Промывка скважин и промывочные растворы. Учебное пособие

Внатриевой глине сила притяжения между глинистыми частицами и молекулами воды больше, чем сила притяжения между отдельными глинистыми частицами. Натриевые глины в воде быстро выбирают ее в себя не только своей поверхностью. Вода проникает между отдельными пластинками при этом частицы глины увеличиваются в объеме, то есть интенсивно набухают.

Вкальциевой глине молекулы воды притягиваются к частицам глины слабее, чем глинистые частицы друг другу, так как у кальциевой глины на поверхности находятся катионы двухвалентного кальция. Поэтому набухание кальциевой глины незначительное.

Натриевые бентонитовые глины при взаимодействии с водой увеличиваются в объеме в 8–10 раз. Растворы из каолинитовой глины неустойчивые и быстро разделяются на твердую и жидкую фазы.

Наиболее качественные глинистые растворы получают из натриевых бентонитовых глин, которые в основном состоят из минерала монтмориллонита.

Бентонитовые глины характеризуются хорошей пластичностью, обладают большой обменной емкостью, хорошо гидратируются. Особенно это свойственно натриевым бентонитовым глинам.

Кристаллические решетки глинистых минералов состоят в основном из двух структурных единиц: кремниево-кислородного тетраэдра

иалюминиево-кислородного октаэдра. В тетраэдре атом кремния удален от четырех атомов кислорода или гидроксилов на одинаковое расстояние. В октаэдре атом алюминия удален от шести атомов кислорода или гидроксилов на одинаковое расстояние.

Эти структурные элементы, соединенные друг с другом, образуют кристаллические слои. Способ сочленения структурных элементов и их количество в элементарной ячейке определяют кристаллический тип глинистых минералов. Кристаллические слои элементарной ячейки связываются в пачки. Частицы глинистых минералов имеют строение пластинок, толщина которых зависит от количества связанных пачек, а длина и ширина ограничены механическими повреждениями решетки.

11

Кристаллическая решетка монтмориллонита состоит из трех слоев. Слои накладываются друг на друга. Слой кремнекислородных тетраэдров соединяется со слоем алюмокислородных октаэдров, которые соединяются с последующим слоем кремнекислородных тетраэдров (рис. 1).

Рис. 1. Схема кристаллической решетки монтмориллонита

Трехслойные решетки монтмориллонита связываются в пачки прослоем воды. На наружных поверхностях контактируемых слоев находятся одноименные атомы кислорода, поэтому связь между пачками слабая и они хорошо диспергируются в воде, легко отделяются друг от друга. Глина набухает, значительно увеличиваясь в объеме.

Бентонитовые глины обладают способностью создавать хорошие коллоидные растворы с высокими структурными свойствами.

Гидрослюдистые и каолинитовые глины не применяются для приготовления промывочных жидкостей. Эти глины имеют значительное распространение как составная часть полиминеральных глин.

Гидрослюдистые глины имеют трехслойную кристаллическую решетку как монтмориллонитовые глины. Отличие состоит в том, что у гидрослюд часть атомов кремния замещена атомами алюминия, а освобождающаяся валентность используется на присоединение ионов калия. Ионы калия находятся между кремниево-кислородными тетраэдрами внешних слоев и связывают пачки кристаллической ре-

12

шетки. Поэтому кристаллы гидрослюдистых глин более прочные, чем у монтмориллонита. Эти глины слабо взаимодействуют с водой и плохо диспергируются.

Каолинитовые глины имеют двухслойную кристаллическую решетку. Один слой кремниево-кислородных тетраэдров соединен с одним слоем алюминиево-кислородных октаэдров. В результате гидратации алюминиево-кислородных октаэдров в каолинитовых глинах большая часть атомов кислорода у октаэдров замещена атомами гидроксила. В результате пачки кристаллической решетки контактируют разноименными поверхностями, образуя прочную связь между пачками. Каолинитовые глины взаимодействуют с водой и диспергируются хуже, чем монтмориллонитовые. Природный кристалл каолинита состоит из 100 слоев (пластин), в пресной воде почти не набухает, при интенсивном перемешивании увеличивается содержание мелких частиц в растворе. Заряды внутри кристаллической решетки уравновешены, между слоями сильная водородная связь.

Палыгорскитовая глина имеет специальное назначение. Эта глина состоит из минерала палыгорскита – это водный алюмосиликат магния. Кристаллическая решетка палыгорскита имеет волокнистое строение. Кристаллы палыгорскита состоят из двойных лент кремни- ево-кислородных тетраэдров. Вершины тетраэдров попеременно обращены в противоположные стороны и образуют двойные зубчатые слои. Ленты кремниево-кислородных тетраэдров соединяются между собой октаэдрами магния, алюминия или железа.

Внутри кристаллической решетки палыгорскита имеются каналы, в которых располагаются молекулы воды и адсорбированные катионы. Палыгорскитовая глина имеет жесткую структурную кристаллическую решетку, поэтому может адсорбировать воду, не увеличиваясь в объеме. Палыгорскитовая глина является солеустойчивой, благодаря волокнистой структуре, высокой гидрофильности и нахождением большинства адсорбированных катионов внутри каналов кристаллической решетки.

13

Часть атомов кремния в кристаллической решетке замещается атомами алюминия, а часть атомов алюминия замещается атомами магния, в результате этого появляется избыточный отрицательный заряд. Компенсация избыточного заряда осуществляется путем адсорбции катионов из водных растворов на внутренних поверхностях в каналах кристаллической решетки [3, 4].

Палыгорскитовая глина применяется для приготовления солестойких глинистых растворов.

При бурении нефтяных и газовых скважин для промывки ствола значительное применение имеют буровые растворы, дисперсионной средой которых является вода. В состав водной дисперсионной среды входят различные вещества: электролиты, которые содержатся в водной среде при приготовлении раствора, ионы, которые переходят из глины в дисперсионную среду, химические реагенты, добавляемые в раствор, соли из пластовых вод, попадающие в раствор при бурении, ионы из частиц разбуриваемых горных пород, которые растворяются в дисперсионной среде бурового раствора.

Анализ ионного состава фильтрата промывочной жидкости позволяет определить вид электролита присутствующего в дисперсионной среде раствора. Наличие гидратов и карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов характеризует щелочность раствора. С помощью анализа фильтрата определяют присутствие ионов хлора, сульфатов, наличие натрия, кальция, магния, калия.

При перемешивании глины в водной среде происходит взаимодействие между элементарными частичками глины, на которые она распадается, и молекулами воды. В водной среде поверхность глинистой частицы имеет отрицательный заряд. Молекулы воды, являясь диполями, притягиваются своими положительно заряженными концами к отрицательно заряженной поверхности глинистой частицы. К молекулам первого ряда притягиваются еще молекулы воды, к этим притягиваются другие и так далее на расстоянии, пока действуют молекулярные силы притяжения. Определённое расположение молекул воды вокруг глинистой частицы является гидратацией.

14

Вода, расположенная непосредственно на поверхности глинистой частицы, называется адсорбированной. По мере удаления от поверхности глинистой частицы молекулярные силы притяжения ослабевают и после адсорбционного слоя воды образуется диффузная оболочка. На расстоянии, на котором молекулы воды не испытывают молекулярного притяжения с поверхностью глинистой частицы, находится свободная вода.

Вода, ориентированная вокруг глинистой частицы, определенно является связанной водой. Адсорбционный и диффузный слои составляют связанную воду. Чем сильнее диспергированы глинистые частицы, тем большее количество связанной воды в растворе.

Адсорбированный и диффузный слои образуют вокруг глинистой частицы гидратную оболочку. То есть гидратная оболочка состоит из связанной воды молекулярными силами сцепления с глинистой частицей (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования гидратной оболочки:

а – ориентация молекул воды поверхностью глинистой частицы; 1 – диффузионная оболочка; 2 – слой адсорбированной воды; 3 – глинистая частица

15

Гидратная оболочка имеет разный размер по поверхности дисперсной фазы. По плоским, то есть по большим поверхностям глинистой частицы толщина гидратной оболочки наибольшая, а на малых поверхностях – углах, ребрах – она имеет наименьшую толщину. Гидратные оболочки влияют на стабильность промывочной жидкости. Они препятствуют слипанию частиц дисперсной фазы большими плоскими поверхностями и предотвращают выпадение их в осадок.

При слипании глинистых частиц по малым поверхностям – углам, ребрам – через тонкие прослойки гидратных оболочек образуется структура в буровом растворе. В промывочных растворах возникает коагуляционная тиксотропная структура. Образование структуры связано с явлением гидрофильной коагуляции. Коагуляционные структуры характеризуются прочностью и восстановлением во времени. Если разрушить коагуляционную структуру путем перемешивания, после нахождения глинистого раствора в покое вновь образуется структура. Определяется величина прочности структуры по статическому напряжению сдвига. Тиксотропность, то есть способность структуры восстанавливаться после разрушения, выражается коэффициентом тиксотропии. Коэффициент тиксотропии определяется как разность величины статического напряжения сдвига, замеренного за 10 минут и 1 минуту нахождения раствора в покое, отнесенную к разности времени замера. Оптимальное значение коэффициента тиксотропии составляет 3,0, минимальное значение – 1,5.

В состоянии покоя прочность структуры увеличивается во времени. Промывочной раствор должен обладать способностью образовывать структуру с минимальной прочностью достаточной для удержания частиц выбуренной породы и утяжелителя во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции бурового раствора.

Показатель тиксотропных свойств промывочного раствора, то есть статистическое напряжение сдвига, характеризует седиментационную устойчивость бурового раствора и его способность удерживать шлам во взвешенном состоянии. Статистические напряжение сдвига следует выбирать из конкретных геолого-технологических

16

условий, чтобы предупредить осложнения при бурении: затяжки, посадки и прихваты бурильного инструмента, образование сальников. Увеличение статического напряжения сдвига бурового раствора выше требуемой величины может быть причиной возникновения поглощения промывочной жидкости.

Правильный выбор показателей тиксотропных свойств, промывочной жидкости позволит не только избежать возможных осложнений при бурении, но и повысить степень очистки раствора на виброситах и гидроциклонных установках.

Вопросы для самопроверки

1.Какие основные группы глинистых минералов?

2.Чем отличаются натриевые глины и кальциевые глины?

3.Какие глины применяются для приготовления качественного глинистого раствора?

4.Из каких элементов построены кристаллические решетки глинистых минералов?

5.Какими свойствами характеризуется бентонитовая глина?

6.Какая глина является солеустойчивой?

7.Какие ионы можно определить с помощью анализа фильтра промывочной жидкости?

8.Из каких слоев воды состоит связанная вода?

9.Что называется гидратацией?

10.Какие слои воды входят в гидратную оболочку?

11.Какую роль выполняет гидратная оболочка в буровых промывочных растворах?

12.Какую структуру имеют буровые растворы?

13.Каким показателем определяется прочность структуры бурового раствора?

14.Как определить коэффициент тиксотропии?

15.Как проявляются тиксотропные свойства глинистых растворов?

17

3.ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ВБУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРАХ

Поверхностные явления на границе раздела фаз в буровых растворах оказывают влияние на некоторые технологические свойства растворов – вязкость, седиментационную устойчивость и скорость седиментации, адсорбцию, адгезию и другие. За счет электростатической неуравновешенности в поверхностном слое происходят поверхностные явления. К поверхностным явлениям относятся: адсорбция, смачивание, адгезия.

Адсорбция имеет большое значение для получения и регулирования свойств промывочных растворов. Адсорбция характеризуется самопроизвольным повышением концентрации растворенного вещества на границе раздела фаз по сравнению с концентрацией этого вещества во всем объеме бурового раствора.

Вещество, на поверхности которого адсорбируются и удерживаются молекулы другого вещества, называется адсорбентом (глинистые частицы). Вещество, которое адсорбируется называется адсорбтивом (вода, растворы химических реагентов) (рис. 3).

Рис. 3. Схема процесса адсорбции

Химический реагент, находящийся в дисперсионной среде промывочной жидкости, в результате диффузии стремится равномерно распределиться по всему объёму раствора. При этом молекулы химического реагента сталкиваются с поверхностью дисперсной фазы –

18

глинистой частицей – и адсорбируются на ней. Оставшийся в дисперсионной среде химический реагент снова равномерно распределяется по всему объёму жидкой среды. Происходит накопление химического реагента (адсорбтива) на поверхности дисперсной фазы (адсорбента). Некоторые молекулы химического реагента недостаточно прочно удерживаются частицами дисперсной фазы и отрываются от них, происходит явление десорбции. Это происходит до тех пор, пока поверхность глинистой частицы насытится химическим реагентом и между адсорбцией и десорбцией наступит динамическое равновесие.

В буровых промывочных жидкостях с адсорбцией связаны процессы коагуляции, пептизации, изменение знака заряда твердых частиц дисперсной фазы. Адсорбция может быть физическая и химическая. Физическая адсорбция обратима, обусловлена межмолекулярным взаимодействием, протекает самопроизвольно. Адсорбтив (химический реагент) стремится распределиться по всей поверхности адсорбента (дисперсной фазы), при этом происходит десорбция – процесс, обратный адсорбции, протекает с поглощением тепла. Адсорбция протекает с выделением тепла: чем выше концентрация адсорбтива, тем больше адсорбция, чем выше температура, тем меньше физическая адсорбция. Адсорбция будет отрицательной, когда концентрация адсорбтива (химического реагента) в поверхностном слое адсорбента (дисперсной фазы) меньше, чем в объёме раствора.

Химическая адсорбция необратима, обусловлена химическими реакциями. Молекулы адсорбтива связаны с адсорбентом прочной химической связью. Химическая адсорбция увеличивается при повышенной температуре. Часто физическая адсорбция предшествует химической. Вещество адсорбтива, адсорбированное под действием межмолекулярных сил, затем связывается с адсорбентом химическими связями. Причем адсорбция одного и того же вещества на одной и той же поверхности в одних условиях может быть физической, а в других химической. Однако провести резкую границу между физической и химической адсорбцией невозможно.

19

Явления физической абсорбции связаны с избытком свободной энергии в поверхностном слое и наличием поверхностного натяжения. К этой группе явлений относятся: структурообразование, смачивание, коагуляция, адгезия и другие явления.

Вфизико-химии промывочных жидкостей большую роль играет

ифизическая, и химическая адсорбция. Адсорбция обусловливает устойчивость буровых промывочных растворов к коагулирующему действию электролитов, обеспечивает структурно-механические свойства буровых растворов. С адсорбционными явлениями связан механизм действия химических реагентов. Например, при обработке бурового глинистого раствора известью происходит взаимодействие гидроокиси кальция с глинистыми минералами. Гидроокись кальция вызывает обмен ионов в глинистом растворе и образование гидросиликата кальция, который блокирует активные центры поверхности глинистых частиц, понижает набухание и пептизацию.

Это проявляется в снижении вязкости и статического напряжения сдвига промывочных жидкостей и приводит к упрочнению глинистых пород на стенках скважины, снижая их набухание, пептизацию и переход в буровой раствор частиц глинистых отложений [1, 8].

К процессу адсорбции близко явление смачивания. Смачивание определяет интенсивность взаимодействия молекул различных веществ за счет действия сил поверхностного натяжения. Когда молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, то происходит полное смачивание, жидкость растекается и поверхностное натяжение уменьшается. Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекание жидкости не происходит и она остается в виде плоской капли. Возможны процессы неполного смачивание, то есть переходные случаи, когда жидкость образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, который называется краевым углом смачивания.

При близкой полярности молекул жидкости и твердого тела будет происходить смачивание лучше. Например, полярная жидкость

20