Устройство для обработки бурового раствора Советский патент 1985 года по МПК E21B21/06 

Изобретение относится к горной промыщленности, а именно к нефтегазодобывающей, и может быть использовано в устройствах для электрохимической обработки бурового раствора при регулировании свойств жидких сред электрическим воздействием. Известно устройство для обработки бурового раствора, содержащее желоб, положительный и отрицательный электроды, установленные в желоб и соединенные с источником постоянного тока, в котором положительный электрод размещен в месте минимальной скорости потока бурового раствора перпендикулярно направлению осаждения частиц твердой фазы и выполнен в виде металлической плиты с закрепленными в ней в шахматном порядке ши пами и металлической пластины с отверстиями для шипов, а отрицательный элек-трод выполнен в виде гофрированной ленты, охватывающей положительный электрод. Такое устройство позволяет осуществлять регулирование свойств бурового раствора за счет электрохимического смещения его окислительно-восстановительного потенциала в требуемую сторону, а также активации и регенерации входящих в него химических реагентов и нейтрализации агрессивного действия пластовых флюидов, проникающих в раствор в процессе его циркуляции при бурении скважины I. Недостатком данного устройства является повышенный износ шипов металлической плиты, выступающих в межэлектродном зазоре, в то время как пластина с отверстиями, лежащая на плите, имеет высокое сопротивление контакта с плитой, в ...-. результате чего происходит значительная потеря напряжения на электродах. Кроме того, гофрированная лента отрицательного электрода создает турбулизацию обрабатываемого раствора, что приводит к неконтролируемому взаимодействию раствора с отрицательным электродом, в результате чего эффективность обработки раствора резко снижается. Наиболее близким к предлагае.мому является устройство, содержащее расположенный параллельно дну желоба положительный электрод и отрицательный электрод, установленный к положительному под углом, вершина которого направлена в сторону движения потока бурового раствора, и источник постоянного тока 2. Однако движение обрабатываемого раствора в сужающемся .зазоре приводит к тому, что лишь очень небольшая его часть непосредственно контактирует с отрицательным электродом. Поскольку процесс обработки раствора происходит в непосредственном контакте с отрицательным электродом, такое движение обрабатываемого раствора в межэлектродном пространстве снижает эффективность работы устройства и по существу происходит обработка лишь небольшой части проходящего в желобе в месте установки устройства бурового раствора, за счет чего существенно снижается возможность регулирования свойств обрабатываемого раствора. Кроме того, устройство создает местное сопротивление движению раствора в желобе, что вызывает перелив раствора через желоб. Цель изобретения - улучшение регулирования свойств бурового раствора за счет обеспечения послойного контакта бурового раствора с отрицательным электроД Поставленная цель достигается тем, что устройство для обработки бурового раствора, содержащее расположенный параллельно дну желоба положительный электрод и отрицательный электрод, установленный к положительному под углом, верщина которого направлена в сторону движения потока бурового раствора, и источник постоянного тока, снабжено разделителями потока, а отрицательный электрод выполнен с горизонтальными пазами, распределенными по его длине, при этом разделители потока установлены в основании пазов под углом 10-30° по отношению к плоскости отрицательного электрода и направлены навстречу потоку бурового раствора, а угол между положительным и отрицательным электродами- равен 5-45°. Такое выполнение устройства обеспечивает послойное контактирование большей части обрабатываемого раствора с отрицательным электродом и своевременное удаление обработанного слоя раствора из межэлектродного пространства, На чертеже представлена схема устройства. Устройство имеет электроды I и 2, подключенные к источнику 3 постоянного тока и установленные в желобе 4 циркуляционной системы скважины, которую бурят. Электрод 1 подключен к положительному полюсу источника 3 постоянного тока и установлен параллельно дну желоба 4 на изоляторах 5. Электрод 2, подключенный к отрицательному полюсу источника 3 постоянного тока, выполнен с горизонтальными пазами 6, в основании которых размещены разделители 7 потока в виде язычков, расположенных навстречу движению потока бурового раствора. Отрицательный электрод 2 снабжен опорными выступами 8, которые входят в пазы 9 кронщтейнов 10, выполненкых из диэлектрического материала, второй конец отрицательного электрода 2 опирается на упор 11, также выполненный из диэлектрического материала. Устройство работает следующим образом. При движении раствора в желобе 4 между электродами 1 и 2 возникает электрическая цепь, благодаря которой вблизи электродов 1 и 2 начинают происходить электрохимические реакции. При этом положительный электрод 1 за счет возникновения электрофоретических процессов, поскольку частицы глинистой фазы несут на себе отрицательный заряд, покрывается плотным слоем глинистой корки. Эта глинистая корка предотвращает попадание продуктов кислых реакций, образованных на положительном электроде 1, в обрабатываемый раствор, а также предохраняет электрод 1 от электрохимического анодного разрушения, Вблизи отрицательного электрода 2 протекают восстановительные реакции с насыщением его свободными гидроксильными группами ОН и гидратированными электронами. Эти гидроксильные группы и гидратированные электроны соединяются с молекулами воды и образуют комплексы типа Нэ Ог , концентрация и активность которых характеризует восстановительную способность бурового раствора и связанные с ними свойства, такие как снижение водоотдачи за счет увеличения отрицательного потенциала в плотной части двойного электрического слоя (ДЭС), что способствует образованию более мощной диффузионной части ДЭС, повыщение активности химических реагентов стабилизаторов и структурообразователей, находящихся в растворе, а также повь1шение адсорбционно-химической активности частиц твердой фазы бурового раствора. Поэтому изменение количества образующихся в процессе взаимодействия бурового раствора с отрицательным электродом 2 гидроксильных групп и гидратированных электронов влияет в щироких пределах на изменение свойств бурового раствора. При входе обрабатываемого раствора в межэлектродный зазор верхний слой бурового раствора вступает в контакт с поверхностью отрицательного электрода 2 и, двигаясь вдоль него, подвергается обработке с накоплением в нем гидроксильных групп и гидратированных электронов. Процесс обработки слоя происходит до тех пор, пока слой не подойдет к первому разделителю 7 потока, который отсекает его от нижележащего слоя и выводит через, верхний горизонтальный паз 6. При этом верхний слой раствора по заверщении обработки в зоне отрицательного электрода 2 выводится из межэлектродного зазора. Последующий слой бурового раствора при этом, подойдя к верхнему разделителю 7. потока, подвергается обработке, поскольку разделитель потока 7 является продолжением отрицательного электрода 2. Пройдя вдоль разделителе 7 потока, этот слой контактирует с э.лектродом 2 до тех пор, пока нижележащий разделитель 7 потока не обеспечит выхода обработанного слоя через паз 6, расположенный над этим разделителем 7 потока. Таким же образом осуществляется обработка всех нижележащих слоев движущегося в межэлектродном пространстве бурового раствора, каждый из которых вступает во взаимодействие с участко.м электрода, лежащим между разделителем 7 потока, и сразу после обработки удаляетс51 из межэлектродного npocTpafiCTBa. Благодаря такой конструкции все слои бурового раствора, лежащие в плоскости, перпендикулярной направлению движения обрабатываемого раствора, по.авергаются обра ботке при контактировании с поверхностью отрицательного электрода, так как течение раствора в суживающемся межэлектродном пространстве является ламинарным, что исключает подход одной и той же порции раствора к поверхности отрицательного электрода 2. Поскольку к отрицательному э.пектроду 2 подходит все время необработанный раствор, который не насыщен гидроксильными группами и гидратированными электронами, процесс обработки идет гораздо более интенсивно, и, следовательно, в процессе обработки раствора при движении ; межэлектродном зазоре буровой раствор приобретает значительно больщее количество гидроксильчых групп и гидратнрованных электроьов, степень воздействия эле:-:трообработки на буровой раствор существенно повыщается. Слой бурового раствора, лежащий ни.же нижней кромки электрода 2. непроконтактировавший с электродо.м 2, усредняется с обработанным раствором за счет ионообменных процессов. Опорные выступы 8 могут быть установлены в одном из пазов 9 кронщтейнов 10. уто позволяет устанавливать угол между электродами 1 и 2, равным 5-45°, в зависимости от скорости потока- обрабатываемого раствора. Угол менее 5° устанавливать нецелесообразно, поскольку это приводит к чрезмерному увеличению длины электродов 1 и 2 настолько удлиняя поверхность электрода 2, что часть ее не обеспечивает обработки раствора из-за перенасыщения гидроксильными группами и гидратированными электронами. Угол более 45 резко увеличивает лобовое сопротивление электрода 2 в потоке, вызывая завихрение горизонта.тьно движущихся слоев обрабатываемого раствора при встрече с поверхностью электрода 2. Меньщее значение углов следует устанавливать при увеличении вязкости раствора. Угол между плоскостью электрода 2 и разделителями 7 потока, 10- 30° устанавливают в зависимости от вязкости обрабатываемого раствора. При этом угол менее 10° принимать не рекомендуется из-за резкого увеличения входного сопротивления пазов 6 электрода 2, а при угле более 30° под разделителями 7 потока образуются зоны завихрения, которые вызывают турбулизацию бурового раствора, нарушая ламинарность течения его слоев. При этом больший угол назначается с увеличением вязкости обрабатываемого раствора.

Основным параметром, характеризующим степень электроактивации бурового раствора, при котором раствор становится более стабильным, является величина его окислительно-восстановительного потенциала (далее по тексту редокс-потенциала) .

Учитывая, что при прочих равных условиях (плотность тока, напряжение, интенсивность электрического воздействия) эффективность электрообработки бурового раствора зависит от количества раствора.

вступившего в контакт с отрицательным электродо.м, и времени контакта {чем большая часть раствора вступит в контакт с электродом и чем дольше контакт, тем выше

величина редокс-потенциала), становится очевидным роль скорости потока и вязкость бурового раствора, которые влияют на объем и время контакта раствора с отрицательным электродом.

Конструктивные особенности предлагаемого технического решения увеличивают объем и время контакта раствора в зависимости от скорости потока и вязкости раствора.

В табл. 1 показано изменение величины редокс-потенциала в зависимости от скорости потока при различном угле наклона отрицательного электрода при постоянной условной вязкости, равной 30 с. Величина редокс-потенциала исходного раствора -f 50 мВ.

Таблица

) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ БУРОВОГО РАСТВОРА, содержащее положительный электрод, расположенный параллельно дну желоба, и отрицательный электрод, установленный к положительному под углом, вершина которого направлена в сторону движения потока бурового раствора, и источник постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью улучшения регулирования свойств бурового раствора за счет обеспечения послойного контакта бурового раствора с отрицательным электродом, оно снабжено разделителями потока, а отрицательный электрод выполнен с горизонтальными пазами, распределенными по его длине, при этом разделители потока установлены в основании пазов под углом 10-30° по отношению к плоскости отрицательного электрода и направлены навстречу потоку бурового раствора, а угол между положительным и отрицательным электродами равен 5-45°. (Л САЗ 4 о: со 1

Как видно из табл. 1, при угле наклона выше 45° величина редокс-потенциала резко падает и, кроме того, уровень раствора начинает повышаться. Наклон ниже 5° ведет к излишнему удлинению электрода.

-600

-200 -400 -200 -520 -300

В табл. 2 показано изменение величины редокс-потенциала в зависимости от угла наклона разделителя потока при разли.чной величине условной вязкости (с) при скорости потока I м/с и угле наклона отрицательного электрода, равном 25°.

Таблица 2

750

-100 -90 730 700 -70 .

Как видно из табл. 2, крайние рациональные пределы угла наклона разделителя потока по отношению к отрицательному электроду составляют 10-30°. При превышении или снижении этого предела резко снижается величина редокс-потенциала, особенно при увеличении вязкости раствора.

В табл. 3 показаны результаты сравни+ 50

Известное +50 Предлагаемое

Эффективность, электрообработки определяют по величине редокс-потенциала, условной вязкости и водоотдаче бурового раствора. Измерения производят отбором проб из желоба на расстоянии 3 м за установками.

Продолжение табл.2

тельных испытаний известного и предлагаемого устройств дляэлектрообработки бурового раствора.

Оба, устройства смонтированы в желобной системе. Скорость потока 1 м/с, вязкость 60 с, угол наклона отрицательного электрода 30°, угол наклона разделителя потока 15°.

Таблица 3

14 3

50 35

-270 -700

Как видно из табл. 3, буровой раствор после обработки на предлагаемом устройстве по всем показателям лучше, чем после обработки на известном устройстве.

Предлагаемое устройство позволяет улучшить свойства обрабатываемого раствора.