Mateusz Kufrasa, WGGiOŚ, gr. 2BGG4

Podstawowe parametry płuczki wiertniczej

Zwiększanie gęstości płuczki wiertniczej

Regulacja filtracji płuczki wiertniczej

Regulacja lepkości płuczki wiertniczej

Sprawozdanie

1. Podstawowe parametry płuczki wiertniczej

Wstęp

Pomiary podstawowych parametrów płuczki wiertniczej zostały wykonane wg normy polskiej BN-90/1785-01. Podczas ćwiczenia wykonano pomiary następujących własności płuczki wiertniczej:

- gęstości płuczki przy użyciu wagi płuczkowej,

- lepkości i granicy płynięcia.

- filtracji

- wytrzymałości strukturalnej płuczki

- pH płuczki

Badaniu poddano płuczkę bentonitową 3%.

Podstawowym zadaniem płuczki jest wynoszenie zwiercin z dna otworu, stabilizacja ścian otworu, zmniejszanie tarcia.

Oznaczenie gęstości płuczki za pomocą wagi płuczkowej.

• Przyrządy

Waga płuczkowa składa się z podstawy i ramienia. Na jednym końcu ramienia znajduje się naczynie na płuczkę z pokrywką i otworem przelewowym. Na drugim końcu znajduje się naczynie służące do regulacji wagi. Ramię wagi jest zaopatrzone w podziałkę z przesuwanym ciężarkiem. Poziomica umieszczona nad punktem podparcia ramienia wskazuje położenie poziome. Budowę wagi płuczkowej przedstawia rysunek poniżej [wg BN-90/1875-01]:

• Wykonanie oznaczenia

Czyste i suche naczynie wypełnia się świeżo wymieszaną płuczką, które następnie przykrywa się nakrywką i dociska do pełnego osadzenia. Następnie usuwa się nadmiar płuczki, która wypływa przez otworek przelewowy, umywa się i wyciera naczynie z zewnątrz. Potem umieszcza się ramię wagi w łożysku podstawy. Równoważy się zawartość naczynia przez przesuwanie ciężarka wzdłuż ramienia do punktu, przy którym ramię wagi przyjmie położenie poziome według wskazań poziomicy. Odczyt na podziałce ramienia wskazany przez krawędź ciężarka od strony podparcia wskazuje gęstość badanej płuczki.

Oznaczanie lepkości plastycznej (PV), pozornej (AV) oraz granicy płynięcia (YP) i wytrzymałości strukturalnej (Q_I)

Lepkość plastyczna PV jest częścią oporów ścinania wynikająca z mechanicznego tarcia miedzy cząsteczkami cieczy i fazy rozproszonej. Zależy od ilości, kształtu i wymiaru cząsteczek. Oznaczenie polega na umownym określeniu lepkości pomiarem czasu wypływu 1 dm³ płuczki z lejka polowego. Dopuszcza się stosowanie wiskozymetru obrotowego do pomiaru lepkości plastycznej, pozornej i granicy płynięcia.

• Przyrządy

Lejek polowy powinien być tak wykonany, aby czas wypływu 1 dm³ wody destylowanej w temperaturze ok. 20°C wynosił ok. 27 s.

Wiskozymetr obrotowy - stosuje się 2 rodzaje wiskozymetrów obrotowych: o dwóch prędkościach obrotowych i o sześciu prędkościach obrotowych. Płuczka znajduje się w przestrzeni miedzy dwoma cylindrami. Zewnętrzny cylinder porusza się ze stałą prędkością obrotową, co powodu je powstanie momentu obrotowego.

• Wykonanie oznaczenia

Lejkiem polowym - zatyka się palcem wylot lejka, a świeżo wymieszaną płuczkę wlewa się przez sito aż do poziomu sita. Przy usuwaniu palca spod lejka należy włączyć stoper i mierzyć czas wypływu 1 dm³ płuczki. Czas w sekundach jest umowną lepkością.

Wiskozymetrem obrotowym - po wlaniu do cylindra świeżo wymieszanej płuczki należy tak ustawić pojemnik z płuczka, aby cylinder zewnętrzny zanurzył się w płuczce dokładnie po wyznaczoną kreskę. Ustawia się prędkość obrotową na 600 obr/min, włącza się wiskozymetr i odczytuje jego wskazania po ustaleniu się wartości na tarczy. Następnie ustawia się prędkość obrotową na 300 obr./min i dokonuje odczytu. Lepkość plastyczną PV oblicza się wg wzoru:

PV = ϕ₆₀₀ - ϕ₃₀₀ [mPa*s]

gdzie:

ϕ₆₀₀ - wartość momentu obrotowego przy 600 obr./min, ϕ₃₀₀ - wartość momentu obrotowego przy 300 obr/min

Lepkość pozorną AV oblicza się wg wzoru:

AV = ϕ₆₀₀/2 [mPa*s]

Granica płynięcia YP - graniczne naprężenie styczne powyżej którego ciecz płynie. Wyznacza się ją ze wzoru:

YP = (ϕ₃₀₀ - PV)*0,4788 [Pa]

Wytrzymałość strukturalna to minimalna siła, przypadająca na jednostkę powierzchni, która jest potrzebna do zniszczenia struktury wewnętrznej płuczki w danym czasie. Wytrzymałość strukturalną oznacza się za pomocą wiskozymetru przy prędkości obrotowej 3 obr/min. Po kilkunastu sekundach wyłącza się urządzenie, czeka się 10 sekund, następnie z powrotem włącza się wiskozymetr
z taką samą prędkością obrotową. Wytrzymałość strukturalna [Pa] to
w tym przypadku odczyt największego wychylenia wskazówki po włączeniu urządzenia pomnożony przez 0,4788.

Oznaczenie filtracji i pomiar grubości osadu

Oznaczenie polega na pomiarze objętości filtratu otrzymanego z prasy filtracyjnej.

• Przyrządy

Do wykonania oznaczenia niezbędna jest prasa filtracyjna, cylinder z oddzielnym dnem z rurką odpływową, pokrywa z otworem wlotowym, sito (600 - 1000 oczek/cm²), na którym spoczywa bibuła filtracyjna, rama ze śrubą dociskową, cylinder pomiarowy, gaz pod ciśnieniem wywierający ciśnienie na płuczkę.

• Wykonanie oznaczenia

Na dnie cylindra umieszcza się sito z bibułą filtracyjną, zakłada się oddzielne dno. Wlewa się płuczkę aż osiągnie ona poziom ok. 2 cm poniżej górnej krawędzi naczynia. Pod rurką odpływową umieszcza się cylinder pomiarowy. Nakłada się górną pokrywę. Wywiera się na płuczkę ciśnienie 0,7 MPa, po 30 minutach mierzy się objętość filtratu [ml] w cylindrze pomiarowym.
Pomiar jest niszczący - płuczka po wykonaniu tego ćwiczenia nie może być wykorzystywana do dalszych badań. Wylewa się płuczkę, a na bibule filtracyjnej mierzy się grubość osadu [mm].

Oznaczanie wartości pH

• Przyrządy

Papierek lakmusowy uniwersalny

• Wykonanie oznaczenia

Po oznaczeniu wielkości filtracji do filtratu wkłada się papierek lakmusowy. Po wyjęciu go porównuje się zabarwienie papierka z wielkością pH odpowiadającą danej barwie.

2. Regulacja gęstości płuczki wiertniczej

Wprowadzenie

W zależności od warunków geologiczno - wiertniczych stosuje się płuczki wiertnicze o różnej gęstości. Istnieje cały szereg przypadków, w których stosuje się płuczki o zwiększonej gęstości. Przypadki takie występują podczas dopływu do otworu wody z przewiercanych warstw podczas przewiercania pokładów plastycznych i pęczniejących, a przede wszystkim w przypadku występowania wysokich ciśnień złożowych ropy naftowej i gazu ziemnego. Powiększenie gęstości uzyskuje się przez dodanie do płuczki materiałów obciążających, odznaczających się wysoką gęstością.

Materiały do obciążania płuczki:

• sproszkowane rudy żelaza: hematyt, magnetyt,

• sproszkowany baryt,

• sproszkowane odpady powstałe w procesach metalurgicznych,

• sproszkowane rudy metali nieżelaznych, jak galena czy blenda cynkowa,

• mielona kreda.

Materiały obciążające płuczkę wiertniczą powinny charakteryzować się wysoką gęstością, dobrym przemiałem, małą zawartością szkodliwych domieszek, niską twardością oraz odpornością na wysokie temperatury. Gęstość środków jest bardzo ważną cechą, ponieważ im jest ona większa, tym mniejsze ilości danego materiału dodaje się do płuczki. Materiały obciążające nie powinny zawierać szkodliwych domieszek, wpływających koagulująco na płuczki wiertnicze. Niewskazana jest duża twardość materiałów obciążających ze względu na ewentualną możliwość szlifowania nimi tulei pomp i przewodu wiertniczego.

Duża zawartość fazy stałej w płuczkach jest niekorzystna dla prawidłowego prowadzenia procesu wiercenia. Za pomocą barytu i sproszkowanych rud żelaza można zwiększyć gęstość płuczki wiertniczej bez nadmiernego wzrostu zawartości fazy stałej w płuczce.

Materiał obciążający wprowadza się do płuczki wiertniczej podczas jej sporządzania lub w czasie wiercenia. Dodawanie materiału obciążającego do płuczki wiertniczej powinno być tak zorganizowane, aby zapewnić równomierne jej obciążenie. Do sporządzania płuczki wiertniczej z materiałami obciążającymi używa się mieszalników hydraulicznych, mechanicznych oraz zbiorników płuczkowych. W technologii wiercenia otworów wiertniczych należy wziąć pod uwagę fakt, że ze wzrostem ciężaru właściwego płuczki wiertniczej powstają niekorzystne warunki wiercenia, m. In.:

• wzrastają straty ciśnienia na pokonanie oporów hydraulicznych przepływu płuczki w systemie obiegowym

• powstają niekorzystne warunki zwiercania skał, spowodowane dużym ciśnieniem hydrostatycznym,

• pogarszają się ( dla płuczek iłowych ) inne parametry, jak np. lepkość oraz wytrzymałość strukturalna, co również wpływa niekorzystnie na prędkość wiercenia.

Badania prowadzone w warunkach laboratoryjnych oraz otworowych wykazały, że wzrost ciężaru właściwego płuczki bardzo niekorzystnie wpływa na zwiercanie skały, bowiem zmniejsza się prędkość wiercenia.

Obniżenie gęstości płuczki wiertniczej w trakcie wiercenia otworu wiertniczego uzyskuje się przez zwiększenie efektywności oczyszczania płuczki z urobku, a jeżeli to nie jest wystarczające należy płuczkę wiertniczą znajdującą się w obiegu cyrkulacyjnym rozcieńczyć wodą, wodną zawiesiną zdyspergowanego bentonitu, płuczką nieobciążoną lub olejem - w przypadku stosowania płuczek olejowych.

Masę materiału obciążającego M, jaką należy dodać do 1m³ nieobciążonej płuczki w celu zwiększenia jej gęstości do wymaganej wartości określa wzór:

[kg/dm³]

gdzie:

ρ- gęstość materiału obciążającego (baryt: 4 kg/ dm³)

ρ₁ - gęstość płuczki przed obciążeniem

ρ₂ - gęstość płuczki po obciążeniu

wykonanie oznaczenia parametrów płuczki

Oznaczenia podstawowych parametrów płuczki dokonuje się tak jak oznaczenia podstawowych parametrów dla płuczki nieobciążonej (patrz punkt 1).

Wyniki

Wnioski

Ćwiczenie miało na celu porównanie parametrów płuczki wiertniczej oraz zwiększenie jej gęstości poprzez dodanie barytu. Po wykonaniu obliczeń i pomiaru gęstości można zauważyć, że gęstość zadana i otrzymana różnią się od siebie. Lepkość plastyczna, lepkość pozorna jak i granica płynięcia wzrasta ze wzrostem gęstości. Wielkość filtracji wzrasta wraz ze wzrostem gęstości płuczki. Wszelkie odchylenia w wynikach mogły tez być spowodowane niedokładnością
w sporządzaniu płuczki lub błędami w pomiarach. Pozostałe parametry technologiczne zostały zamieszczone w załączniku na końcu sprawozdania.

3. Regulacja filtracji płuczki wiertniczej

Wprowadzenie

Filtracja płuczki wiertniczej jest określana jako jej zdolność do odfiltrowania fazy rozpraszającej do przewiercanych skał na skutek różnicy ciśnień w otworze wiertniczym
i tworzenia na skale osadu filtracyjnego. Wielkość filtracji płuczki ma duże znaczenie głównie podczas przewiercania skał charakteryzujących się przepuszczaniem wody. Poza nielicznymi wyjątkami, podczas wiercenia jest wymagana mała filtracja płuczki w celu ograniczenia wpływu filtratu na otaczające skały oraz zapobiegania trudnościom występującym podczas przewiercania skał ilastych.

Do regulacji filtracji stosowane są głównie wielkocząsteczkowe związki organiczne, zwane koloidami ochronnymi lub stabilizatorami (podobnie jak środki zmniejszające lepkość). Polimery stosowane do zmniejszania filtracji charakteryzują się dużą hydrofilnością przy dobrej rozpuszczalności w wodzie. Specyficzną własnością tych związków jest rozpuszczanie w wodzie
z jednoczesnym pęcznieniem, przy czym roztwory wodne tych substancji mają dużą lepkość. Koloidy ochronne mają budowę łańcuchową, co pozwala na uzyskanie filtracji przy stosunkowo niewielkiej ilości dodanego stabilizatora. Dodanie soli lub podwyższenie temperatury płuczki ze stabilizatorem powoduje zwiększenie wartości filtracji wskutek zmian kształtów cząsteczek. Obniżenie temperatury powoduje zmniejszenie filtracji.

Zwiększenie lepkości płuczki po dodaniu koloidu jest wynikiem wiązania
w cząsteczkach koloidu wolnej wody zawartej w płuczce.

W ćwiczeniu do regulacji filtracji używaliśmy rotomagu jako środka dodawanego do płuczki bentonitowej 3% lub 5%. Rotomag jest środkiem skrobiowym, otrzymywanym przez chemiczną obróbkę skrobi najpierw w środowisku kwaśnym, potem w zasadowym, z dodatkiem soli metali najczęściej występujących w płuczkach. Istotny jest stosunek soli metali dwuwartościowych do soli metali jednowartościowych. W rotomagu przeważają sole magnezu, dzięki czemu płuczka
z rotomagiem charakteryzuje się zwiększoną odpornością na sole magnezowe i jest stosowana przy przewiercaniu pokładów soli z wtrąceniami soli magnezowych.

Innymi środkami produkowanymi na bazie skrobi są m.in. rotopol, polgel, rotocal, rotosol
i inne.

wykonanie oznaczenia parametrów płuczki

Oznaczenia podstawowych parametrów płuczki dokonuje się tak jak oznaczenia podstawowych parametrów dla płuczki nieobciążonej (punkt 1).

Wyniki

Wnioski

Filtracja płuczki wiertniczej maleje liniowo zarówno wraz ze stężeniem rotomagu, jak i stężeniem bentonitu w płuczce. Pozostałe parametry technologiczne zostały zamieszczone w załączniku na końcu sprawozdania.

4. Regulacja lepkości płuczki wiertniczej

Wprowadzenie

Lepkość płuczki reguluje się w celu zmniejszenia siły tarcia lub w celu zwiększenia przepływu płuczki. Do regulacji lepkości stosuje się tzw. dyspergatory, np. pirofosforany. Cechą dyspergatorów jest ich bardzo silne rozdrobnienie. W ćwiczeniu używaliśmy Argonitu P.

Oznaczenie właściwości technologicznych płuczki bentonitowej z dodatkiem aragonitu P

Oznaczenie podstawowych parametrów technologicznych dokonuje się tak samo jak
w przypadku czystej płuczki bentonitowej.

Wyniki

Wnioski

W wyniku zwiększania stężenia argonitu P następuje wyraźny wzrost lepkości płuczki wiertniczej. Pozostałe parametry technologiczne zostały zamieszczone w załączniku na końcu sprawozdania.

Bibliografia:

• norma branżowa BN-90/1785-01

• J. Raczkowski, T. Półchłopek, Materiały i środki chemiczne do sporządzania płuczek wiertniczych, Kraków 1998

• własne notatki

---