2. Глинистые и малоглинистые буровые растворы

Ни один из известных буровых растворов не отличается универсальностью, т.е. не может выполнять все перечисленные функции одновременно, поэтому применяются различные растворы, отличающиеся составом, свойствами и областью применения. Существует множество различных классификаций буровых растворов, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Определяющим моментом при этом должны служить характерные основные признаки, присущие большинству применяемых буровых растворов. К таким относятся: состав дисперсионной среды и дисперсной фазы, степень и состав минерализации, состав наполнителей, щелочность, химическая обработка и способ приготовления.

Можно выделить класс бурового раствора «глинистые растворы специального назначения», в свою очередь он подразделяется на различные типы глинистых и малоглинистых растворов.

2.1 Глинистые растворы

Глинистый раствор представляет собой коллоидно-суспензионную систему, в которой механическим путем смешаны глина и вода. Исходным материалом для глинистого раствора является глина.

Из общего объема осадочных пород на долю глинистых приходится около 70%. Глинистые породы составляют значительную часть разреза бурящихся скважин во многих районах, но даже в тех районах, где мощность глинистых пород не велика, они оказывают большое влияние на условия бурения. К их числу относят глины, лёссы, суглинки, аргиллиты и др.

Глинистые породы состоят из большого числа разнообразных минералов и примесей и отличаются от других горных пород специфическими свойствами, из которых наиболее важными являются пластичность, набухаемость, гидрофильность и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички. В химическом отношении глины представляют собой водные алюмосиликаты.

По минералогическому составу глины делятся на четыре основные группы, отличающиеся друг от друга химическим составом, структурой кристаллической решетки и свойствами:

• монтмориллонитовые (монтмориллонит, сапонит, нонтронит, вермикулит);

• каолинитовые (каолинит, накрит, диккит, галлуазит);

• гидрослюдистые (гидромусковит, иллит, гидробиотит);

• палыгорскитовые (палыгорскит, сепиолит, аттапульгит).

Монтмориллонит

Название этого минерала получено от французского г.Монморийон, где эта глина впервые была получена в 1874г.

Монтмориллонитовые глины среди специалистов по бурению скважин принято называть бентонитовыми или просто бентонитом.

История появления термина «бентонит» такова: в 1897 году в США появилось сообщение о том, что Уильям Тейлор из штата Вайоминг, со следующего года начнет продавать особую глину, обнаруженную в сланцевых отложениях форт-бентон мелового возраста.

Монтмориллонит образуется при разложении или выветривании вулканических пеплов.

Если накопление глины происходило в морских бассейнах, характеризующихся высокой концентрацией NaCl, то на глинистых частицах осаждались преимущественно катионы Na+ и K+ (натриевый монтмориллонит или бентонит).

В пресноводных бассейнах на глинистых частицах осаждались преимущественно катионы щелочно-земельных металлов – Ca2+, Mg2+ (кальциевый монтмориллонит или бентонит).

Бентонитовая глина применяется для приготовления глинистого раствора с высокими показателями, она способствует снижению водоотдачи, уменьшению удельного веса, повышению коллоидальности.

Бентонитовая глина в большинстве случаев поступает в виде больших кусков, которые замачиваются до получения тестообразной массы, добавляемой в ранее приготовленный раствор. Ее добавки обычно не превышают 20%.

Гидрослюда

Гидрослюдистые минералы преобладают во многих минеральных глинах, широко применяющихся в качестве местных материалов для буровых растворов. Гидрослюды образуются как в щелочной, так и в нейтральной и слабокислой средах в присутствии достаточного количества ионов калия. Этим объясняются положительные свойства калиевых добавок для укрепления глинистых пород. Для гидрослюдистых минералов характерна высокая коллоидальность, сравнительно большие емкости обмена, хорошие адсорбционные свойства. Они занимают промежуточное положение между монтмориллонитовыми и каолинитовыми минералами.

Каолинит

Каолинит имеет сильную водородную связь между слоями, препятствующую разбуханию кристаллической решетки и проникновению воды между пакетами. Основная поверхность частиц адсорбирует небольшую часть замещаемых катионов, поэтому такие глины плохо диспергируются в воде.

Каолинитовые глины в чистом виде для приготовления буровых растворов не применяются. Однако они являются составной частью глин других типов и поэтому являются важным компонентом твердой фазы растворов.

Полыгорскит

За рубежом – аттапульгит (населенный пункт Аттапульгус, штат

Джорджия, где в 1935 г. впервые были отобраны для исследований пробы

этой глины).

Палыгорскитовая глина представляет собой смесь минералов полыгорскита и монтмориллонита. Она отличается волокнистым строением, высокой гидрофильностью, обладает способностью одинаково хорошо набухать как в пресной, так и в соленой воде независимо от концентрации хлористого натрия и степени обработки химическими реагентами. При этом обеспечивает устойчивые вязкости и суспензии без увеличения водоотдачи при воздействии гипса, хлористого кальция, магния и др.

Главной особенностью палыгорскита («солт-джел» – солоноватая

глина) является способность диспергироваться и образовывать структу-

рированные суспензии в соленасыщенной воде. При этом получение ус-

тойчивых структурированных суспензий достигается благодаря неупоря-

доченности структуры, которая образуется путем механического зацепле-

ния друг с другом игольчатых частиц.

Для полыгорскитовых глин характерны замедленные пептизация и размокание. Попытки форсировать их механическим диспергированием приводят к повреждению волокон и кристаллической решетки. Поэтому более эффективно диспергирование в водной среде путем продолжительного перемешивания.

Кроме перечисленных групп минералов в глинах содержатся в различных количествах оксиды железа (Fe₂O₃), щелочных металлов (Na₂О, K₂O), щелочноземельных металлов (CaO, MgO). Присутствие в глинах оксидов во многом определяет их свойства. Оксиды металлов связаны с глинистыми минералами различно. Часть их может входить в состав глинистых минералов, замещая оксиды алюминия, часть же их связана с глинистым веществом слабее и представляет собой обменные образования. В глинистых минералах обменными катионами являются Са²⁺, Mg²⁺, К⁺, Na⁺, Н⁺, NН₄⁺. В природных глинах к основным обменным катионам относится натрий и кальций, поэтому глины получили название соответственно натриевых или кальциевых.

Глины с натриевым основание характеризуются хорошим набуханием, быстрым распаданием на тонкодисперсные частицы, способные оставаться во взвешенном состоянии неопределенно долгое время. Раствор из натриевой глины не дает совсем или дает очень незначительный отстой; он обладает небольшой водоотдачей (12-20 см³ за 30 мин.), быстро размешивается в глиномешалке. Глины с кальциевым основанием плохо размешиваются в глиномешалке, дают большой суточный отстой и требуют обязательной обработки такими химическими реагентами, как УЩР, КМЦ, крахмал; значительно повышают крепящее действие глинистых пород.

Присутствие в глине песка, гипса, соли, извести резко понижает качественные показатели глинистого раствора.