Лекции ХТБР ГБ,БГБ-08 / л-9н2

9. СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

9.1. Классификация реагентов для химической обработки промывочных жидкостей

В настоящее время существует ряд классификаций химиче­ских реагентов. Имеются классификации по назначению, хими­ческому составу, растворимости, солестойкости, термостойко­сти и др. Сложность классификации реагентов заключается в неоднозначности проявления их свойств в различных условиях. Так, характер действия ряда реагентов зависит от типа глины (твердой фазы), степени солености дисперсионной среды и ее состава, температуры и т. д. Реагент, выступающий в пресных растворах как структурообразователь и понизитель водоотда­чи, в минерализованной среде может вести себя как разжижи-тель, повышающий водоотдачу, и наоборот.

Многие реагенты обладают комбинированным действием. Например, вещества, понижающие водоотдачу, могут снижать и вязкость. В то же время среди понизителей водоотдачи встре­чаются реагенты, повышающие вязкость, т.е. обладающие структурообразующими свойствами. Характер наиболее опти­мального действия реагента определяется его концентрацией, которая зависит от условий применения. В то же время сущест­венное отклонение концентрации от оптимальной может изме­нять характер действия реагента на обратный. Все это затруд­няет создание единой классификации реагентов, поэтому их подразделяют по одному или двум признакам.

Наиболее целесообразна классификация реагентов, по соста­ву и назначению, в которой все вещества делятся на неоргани­ческие - реагенты-электролиты и органические - реагенты-стабилизаторы (защитные коллоиды). И в ту и в другую груп­пы входят вещества специального назначения (функциональ­ные и многофункциональные добавки). Детальное деление ре­агентов каждой группы приведено на рис. 9.1.

Реагенты классифицируются по основному эффекту воздей­ствия на промывочную жидкость.

Рис 9.1 Классификация реагентов для регулирования свойств промывочных жидкостей

Однако в ряде случаев ре­агенты оказывают побочное действие, которое может привести как к положительному, так и отрицательному эффекту. Комби­нируя реагенты различных групп, можно усилить желательное и ослабить нежелательное действие химической обработки.

Использование реагентов сопровождается рядом явлений, из которых наиболее важные - сенсибилизация, аддитивность, си­нергизм, антагонизм, привыкание.

Сенсибилизация проявляется в ухудшающем действии защитных реагентов, если они добавляются в незначительных количествах. Применительно к электролитам сенсибилизация приводит к снижению порога коагуляции.

Аддитивность характеризуется независимым действием реагентов. Эффект аддитивного действия двух или более реаген­тов является арифметической суммой эффектов каждого.

Синергизм - это взаимное усиление действия компонен­тов по сравнению с эффективностью каждого из них порознь. Синергизм - основа комбинированных обработок двумя, тремя и большим числом реагентов, наиболее эффективных в совре­менной практике бурения. Здесь необходимо иметь в виду, что эффективно далеко не каждое сочетание реагентов.

Антагонизм связан с противодействием реагентов друг другу. При антагонизме реагентов для получения требуемого эффекта их нужно добавить больше, чем это необходимо по правилу аддитивности. Крайняя степень проявления антаго­низма - несовместимость реагентов.

Привыкание проявляется в постепенном снижении эф­фективности действия реагентов при повторных добавках.

Полностью механизм всех этих явлений не изучен. В основе их лежат принципы нейтрализации зарядов частицы твердой фазы, сжатие адсорбционных слоев, взаимодействие между функциональными группами реагентов и целый ряд других.

9.2. Неорганические реагенты (электролиты)

Неорганические реагенты делятся на реагенты многофунк­ционального действия и ингибиторы. К первым относятся ще­лочные реагенты и неорганические вещества полимерного ха­рактера.

Ингибиторы являются коагуляторами дисперсных си­стем, повышают вязкость, статическое напряжение сдвига рас­твора, при этом увеличивается показатель фильтрации. Они применяются, как правило, в комбинации с другими реагента­ми, в первую очередь с реагентами-стабилизаторами, которые ослабляют отрицательное действие ингибиторов, на реологичес­кие и фильтрационные свойства промывочных жидкостей. К ин­гибиторам относятся природные соли, искусственные соли и вя­жущие вещества.

К щелочным реагентам относятся кальцинированная сода Na₂CO₃, каустическая сода (едкий натр) NaOH и едкий калий КОН (используется реже). Они применяются как пептизаторы, коагулянты, регуляторы рН, а также в качестве составных час­тей многих комбинированных реагентов.

Действие электролитов на буровые растворы связано с со­стоянием ионных оболочек, окружающих частицы твердой фазы. Толщина этих оболочек и их заряд зависят от концен­трации ионов в жидкой фазе и от свойств этих ионов.

Эффект обработки электролитами определяется концент­рацией добавляемых в раствор ионов и их свойствами - в первую очередь, валентностью. Наибольшее значение имеют катионы, хотя свойства анионов также сказываются на пока­зателях буровых растворов.

Для двух- и более валентных катионов область стабилиза­ции отсутствует, и сравнительно небольшие концентрации электролитов вызывают коагуляцию системы.

При обработке буровых растворов электролитами проис­ходит обмен катионов, находящихся на поверхности частиц глины и в дисперсионной среде.

Если при этом катионы, повышающие стабильность дис­персной системы промывочной жидкости (например, Na⁺, Li⁺), замещают у поверхности частиц глины катионы, ухуд­шающие стабильность системы (Н⁺, Са²⁺, А1³⁺), то происхо­дит стабилизация раствора. В противном случае происходят структуробразование и коагуляция.

Влияние анионов на свойства буровых растворов проявля­ется следующим образом. Например, они могут связывать катионы Н⁺ и повышать рН раствора, способствуя его ста­билизации. Они могут связывать ионы Са⁺ и удалять их из раствора. Так, анион СО₃^- с Са²⁺- образует труднораствори­мое соединение — мел СаСО₃.

На практике различное действие анионов легко заметить. Так, если NaOH и Na₂CO₃ дают ярко выраженную область стабилизации, то NaCl вызывает только структурообразование и коагуляцию.

Из электролитов для обработки буровых растворов чаще всего применяют кальцинированную и каустическую соду, жидкое стекло, поваренную соль, известь, цемент и фосфаты.

Кальцинированная сода - один из наиболее упо­требительных реагентов при бурении. Она представ­ляет собой белый мелкокристаллический порошок, обладающий небольшой растворимостью в воде. Кальцинированная сода Na₂CO₃ применяется для улучшения качества растворов из кальциевых или кальциево-натриевых глин, восстановления свойств раствора при бурении (в особенности пород, содержа­щих растворимые соли кальция), для повышения рН дисперси­онной среды. Реагент общеулучшающего действия.

Перевод кальциевой глины в натриевую при обработке кальцинированной содой происходит по схеме:

Са-глина + Na₂CO₃ = Na-глина+ СаСО₃

При небольших концентрациях (0,75-1%) она вызывает значительное повышение гидрофильности частиц глины, что способствует пептизации, облегчает измельчение первичных час­тиц глины при приготовлении глинистых растворов. Показатель фильтрации и толщина корки снижаются, повышается ста­бильность и несколько возрастает условная вязкость.

С повышением концентрации кальцинированной соды до 2- 3,5% толщина гидратных оболочек начинает уменьшаться, что приводит к образованию гидрофильной коагуляционной струк­туры. Статическое напряжение сдвига и условная вязкость уве­личиваются. Несколько возрастает показатель фильтрации. Улучшаются тиксотропные свойства раствора.

Дальнейшее увеличение концентрации Na₂CO₃ ведет к ис­чезновению гидратных оболочек, слипанию частиц по плоским поверхностям, глина начинает выпадать из раствора, наступа­ет гидрофобная коагуляция.

Кальцинированная сода применяется и для смягчения во­ды, идущей на приготовление промывочных жидкостей. На каждый моль устраняемой жесткости на 1 м³ воды требуется 120-150 г соды.

Каустическая сода NaOH может быть в твердом и жидком виде, гигроскопична. По действию на растворы она аналогична кальцинированной соде, но действует более актив­но и не образует нерастворимых соединений с кальцием и маг­нием. Вследствие высокой активности каустической соды подо­брать оптимальную ее концентрацию трудно. Непосредствен­ные добавки NaOH в раствор нежелательны. Каустическая со­да дороже кальцинированной, опаснее в обращении. Она вво­дится главным образом совместно с другими реагентами. Чрез­мерные добавки ее опасны с точки зрения не только возможной гидрофобной коагуляции, но и ухудшения устойчивости стенок скважины.

К реагентам полимерного характера относятся фосфаты, хроматы, бихроматы и силикат натрия (жидкое стекло). Это неорганические полимеры.

Фосфаты представляют собой фосфорнокислые соли нат­рия в виде стекловидного кристаллического вещества, хорошо растворимого в воде. Тринатрийфосфат (Na₃PO₄) и пирофосфат (Na₄P₂O₇) используются для связывания ионов кальция. При этом образуются нерастворимые в воде фосфорнокислые соли кальция.

Чаще применяют полифосфаты (конденсированные фосфа­ты): триполифосфат, гексаметафосфат и тетраполифосфат нат­рия. Это соли полифосфорных кислот, обладающие высокой от­носительной молекулярной массой и представляющие собой це­почки обычных фосфатов. Полифосфаты связывают ионы каль­ция без образования осадка нерастворимой соли. Образующие­ся при этом комплексные соединения фосфатов с ионами каль­ция не диссоциируют и не ухудшают свойства глинистых рас­творов. Вследствие высокой относительной молекулярной мас­сы полифосфаты образуют вокруг частиц глины защитные обо­лочки, препятствующие коагуляции. Такое воздействие обуслов­ливает разжижение глинистых растворов. С повышением темпе­ратуры раствора разжижающий эффект пропадает. Эти реаген­ты применяются в виде 5-10%-ных водных растворов.

Хроматы и бихроматы - кристаллические порошки соответственно желтого и оранжево-красного цвета, весьма ядо­виты. Они применяются для повышения термостойкости глини­стых растворов в виде водных растворов 5-10%-ной концент­рации. Хроматы (Na₂Cr0₄, К₂Cr0₄) - соли хромовой кислоты, бихроматы (Na₂Cr₂О₇, К₂Cr₂О₇) - соли бихромовой кислоты.

Сами хроматы не улучшают свойства растворов, но эффек­тивны в промывочных жидкостях, обработанных лигносульфонатами и нитролигинином. Не рекомендуется использовать их в растворах, обработанных реагентами, подверженными деструк­ции (КМЦ и другие водорастворимые эфиры целлюлозы). Для получения лучших результатов хроматами в количестве 2-3% обрабатывают непосредственно реагенты-стабилизаторы. Ис­пользуют и другие соединения хрома, в частности сернокислый хром.

Жидкое стекло (силикат натрия или калия) - вязкая жидкость от светло-желтого до коричневого и серого цвета. В бурении применяется водный раствор силиката натрия Na₂O • nSiO₂. Он поставляется в виде водного раствора плотностью 1,3-1,8 г/см³ и характеризуется модулем n = SiO₂/Na₂O.

Для химической обработки глинистых растворов применяет­ся жидкое стекло с модулем п = 2,4-З,0. Оно обладает щелочной реакцией, так как является солью сильного основания и слабой кислоты, и применяется для повышения вязкости и статическо­го напряжения сдвига глинистых растворов при борьбе с погло­щениями, при этом повышается водоотдача. Практическая кон­центрация жидкого стекла зависит от концентрации твердой фазы в глинистом растворе и типа глины и колеблется от 0,25 до 4%. Жидкое стекло обладает способностью создавать струк­туру даже в суспензиях, образующихся при разбуривании раз­личных пород неглинистого комплекса. Чаще жидкое стекло применяется совместно с другими реагентами и добавками, в зависимости от условий выполняет функции стабилизатора, структурообразователя, ингибитора и используется для полу­чения ингибированных силикатных растворов, где концентрация его может доходить до 15%.

Из природных солей наиболее распространены хлористый натрий, хлористый калий, бишофит, карналлит.

Хлористый натрий (поваренная соль) NaCl хорошо растворим. Насыщенный раствор содержит его около 30%. При небольших концентрациях (0,1-0,3%) он вызывает повышение вязкости и статического напряжения сдвига растворов из нат­риевых глин, содержащих несолестойкие реагенты - стабилиза­торы. В растворах кальциевых глин незначительно увеличивает структурные свойства. При повышении концентрации он может вызвать гидрофобную коагуляцию. Хлористый натрий использу­ется для повышения статического напряжения сдвига глинисто­го раствора, обработанного защитными коллоидами, при этом концентрация его составляет 0,5-1%.

Насыщенные растворы NaCl применяются при разбуривании пластов растворимой каменной соли и набухающих глин, в зо­нах многолетнемерзлых пород, а также при бурении в зимнее время.

Хлористый калий (сильвин) КС1 - кристалличе­ское соединение белого, голубого или землисто-красного цвета. Он вводится в количестве до 7%. Эффект калиевой обработки не зависит однозначно от минералогического состава глинистых пород. Возможна комбинация хлористого калия с MgCl₂, тогда в качестве реагента используется карналлит.

Бишофит MgCl₂•6H₂O хорошо растворяется в воде любой минерализации. Он предназначен для получения буровых рас­творов на основе гидрогеля магния, а также применяется в ка­честве составного компонента магниевых ингибированных рас­творов, используется в концентрации до 5-7%. Реагент гигро­скопичен и требует хранения в закрытой таре.

Карналлит КС1, MgCl₂• 6Н₂О - двойная соль хлористых калия и магния. Цвет его - молочно-белый, часто красноватый. Вводится в количестве до 7%. Карналлит применяется как ин­гибитор, а также при разбуривании пластов солей. В последнем случае концентрация его повышается до 15-20%.

Реже в качестве ингибирующих добавок используются дру­гие природные соли, являющиеся отходами калийной промыш­ленности: сильвинит NaCl•MgCl₂, кизерит MgSO₄•H₂O, хлори­стый магний MgCl₂ и др.

К искусственным солям-ингибиторам относятся хлористый кальций, соли алюминия и сернокислое железо.

Хлористый кальций СаС1₂ - бесцветное или белое кристал­лическое вещество, очень гигроскопичное, может поставляться и в жидком виде. Он легко растворяется в воде, применяется в качестве крепящего компонента в ингибирующих растворах, а также для кальцинирования глинистых растворов. В процессе воздействия хлористого кальция на частицы натриевой глины катионы натрия вытесняются из обменного комплекса катиона­ми кальция и глина превращается в кальциевую.

Хлористый кальций взаимодействует с едким натром с об­разованием извести и хлористого натрия, поэтому при попада­нии СаС1₂ в промывочную жидкость, содержащую едкий натр, щелочность ее снижается. Добавляется СаС1₂ в количестве доЗ%.

Соли алюминия - очень сильные ингибиторы, приме­няются алюминиевые квасцы, например калиевые K₂SO₄•A1₂(SO₄)₃•24H₂O, алюмоаммонийные (NH)₄A1₂(SO₄)₃•24H₂O, алюминаты - соли гидрата окиси алюминия, например алюми­нат натрия Na₂Al₂0₃, сульфат алюминия A1₂(SO₄)₃. Соли алю­миния добавляются в концентрации до 2-3%.

Сернокислое железо Fe₂(SО₄)₃ и железный купорос Fe₂SO₄•7H₂O - сильные ингибиторы, добавляются в количест­вах до 1%.

К вяжущим веществам относятся известь, гипс и цемент. Они вводятся главным образом для повышения статического напря­жения сдвига и вязкости растворов при борьбе с поглощениями. Эти ингибиторы являются носителями ингибирующих ионов и используются для приготовления ингибированных растворов.

Гашеная известь (гидроокись кальция) Са(ОН)₂ по­лучается из окиси кальция путем обжига известняка с после­дующим гашением водой. Она используется для повышения со­держания ионов кальция и увеличения рН промывочной жид­кости. Гашеная известь очень плохо растворяется в воде. В насыщенном водном растворе находится всего 0,2% извести, поэтому известь используется в промывочных жидкостях в виде так называемого известкового молока - суспензии извести в во­де в соотношении 1:3. При вводе извести глинистый раствор временно загущается. После тщательного перемешивания загустевание исчезает, но показатель фильтрации остается повы­шенным. Значительно увеличивается и толщина глинистой корки.

Известь используется для кальцинирования глинистых рас­творов - снижения чувствительности к загущающему действию выбуриваемой глины, как средство для создания щелочной ре­акции в присутствии солей кальция. Хорошие результаты дает обработка известью глинистых растворов, потерявших воспри­имчивость к химическим реагентам, добавляемым для снижения вязкости и статического напряжения сдвига.

Известь требует осторожного обращения, так как она вызы­вает ожоги при попадании на кожу. Она опасна при попадании в глаза.

Гипс CaSO₄•2H₂O добывается из естественных залежей. Он трудно растворяется в воде, подобно извести, и применяется для повышения статического напряжения сдвига и вязкости рас­творов при борьбе с поглощениями. В комбинации с реагента­ми-стабилизаторами гипс используется для приготовления гипсовых растворов, которые обладают повышенной термостойко­стью. Он вводится в количестве до 2%.

Цементы вводятся главным образом для повышения ста­тического напряжения сдвига и вязкости растворов. Глинозе­мистый цемент добавляется как носитель солей алюминия при приготовлении алюминатных растворов. Добавка его составля­ет до 3%.