§11. Измерение смазочных и противоизносных свойств буровых растворов

Для исследования смазочной спос-сти р-ров во ВНИИБТ создан специальный прибор, работающий по принципу 4^хшариковой машины в режимах трения и скольжения. Основой прибора явл-ся настольный вертикально-сверлильный станок СН-12А с э/двигателем АСП-31-4М мощностью 0,6 кВт, дополнительным узлом трения, нагрузочным устр-вом и присп-ем для определения коэффициентов трения

В опытах используются шарики диаметром 7,936 мм, изготовленные из стали марки 55 СМА, применяемой для тел качения (шарики, ролики) серийных шарошечных долот. Продолжительность каждого опыта 1 мин. Смазочная способность р-ров оценивается по формуле:

Gпр = 52,5 Р₁ / d_1ср²

где Gпр - предельная разрушающая нагрузка, кгс; Р₁ - нагрузка на верхний шарик, кгс; d_1ср² - средний диаметр пятен износа, предшествующий свариванию шариков, мм.

§ 12. Определение содержания различных веществ в составе буровых растворов

Содержание газа

Содержание газа определяют при разгазировании р-ра вследствие попадания газа и вспенивания за счет добавок химреагентов. Наличие пузырьков в р-ре легко обнаружить, нанеся небольшое кол-во его на стеклышко, по поверхности которого р-р может стекать. Пузырьки видны при рассмотрении жидкости на свету. Содержание газа определяют 2^мя методами: прибором ВГ-1М и методом разбавления.

Определение содержания газа прибором ВГ-1М. Способ основан на сжимаемости газа под избыточным давлением 1 кгс/см²; сама жидкость практически несжимаема. Для определения содержания газа собирают прибор ВГ-1М (аналогично ВМ-6) и при закрытом клапане фильтр. стакана последний заполняют БР. Навинчивают напорный цилиндр, наливают в него масло и надевают плунжер.

Клапан, находящийся под металлическим фильтром, при измерении должен быть закрыть. Под давлением плунжера пузырьки газа сжимаются, вследствие чего глубина погружения плунжера, отмечаемая по соответствующей риске на шкале «содержание газа», является искомой в-ной содержания газа (в %). Недостаток прибора в том, что с уменьшением размера пузырьков их способность сжиматься уменьшается, вследствие чего получаются заниженные значения.

Определение содержания газа методом разбавления. Метод основан на разбавлении БР водой, в результате чего пузырьки приобретают способность всплывать, уменьшая кажущийся объем БР. В мерный цилиндр с притертой пробкой (вместимостью 250 мл) вносят отмеренные мензуркой 50 мл БР и добавляют 200 мл воды, часть которой перед этим используют на обмывание мензурки с остатками БР. Цилиндр закрывают пробкой, энергично взбалтывают его в течение 1 мин и оставляют в покое. После того как пена опадет, измеряют объем жидкости в мерном цилиндре. Этот объем будет меньше суммарного (250 мл) на величину объема газа. Содержание газа:

Г = (250 — V)²

(V — объем, занятый жидкостью после удаления газа).

Концентрация водородных ионов (рН)

В-на рН характеризует щелочность БР. При рН>7 ж-сти щелочные, при рН <7 - кислые. Необработанные БР имеют рН = 6,5-7,5. У химически обработанных р-ров рН = 12,5-13,5. Концентрацию водородных ионов (рН) определяют в БР и в их фильтратах. Значение рН фильтратов всегда меньше, чем рН БР.

На буровых рН определяют ориентировочно с помощью индикаторной бумаги. Для измерения наносят каплю БР или фильтрата на индикаторную бумагу и, перевернув ее, наблюдают за изменением окраски бумаги с противоположной стороны. Сравнив цвет, приобретенный индикаторной бумагой, с цветной шкалой, определяют рН с точностью до единицы. В лабораторных условиях водородный показатель измеряют с помощью рН-метров различных конструкций. Величину рН измеряют в обязательном порядке при применении гуматных, известковых, хлоркальциевых и других р-ров.

Содержание нефти и воды

Содержание в р-ре нефти и воды определяют с помощью прибора Дина и Старка (ГОСТ 1594—69). При содержании нефти больше 10% пользуются центрифугированием. Измеряют содержание нефти в эмульсионных р-рах, а воды - в РНО. Прибор состоит из круглодонной кварцевой или металл. колбы (0,5 л), экстракционной гильзы, изготовленной из медной или латунной сетки высотой 7-8 см и диаметром 2 см, градуированного приемника-ловушки, стеклянного или металлического холодильника и штатива.

Все соединения прибора плотно подгоняются и перед определением герметизируются. Сущность метода состоит в разгонке эмульсионного р-ра с растворителем. Ход определения следующий, В экстракционную гильзу вкладывают цилиндрический патрон из фильтр. бумаги. Предварительно взвешенная гильза с патроном заполняется пресным гл. р-ром, обработанным нефтью в количестве 15-17 г при плотности раствора γ= 1,40-1,60 г/см³, 17-20 г – при γ=1.60-1,80 г/см³, 26 г - при γ>2,0 г/см³.

Гильзу подвешивают к пробке круглодонной колбы, заполняемой растворителем (толуол, бензин А-93 и др.) так, чтобы косой срез приемной трубки-ловушки находился над гильзой, а дно гильзы касалось поверхности растворителя. Колба через ловушку соединяется с холодильником и нагревается э/плиткой. Перегонка ведется с такой скоростью, чтобы из холод-ка в ловушку падало не более 2 капель в 1 с. Экстрагирование и отгонку заканчивают, когда прекращается отделение воды в градуированной части ловушки (обычно через 2—3 ч). После охлаждения гильзу с твердым остатком высушивают при 105°С и отмечают количество воды в ловушке.

Определение содержания воды в ИБР имеет некоторые отличия. В приборе отсутствует экстракц. гильза. В круглодонную колбу наливают 100 см³ ИБР и 100 см³ растворителя, остальная методика та же.

Пример. Масса гильзы с фильтром 8,747 г; масса гильзы с ГР 34,107 г; масса гильзы с высушенной ТФ 23,652 г; объем воды в ловушке 9,2 см³; γ р-ра 1,76 г/см³; γ нефти 0,89 г/см³.

Содержание твердой фазы (в %): х = 23,562 – 8,747 / 34,107 – 8,747 ^. 100 = 58,42.

Содержание воды (в %): z = 9.2 / 34.107 – 8.747 . 100 = 36,28.

Содержание нефти (в масс. %) u = 100 – (58.42 + 36.28) = 5,3.

Содержание нефти (в об. %) k = 5.3 . 1.76 / 0.89 = 10.48.

Содержание грубодисперсных фракций и песка

В практике лаб. анализов имеются 2 показателя: П - песок общий, ОП - отмытый песок. В песок общий П входит содержание всех грубодисп. частиц независимо от их происхождения; ОП – сод-ие только песчаных частиц, не способных распускаться в воде. Сод-ие песка хар-ет степень загрязнения р-ра:

Для измерения содержания грубодисп. фракций в цилиндр прибора ОМ-2 наливают сначала 200 - 300 см³ воды, затем 50 см³ гл. р-ра и доливают воды до 500 см³ до тех пор, пока излишек ее не начнет вытекать из отверстия. Отстойник закрывают колпаком или ладонью и, переворачивая колбу, перемешивают воду с гл. р-ром, пока при очередном переворачивании колбы измер. пробирка окажется свободной от грубодисп. ч-ц. После этого возвращают колбу в вертик. положение и одновременно включают секундомер. При этом грубодисп. ч-цы бурно оседают, и граница между осадком и остальной суспензией хорошо прослеживается по стеклянному градуированному измерительному концу колбы или по градуированной пробирке вм-стью 10 см³ с делениями ценой 0,1 см³ в металл. отстойнике. Через 1 мин определяют кол-во осевших грубодисп. фракций (в см³), и полученный результат умножают на два. Содержание грубодисп. фракций (в об. %) вычисляют по формуле:

П =2V_o

(V_o — объем осадка, см³).

Осадок, перенесенный в фарфоровую чашку диаметром 120 мм, растирают рез. пробкой, промывают водой до прекращения помутнения. Остаток переносят с помощью воды в отстойник, опр-ют объем осадка, умножают на 2 и получают содержание отмытого песка (в об. %)

ОП = 2V₁

(V₁ - объем отмытого песка, см³).

Показатели П и ОП измеряются в обязательном порядке при оценке качества карьерных глин.

Метод определения содержания песка в глинах и глинопорошках описан в гл. III.

Суточный отстой

Суточный отстой О 'определяют с помощью мерного цилиндра вместимостью 100 см⁸.

Пробу БР осторожно, чтобы не загрязнить верхнюю часть цилиндра, наливают до отметки 100 см³ и оставляют в покое. Через 24 ч визуально определяют отстой, т. е. кол-во ж-сти (в %.)., не содержащей ТФ, которая выделилась в 'верхней части цилиндра. Суточный отстой О измеряют в обязательном порядке при применении утяжеленных растворов. Для глинистых буровых растворов О не должен превышать 5%.

Стабильность

Для измерения стабильности р-ра С цилиндр заливают доверху БР и оставляют в покое на 24 ч, после чего, открыв боковой отвод, сливают верхнюю половину р-ра в отдельную емкость. С помощью ареометра определяют плотности верхней и нижней частей р-ра. За меру стабильности принимают разность плотности БР в нижней и верхней частях сосуда. Чем значение стабильности меньше, тем кач-во р-ра выше. Для неутяж. БР стабильность не должна превышать 0,02 г/см³, а для утяжеленных — 0,06 г/см³. Стабильность С измеряют регулярно при применении утяж. р-ров.

Состав твердой фазы

ТФ БР может состоять из глины, выбуренной породы и утяжелителя. Определяют содержание ТФ Ст, утяжелителя Су, карбонатных частиц (известняка, мела) Ск, суммы растворенных веществ Ср, глинистых частиц Сгл Содержание Ср, например, определяют следующим образом. Отбирают 10 - 20 г фильтрата и высушивают его при 105° С до постоянной массы. Вычисляют содержание растворенных веществ (в мас. %) по формуле:

Ср = Р₁ / Рф ^. 100

где Р₁ - масса сухого остатка, г; Рф - масса фильтрата, г.

Состав растворенных веществ определяют в следующем порядке. Сухой остаток, полученный при выпаривании фильтрата, прокаливают при Т^о 500 - 600°С для удаления органических веществ. Вычисляют конц-цию неорганических и органических веществ по формулам:

Срн = Ррн / Рф . 100:

Сро = Ср – Срн

где Р_рн - масса сухого остатка после прокаливания, г; С_рн – конц-ция неорганических растворенных веществ, мас. %; С_ро - концентрация органических растворенных веществ, мас. %.

Концентрация твердой фазы в растворах на водной основе

Предварительно вымытый и просушенный стакан взвешивают В_с, наливают 100 см³ БР и вновь взвешивают В₁, Стакан ставят в сушильный шкаф и высушивают до постоянной массы. После охлаждения определяют массу стакана с тв. остатком В₂. Разность В₁ - В₂ равна массе выпарившейся воды В_в, тогда разность 100 - В_в дает объем сухой ТФ в 100 см³ р-ра или процентное объемное содержание ТФ Стф. Плотность ТФ определяют из отношения массы тв. фазы (В₂ - В_с) к объему Стф.

Содержание твердой фазы в растворах на нефтяной основе

Из пробы р-ра определенного объема путем разбавления дизтопливом осаждают всю ТФ, обмывают бензином и высушивают при Т^о 105°С до постоянной массы, после чего определяют

ее плотность и общее содержание в объеме р-ра. Затем навеску высушенной ТФ Р_т (3 - 5 г) растворяют в ДВ (около 50 см³) при обязательном перемешивании и слабом нагревании. Осадок переносят на фильтр, высушивают до постоянной массы и взвешивают Р₀. По разнице ,в массе вычисляют кол-во растворимых солей в ТФ ИБР Р₁ т. е, Р₁ = Р_Т - Р₀. Содержание карбонатов определяется по общей методике.

Содержание соли в минерализованных растворах

В р-р объемом 100 мл добавляют 100 - 150 мл ДВ и кипятят, затем в содержимое доливают воду до 500 мл. Содержание соли определяют по формуле:

Y = (B1 – B)500 ^. 100 / VP

где В₁ - масса чашки с высушенной пробой, г; В - масса пустой чашки, г; V - объем фильтрата, взятого для анализа, мл; Р - масса исходного р-ра, взятого для анализа, г.

Концентрация карбонатных пород

Сухой остаток после оценки конц-ции ТФ смачивают водой в стакане на 0,5 л и добавляют соляную к-ту (30 - 35% -ной конц-ции) при постоянном взбалтывании до прекращения выделения пузырьков газа. Стакан доливают доверху водой и дают осадку отстояться. Сливают чистую воду, еще раз промывают осадок затем, его высушивают до постоянной массы. Вычисляют содержание карбонатных пород по формуле:

Ск = Ст – Рнк / Рр ^. 100

Рнк - масса сухого остатка после удаления карбонатных пород).

Концентрация глины

Берут 30 - 50 г БР в хим. стакане вместимостью 1 л, доливают стакан водой, перемешивают и оставляют в покое на 3 мин. Осторожно сливают мутную воду и вновь добавляют воду. Эту операцию повторяют 3 - 5 раз до тех пор, пока сливаемая вода не будет чистой. К осадку добавляют соляную к-ту до прекращения выделения пузырьков, снова промывают осадок водой. Переносят осадок в фарфоровую чашку и помещают в сушильный шкаф, где высушивают при Т^о 105°С до постоянной массы. Зная массу высушенного осадка Рос, определяют содержание гл. частиц и утяжелителя по формуле (в %)

Су = Рос / Рр ^. 100

Содержание глины вычисляют как разность:

Сгл = Ст – Ск – Су.

10