Растворы на углеводородной основе

Кратко о главном

РУО чаще всего — инвертная эмульсия: сплошная фаза — масло (дизельное, минеральное или синтетическое), в нём капли рассола хлорида кальция размером в несколько микрометров. Эмульгаторы удерживают капли, смачиватели делают твёрдые частицы гидрофобными.
Соотношение основы и воды (oil–water ratio, OWR) считают по реторте: $V_o/(V_o + V_w)$ ; обычно от 70/30 до 90/10. Повысить его — добавить основу, понизить — добавить рассол; объёмы получаются большими, а плотность потом восстанавливают утяжелителем.
Минерализацию водной фазы находят по хлоридам всего раствора и доле воды из реторты: хлорида кальция в 1,565 раза больше, чем хлорид-ионов. Через неё задают активность воды раствора — равную активности глин или немного ниже.
Электростабильность — напряжение пробоя пробы между электродами, индикатор устойчивости эмульсии. Её падение вместе с водой в фильтрате при высоких давлении и температуре и «зернистым» видом раствора говорит о нарушении эмульсии или о смачивании твёрдой фазы водой.
Избыток извести $3{,}7\,P_{om}$ кг/м³ — запас щёлочи для эмульгаторов и защита от углекислого газа и сероводорода.
Газ растворяется в основе: приток даёт меньший прирост объёма, газ не расширяется по пути вверх и выделяется лишь там, где давление падает ниже давления насыщения, — в верхней части ствола, быстро и в большом объёме.

Ключевые соотношения

\text{OWR} = \dfrac{V_o}{V_o + V_w}

соотношение основы и воды по объёмам из реторты

w = \dfrac{1{,}565\,[\mathrm{Cl^-}]}{1{,}565\,[\mathrm{Cl^-}] + 10^6 f_w}

массовая доля CaCl₂ в водной фазе; хлориды — мг/л раствора

f_b = \dfrac{f_w}{\rho_b\,(1 - w)}

доля рассола по доле воды из реторты

\Delta V_o = V\left(\dfrac{f_w R}{1 - R} - f_o\right)

основа, которая поднимает соотношение до $R$

p_{\text{нас}} = \dfrac{G}{f_o\,k}

давление насыщения раствора газом (модель линейной растворимости)

Где чаще всего ошибаются

Путать воду из реторты с рассолом: соль остаётся в стакане реторты и попадает в «твёрдую фазу», поэтому долю рассола и твёрдой фазы исправляют по минерализации.
Судить об эмульсии по одному значению электростабильности: оно зависит и от доли воды, и от твёрдой фазы, и от температуры; важен тренд и сочетание с другими испытаниями.
Повышать минерализацию «с запасом»: чрезмерно низкая активность сушит глины, а хлорид кальция сверх насыщения кристаллизуется.
Ждать от газового проявления в РУО такого же прироста объёма и такого же расширения газа по пути вверх, как в водном растворе.
Добавлять основу или воду, не пересчитав плотность, минерализацию и концентрацию эмульгаторов: в РУО всё связано.

После урока вы сможете

описать устройство инвертной эмульсии и роль её компонентов — основы, рассола, эмульгаторов и смачивателей, органофильной глины, извести, понизителей фильтрации и утяжелителя;
по реторте и хлоридам раствора рассчитать соотношение основы и воды, минерализацию водной фазы, долю рассола и твёрдой фазы;
рассчитать количество основы, рассола и утяжелителя, чтобы изменить соотношение основы и воды при сохранении плотности;
объяснить, как активность воды раствора уравновешивают с активностью глин, и рассчитать нужную добавку хлорида кальция;
объяснить смысл электростабильности, фильтрации при высоких давлении и температуре и избытка извести;
сравнить преимущества и ограничения растворов на углеводородной основе, в том числе растворимость газа и обнаружение проявлений, и описать общие подходы к обращению со шламом.

Как устроена инвертная эмульсия

Эмульсия — смесь двух несмешивающихся жидкостей, одна из которых раздроблена на капли в другой. В ранних «эмульсионных» растворах на водной основе капли нефти были рассеяны в воде; в растворе на углеводородной основе наоборот — вода (точнее, рассол) рассеяна в масле, отсюда название инвертная, то есть обращённая, эмульсия. Сплошная фаза определяет, что «видят» стенки скважины, шлам, металл и каротажные приборы: в инвертной эмульсии это масло.

Капли рассола сами по себе стремятся слиться: так уменьшается поверхность раздела и её энергия. Слиться им не даёт эмульгатор (emulsifier) — вещество, молекула которого с одного конца полярна и тянется к воде, с другого — длинная углеводородная цепь, растворимая в масле. Такие молекулы выстраиваются на поверхности капель плёнкой, снижают межфазное натяжение и механически разделяют капли. Чем мельче и однороднее капли, тем устойчивее эмульсия; поэтому свежий раствор интенсивно перемешивают, а капли в нём — порядка микрометров.

СхемаУстройство инвертной эмульсии (схема, не в масштабе): сплошная фаза — масло, в ней капли рассола хлорида кальция в оболочке из молекул эмульгатора (полярные «головы» в воде, углеводородные «хвосты» в масле), частицы барита, покрытые смачивателем, и пластинки органофильной глины. Внизу слева — частица, смоченная водой: она прилипает к каплям, и они слипаются в комок.

Капли рассола ведут себя в эмульсии как мелкие твёрдые частицы: чем их больше, тем выше вязкость и прочность геля раствора и тем легче каплям столкнуться и слиться. Поэтому доля воды — один из главных «рычагов» свойств: добавка основы разжижает раствор и делает эмульсию устойчивее, добавка рассола загущает. При этом капли работают на раствор: вместе с органофильной глиной они не дают утяжелителю осесть, а застревая в порах корки, уменьшают фильтрацию.

Вторая забота — смачиваемость твёрдой фазы (Смачиваемость и межфазные явления). Барит и выбуренная порода от природы гидрофильны. Попав в масло, гидрофильная частица притягивает капли рассола, они слипаются вокруг неё в комки, комки оседают, а эмульсия теряет воду. Чтобы этого не было, в раствор вводят смачиватели (wetting agents) — поверхностно-активные вещества, которые покрывают частицы и делают их гидрофобными. Заметить это можно по нескольким признакам сразу: падает электростабильность, барит начинает выпадать в осадок, раствор становится матовым и «зернистым», а слипшийся шлам забивает сетки вибросит (таблица в разделе испытаний).

Классы растворов на углеводородной основе

Класс: Полностью углеводородные (all-oil)
Вода в растворе: до нескольких процентов, случайная
Особенности: вода — загрязнение; применялись для вскрытия пластов и отбора керна

Класс: Инвертные эмульсии
Вода в растворе: от 5–10 до 40–50 % жидкой фазы
Особенности: основной класс; соотношение основы и воды подбирают под плотность и температуру

Класс: На синтетической основе (SBM)
Вода в растворе: как у инвертных эмульсий
Особенности: основа — олефины, парафины или сложные эфиры; меньше токсичность, выше цена

Класс	Вода в растворе	Особенности
Полностью углеводородные (all-oil)	до нескольких процентов, случайная	вода — загрязнение; применялись для вскрытия пластов и отбора керна
Инвертные эмульсии	от 5–10 до 40–50 % жидкой фазы	основной класс; соотношение основы и воды подбирают под плотность и температуру
На синтетической основе (SBM)	как у инвертных эмульсий	основа — олефины, парафины или сложные эфиры; меньше токсичность, выше цена

Границы классов в разных источниках и у разных поставщиков немного различаются. Сокращение SBM — synthetic-based mud.

Как появились растворы на углеводородной основе

Уже в первой половине XX века заметили, что пласт, вскрытый нефтью, а не водой, отдаёт больше: глины в нём не набухают. Первые растворы такого рода в 1930–1940-х годах готовили на сырой нефти и дизельном топливе с окисленным битумом и известью и применяли прежде всего при вскрытии и заканчивании. Затем появились инвертные эмульсии с заметной долей рассола — ими стало проще управлять, и с 1970-х годов их широко применяют против неустойчивых глин. В советской практике известны известково-битумные (ИБР) и инвертно-эмульсионные (ИЭР) растворы. С 1980–1990-х годов дизельное топливо вытесняют малотоксичные минеральные масла и синтетические основы.

Состав: основа, рассол, эмульгаторы и добавки

Компоненты инвертно-эмульсионного раствора

Компонент: Основа
Примеры: дизельное топливо; минеральные масла; олефины, парафины, сложные эфиры
Зачем: сплошная фаза; от неё зависят токсичность, вязкость, пожарная безопасность и цена

Компонент: Рассол
Примеры: хлорид кальция, реже хлорид натрия
Зачем: внутренняя фаза; соль задаёт активность воды

Компонент: Эмульгаторы
Примеры: мыла жирных кислот, полиамиды и другие ПАВ
Зачем: удерживают капли рассола

Компонент: Смачиватели
Примеры: поверхностно-активные вещества
Зачем: делают барит и шлам гидрофобными

Компонент: Органофильная глина, модификаторы реологии
Примеры: бентонит или гекторит, обработанные аминами; жирные кислоты, полимеры
Зачем: вязкость и гель в масляной среде

Компонент: Известь
Примеры: гидроксид кальция
Зачем: активирует мыльные эмульгаторы; запас щёлочи против CO₂ и H₂S

Компонент: Понизители фильтрации
Примеры: асфальт и гильсонит, лигнит, обработанный аминами, полимеры
Зачем: тонкая малопроницаемая корка

Компонент: Утяжелитель
Примеры: барит, реже гематит или карбонат кальция
Зачем: плотность

Компонент	Примеры	Зачем
Основа	дизельное топливо; минеральные масла; олефины, парафины, сложные эфиры	сплошная фаза; от неё зависят токсичность, вязкость, пожарная безопасность и цена
Рассол	хлорид кальция, реже хлорид натрия	внутренняя фаза; соль задаёт активность воды
Эмульгаторы	мыла жирных кислот, полиамиды и другие ПАВ	удерживают капли рассола
Смачиватели	поверхностно-активные вещества	делают барит и шлам гидрофобными
Органофильная глина, модификаторы реологии	бентонит или гекторит, обработанные аминами; жирные кислоты, полимеры	вязкость и гель в масляной среде
Известь	гидроксид кальция	активирует мыльные эмульгаторы; запас щёлочи против CO₂ и H₂S
Понизители фильтрации	асфальт и гильсонит, лигнит, обработанный аминами, полимеры	тонкая малопроницаемая корка
Утяжелитель	барит, реже гематит или карбонат кальция	плотность

Торговые названия у поставщиков свои; в таблице — классы веществ. ПАВ — поверхностно-активные вещества.

Основа. Дизельное топливо дёшево и доступно, но содержит много ароматических углеводородов: они токсичны, пахнут, раздражают кожу и растворяют резину. Минеральные масла с малым содержанием ароматики менее токсичны; синтетические основы — линейные и внутренние олефины, парафины, сложные эфиры — ещё менее токсичны и лучше разлагаются в природе, но дороже. Сложные эфиры при высокой температуре и в сильно щелочной среде гидролизуются, поэтому извести в таких растворах держат мало. Основу выбирают по вязкости (чем она ниже, тем ниже пластическая вязкость раствора), температуре вспышки (пожарная безопасность), температуре застывания (работа на морозе и в холодных морских водоотделяющих колоннах) и анилиновой точке.

Рассол почти всегда готовят на хлориде кальция: им можно получить и умеренную, и очень низкую активность воды (раздел об активности), а хлорид натрия не даёт активности ниже 0,75 даже при насыщении. Концентрацию задают по минерализации водной фазы, обычно 20–35 % хлорида кальция по массе. Органофильная глина — бентонит, у которого обменные катионы заменены крупными органическими катионами (аминами): такая глина не набухает в воде, зато разбухает и строит структуру в масле. Известь нужна мыльным эмульгаторам: с ней жирные кислоты образуют кальциевые мыла прямо в растворе; её нерастворённый избыток — буфер против кислых газов.

Реторта, соотношение основы и воды и минерализация водной фазы

Пробу РУО перегоняют в той же реторте, что и водный раствор (твёрдая фаза), и получают объёмы масла и воды. По ним считают соотношение основы и воды (oil–water ratio, OWR) — долю основы в жидкой фазе. Записывают его парой чисел, например 80/20.

Соотношение основы и воды

\text{OWR} = \frac{V_o}{V_o + V_w} = \frac{f_o}{f_o + f_w}

где:

$V_o,\ V_w$ объёмы основы и воды, собранные в реторте, см³
$f_o,\ f_w$ доли основы и воды в объёме раствора, доли единицы

Единицы: безразмерное; в процентах — умноженное на 100

Справедливо, если

по сложившейся практике соотношение считают по воде из реторты, а не по рассолу; некоторые программы задают соотношение «основа — рассол», и тогда воду пересчитывают в рассол (формулы ниже);
в реторту не попадает пластовая нефть или конденсат — иначе они засчитываются как основа.

Высокое соотношение (85/15–95/5) — устойчивая эмульсия, низкая вязкость, малая чувствительность к температуре, но дороже и хуже держит барит без дополнительных загустителей; низкое (60/40–70/30) — дешевле, вязкость и гель выше. Для тяжёлых растворов соотношение повышают: барит занимает объём, и места для капель рассола остаётся меньше.

Хлориды в РУО титруют не в фильтрате (он масляный), а во всей пробе раствора: её разбавляют растворителем, добавляют воду и титруют нитратом серебра. Результат — миллиграммы хлорид-ионов на литр раствора. Если в рассоле только хлорид кальция, его масса в $110{,}98/(2\cdot 35{,}45) = 1{,}565$ раза больше массы хлорид-ионов, а массу воды даёт реторта.

Минерализация водной фазы по хлоридам раствора

w = \frac{1{,}565\,[\mathrm{Cl^-}]}{1{,}565\,[\mathrm{Cl^-}] + 10^6\,f_w}

где:

$w$ массовая доля хлорида кальция в водной фазе (water-phase salinity), доли единицы
$[\mathrm{Cl^-}]$ хлориды всего раствора, мг/л раствора
$f_w$ доля воды по реторте, доли единицы
$10^6 f_w$ масса воды в литре раствора при плотности воды 1 г/см³, мг

Единицы: смешанные: хлориды — мг/л, масса воды — мг на литр раствора

Справедливо, если

весь хлор — в хлориде кальция; если в рассол попала каменная соль, нужен ещё и кальций раствора, чтобы разделить CaCl₂ и NaCl;
вся соль растворена: при пересыщении нерастворённые кристаллы тоже дают хлориды, и минерализация получается завышенной.

В практике минерализацию выражают и в миллионных долях по массе (ppm): 20 % — это 200 000 ppm CaCl₂. По ней находят плотность и активность рассола.

Доля рассола по воде из реторты

f_b = \frac{f_w}{\rho_b\,(1 - w)}, \qquad f_s = 1 - f_o - f_b

где:

$f_b$ доля рассола в объёме раствора, доли единицы
$\rho_b$ плотность рассола; для CaCl₂ около 1,08 при 10 %, 1,18 при 20 %, 1,28 при 30 %, г/см³
$f_s$ исправленная доля твёрдой фазы, доли единицы

Единицы: плотности — г/см³, доли — в долях единицы

Справедливо, если

в литре рассола $1000\rho_b(1 - w)$ граммов воды — это та же поправка, что для солёных водных растворов (реторта в солёном растворе), записанная через массовую долю соли.

Рассол тяжелее и объёмнее воды. Без поправки растворённая соль попадает в «твёрдую фазу» реторты, и раствор кажется грязнее, чем есть; при концентрированном рассоле РУО ошибка достигает нескольких процентов объёма.

Расчётный примерАнализ РУО: соотношение, минерализация и твёрдая фаза

Исходные данные (условные)

Плотность (весы под давлением): 1,45 г/см³
Реторта, проба 20 см³: основа 12,7 см³, вода 3,2 см³
Хлориды раствора: на 1 см³ раствора 2,55 см³ нитрата серебра 0,282 н. (10 мг Cl⁻ на см³)
Плотность основы: 0,80 г/см³

Решение

Доли: $f_o = 12{,}7/20 = 0{,}635$ , $f_w = 3{,}2/20 = 0{,}160$ ; соотношение $0{,}635/(0{,}635 + 0{,}160) = 79{,}9$ %, то есть около 80/20. Без поправки на соль твёрдая фаза — 20,5 %.
Хлориды: $10\,000\cdot 2{,}55 = 25\,500$ мг/л; хлорида кальция $1{,}565\cdot 25\,500 \approx 39\,900$ мг/л, то есть 39,9 кг/м³; воды 160 кг/м³; минерализация водной фазы $39{,}9/(39{,}9 + 160) = 20{,}0$ %.
Рассол 20 % хлорида кальция имеет плотность около 1,177 г/см³; его доля $f_b = 0{,}160/(1{,}177\cdot 0{,}800) = 0{,}1699$ ; твёрдая фаза $f_s = 1 - 0{,}635 - 0{,}1699 = 0{,}1951$ .
Средняя плотность твёрдой фазы: $\dfrac{1{,}45 - 0{,}635\cdot 0{,}80 - 0{,}1699\cdot 1{,}177}{0{,}1951} = 3{,}803$ г/см³.
Твёрдая фаза низкой плотности: $19{,}51\cdot(4{,}2 - 3{,}803)/1{,}6 = 4{,}84$ % (126 кг/м³); барит: $19{,}51 - 4{,}84 = 14{,}67$ % (616 кг/м³).

Ответ: Соотношение основы и воды — около 80/20, минерализация водной фазы — 20,0 % хлорида кальция, рассол занимает 17 % объёма, твёрдая фаза — 19,51 %: из неё 4,84 % глины и шлама и 14,67 % барита.

Что это значит. Типичный утяжелённый раствор: твёрдой фазы низкой плотности меньше пяти процентов, остальное — барит. Поправка на соль здесь невелика — около процента объёма, — но при более солёном рассоле и большей доле воды она растёт. Минерализация 20 % задаёт активность воды около 0,84 (раздел об активности); сравнивают её с активностью разбуриваемых глин. Данные примера условные.

Как изменить соотношение основы и воды

Соотношение меняется и само: вода приходит со шламом, при промывке оборудования, из пластов; основа уходит на шламе и при фильтрации. Программа задаёт для интервала пределы соотношения, и, когда раствор из них выходит, добавляют основу или рассол. Расчёт простой: основа и вода друг в друге не растворяются, и их объёмы складываются.

Сколько основы или воды добавить, чтобы получить соотношение R

\Delta V_o = V\left(\frac{f_w R}{1 - R} - f_o\right), \qquad \Delta V_w = V\left(\frac{f_o\,(1 - R)}{R} - f_w\right)

где:

$\Delta V_o,\ \Delta V_w$ объём добавляемой основы (чтобы поднять соотношение) или воды (чтобы снизить), м³
$V$ объём раствора, м³
$f_o,\ f_w$ доли основы и воды по реторте, доли единицы
$R$ требуемое соотношение — доля основы в жидкой фазе, доли единицы

Единицы: объёмы — м³, доли — в долях единицы

Справедливо, если

объёмы складываются; основа и вода в растворе не теряются во время обработки;
воду добавляют в виде рассола той же минерализации, иначе активность воды изменится: на $\Delta V_w$ кубометров воды нужно $\Delta V_w\,w/(1 - w)$ тонн соли;
формулы следуют из условия $(V f_o + \Delta V_o)/(V f_o + \Delta V_o + V f_w) = R$ и аналогичного для воды.

Объём добавки тем больше, чем дальше требуемое соотношение от текущего; основа и вода легче раствора, поэтому после добавки плотность падает, и её восстанавливают утяжелителем (формула утяжеления).

Расчётный примерПеред горячим интервалом: с 80/20 до 85/15

Исходные данные (условные)

Раствор: пример выше: 1,45 г/см³, $f_o = 0{,}635$ , $f_w = 0{,}160$ ; в циркуляции 150 м³
Требуемое соотношение: 85/15, плотность прежняя
Основа и барит: 0,80 и 4,2 г/см³

Решение

Основы на 1 м³ раствора: $\Delta V_o = \dfrac{0{,}160\cdot 0{,}85}{0{,}15} - 0{,}635 = 0{,}2717$ м³; на весь объём — 41 м³.
Плотность после добавки основы: $\dfrac{1{,}45 + 0{,}2717\cdot 0{,}80}{1 + 0{,}2717} = 1{,}3111$ г/см³.
Барит, чтобы вернуть 1,45 г/см³: $(1 + 0{,}2717)\cdot\dfrac{1{,}45 - 1{,}3111}{4{,}2 - 1{,}45} = 0{,}0642$ м³, или 0,270 т на каждый кубометр исходного раствора; на весь объём — 40,5 т.
Объём раствора: $1 + 0{,}2717 + 0{,}0642 = 1{,}336$ м³ на 1 м³, то есть 200 м³ вместо 150.
Проверка: $\dfrac{0{,}635 + 0{,}2717}{0{,}635 + 0{,}2717 + 0{,}160} = 85{,}0$ %.

Ответ: Нужно около 41 м³ основы и 40,5 т барита; раствора станет 200 м³ — на треть больше.

Что это значит. Пять пунктов соотношения обходятся в десятки кубометров основы и десятки тонн барита, а ёмкости должны вместить треть объёма сверху. Поэтому соотношение меняют постепенно: добавляют в циркуляцию свежий раствор с нужным соотношением, а излишки отправляют на склад раствора. Вместе с основой разбавляются эмульгаторы и известь — их концентрацию восстанавливают по испытаниям. Понизить соотношение дешевле — добавить рассол, — но вязкость при этом растёт. Данные примера условные.

Активность воды и устойчивость глин

Почему капли рассола, спрятанные в масле, вообще влияют на глины? Масло вместе с плёнкой эмульгатора почти не пропускает растворённые ионы, но пропускает молекулы воды — работает как полупроницаемая мембрана, причём гораздо лучшая, чем глина в растворе на водной основе. Вода через такую мембрану переходит туда, где её активность (water activity, $a_w$ ) ниже, — из менее солёной жидкости в более солёную (осмос).

У поровой воды глинистых пород своя активность: чем глина плотнее и солонее её поровая вода, тем активность ниже, обычно от 0,7 до 0,95. Если активность воды раствора выше, вода уходит в глину, та набухает и теряет прочность; если ниже — раствор вытягивает воду из глины. Отсюда принцип уравновешенной активности (balanced activity): активность воды раствора делают равной активности разбуриваемых глин или немного ниже. Активность глины измеряют на свежем шламе — по относительной влажности воздуха над пробой в закрытом сосуде (электрогигрометром), так же измеряют и раствор.

Осмотический перепад давления между раствором и глиной

\Delta\Pi = \frac{R\,T}{\bar V_w}\,\ln\frac{a_{\text{р}}}{a_{\text{гл}}}

где:

$\Delta\Pi$ осмотический перепад; положительный — вода стремится из раствора в глину, МПа
$a_{\text{р}},\ a_{\text{гл}}$ активность воды раствора и поровой воды глины, —
$R T/\bar V_w$ при 25 °C около 137 МПа ( $R$ — газовая постоянная, $T$ — абсолютная температура, $\bar V_w$ — молярный объём воды), МПа

Единицы: МПа; логарифм натуральный

Справедливо, если

идеальная мембрана; реальная пропускает и часть ионов, и действующий перепад меньше — но в РУО мембрана эффективнее, чем в растворах на водной основе;
это разность осмотических давлений из урока о растворах на водной основе: $\Pi = -(RT/\bar V_w)\ln a_w$ для каждой жидкости.

Даже разница активностей в несколько сотых даёт мегапаскали — сравнимо с репрессией на пласт. Поэтому активность раствора держат под контролем так же, как плотность.

РасчётРасчётная активность воды рассолов хлорида кальция и хлорида натрия при 25 °C в зависимости от концентрации. Хлорид натрия не опускает активность ниже 0,75 (насыщение при 26,4 %), хлорид кальция — до 0,39 при 40 %. Точки — раствор из примера (20 %, 0,84) и концентрация, при которой активность равна активности глины 0,80 (22,3 %).

Расчётный примерУравновесить раствор с глиной

Исходные данные (условные)

Раствор: пример анализа: 20,0 % CaCl₂ в водной фазе, воды 160 кг/м³, в циркуляции 150 м³
Активность свежего шлама глины: 0,80

Решение

Активность воды раствора при 20 % хлорида кальция (график, раздел для углублённого изучения): 0,836 — выше, чем у глины.
Идеальный осмотический перепад: $137\cdot\ln(0{,}836/0{,}80) \approx 6$ МПа в сторону глины: вода из раствора стремится в глину.
Активность 0,80 даёт рассол 22,3 % хлорида кальция (2,58 моль на килограмм воды).
Соли на килограмм воды: было $20{,}0/80{,}0 = 0{,}250$ кг, нужно $22{,}3/77{,}7 = 0{,}2870$ кг; добавка $0{,}0370\cdot 160 = 5{,}9$ кг на 1 м³ раствора, на весь объём — 0,89 т безводного хлорида кальция.

Ответ: Минерализацию поднимают с 20 до 22,3 %: около 0,89 т хлорида кальция на 150 м³ раствора.

Что это значит. Добавка мала по массе, но меняет направление осмоса: раствор перестаёт отдавать воду глине. Соль вводят постепенно, проверяя активность и электростабильность: концентрированный рассол заметно меняет и плотность водной фазы, и поведение эмульгаторов. Товарный хлорид кальция содержит от 77 до 98 % основного вещества — расход пересчитывают на фактическую чистоту. Если же глина «суше» раствора намного, минерализацию повышают в пределах, заданных программой: чрезмерное обезвоживание тоже может ослабить породу. Данные примера условные.

Электростабильность и другие испытания РУО

Плотность, реологию и реторту РУО измеряют теми же приборами, что и водный раствор (Промысловые испытания бурового раствора); реологию — при оговорённой температуре, обычно 50 или 65 °C, потому что вязкость основы сильно зависит от температуры. Остальной набор свой.

Испытания, характерные для РУО

Испытание: Электростабильность
Как проводят: между электродами в пробе при 50 °C растёт переменное напряжение до пробоя
Что показывает: устойчивость эмульсии и смачиваемость твёрдой фазы — по тренду

Испытание: Фильтрация HPHT
Как проводят: обычно 150 °C и перепад 3,45 МПа; объём удваивают, как для водного раствора
Что показывает: фильтрат должен быть только масляным; вода или эмульсия в нём — нарушение эмульсии

Испытание: Щёлочность раствора $P_{om}$
Как проводят: проба в растворителе, титрование 0,1 н. серной кислотой до pH 8,3
Что показывает: избыток извести

Испытание: Хлориды и кальций раствора
Как проводят: хлориды — в той же пробе нитратом серебра, кальций — в новой пробе трилоном Б
Что показывает: минерализацию водной фазы и состав солей

Испытание: Активность воды
Как проводят: электрогигрометр над пробой раствора и над свежим шламом
Что показывает: уравновешенность раствора с глинами

Испытание	Как проводят	Что показывает
Электростабильность	между электродами в пробе при 50 °C растёт переменное напряжение до пробоя	устойчивость эмульсии и смачиваемость твёрдой фазы — по тренду
Фильтрация HPHT	обычно 150 °C и перепад 3,45 МПа; объём удваивают, как для водного раствора	фильтрат должен быть только масляным; вода или эмульсия в нём — нарушение эмульсии
Щёлочность раствора $P_{om}$	проба в растворителе, титрование 0,1 н. серной кислотой до pH 8,3	избыток извести
Хлориды и кальций раствора	хлориды — в той же пробе нитратом серебра, кальций — в новой пробе трилоном Б	минерализацию водной фазы и состав солей
Активность воды	электрогигрометр над пробой раствора и над свежим шламом	уравновешенность раствора с глинами

Порядок испытаний стандартизован (международный стандарт ISO 10414-2; в англоязычной практике — API RP 13B-2). HPHT — high pressure — high temperature.

Электростабильность (electrical stability, ES). Масло не проводит ток, рассол проводит. Зонд с двумя плоскими электродами, разделёнными зазором 1,55 мм, опускают в пробу при 50 °C и подают синусоидальное напряжение, которое плавно растёт. Пока капли рассола разделены маслом, ток почти не идёт; когда напряжение выстраивает капли в цепочки между электродами, эмульсия «пробивается», и ток резко растёт. Напряжение пробоя в вольтах и есть электростабильность.

Абсолютное значение мало что говорит: электростабильность ниже у раствора с большей долей воды, зависит от содержания и смачиваемости твёрдой фазы, от температуры и от основы. Значимы тренд и сочетания: падение электростабильности при неизменном составе, вода в фильтрате HPHT, «зернистый» вид раствора, оседание барита.

Избыток извести в РУО

c_{\text{изв}} = 3{,}7\,P_{om}

где:

$c_{\text{изв}}$ избыток нерастворённой извести, кг/м³
$P_{om}$ щёлочность раствора: см³ 0,1 н. серной кислоты на 1 см³ раствора до pH 8,3, см³/см³

Единицы: кг/м³; в промысловых единицах $1{,}295\,P_{om}$ lb/bbl

Справедливо, если

вся щёлочь пробы — известь (её эквивалентная масса 37,05 г): $0{,}1$ экв/л $\times\ 37{,}05$ г/экв $= 3{,}7$ г/л;
кислота в пять раз крепче, чем при испытании водного раствора (там 0,02 н. и коэффициент 0,742), — отсюда коэффициент в пять раз больше.

Известь расходуется на образование мыл и на нейтрализацию углекислого газа и сероводорода ( $\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \to CaCO_3 + H_2O}$ ). Падение избытка извести без видимой причины — повод проверить газопоказания и наличие кислых газов.

Расчётный примерИзвесть ушла на углекислый газ

Исходные данные (условные)

Щёлочность раствора $P_{om}$: 2,4 см³/см³ утром; 1,2 см³/см³ после вскрытия пропластка с углекислым газом
Раствор в циркуляции: 150 м³

Решение

Избыток извести утром: $3{,}7\cdot 2{,}4 = 8{,}88$ кг/м³ (3,1 lb/bbl); после: $3{,}7\cdot 1{,}2 = 4{,}44$ кг/м³.
Израсходовано $8{,}88 - 4{,}44 = 4{,}44$ кг/м³, на весь объём — 666 кг извести.
По реакции с известью (74,1 г на 44,0 г углекислого газа) это около 395 кг поглощённого углекислого газа.

Ответ: Чтобы восстановить запас, нужно около 666 кг извести на 150 м³ раствора.

Что это значит. Известь поглотила кислый газ — для этого она и нужна. Но запас конечен, а без него углекислый газ и сероводород начнут разрушать эмульгаторы, а сероводород — выходить на поверхность. Там, где разрез содержит сероводород (многие подсолевые месторождения Прикаспия — сернистые), избыток извести контролируют особенно тщательно, а действия при обнаружении сероводорода определяют правила предприятия. Данные примера условные.

Что говорят изменения показателей РУО

Что изменилось: Электростабильность падает, в фильтрате HPHT вода
Вероятная причина: эмульгатора или извести не хватает, капли сливаются
Что делают: добавляют эмульгатор и известь по пилотной пробе

Что изменилось: Раствор «зернистый», шлам липнет, сетки вибросит забиваются
Вероятная причина: твёрдая фаза смачивается водой
Что делают: добавляют смачиватель

Что изменилось: Доля воды растёт, минерализация водной фазы падает
Вероятная причина: поступает пресная или пластовая вода
Что делают: проверяют объёмы в ёмкостях — это может быть приток; затем рассол и основа

Что изменилось: Растут вязкость и гели
Вероятная причина: много мелкого шлама или воды; при охлаждении — загустевает основа
Что делают: очистка, разбавление основой, проверка температуры замера

Что изменилось: Избыток извести падает
Вероятная причина: углекислый газ или сероводород; нагрев
Что делают: газопоказания, известь

Что изменилось	Вероятная причина	Что делают
Электростабильность падает, в фильтрате HPHT вода	эмульгатора или извести не хватает, капли сливаются	добавляют эмульгатор и известь по пилотной пробе
Раствор «зернистый», шлам липнет, сетки вибросит забиваются	твёрдая фаза смачивается водой	добавляют смачиватель
Доля воды растёт, минерализация водной фазы падает	поступает пресная или пластовая вода	проверяют объёмы в ёмкостях — это может быть приток; затем рассол и основа
Растут вязкость и гели	много мелкого шлама или воды; при охлаждении — загустевает основа	очистка, разбавление основой, проверка температуры замера
Избыток извести падает	углекислый газ или сероводород; нагрев	газопоказания, известь

Сочетания ориентировочные; обработку подбирают на пилотных пробах. Признаки притока проверяют по процедурам контроля скважины (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления).

Преимущества и ограничения

Сильные стороны растворов на углеводородной основе

Свойство: Устойчивость глин
Почему: свободной воды нет, активность воды регулируется
Где важно: активные глины, долгое время открытого ствола

Свойство: Соль не растворяется
Почему: сплошная фаза — масло
Где важно: соленосные толщи, например в Прикаспийской впадине

Свойство: Малое трение
Почему: масляная плёнка на стали и стенках
Где важно: протяжённые наклонные и горизонтальные стволы

Свойство: Тонкая корка, малая фильтрация
Почему: фильтруется только масло; капли и понизители закупоривают поры
Где важно: меньше дифференциальных прихватов

Свойство: Термостойкость
Почему: нет полимеров, разрушающихся в воде при нагреве
Где важно: глубокие горячие скважины

Свойство: Защита металла
Почему: сталь смочена маслом
Где важно: коррозия, кислые газы (с известью)

Свойство: Многократное использование
Почему: раствор очищают и возвращают в работу
Где важно: серии скважин

Свойство	Почему	Где важно
Устойчивость глин	свободной воды нет, активность воды регулируется	активные глины, долгое время открытого ствола
Соль не растворяется	сплошная фаза — масло	соленосные толщи, например в Прикаспийской впадине
Малое трение	масляная плёнка на стали и стенках	протяжённые наклонные и горизонтальные стволы
Тонкая корка, малая фильтрация	фильтруется только масло; капли и понизители закупоривают поры	меньше дифференциальных прихватов
Термостойкость	нет полимеров, разрушающихся в воде при нагреве	глубокие горячие скважины
Защита металла	сталь смочена маслом	коррозия, кислые газы (с известью)
Многократное использование	раствор очищают и возвращают в работу	серии скважин

Ограничения

Ограничение: Цена
В чём проблема: основа и реагенты дороже; потерянный при поглощении раствор обходится дорого

Ограничение: Газ растворяется в основе
В чём проблема: проявление труднее заметить (раздел ниже)

Ограничение: Шлам и отходы
В чём проблема: шлам содержит основу; сбор, перевозка и переработка отходов

Ограничение: Каротаж
В чём проблема: раствор не проводит ток: не работают метод самопроизвольной поляризации (ПС) и боковой каротаж, нужны индукционные и специальные приборы

Ограничение: Резина и люди
В чём проблема: основа портит эластомеры, пары и контакт с кожей вредны, есть пожарная опасность

Ограничение: Плотность «плавает»
В чём проблема: основа сжимается и расширяется сильнее воды: плотность в стволе зависит от давления и температуры

Ограничение: Пласт и цемент
В чём проблема: ПАВ могут сделать породу гидрофобной и создать эмульсионную блокаду; масляная плёнка мешает сцеплению цемента

Ограничение	В чём проблема
Цена	основа и реагенты дороже; потерянный при поглощении раствор обходится дорого
Газ растворяется в основе	проявление труднее заметить (раздел ниже)
Шлам и отходы	шлам содержит основу; сбор, перевозка и переработка отходов
Каротаж	раствор не проводит ток: не работают метод самопроизвольной поляризации (ПС) и боковой каротаж, нужны индукционные и специальные приборы
Резина и люди	основа портит эластомеры, пары и контакт с кожей вредны, есть пожарная опасность
Плотность «плавает»	основа сжимается и расширяется сильнее воды: плотность в стволе зависит от давления и температуры
Пласт и цемент	ПАВ могут сделать породу гидрофобной и создать эмульсионную блокаду; масляная плёнка мешает сцеплению цемента

Подробнее: каротаж — Обзор каротажных зондов, повреждение пласта — Повреждение пласта и скин повреждения.

Перед цементированием масляную плёнку со стенок и обсадных труб смывают буферными жидкостями с поверхностно-активными веществами, иначе цемент плохо сцепляется с гидрофобными поверхностями. Для продуктивных пластов РУО — палка о двух концах: глины не набухают и фильтрат не создаёт водяной блокады, но эмульгаторы и смачиватели могут изменить смачиваемость породы. Зато керн, отобранный на РУО, сохраняет пластовую воду почти нетронутой — им пользуются для определения водонасыщенности (Насыщенность пласта флюидами).

Газ в растворе на углеводородной основе

Метан и другие углеводородные газы хорошо растворяются в нефтяной и синтетической основе — тем лучше, чем выше давление, а при высоких давлении и температуре газ и основа могут смешиваться в любых пропорциях. Углекислый газ и сероводород растворяются ещё сильнее. В воде углеводородный газ растворяется в десятки раз хуже. Отсюда главное отличие проявления в РУО (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления).

Меньше прирост объёма. Растворённый газ занимает в основе гораздо меньше места, чем тот же газ в свободном виде, поэтому прирост объёма в ёмкостях — главный прямой признак проявления — получается меньше.
Нет расширения по пути вверх. В водном растворе пузыри газа расширяются по мере подъёма, и объём в ёмкостях растёт всё быстрее. Растворённый газ не расширяется, пока давление выше давления насыщения.
Внезапный выход у устья. Когда раствор с газом поднимается до глубины, где давление падает ниже давления насыщения, газ выделяется — быстро и сразу в большом объёме, и выталкивает раствор из затрубья.
Скрытая пачка. Газ, растворившийся в растворе у забоя во время остановки или подъёма, может «доехать» до устья при следующей циркуляции без предупреждения.

Давление насыщения раствора газом (линейная растворимость)

p_{\text{нас}} = \frac{G}{f_o\,k}

где:

$p_{\text{нас}}$ давление, ниже которого из раствора начинает выделяться газ, МПа (абсолютное)
$G$ количество газа в растворе — объём при стандартных условиях на 1 м³ раствора, м³/м³
$f_o$ доля основы в растворе, доли единицы
$k$ растворимость газа в основе: объём при стандартных условиях на 1 м³ основы на каждый мегапаскаль, м³/(м³·МПа)

Единицы: давление — МПа (абсолютное), объёмы газа — при стандартных условиях

Справедливо, если

растворимость пропорциональна давлению (закон Генри) и не зависит от температуры; в действительности зависимость нелинейна, и давление насыщения для конкретных основы и газа берут по лабораторным данным;
газ растворяется только в основе; рассол и твёрдая фаза его не поглощают;
газ и раствор находятся в равновесии — на практике растворение требует времени и перемешивания.

Растворимость пропорциональна доле основы, поэтому у растворов с высоким соотношением основы и воды «прятать» газ получается лучше. Глубина, на которой газ начнёт выделяться, — глубина, где давление в затрубье равно $p_{\text{нас}}$ .

РасчётРасчётный объём свободного газа на 1 м³ раствора по глубине при одном и том же содержании газа (10 м³ при стандартных условиях на 1 м³ раствора, раствор 1,45 г/см³): в растворе на водной основе газ виден на любой глубине и плавно расширяется к устью; в растворе на углеводородной основе (доля основы 0,635, растворимость 3 м³/(м³·МПа)) свободного газа нет глубже 362 м, а выше он выделяется лавинообразно. Обе шкалы логарифмические, глубина — от 10 м.

Расчётный примерГде газ выйдет из раствора

Исходные данные (условные)

Скважина: вертикальная, 3000 м; раствор 1,45 г/см³, доля основы 0,635
Газ в порции раствора у забоя: 10 м³ при стандартных условиях на 1 м³ раствора
Растворимость газа в основе (условно): 3 м³ на 1 м³ основы на каждый МПа

Решение

Абсолютное давление на забое: $0{,}101 + 0{,}00981\cdot 1{,}45\cdot 3000 = 42{,}77$ МПа.
Сколько газа может раствориться в 1 м³ раствора на забое: $0{,}635\cdot 3\cdot 42{,}77 = 81{,}5$ м³ — намного больше 10: весь газ растворён.
Давление насыщения $p_{\text{нас}} = 10/(0{,}635\cdot 3) = 5{,}25$ МПа; глубина $(5{,}25 - 0{,}101)/(0{,}00981\cdot 1{,}45) = 362$ м.
Тот же газ в растворе на водной основе (газ не растворяется): на забое $10\cdot 0{,}101/42{,}77 = 0{,}024$ м³ на 1 м³ раствора; на глубине 362 м — 0,19 м³; в РУО на этой глубине — ноль.
На глубине 100 м (давление 1,52 МПа): в водном растворе 0,66 м³, в РУО $(10 - 0{,}635\cdot 3\cdot 1{,}52)\cdot 0{,}101/1{,}52 = 0{,}47$ м³ на 1 м³.

Ответ: В растворе на углеводородной основе свободный газ появляется только в верхних 362 м ствола; ниже он полностью растворён.

Что это значит. На большей части пути газ в РУО ничем себя не выдаёт: не расширяется, почти не меняет объём в ёмкостях и плотность на выходе. Зато последние сотни метров раствор проходит за минуты, и за это время газ выделяется и вытесняет раствор из затрубья. Поэтому при РУО особенно важны точный учёт объёмов, ранние косвенные признаки (рост механической скорости, газопоказания, изменение давления на стояке) и закрытие скважины при любом подозрении: газ вымывают через дроссельный манифольд и сепаратор бурового раствора, не дожидаясь его выхода у устья. Числа примера — иллюстрация: растворимость принята условно и линейно, температура не учтена. Данные примера условные.

Урок — не инструкция

Здесь объясняется, почему проявление в растворе на углеводородной основе ведёт себя иначе. Признаки проявления, порядок проверки на перелив, закрытия скважины и вымывания газа определяют утверждённые процедуры контроля скважины (Глушение скважины после проявления); работы выполняет персонал, прошедший сертифицированное обучение. Состав раствора, его пределы и порядок обращения с ним задают программа бурения и паспорта безопасности реагентов.

Шлам и отходы

Шлам, отделённый на виброситах (Очистка бурового раствора от твёрдой фазы), уносит с собой основу — обычно порядка десяти и более процентов от своей массы. Её долю измеряют той же ретортой на навеске шлама и выражают как содержание основы на шламе (oil on cuttings) — на массу влажного или сухого шлама, как требуют правила для данного объекта. Сушилки и центрифуги снижают содержание основы до нескольких процентов и возвращают её в раствор.

Переработка. Термическая десорбция: шлам нагревают без доступа воздуха, основа испаряется и конденсируется — её используют снова, а сухой остаток утилизируют.
Закачка. Шлам измельчают, смешивают с водой и закачивают через специальную скважину в изолированный пласт.
Вывоз и захоронение. Шлам вывозят на полигоны, имеющие разрешение принимать такие отходы.
Сброс. Шлам с синтетическими основами в некоторых морских районах разрешено сбрасывать после очистки до установленного остаточного содержания; шлам с дизельным топливом и минеральными маслами, как правило, не сбрасывают.

Сам раствор не выбрасывают: в конце работ его собирают, очищают от твёрдой фазы и возвращают в работу на следующей скважине. Какой способ обращения с отходами допустим, определяют экологическое законодательство страны и разрешительные документы конкретного проекта; требования к морским работам обычно строже, чем к работам на суше. Выбирая раствор, стоимость обращения со шламом считают вместе со стоимостью самого раствора — иногда она и решает выбор в пользу высокоингибирующего раствора на водной основе (Растворы на водной основе и химия глин).

Термины и обозначения

Инвертная эмульсия: эмульсия рассола в масле — основа большинства растворов на углеводородной основе.
Эмульгатор: поверхностно-активное вещество, молекулы которого образуют плёнку на каплях рассола и не дают им слиться.
Смачиватель: поверхностно-активное вещество, делающее твёрдые частицы гидрофобными.
Органофильная глина: глина, обработанная аминами, набухающая и строящая структуру в масле.
Соотношение основы и воды (OWR): доля основы в жидкой фазе раствора по реторте, например 80/20.
Минерализация водной фазы: массовая доля соли (обычно CaCl₂) в рассоле раствора, по хлоридам раствора и реторте.
Активность воды, $a_w$: относительная влажность воздуха над раствором в равновесии; задаёт направление осмоса.
Уравновешенная активность: принцип, по которому активность воды раствора равна активности глин или немного ниже.
Электростабильность (ES): напряжение пробоя пробы раствора между электродами; индикатор устойчивости эмульсии.
Избыток извести: нерастворённая известь в РУО, $3{,}7\,P_{om}$ кг/м³.
Давление насыщения: давление, ниже которого растворённый в основе газ начинает выделяться.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«В растворе на углеводородной основе нет воды».

На самом деле

У инвертной эмульсии вода — десятки процентов жидкой фазы. Она спрятана в каплях и не касается стенок, но её доля и минерализация определяют вязкость, устойчивость эмульсии и осмос.

Неверно

«Чем солонее водная фаза, тем лучше для глин».

На самом деле

Нужна уравновешенная активность: слишком «сухой» раствор обезвоживает глину, слишком «влажный» — увлажняет. Активность раствора подбирают по активности разбуриваемых глин.

Неверно

«Электростабильность 400 В — значит, эмульсия плохая».

На самом деле

Абсолютное значение зависит от доли воды, твёрдой фазы, основы и температуры. Судят по тренду и по сочетанию с фильтрацией HPHT и видом раствора.

Неверно

«Раз прирост объёма в ёмкостях мал, это не проявление».

На самом деле

В РУО газ растворяется, и прирост объёма меньше объёма притока. Малый прирост, рост газопоказаний или изменение давления на стояке — повод проверить скважину по процедурам контроля.

Неверно

«Соотношение основы и воды легко поправить парой кубометров основы».

На самом деле

Чтобы сдвинуть соотношение на несколько пунктов, нужны десятки кубометров основы и затем утяжелитель; поэтому соотношение поддерживают постепенно, свежим раствором нужного состава.

Подробно: для продвинутых

Откуда берётся активность рассола

Активность воды раствора соли выражают через осмотический коэффициент $\varphi$ — поправку к идеальному раствору, которую измеряют и табулируют для каждой соли. В разбавленном растворе каждая частица (ион) понижает активность одинаково; в концентрированном ионы связывают воду в гидратные оболочки, и понижение растёт быстрее концентрации — осмотический коэффициент становится больше единицы.

Активность воды в растворе соли

\ln a_w = -\nu\,m\,M_w\,\varphi(m), \qquad m = \frac{1000\,w}{M_s\,(1 - w)}

где:

$\nu$ число ионов в формуле соли: 3 для CaCl₂, 2 для NaCl, —
$m$ моляльность — моли соли на 1 кг воды, моль/кг
$M_w$ молярная масса воды, 0,018015, кг/моль
$\varphi(m)$ осмотический коэффициент (табличные данные для 25 °C), —
$w,\ M_s$ массовая доля соли и её молярная масса (110,98 г/моль для CaCl₂, 58,44 для NaCl), —, г/моль

Единицы: логарифм натуральный

Справедливо, если

раствор одной соли; для смеси CaCl₂ и NaCl активность считают по специальным методикам или измеряют;
25 °C; активность концентрированных рассолов от температуры зависит слабо, но электрогигрометр калибруют и сравнивают пробы при одной температуре.

При 20 % CaCl₂ моляльность 2,25 моль/кг, $\varphi \approx 1{,}47$ , $\ln a_w = -3\cdot 2{,}25\cdot 0{,}018015\cdot 1{,}47 \approx -0{,}179$ и $a_w \approx 0{,}84$ . Для насыщенного рассола NaCl (6,14 моль/кг) получается 0,75 — известная относительная влажность воздуха над насыщенным раствором поваренной соли.

Активность воды рассолов при 25 °C

Соль, % по массе: 5
CaCl₂: 0,98
NaCl: 0,97

Соль, % по массе: 10
CaCl₂: 0,95
NaCl: 0,94

Соль, % по массе: 15
CaCl₂: 0,90
NaCl: 0,89

Соль, % по массе: 20
CaCl₂: 0,84
NaCl: 0,84

Соль, % по массе: 25
CaCl₂: 0,75
NaCl: 0,77

Соль, % по массе: 26,4
CaCl₂: 0,72
NaCl: 0,75 (насыщение)

Соль, % по массе: 30
CaCl₂: 0,64
NaCl: —

Соль, % по массе: 35
CaCl₂: 0,52
NaCl: —

Соль, % по массе: 40
CaCl₂: 0,39
NaCl: —

Соль, % по массе	CaCl₂	NaCl
5	0,98	0,97
10	0,95	0,94
15	0,90	0,89
20	0,84	0,84
25	0,75	0,77
26,4	0,72	0,75 (насыщение)
30	0,64	—
35	0,52	—
40	0,39	—

Рассчитано по осмотическим коэффициентам; точность — около 0,01. Для расчётов на буровой пользуются таблицами поставщиков или измеряют активность электрогигрометром.

Связь с другими темами

Буровые растворы: функции и свойства — функции раствора, плотность, утяжеление и типы растворов.
Растворы на водной основе и химия глин — химия глин, осмос и ингибирующие растворы на водной основе — альтернатива РУО.
Промысловые испытания бурового раствора — реторта, весы под давлением, вискозиметр, фильтр-пресс и поправка реторты на соль.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — признаки проявления и поведение газа в стволе.
Глушение скважины после проявления — как вымывают приток из закрытой скважины.
Реология буровых растворов и режимы течения — реология раствора и её зависимость от температуры и давления.
Потери давления при циркуляции — потери давления и ЭЦП; почему для РУО важны свойства при забойных давлении и температуре.
Смачиваемость и межфазные явления — смачиваемость и краевой угол — основа работы смачивателей.
Повреждение пласта и скин повреждения — эмульсионная блокада и изменение смачиваемости в пласте.
Обзор каротажных зондов — какие методы каротажа работают в непроводящем растворе.
Очистка бурового раствора от твёрдой фазы — вибросита, центрифуги и сушилки шлама.

Проверьте себя

1
Что является сплошной фазой инвертной эмульсии?
1. А.Органофильная глина
2. Б.Рассол хлорида кальция
3. В.Барит
4. Г.Углеводородная основа
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Углеводородная основа
В инвертной эмульсии рассол раздроблен на капли, а сплошная фаза — масло. Поэтому стенки, шлам и металл контактируют с маслом, а не с водой; глина и барит — твёрдая фаза, взвешенная в масле.
2
Реторта 20 см³ дала 14,4 см³ основы и 2,8 см³ воды; на 1 см³ раствора пошло 2,2 см³ нитрата серебра 0,282 н. Найдите соотношение основы и воды и минерализацию водной фазы.
Показать ответ
$f_o = 0{,}72$ , $f_w = 0{,}14$ ; соотношение $0{,}72/0{,}86 \approx 83{,}7/16{,}3$ . Хлориды $10\,000\cdot 2{,}2 = 22\,000$ мг/л, хлорида кальция $1{,}565\cdot 22\,000 \approx 34\,400$ мг/л, то есть 34,4 кг/м³; воды 140 кг/м³; минерализация $34{,}4/(34{,}4 + 140) \approx 19{,}7$ %.
3
За сутки электростабильность раствора упала с 800 до 350 В, в фильтрате HPHT появилась вода, вид раствора не изменился. Что вероятнее всего и что делают?
1. А.Раствор утяжелили — электростабильность всегда падает с ростом плотности
2. Б.Эмульсия слабеет: не хватает эмульгатора или извести; проверяют пилотными пробами и добавляют их
3. В.Ничего: электростабильность не связана с эмульсией
4. Г.Пошёл газ — нужно утяжелять раствор
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Эмульсия слабеет: не хватает эмульгатора или извести; проверяют пилотными пробами и добавляют их
Падение электростабильности вместе с водой в фильтрате — признак того, что капли рассола начали сливаться. Обычно не хватает эмульгатора или извести (или в раствор попало много воды). Вид раствора не изменился, поэтому смачивание твёрдой фазы водой менее вероятно; лечение подбирают на пилотных пробах.
4
В 100 м³ раствора $f_o = 0{,}68$ , $f_w = 0{,}12$ (соотношение 85/15). Сколько воды (в виде рассола) нужно добавить, чтобы получить соотношение 80/20?
Показать ответ
$\Delta V_w = V\,(f_o(1 - R)/R - f_w) = 100\cdot(0{,}68\cdot 0{,}20/0{,}80 - 0{,}12) = 100\cdot(0{,}170 - 0{,}120) = 5$ м³ воды. Рассола той же минерализации понадобится больше — на объём соли; плотность раствора после этого изменится, и её проверяют.
5
Почему газовое проявление в растворе на углеводородной основе может долго оставаться незамеченным?
1. А.Датчики объёма не работают в таком растворе
2. Б.Газ растворяется в основе: прирост объёма мал, а газ не расширяется, пока давление выше давления насыщения, и выделяется лишь в верхней части ствола
3. В.Газ не может поступить в скважину, заполненную таким раствором
4. Г.Раствор на углеводородной основе легче воды, поэтому газ всплывает быстрее
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Газ растворяется в основе: прирост объёма мал, а газ не расширяется, пока давление выше давления насыщения, и выделяется лишь в верхней части ствола
Метан хорошо растворяется в основе. Растворённый газ занимает мало места и не расширяется по пути вверх, поэтому привычные признаки — прирост объёма и его ускорение — слабы. Газ выходит из раствора там, где давление падает ниже давления насыщения, обычно в последних сотнях метров, быстро и в большом объёме.
6
Активность свежего шлама глины — 0,90, а водная фаза раствора — 30 % хлорида кальция. Что происходит и что можно сделать?
Показать ответ
При 30 % CaCl₂ активность воды около 0,64 — намного ниже, чем у глины. Идеальный осмотический перепад $137\cdot\ln(0{,}90/0{,}64) \approx 47$ МПа тянет воду из глины в раствор: глина обезвоживается, а слишком сильное обезвоживание может её ослабить. Минерализацию снижают к уравновешенной — для 0,90 это около 15 % CaCl₂ — добавкой пресной воды (с учётом того, что вода понизит и соотношение основы и воды) или свежего раствора с менее солёным рассолом.

Обновлено: 8 октября 2026 г.