиболее полно закупоривают поры. В связи с этим накопление даже тонкого слоя осадка практически предотвращает фильтрование жидкой фазы из системы. Когда защита обеспечивается добавлением высокомолекулярных и высоко гидрофильных органических соединений, их частицы также принимают участие в процессе коркообразования, заполняя более мелкие просветы, остающиеся между частицами дисперсной фазы, и еще более снижая проницаемость корки.

Для изготовления литейных форм из сыпучего формовочного материала снижение водопроницаемости стенки формы по механизму кольматации важно потому, что стенки формы при таянии модели удерживаются перепадом давления водной композиции, вызванным затрудненной фильтрацией ее в толщу стенки. При этом со стороны тающей ледяной модели и образуемой на ее месте полости создают давление гидростатическим напором столба жидкости, наливаемой на поверхность ледяной модели через трубчатый стояк или выпор требуемой высоты, и/или перепад давления создают вакуумированием песка формы с разрежением обычно в пределах 20...50 кПа.

В технологии бурения для сохранения устойчивости стенок скважины  используют гидростатическое давление промывочной жидкости. Теоретически обеспечение равенства давлений в системе пласт – скважина в процессе бурения позволяет избежать осложнений при вскрытии проницаемых горных пород, но гарантированная устойчивость стенок скважины наблюдается при σ < σп, где σ - напряжения, возникающие в породе, σ п - предел прочности породы при одноосном сжатии. Исследования показали, что при бурении скважин с водой в качестве промывочной жидкости и постоянном доливании воды на устье устойчивость стенок скважины сохраняется при перепаде давления на пласт Δh > 1,5…3,0 м [1]. Для ЛЛМ этот перепад Δh на стенке полости формы создают вакуумированием песка формы при поддержании остаточного давления в песчаной среде на уровне 85…70 кПа.

Скорость фильтрации промывочной жидкости прямо пропорциональна разности давлений, возникающих по обеим сторонам фильтровальной перегородки, и обратно пропорциональна сопротивлению, испытываемому жидкостью при ее движении через поры перегородки и слой образовавшегося осадка. Важным фактором, определяющим скорость фильтрации, является вязкость дисперсионной среды. С увеличением вязкости сопротивление фильтрата течению через поры фильтрующей поверхности возрастает, а следовательно, уменьшается скорость фильтрации. Применяемые высокомолекулярные органические соединения при растворении в воде значительно повышают вязкость, снижая скорость фильтрации. Удельное сопротивление осадка также повышается, если содержащиеся в нем частицы образуют коагуляционно-тиксотропную структуру.

Глубина проникновения глинистого раствора в пески при кольматации в среднем достигает 3-10 мм [1]. По разным источникам глубина проникновения твердой фазы составляет от 3…5 мм до 20 см и зависит от коллекторских свойств пласта. Фильтрат же проникает на большую глубину 0,4…1 м или даже в редких случаях и большую глубину. Глубина проникновения глинистых частиц в пористую среду через перфорационные (капиллярные) каналы достигает 10-15 мм [2]. Глубину L проникновения глинистого раствора в поры водоносного пласта, представленного мелкозернистыми песками, рекомендуется определить по формуле Царевича [3]: L= k∆P/10τ0, где k- коэффициент, учитывающий сопротивление движению жидкости в зависимости от размеров зерен породы, их формы и т.д; ∆P - репрессия на пласт, МПа; τ0 - начальное сопротивление раствора сдвигу, МПа.

Большинство исследователей при анализе явления кольматации придерживаются концепции внутрипорового сводообразования, по которой частицы с размерами, меньшими диаметра пор, но крупнее трети их проходного сечения, сталкиваясь, образуют перемычки, которые задерживают частицы меньшего размера В этом режиме формирование зоны кольматации происходит в период мгновенной фильтрации, т.е. до образования и уплотнения глинистой корки. Влияние толщины образовавшейся зоны кольматации (несколько миллиметров) на продуктивность пласта незначительно. В режиме сводообразования относительно быстро (порядка нескольких минут) формируется малопроницаемая зона кольматации, препятствующая дальнейшему поступлению промывочной жидкости в пласт [4].

При создании комплекса приборов для формовочной лаборатории участка ЛЛМ целесообразно заимствование некоторых приборов из методического комплекса для проектирования промывочных жидкостей, в частности, прибора ПОЗС [5]. Он предназначен для выбора наиболее эффективного закупоривающего поры наполнителя и минимально необходимой его концентрации в промывочной жидкости, а также реализации управляемой приствольной кольматации продуктивных пластов.

Принцип работы ПОЗС заключается в следующем. Камеру заполняют промывочной жидкостью, содержащей испытуемый наполнитель, и при постоянном напоре продавливают ее через модельный образец грунта. Измеряют объем промывочной жидкости (V, см3), прошедшей через образец до момента его полного закупоривания. Испытания проводят не менее трех раз при различной концентрации С испытуемого наполнителя в одной и той же промывочной жидкости. По результатам испытаний находят зависимость С = f(V), описывающую связь между С и объемом бурового раствора V, прошедшего через модельный образец до момента его полного закупоривания. Затем, приняв в найденной зависимости V = 0, определяют минимально необходимую концентрацию наполнителя (Сmin) для полного закупоривания модельного образца без ухода из камеры (без поглощения) промывочной жидкости. Полученное значение Сmin является интегральным показателем закупоривающей способности системы “промывочная жидкость - наполнитель” для конкретной приемистости или проницаемости модельного образца, имитирующего поглощающий или продуктивный пласт.

Для изучения поглощения в разных породах гранулярные пласты различной проницаемости моделируют с помощью дроби, стеклянных и металлических шариков различного диаметра, частиц песка определенной фракции и т.п. Прибор обеспечивает выбор наиболее эффективного закупоривающего наполнителя для ликвидации поглощений промывочной жидкости по минимально необходимой для этого концентрации наполнителя, способ определения которой защищен патентом [5]. Таким же образом следует испытывать составы водных композиций ледяных моделей при ЛЛМ с целью фильтрации их в талом виде в песчаной среде формы (метод фильтрационной формовки) с оптимальными условиями кольматации и последующего формирования связанной песчаной оболочки.

В завершение статьи приведем примеры получения оболочковых форм по ледяным моделям методом фильтрационной формовки - путем пропитки расплавом ледяной модели прилегающей к ней песчаной смеси (рис. 1). Эта пропитка выполнена одновременно с удалением модели из формы. В качестве связующего оболочки испытывали жидкое стекло, ЭКР (экструзионный крахмалореагент), ЛСТ (лигносульфонаты), помещаемые у водную композицию при замораживании ее в виде ледяной модели.

 

Рисунок 1. Примеры получения оболочковых форм по ледяным моделям методом фильтрационной формовки. В нижнем ряду показан ряд оболочек не распиленных, остальные распилены для контроля качества

Также наиболее удобный и недорогой метод – пропитка расплавом ледяной модели (из чистой воды) в поры песчаной смеси. В эту сыпучую песчаную смесь предварительно замешивают порошковые гидратационные вяжущие, к которым относятся гипс, цемент и металлофосфаты. Указанные вяжущие (связующие) вводят в состав смеси в количестве 15-25 %. При смачивании происходит их гидратация. И они образуют новые соединения в виде кристаллогидратной фазы, которая связывает зерна песка и образует песчаную оболочку с толщиной, равной глубине пропитки расплавом модели, этой виброуплотненной вокруг ледяной модели сыпучей смеси.

Литература:

1. Башкатов Д.Н., Роговой В.Л. Бурение скважин на воду. - М: Колос, 1976.- 208 с.
2. Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т., Челоянц Д.К. Интенсификация добычи нефти. - М.: Наука, 2000. - 414 с.
3. Сергиенко И. А. и др. Бурение и оборудование геотехнологических скважин М.: Недра, 1984. - 224 с.
4. Освоение скважин. Справочное пособие / А.И. Булатов, Ю.Д. Качмар, П.П. Макаренко, Р.С. Яремийчук. - М.: Недра-Бизнесцентр, 1999. - 473 с.
5. Пат. № 2062452 России. МПК G01N15/08. Способ определения закупоривающей способности бурового раствора с наполнителем / П.С. Чубик; В.И. Брылин; Е.Б. Годунов. - Опубл. 1996, Бюл.№17.