Лекция № 5. Растворы на водной основе. Типы глин для приготовления глинистых растворов.

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 %.