Способ регулирования физико-химических свойств бурового раствора Советский патент 1983 года по МПК C09K7/00 

:о :л

1 Изобретение относится к способам регулирования свойств буровых раство ров при их приготовлении и обработке а также к способам обработки растворов полимеров, сыпучих материалов (глины, утяжелителей, цемента) и жид костей эатворения. Известен способ электрообработки жидкости в зоне положительного элект рода диафрагменного электролизера l Недостатком способа является небольшая удельная производительность установки в расчете на 1 кВт электро энергии. Наиболее близким техническим реше нием к изобретению является способ регулирования физико-химических свойств, буровых растворов путем обработки растворов В поле постоянного тока в зоне электрода (отрицательно заряженного) 2 . Недостатками этого способа является высокий расход электроэнергии. Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет снижения энергозатрат. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регулироЬа ния физико-химических свойств буротвого раствора, последний после обработки в зоне электрода перемешива:ют в течение 0,1-150 с, причем величину потенциала электрода выбирают в пределах 6-100 В. Увеличивают напряжение на электро дах до величины, обеспечивающей максимальную поляризацию одного из электродов, в зоне которого производят ббработку среды системы. Полярность поляризованного электрода выбирают в зависимости от необходиМОго направления физико-химического обменного процесса в системе, после чего частью объема среды системы, подвергнутого обработке в поляризованной .зоне, воздействуют на ее менее активированную часть в течение времени, меньшего чем время энергетической релаксации активированной части объема среды (0,1-150 с). Увеличение напряжения на электродах вызывает увеличение их поляризации и способствует одновременному протеканию ряда химических реакций с различ ными энергетическими эффектами образований (с различными термодинамическими потенциалами Гиббса продуктов реакции). Энергия, затрачиваемая в процессе электролиза на преодолева ние потерь, обеспечивает необходимую степень возбуждения атомов, молекул и ионов среды для установления термодинамического равновесия продуктов электрохимических реакций с этой сре дой, т.е. если систему после электро обработки поместить в условия, исключающие ее энергообмен с окружающей средой, то.в ней не происходят физико-химические изменения . Если система с повышеин ли значением внутренней энергии,Полученной при электрохимических превращениях веществ и в результате возбуждения атомов, ионов и молекул за счет энергии потерь, находится в контакте с окружающей средой, то она передает в ней энергию в той форме, которая обусловлена видом контакта - в форме .тепла, электрического тока, химической энергии светового излучения и др. Наиболее часто встречающейся формой передачи энергии для систем, прошедших электрообработку, являются теплообмен, электрический ток и химические превращения. Причем обмен с помощью электрического тока тесно связан с химическими изменениями системы, а обмен посредством теплопередачи вызывает скачкообразные химические превращения веществ при .уменьшении уровня внутренней энергии среды, окружающей элементарную частицу, и энергетически неустойчивого химического соединения ниже критического значения. Таким образом, после электрообрабртки системы в зоне одного из электродов, максимально поляризованного для .данных условий (это обеспечивает одновременное протекание всех возможных окислительных и восстановительных электрохимических реакций между компонентами системы), в процессе ее энергообмена с окружающей средой в ней последовательно протекают электрохимические реакции распада неустойчивых и химически активных соединений, образовавшихся в процессе электрообработки. Из анализа электродных потенциалов, соответствующих различным электрохимическим реакциям, следует вывод о т.ом, что химическим путем, а также электрохимическим, но в отсутствие электродной поляризации, невозможно в большинстве случаев добиться таких превращений веществ, которые происходят на максимально поляризованном в данных условиях электроде. Однако для того, чтобы эффективно использовать электрохимические превращения в системе, подвергнутой электрическому воздействию в зоне максимально поляризованного электрода, необходимо обеспечить ее Контакт с объемом применения в течение времени, меньшего чем время рассеяния в окружанмцую среду. Основной задачей электрохимического регулирования технологических процессов является обработка рабочей среды в зоне максимально поляризованного электрода какой-либо одной полярности и затем последующее ее использование (осуществление контак та с каким-либо объектом, использукхаимся в технологической цепи, либо интенсивное перемешиваниеактивированных и неактивированных объемов самой среды в течение вр емени, меньшего чем время энергетической релаксации среды). При этом необходимо, рассмотрев реакции между активиро- ванной электрообработанной средой и объектом ее применения с термодинамической и электрохимической точек зрения, выбрать рациональные условия применения электрообработки с целью максимёшьного использования в нужном направлении энергии потерь, заключен ной в рабочей среде. В процессе электрообработки максимальная поляризация электродов позволяет не только осуществлять. различные электрохимические реакции идущие при высоком значении электрод ного потенциала, но и увеличить энер гетический потенциал обрабатываемой среды, снижая тем самьли интенсивность обратных химических превращений в системе и создавая таким образом своеобразный энергетический щит предохранянхций активированные компо.ненты среды от преждевременного распада. г . . Пример. Процесс электрообра ботки бурового раствора в установка для обработки бурового раствора УОБ Эти установки позволяют обрабатыват некоторую часть бурового раствора в зоне сильно поляризованного отрицательного электрода. В результате такой обработки восстановительный потенциал этой части увеличивается оу {+100)-{+200) мВ до (-800)(-1000) мВ, т.е. более чем на 1В. /Затем при помощи специальных приспо соблений активированный объем бурозого раствора должен интенсивно перемешиваться со всей остальной его частью. Время, прошедшее между окон чанием электрообработки и началом перемешивания, должно составлять 0,1-150 с. Так как буровой раствор является многокомпонентной гетерофазной и полидисперсной системой, то влияние воздействия на него и от дельные компоненты его составляющей предлагаемым способом можно расчленить на ряд самостоятельных процессов: электрообработку твердых сыпучих материалов электрическим током их последующее смешение с жидкостью затворения, также подвергнутой обра ботке в зоне сильно поляризовайного электрода,активацию полимерных реагентов - ионизителей вязкости, водо отдачи; электрообработку воды перед использованием ее для приготовления химсческих реагентов и ряд других. в качестве примера можно привеси данные эксперименталь,ной проверки редлагаемого способа. Целью проверки является определеие оптимального режима униполярной лектрообработки (потенциала рабочего электрода) и времени сохранения потенциальной энергии среды после электрообработки. Последнее контролируется посредством измерения величины редокс-потенциала системы после электрообработки, поскольку его значение прямо определяет реакционную способность среды системы, т.е. ее способность принимать или поглощать электроды в химических реакциях. Чем больше абсолютные значения имеет окислительно-восстановительный потенциал системы (бурового раствора) , тем интенсивнее протекают реакции взаимодействия с ним неактивирован.ных объемов этого же раствора или каких-либо других веществ, например органических химических реагентов-стабилизаторов. А так как физико-химические свойства всех компонентов бурового раствора зависят от интенсивности окислительных или восстановительных процессов, то, изменяя окислительную или восстановительную способность бурового раствора, можно регулировать в широких пределах его физико-химические свойства (термо- и солестойкость, стабильность, агрегативную и кинематическую устойчивость). Во многих случаях наилучшим условиям работы органических реагентов-стабилизаторов в буровом растворе соответствуют отрицательные значения редокс-потенциала (окислительно-восстановительного потенциала), Значения потенциала рабочего электрода определяют при помощи высокоомного осциллографа и вспомогательного неПоляризующего электрода, введенного в обрабатыва- . емый раствор. Наименьшее значение потенциала электрода для исследования типов буровых растворов, требуемое для повышения эффективности, должно быть больше напряжения разложения. Находится в пределах 6 В и относится к случаям обработки высокоминерализованных буровых растворов (более 50 г/л) на воднс/Й основе, обладающих высокой электропроводностью .(более 0,01 Ом . ) . Наиболее экономически выгодное для данных условий применения-способа значение потенциала электрода (100 В) соответствует случаям обработки буровых растворов на углеводородной обладающих низкой электрооснове. проводностью (менее 0,01 - Ом ) . Увеличение потенциала электрода выше 100 В не соответствует пропор- , циональному росту начального запаса потенциальной энергии (это фиксируется по значению редокс-потенциала) и поэтому нецелесообразно.

Уменьшение потенциала электрода ниже 6 В не обеспечивает необходимого минимального начального запаса потенциальной энергии для химически реакций (-800)-(-1000) мВ и поэтому также нецелесообразно.

Как видно из приведенных данных, время релаксации большинства исследованых типов буровы:1 растворов, являющееся функцией потенциала электрода (величины поляризации) объема среды, обработанной в поляризационной зоне, температуры и дя, находится в пределах от 0,1 до 150 с. Таким образом, для повышения интенсивности окислительных или восстановительных процессов S буровом раствор необходимо перемешивание активированного и неактивированного его объемов в течение времени меньшего чем время энергетической релаксации его активированной части (0,1150 с).

После перемеишвания система продолжает релаксировать, но время релаксации равно 0,5-12 ч (это обусловлено тем, что удельное содержание потенциальной энергии во всей системе уменьшается при значительном увеличении ее объема). Это позволяет сохранить требуемые параметры бурового раствора в течение нескольких циклов циркуляции. Однако при интенсивном перемешивании раствора после электрообработки в течение времени, большего 0,1-150 с его редокс-потенциал будет близок к первоначальному значению, т.е. эффект использования энергии поляризационных потерь теряется.

Предлагаемый способ позволяет защищать буровое оборудование от коррозий путем увеличения восстановительного потенциала бурового раствора обработкой его в зоне сильно поляризованного отрицательного электрода. Если в буровой раствор из разбуриваемых пород поступают агрессивные компоненты () вызывающие коррозию бурового инструмента и оборудования и приводящие к преждевременному выходу их из строя, то увеличение восстановительного раствора, поддерживаемое в нем постоянным расходованием полезной электрической мощности, направленной на химические превращения веществ и энергии потерь, напрайлеино на поддержание этих веществ в возбужденном состоянии, позволяет умен.шить до минимума окислительные процессы на стенках металлических кон струкций (бурильных труб) и уменьшить тем самым интенсивность коррозионных разрушений.

Таким образом эффективность изобретения заключается в сокращении зарат химических реагентов на 35-60%; уменьшении потерь электроэнергии за счет использования их в технологических процессах на 15-50%; повышении чистоты процессов за счет исключения ввода в них химических реагентов - окислителей или восстановителей на 30-50%; упрощении регулирования и контроля процессов за счет (использования в качестве основного инструмента в регулировании и контроле величины окислительно-восстановительного потенциала на 1215%.

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУРОВОГО РАСТВОРА путем обработки его в зоне электрода в поле постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет снижения энергозатрат, после обработки раствор перемешивают в течение 0,1-150 с, причем величину потенциала электрода выбирают в пределах 6-100 В.