4.3Роль электролитов

Промывочные жидкости, применяемые для бурения соленосных отложений

Основным свойством промывочной жидкости для бурения соленосных отложений должна быть малая растворяющая способность, которую достигают за счет насыщения бурового раствора солью и введения гидрофобной жидкости (нефти или дизтоплива). В зависимости от содержания нефти промывочные жидкости принято делить на соленасыщенные с добавкой нефти и растворы на нефтяной основе (при высокой концентрации нефти 45% и более),стабилизированные эмульгаторами .

В качестве стуктурообразователя обычно используют активированную щелочами солестойкую палыгорскитовую глину (необработанный глинистый и соленасыщенный) или стабилизированную полимерами высококоллоидальную глину, также активироваанную щелочами, реже конденсированную твердую фазу (гидрогели, солегели, высоленные лигносульфонаты), стабилизированную полимерами.

Необработанный соленасыщенный глинистый раствор применяют для бурения галита без пропластков терригенных отложений .В качестве твердой фазы он содержит солестойкую глину (каолинит ,палыгорскит ), активитрованную щелочью .

В качестве гидрофобизирующей добавки -8-10% нефти. Соль (галит) вводят до полного насыщения раствора .

Стабилизированный соленасыщенный раствор применяют при бурении соленосных отложений галита с пропластками глинистых пород. От необработанного раствора отличается наличием полимеров - стабилизаторов глинистой фазы : крахмала,КМЦ ,ПАА и разжижителей - лигносульфонатов :ССБ ,ФХЛС КССБ для сниения вязкости раствора, повышающейся вследствии поступления глины в раствор в процессе бурения терригенных пород.

При бурении солей поливалентных металлов промывочные жидкости ,насыщенные солями одновалентных металлов не пригодны .Для насыщения раствора требуются соли с валентностью солей не ниже ,чем валентность перебуриваемой соли .

Ингибирующие растворы

Большие осложнения наблюдаются при бурении глинистых пород Глины ,как известно , представляют собой совокупность гидрофильных частиц различной величины и различного минерального с остава .Основную роль в химических процессах играют коллоидные глинистые частицы , имеющие отрицательный заряд . В результате отрицательного заряда частицы активно взаимодействуют с молекулами – диполями воды .

При бурении гидрофильных глинистых пород происходит «всасывание» воды породой, последняя насыщается водой, набухает, диспергирует и обваливается. Для профилактики набухания глинистых пород применяют ингибирующие глинистые растворы, содержащие электролиты, способные нейтрализовать отрицательный заряд глинистых частиц и «сшивать» их. В качестве ингибиторов набухания применяют как соли одновалентных металлов NaCl, KCl частично нейтрализующие заряд глинистых частиц, так и соли поливалентных металлов , ,гипс, , катионы которых способны «сшивать» глинистые частицы. Названия, ингибирующие растворы получили по названию соли: известковые, хлоркальциевые, гиксокальциевые, алюмокалиевые и.т.д.

Нейтральные глинистые частицы не способны активно «всасывать» воду толщина гидратного слоя понижается, расстояние между частицами также понижается до величины действия межмолекулярных сил и прочность связей между частицами и прочность глины в целом возрастает,что и предотвращает набухание горной породы.

Катионы раствора способны нейтрализовать заряд не только глинистых частиц горной породы, но и глинистых частиц раствора. Поэтому в ингибирующий раствор добавляют защитные реагенты (полимеры), а для снижения вязкости загущенного таким образом раствора добавляют разжижители (лигносульфонаты, ССБ, окзил, КССБ) и пеногасители (ПГ). Полимеры в данном случае выполняют роль не только защитных реагентов, но и понизителей фильтрации раствора. не только предотвращают коагуляцию глинистого раствора, но и создают вместе с электролитами на стенках скважин водонепроницаемую пленку.

Таблица 4.3

Промывочные жидкости, применяющие при бурении высоколлодиальных уплотненных глин (ингибирующие промывочные жидкости)

Промывочный раствор	Структурообразователь, %	Ингибитор диспергирования горной породы,%	Ингибитор разупрочнения	Разжижитель,%	Активатор твердой фазы,%	Добавки пеногасителя,%
Хлор-калиевый	Глина 5-10	КМЦ (М-14 крахмал)0,5-1 КССБ-3-5	KCl-3-5	-	KOH-0,5-1	ПГ-0,2-0,3
Известковый	Глина 8-10	КМЦ-0,1-0,3 КССБ-2-3	-0,3-0,5	ССБ-3-5	УЩР-0,5-1 NaOH-0,3-0,5	ПГ-0,2-0,3
Гипсово-известковый	Глина 6-15	КМЦ-0,3-0,5	-0,2-0,3 Гипс-1,5-2	Окзил (ОССБ)-0,5-1 -0,05-0,1	KOH-0,2-0,3	ПГ-0,3-0,5
Калиево-гипсовый	Глина 6-15	КМЦ-0,5-1	KCl-1-3 Гипс-1-1,5	Окзил (КССБ-4) 3-5	KOH-0,5-1	ПГ-0,2-0,3
Калиево-известковый	Глина 6-10	КМЦ-0,3-0,5	-0,2-0,3 KCl-2-3	Окзил (КССБ-4) 3-5	КOH-0,1-0,2	ПГ-0,2-0,3

Модифицирующие полимерполисолевые растворы

Под модификацией горной породы будем понимать ее упрочнение. Для модификации горных пород также следует применять электролиты способные образовывать с глинистыми частицами прочные связи- электролиты поливалентных металлов .Для предотвращения коагуляции раствора также нужно в раствор вводить полимеры .

Однако проведенные исследования показывают , что хотя такие растворы вначале и повышают прочность корки ( поверхности ) глинистого образца,но с течением времени в результате просачивания воды через гидрофильную полимерминеральную пленку глина набухает и образец растрескивается .Очевидно , что для предотвращения «всасывания» воды глиной необходимо нейтролизовать глинистые частицы за пределами образованной корки . Для этого можно использовать электролиты с подвижными одновалентными катионами , способными проникать в глубину образца .Проведенные исследования показали , что к таким растворам относятся полимерполисолевые растворы, основными компонентами которых являются :

полимеры-ингибиторы диспергирования, (защитные реагенты);

соли одновалентных металлов-ингибиторы гидратации, с весьма подвижными «гидрофобными» катионами, способными проникать в неуплотненные глины на значительную глубину;

соли поливалентных металлов - модификаторы глины, с катионами, способными «сшивать» глинистые частицы или родственные глине по химическому составу анионами, способными достраивать кристаллическую решетку, заполнять поры, повышать плотность и прочность горной породы назовем крепящими растворами

«Сшивающие» анионы и катионы весьма гидрофильны, в контакте с глиной активно взаимодействуют с глинистыми частицами, образуя плотный модифицированный слой, который не позволяет поливалентным ионам глубоко проникать в объем глин. Поэтому, как правило, модифицированный слой небольшой толщины.

В результате нейтрализации заряда глинистых частиц катионами, как отмечено выше, происходит их коагуляция и «сшивание ».

Концентрация, ионов при которой происходит полная коагуляция и сшивание частиц (порог коагуляции) зависит от валентности ионов и подчиняется «закону шестой степени» Дерягина:

%,

где -порог коагуляции, z- валентность сшивающего катиона, В-константа коагуляции.

Период коагуляции и « сшивания» частиц зависит от дисперсности и разновидности глинистых частиц породы, вязкости и температуры бурового раствора.

Электролиты понизители замерзания раствора

Большинство ионов в растворе прочно связываются с окружающими их молекулами воды,образуя гидратные комплексы : , и.т.д. Вода в гидратах отличается большей плотностью и вязкостью, пониженной температурой замерзания.

Молекулы (диполи) воды, вокруг катионов, своим отрицательным полюсом повернуты в сторону катионов, а положительным в обратную сторону и таким образом гидратированный катион сохраняет положительный заряд. Молекулы воды, вокруг анионов, повернуты своим положительным полюсом в сторону аниона, а отрицательным в обратную и гидратный комплекс также оказывается с отрицательным зарядом.

При взаимодействии гидратных комплексов анионов и катионов образуются кристаллогидраты. Прочная связь между ионами и молекулами воды сохраняется и в кристаллогидратах. Анализ таких кристаллогидратов показывает, что в них содержатся указанные выше гидратные комплексы анионов и катионов.

Наличие в растворе гидратов также как и в глинистых растворах понижает температуру замерзания раствора.

Количество гидратированных молекул воды в гидратах и кристаллогидратах зависит от концентрации электролитов и количества воды в растворе.

Для примера рассмотрим процесс изменения структуры раствора серной кислоты.

При постепенном разбавлении серной кислоты водой (до 25%) происходит диссоциация молекул , на что затрачивается энергия, и температура замерзания снижается до -40 . При увеличении количества воды в растворе с 25 до 40% происходит постепенная гидратация молекул и при 40% появляются в растворе гидраты а температура замерзания при диссоциации этого раствора понижается до -60 и т.д.

Получение кристаллов из солевого раствора можно использовать для кольматации трещин в случае потери промывочной жидкости при бурении скважин .

При бурении скважин в мерзлых породах , где требуются растворы с низкой температурой замерзания применяют солевые или полимерсолевые растворы, в которых используют электролит NaCl раствора с гидрофобным катионом , способным понижать температуру раствора. При введении в раствор NaCl на каждые 15-17 кг/ температура замерзания раствора понижается на 1 C