Гранулометрическая классификация частиц

 

Важно понимать, как классифицируются твердые частицы бурового раствора, и какие типы частиц попадают в ту или иную категорию. Твердые частицы, присутствующие в буровых растворах, значительно отличаются по размеру: от мельчайших частиц глин (размером менее 1/25 400 дюйма) до очень крупных частиц выбуренной породы (их диаметр может превышать один дюйм). Из-за столь малого диаметра мелких частиц их приходится измерять в микронах. Микрон – это одна миллионная часть метра (1/1 000 000 или 1х10-6 м). В 1 дюйме 25 400 микронов. По своим размерам твердые частицы подразделяются на следующие категории:

В Табл. 1, на Рис. 2 и 3 размеры частиц соотносятся с известными вещами, такими как размерами ячеек сит и устройствами системы очистки раствора, рассчитанными на удаления частиц определенного размера. От размера ячеек (в меш) сита зависит то, какого размера частицы будут удаляться виброситом. На Рис. 3 приводится изображение размеров ячеек сит в увеличенном масштабе от 20 до 325 меш, а также размер частиц (в микронах), которые свободно пройдут через каждое из сит. Для классификации песка по методике API Sand Test используется сито с размером ячеек 200 меш. Песком считаются все частицы размером более 74 микрона, не прошедшие через сито. 97% качественного барита (<74 микрона) пройдут через сито с размером ячеек 200 меш, 95% частиц барита пройдут через сито 325 меш (<44 микрона). Таким образом, большая часть частиц барита попадает в ту же категорию, что и ил. Высококачественные глины, такие как M-I GEL™ попадают в категорию коллоидов, т.е. размер их частиц – 2 микрона и менее.

 

Категория Размер частиц Примеры
Коллоиды 2 микрона и менее Бентонит, глины и сверхмелкие частицы шлама
Ил 2 – 74 микрона (<200 меш) Барит, ил и мелкие частицы шлама
Песок 74 – 2 000 микрон (200 – 10 меш) Песок и буровой шлам
Гравий Более 2 000 микрон (> 10 меш) Шлам, гравий, камень

 

Табл. 1. Классификация твердых частиц по размеру.

 

 

При гранулометрической классификации твердых частиц состав исследуемого материала не учитывается, несмотря на использование терминов «песок» или «ил». Например, частицы, попадающие в категорию ила, могут быть глиной, тонкозернистым песком, карбонатами или баритом. Частицы из категории «песок» могут оказаться как собственно песком, так и глиной, карбонатами, буровым шламом или кольматантом, или крупнозернистым баритом. В категорию коллоидов входит бентонит и прочие глины, очень мелкие частицы выбуренной породы (глины, песок и карбонаты) и мелкозернистый барит.

В целом термин «глина» используется для обозначения высококачественных глинистых минералов, таких как вайомингский бентонит, которые добавляются в буровой раствор для увеличения вязкости и улучшения качества фильтрационной корки. Однако буровой шлам, барит и другие твердые частицы так же способствуют увеличению вязкости, особенно если размер частиц соответствует категории коллоидов. Рис. 4 иллюстрирует влияние размеров твердых частиц на площадь поверхности при неизменном объеме. Если бы частица являлась кубом со сторонами 40 микрон, площадь поверхности равнялась бы 9 600 кв. микронов. Если куб со сторонами 40 микрон разделить на кубы со сторонами 1 микрон, количество частиц возросло бы до 64 000, а площадь поверхности была бы равна 384 000 кв. микрон, что в 40 раз больше первоначальной площади поверхности. При уменьшении размеров частицы общий объем твердой фазы остался неизменен. Необходимо помнить и о том, что толщина одной пластинки глины составляет лишь 10 ангстремов. Один ангстрем равен 1/10 000 части микрона, или 1х10-10 м. Если бы 40-микронный куб разрезали на слои, толщина которых равнялась бы толщине пластинок глины, то количество частиц было бы не так велико – всего 40 000. Однако площадь поверхности возросла бы до 128 006 400 кв. микронов, что в 13 334 раза больше первоначальной.

Вязкость бурового раствора пропорциональна площади поверхности частиц твердой фазы. Поверхность всех твердых частиц подвергается смачиванию. Так как количество свободной жидкости снижается по мере роста площади поверхности, увеличивается вязкость раствора и его качество ухудшается. Благодаря большой площади поверхности твердые частицы из категории коллоидов сильнее всего влияют на вязкость раствора. Поэтому в целях экономии средств и для обеспечения высокой эффективности раствора необходимо контролировать содержание в нем мелких частиц твердой фазы.

 

 

Рис. 4. Зависимость площади поверхности от размеров частиц.