Лекция № 3. Растворы на водной основе. Типы глин для приготовления глинистых растворов. Основные технологические параметры БР.

Тип бурового раствора, его компонентный состав и гра­ницы возможного применения устанавливают исходя из их геологических условий: физико-химических свойств пород и содержащихся в них флюидов, пластовых и горных давлений, забойной температуры.

Применение технической и морской воды в качестве бу­рового раствора связано с наличием благопри­ятных для процесса бурения свойств. В результате использо­вания технической и морской воды вместо глинистого рас­твора проходка на долото повышается на 15-20 %, а меха­ническая скорость проходки - на 25 - 40 %.

Однако вода как буровой раствор имеет недостатки: в пе­рерывах между циркуляциями она не удерживает шлам в скважине во взвешенном состоянии, глинистые отложения набухают, разупрочняются, снижается устойчивость ствола скважины. Поэтому применение воды как эффективного бу­рового раствора допустимо лишь при бурении сравнительно неглубоких скважин в твердых неглинистых породах карбонатно-песчаного комплекса, а также в гипсах и других отло­жениях.

Фильтрация воды в продуктивные пласты резко снижает их нефтеотдачу вследствие создания водяного барьера, обра­зования устойчивых водонефтяных эмульсий, набухания содержащихся в пласте глинистых минералов, препятствующих притоку нефти в скважину, что серьезно затрудняет освоение и ввод скважин в эксплуатацию.

Глины являются наиболее активной частью глинистых растворов (ГР), поэтому свойства ГР во многом определяются свойствами исходных глин.

Глины – это осадочные ГП, представляющие собой смесь различных минералов, способных при контакте с водой переходить в пластическое состояние. При высыхании они сохраняют приданную им форму и приобретают высокую прочность, а после обжига получают твердость камня.

Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички. Глинистые минералы отличаются тонкодисперсностью. К основным породообразующим минералам глинистых пород, используемых для растворов, относятся минералы групп монтмориллонита, гидрослюд, палыгорскита и каолинита.

1 группа – монтмориллонитовая (ММ), имеет формулу (ОН)₄ Si₈Al₄O₂₀ n H₂O.

Кремний в молекуле монтмориллонита может замещаться на ионы Al³⁺, Fe^{2+, 3+}, Zn²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺, Li⁺. Монтмориллонит имеет белый с сероватым оттенком цвет, иногда с синеватым оттенком, а также розовый, розово-красный, зеленый и матовый цвета. Монтмориллонит в значительной степени обладает адсорбционной, ионообменной способностью, а также поглощает и выделяет слабо связанную воду в зависимости от влажности окружающей среды.

К монтмориллонитовой группе относятся минералы сапонит, бейделлит, нонтронит, вермикулит. Глины, в которых преобладают минералы этой группы, называют бентонитами. (Термин “бентонит” был введен в 1898 году для высококачественных монтмориллонитовых глин штата Вайоминг, США).

2 группа – палыгорскитовая (ПС), имеет формулу (ОН)₂ Si₈Mg₅O₁₈ 4H₂O.

Палыгорскит иначе называют аттапульгитом, он хорошо набухает в пресной и соленой воде, может применяться как структурообразующий компонент буровых растворов, насыщенных солью. Палыгорскитовые суспензии характеризуются высокой водоотдачей, не увеличивающейся при засолении, что выгодно отличает его от других глин. Минерал сепиолит представляет собой магнезиальный водный силикат, волокнистый минерал, имеет высокую солеустойчивость.

3 группа – каолинитовая (КЛ), имеет формулу (ОН)₈Si₄ Al₄O₁₀ n H₂O.

Каолинит почти не набухает в воде, обладает небольшой емкостью поглощения катионов и адсорбционной способностью. К этой группе относятся минералы накрит, галлуазит, диккит, аноксит, энделлит.

4 группа – гидрослюдистая (ГС) – (ОН)₄ К_у(Al₄Fe₄Mg₆)(Si_8yAl_y)O₂₀ n H₂O.

Гидрослюды представляют собой промежуточные соединения между минералами каолинитовой группы и слюдами, являются продуктами их частичной каолинизации и не имеют постоянного состава. К гидрослюдистой группе относятся минералы гидромусковит, иллит.

Одним из определяющих признаков глинистых минералов является соотношение SiO₂: R₂O₃ где R₂O₃ – полуторные оксиды, включающие сумму Al₂O₃ и Fe₂O₃. Это отношение составляет для минералов каолинитовой группы – 2–3; для палыгорскитовой группы – 2.1–2.3; для гидрослюдистой группы оно равно 3–4 и для минералов монтмориллонитовой группы составляет 4–7. Чем больше это отношение, тем сильнее проявляются гидрофильные свойства глинистых пород, тем сильнее набухают и распускаются в воде глины.

В настоящее время для определения структур глинистых минералов пользуются обобщениями, сделанными еще Полингом. По Полингу в основе строения большинства глинистых минералов лежат два структурных элемента. Один структурный элемент состоит из двух слоев плотноупакованных атомов кислорода или гидроксогрупп, между которыми в октаэдрической координации расположены атомы алюминия, железа и магния, которые равноудалены от атомов кислорода и гидроксогрупп. Второй элемент структуры построен из кремнекислородных тетраэдров, в центре которых расположены атомы кремния, равноудаленные от 4-х гидроксогрупп или атомов кислорода. Кремнекислородные тетраэдры расположены в форме бесконечно повторяющейся гексагональной сетки, образующей слой Si₄O₆(OH)₄.

Указанные структурные элементы составляют основу кристаллической решетки минералов группы монтмориллонита, палыгорскита, гидрослюд и каолинита.

Рассмотрим наиболее важные свойства глин.

Ионный обмен глин. Атомы Si и Al, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы. Между глиной и раствором происходит обмен катионов. Каждая глина обладает определенным количеством обменных ионов, т.е. вполне определенной емкостью. Она выражается количеством молей обменных катионов, содержащихся в 1 кг сухой глины (ОЕ). Для наиболее распространенных глинистых минералов ОЕ составляет: у ММ – 0.8 – 1.5; ГС – 0.1 – 0.4; ПС – 0.2 – 0.3; КЛ – 0.03 – 0.15. В глинистых минералах обменными катионами являются Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, NH⁺.

В природных глинах основные обменные катионы Na⁺ или Ca²⁺ и соответственно глина называется натриевая или кальциевая. Такие физические свойства глины, как набухаемость, прочность в сухом состоянии, дисперсность, пластичность, усадка при высушивании находятся в тесной функциональной зависимости от величины емкости поглощения и от состава поглощенных катионов.

Набухаемость – процесс проникновения молекул воды в кристаллическую решетку глин, при котором пачки кристаллической решетки раздвигаются, при этом глина набухает. Набухаемость оценивается в см³/г и измеряется на порошках глин с размерами частиц 0.25 мм и менее. При избытке воды набухание сопровождается разрушением глины. На набухание глин отрицательно сказываются снижение рН и солевая агрессия. Например, максимум набухания у бентонитовой глины аскангель в пресной воде 17.7 раза, а в соленой воде в 10 раз меньше. Лишь палыгорскит одинаково хорошо набухает в пресной и соленой воде. Поэтому ПЖ из ПГ глин солеустойчивы. На набухаемость также влияет перемешивание, размеры комков глины и ее исходная влажность, состав воды и др.

На свойства ГР оказывают влияние размеры и форма частиц. Наибольшее влияние оказывает коллоидная фракция с размером частиц менее 1 мкм. Чем меньше размер частиц, тем больше их качественное влияние на свойства ГР. В бентонитовых глинах содержание коллоидных фракций значительно больше, чем в каолиновых и может достигать 40 %. По форме частицы чаще всего имеют вид плоских или лентовидных чешуйчатых пластинок, реже – продолговатую (игольчатую) форму. Благодаря такой форме частицы имеют большую суммарную поверхность, на которой развивается свободная поверхностная энергия. Удельная поверхность глинистых минералов колеблется от 800 – 900 м²/г у ММ до 10 – 20 м²/г у КЛ.

Требования к качеству глины для приготовления ГР.

Глины используются либо в комовом виде, либо в порошковом. Размеры комков не должны быть > 150 – 200 мм. Глинопорошки (ГП) готовят на спец. заводах механическим или физико – химическим способами. Как правило, ГП готовят из высококачественного сырья. Основным показателем, характеризующим качество ГП, является выход раствора – количество в м³ суспензии (раствора глины с водой) с условной вязкостью 25 ± 1 с, получаемое из 1 т ГП. Выход БР из одного и того же порошка зависит от величины рН водной среды, используемой для приготовления БР. С повышением рН от 7 до 10 выход БР значительно возрастает, особенно из ГП кальциевого типа. При применении в качестве регулятора рН соды Na₂CO₃ или полностью замещенных фосфатов натрия выход БР может увеличиться на 30 – 70 %.

Технологические свойства БР являются показателем пригодности для конкретных условий бурения. Рассмотрим эти свойства. К ним относятся: структурно – механические, реологические, фильтрационные и коркообразующие.

Плотность. Э то масса единицы объема БР. Измеряется плотность в кг/м³ или г/см³. Зная плотность раствора, можно определить давление, которое оказывает БР на пласты, залегающие на различных глубинах. Это давление (в мПа) называется гидростатическим и в любой точке скважины определяется из уравнения:

Рг = ρ Н / 100,

где ρ – плотность БР, г/см³; Н – расстояние от уровня БР в скважине до рассматриваемой точки про вертикали, м; 100 – расчетный коэффициент для перевода в мПа.

Следовательно, зная плот­ность, можно регулировать давление БР на пласт. При измерении плотности следует иметь в виду, что выходящий из скважины буровой раствор может содержать газ, по­этому плотность такого рас­твора считается кажущейся. Истинная плотность уста­навливается на основании измерения кажущейся и содержания газа. Плотность определяют взвешиванием известного объема раствора на рычажных весах (плотномерами ВРП – 1), пикнометрами или ареометрами АГ-3ПП, АБР – 2 и др.

Условная вязкость. Вязкость жидкостей характеризуется внутренним трением между отдельными слоями жидкости при ее движении. Истинные растворы и вообще жидкости, не имеющие структуры, обладают истинной вязкостью, которая не зависит от механического воздействия на жидкость. При добавке глины в буровой раствор не образуется истинного раствора. Она распадается (диспергируется) на мельчайшие частицы, покрывающиеся пленкой, которая предупреждает эти частицы от слипания и обеспечивает, таким образом их подвижность и вместе с этим подвижность всего раствора. В растворе, находящемся в покое, глинистые частицы под действием молекулярных сил, соединяются друг с другом концами, где защитные пленки тоньше, и образуют сетчатую структуру, что приводит к загустеванию раствора вплоть до потери текучести. Чтобы заставить такой раствор снова течь и снизить его вязкость, необходимо разрушить образовавшуюся в нем структуру.

Таким образом, буровые растворы обладают структурной вяз­костью, которая в отличие от истинной, зависит от механического воздействия на раствор. Измерение структурной вязкости очень сложно, поэтому в полевых условиях обычно измеряется условная вязкость.

Условная вязкость Т в с характеризует подвижность бурового раствора и измеряется по времени истечения 500мл бурового рас­твора из стандартной воронки ВП-5, заполненной 700 мл раствора.

Водоотдача или показатель фильтрации. Водоотдачей бурового раствора называется способность раствора при повышенном давлении отфильтровывать воду.

При бурении в поры обнаженной породы проникает буровой раствор. Частички его твердой фазы оседают на стенках пор и умень­шают их, образуя своеобразный фильтр, через отверстия которого может пройти только жидкая фаза раствора (чаще всего вода). Вода отфильтровывается в пласт под влиянием перепада давления, рав­ного разнице между давлением столба бурового раствора и пластовым. На стенках скважины образуется фильтрационная глинистая корка. По мере ее утолщения сопротивление прохождению через нее жидкой фазы возрастает, и скорость фильтрации снижается. Величина водоотдачи определяется свойствами фильтрационной корки. Скорость образования и толщина различны и зависят от ряда факторов, в том числе и от качества БР. Высокодиспергированные растворы образуют тонкую, но плотную корку, а грубодисперсные низкокачественные нестабильные растворы образуют толстую, рыхлую и неплотную корку.

Фильтрационная корка характеризуется толщиной и липкостью. Толстая рыхлая корка уменьшает диаметр скважины, приводит при выполнении СПО к образованию пробок и затяжкам бурильного инструмента, к росту перепадов давления на стенки скважины. Липкая корка, даже тонкая, плотная может привести к прихвату бурового инструмента, особенно при бурении глубоких наклонных скважин. При нормальных условиях бурения толщина фильтрационной корки не должна превышать 2 мм.

Водоотдача В при нормальной температуре (+ 20⁰ С) измеряется количеством жидкости в мл, отфильтровавшейся из бурового рас­твора за 30 мин под действием перепада давления в 1 кгс/см² при температуре 20⁰С с площади фильтра 44 см². Для измере­ния В используют один из приборов: ВМ-6, ВГ-1М, ГрозНИИ.

Предельное статическое напряжение сдвига. В буровом растворе, находящемся в покое, образуется сетчатая структура, что приводит к потере его подвижности. Чтобы заставить такой раствор течь, необходимо разрушить эту структуру. Сила, которую надо прило­жить для этого, определяет статическое напряжение сдвига. Величина его выра­жается в миллиграммах силы, действующей на 1 см² поверх­ности раствора (мг с/см²).

СНС характеризует прочность структуры и определяет способность БР удерживать во взвешенном состоянии частицы разрушенной породы и пузырьки газа (воздуха), проникать в трещины и поры ГП и удерживаться там под воздействием нагрузок. Повышать СНС следует в случае, если интенсивность разрушения ГП при бурении достаточно велика и продукты разрушения имеют значительные размеры и плотность, если необходимо утяжелить БР специальными утяжелителями, а также в условиях возможных поглощений БР в трещиноватых или пористых породах. При этом необходимо иметь в виду, что повышенное СНС ухудшает условия дегазации и очистки БР от продуктов разрушения ГПА и посторонних включений.

Предельное статическое напряжение сдвига, измеря­емое на приборе СНС – 2, определяется величиной уси­лия, которое возникает на погруженном в стакан с бу­ровым раствором подвесном цилиндре при вращении ста­кана с определенной ско­ростью.

Водородный показатель. Является важнейшим диагностирующим признаком состояния БР, обуславливающим методы химической обработки.

рН = – lg [H⁺]

В нейтральных растворах рН = 7, в кислых рН < 7 и умень­шается с ростом кислотности. В щелочных растворах рН > 7 и повышается с увеличением щелочности. Концентрация водород­ных ионов рН - важный показатель, определяющий характер физико-химических процессов в промывочной жидкости и необ­ходимость обработки ее реагентами. В каждой дисперсной си­стеме при определенных значениях концентрации водородных ионов наступает максимум и минимум стабильности.

Для различных промывочных жидкостей существует своя оптимальная концентрация водородных ионов, при которой они наиболее полно удовлетворяют требованиям технологии буре­ния в конкретных геолого-технических условиях. Контроль за величиной рН позволяет определить причины изменения свойств промывочной жидкости в процессе бурения и принять меры по восстановлению ее качества. Концентрацию водородных ионов промывочных жидкостей измеряют колориметрическим и элект­рометрическим способами, а также с помощью универсальной индикаторной бумаги по изменению цвета по сравнению с эталонами.

Содержание песка и абразивных частиц. Оно характеризует степень загрязненности БР грубодисперсными фракциями различного минералогического состава. Ими принято считать все мелкие обломки ГП, в том числе комочки недиспергированной глины. Чрезмерное содержание песка приводит к абразивному износу гидравлического оборудования и бурового снаряда, уменьшению механической скорости бурения. Для БР нормальным считается содержание песка до 4 %. Определяют его с помощью прибора – отстойника ОМ – 2.

Стабильность и суточный отстой. Эти параметры используются в качестве технологических показателей устойчивости БР как дисперсной системы.

Показатель стабильности измеряется с помощью прибора ЦС – 2, представляющего собой металлический цилиндр объемом 800 см³ со сливным отверстием в середине. При измерении от­верстие перекрывают резиновой пробкой, цилиндр заливают ис­пытываемым раствором, закрывают стеклом и оставляют в по­кое на 24 ч. По истечении этого срока отверстие открывают и верхнюю половину раствора сливают в отдельную емкость. Ареометром определяют плотность верхней и нижней частей раствора. За меру стабильности принимают разность плотно­стей раствора в нижней и верхней частях цилиндра. Чем мень­ше значение С, тем стабильность раствора выше.

Суточный отстой измеряют с помощью стеклянного мерного цилиндра объемом 100 см³. Испытывае­мую жидкость осторожно наливают в мерный цилиндр до от­метки 100 см³, закрывают стеклом и оставляют в покое на 24 ч, после чего визуально определяют величину слоя прозрачной во­ды, выделившейся в верхней части цилиндра. Отстой выража­ют в процентах выделившейся жидкости от объема пробы. Чем меньше суточный отстой, тем устойчивее, стабильнее промывоч­ная жидкость.

Основная литература – 1 [37-62, 77-84], 2 [47-62], 5 [5-34].

Дополнительная литература – 2 [61-67], 5 [5-25].

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные группы минералов, используемые для приготовления БР.

2. Охарактеризуйте основные свойства глин.

3. Какие катионы являются обменными в глинистых минералах?

4. Какой признак является определяющим в глинистых минералах?

5. Как определяют основные технологические параметры БР?

Лекция № 4. Физико-химические процессы в глинистых растворах. Свойства ГР.

Прежде чем, рассмотреть разновидности ГР, ознакомимся с процессами, протекающими в ГР, что поможет нам понять действие химических реагентов, входящих в состав ГР, а также влияние состава растворов на технологические свойства ГР.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: