Авторское свидетельство СССР № 929682, 1974 г.
Мамаджанов У.Д., Бахир В.М., Шамсутдинова В.Н., Бахир Т.М.
Приоритет этого изобретения по заявке № 2018444 установлен с 22 апреля 1974
года. К этому времени был завершен двухлетний период исследований и промышленных
испытаний электрохимических методов и устройств для обработки бурового раствора,
которые положили начало технологии электрохимической активации. Эти исследования
выполнялись с 1972 года в Среднеазиатском НИИ Природного Газа (СредАзНИИГаз).
Буровой раствор — сложная полидисперсная система из частиц глинистых минералов
в воде с добавками органических веществ — стабилизаторов, структурообразователей,
понизителей вязкости и водоотдачи. Основной технологической функцией бурового
раствора является вынос на поверхность кусочков выбуренной породы с забоя скважины.
Глинистые частицы в буровом растворе обычно заряжены электрически отрицательно,
при этом плотность заряда зависит от формы поверхности и химического состава
кристаллической решетки глинистой частицы, а также от химического состава и
концентрации электролитов жидкой фазы бурового раствора. При пропускании тока
через буровой раствор на аноде обычно быстро нарастает плотная глинистая корка
из наиболее мелкодисперсных и высокозаряженных глинистых частиц. Эта корка препятствует
поступлению в буровой раствор продуктов анодных электрохимических реакций, поэтому
рН раствора повышается под влиянием катодной, фактически униполярной, электрохимической
обработки. Было отмечено, что при одном и том же затрачиваемом удельном количестве
электричества, усиление тиксотропных свойств бурового раствора (структурно-механической
прочности) при одновременном понижении его динамической вязкости (парадокс)
тем больше, чем меньше площадь катода в сравнении с площадью анода. Объяснение
этого парадокса заключалось в следующем. Электрические заряды, сосредоточенные
на ребрах и заостренных участках крошечных чешуек или иглообразных частиц глинистых
минералов, в несколько раз больше, чем заряды на их плоских гранях.
Под влиянием электрохимической обработки в электрическом поле высокой напряженности
у поверхности катода (в области пространственного заряда) возрастала абсолютная
величина отрицательного заряда частиц, что приводило к усилению сил отталкивания
между ними и, следовательно, к понижению вязкости. Однако, одновременно возрастала
также разность потенциалов между ребрами и гранями глинистых частиц, что обусловливало
увеличение сил, упорядочивающих структурную организацию взаимодействующих глинистых
частиц. Таким образом, структурно-механические свойства бурового раствора усиливались
не за счет механического, а за счет электростатического сцепления глинистых
частиц. Изучение этого феномена как в лаборатории, так и в условиях реального
бурения позволило понять неординарность наблюдаемых процессов, проявляющуюся
в неэквивалентности электрохимического и химического методов регулирования и
начать попытки практического использования найденного эффекта при бурении нефтяных
и газовых скважин. Наблюдаемый эффект ранее не был известен, поэтому процесс
униполярной катодной электрохимической обработки бурового раствора был вначале
назван В.М.Бахиром низковольтной поляризацией, а затем, спустя три года
— электрохимической активацией. В указанном первом изобретении заявлен
способ улучшения параметров бурового раствора без применения химических реагентов
путем обработки в технической электрохимической системе, состоящей из источника
тока и двух электродов, причем катод имел поверхность меньшую в сравнении с
анодом. Анодом электрохимической системы являлись соприкасающиеся с буровым
раствором поверхности циркуляционной системы буровой установки. Практические
испытания подтвердили высокую эффективность метода, что выражалось в возможности
экономии до 30% химических реагентов, обычно используемых при бурении скважины.
Однако выявилось существенное неудобство, связанное с необходимостью периодического
удаления глинистой корки с поверхности анода и трудоемкостью этой операции.
Многие последующие изобретения 1974 – 1976 гг, не рассмотренные в данном кратком
перечне, были направлены на дальнейшее совершенствование и улучшение найденного
метода регулирования параметров бурового раствора и технических систем для его
реализации. Устройства, созданные в этот период, имели электрохимические реакторы
с плоскими электродами (стальные катоды, магнетитовые или графитовые аноды)
со значительной поверхностью единичного электрода (от 0,2 до 0,7 м2),
рассчитанные на большие токи (600 — 1500 А) для обработки больших объемов буровых
растворов (20 – 90 литров в секунду). В процессе наблюдения за работой опытных
образцов установок в условиях бурения глубоких нефтяных и газовых скважин было
установлено, что степень изменений в буровом растворе после электрохимической
обработки тем выше, чем больший объем раствора непосредственно соприкасается
с поверхностью рабочего (отрицательного) электрода. Межэлектродное пространство
установок для униполярной (катодной) электрохимической обработки не было разделено
диафрагмой. Во всех вариантах устройств, созданных для реализации эффекта униполярного
электрохимического воздействия, положительный электрод с образующейся на нем
плотной глинистой коркой, был надежно защищен ею от прямого контакта с основным
объемом бурового раствора. Продукты анодных электрохимических реакций не поступали
в буровой раствор, поскольку накапливались в корке глинистого раствора, толщина
которой обычно была в пределах 2 – 3 см.