Буровые растворы на водной основе

Из буровых растворов на водной основе широко используют глинистые растворы.

Глинистый раствор как коллоидно-суспензионная система. Под глинистым раствором понимают коллоидно-суспензионную систе­му, состоящую из глины, воды и частиц выбуренной породы. Что­бы лучше понять природу и свойства глинистых растворов, рас­смотрим вопрос о смесях твердых веществ с жидкостями. При сме­шивании различных веществ с водой можно получить:

истинные растворы — совершенно однородные и прозрачные растворы, не изменяющиеся при самом долгом хранении;

коллоидные растворы — более или менее мутные растворы, при хранении постепенно превращаются в студень;

суспензии (взвеси) — мутные смеси твердых веществ с водой, очень быстро разделяющиеся вследствие осаждения твердых тел на дно.

Частицы истинного раствора состоят из отдельных молекул, частицы коллоидного раствора — из скопления многих десятков и сотен молекул.

В коллоидных растворах твердые частицы имеют размеры от 0,000001 до 0,0001 мм; в суспензиях они достигают 0,0001... 1 мм.

Свойства коллоидных растворов и суспензий зависят от удель­ной поверхности частиц и их поверхностных свойств. Общая по­верхность частиц, находящихся в 1 см³ коллоидной системы, на­зывается удельной поверхностью. Вода по-разному действует на по­верхность частиц, что объясняется их различными поверхностны­ми свойствами. Если сила сцепления между молекулами твердого тела и молекулами воды сильнее сил сцепления между молекула­ми самой воды, вода прилипнет к поверхности тела и останется на ней даже после извлечения твердого тела из воды. Если же вза­имодействие между молекулами воды сильнее, они не прилип­нут к поверхности тела — смачивания не будет. Тела, смачиваю­щиеся водой, называются гидрофильными, а не смачивающиеся — гидрофобными. Гидрофильные коллоидные частицы в воде покры­ты прочной гидратной (водяной) оболочкой. Чем лучше прилипа­ет вода, тем прочнее и толще оболочка.

Частицы, находящиеся в растворах, отличаются друг от друга размерами, смачиваемостью и электрическими зарядами. Чем круп­нее частицы, тем быстрее они осядут под действием силы тяжести. Осаждение частиц в коллоидных растворах под действием силы тяжести называется седиментацией. Чем выше степень дисперснос-й, тем устойчивее коллоидный раствор. Частички коллоидного раствора непрерывно двигаются в воде. Когда поверхности столк­нувшихся частичек соприкасаются, частицы могут прилипнуть друг к ДРУГУ- Слипшиеся частицы облепляются другими. Комок слип­шихся частиц становится тяжелее и падает на дно. Слипание кол­лоидных частиц называется коагуляцией.

Гидратная оболочка у гидрофильных коллоидных растворов пре­пятствует слипанию. Чем лучше смачивается частица, тем более она защищена от слипания. Гидрофобные частицы не защищены гидратной оболочкой. Раствор, приготовленный из мельчайших ча­стичек гидрофобного вещества, быстро коагулирует. Гидрофобные частицы не слипаются только в том случае, если они имеют оди­наковый электрический заряд. Таким образом, гидрофильные час­тички защищены от слипания гидратными оболочками и электри­ческими зарядами. Гидрофобные частицы защищены от слипа­ния только электрическим зарядом.

Когда коллоидный раствор находится в покое, все частицы постепенно слипаются. В растворе получается сплошная сетка из твердых коллоидных частиц. Вода остается в ячейках сетки и не может свободно перемещаться. Раствор становится прочным, по­хожим на студень. Сетка, образующаяся в коллоидном растворе, называется структурой, а процесс появления ее в растворе — струк-турообразованием. При обычной коагуляции частички, слипаясь друг с другом всей поверхностью, выпадают в осадок. При неполной коагуляции частички, слипаясь только концами, не выпадают в осадок, а образуют структуру. При сильном встряхивании или перемешивании раствора структура разрушается. Раствор при этом становится жидким, подвижным и не имеет упругих свойств. При неподвижном состоянии частицы опять слипаются, и раствор по­степенно загустевает. Свойство раствора разжижаться при стряхи­вании и загустевать при стоянии называется тиксотропией.

Глинистый раствор состоит из частичек глины, находящихся в воде. Частицы глины в растворе имеют разные размеры — от крупных частиц суспензии до коллоидных. Глинистый раствор — смесь коллоидных и более крупных частиц, образующих суспензии, поэтому глинистый раствор называется коллоидно-суспензионной си­стемой. Хотя коллоидных частиц в таком растворе мало, он ведет себя как коллоидный. Глинистый раствор устойчив благодаря за­щите частиц гидратными оболочками и наличию электрических зарядов, как правило, отрицательных.

Коллоидные частицы глинистого раствора имеют форму вытя­нутых листков. При неполной коагуляции образуется структура, обладающая упругими свойствами. Для перемещения раствора не­обходимо разрушить структуру. При встряхивании, перемешива­нии и ппокачке его стпуктупа пазпушается. он оазжижается. его вязкость уменьшается. Глинистый раствор обладает структурной вязкостью. Свойства глинистого раствора имеют большое влияние на процесс бурения. Эти свойства характеризуются целым рядом показателей: плотностью, вязкостью, водоотдачей и т.д.

Глины и глиноматериалы. Основными структурно- и коркообра-зующими компонентами буровых растворов на водной основе яв­ляются неорганические коллоидные вещества — глины. Глинами называют горные породы, которые обладают способностью при смачивании водой приобретать пластичность, т.е. сохранять при­данную им форму. Существует много разновидностей глин. Хими­ческий состав их весьма разнообразен, но общим является содер­жание окисей кремния 5Ю₂ и алюминия А1₂О₃, а также некоторое количество воды. Состав глины условно записывается следующим образом: я8Ю₂А1₂Оз, где п — коэффициент, характеризующий со­отношение между количествами указанных основных соединений.

Глины как материалы для приготовления буровых растворов можно разделить на три вида:

бентонитовые, состоящие в значительной части из минералов группы монтмориллонита;

глины, содержащие минералы всех групп и примеси частиц почвы;

палыгорскитовые.

Эти глиноматериалы различаются поведением в воде, что обус­ловливается физико-химическими свойствами глинистого мине­рала — монтмориллонита, который обладает способностью набу­хать в воде и распадаться (диспергироваться) на мельчайшие ча­стицы. Поэтому бентонитовые глины, состоящие в основном из монт­мориллонита, дают более вязкие растворы, чем глины, состоящие из смеси различных минералов и примесей.

При бурении скважин в солевых породах обычные глины, в том числе бентонитовые, малопригодны для растворов, так как они не диспергируются в солевой воде. В этих случаях более эффективно использование солестойкой глины — палыгорскита. Палыгорски-товые глины в отличие от обычных диспергируются не только в пресной, но и в соленой воде с образованием устойчивых буро­вых растворов.

Из глин изготовляют глинопорошки, которые используются для приготовления глинистого раствора. В некоторых случаях использу­ется и комковая глина, чаще всего из местных карьеров, располо­женных в районах бурения. Производство глинопорошков включает в себя следующие операции: добычу сырья, перевозку его на завод­ские склады, измельчение глины, сушку, помол, затаривание.

В нашей стране для бурения используются бентониты, суббен­тониты, палыгорскиты, низкокачественные каолинит-гидрослю­дистые глины и местные, обычно некондиционные, комовые гли­ны. Технические требования к сырью для приготовления глинопорошков и буровых растворов, методы контроля, правила его при­емки, транспортирования и хранения определяются соответству­ющим техническим условием.

Основным показателем качества (сортности) глинистого сырья является выход раствора (ВР) — число кубических метров гли­нистого раствора заданной вязкости, полученного из 1 т сырья. Чем больше выход раствора, тем выше качество сырья: не менее 15 м³/^т соответствует высшему сорту; 12 м³/т — первому; 9 м³/т — второму; 6 м³/т — третьему и менее 6 м³/т — четвертому.

Расчет количества глинопорошка для приготовления глинистого раствора заданной плотности. Необходимое количество глинопо­рошка для приготовления определенного объема раствора следует рассчитывать с учетом влажности глинопорошка, принимая плот­ность абсолютно сухого порошка равной 2700 кг/м³, а плотность воды — равной 1000 кг/м³:

270(р_р-1000) (2700-р_р)(100-В_г)'

где Ж_г — количество глинопорошка, т; р_р — плотность приготов­ляемого раствора, кг/м³; В_г — влажность глинопорошка, %.

Например, требуется приготовить глинистый раствор плотнос­тью 1200 кг/м³ из глинопорошка влажностью 10%. Подставляя из­вестные величины в формулу (5.1), получим

270(1200-1000)

(2700-1200)(100-10)

т.е. на 1 м³ воды следует взять 0,4 т глинопорошка.

Изменение свойств глинистых растворов в зависимости от вре­мени, химических добавок и механического воздействия. Глинистый раствор имеет способность стареть. Свежеприготовленный глинис­тый раствор по своим свойствам сильно отличается от раствора, простоявшего продолжительное время после затворения. Вязкость и напряжение сдвига у большинства свежих растворов бывают мень­ше, а отстой больше, чем у старых (выдержанных) растворов. При * Существуют понятия «плотность тела» и «удельный вес тела». В первом слу­чае это отношение массы тела к его объему, во втором — отношение веса тела к его объему. До внедрения Международной системы единиц (СИ) применявши­еся системы единиц позволяли считать удельный вес численно равным плотнос­ти, так как веса небольших (по сравнению с Землей) тел можно считать пропор­циональными их массам. Переход к системе от килограмм-силы к ньютону исклю­чил термин «вес» там, где имеется в виду масса. Теперь плотность и удельный вес имеют различные размерности, и это разграничило оба понятия. Если раньше, измеряя плотность глинистого раствора, именовали эту величину удельным ве­сом, то теперь этого делать нельзя. Поэтому в дальнейшем вместо привычного термина «удельный вес промывочной жидкости» мы будем применять термин «плот­ность промывочной жидкости». Размерность плотности в СИ — кг/м³. нагреве глинистого раствора ускоряется процесс его старения. Основным средством регулирования свойств буровых растворов яв­ляется химическая обработка их с помощью различных химичес­ких реагентов. Физико-химическая обработка глинистых растворов преследует следующие цели (по Н.И.Шацову):

улучшить глинизирующую способность раствора низкого каче­ства путем увеличения степени дисперсности твердой фазы;

снизить показатель фильтрации и толщину глинистой корки;

регулировать статические напряжения сдвига;

понизить их вязкость, имеющую тенденцию к возрастанию в процессе бурения из-за насыщения растворов обломками выбу­ренной породы;

получить растворы, которые не глинизировали бы нефтенос­ные и газоносные горизонты;

противодействовать влиянию высоких температур;

предотвращать поглощение промывочной жидкости либо сни­жать ее, или предупреждать другие виды осложнений;

сохранять глинизирующую способность раствора в случае при­тока воды с высокой концентрацией солей или при разбуривай и и соленосных глиноносных толщ;

получать возможность утяжеления раствора до плотности 2500 кг/м³ с сохранением его подвижности.

Все реагенты, добавляемые к глинистому раствору, по влия­нию их на структурно-вязкие свойства растворов и водоотдачу де­лятся на три группы.

1.Реагенты-стабилизаторы (пептизаторы). Представителями этой группы являются щелочные соли лигносульфоновых кислот, ще­лочные соли гуминовых кислот, танниды — дубильные экстракты
в щелочном растворе, а также мыла нафтеновых и сульфанафтеновых кислот. Эти вещества при определенных концентрациях стаби­лизируют частицы глины (препятствуют их коагуляции и пептизируют агрегаты частиц до первичных). Под их влиянием снижается водоотдача глинистых растворов, они сами по себе не повышают, а иногда значительно понижают статическое напряжение сдвига.

2. Реагенты, способствующие образованию структур (структурообразователи). К ним относятся: кальцинированная сода, неко­торые фосфаты, силикат натрия (жидкое стекло), а также едкий натр. Присутствие в растворах этих реагентов вызывает при малых концентрациях снижение вязкости и водоотдачи глинистого ра­створа. Однако это справедливо только при небольших добавках
реагента (0,1... 0,2 %). При избыточных добавках наблюдается загустевание раствора из-за начинающейся коагуляции.

3. Реагенты-коагуляторы. К этой группе относятся нейтральные или кислые соли или кислоты (сульфаты натрия, кальция, магния и др.) которые при больших концентрациях ухудшают качество глинистых растворов.

Определение свойств глинистых растворов. Качество глинистых растворов характеризуют следующие величины.

1.Плотность р —отношение массы глинистого раствора к его объему, кг/м³. Различают кажущуюся (р_каж) и истинную плотность (р). Первая характеризует раствор, содержащий газообразную фазу, вторая — раствор без газовой фазы.

2. Условная (кажущаяся) вязкость В_у, определяемая временем истечения из стандартной воронки определенного объема глинис­того раствора, с. Условная вязкость косвенно характеризует гид­равлическое сопротивление течению, т.е. подвижность бурового раствора.

3. Структурная (пластическая) вязкость г| — сила осложненного трения между частицами твердой и жидкой фаз в глинистом ра­створе, Па-с.

4. Показатель фильтрации (водоотдача) при нормальной темпе­ратуре Ф, определяемый объемом жидкости, отфильтрованной за время пропускания бурового раствора через бумажный фильтр ограниченной площади, см³. Показатель фильтрации косвенно ха­рактеризует способность глинистого раствора отфильтровываться через стенки ствола скважины.

5. Толщина образующейся при этом глинистой корки К, мм.

6. Статическое напряжение сдвига (СНС) 0, определяемое ми­нимальным касательным напряжением сдвига, при котором начинается разрушение структуры в покоящемся глинистом ра­створе, Па. СНС характеризует прочность тиксотропной структуры и интенсивность упрочнения во времени.

7. Динамическое напряжение сдвига т₀, косвенно характеризу­ющее прочностное сопротивление глинистого раствора течению, Па.

8. Концентрация посторонних твердых примесей (условно при­нимаемых за песок) С_п, определяемая отношением числа всех грубодисперсных частиц независимо от их происхождения к общему количеству бурового раствора, %. Характеризует степень загрязне­ния глинистого раствора.

9. Содержание в глинистом растворе частиц породы, по своей при­роде не способных распускаться в воде, С_оп — отмытый песок, %.

10. Стабильность 5₀, г/см³ и седиментация ^, %. ^₀ — величина, определяемая разностью плотностей нижней и верхней частей от­стоявшегося в течение определенного времени глинистого раство­ра, косвенно характеризует способность раствора сохранять свою плотность. 5 — величина, определяемая количеством дисперсной фазы, отделившейся от определенного объема глинистого раство­ра в результате гравитационного разделения его компонентов за этими же методами определяют свойства и других промывочных жидкостей как На водной, так и на неводной основах. При определении параметров буровых раство-ров и контроле за ними в процессе бурения следует пользоваться РД 39-2-645-81 определенное время. Показатель седиментации косвенно характе­ризует стабильность глинистого раствора.

11. Концентрация газа С₀, определяемая объемом газа в едини­це объема глинистого раствора, %. Характеризует степень разгази-рования или вспенивания глинистого раствора.

12. Концентрация твердой фазы С_т, определяемая отношением количества твердого вещества к общему объему глинистого ра­створа, %.

13. Водородный показатель рН, характеризующий щелочность или кислотность глинистого раствора в условных единицах.

14. Смазочная способность глинистого раствора.

15. Удельное электрическое сопротивление р₀, Ом-м.

16. Концентрация коллоидных частиц С_к, определяемая отноше­нием количества частиц размером менее 2 мкм к общему количеству глинистого раствора, %. Характеризует активную составляющую
твердой фазы, наиболее влияющую на свойства бурового раствора.

17. Температура I, °С.