БИБЛИОТЕКА НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ

ГОСТ 33696-2015 (ISO 10416:2008). Межгосударственный стандарт. Растворы буровые. Лабораторные испытания

22 Выдерживание буровых растворов на нефтяной основе

 

22.1 Принцип

 

Настоящий раздел подготовлен для ознакомления лиц, незнакомых с составом и испытаниями буровых растворов, с методами и оборудованием, используемыми в лабораториях для смешивания и выдерживания систем буровых растворов на нефтяной основе. Настоящий раздел также предоставляет основные руководящие принципы и технику безопасности при выполнении процедуры выдерживания. Настоятельно рекомендуется тщательно изучить настоящий раздел перед выдерживанием проб буровых растворов при повышенных температурах.

Выдерживание буровых растворов представляет собой процесс настаивания пробы бурового раствора, подвергнутой периодическому усилию сдвига, для полного отображения реологических свойств и свойств фильтрации. Период времени, необходимый для более точного отображения свойств, изменяется от 16 ч до нескольких суток. Выдерживание может быть выполнено при окружающих или при повышенных температурах.

Пользователям настоящего раздела следует ознакомиться как с типами испытаний, методами испытаний и измеряемыми свойствами, указанными в ГОСТ 33213, так и с методами, указанными в настоящем стандарте.

Настоящий раздел не распространяется на методику выдерживания, подходящую для буровых растворов на водной основе или солевых растворов, используемых в качестве жидкостей для глушения и ремонта скважин.

 

22.2 Оборудование

 

22.2.1 Перемешивающее устройство, используемое для смешивания составов буровых растворов

Перемешивающие устройства могут иметь постоянную или переменную скорость. Двигатель вращает вал мешалки с круглыми "пропеллерами", рифлеными рабочими колесами, острыми лопастями с волновой или прочей формой. Применяются мешалки с одним валом или с множеством валов. Мешалки с форсунками также используются для приготовления некоторых составов.

Перемешивающие устройства могут значительно различаться в значении передаваемого усилия сдвига. Выдерживание проб буровых растворов снижает различия в свойствах, которые могут быть результатом приготовления с помощью различных перемешивающих устройств.

22.2.2 Стеклянные банки и бутылки, используемые для приготовления партии объемом 4 дм3

Стеклянные емкости из трещиностойкого стекла, такие как банки для домашнего консервирования или эквивалентные типы банок/бутылок, оснащенные металлическими навинчиваемыми крышками. Коммерчески доступные круглые банки с прямой стенкой и круглые банки с широким горлышком являются подходящими. Последний тип обычно используется в крутящихся сушильных шкафах с температурами до 65 °C (150 °F). Все типы могут надежно закрепляться в переворачивающих сушильных шкафах, работающих при температуре менее 65 °C (150 °F).

Термостойкие емкости, изготовленные из пирекса или эквивалентных материалов, также применимы для температур до 65 °C (150 °F).

Крышки/пробки для стеклянных сосудов изготавливаются из пластмассы или металла. Инертные прокладки или облицовка (например, из PTFE) рекомендуются для большего срока службы, независимо от состава крышки/пробки.

22.2.3 Пластмассовые банки и емкости

Приемлемые пластмассовые материалы для емкостей и крышек включают полиэтилен, полипропилен или другие, соответственно, инертные, механически прочные и надежные материалы. Данные материалы могут быть несовместимыми с некоторыми буровыми растворами на нефтяной основе. Большинство буровых растворов на нефтяной основе может смешиваться и храниться в полиэтиленовых толстостенных коммерческих ведрах.

Тонкостенные пластмассовые емкости, такие как бутылки для молока, безалкогольных напитков или соков, не рекомендуются.

22.2.4 Металлические емкости

Большое разнообразие металлических емкостей может использоваться при окружающих температурах. Используемые металлические емкости изготовляют в основном из нержавеющей или мягкой углеродистой стали различных классов. Могут использоваться более инертные металлические составы, но они считаются затратными для испытания при окружающей температуре.

Ячейки, изготовленные из алюминиевой бронзы, не рекомендуются для любых составов буровых растворов. Наблюдались электрохимические реакции между бронзовыми ячейками для выдерживания и многочисленными буровыми растворами или материалами для буровых растворов.

Корпусы ячеек для выдерживания и крышки ячеек должны иметь надписи порядкового номера и содержимого.

Ячейки для выдерживания из нержавеющей стали подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением или точечной коррозии в средах с длительным пребыванием при температурах более 60 °C (140 °F) и жидкостями со значительными концентрациями хлорида (более нескольких тысяч миллиграммов на литр). Такая коррозия не является проблемой при испытании буровых растворов на нефтяной основе, в которой эмульсия "вода в нефти" поддерживается в течение всей процедуры выдерживания. Такие проблемы допустимы, но существует много способов для уменьшения коррозии, существующих в технологии выдерживания буровых растворов, таких как следующие:

a) Один метод выдерживания буровых растворов, уменьшающий коррозию, представляет собой промывку и визуальный осмотр металлических ячеек для выдерживания после каждого использования на наличие дефектов. Таким способом можно обнаружить начало точечной коррозии и коррозионного растрескивания. Затронутые коррозией ячейки из нержавеющей стали подвергаются пескоструйной обработке для удаления пятен коррозии. Таким образом, ячейки могут повторно и многократно применяться в течение 25 лет.

b) Если очевидная коррозия на металлической ячейке для выдерживания не обнаруживается, полученный опыт доказывает, что периодическая пескоструйная обработка ячеек исключает развивающиеся дефекты на стенках, сохраняет поверхность пассивной и значительно увеличивает срок службы ячейки.

c) Металлические ячейки для выдерживания, используемые в испытаниях буровых растворов, изготовляют из металлического цельного бруса и не сваривают. Отсутствие точек сварных напряжений уменьшает вероятность коррозии, которая может возникнуть при определенных агрессивных условиях.

d) Большинство буровых растворов на нефтяной основе имеют высокий pH в растворенной водной фазе и низкое содержание кислорода вследствие нефтяной фазы; данные факторы снижают коррозию.

22.2.5 Обшивка для металлических ячеек

Когда существует проблема реакции при повышенных температурах между конкретным типом металла ячейки для выдерживания и содержащимся в ячейке буровым раствором, может применяться облицовка из материала, более инертного к данной жидкости.

Подходящие материалы для обшивки включают стекло, керамику и PTFE или эквивалент. Обшивка каждого типа является коммерчески доступной.

22.2.6 Сушильные шкафы

Сушильные шкафы могут быть статичными или динамичными [оборудованными роликами или системами шкивов для вращения или переворачивания зафиксированной ячейки]. Статические сушильные шкафы варьируются от настольных, переносных моделей, способных вместить только несколько малых проб, до больших напольных моделей с множеством полок, которые способны вместить десятки проб.

Ожидается, что сушильные шкафы имеют параметры для работы при температурах от 65 до 260 °C (от 150 до 500 °F).

Соответствующая конвекция воздуха в пределах сушильных шкафов обеспечивает однородное температурное распределение, являющееся необходимым для правильности выдерживания.

Примечание - Сушильные шкафы, используемые для буровых растворов на нефтяной основе, не должны иметь оголенные нагревательные элементы, которые могут вызвать воспламенение горючих материалов в случае утечки пробы.

 

22.3 Общие методы приготовления, обращения и испытаний по всем диапазонам температуры

 

22.3.1 Буровые растворы на нефтяной основе и их компоненты

22.3.1.1 Буровые растворы на нефтяной основе содержат одну или более основных жидкостей и материалы для бурового раствора, растворенные или механически диспергированные в жидкости, для образования однородной жидкости. Получающаяся жидкость может содержать диспергируемые в нефти, растворимые полимеры или смолы, а также органофильные глины или другие нерастворимые, но диспергируемые мелкие твердые частицы.

22.3.1.2 Буровые растворы на нефтяной основе могут быть чисто нефтяными, то есть без водной фазы, или "инвертной" эмульсией на нефтяной основе, в которой нефть является дисперсионной средой, а эмульгированная водная фаза является дисперсной фазой. Водная фаза содержит хлорид натрия (NaCl) или хлорид кальция (CaCl2).

22.3.1.3 Жидкости смешивают для получения однородной смеси компонентов и затем выдерживают. Выдерживание выполняют при условиях, изменяющихся от статических до динамических, при температурах от окружающей до повышенной.

22.3.2 Устройства для смешивания/перемешивания

Перемешивающие устройства значительно различаются в значении передаваемого усилия сдвига. Для мешалки с низким усилием сдвига для получения полного растворения/гидратации компонентов жидкости может потребоваться большее время перемешивания. С помощью мешалок с высоким усилием сдвига можно получить полностью однородные и гидратированные смеси буровых растворов в течение нескольких минут.

Выдерживание проб буровых растворов снижает различия в свойствах, которые могут быть результатом приготовления с помощью различных перемешивающих устройств.

22.3.3 Отличительные диапазоны буровых растворов на нефтяной основе или основных жидкостей для буровых растворов

22.3.3.1 Базовые масла значительно различаются по вязкостным свойствам. Данные вязкостные свойства также различаются при различных температурах для различных основных жидкостей. Поэтому свойства бурового раствора значительно различаются.

22.3.3.2 На свойства бурового раствора также может повлиять присутствие различных эмульгаторов (или их нехватка для чисто нефтяных буровых растворов), и/или органофильной глины, и/или растворимых в нефти вязких полимеров, используемых для обеспечения способности удерживания во взвешенном состоянии.

22.3.3.3 Некоторые эмульгаторы или смачиватели требуют присутствия извести для образования кальциевого мыла. Известь также добавляется для регулирования кислотных газов, таких как сероводород или углекислый газ, с которым можно столкнуться во время бурения, или для защиты от теплового пробоя некоторых материалов для бурового раствора.

22.3.4 Хранение и утилизация

22.3.4.1 Пробы буровых растворов на нефтяной основе не подвергаются ухудшению со временем. Однако считается хорошей практикой ограничение испытания проб, которые хранились более 1 мес., если образец не хранился при температуре 4 °C (40 °F).

22.3.4.2 Утилизировать неиспользованные пробы следует подходящим методом, безопасным для окружающей среды, на основе известных компонентов.

 

22.4 Выдерживание буровых растворов при окружающих температурах

 

22.4.1 Емкости для приготовления и хранения

Буровые растворы могут смешиваться при окружающей температуре в различных открытых емкостях, изготовленных из металла, пластмассы или стекла, в соответствии с 22.2.2, 22.2.3 и 22.2.4. Несовместимость может существовать между буровыми растворами на нефтяной основе и некоторыми пластмассовыми материалами. Проблемы с металлическими или стеклянными емкостями маловероятны.

22.4.2 Процедура для выдерживания при окружающих температурах

22.4.2.1 После первоначальных этапов перемешивания/смешивания для приготовления основы бурового раствора или цельной пробы большинство процедур выдерживания при окружающих температурах проводится статическим методом.

22.4.2.2 Приготовленные пробы оставляют на 16 ч или в течение нескольких суток для получения устойчивых или желаемых свойств.

22.4.2.3 Вращение или переворачивание приготовленных проб может использоваться для предотвращения осаждения твердых компонентов или сегрегации слоев жидкости. Вращение или переворачивание приготовленных проб редко выполняется при окружающих температурах.

22.4.2.4 Буровые растворы на нефтяной основе выдерживают при окружающих температурах в закрытых металлических или стеклянных емкостях для предотвращения потери паров органических веществ. Ожидается, что свойства жидкости могут лишь мало отклониться от результатов, полученных согласно данному пункту.

22.4.3 Хранение

22.4.3.1 Буровые растворы, хранящиеся в течение длительных периодов времени, обычно хранятся охлажденными до 4 °C (40 °F).

22.4.3.2 Буровые растворы, хранящиеся при окружающих температурах, часто утилизируются после нескольких дней и редко хранятся более 1 мес.

22.4.3.3 Пробы буровых растворов проверяют для гарантирования, что свойства остаются в пределах приемлемых диапазонов.

 

22.5 Выдерживание буровых растворов при умеренных температурах [до 65 °C (150 °F)]

 

22.5.1 Приготовление пробы

22.5.1.1 Пробы буровых растворов на нефтяной основе, выдерживаемых при повышенных температурах, смешивают при окружающих температурах в соответствии с 22.3.2 и 22.4.

22.5.1.2 Дополнительные материалы могут быть добавлены в жидкие растворы, которые уже выдержаны при окружающих или повышенных температурах.

22.5.1.3 Большинство приемлемых стеклянных и металлических емкостей, используемых для выдерживания при окружающей температуре (см. 22.3.2 и 22.4), являются приемлемыми для статического или динамического выдерживания при температурах до 65 °C (150 °F).

22.5.2 Процедура для выдерживания при умеренных температурах

22.5.2.1 Выдерживание при повышенной температуре обычно выполняется по одной из следующих причин:

a) ускорение достижения химического равновесия в системе жидкости;

b) подвергание жидкости тепловым условиям, аналогичным полевым условиям.

22.5.2.2 Для воздействия повышенной температурой пробы буровых растворов помещают в один из большинства коммерчески доступных или изготовленных на заказ сушильных шкафов в соответствии с 22.2.6.

22.5.2.3 Методы нагревания и охлаждения проб буровых растворов (то есть с предварительным нагревом сушильного шкафа по отношению к шкафам без предварительного нагрева, охлаждение проб в открытых или закрытых сушильных шкафах или в воде), однородность температуры внутри шкафа (вследствие степени соответствующей конвекции воздуха) и точное время нагрева влияют на измеренные значения.

22.5.2.4 Для повышения воспроизводимости данных между испытаниями используют аналогичные методы нагревания и охлаждения и время нагрева для всех проб во время сравнительных испытаний.

22.5.3 Поддержание свойств жидкости при умеренных температурах

Обработка и покрытие проб азотом уменьшает кислородное разложение проб, обработанных полимерами. Использование азота приводит к лучшей воспроизводимости испытаний полимерных буровых растворов.

22.5.4 Хранение и испытание проб, выдержанных при умеренной температуре

Пробы, выдержанные при повышенной температуре в течение периодов времени от нескольких часов до нескольких суток, при необходимости дальнейшего хранения обычно хранятся при окружающих или пониженных температурах в зависимости от срока хранения.

В дополнение к приборам для измерения реологических свойств и фильтрации, упомянутым в настоящем стандарте, стандарте [7] и ГОСТ 33213, приборы для измерения динамической фильтрации при окружающих и повышенных температурах и реометры для повышенных температур являются коммерчески доступными для использования.

 

22.6 Выдерживание буровых растворов при значительно повышенных температурах [свыше 65 °C (150 °F)]

 

22.6.1 Приготовление пробы

22.6.1.1 Пробы буровых растворов, выдерживаемых при значительно повышенных температурах, смешивают при окружающих температурах в соответствии с 22.3.2 и 24.4.

22.6.1.2 Дополнительное количество добавленных ранее компонентов или новых материалов для повышения стабильности при повышенных температурах может быть добавлено в жидкие растворы, которые уже выдержаны при окружающих или повышенных температурах.

22.6.1.3 Только ячейки для выдерживания, изготовленные из подходящих материалов, должны использоваться при температурах свыше 65 °C (150 °F) согласно 22.6.2.

22.6.2 Выбор металлических ячеек для выдерживания

22.6.2.1 Температуры для выдерживания выбираются около ожидаемых температур на забое скважины и для применений, в которых используются определенные системы или материалы для буровых растворов. Ячейки для выдерживания должны быть сконструированы так, чтобы отвечать требованиям давления и температуры для процедуры выдерживания. В дополнение выбор соответствующего металла зависит одновременно от окончательной температуры, которой будет подвергаться проба и ячейка, и от концентрации хлоридов в водной фазе пробы бурового раствора на нефтяной основе.

22.6.2.2 Большинство процедур для выдерживания проб бурового раствора на нефтяной основе при температурах от 65 до 205 °C (от 150 до 400 °F) проводятся в ячейках, изготовленных из нержавеющей стали различных классов. Иногда используются ячейки из высокоуглеродистой стали, если моделируются полевые условия, при которых используется труба из мягкой стали. Такие ячейки из нержавеющей или мягкой стали при правильном использовании никогда не приводили к аварийному сбою процедуры, то есть они никогда не взрывались. Причиной выхода из строя таких ячеек являются признаки утечки.

22.6.2.3 Для длительного подвергания повышенной солености при высоких температурах могут потребоваться ячейки, изготовленные из металлов высшего класса.

22.6.2.4 Ключевое соображение в использовании металлических ячеек для выдерживания при повышенных температурах состоит в принятии мер для гарантирования, что ячейки не переполняются. Когда закрытые жидкости расширяются при повышении температуры, несоответствующее верхнее газовое (воздушное) пространство может привести к поршневому эффекту, поскольку жидкость гидравлически нагружает крышку ячейки. Оставление промежутков от 40 до 50 мм (от 1 и 9/16 дюйма до 1 и 15/16 дюйма) между поверхностью жидкости и крышкой ячейки или незаполнение ячейки более объема от 85 до 90%, является соответствующей мерой предосторожности для безопасности процедуры для выдерживания при температурах от 65 до 205 °C (от 150 до 400 °F).

22.6.3 Процедура для выдерживания при повышенных температурах

22.6.3.1 Если ячейка из подходящего металла и буровой раствор выбраны для данного температурного режима, то пробы могут быть статически или динамически выдержаны в подходящем сушильном шкафу в соответствии с 22.5.2.

22.6.3.2 Динамическое выдерживание следует выполнять в сушильных шкафах с кручением или вращением с регулируемой температурой в диапазоне от 65 до 205 °C (от 150 до 400 °F). Рекомендуемое минимальное время выдерживания для таких условий - 16 ч. В зависимости от температурной стабильности оцениваемого продукта время и температура могут потребовать регулировки.

22.6.3.3 Для статического выдерживания может использоваться соответствующий статический сушильный шкаф или динамический сушильный шкаф с выключенными механизмами кручения/вращения. Статическое выдерживание при повышенных температурах моделирует условия бурового раствора, который остается неподвижным в стволе скважины во время регулярных работ на буровой.

22.6.3.4 Для скважин с температурами более 150 °C (302 °F) обычный 16 ч интервал времени для выдерживания является подходящим моделированием интервала времени, в течение которого буровой раствор остается неподвижным в скважине во время спуско-подъемных операций для замены бурового долота. Для более продолжительных работ, таких как спуско-подъемные работы электрического каротажа скважины, время выдерживания от 48 до 72 ч является подходящим.

22.6.3.5 При выборе испытательной температуры следует отметить, что жидкости, оставленной в стволе скважины, может потребоваться большой период времени для уравновешивания с фактической забойной температурой, так как циркулирующий буровой раствор охлаждает ствол скважины. Поэтому испытательная температура ниже забойной температуры может быть более реалистическим моделированием условий в стволе скважины в течение спуско-подъемных операций для замены бурового долота.

Примечание - Важным испытанием для оценки долгосрочного застывания буровых растворов, выдержанных при высоких температурах, является определение предела прочности при сдвиге, приведенное в ГОСТ 33213, приложение В. Данное испытание является особенно полезным при использовании буровых растворов на нефтяной основе в качестве пакерных жидкостей.

 

22.6.4 Соображения безопасности для металлических ячеек для выдерживания

22.6.4.1 Металлические ячейки для выдерживания должны использоваться только для выдерживания буровых растворов, содержащих обычные типы или классы добавок для буровых растворов.

22.6.4.2 Исследуемый материал, совместимость которого при высокой температуре с химическими веществами/минералами в буровом растворе вызывает сомнение, не должен выдерживаться при повышенных температурах в металлических ячейках. Такую совместимость следует проверять на оборудовании, таком как автоклав, разработанный для работы под высоким давлением.

22.6.4.3 Единственные известные аварийные сбои (взрывы) ячеек для выдерживания из нержавеющей стали происходили в результате неуместного использования ячеек в качестве автоклавов химической реакции (взамен выдерживания бурового раствора) или в результате переполнения ячеек.

22.6.4.4 Типы сбоев металлических ячеек для выдерживания вследствие несоответствующего осмотра и технического обслуживания являются простыми утечками из ячеек.

22.6.4.5 Предохранительные элементы могут быть помещены в крышки ячеек, если существует вероятность сбоя ячейки. Так как использование предохранительных элементов понижает характеристики давления металлической ячейки для выдерживания, проводят испытания при температурах, которые дают меньшие давления.

Примечание - Сушильные шкафы, используемые для буровых растворов на нефтяной основе, не должны иметь оголенные нагревательные элементы, которые могут вызвать воспламенение горючих материалов в случае утечки пробы. Это особенно важно для ячеек с предохранительными элементами.

 

22.7 Инертность и химическая совместимость высокотемпературных ячеек для выдерживания

 

22.7.1 Химическая совместимость материалов с металлическими ячейками для выдерживания

Не следует добавлять материалы, которые производят или являются катализаторами экзотермических реакций, в составы буровых растворов, выдерживаемых при высокой температуре.

22.7.2 Инертность металлических ячеек для выдерживания к химическим веществам

22.7.2.1 Металлические ячейки для выдерживания из сплава на основе никеля обеспечивают самую большую степень инертности к потенциально коррозийным условиям.

22.7.2.2 Железо может выщелачиваться из различных нержавеющих сталей буровыми растворами с высокой концентрацией хлорида при высоких температурах. Данное удаление железа вызывает точечную коррозию и растрескивание после подвергания ячеек из нержавеющей стали жестким условиям температуры/хлорида.

22.7.2.3 Различные материалы могут использоваться в качестве более "инертных" облицовочных материалов в пределах стандартных ячеек из нержавеющей стали. Такие материалы перечислены в 22.7.3.

22.7.3 Соображения относительно плакирования металлов для увеличения стойкости к загрязнению ячеек для выдерживания

22.7.3.1 Плакированные золотом ячейки не рекомендуются для выдерживания буровых растворов при повышенных температурах. Плакирование ячеек из нержавеющей стали инертными или благородными металлами, такими как золото, предложено для того, чтобы избежать более затратного изготовления новых ячеек из высококлассных металлических сплавов. Данное соображение имеет один серьезный недостаток: если плакированная ячейка поцарапана, оголенная сталь испытывает сильную локальную коррозию со скоростью выше скорости коррозии неплакированной стали. Поэтому царапина плакированной ячейки приводит к вероятности более ранних утечек и отказов ячеек.

22.7.3.2 Так как пробы буровых растворов, выдерживаемые при повышенных температурах, часто становятся очень вязкими или даже твердыми, иногда необходимо очистить материал затвердевшей пробы от ячейки. Даже при большой осторожности существует риск нанесения царапин при удалении затвердевшего бурового раствора.

22.7.4 Разница между характеристиками материалов для буровых растворов в инертной среде и реальной рабочей среде

22.7.4.1 Следует быть осторожным при интерпретации результатов выдерживания в лабораторных условиях с использованием ячеек, изготовленных из инертных металлов или плакированных инертными материалами. Буровые растворы в полевых условиях взаимодействуют с буровой колонной, обычно изготовленной из мягкой углеродистой стали.

22.7.4.2 Полевые результаты могут отличаться от результатов, полученных при более идеальных условиях. Площадь взаимодействия бурового раствора со стальной поверхностью в стальных ячейках для выдерживания меньше, чем в буровой колонне, но больше, чем в пределах инертных ячеек для выдерживания.

 

22.8 Поставки и услуги по выдерживанию проб буровых растворов

 

22.8.1 Поставщики оборудования

22.8.1.1 Стеклянные и пластмассовые банки и бутылки можно получить от организаций, занимающихся поставками лабораторного оборудования, поставщиков емкостей и большинства розничных и оптовых магазинов или складов.

22.8.1.2 Металлические ячейки для выдерживания, сушильные шкафы, подходящие для выдерживания буровых растворов при повышенных температурах, и/или оборудование для испытания буровых растворов и вспомогательное оборудование могут быть получены из признанных организаций, занимающихся поставками полевого испытательного оборудования.

22.8.2 Консультанты по металлургии

Для лучшей консультации относительно приобретения надлежащих металлических ячеек для выдерживания, требуемых для жестких условий (повышенные концентрации хлоридов при высоких температурах), следует обратиться к признанным консультантам по металлургии или организациям, специализирующимся на консультации по металлургии.

22.8.3 Консультанты по сосудам под давлением

Для консультации относительно конструкции сосуда под давлением для ситуации, не соответствующей коммерчески доступным конструкциям, или специальных металлических ячеек для выдерживания следует обратиться в организации или к лицу с опытом в проектировании сосудов под давлением.