УДК:
DOI:

Исследование реологических свойств состава для изоляции керна

Investigation of rheological properties of the composition for core insulation

A.P. LOSEV 1,2, C.M. VATUZOV2
1 LLC RTE «Nedra-Test»,
Moscow, 119296, Russian Federation
2 Russian State University of Oil and Gas I.M. Gubkina
Moscow, 119991, Russian Federation

Работа направлена на исследование реологических характеристик состава для заполнения керноприемников. Состав является суспензией порошка каучука в масле. При помощи вискозиметра Rheotest RN 4.1 проведены эксперименты в режиме колебаний с малой амплитудой и получены температурные зависимости реологических величин для различных концентраций состава.

The work is aimed at studying the rheological characteristics of the composition for filling core receivers. The composition is a suspension of rubber powder in oil. Using the Rheotest RN 4.1 viscometer, experiments were carried out in the mode of oscillations with a small amplitude and temperature dependences of rheological values for different concentrations of the composition were obtained.

Керн является ключевым источником знаний о свойствах горных пород, а это значит, что без качественно отобранного кернового материала невозможно получить достоверные сведения. Наиболее эффективным способом изучения коллекторов углеводородов на данный момент является технология отбора изолированного керна [1].
Для качественного отбора керна необходимо знать все параметры, которые могут повлиять на проникновение бурового раствора в керноприемник и на его контакт с отобранным керном. К таким параметрам относятся и реологические параметры жидкости для керноприемника, изолирующей керн в процессе отбора.
В работе исследовали суспензию синтетического каучука в неполярном масле. Состав имеет текучую консистенцию при заполнении керноприемника на поверхности, в забойных условиях (эффективная вязкость менее 70 мПа•с при T > +60 °C), и образует твердый эластомер после охлаждения в поверхностных условиях. Суспензия обладает хорошей смазывающей способностью и снижает трение на контакте керн-керноприемник. Твердый эластомер обеспечивает механическое закрепление колонки при подъеме и наземной транспортировке керна [2].
Поскольку при исследовании рассматриваемого состава для изоляции керна очень важно не допустить разрушающих деформаций материала в упругом состоянии, а также определить момент его перехода из жидкого состояния в упругое, реологические эксперименты проводили в режиме осцилляции с малой амплитудой на ротационном вискозиметре Rheotest RN4.1 с использованием термостатируемой измерительной ячейки H2 из двух коаксиальных цилиндров диаметрами 38 мм и 27,5 мм, длиной 70 мм, с зазором 5,25 мм.
В режиме колебаний с малой амплитудой определяют две (за исключением предельных констант) величины при некоторой заданной частоте: компоненты комплексного модуля сдвига, или же одна из них, и угол сдвига фаз. Комплексный модуль является аналогом вязкости при обычных измерениях [3].
В данной работе исследования проводятся при задании на вискозиметре частоты и напряжения сдвига, изменяющегося по гармоническому закону:

Колебания напряжения приводят к появлению осциллирующих деформаций, которые выражаются следующим образом:

Комплексный модуль сдвига можно записать как сумму:

Величины G' и G'' — это действительная и мнимая компоненты комплексного модуля сдвига соответственно. Они записываются как:

где τ0 – амплитуда гармонических колебаний напряжения сдвига, Па; γ0 – амплитуда гармонических колебаний деформации сдвига, радиан; а δ – угол сдвига фаз, радиан.
Компоненты комплексного модуля сдвига G' и G'' представляют напряжения, изменяющиеся в фазе и противофазе по отношению к деформации.
Как легко видеть, угол сдвига вычисляется следующим образом:

Таким образом, угол сдвига фаз определяет, в каком состоянии на данный момент времени находится вещество (90 °С соответствуют идеальной жидкости, а 0 °С – абсолютно упругому телу).
В литературе [4–5] часто встречается использование колебательных методов вискозиметрии для определения структурных эффектов, сопровождающихся изменением реологических свойств. Так, например, в [5] получали график зависимости компонент комплексного модуля сдвига от температуры для сырой парафинистой нефти (рис. 1). По данному графику нетрудно определить момент выпадения парафинов в исследуемом образце и переход его из жидкого состояния в упругое (точка пересечения графиков). Из формулы (5) следует, что пересечению графиков действительной и мнимой компонент комплексного модуля сдвига соответствует угол сдвига фаз δ = 45 °, что означает, что момент гелирования можно определять как по зависимостям модулей, так и по графикам угла сдвига фаз.
Аналогичным образом авторы [6] исследовали гели для герметизации водонасыщенных зон и определяли время гелирования для различных рецептур по пересечениям графиков компонент комплексного модуля сдвига.
Таким образом, колебательная реометрия является информативным методом изучения дисперсных систем, гелирующихся при тех или иных условиях.
В настоящей работе изучали дисперсные системы синтетического каучука в неполярном масле с концентрацией каучука от 5 до 10 % мас. Температуру при измерениях меняли в пределах от +35 °С до +85 °С и обратно до +35 °С, что позволяло отследить реологическое поведение состава как в жидком, так и в упругом состояниях. Были подобраны рабочие значения режима колебаний реометра: частота f=0,5 Гц и амплитуда напряжений τ0=5 Па .
Получены графики зависимости компонент комплексного модуля сдвига (рис. 2) и угла сдвига фаз (рис. 3) от температуры.
Как видно из графиков, при концентрациях каучука от 5 до 9 %, состав переходит в упругое состояние при
65 °С, а 10-процентный состав – уже при 55 °С. Исходя из предполагаемой забойной температуры, при которой отбирают керн, уже можно сказать, какая концентрация каучука в масле точно не подходит для рассматриваемой скважины, а какую можно рассматривать для дальнейших исследований.
Последующий анализ составов предполагает следующее. Подходящие по температуре гелирования составы должны быть изучены методами ротационной вискозиметрии при скоростях сдвига, близких к условиям течения в керноприемной трубке при поступлении в нее колонки горной породы. Полученные значения реологических параметров должны использоваться для гидравлического расчета керноотборного снаряда в постановке задачи определения максимально допустимой вязкости состава при условии сохранения его герметичности в узле верхнего клапана [7–8].

Литература

1. Гильманов Я.И. Современные технологии отбора керна при поисково-разведочных работах и эксплуатационном бурении / Я.И. Гильманов, С.В. Паромов // Каротажник. – 2021. – № 8(314). – С. 39–47.
2. Лосев А.П. Реологическое поведение инертного геля для изоляции керна / А.П. Лосев, И.Н. Евдокимов // Бурение и нефть. – 2021. – № 4. – С. 47.
3. Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения / пер. с англ. СПб.: Профессия, 2007, 560 с.
4. Астрахан И.М. Динамика вязких жидкостей: уч. пос. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. – 104 с.
5. Venkatesan, Ramachandran, Singh, Probjot, and H. Scott Fogler. «Delineating the Pour Point and Gelation Temperature of Waxy Crude Oils» SPE J. 7 (2002): 349–352. doi: https://doi.org/10.2118/72237-PA.
6. Boul, Peter J., Ye, Allan, Pang, Xueyu, Goel, Vivek, Eoff, Larry, and B.R. Reddy «Nanosilica-based Conformance Gels» Paper presented at the SPE European Formation Damage Conference and Exhibition, Budapest, Hungary, June 2015. doi: https://doi.org/10.2118/174265-MS.
7. Mours M., & Winter H. H. (1994). Time-resolved rheometry. Rheologica Acta, 33(5), 385–397. https://doi.org/10.1007/BF00366581.
8. Ватузов С.М. Подбор состава жидкости для изоляции керна / С. М. Ватузов // Нефть и газ. – 2022, Москва, 25–29 апреля 2022 года. – Москва: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2022. – С. 120–121.

References

1. Gilmanov Ya.I. Modern technologies of core selection during prospecting and exploration and operational drilling / Ya.I. Gilmanov, S.V. Feromov // Logging. – 2021. – № 8(314). – Pp. 39–47.
2. Losev A.P. Rheological behavior of an inert gel for core insulation / A.P. Losev, I.N. Evdokimov // Drilling and oil. – 2021. – No. 4. – p. 47.
3. Malkin A.Ya., Isaev A.I. Rheology: concepts, methods, applications / Translated from English St. Petersburg: Profession, 2007, 560 p.
4. Astrakhan I.M. Dynamics of viscous liquids. Textbook. – M.: Gubkin Russian State University of Oil and Gas, 2005. – 104 p.
5. Venkatesan, Ramachandran, Singh, Probjot, and H. Scott Fogler. «Delineating the Pour Point and Gelation Temperature of Waxy Crude Oils» SPE J. 7 (2002): 349–352. doi: https://doi.org/10.2118/72237-PA.
6. Boul, Peter J., Ye, Allan, Pang, Xueyu, Goel, Vivek, Eoff, Larry, and B.R. Reddy «Nanosilica-based Conformance Gels» Paper presented at the SPE European Formation Damage Conference and Exhibition, Budapest, Hungary, June 2015. doi: https://doi.org/10.2118/174265-MS.
7. Mours M., & Winter H.H. (1994). Time-resolved rheometry. Rheologica Acta, 33(5), 385–397. https://doi.org/10.1007/BF00366581.
8. Vatuzov S.M. Selection of the composition of the liquid for core insulation / S. M. Vatuzov // Oil and gas – 2022, Moscow, April 25–29, 2022. – Moscow: Gubkin Russian State University of Oil and Gas (NRU), 2022. – pp. 120–121.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей

    Авторизация


    регистрация

    Лосев А.П.

    Лосев А.П.

    к.т.н., доцент, генеральный директор

    ООО НИИЦ «Недра-тест»

    Ватузов С.М.

    Ватузов С.М.

    студент

    ООО НИИЦ «Недра-тест» г. Москва, 119296, РФ 2 Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина г. Москва, 119991, РФ

    Просмотров статьи: 542

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru