Indrumar Fluide de Foraj-nov 2014

5

Lucrarea 1

Densitatea materialelor pulverulente

Consideraii generale

Mrimile caracteristice materialelor pulverulente sunt densitatea, respectiv suprafaa specific. Suprafaa specific se definete drept suprafaa exterioar plus suprafaa porilor i a fisurilor ce comunic cu exteriorul, exprimat n cm2 sau m

2. Datorit existenei porilor, densitatea acestor materiale poate fi o densitate real (r) i o densitate aparent (a) i cu acestea se poate exprima volumul total al porilor din material fa de volumul brut, inclusiv porii. Raportul acestor dou mrimi definete noiunea de porozitate. Raportul dintre volumul total al porilor i volumul brut al rocii reprezint prpzitatea absolut, iar raportul dintre volumul porilor comunicani i volumul brut al rocii reprezint porozitatea efectiv.

Prin definiie, densitatea reprezint masa unitii de volum. Se noteaz cu

i se exprim n kg/m3, kg/dm3, g/cm3 (iar n uniti anglo-saxone n lb/gal sau lb/ft

3). Densitatea real reprezint raportul dintre masa de pulbere i volumul ei fr pori, numit volum real, iar densitatea aparent este raportul dintre masa de material pulverulent i volumul ei incluznd porii. Densitatea materialelor pulverulente hidrofile (argil bentonitic, diatomit, barit, ciment, nisip, cenu de termocentral etc.) este necesar a fi cunoscut, deoarece servete la calculul cantitilor de materiale necesare preparrii fluidelor de foraj i pastelor de ciment. La rndul lor, densitile corespunztoare fluidelor de foraj i ale compoziiilor de cimentare se stabilesc funcie de condiiile concrete geologo-tehnice n care se lucreaz.

Fig.1.1 Picnometrul cu dop rodat

6

03 mmmm

p

pm

mmvvvv

34

0

'

0

m

mm

v

m

a

mmv

01

0

0

02

v

mmp

Principiul metodei

Se determin densitatea unui material pulverulent argilos i a unei probe de barit prin metoda gravimetric. Densitatea real se determin cu picnometrul cu volum fix, iar densitatea aparent se determin cu un simplu cilindru gradat.

Modul de lucru

Densitatea real Determinarea densitii cu ajutorul picnometrului cu volum fix (fig. 1.1)

se face n felul urmtor: -se determin iniial volumul exact al picnometrului, v0, printr-o dubl cntrire. Se msoar masa picnometrului gol m0 i apoi masa picnometrului plin

cu ap distilat m1, cu densitatea a1g/cm3 (dup umplerea picnometrului cu ap

se fixeaz dopul, iar surplusul de ap, expulzat prin orificiul central al dopului, se terge) :

(1.1)

-se determin densitatea petrolului lampant p, msurnd masa picnometrului plin cu lampant, respectiv

(1.2)

-n picnometrul curat i uscat se introduce o anumit cantitate de material pulverulent i printr-o nou cntrire se determin m3; masa probei de material pulverulent mm va fi

(1.3)

-se umple apoi picnometrul cu lampant (nainte de adugarea dopului se va elimina aerul din prob) i se face o nou cntrire m4, iar volumul probei de material pulverulent vm este

(1.4)

n care '

pv este volumul de petrol adugat;

-n final, se calculeaz densitatea real a materialului pulverulent (1.5)

7

Cntririle trebuie efectuate cu ajutorul unei balane analitice.

Densitatea aparent Pentru determinarea densitii aparente, un cilindru gradat de volum i greutate cunoscute se umple cu materialul pulverulent analizat. Proba se taseaz bine, ocupnd ntreg volumul cilindrului, Vcil. Se cntrete cilindrul plin i se afl greutatea pulberii, G. Densitatea aparent se calculeaz cu ajutorul relaiei:

cil

aV

G (1.6)

Interpretarea rezultatelor

Se obin valorile r i a ale probelor de argil, respectiv de barit i se compar cu valorile folosite n mod practic i anume arg= 2500 kg/m

3 i barita=

3600 4200 kg/m3, funcie de calitatea baritei.

Se calculeaz porozitatea argilei, respectiv a baritei cu ajutorul relaiei:

100

m

amP

(1.7)

ntrebri de control

1. Care sunt mrimile caracteristice materialelor pulverulente? 2. Ce reprezint densitatea materialelor i n ce uniti de msur se

exprim? 3. Cum este definit noiunea de porozitate?

8

gHp nh

00 pgHppp nhs

Lucrarea 2

Densitatea fluidelor de foraj


Densitatea fluidelor de foraj reprezint un parametru esenial n procesul de foraj. n timpul realizrii sondei, valoarea densitii se regleaz astfel nct, prin mrimea presiunii hidrostatice, fluidul de foraj ales s previn ptrunderea fluidelor din formaiunile traversate, surparea i strngerea pereilor, evitarea fisurrii stratelor, pierderea parial sau total a circulaiei, manifestrile eruptive, sigurana lucrului n sond etc. Presiunea hidrostatic ph ntr-un punct aflat la adncimea H ntr-un fluid

cu densitatea n, se scrie sub forma

. (2.1)

n masivul de roci, ntr-un punct aflat la adncimea H, apa coninut n pori (dac nu este izolat de condiiile de la suprafa) se va gsi la o presiune ce poate fi determinat cu aceeai relaie.

Pentru densitatea apei din porii rocilor, a, se admit valorile: a 1027 kg/m

3, care este densitatea apei de mare cu salinitatea total de 3,7g/l;

a 10701073 kg/m3 fiind densitatea unei ape tipice de zcmnt, cu

salinitatea n NaCl de 80 g/l;

a 1150 kg/m3 densitatea apei srate saturate, ntre 50 i 100oC.

Presiunea de strat (din pori) egal cu presiunea hidrostatic, calculat n limitele acestor valori, este considerat presiune de strat normal. n aceste

situaii fluidele de foraj utilizate au densiti n domeniul, n 11001200 kg/m3

i pot fi preparate numai din ap i argil (considernd densitatea argilei de 2500 kg/m

3).

Dac presiunea de strat are valori mai mari (pp ph) se consider presiune anormal de mare, stratul este suprapresurizat i n aceste cazuri se utilizeaz

fluide de foraj ngreuiate cu densitatea n 2000 2300 kg/m3.

Dac se nregistreaz valori mai mici (pp ph) stratul este subpresurizat i presiunea este considerat anormal de mic (strate depletate). Traversarea acestor formaiuni necesit utilizarea unor fluide cu densitate redus sau chiar schimbarea tehnologiei de foraj.

n sonda plin cu fluid de foraj (cu densitatea n) aflat n repaus, presiunea la adncimea H se determin cu ajutorul relaiei

, (2.2)

9

unde p0 este presiunea la gura sondei (dac exist). Din diferite motive, cum ar fi: dependena densitii de temperatur, de presiune, de starea de repaus, de compresibilitatea fluidului etc., presiunile reale

din sond difer de cele calculate cu densitatea noroiului determinat la suprafa, cu pn la 3...7 %. Densitatea fluidelor de foraj influeneaz, de asemenea, cumulativul de filtrat ptruns n formaiunile permeabile traversate, viteza de avansare a sapei (viteza mecanic de foraj), valoarea cderilor de presiune n sistemul de circulaie, flotabilitatea echipamentului din sond etc.

Principiul metodei

Densitatea fluidelor de foraj se msoar n laborator prin cntrire direct cu ajutorul cilindrilor gradai sau a picnometrelor, iar n antier cu ajutorul densimetrelor de construcie special.

Modul de lucru

a. Determinarea densitii cu cilindrul gradat. Pentru efectuarea determinrii este nevoie de un cilindru gradat i o balan tehnic. Se cntrete masa cilindrului gradat mo (care trebuie s fie gol, curat i uscat) i masa cilindrului plin cu noroi m1, pn la volumul v. Dup efectuarea determinrii cilindrul gradat se spal i se terge.

b. Msurarea densitii cu ajutorul densimetrelor Pentru msurarea densitii se poate folosi balana cu prghie, gradat direct n uniti de densitate. La un capt al prghiei 3 se afl cana de volum constant 1, care se umple cu fluid i se terge dup ce se pune capacul 2 ce are un orificiu de preaplin, iar la cellalt capt culiseaz o contragreutate 4.

Fig. 1.4. Densimetru.

10

v

mmn

01

Acest ansamblu se aeaz pe suportul cu muchia de cuit 5 rezemndu-se pe punctul de sprijin. Se deplaseaz cursorul pn cnd ansamblul este n echilibru (nivela cu bul de aer 6 se afl ntre cele dou repere) i se citete direct valoarea densitii.

Dup folosire se spal cana i capacul acesteia i se terg.


a. Se noteaz valorile msurate pentru m0, m1 i v. Densitatea fluidului se calculeaz cu ajutorul relaiei

(2.3)

Obs. Determinarea densitii fluidului se face cu o precizie de 0,01 g/cm3; 10

kg/m3 (sau de 0,1 lb/gal; 0,5 lb/ft3).

Pentru a transforma din unitile anglo-saxone n cele metrice, se pot folosi urmtoarele relaii:

3458362

3

3 ,,

gallb

ftlb

cm

g sau

12016

3

3

gallb

ftlb

m

kg .

ntrebri de control

1. Cnd se consider c presiunea de strat este normal? 2. Cnd se consider c stratul este suprapresurizat i la ce valori ale

densitii fluidului se poate ajunge? 3. Ce influen are densitatea fluidului asupra rocilor traversate i asupra

vitezei de avansare a sapei?

11

Lucrarea 3

Viscozitatea aparent i gelaia fluidelor de foraj


Viscozitatea aparent a unui fluid reprezint proprietatea acestuia de a

opune rezisten la curgere. Cantitativ, viscozitatea (notat cu ) este o msur a acestei rezistene i se definete ca raport ntre tensiunea de forfecare i viteza de forfecare dv/dx i este constant pentru fluidele newtoniene. Fluidele de foraj sunt sisteme eterogene care nu se supun legii de curgere

newtoniene: curgerea lor nu poate fi descris prin intermediul unui singur coeficient de viscozitate. Ele posed proprieti structural-mecanice mai complexe, iar comportare la curgere este descris de doi sau mai muli parametri sau constante reologice.

Viscozitatea convenional, msurat cu plnia Marsh, exprim efectul combinat al parametrilor reologici i este influenat de densitatea fluidului i proprietile tixotropice. Viscozitatea Marsh (VM) este calitativ i nu poate fi utilizat n calculele hidraulice.

Principiul metodei

n practica de antier se folosete nc pe scar larg o viscozitate convenional (aparent) pentru fluidele de foraj, care se msoar cu viscozimetrul plnie tip Marsh (fig. 3.1).

Fig. 3.1 Viscozimetrul plnie tip Marsh

12

Modul de lucru

Acesta se compune dintr-o plnie cu dimensiuni standard i

capacitate 351 dm, (prevzut la partea inferioar cu un tub calibrat, iar la partea

superioar cu o sit metalic) i o can de msur cu volumul de 31dm . Pentru efectuarea determinrii se procedeaz astfel: -se agit fluidul de foraj, n scopul omogenizrii i distrugerii structurii de gel;

-se obtureaz tubul calibrat cu un dop i se umple plnia cu fluid pn la nivelul sitei; umplerea se face prin sit, pentru a ndeprta particulele grosiere, care ar putea bloca tubul de scurgere i ntrerupe determinarea; -se fixeaz plnia pe un suport, se plaseaz dedesubt cana de msur i, elibernd tubul calibrat, se cronometreaz timpul de umplere a cnii; -se recupereaz restul de fluid i se spal plnia i cana. Tubul de scurgere are diametrul interior de mm764, i lungimea mm51 ;

timpul de scurgere a apei, cu care de fapt se verific plnia, este de ss 5028 , .

nregistrarea unui alt timp mai mare, la proba de etalonare cu ap, denot nfundarea sau turtirea tubului calibrat. Se procedeaz n acest caz la curirea tubului i repetarea msurtorii.

Timpul n care se scurge un litru de noroi ( 31dm ) prin orificiul calibrat, din

cei 351 dm, noroi introdus n plnie, reprezint viscozitatea aparent a acestuia.

Noroaiele obinuite (preparate numai din ap i argil) au viscozitatea la plnia Marsh de 30 70s. Dac se obtureaz tubul calibrat cu un dop de cauciuc i se las plnia plin cu fluid, n repaus, timp de minute 10 , se msoar un nou timp de scurgere a unui litru din cei l51, introdui n plnie. Diferena dintre cele dou msurtori

(exprimat n secunde) reprezint gelaia noroiului.


Se fac msurtori pe cel puin trei fluide de foraj diferite i se compar din punct de vedere al viscozitilor la plnia Marsh i gelaiilor.

ntrebri de control

1. Ce reprezint viscozitatea aparent a unui fluid i cum este definit? 2. Cum se msoar viscozitatea aparent la plnia Marsh? 3. Cum se procedeaz pentru a determina gelaia unui fluid cu plnia Marsh?

13

Lucrarea 4

Proprietile reologice ale fluidelor de foraj


Comportarea la curgere a fluidelor i a sistemelor disperse cu faza continu fluid este descris printr-o serie de modele matematice, denumite i ecuaii constitutive, legi de curgere sau modele reologice. Acestea exprim

relaia dintre tensiunile tangeniale , care iau natere ntr-un fluid n micare i vitezele de deformare (forfecare) dv/dx, n regim laminar de curgere. Mrimile i dv/dx reprezint variabilele reologice, iar parametrii scalari sunt constantele reologice ale respectivelor ecuaii. Valorile acestora se obin prin prelucrarea mrimilor msurabile, specifice fiecrui tip de viscozimetru cum sunt, de exemplu, debitul i cderea de presiune (pentru cele tubulare) sau turaie i momentul de torsiune (pentru viscozimetrul cu cilindri coaxiali). Diagramele

f(dv/dx) se numesc reograme.

a. b. c. Fig. 4.1 Reograme caracteristice

Pentru fluide simple, omogene (n categoria crora intr apa, gazele, produsele petroliere, soluiile de electrolii i alte lichide monofazice cu mas molecular redus), viteza de forfecare este proporional cu tensiunea de forfecare:

. (4.1)

Reogramele acestor fluide sunt drepte ce trec prin origine (fig. 4.1.a),

panta acestora reprezentnd chiar constanta reologic d, adic viscozitatea dinamic sau absolut. Pentru o anumit temperatur i presiune d este constant, independent de viteza de deformare, iar fluidele ce se comport dup acest model sunt numite newtoniene. Din punct de vedere fizic, viscozitatea lor

reprezint o msur a frecrii interioare, intermoleculare.

dx

dvd

14

Avnd o structur eterogen, fluidele de foraj nu se supun legii de curgere newtoniene, iar viscozitatea nu mai este o constant. Aceasta depinde de viteza de forfecare la care a fost efectuat determinarea, se numete viscozitate aparent, iar fluidele-nenewtoniene. Dup Bingham, ecuaia constitutiv a fluidelor de foraj i a pastelor de ciment puin tratate este

. 0dx

dvpl (4.2)

Reogramele acestor fluide (fig. 4.1b) sunt drepte cu ordonata la origine o. Dup cum rezult din ecuaia (4.2), fluidele binghamiene au dou constante reologice:

pl-viscozitatea plastic sau structural; o- tensiunea dinamic de forfecare. De remarcat c pl reprezint chiar panta dreptei:

(4.3)

i, din punct de vedere fizic, este tot o msur a frecrilor interne din sistem, respectiv dintre moleculele mediului de dispersie, dintre moleculele acestuia i particulele fazelor dispersate, precum i dintre particulele disperse ntre ele. Viscozitatea plastic d indicaii asupra concentraiei de particule de argil, dispersate la nivel coloidal n fluidul de foraj.

Tensiunea dinamic de forfecare o este o rezisten suplimentar ce trebuie nvins n timpul curgerii, pentru a preveni tendina anumitor particule

dispersate din sistem de a forma structur; n cazul noroaielor de foraj o d indicaii asupra coninutului de argil bentonitic (distana dintre particule, gradul de ionizare, grosimea stratului dublu electric, natura ionilor), concentraia i natura ionilor din faza continu, prezena unor substane cu aciune ecranant. Fluidele de tip Ostwald de Waele (n categoria crora intr fluidele de foraj cu coninut redus de solide argiloase i polimeri floculani, fluidele pe baz de produse petroliere i pastele de ciment puternic tratate) au urmtoarea ecuaie constitutiv:

. (4.4)

Reograma acestora este o curb de putere (fig. 4.1c), cu modulii reologici: k-indicele de consisten; n-indice de comportare.

n general, indicele de consisten, k, crete cu coninutul de particule dispersate i atunci cnd noroiul este floculat. Indicele de comportare reologic n

dx

dvtgpl

0

n

dx

dvk

15

dx

dv

dx

dv plap0

1

n

apdx

dvk

dx

dv

este de regul subunitar, pentru majoritatea fluidelor de foraj i a pastelor de ciment avnd valori cuprinse ntre 0,6 1. Toate fluidele care nu respect legea lui Newton se consider n categoria celor nenewtoniene. Caracteristic acestor fluide este faptul c viscozitatea lor aparent (definit ca o viscozitate total, similar cu cea din relaia (4.1) nu mai este o constant, ci se modific n funcie de viteza de deformare. Astfel, comparnd relaiile (4.1) cu (4.2) rezult urmtoarele expresii pentru viscozitile aparente ale fluidelor binghamiene sau ostwaldiene:

; (4.5)

; (4.6)

care confirm dependena viscozitii aparente att de viteza de deformare, ct i de parametrii reologici.

Principiul metodei

Construcia i funcionarea viscozimetrului FANN 35A

Viscozimetrul FANN-35A (fig.4.2) are ca principal parte de lucru grupul celor doi cilindri coaxiali: cilindrul interior 1, suspendat prin intermediul axului 4

de arcul dinamometric 8 i cilindrul exterior rotativ 2, acionat de ctre motorul electric 11 prin intermediul arborelui de transmisie 12 i a unei cutii cu trei trepte de vitez 13. Motorul 11 dispune de dou trepte de viteze (realizabile prin mutarea comutatorului 14 pe poziia high- nalt sau low- joas), astfel nct la cilindrul exterior 2 se pot realiza ase turaii constante (600, 300, 200, 100, 6 i 3 rot/min.); o plcu indicatoare, montat pe faa superioar a cutiei de viteze, precizeaz poziiile pe care trebuie s le aib schimbtorul de vitez 9 i comutatorul 14, pentru a realiza turaia dorit. Solidar cu cilindrul interior 1 i axul su 4 se afl i discul gradat 6, care, prin lupa cu reper 7, permite citirea unghiului de torsiune al arcului 8 n timpul funcionrii viscozimetrului la oricare din turaiile amintite.

16

Fig. 4.2 Schema viscozimetrului FANN 35A

n timpul msurtorilor, cei doi cilindri coaxiali se afl scufundai n fluidul care trebuie analizat, aflat n cana 3 i care se gsete plasat pe suportul 5, fixat la rndul su de tija de susinere 10 prin intermediul urubului de blocare 15

Construcia i funcionarea reometrului PVS tip Brookfield

PVS este un reometru cu viteza de forfecare controlat care funcioneaz cu cilindri coaxiali, permind msurarea rapid a viscozitii oricrui fluid de foraj.

Schia aparatului este reprezentat n fig. 4.2, funcionez pe baza unui program, Rheovision, i permite msurarea la temperaturi de pn la 200C. Cilindul exterior, cupa pentru prob, are o capacitate de 40 cm3 i se rotete cu viteze ntre 0,05 i 1000 rpm. Cilindul interior, statorul, conine o sond RTD pentru msurarea permanent a temperaturii, simultan cu nregistrarea tensiunii de forfecare. Punerea n funciune, nregistrarea i analiza rezultatelor se face prin intermediul software-ului instalat pe calculator.

17

Fig. 4.3. Schema reometrului PVS tip Brookfield

Modul de lucru

Viscozimetrul FANN-35A

Fluidul care trebuie analizat (agitat n prealabil, pentru omogenizare i trecut printr-o sit de mm40, , pentru ndeprtarea particulelor grosiere) este

introdus n cana 3 pn la reperul trasat la interiorul su ( 3350cm ). Se aeaz cana pe suportul 5 (astfel nct tifturile de pe fundul cnii s ptrund n orificiile suportului), se ridic ansamblul can-suport pn ce nivelul fluidului atinge reperul trasat pe exteriorul cilindrului rotativ 2 i se fixeaz n aceast poziie cu ajutorul urubului de blocare 15. Aa cum s-a mai artat, acionnd schimbtorul de viteze 9 i comutatorul 14 se pot realiza la cilindrul exterior 2 oricare din cele ase turaii ale aparatului. Ca urmare, n fluidul existent ntre cei doi cilindri ia natere un cuplu al

tensiunilor de forfecare dintre stratele de fluid. Acest cuplu se transmite cilindrului interior, torsionnd arcul dinamometric; unghiul de torsiune depinde

de proprietile reologice ale fluidului, de turaie i de caracteristicile constructive ale aparatului (diametrele i nlimea cilindrilor, precum i de constanta arcului).

18

Reometrul PVS tip Brookfield

Fluidul care trebuie analizat se msoar cu un cilindru gradat, volumul necesar fiind 40 cm

3 i se toarn n cilindrul exterior al aparatului. Se nfileteaz

la partea superioar a statorului. Din programul Rheovision se accesez fereastra Tests i se stabilesc turaiile ce trebuie realizate (3, 6, 100, 200, 300, 600 rpm) i intervalul de timp la care se menine fiecare turaie. Se trece n fereastra Run/Data i se stabilesc coordonatele n care se va trasa reograma probei: vitez de deformare (s

-1) tensiune dinamic de forfecare (N/m2) viscozitate (cP). Se

pornete butonul de start i se urmrete trasarea curbei reologice i achiziia datelor experimentale n timp real.

Dup terminarea programului se acceseaz fereastra Analyze Data, se descarc aici fiierul de date experimentale i se obine cu acestea curba reologic experimental. Alegnd un model reologic teoretic (Bingham, Ostwald de Waele), se va verifica similitudinea curbei experimentale cu cea teoretic. Se vor nota parametrii reologici, precum i procentul de concordan experimetal teoretic a datelor pentru fiecare model considerat.

Un exemplu al unei determinri realizate pe o prob de fluid este reprezentat n fig. 4.4.

Fig. 4.4 Reograma unui fluid de foraj

Din exemplul de mai sus se poate observa reograma experimental a fluidului, reprezentat prin cercuri pline, alturi de curba teoretic conform modelului Bingham. Fluidul analizat are o viscozitate plastic (PV) de 20 cP, o tensiune dinamic de forfecare (YP) de 1,5 N/m2 i gradul de concordan de 67%.

19


Viscozimetrul FANN-35A

Modelul reologic n care se nscrie fluidul analizat se estimeaz pe baza reogramei ridicat cu ajutorul viscozimetrului. n acest scop, dup ncrcare se

pune n funciune aparatul, se citesc unghiurile de torsiune nregistrate la minimum patru viteze diferite de rotaie (preferabil la 600, 300, 200,

minrot /100 ), se calculeaz valorile i dv/dx cu ajutorul relaiilor: (4.7)

(4.8)

ntr-un sistem de coordonate i dv/dx se traseaz reograma fluidului cercetat, alura reogramei indicnd modelul reologic n care se nscrie respectivul

fluid; acesta se poate deduce i din alura curbei de curgere f(n). Dac reograma indic un model newtonian de curgere (sau dac se tie dinainte c fluidul cercetat este newtonian), valoarea viscozitii dinamice se calculeaz cu ajutorul relaiei

(4.9)

n care 300 este unghiul de torsiune nregistrat la aparatul FANN-35A, la 300rot/min.

Pentru fluide binghamiene (care posed dou constante reologice) este necesar msurarea unghiurilor de torsiune la dou turaii diferite ale cilindrului exterior (la 600 i 300 rot/min), relaiile de calcul fiind urmtoarele:

(4.10)

n cazul fluidelor de tip Ostwald, relaiile de calcul ale parametrilor reologici sunt:

(4.11)

Pentru ambele fluide nenewtoniene viscozitatea aparent este

(4.12)

50770,

ndx

dv704,1

300 d

300600 pl

6003000 24790 ,

300

600lg32,3

n

300511

5110

nk

,

2

600 ap

20

Reometrul PVS tip Brookfield

Deoarece valorile parametrilor reologici determinate cu acest reometru

sunt calculate de ctre programul Rheovision, se vor compara datele experimentale obinute cu cele msurate la viscozimetrul FANN-35A.

ntrebri de control

1. Care sunt constantele reologice ale fluidelor de foraj dup modelul Bingham?

2. Ce reprezint viscozitatea plastic sau structural a unui fluid de foraj? 3. Cum este definit tensiunea dinamic de forfecare? 4. Care sunt parametrii reologici ai fluidelor de foraj dup modelul

Ostwald de Waele?

21

Lucrarea 5

Proprietile tixotropice ale sistemelor disperse


Sistemele disperse i modific viscozitatea datorit destructurrii sau structurrii, sunt dependente de timp, deoarece schimbrile structurale se produc n intervale finite de timp. Prin tixotropie se nelege gelificarea unei soluii cnd este lsat n repaus i revenirea gelului n soluie prin agitare (peptizare). Dependena de timp a acestor sisteme, la mrirea sau micorarea tensiunii deformatoare, se manifest prin apariia unei bucle de histerez n diagramele de curgere.

Evidenierea dependenei de timp se poate face dac se nregistreaz o curb de curgere, prin creterea cu vitez constant a gradientului de vitez pn la o anumit valoare a tensiunii de forfecare, apoi cu aceeai vitez constant, este micorat.

Sistemele tixotropice pot fi caracterizate prin suprafaa buclei de histerez, deoarece aceasta este o msur a vitezei de reconstruire sau de dispariie a structurilor modificate prin deformaie. Tixotropia mai poate fi definit ca fiind memoria n timp a fluidului.

Un exemplu n care se vizualizeaz bucla de histerezis pentru un fluid de foraj este cel prezentat n figura 5.1, obinut la reometrul PVS tip Brookfield.

Fig. 5.1 Bucla de histerezis pentru un fluid de foraj

Capacitatea tixotropic a unui fluid de foraj se apreciaz prin valoarea tensiunii statice de forfecare (rezisten de gel sau limit adevrat de curgere), dup o anumit perioad de repaus i prin viteza cu care aceast rezisten crete n timp. Valoarea rezistenei de gel depinde de natura i concentraia argilei din

22

sistem, de gradul de dispersare, prezena electroliilor i a substanelor protectoare, ecranante, temperatur i presiune. Iniial, gelificarea se desfoar rapid, apoi ritmul se ncetinete, dar procesul poate continua cteva ore, zile sau chiar luni.

Din experiena practic s-au constatat cteva moduri de comportare a fluidelor de foraj la rmnerea n repaus: fluide care gelific rapid i puternic, fluide care formeaz geluri rapid dar slabe, altele cu gelificare lent, dar puternic, sau cu gelificare lent i slab (fig. 5.2).

Fig. 5.2 Curbe caracteristice de gelificare

Limita inferioar a tensiunii statice de forfecare, corespunztoare gelurilor foarte slabe, este de 1,52 N/m2, n timp ce limita superioar, specific gelurilor puternice, se situeaz ntre valorile de 1520 N/m2. Fluidele de foraj cu proprieti tixotropice sunt capabile s menin n suspensie materialele inerte de ngreuiere i detritusul, nsuire necesar mai ales la oprirea circulaiei n sond. Totui, valori ridicate ale tixotropiei (gelaii mari i viteze mari de gelificare), provoac greuti la curirea fluidului de foraj, presiuni sau depresiuni periculoase la pornirea circulaiei sau manevrarea materialului tubular aflat n sond.

Principiul metodei

Determinarea capacitii tixotropice a sistemelor disperse se efectueaz prin msurarea valorilor tensiunilor statice de forfecare dup diferite perioade de repaus atunci cnd se lucreaz cu un viscozimetru de tipul FANN 35A.

La reometrul PVS tip Brookfield, aceast proprietate se pune n eviden prin nregistrarea tensiunii dinamice de forfecare la creterea constant a vitezei de deformare, respectiv la scderea constant a acesteia, vizualiznd profilul buclei de histerezis.

23

Modul de lucru

La viscozimetrul FANN-35A se pot msura i proprietile de gelificare ale fluidului de foraj, respectiv valorile tensiunilor statice de forfecare, dup diferite perioade de repaus ale acestuia (de regul, dup 1min i 10min). n acest scop, dup efectuarea msurtorilor pentru stabilirea modelului reologic se parcurg, n continuare urmtoarele etape: -se pornete aparatul pe 600 rot/min (aproximativ s10 ), pentru distrugerea strii de gel a fluidului; -la oprirea motorului se pornete cronometrul (pentru msurarea timpului de gelificare) i se fixeaz schimbtorul de vitez 9 pe poziia mijlocie;

-dup 1min (respectiv 10min) de repaus, se cupleaz comutatorul pe poziia low (pentru a realiza turaia minim de 3 rot/min) i se citete unghiul

maxim 0 de antrenare a cilindrului interior, la care se produce ruperea gelului (structura se foarfec). Dup terminarea msurtorilor, se spal cana i componentele aparatului care au fost n contact cu fluidul, se terg i se monteaz din nou la aparat.

Pentru vizualizarea buclei de histerezis cu ajutorul reometrului PVS tip

Brookfield, se msoar un volum de prob de 40 cm3 fluid de foraj care se toarn n cilindrul exterior al reometrului. Ansamblul se nfiletez la partea superioar, dup care se acceseaz fereastra Tests al programului Rheovision. Se creaz un program n care se consemnez turaiile de lucru n ordine cresctoare, respectiv descresctoare, urmrind n fereastra Run/Data trasarea buclei de histerezis.


Din datele experimentale obinute la viscozimetrul FANN-35A se vor calcula valorile rezistenei de gel exprimat prin tensiunea static de forfecare la 1 min., respectiv 10 min. cu ajutorul relaiei:

(5.1)

unde 0 este valoarea unghiului de torsiune citit la 1 min., respectiv 10 min.

ntrebri de control

1. Ce se nelege prin tixotropie? 2. Prin ce se apreciaz capacitatea tixotropic a unui fluid de foraj? 3. Cum se clasific fluidele de foraj conform curbelor caracteristice de

gelificare?

04790 ,

24

Lucrarea 6

Capacitatea de filtrare i colmatare


La deschiderea prin foraj a formaiunilor, rocile ce le compun (din peretele sondei) vin n contact cu fluidul de foraj. Datorit diferenei pozitive dintre presiunea fluidului din sond i cea a fluidelor din porii rocilor, o parte din faza liber a noroiului va ptrunde n pori (fenomenul de filtrare) i, simultan, pe peretele sondei se depune o parte din particulele solide din noroi, sub forma unei

turte (fenomenul de colmatare).

n faza iniial, viteza de filtrare este determinat de permeabilitatea rocii, iar dup podirea porilor superficiali cu particule solide (aa-zisul colmataj intern) i iniierea turtei de colmatare propriu-zis, viteza de filtrare scade simitor, fiind dependent n mare parte doar de permeabilitatea turtei. Un bun fluid de foraj trebuie s posede un filtrat redus i o turt de colmatare subire, pentru a nu afecta stabilitatea rocilor slab consolidate i, mai ales, permeabilitatea stratelor purttoare de hidrocarburi.

Principiul metodei

Evaluarea cantitativ a cumulativului de filtrat (Vf, n cm3) i a grosimii

turtei de colmatare (t, n mm) se face n condiii statice, n celul standard API (pres-filtru), la o presiune de 7 bar, temperatur ambiant i ntr-un interval de timp de 30 minute.

Rezultatele obinute prin aceste determinri sunt de cele mai multe ori departe de cele obinute n condiiile de circulaie a noroiului de foraj i la temperaturi i presiuni apropiate de cele din sond. n timpul circulaiei (filtrarea dinamic), grosimea turtei se stabilizeaz cnd forele de depunere a particulelor de solide sunt echilibrate de cele de

eroziune, dei compactizarea turtei mai continu o perioad, iar viteza de filtrare i volumul cumulativ de filtrat ptruns n formaiune depind de viteza de circulaie a fluidului, de viscozitatea noroiului, rezistena la eroziune a turtei etc.

Fig. 6.1 Presa-filtru Baroid

25

Modul de lucru

Aa cum rezult din fig. 6.1, presa-filtru Baroid este alctuit din urmtoarele componente: -cilindru metalic 4, cu diametrul interior de 76,2 mm (3 in) i nlimea de 127 mm (5 in); pe exteriorul su, la partea inferioar se afl dou boluri pentru solidarizarea cu capacul inferior;

-capacul inferior 1, este prevzut cu un orificiu central pentru scurgerea filtratului; n interiorul acestui capac, cu suprafaa de filtrare de 45,8 cm2 se aeaz, n ordine, sita metalic 2, una sau dou hrtii de filtru i garnitura de etanare 3;

-capacul superior 5, prevzut cu racordul 8 pentru aer comprimat i ventilul-ac 6, pentru scurgerea presiunii la sfritul msurtorii; -cadrul metalic 9, prevzut la partea superioar cu urubul de strngere 7, pentru solidarizarea elementelor componente ale celulei de filtrare;

-cilindrul gradat 10, pentru colectarea filtratului fluidului analizat.

De la o butelie cu azot, prevzut cu regulator de presiune, se asigur meninerea constant a presiunii de lucru de 7bar. Pentru efectuarea msurtorii, se execut, n ordine, urmtoarele operaii: -se aeaz n capacul inferior-1 sita metalic-2, una sau dou hrtii de filtru i garnitura de etanare-3, dup care se solidarizeaz acest capac cu cilindrul-4, prin intermediul celor dou boluri; -se toarn n celula astfel format fluidul ce trebuie analizat (aproximativ 600 cm

3 sau pn la 5-6 mm de marginea superioar), se fixeaz n cadrul

metalic, se aeaz o alt garnitur de etanare n capacul superior, dup care se solidarizeaz toate elementele celulei de filtrare cu ajutorul urubului de strngere -7;

-se nchide ventilul-ac-6 i se deschide ventilul de pe linia de alimentare cu aer, moment n care se pornete i cronometrul, care marchez nceputul msurtorii; n prealabil, regulatorul de presiune al buteliei de azot se fixeaz la valoarea de 7 bar, iar cu un manometru suplimentar pe linia de alimentare se

controleaz presiunea de lucru. Durata de msurare este de 30 minute, iar n cazul n care intereseaz variaia filtraiei n timp se vor nregistra volumele de filtrat dup 1-2-3-5-7,5-15-20 i 30 minute. Pentru descrcarea celulei se execut urmtoarele operaii: -se nchide ventilul de pe linia de alimentare cu azot, se scurge presiunea

din celul prin deurubarea ventilului-ac i se slbete urubul de fixare; -se scoate cilindrul gradat de sub celul, se face citirea exact a filtratului i se pstreaz proba de filtrat pentru a putea msura, dac se cere, pH-ul i coninutul de sruri solubile; -dup ce se vars fluidul analizat (se golete celula, recupernd fluidul n gleat), se spal interiorul celulei cu un jet slab de ap (fr a deteriora turta) i, dup desfacerea capacului, se recupereaz turta de colmatare pe o plac de sticl;

26

-cu ajutorul unui penetrometru se msoar grosimea turtei de colmatare (n milimetri).

Dup terminarea msurtorilor se spal bine toate elementele celulei, sita metalic i cele dou garnituri de etanare.


Se notez volumul de filtrat obinut prin citire pe cilindrul gradat i grosimea turtei de colmatare citit la penetrometru. Se ridic diagrama Vf = f(t).

ntrebri de control

1. Ce anume cauzeaz apariia fenomenului de filtrare i, simultan, a fenomenului de colmatare?

2. Ce factor influenez viteza de filtrare dup faza iniial?

3. Care sunt fenomenele de care depind viteza de filtrare i volumul cumulativ de filtrat n condiii dinamice?

27

Lucrarea 7

Determinarea pH-ului


n apa pur, au loc procese de transformare a moleculei neutre de ap n speciile sale ionice, de ambele semne, astfel nct nu se modific caracterul neutru al mediului. Fenomenul se numete ionizarea apei i n urma acestuia apar gruprile hidroniu, H+, respectiv hidroxil, OH-. Produsul dintre concentraia ionilor de hidroniu i cea a ionilor de hidroxil se numete produsul ionic al apei, PH2O, i valoarea sa rmne constant i egal cu 10

-14.

n practic, pentru simplificare, se folosete noiunea de indice pH, pentru exprimarea naturii ionice a mediului. Prin indicele pH (sau exponent de

hidrogen) se exprim logaritmul negativ zecimal al concentraiei momentane de

ioni de H dintr-o soluie. Matematic, pH-ul se reprezint astfel:

HpH lg (7.1)

n soluiile apoase, pH-ul poate varia numai ntre valorile 0 i 14. Cu ajutorul lui se determin aciditatea sau alcalinitatea unei soluii sau fluid de foraj, n care se afl disociai diveri electrolii, cunoscut fiind c: ntre 0-7 soluiile

sunt acide; la pH 7 sunt neutre; ntre 7-14 soluiile sunt bazice. n general se impune ca fluidul de foraj s nu prezinte reacie acid

(pH7), deoarece n acest caz se accentueaz procesele de coroziune ce duc la degradarea echipamentului de foraj. Fluidele de foraj preparate din ap i argil (noroaie naturale), netratate, au pH-ul cuprins ntre 7 i 8, iar cele tratate au pH-ul ntre 8 i 13 (conin sod caustic, sod calcinat i chiar var). Valoarea optim a pH-ului depinde ns de tipul noroiului.

Principiul metodei

Se determin valoarea indicelui pH prin metoda colorimetric, folosind soluii de indicatori universali.

Indicatorii sunt substane organice, n general acizi sau baze slabe, care la introducerea lor n diferite soluii i schimb culoarea n funcie de concentraia ionilor de hidroniu [H

+] sau de hidroxil [HO

-] din soluie. Aceste substane ne indic caracterul acid sau bazic al unei substane i se numesc indicatori acido-bazici. Ei se mpart n: indicatori de culoare, indicatori de adsorbie, indicatori de fluorescen i indicatori turbidimetrici.

Pentru o determinare mai exact a pH-ului se folosesc soluiile tampon. Aceste soluii au proprietatea de a-i menine o valoare relativ constant a pH-ului, cnd li se adaug un acid tare (H+) sau o baz tare (HO-).

28

O alt modalitate de msurare a valorii pH-ului este prin metoda poteniometric. Ea are la baz urmtorul principiu: dou soluii cu concentraia

ionilor H diferit, separate de o membran subire de sticl, creeaz o diferen

de potenial ce poate fi amplificat i msurat. Un pH-metru conine un electrod propriu-zis, introdus ntr-un balon subire de sticl i o soluie dat, precum i un electrod de referin. Se msoar diferena de potenial dintre soluia (fluidul de foraj) n care cei doi electrozi sunt imersai i electrodul de msur, n uniti de pH (pentru calibrare se folosesc soluii etalon, cu pH-ul cunoscut).

Modul de lucru

Cunoaterea concentraiei ionilor de hidrogen (H) este necesar pentru controlul i reglarea unor proprieti ale fluidelor de foraj, dar poate s indice i prezena unei contaminri cu sare, anhidrit, ciment etc. i se efectueaz pe filtratul obinut de la presa-filtru Baroid. Cea mai frecvent folosit metod este metoda colorimetric. Exist diverse mrci de hrtie indicatoare (Haska, E. Merck, Magcobar, Baroid etc.), sub form de benzi sau folicule, toate nsoite de o scar de culori etalon, cu care se compar dup umectarea i stabilizarea culorii (aproximativ 30 s), hrtia introdus n filtrat. Precizia metodei este de 0,2- 0,5 uniti. Atunci cnd filtratul este colorat, precum i la concentraii mari de sare, metoda hrtiei indicatoare devine imprecis.

ntrebri de control

1. Ce reprezint indicele pH? 2. Ce valori uzuale ale pH-ului prezint fluidele de foraj i care sunt

cauzele modificrii acestuia? 3. Ce rol au soluiile tampon?

29

Lucrarea 8

Coninutul n lichide i solide


Pentru fluidele de foraj pe baz de ap i argil, faza dispers este alctuit din argil (pentru crearea suportului coloidal) i materiale de ngreuiere, iar faza continu din ap i motorin, n cazul fluidelor pe baz de produse petroliere. La fluidele de foraj fr motorin sau alt produs petrolier, coninutul de particule solide se poate determina prin uscarea complet ntr-o etuv, la 1050C, a unui anumit volum msurat de noroi i cntrirea solidelor rmase. Densitatea acestora se msoar cu unul dintre picnometrele prezentate. Se accept c detritusul a fost separat n sistemul de curire al instalaiei de foraj, fraciunile fine de argil nglobate n noroi, intrnd n categoria argil. Fluidele care conin ap i petrol sunt analizate cu ajutorul a diferite retorte, prin distilarea unui volum cunoscut (10...100 cm

3) de noroi i msurarea lichidelor condensate.

La fluidele pe baz de produse petroliere faza lichid este alctuit din motorin i ap, iar faza solid din materiale de ngreuiere i cele folosite pentru controlul proprietilor colmatante i structurale (asfalt oxidat, argil organofil). Analiza coninutului de solide i lichide prin metoda retortei se face pentru a stabili compoziia oricrui fluid, dar mai ales la cele cu coninut redus de solide argiloase, unde intereseaz n mod deosebit procentul de argil (Vag n % volum/volum) i cele pe baz de produse petroliere, la care raportul motorin/ap i coninutul de solide au influen direct asupra proprietilor reologico-coloidale i stabilitii noroiului.

Principiul metodei

Se utilizeaz metoda retortei pentru separarea fazelor lichid, respectiv solid, prin distilarea i condensarea fazei lichide. Cantitile obinute sunt prelucrate printr-un calcul de bilan material.

Modul de lucru

Retorta cu care se msoar coninutul de lichide i solide (vezi fig 8.1) se compune dintr-o celul de distilare -1 cu un volum util de 10cm3 (uneori 20cm3), introdus ntr-un cilindru de susinere-2, un nclzitor electric-3, un refrigerent cu ap -4, corpul -5, suportul -6, cilindrul gradat -7 i plnia de etanare -8. Se umple celula 1 cu o prob din fluidul de foraj ce trebuie cercetat (cu densitate cunoscut) i se introduce apoi n cilindrul de susinere 2. mpreun se introduc n locaul aparatului, mpingndu-le pn la partea superioar a acestuia.

30

Fig. 8.1 Schema retortei de distilare

Se astup locaul cu plnia de cauciuc, sub care se aeaz cilindrul gradat, verificnd dac este asigurat etaneitatea ntre ele. Se conecteaz retorta la o surs de 220 V i se ateapt condensarea i distilarea fazelor lichide. Apa (la

1000C) i apoi motorina (la 4250 500C) se transform n vapori, coboar printre

pereii cilindrului de susinere i cei ai locaului aparatului, condenseaz n dreptul refrigerentului i sunt colectate n cilindrul gradat. Dup terminarea distilrii (cnd n cilindrul 7 nu mai apare condensat), se ndeprteaz cilindrul gradat i se citesc volumele de ap i motorin. Se scoate apoi cilindrul de susinere 2 (mpreun cu celula 1), agndu-l de toart cu lama special de curire (se lucreaz cu mare atenie, deoarece aceste componente au nc temperatur foarte mare), se cur celula 1 i, dac este cazul, i cilindrul de susinere 2 de solidele depuse, cu ajutorul lamei de curire.


a. Calculul cantitilor de lichide i solide pentru fluide nesaline Cunoscnd c: vn este volumul probei de noroi analizat (10 cm

3, n cazul retortei tip

Cmpina); va- volumul de ap colectat n cilindrul gradat;

31

vm - volumul de motorin, se calculeaz coninutul procentual pentru acestea:

%(volum/volum) (8.1)


Volumul i masa solidelor coninute de noroi i rmase n retort (vs i ms) se calculeaz cu ajutorul relaiilor:

(8.3)

n care:

n, a i m sunt densitile noroiului, apei i motorinei (a1g/cm3, iar

m0,85g/cm3).

Valorile gsite (vs i ms) sunt necesare pentru calcularea coninutului de argil i barit din proba de noroi.

nainte de a efectua aceste calcule se verific densitatea solidelor (s) rmase n retort, pentru a controla corectitudinea msurtorii:

(8.4)

Msurtoarea poate fi considerat corect dac ag s b, n care: ag este densitatea argilei (2500 kg/m

3);

b, densitatea baritei cu care s-a ngreuiat noroiul (36004500 kg/m3).

Coninutul de argil i barit din noroiul analizat se afl rezolvnd sistemul de ecuaii:

(8.5)

de unde rezult:

(8.6)

(8.7)

sbag vvv

sbbagag mvv

100n

aa

v

vv

100n

mm

v

vv

mans vvvv

mmaanns vvvm

s

ss

v

m

agb

sbsag

mvv

agsb vvv

32

Coninutul procentual de solide va fi:



b. Calculul cantitilor de lichide i solide pentru fluide ce conin sruri dizolvate

Atunci cnd fluidul de foraj conine i sruri (NaCl, KCl, CaCl2 ), acestea se afl dizolvate n apa liber, dar n urma distilrii la retort vor rmne sub form de cristale n celula 1, alturi de argil i barit (coninutul total de particule solide).

Relaiile de calcul (8.3) se corecteaz astfel, dac avem de exemplu noroi srat:

(8.10)

n care:

v este volumul pe care l ocup sarea n proba de noroi;

m -masa srii din prob.

Pentru a determina valorile v i m se procedeaz astfel:

-pe filtratul noroiului analizat se msoar concentraia de sare C , valoare care pentru calculele de mai sus se exprim n g/cm3 filtrat; -se calculeaz masa srii din cei 10 cm3 noroi analizat, cu ajutorul relaiei:

(8.11)

i volumul de sare este:

(8.12)

unde densitatea srii se consider 2,17g/cm3 (la 20

0C, solubilitatea ei n ap

este 316 kg/m3 soluie, densitatea acesteia fiind 1200 kg/m3).

Stabilind valorile pentru vs i ms din relaiile (8.10), se calculeaz coninutul de argil i barit folosind relaiile (8.6), (8.7), (8.8) i (8.9).

vvvvv mans

mvvvm mmaanns

avCm

100n

ag

agv

vv

100n

bb

v

vv

mv

33

ntrebri de control

1. La ce categorie de fluide de foraj intereseaz n mod deosebit procentul de argil i de ce?

2. Care este principiul funcionrii retortei? 3. Cum se pot exprima cantitile de materiale obinute din analiza efectuat?

34

Lucrarea 9

Coninutul echivalent de bentonit


n fluidele de foraj pe baz de ap i argil se afl, de regul, minerale argiloase aparinnd tuturor grupelor de argile cunoscute (illite, caolinite, smectite etc.). Dintre acestea, argilele bentonitice sunt cele care confer noroiului proprieti structural-mecanice, de filtrare i colmatare, precum i comportarea lor la diferite tratamente sau n prezena contaminanilor. De asemenea, bentonitele sunt cele care prin proprietile lor de hidratare i umflare se disperseaz la nivel coloidal i au o mare capacitate de schimb cationic. Capacitatea total de schimb cationic d indicaii asupra coninutului de minerale active, fa de restul mineralelor inactive din sistem.

Principiul metodei

Dintre metodele de msurare a capacitii de schimb cationic, cea mai utilizat este metoda albastrului de metilen. Determinarea se bazeaz pe adsorbia mult mai intens a albastrului de metilen de ctre bentonit (aproximativ 0,250... 0,300 g albastru de metilen la 1g bentonit) fa de celelalte minerale argiloase (mai puin de 0,050 g albastru de metilen la 1g de illite i caolinite). Deoarece albastrul de metilen consumat n timpul msurtorii (i care st la baza calculrii coninutului de bentonit) este adsorbit ntr-o oarecare msur i de mineralele argiloase nebentonitice, ceea ce se determin prin calcul se numete, convenional, coninut echivalent de bentonit (coninutul real de bentonit va fi ceva mai mic).

Fig. 9.1 Metoda albastrului de metilen (M.B.T.)

35

Stabilirea coninutului echivalent de bentonit servete la calcularea unui indicator important, mai ales la aa-zisele fluide cu coninut redus de solide argiloase. Metoda este ns aplicabil i pentru determinarea capacitii de schimb cationic a unei roci argiloase oarecare (din detritus sau dintr-o carot i se exprim n meq albastru de metilen/100 g prob, fiind egal cu numrul de cm

3soluie/g argil).

Modul de lucru

Pentru aceast determinare se folosesc: -o sering din material plastic; -o pipet gradat de 1cm3; -o biuret gradat de 25 sau 50 cm3;

-o plnie de sticl; -un pahar Erlenmayer de 200 cm

3;

-un cilindru gradat de 25 cm3;

-un bec cu gaze;

-o baghet de sticl; -hrtie de filtru;

-soluie de albastru de metilen, concentraie 2,75 g/l (se dizolv 2,75 g albastru de metilen n 800 cm

3 ap cald, se completez cu ap rece pn la 1000

cm3 i se pstrez ntr-o sticl de culoare nchis, cu dop rodat);

-acid sulfuric 5N;

-ap oxigenat (perhidrol) concentraie 3%; -ap distilat.

Se extrag cu ajutorul unei seringi 2 cm3 de noroi de foraj, bine agitat n

prealabil i se introduc n paharul Erlenmayer. Se adaug 15 cm3 ap oxigenat i 0,5 cm3 (aproximativ 10 picturi) acid sulfuric 5N (N normalitatea soluiei). Se agit intens i se fierbe uor timp de 5 minute, evitndu-se evaporarea la sec (dac este cazul, se adaug ap distilat). Tratamentul cu ap oxigenat, acid sulfuric i fierberea au ca scop distrugerea substanelor organice existente n noroi (fluidizani, antifiltrani etc.), permind adsorbia albastrului de metilen pe suprafaa i muchiile libere ale plcuelor de argil. Dup fierbere se adug pn la 50 cm3 ap distilat i se agit intens. Se ncepe apoi titrarea cu soluie de albastru de metilen n doze de 0,5 cm3. Dup fiecare adaos de soluie se agit amestecul timp de cteva secunde i apoi, cu bagheta de sticl, se las o pictur pe hrtia de filtru. Titrarea se consider terminat dac n jurul petei de culoare albastru nchisformat din bentonita care a adsorbit albastrul de metilen- apare o aureol persistent, colorat n albastru deschis (care indic de fapt excesul de albastru de metilen, neadsorbit de bentonit, aa cum este schiat i n figura 9.1). Dup terminarea msurtorii se scurge albastrul de metilen din biuret n sticl i se spal bine toate instrumentele folosite.

36


Coninutul echivalent de bentonit din noroiul analizat este:

(kg bent/m3 noroi)

n care Vam reprezint numrul de cm3 soluie de albastu de metilen consumai

pn n momentul apariiei aureolei de albastru deschis (cnd aceasta persist i dup 2 minute de agitare a probei; n caz contrar se continu cu atenie titrarea).

ntrebri de control

1. Ce proprietate a mineralelor argiloase se msoar prin metoda albastrului de metilen?

2. Pe ce principiu de msurare se bazeaz metoda albastrului de metilen? 3. Cum este coninutul echivalent de bentonit fa de cel real i de ce?

ambt VM 5

37

Lucrarea 10

Coninutul de nisip


Coninutul de nisip dintr-un fluid de foraj se exprim prin concentraia volumic, procentual, de particule solide cu diametrul propriu al particulei,

dp74m (200mesh) i se msoar, de regul, dup ce fluidul a trecut prin sistemul de curire de la suprafa (site vibratoare, hidrocicloane etc.). Prin nisip se nelege totalitatea particulelor solide din fluidul de foraj, provenite din rocile traversate (intercalaii nisipoase, gresii slab consolidate etc.), cu diametrul

cuprins ntre 75 i 150 m, care, de regul, nu influeneaz sensibil proprietile utile ale fluidului de foraj (densitate, viscozitate), n schimb, aceste particule

grosiere provoac uzura echipamentului prin care circul fluidul de foraj. Nisipul imprim fluidului de foraj proprieti abrazive i erozive, reducnd durata de funcionare a pompelor, lagrelor, duzelor sapei etc., iar atunci cnd este n concentraii excesive creaz pericolul de prindere a garniturii de foraj la oprirea circulaiei.

Principiul metodei

Determinarea coninutului de nisip se face prin splarea i cernerea unei probe de fluid de foraj, cu ajutorul unui dispozitiv (fig 10.1) alctuit din: -sita 1, din material plastic, echipat cu o plas metalic de 200 mesh (200

ochiuri pe inch liniar), care reine particulele mai mari de 74 m ; -plnia 2, din sticl sau material plastic; -fiola gradat 3, din sticl, cu volum util de 100 cm3.

Modul de lucru

Pentru determinarea coninutului de nisip se procedeaz n felul urmtor: -se introduce fluidul de foraj (n prealabil agitat) n fiola gradat, pn la reperul 50 cm

3, dup care se adaug ap pn la 100 cm3; -se agit puternic fiola, dup care se trece coninutul fiolei prin sit i se spal cu ap, pn cnd apa de splare este limpede (pe sit va rmne numai nisipul);

-se recupereaz nisipul de pe sit, cu ajutorul plniei i un jet de ap, n fiola gradat, unde sedimenteaz rapid n poriunea gradat; -dup sedimentarea complet se citete volumul de nisip Vn.

38


Se calculeaz coninutul procentual de nisip din fluid, dublnd valoarea citit Vn. Obs. Fluidul de foraj care se pompeaz din nou n sond nu trebuie s conin mai mult de 0,3% nisip.

ntrebri de control

1. Ce se ntelege prin nisip? 2. Care sunt dezavantajele prezenei nisipului n fluidul de foraj? 3. Ce se nelege prin "mesh"?

Fig. 10.1 Dispozitiv pentru determinarea coninutului de nisip.

39

Lucrarea 11

Stabilitatea fluidelor de foraj


Fluidele de foraj sunt sisteme disperse, eterogene, preparate cu faza

continu ap sau motorin i densiti ce variaz de la 1000 la 2300 kg/m3. Lsate n repaus, n sond sau n habe, dar i n prezena unor contaminani, au tendina s-i separe fazele: particulele solide se depun, faza lichid se separ la suprafa i spumele se sparg. Prin stabilitate se nelege proprietatea sistemelor disperse de a nu se separa n fazele lor componente. Stabilitatea fluidelor de foraj se evalueaz pe mai multe ci, funcie i de tipul fluidului. a. Separarea de lichid la suprafa. Se determin prin volumul de lichid separat la suprafaa unui cilindru gradat, plin cu fluid, dup 24 ore de repaus. Fluidul este considerat stabil dac nu separ mai mult de 1...2% lichid. b. Segregarea gravitaional. Instabilitatea unui sistem dispers se poate manifesta prin coborrea parial sau chiar depunerea particulelor solide, ndeosebi a celor cu densitate mare, grosiere, neumectabile. Ea poate fi apreciat prin diferena de densitate dintre jumtatea inferioar i cea superioar a unei probe lsate 24 ore n repaus ntr-un cilindru. Fluidele obinuite sunt considerate stabile dac diferena de densitate dintre cele dou jumti este mai mic de 20 kg/m3, iar cele ngreuiate atunci cnd aceast diferen nu depete 50-60 kg/m3. c. Stabilitatea electric. Determinarea stabilitii electrice este o msur a stabilitii emulsiilor inverse. Se aprecieaz prin tensiunea electric dintre doi electrozi imersai n fluid, aflai la o distan standard, la care emulsia se sparge: picturile de ap, de regul mineralizate, se unesc i circuitul dintre electrozi se nchide. O emulsie este considerat stabil dac tensiunea de spargere este mai mare de 100...150 V.

Msurarea stabilitii emulsiei d mai mult informaii calitative. Nu exist o relaie ntre stabilitatea emulsiei i tensiunea de dezemulsionare. Pentru msurare se folosesc diferite aparate numite stabilimetre.

Modul de lucru

Pentru a determina separarea de lichid la suprafa, se prepar trei noroaie cu densiti diferite i se citete dup 24 ore volumul de ap separat. Pe aceleai tipuri de noroaie se realizeaz o cretere de densitate (cu barit), la aceeai valoare (13001400kg/m3). Se msoar densitile probelor, inferioar i superioar, lsate n cilindrii speciali, dup 24 de ore.

40

Pentru msurarea stabilitii electrice se utilizeaz testerul tip ICPPG Cmpina (fig.11.1).

Aparatul se alimenteaz printr-un cordon cu techer 1 de la reea i cuprinde: voltmetru de msurare a tensiunii de spargere a emulsiei 2, butonul START 3 pentru pornirea automat a testrii, un bec de semnalizare 4, un

comutator 5 cu dou poziii, O oprit i P pornit, o banan de verificare 6 a corectei funcionri a aparatului, claviatur de ntreruptoare 7, pe care se alege domeniul de testare i sonda de msurare 8, care se imerseaz n emulsia ce se testeaz. Se introduce cordonul de alimentare n priz i se verific testerul dac funcioneaz corespunztor (acul indicator al voltmetrului trebuie s se opreasc n anumite domenii, funcie de scala de msurare aleas).

Fig. 11.1 Tester pentru determinarea stabilitii electrice.

Dup ce se introduce electrodul 6 n locaul de verificare i sonda 8 n emulsia invers se agit fluidul cteva secunde i se trece comutatorul 5 pe poziia P. Se apas butonul START i din acest moment se poate citi la voltmetru valoarea care reprezint tensiunea de spargere a emulsiei (n acelai moment se va aprinde i becul de semnalizare, iar acul voltmetrului se oprete, datorit nchiderii circuitului ntre planele electrozilor). Se repet testarea de trei sau patru ori n domeniul cel mai convenabil, se elimin valorile extreme i se face media celorlalte, valoarea reprezentnd tensiunea de spargere a emulsiei.

Obs. a. Se interzice trecerea pe alte domenii de testare dup comanda START, nainte de aprinderea becului de semnalizare.

41

b. Se interzice atingerea sondei, a emulsiei sau a vasului n care se

afl emulsia (dac este metalic), deoarece pe electrozii sondei tensiunea poate ajunge la 2000 V.


n urma citirilor efectuate pe primele trei probe de noroi se consemneaz care dintre ele corespunde din punct de vedere al separrii de lichid. Pentru probele de noroi ngreuiat, se notez diferenele de densitate ntre jumtatea inferioar i superioar i se comentez influena concentraiei de argil din noroiul de baz asupra posibilitii practice de cretere a densitii.

ntrebri de control

1. Ce se nelege prin stabilitatea sistemelor disperse? 2. Cum se evalueaz stabilitatea fluidelor de foraj n funcie de tipul

fluidului?

3. Cnd este considerat stabil o emulsie invers?

42

Lucrarea 12

Determinarea alcalinitii


Alcalinitatea unei soluii exprim excesul de anioni n raport cu cel de cationi. Cunoaterea alcalinitii unui fluid sau cea a filtratului permit controlul i aplicarea unor tratamente chimice adecvate, ndeosebi la fluidele pe baz de var sau gips (cu bazicitate ridicat). Deoarece scara pH-ului este logaritmic, la valori mari alcalinitatea poate varia considerabil fr ca pH-ul s se modifice sensibil i, n plus, pot rmne substane bazice nedisociate, care nu influeneaz pH-ul. Astfel, alcalinitatea devine o proprietate mai relevant dect pH-ul. Realizarea mediului alcalin la fluidele de foraj se face cu hidroxid de sodiu

(NaOH) sau hidroxid de calciu (Ca(OH)2), iar alcalinitatea nu este determinat numai de prezena ionilor de hidroxil (OH)-, ci i de gruprile de carbonai CO3

-2

i bicarbonai HCO3- care pot aprea n soluie.

Dac alcalinitatea este produs numai de ionii de hidroxil sau cantiti reduse de carbonai i bicarbonai, atunci fluidul de foraj este stabil i uor de controlat. Dac ns alcalinitatea se datorete ionului HCO3

- sau unei combinaii

de CO3-2

i HCO3- atunci fluidul devine instabil i greu de controlat, ceea ce

subliniaz importana determinrii alcalinitii, mai ales la fluidele de foraj cu pH ridicat.

Principiul metodei

Prin convenie, alcalinitatea unui noroi de foraj i cea a filtratului reprezint cantitatea de soluie acid 0,02n (acid sulfuric sau azotic) necesar pentru neutralizarea bazicitii unui cm3 de noroi sau filtrat. Alcalinitatea total reprezint numrul total de cm3 de acid sulfuric 0,02n consumai pentru a reduce indicele pH al filtratului la valoarea 4,3.

Modul de lucru

Alcalinitatea filtratului fa de fenolftalein Pentru aceast determinare se folosesc: -pahar Erlenmeyer de 200 cm

3;

-biuret gradat de 25 sau 50 cm3; -pipet gradat de 5 cm3; -hrtie indicatoare pentru pH;

-soluie de acid sulfuric 0,02n; -fenolftalein (indicator de culoare);

43

42SOHV

42SOHV

-ap distilat. Se msoar 1 sau 2 cm3 de filtrat cu ajutorul pipetei gradate, se introduc n paharul Erlenmeyer i se adaug 25 cm3 ap distilat. Se adaug 2-3 picturi de fenolftalein i proba se coloreaz n roz. Se titreaz cu acid sulfuric 0,02n pictur cu pictur pn ce culoarea roz dispare i proba devine incolor (indicele pH la virajul de culoare este 8,3).

Obs. Proba se pstreaz pentru a determina alcalinitatea total.

Determinarea alcalinitii totale Alcalinitatea total reprezint numrul total de cm3 de acid sulfuric 0,02n consumai pentru a reduce indicele pH al filtratului la valoarea 4,3. Se adaug probei anterioare cteva picturi de bromcrezol (indicator) i ea se va colora n verde. Se titrez apoi cu acid sulfuric, pictur cu pictur pn ce

culoarea se schimb la galben (virajul are loc la indicele pH 4,3). Dup terminarea msurtorilor se spal cu ap distilat toate instumentele folosite.


Alcalinitatea filtratului se notez cu Pf i se calculeaz folosind relaia:

(12.1)

unde : este volumul de acid sulfuric 0,02n consumat (n cm3);

Vf volumul probei de filtrat.

Alcalinitatea total va fi:

(12.2)

unde: - reprezint volumul total de acid sulfuric 0,02n consumat (n cm

3).

Punerea n eviden i determinarea cantitativ a ionilor de carbonat i bicarbonat are loc pe baza cunoaterii valorilor Pf i Pt . Dac alcalinitatea total este de cinci ori mai mare dect alcalinitatea fa de fenolftalein, atunci este posibil s existe contaminare cu CO3

-2 sau HCO3

- i

pentru a preveni aceast contaminare se recomand utilizarea varului sau a gipsului i a hidroxidului de sodiu. Dup terminarea msurtorilor se spal cu ap distilat toate instumentele folosite.

f

SOH

fV

VP 42

fV

VP

SOH

t42

44

Obs. Alcalinitatea fa de fenolftalein a noroiului Pn i cea a filtratului Pf permit s se estimeze coninutul de var liber, nedizolvat, dintr-un noroi:

kg Ca(OH)2 / m3 0,74 (Pn-vaPf) (12.3)

Constanta 0,74 a fost obinut nmulind 0,02 (normalitatea acidului) cu 37 (masa echivalent a varului). Pn - exprim concentaia total de var, dizolvat sau nedizolvat, i de sod caustic din noroi, iar Pf -concentraia de var dizolvat i de sod caustic din filtrat. Fracia de ap (va) dintr-un noroi se stabilete printr-o prob de distilare.

ntrebri de control

1. Ce exprim alcalinitatea unei soluii? 2. Cu ce se realizeaz mediul alcalin la fluidele de foraj? 3. Ce reprezint alcalinitatea filtratului fa de fenoftalein i alcalinitatea

total?

45

Lucrarea 13

Determinarea coninutului n sruri solubile


Fluidele de foraj pe baz de ap sunt supuse, pe parcursul circulaiei lor n timpul operaiunilor de foraj, unor contaminri cu electrolii (sare, gips, var etc.), care modific proprietile de baz ale acestora. Prezena srurilor solubile n faza continu a fluidelor de foraj (apa de preparare) conduce la creterea volumului de filtrat, la schimbarea proprietilor reologice i apariia unor fenomene de coagulare electrolitic. Meninerea concentraiei acestor sruri n limite optime, pentru ca fluidele de foraj s-i pstreze proprietile proiectate, presupune analiza cantitativ a filtratului fluidului de foraj.

Se vor analiza contaminrile cu sruri de tipul clorurilor (CaCl2, NaCl, KCl) i contaminrile cu compui solubili ai calciului (CaCl2, var, gips), care sunt cel mai frecvent ntlnite n timpul forajului. Se va determina concentraia anionului Cl

-, precum i a cationului Ca2+ n faza continu prin metoda titrrii. n cazul ionului de calciu, se vor efectua msurtori care pun n eviden modificarea solubilitii n ap n prezena altor cationi, Na+, prin existena simultan a altor sruri cum ar fi NaCl, precum i la creterea valorii pH-ului mediului prin adugarea de sod caustic. ntre cationii plcuelor elementare de argil dispersate n ap i cei prezeni n sistem din electroliii contaminani are loc un schimb cationic care pstreaz urmtoarea serie:

H+ > Ba

2+ > Sr

2+ > Ca

2+ > Mg

2+ > Cs

+ > Rb

+ > NH4

+ > K

+ > Na

+ > Li

+

Evoluia solubilitii ionului de calciu funcie de prezena altor cationi i valoarea pH-ului este reprezentat grafic n figura 13.1.

Fig. 13.1 Variaia solubilitii ionului de Ca2+

46

Principiul metodei

Se lucreaz cu o un fluid de foraj rezultat prin dispersarea n ap a 4% material argilos prehidratat. Volumul de fluid rezultat se mparte n patru probe

egale.

Proba I se contamineaz cu CaCl2 i MgSO4. Proba II se contamineaz cu CaCl2 i NaCl. Proba III se contamineaz cu CaCl2 i NaOH. Proba IV se contamineaz cu CaCl2, NaCl i NaOH. Dup dizolvarea srurilor adugate n probe, se va obine doar faza continu apoas separnd-o din noroi prin metoda centrifugrii.

Determinarea coninutului de ioni de calciu Se va lucra cu proba I, efectundu-se dou titrri: a. determinarea ionului de calciu mpreun cu ionul Mg2+ prin titrare cu complexon III n prezena indicatorului Erio T; b. determinarea doar a ionului de calciu prin titrare cu

complexon III n prezena indicatorului murexid. Se vor repeta pe probele II, III i IV aceleai titrri de la punctul a. pentru a pune n eviden modificarea concentraiei ionului de calciu.

Determinarea coninutului de cloruri Aceast determinare const n tratarea ionilor de clor cu azotat de argint, n prezena cromatului de potasiu ca indicator. Au loc urmtoarele reacii chimice:

NaCl AgNO3 AgCl NaNO3 K2CrO4 2AgNO3 Ag2CrO4 2KNO3

Cnd ionul de clor este complet precipitat sub form de clorur de argint, un mic exces de azotat de argint face s se schimbe culoarea soluiei de la galben, datorit cromatului de potasiu, la rou-portocaliu (crmiziu),ca urmare a formrii cromatului de argint. Aceast titrare se va face numai pe proba II.

Modul de lucru

Faza apoas necesar determinrilor experimentale se va obine n urma separrii prin centrifugare cu centrifuga de tip Rotofix 32A la o turaie de 4000 rpm timp de 10 min.

Determinarea coninutului de ioni de calciu a. Pentru aceast determinare se folosesc: -un pahar Erlenmeyer de 200 cm

3;

-o pipet gradat de 2 cm3;

47

-o biuret gradat de 25 sau 50 cm3; -un cilindru gradat de 5 cm

3;

-soluie complexon III (EDTA); -indicator Eriocrom Negru T (o parte indicator mojarat cu 100 pri NaCl);

-soluie tampon (570 ml soluie de amoniac 25%, cu 70 g NH4Cl, completat cu ap distilat pn la 1litru) -ap distilat. Se msoar cu pipeta 1 cm3 sau 2 cm3 de filtrat, se introduc n paharul Erlenmeyer, se adaug 5 cm3 soluie tampon i o mic cantitate de indicator Erio T. Se spal uor pereii cu ap distilat i proba se va colora n rou. Se titreaz proba (sub agitare continu) cu soluie de Complexon III, pn ce culoarea se schimb de la rou la albastru net. Se noteaz volumul de soluie de Complexon III consumat.

b. Pentru aceast determinare se folosesc: -un pahar Erlenmeyer de 200 cm

3;

-o pipet gradat de 2 cm3; -o biuret gradat de 25 sau 50 cm3; -un cilindru gradat de 5 cm

3;

-soluie complexon III (EDTA); -indicator murexid (parte indicator mojarat cu 100 pri NaCl); -soluie tampon NaOH 2n (80 g NaOH, completat cu ap distilat pn la 1litru);

-ap distilat. Se msoar cu pipeta 1 cm3 sau 2 cm3 de filtrat, se introduc n paharul Erlenmeyer, se adaug 5 cm3 soluie tampon i o mic cantitate de indicator murexid. Se spal uor pereii cu ap distilat i proba se va colora n rou. Se titreaz proba (sub agitare continu) cu soluie de Complexon III, pn ce culoarea se schimb de la rou la violet. Se noteaz volumul de soluie de Complexon III consumat.

Determinarea coninutului de cloruri Pentru aceast determinare se folosesc: -o biuret gradat de 25 sau 50 cm3; -un pahar Erlenmeyer de 100 cm

3;

-o pipet gradat de 10 cm3; -soluie de azotat de argint 0,1n (care se pstreaz n sticle brune, deoarece la lumin se descompune); -soluie indicatoare de cromat de potasiu; -ap distilat. Se msoar cu pipeta 2 cm3 de filtrat i se toarn n paharul Erlenmeyer. Se dilueaz apoi cu 25 cm3 ap distilat i se adaug cteva picturi de cromat de potasiu.

48

Din biureta cu azotat de argint (la care se reine gradaia iniial) se titreaz pictur cu pictur peste proba care se agit continuu, pn cnd culoarea se schimb de la galben la crmiziu i persist timp de 30 s. Se noteaz volumul de azotat de argint consumat (n cm3) la titrare.


Determinarea coninutului de ioni de calciu Se calculeaz concentraia ionilor de calciu, n mg/l:

(13.1)

unde f este factorul soluiei de Complexon III, iar VCIII reprezint cm3 de soluie

de Complexon utilizai pentru titrare.

Determinarea coninutului de cloruri Cantitatea de NaCl (sau poate fi KCl) din filtrat se calculeaz cu ajutorul relaiei:

(13.2)

sau

(13.3)

unde n este normalitatea soluiei de azotat de argint folosit (0,1 sau 1).

Se vor nota rezultatele numerice obinute i se vor discuta comparativ concentraiile ionului de calciu determinate pe diferitele probe analizate.

ntrebri de control

1. Ce proprieti ale fluidelor de foraj se modific n urma contaminrilor cu electrolii?

2. Dac un noroi preparat cu argil sodic i ap se contamineaz cu var, suportul coloidal va intra n schimb ionic cu contaminantul

electrolitic?

3. Cum interpretai modificarea concentraiei ionului de Ca2+ n sistemele alcalinizate fa de cele neutre? Dar n cazul celor srate fa de noroaiele dulci?

4008,0100032

ffiltratcm

VC CIII

Ca

nfiltratcm

AgNOcmmNaClkg 558

3

3

33

,

nfiltratcm

AgNOcmmKClkg 55,74

3

3

33

49

Lucrarea 14

Capacitatea de schimb ionic a mineralelor argiloase


Mineralele argiloase sunt roci sedimentar detritice care apar n straturi sau bancuri, coninnd uneori forme fosile i microfosile, substane bituminoase sau compui ai fierului. Depinznd de compoziia n anumii derivai metalici, argilele se prezint ntr-o gam variat de culori: albe, cenuii, verzi, albastre, brune sau negre.

Din punct de vedere chimico-structural, mineralele argiloase sunt silicai de aluminiu hidratai derivai ai anionului Si2O5

2- , cu structur cristalin stratificat format din dou tipuri de uniti elementare (tetraedrice i octaedrice).

Pe criteriul compoziiei chimico-structurale, s-a realizat cea mai uzual clasificare a mineralelor argiloase cuprinznd grupe precum: illite, smectite,

clorite, caolinite, attapulgite, sepiolite. Cea mai bun argil pentru prepararea fluidelor de foraj face parte din grupa smectitelor, mineralul fiind de fapt

montmorillonitul de sodiu care poart denumirea comercial de bentonit. Datorit particularitilor lor structurale, argilele prezint o serie de proprieti fizice specifice cu importan din punct de vedere al aplicabilitii n procesele de foraj-extracie, printre care porozitate, permeabilitate, capacitate de umflare, plasticitate i capacitate de schimb ionic. La suprafaa reelelor cristaline se gsesc o serie de cationi slab legai de reea, acetia fiind dispui n urmtoarea serie, funcie de puterea de substituie:

H+ > Ba

2+ > Sr

2+ > Ca

2+ > Mg

2+ > Cs

+ > Rb

+ > NH4

+ > K

+ > Na

+ > Li

+

Fenomenul de schimb ionic se manifest cnd argila este n soluie apoas i const din nlocuirea cationilor slab legai la suprafaa reelei cristaline, de ctre alii cu afinitate mai mare, conform seriei reactivitii de mai sus. Pentru a descrie reacia de schimb ionic pe minerale argiloase ce are loc n mediu apos, se poate scrie urmtoarea ecuaie chimic:

aqssaqss NaCaBentCaNaBent 22 22

2

Acest fenomen are o deosebit importan din punct de vedere practic, avnd ca efect modificarea proprietilor de hidratare i umflare ale marnelor i argilelor ntlnite n timpul forajului, precum i modificarea proprietilor de baz ale fluidului de foraj din sond.

50

Utilizarea n timpul forajului a unui fluid cu coninut ridicat de ioni de calciu duce la ntrirea pereilor sondei n intervalele n care se traverseaz marne i argile foarte hidratabile i dispersabile.

Principiul metodei

Se prepar un noroi natural cu 10% bentonit sodic netratat care se va contamina cu o soluie 1 N CaCl2. Se vor efectua titrri cu Complexon III a ionului de Ca prezent n faza lichid separat prin centrifugare, nainte i dup producerea fenomelului de schimb ionic.

Scopul lucrrii este de a exprima capacitatea de schimb ionic a bentonitei folosite la prepararea noroiului natural n meq Ca

2+/100 g bentonit.

Modul de lucru

Se prepar un volum de 2 litri noroi natural coninnd 200 g bentonit sodic. Amestecul ap argil se las timp de 30 min. sub o agitare de 3000 rpm pentru o dispersare corespunztoare. Apoi volumul de noroi de mparte n dou pri egale de cte 1 litru, respectiv 100 g bentonit. Uneia dintre pri i se adaug un volum de 100 ml soluie CaCl2, dup care amestecul se agit timp de o or la 3000 rpm. Se iau probe din ambele tipuri de noroaie preparate, natural i contaminat, i se obine faza apoas prin centrifugare cu centrifuga de tip Rotofix 32A la o turaie de 4000 rpm, timp de 10 min. Cu o pipet, se ia un volum de 1 cm3 soluie limpede din fiecare prob i se dozeaz coninutul de ioni de Ca2+ prin metoda tritrii cu Complexon III. Pentru aceast determinare se folosesc: -un pahar Erlenmeyer de 200 cm

3;

-o pipet gradat de 2 cm3; -o biuret gradat de 25 sau 50 cm3; -un cilindru gradat de 5 cm

3;

-soluie complexon III (EDTA) 0,01m; -indicator Eriocrom Negru T (o parte indicator mojarat cu 100 pri NaCl);

-soluie tampon (570 ml soluie de amoniac 25%, cu 70 g NH4Cl, completat cu ap distilat pn la 1litru); -ap distilat. Se msoar cu pipeta 1 cm3 de filtrat, se introduce n paharul Erlenmeyer, se adaug 5 cm3 soluie tampon i o mic cantitate de indicator Erio T. Se spal uor pereii cu ap distilat i proba se va colora n rou. Se titreaz proba (sub agitare continu) cu soluie de Complexon III, pn ce culoarea se schimb de la rou la albastru net. Se noteaz volumul de soluie de Complexon III consumat.

51


Cunoscnd VCIII natural i VCIII CaCl2, volumele de Complexon III necesar neutralizrii ionilor de calciu din proba de noroi natural, respectiv din proba contaminat cu sare, se calculeaz numrul de echivaleni gram de ioni Ca2+ din probe:

1 mol CIII.................................................1 mol Ca2+

= 2*103 meq Ca

2+

0,01*10-3

*VCIII*fCIII.............................................................x meq Ca2+

_

unde fCIII este factorul soluiei de Complexon III. Se notez cu Xnatural i cu XCaCl2 numrul de echivaleni gram de ioni de calciu prezeni n proba de noroi natural, respectiv in proba de noroi srat dup consumarea proceselor de schimb ionic.

n soluia iniial CaCl2 1n au fost:

1000 cm3 sol. Ca

2+ ...............................1 eq Ca

2+ = 10

2 meq Ca

2+

1 cm3 sol. Ca

2+...........................................................x meq Ca

2+

Rezult x meq Ca2+ = 1 meq Ca2+ iniial.

Pentru a determina capacitatea de schimb ionic a bentonitei utilizate, se

scade din cantitatea de calciu iniial introdus, cantitatea de calciu nc prezent dup efectuarea schimbului ionic, XCaCl2. De asemenea, se mai scade cantitatea de calciu existent n proba martor de noroi natural, provenit din simpla dizolvare a calciului, din compoziia iniial a bentonitei.

Dac la 1 litru de noroi sunt 100 g bentonit, ntr-un ml de noroi, volumul cu care s-a efectuat titrarea, sunt 0,1 g bentonit. Relaia de calcul a capacitii de schimb ionic este:

meq Ca2+

/0,1 g bentonit = 1- XCaCl2 - Xnatural

Pentru 100 g bentonit:

meq Ca2+

/100 g bentonit = 1000*(1- XCaCl2 - Xnatural)

ntrebri de control

1. Cum se manifest fenomenul de schimb ionic? 2. Care este seria cationilor schimbabili? 3. Ce importan prezint din punct de vedere practic proprietatea de

schimb ionic?

52

Lucrarea 15

Proprietile noroaielor naturale i stabilirea randamentului unei argile


Argilele prezint interes att ca roci frecvent ntlnite n timpul forajului, dar i ca material de baz folosit la prepararea principalelor fluide de foraj. n amestec cu apa, argilele trebuie s se hidrateze i disperseze la dimensiuni coloidale, formnd un sistem stabil, capabil s menin n suspensie particulele grosiere sau inerte, cu bune proprieti de colmatare i gelificare. Mrimea parametrilor fizici care definesc aceste proprieti depind att de concentraia de argil din noroi, ct i de calitatea acesteia, deoarece nu toate argilele pot fi folosite pentru prepararea unui noroi de foraj (n amestec cu apa

nu confer sistemului proprietile respective). Noroaiele naturale, funcie de randamentul argilei de preparare au o viscozitate la plnia Marsh n domeniul 3540s, iar volumul de filtrat la presa filtru Baroid este de 1215 cm3. Prin randamentul argilei (R) se nelege cantitatea de noroi, exprimat n m

3, cu viscozitatea aparent de 15 cP, care se poate obine dintr-o ton de argil prehidratat. n practic, acest criteriu de stabilire a capacitii argilelor de a forma noroi, a permis clasificarea lor dup randament, astfel:

-argile bentonitice (R 14);

-argile metabentonitice (9 R 14);

-hume bune (3 R 9);

-hume slabe (R 3).

Principiul metodei

Se poate cerceta influena concentraiei de argil asupra proprietilor de

baz ale noroiului de foraj (n, VM, a, p, o, , F, t) i n funcie de calitatea argilei folosite se determin randamentul acesteia.

Modul de lucru

Se prepar un noroi relativ vscos (VM 70...80 s) i densitate 1, n kg/m

3, dintr-o argil care a fost pus la prehidratat cel puin 24 h. Din acesta se

vor prepara prin diluare cte 2 dm3 noroi, cu densiti impuse.

53


Pentru a stabili randamentul unei argile se determin concentraia de argil dintr-un m

3 de noroi:

(15.1)

care rezult pornind de la formula densitii noroiului:

(15.2)

tiind c vag va 1 (15.3)

Pentru noroaiele msurate, se ridic diagrama a f (n) i se citete densitatea n, corespunztoare viscozitii aparente de 15 cP, dup care, se calculeaz cantitatea de noroi ce poate fi preparat dintr-o ton de argil:

(15.4)

ntrebri de control

1. Ce viscozitate aparent i cumulativ de filtrat au noroaiele naturale? 2. Ce se nelege prin randamentul unei argile? 3. Cum se clasific argilele din punct de vedere al randamentului?

Calcul de bilan material

Cantitile de noroi i ap, necesare pentru obinerea celor 2 dm3 noroi cu densitate impus, se determin rezolvnd sistemul de ecuaii:

2211

21

vvv

vvv

aa

a (15.5)

unde: v1, v2, va sunt volumele de noroi iniial, final, respectiv de ap;

1, 2, a sunt densitile noroiului iniial, final, respectiv a apei.

aag

anagagm

aag

aaagag

nvv

vv

agmR

1000

54

Dac n relaii se face v2 1 dm3, se vor obine volumele de noroi iniial i

ap, necesare pentru a prepara noroiul de densitate impus (2):

(15.6)

(15.7)

Valorile se dubleaz pentru obinerea celor 2 dm3 necesari analizelor.

a

av

1

21

a

av

1

21

55

Lucrarea 16

Efectul tratamentului de ngreuiere asupra proprietilor fluidelor de foraj


Materialele de ngreuiere trebuie s aib densitatea proprie mai mare dect a argilelor, s fie inerte din punct de vedere chimic, s nu fie abrazive i s poat fi mcinate la granulaia dorit. Fluidele de foraj, preparate din amestecul ap-argil prehidratat, au o densitate de 1050...1200 kg/m

3, funcie de coninutul i randamentul argilei folosite. Pentru a mri densitatea unui fluid peste aceste valori se folosesc diverse materiale de ngreuiere, cea mai utilizat fiind barita (BaSO4), cu densitatea proprie de 3600...4200 kg/m

3. Se obin astfel fluide de foraj cu densiti pn la 2200...2300 kg/m

3. Densitatea maxim ce poate fi obinut, denumit i limit de ngreuiere, corespunde unui coninut de particule solide la care orice variaie a a concentraieie de bentonit (prin diluare cu ap sau adaos de argil prehidratat) sau adugare de particule inerte destabilizeaz sistemul sau l face greu pompabil.

Principiul metodei

Prin aceast lucrare, ntr-o prim serie de ncercri, se urmrete influena concentraiei de barit asupra principalelor proprieti ale unui fluid de foraj. A doua serie de experimente urmrete s pun n eviden influena concentraiei iniiale de argil asupra posibilitilor de ngreuiere.

Modul de lucru

Se pornete de la un noroi natural (noroiul 1) cu densitate relativ mic, ntre valori ale noroiului n = 1040...1060 kg/m

3), din care se prepar trei noroaie

ngreuiate (de exemplu 1300, 1500, 1800 kg/m3), crora li se msoar

principalele proprieti. Pentru a doua serie de experimente, se prepar un noroi natural (noroi 2), din aceei argil folosit pentru primele ncercri, cu densitate ceva mai mare dect cea anterioar (n = 1080...1100 kg/m

3). Se vor prepara trei noroaie

ngreuiate la aceleai densiti, respectiv 1300, 1500, 1800 kg/m3.

56

Interpretarea rezultatelor Rezultatele experimentelor efectuate se trec n tabelul 16.1.

Tabel 16.1 Datele experimentale obinute

Proprieti Noroi

1

Noroi 1 ngreuiat la

densitatea x , kg/m3

Noroi

2

Noroi 2 ngreuiat la

densitatea x , kg/m3

1300 1500 1800 1300 1500 1800

n (kg/m3)

VM (s)

ap(Ns/m2)

pl(Ns/m2)

0 (N/m2)

1 (N/m2)

10 (N/m2)

Vf (cm3)

t (mm)

pH

De asemenea, se vor trasa diagramele VM, Vf = f(n) pentru cele dou serii de fluide de foraj.

Se vor urmri i discuta influenele secundare ale materialului de ngreuiere asupra tutror proprietilor, punndu-se n eviden avantajul utilizrii unui noroi natural cu coninut mai sczut de argil.

ntrebri de control

1. La ce densitate maxim a fluidului de foraj se poate ajunge folosind barita ca material de ngreuiere?

2. Ce reprezint limita de ngreuiere? 3. Cum se modific viscozitatea convenional msurat la plnia Marsh prin

creterea densitii noroiului? 4. La aceeai valoare a densitii, cum sunt influenate proprietile noroiului

de concentraia de argil din noroiul iniial?

Calcul de bilan material

Pentru stabilirea cantitilor de materiale necesare creterii densitii unui fluid de la 1 la 2 se pornete de la sistemul de ecuaii:

v1 + vx = v2,

v1 1 + vx x = v2 2 (16.1)

unde v1, v2, vx sunt volumele noroiului iniial, final i al materialului ales pentru ngreuiere;

57

1, 2, x sunt densitile noroiului iniial, final, respectiv densitatea materialului de ngreuiere.

n calculul cantitilor de materiale necesare ngreuierii exist dou posibiliti de rezolvare a sistemului:

- se determin cantitatea de material de ngreuiere necesar a fi adugat la un litru noroi pentru a mri densitatea de la 1 la 2, caz n care se consider v1=1dm

3 i rezult:

2

12

x

xxm ,

2

12

x

xv . (16.2)

- se determin cantitatea de material de ngreuiere i volumul de noroi cu densitate 1, necesare a fi amestecate pentru a obine 1l noroi ngreuiat (cu densitate 2), caz n care v2=1l:

1

12

x

xxm ,

1

21

x

xv . (16.3)

58

Lucrarea 17

Influena srurilor solubile asupra stabilitii noroaielor naturale


Noroaiele naturale sunt sisteme n care coloizii argiloi se gsesc dispersai n ap. n funcie de randamentul argilei din care se prepar noroiul, aceasta se adaug n procente de 3...8% (mas), putnd crete pn la 30...40% atunci cnd randamentul argilei este mic. n timpul forajului, avnd n vedere

natura formaiunilor traversate, noroiale naturale i modific proprietile (reologice, de filtrare) datorit contaminrilor cu detritus, sruri solubile, gips, anhidrit etc.

Cationii prezeni n sistem, n urma disocierii srurilor contaminate, provoac apariia fenomenului de coagulare a dispersiei ap-argil. Efectul acestei coagulri electrolitice l reprezint pierderea stabilitii fluidului de foraj natural.

Coagularea electrolitic se supune ctorva legi calitative i cantitative, printre care legea lui Hardy i legea lui Schultze. Legea lui Schultze sau legea puterii afirm c puterea de coagulare depinde n mod direct proporional de valena ionului coagulant. De exemplu, Na+ < Ca2+ < Al3+. Cantitativ, raportul ntre puterea coagulant a acestor ioni este urmtoarea:

[Na+] : [Ca

2+] : [Al

3+] = 1 : 75 : 540

Lucrarea i propune punerea n eviden a schimbrilor proprietilor noroaielor naturale la contaminarea cu NaCl, n diferite concentraii, refacerea filtratului cu un reactiv antifiltrant, carboximetil celuloz (CMC) i verificarea puterii coagulante a cationilor de valene diferite.

Principiul metodei

Pentru aprecierea influenei concentraiei de sare asupra proprietilor noroiului natural, se efectueaz msurtori complete pe o serie de probe: noroi natural, noroi contaminat cu 5% NaCl, noroi contaminat cu 15% NaCl i noroi contaminat cu 30% NaCl. Refacerea filtratului se realizeaz prin adugarea de agent antifiltrant, CMC, n concentraii de 1% i 2% pe dou probe de noroi natural contaminat cu 30% NaCl.

Legea lui Schultze se demonstreaz prin adugarea de sruri ale unor ioni de valene diferite: NaCl, CaCl2, respectiv AlCl3 i determinarea cantitii necesare din fiecare pentru a vizualiza apariia fenomenului de coagulare pe probe de noroi de volume egale.

59

Modul de lucru

Se prepar un noroi cu coninut relativ sczut de bentonit (VM= 35...40s) din care se iau probe de 2 litri i se contamineaz cu NaCl n proporii de 5%, 15% i 30%, dup care se agit timp de minim 15 minute. Se face o analiz simpl a proprietilor noroaielor contaminate, comparativ cu o prob de noroi natural iniial. Se urmrete modificarea viscozitii aparente a noroiului la procente mici de contaminant i creterea excesiv a filtratului la concentraiile mari, ca efect al coagulrii electolitice. Se vor aduce dou probe de noroi la concentraia de 30% NaCl i se testeaz refacerea stabilitii noroiului prin adugarea de CMC n proporie de 1%, respectiv 2%. Se urmrete modificarea proprietilor de baz i celelalte influene secundare asupra proprietilor reologice i structurale. Se iau trei probe de noroi natural de cte 0,5 litri i, sub agitare continu de 3000 rpm, se adaug treptat diferite sruri solubile pn apare fenomenul de floculare. Se continu adugarea de sruri pn se distruge structura de gel format i apare fenomenul de coagulare electrolitic (proba de noroi se fluidizeaz).


Rezultatele msurtorilor

Indrumar Fluide de Foraj-nov 2014

Documents

Transcript of Indrumar Fluide de Foraj-nov 2014