Использование процесса кристализация электролитов при бурении скважин

Как показали исследования Б.В. Дерягина и др, гидратные пленки (слой прочносвязанной воды) вокруг частиц электролита обладают особой структурой, более высокой плотностью и вязкостью, чем у свободной воды. При этом плотность и вязкость связанной воды возрастают, с уменьшением толщины частиц, т.е. при увеличении их концентрации. В непосредственном контакте молекул воды с частицами сила межмолекулярного взаимодействия достигает сотен мегапаскалей.Различна и температура замерзания связанной воды, достигает до минус 78.

Способность электролитов кристаллизоваться и снижать температуру раствора используют в практике бурения скважин для предотвращения замерзания бурового раствора в скважине при низкой температуре в раствор вводят электролит: поваренную соль или хлористый кальций. Чем ниже температура воды в скважине, тем больше добавлеяется электролита. При введении поваренной соли для понижения температуры замерзания раствора на 1°С следует добавлять соли 15-17 кг/м³.

На основании способности растворов электролитов при охлождении кристаллизоваться в Красноярской филиале СНИИГиМСа разработан способ кольматации трещиноватых пород. Способ заключается в закачивании в трещиноватый пласт насыщенные термосолевые растворы, которые остывая в трещинах пласта, кристаллизуются и закупоривают трещины, предотвращая потери промывочной жидкости.

Процесс приготовления смеси состоит из растворения хлористого кальция и добавок: полимера и сульфата алюминия в воде. Температура раствора при растворении соли повышается до 65-70 С. Добавки сульфата алюминия повышают гидрофильность, скорость кристаллизации и прочность камня, а добавки полимера повышают прочность структуры смеси

Рецептура тампонажной смеси приведена в таблице 4.5

Таблица 4.5

Состав, %						Температура кристаллизации		Фильтрат %		Размываемость		Скорость растворения камня 10-2 мм/мин
CaCl2		Вода	Добавки
56,5	43,5			-		26		8		50,8		5,8
56,5	39,1			Al2(SO4)3-4,4		20		0		38,1		4,8
56,5	40,7			КМЦ – 2,8		21		0		5,6		4,5
56,5	41,4			ПАА – 2,1		32		0		5,0		4,5

4.5 Растворы с конденсированной твердой фазой

В настоящее время широкое распространение получили коллоидные растворы с искуственно приготовленными коллоидными частицами – растворы с конденсированной твердой фазой

Для получения конденсированной твердой фазы используют легкорастворимые в воде соли, вступающие друг с другом или с водой в реакцию с получением нерастворимых или малорастворимых, но гидрофильных соединений.

Так, в результате гидролиза бишофиты MgCl₂ в растворе появляются основания Mg(ОН)₂, и кислоты HCl

MgCl₂+HOH=Mg(OH)₂+HCl

Благодаря наличию полярных групп – ОН вокруг микрокристаллов Mg(OH)₂ в воде образуются сольватные слои значительной величины, в результате чего раствор в спокойном состоянии образует струкетуру - гидрогель. Поэтому буровые растворы с конденсированной твердой фазой, содержащей гидроксильную группу, получили название гидрогелей (в данном случае гидрогель магния).

С целью получения твердой фазы с большой удельной поверхностью и большей агрегитивной и седиментационной устойчивостью рост частиц твердой фазы ограничивают введением в раствор полимеров (чаще всего КМЦ). Адсорбируясь на миерокристаллах Mg(OH)₂, КМЦ не только ограничивает рост кристалла, но и активируте поверхность твердой фазы.

Подобные гидрогели могут образовывать гидроксиды трех- и четырхвалентных элементов: Al(OH)₃, Si(OH)₄ и т.д. В отличие ит двухвалентных, которые образуют гидроксиды только в щелочной среде, трех- и четырехвалентные элементы образуют гидроксиды даже в кислой среде. Так, например, гидроксид алюминия появляется уже при pH=5. При действии на кислые растворы солей алюминия щелочью из раствора выпадает студенистый осадок гидрогеля алюминия.

Кремниевые кислоты H₂O•SiO₂, Si(OH)₄ в растворе также образуют гидрогели.

При высушивании гидрогелей получают аэрогели: алюмогели, силикагели.

Предотвращая сращивание микрокристаллов с помощью полимеров, получают стойкие структурированные растворы.

Наряду с гидрогелями широкое распространение получают промывочные жидкости с конденсированной твердой фазой, образованной из двух взаимодействующих в растворе друг с другом солей:

Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃+2Na⁺+2Cl^-

Na₂SiO₃+CaCl₂=CaSiO₃+2Na⁺+2Cl^- и т.д.

или двух солей и воды:

Al(SO₄)₃+3CaCl₂+3H₂O=3CaSO₄+2Al(OH)₃+3H⁺+3Cl^-

Полученные таким образом соли также имеют гидрофильные функциольные группы и способны образовывать гели, поэтому их называют солегелями и гидросолегелями.

С целью ограничения роста кристаллов и гидрофилизации твердой фазы так же, как и при получении гидрогелей, в раствор добавляют полимеры: КМЦ, гипан, крахмал. Тип солегелей определяется по наименованию аниона и катиона конденсированной соли (сульфатно-кальциевый солегель, силикатно-кальциевый солегель, алюмосиликатный солегель) или по названию соли (например, гипсовый солегель).

Гидрогели и солегели при бурении соленосных отложений для максимально возможного снижения растворяющей способности промывочной жидкости насыщают солями одновалентных или двухвалентных металлов в зависимости от требуемой соли. В таблице 4.2 приводится состав некоторых гидро- и солегелей, применяемых для бурения соленосных отложений.

Таблица 4.2

Состав гидрогелей и солегелей, применяемых в России для бурения соленосных отложений

Наименрование Раствора	Электролиты , %	Полимер, %	Соль для насыщения раствора, %	Активатор, %
Гидрогель магния	MgCl2-28,0-30,0 NaOH-1,5-2,0	КМЦ-0,2-2,5 КССБ-4- 3,0-0,5	NaCl-26
Соленасыщенный гипсовый солегель	Al(SO4)3-2 CaCl2-2	МК-0,8-2,4	NaCl-26 (MgCl2-28)	NaOH-0,2 УЩР-1-3
Соленасыщенный силикатно-кальциевый гидросолегель (ПСКР)	Na2SiO3-8-10 CaCl2-3-4	КМЦ-1,5-2	NaCl-26 (MgCl2-28)
Соленасыщенный аллюмосиликатный гидрогель (ПАСР)	Al(SO4)3-0,7-1,5 Na2SiO3-2-5	КМЦ-1,5-2	NaCl-26 (MgCl2-28)	NaOH-0,2