68. Ингибиторы гидратации и набухания глин

Силикат натрия или калия (жидкое стекло) получают при плавке кварцевого песка с кальцинированной содой или поташем (К₂С0₃). В бурении используется с 1935 года (США) в виде водного раствора силиката натрия от светло-желтого до желто-коричневого и серого цвета с р = 1.36-1.50 г/см⁵ и модулем n = 2.82-3.22 (n=SiO₂:Na₂O) в соответствии с ГОСТ 13078-87.

Жидкое стекло (Na₂Si0₃, K₂Si0₃) относится к гидролитическим щелочам и предназначено для предупреждения набухания и гидратации, особенно кальциевых глин, так как фильтрат бурового раствора оказывает крепящее действие, возрастающее с увеличением концентрации жидкого стекла (до 5.0%).Это объясняется его взаимодействием с обменным кальцием глин с образованием кальций-силикатного цемента. Эффективна обработка гипаном и 2-5% жидкого стекла, а также применение малосиликатных буровых растворов и силикатных ванн. Добавка жидкого стекла 2-5% увеличивает коллоидность глин за счет обогащения их силикатами, повышает термостойкость растворов обработанных КМЦ до 180 ⁰С и является сильным структурообразователем, поэтому оно используется при ликвидации поглощений в составе быстросхватывающихоя смесей. Небольшие добавки жидкого стекла (0.1-1.0%) интенсивно снижают вязкость пресных буровых растворов при обычных и высоких температурах. Жидкое стекло связывает катионы поливалентных металлов, образуя труднорастворимые соединения, что может предотвратить «порчу» раствора и использоваться при ликвидации поглощений. Следует учесть, что силикатная обработка и известкование несовместимы, ввиду образования осадка в вице труднорастворимого силиката кальция. Так как силикаты натрия и калия имеют щелочную реакцию (рН около 12), то при работе с ними необходимо соблюдать меры предосторожности

Хлорид калия (КCl) представляет собой мелкокристаллический светлый порошок с р = 1.98 г/см³ в соответствии с ГОСТ 4568-95 и ТУ 2152-018-00203944-95 и применяется в качестве основного носителя иона К⁺ в калиевых буровых растворах с 1963 г (США) при добавке от 3 до 20% в зависимости от типа глинистых пород. Механизм повышения устойчивости глин заключается в том, что КС1 при температуре до 45 ⁰С проявляет отрицательную гидратацию, предупреждая набухание глин и повышая подвижность молекул воды, увеличивая тем самым проникающую способность малого размера иона К⁺, который связывает элементарные частицы монтмориллонита между собой, предотвращая их гидратацию.

Сульфат кальция (гипс) — CaS0₄-2H₂0 — представляет собой порошок белого цвета с р = 2.32 г/см³, который с повышением температуры и давления переходит сначала в CaSO₄0.5H₂O (алебастр), затем в ангидрит (CaS0₄). Применяется, в основном, для приготовления гипсовых буровых растворов в качестве ингибитора гидратации и набухания натриевых глин при добавке 2.15-5.15 мг.экв/л или 2.15-40.08/172.17 = 500 мг/л и 5-15-40.08/172.17 = 1200 мг/л иона Са²⁺. Высокое содержание гипса связано с его низкой растворимостью (см.прил.1), где при 20 ⁰С в 1 л воды растворяется 2,04 г гипса, а в 1 литре 20%-ного раствора NaCl 5.9 г CaS0₄-2H₂0. Кроме этого, происходит большая степень замещения катионов Na* в глине, превращая последнюю в глину кальциевого типа, которая плохо диспергирует и стремится выпасть в осадок. При этом снижается вязкость, СНС и рост фильтрации бурового раствора, а при увеличении добавки гипса происходит рост вязкости, поэтому необходимо применять понизители вязкости. Гипс выпускается по ГОСТ 4013 предприятиями строительной промышленности.

Гидроксид кальция (известь) — Са(ОН)₂ — представляет собой белый порошок с р = 2.24 г/см³, рН = 12.52, имеющий малую растворимость в воде, которая еще снижается с повышением температуры из-за образования нерастворимых алюмосиликатов кальция и рН. Если рН в системе равен 12 и более, то ион Са²* находится только в виде гидроксида. Для удаления избыточной извести лучше применять бикарбонат натрия, а не карбонат натрия, дающий две молекулы NaOH.

Ca(OH)₂+NaHCO₃-*CaCO↓+NaOH+H₂O

Но и это количество шелочи в данном случае нежелательно, тогда

Ca(OH)₂+NaHCO₃+CaSO₄→CaSO₃↓+Na₂SO₄+H₂O.

По этой же схеме удаляется и избыточное количество NaOH. Известь применяется в известковых глинистых растворах, в качестве регулятора рН хлорокальциевых растворов, структурообразователя и термостабилизатора в растворах на углеводородной основе (ИБР). Необходимая добавка извести в известковые буровые растворы составляет 0.1850.55 мг.экв/л или 0.185 40.08/74.08 = 100 мг/л и 0.55-40.08/74.08 = 300 мг/л иона Caⁱ⁺. Механизм взаимодействия извести с поверхностью глинистых минералов заключается в образовании гидросиликата кальция, который частично блокирует активные центры поверхности глинистых минералов, вызывая уменьшение ее гидрофильности. При этом количество связываемой глиной извести в несколько раз больше ее обменной емкости, что зависит от природы минералов. Протекающее в начале ионообменное замещение натрия глины на кальций играет подчиненную роль и существенна не влияет на физико-химические свойства глин и их водных суспензий» Следует учесть, что количество извести в буровом растворе должно быть с некоторым избытком, который расходуется по мере ее связывания глиной, поэтому система называется саморегулирующейся. Известь применяется в виде известкового молокане плотностью 1.10-1.12 г/см в зимних условиях, и при минерализации по NaCI до 5% и 1.18-1.20 г/ом в летних условиях. При использовании негашеной извести (СаО), взаимодействующей с углекислым газом воздуха, она образует карбонат кальция (известняк), поэтому должна храниться в закрытой таре для предупреждения потери ее активности. Известь выпускается по ГОСТ 9179-84 предприятиями строительной промышленности.

Хлорид кальция (СаС1₂) представляет собой белый, очень гигроскопичный порошок с р = 2.512 г/см , хорошо растворимый в воде с выделением тепла, причем растворимость повышается с увеличением температуры. При растворении кристаллогидрата (СаС1₂-6Н₂0) происходит охлаждение раствора. В бурении СаС1₂ используется, в основном, в виде раствора с р = 1.35-1.40 г/см³ для приготовления хлоркальциевого раствора (содержание иона Са²⁺ 3000-4000 мг/л), в качестве ингибитора гидратации и набухания глинистых пород; в растворах на углеводородной основе, при капитальном ремонте скважин и т.д. Механизм действия хлорида кальция связан с катионообменными процессами иона Са²* на ион Na⁺ глины и значительным снижением ее гидрофильное™. Так, набухание палыгорскита в растворе СаС1₂ 0.5%-ной концентрации практически не меняется, а в растворе СаС1₂ 2%-ной концентрации снижается период набухания в 2 раза. Набухание бентонита в данных условиях резко уменьшается в первом случае и изменяется незначительно во втором, с уменьшением периода набухания в 3-5 раз.

Хлорид натрия (NaCI) представляет собой белый кристаллический, очень гигроскопичный порошок с р = 2.165 г/см³, хорошо растворяющийся в воде. Применяется для приготовления высокоминерализованных глинистых растворов перед вскрытием каменной соли, в качестве структурообразователя (добавка 0.5-1.0%) пресных глинистых растворов, заготовленных из натриевых и натриево-кальциевых глин, как антиферментатор пищевого крахмала и частично, как ингибитор набухания глин. В 5%-ном растворе NaCI, имеющим удельное электрическое сопротивление 14.9 Ом-см, набухание глин резко снижается, а при большей концентрации изменяется незначительно. Насыщение хлоридом натрия пресных растворов является обязательной технологической операцией, предотвращающей образование каверн. Например, если при 57°С растворяется 375 кг NaCI на 1 м воды, то при промывке пресным раствором объемом 200 м³, содержащем 25% твердой фазы, со стенок скважины растворится 0.75-200-375 = 56.25 т NaCI, занимающей объем 26 м³.

Бишофит (MgCl₂-6H₂0) представляет собой шестиводиую соль хлорида магния, в виде очень гигроскопичных чешуек, хорошо растворяющихся в воде любой минерализации. В настоящее время используется, в основном, обезвоженный технический хлорид магния для получения растворов на основе гидрогеля магния, где содержа- ние других солей должно быть ограничено во избежание их выкристаллизации. Для получения насыщенного раствора хлорида магния необходима добавка 306% бишофита или 54.5% MgCl₂, при растворении которого выделяется большое количество тепла. В качестве носителей ионов калия и магния могут использоваться другие калий но-магниевые соли, а также отходы промышленного производства.Примечание. Все соли — хлориды предназначены для предупреждения замерзания буровых растворов и направления осмотических процессов из пласта в скважину.

Алюминат натрия (NaA10₂) впервые внедрен в 1929 г (США) и представляет собой светлую жидкость с р = 1.3-1.5 г/см³, получаемую путем растворения оксида или гидроксида алюминия в растворе NaOH, содержание которой составляет 230-400 г/л, рН = 11-12, каустический модуль (отношение Na₂0/A!₂0₃) не менее 1.6-1.8. Реагент является ингибитором набухания глинистых пород в пресных и минерализованных растворах, понизителем вязкости и усилителем стабилизирующей способности ССБ в алюминатных растворах при добавке 4%. Вместо алюмината натрия можно использовать глиноземистый цемент (2%) совместно с каустической содой. Механизм действия, такой же как и других ингибиторов-электролитов, заключается в катионообменных процессах между ионами Al³⁺ и Na⁺ глины, со значительным снижением ее гидрофильности.