Растворы_лекции / Lektsia_2_Glinistye_rastvory

Лекция 2. Материалы и химреагенты дня буровых растворов. Основные материалы.

«Глинистый раствор» - термин, часто употребляемый как синоним «бурового раствора», подчеркивает значение глины в этой многокомпонентной системе. Глина не всегда является главной составной частью бурового раствора, но она, как правило, самая активная его часть. Глина может применяться не только в качестве основы раствора, но и как улучшающая добавка.

Действие глины объясняется особенностями её физико-химической природы, взаимодействием с дисперсионной средой раствора с образованием устойчивых коллоидных систем.

Глины и глинопорошки.

Глины - неорганические коллоидные вещества, являются основным структурообразующим и коркообразующим компонентом бурового раствора. Глины - сложные полиминеральные по составу полидисперсные осадочные породы, на долю которых приходится около 70% общего объема осадочных пород. Глинистые породы составляют значительную часть разреза бурящихся скважин во многих нефтеносных районах.

Существенными признаками глин являются высокодисперсное состояние, гидрофильность, способность к адсорбции, ионному обмену, набуханию и проявлению упруго-пластично-вязких и тиксотропных свойств в концентрированных и разбавленных суспензиях. Водные суспензии глин, образующие устойчивые тиксотропные структуры, наиболее распространенный и универсальный тип бурового раствора.

В химическом отношении глины представляют собой водные алюмосиликаты. По минералогическому составу глины делятся на несколько групп, отличающихся друг от друга химическим составом и структурой кристаллической решетки.

Как уже отмечалось, атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы, то есть происходит обмен катионов. Каждая глина обладает определенным количеством обменных катионов, то есть вполне определенной обменной емкостью, которая выражается (моль х 10^-3/100 гр.) –количество обменных катионов (в молях), содержащихся в 100 гр. сухой глины.

В глинистых минералах обменными катионами являются Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, H⁺, NH⁺₄, К⁺. В природных глинах к основным обменным катионам относятся Na⁺ и Са²⁺, поэтому глины получили название соответственно натриевых и кальциевых.

При замачивании глины водой глинистые частицы покрываются гидратной оболочкой. Молекулы воды, проникая между кристаллами, раздвигают их и глина набухает. Характер набухания зависит от типа глины. Чем меньше поливалентных катионов содержится в обменном комплексе, тем сильнее разобщаются слои и больше набухает глина. Так натриевые бентонитовые глины, имея подвижную кристаллическую решетку, могут при контакте с водой увеличиваться в объеме в 8-10 раз.

Для бурения скважин используют бентонитовые, палыгорскитовые и каолинит-гидрослюдистые глины.

Бентониты - состоят в основном из минералов монтмориллонитовой группы. Частицы бентонитовой глины имеют чешуйчатое, пластинчатое строение. Линейные размеры их находятся в пределах 0,01-0,4 мкм и примерно в 10-100 раз превышают их толщину. Удельная поверхность (отношение общей площади поверхности к единице массы частиц) одного грамма бентонита достигает 900 м². Величина обменного комплекса у монтмориллонита составляет (от 80- 150)* 10^-3 моль/100 гр. сухой глины. Состав обменных катионов, адсорбированных на плоскостях и гранях пакетов может быть преимущественно представлен как Na⁺, К⁺, так и Mg²⁺ и Са²⁺. Двухвалентные катионы увеличивают силу притяжения между пакетами, поэтому кальциевый бентонит хуже диспергируется и набухает. Наиболее целесообразно использовать бентониты с высокой емкостью обмена с преимущественным содержанием натрия. Такие бентониты образуют суспензии с требуемыми структурно-реологическими свойствами при относительно низкой концентрации твёрдой фазы.

Палыгорскит (аттапульгит) – водный алюмосиликат магния, имеющий слоисто-ленточное строение. Обменная емкость невелика - (20-30)* 10^-3 моль/100гр. глины. Частицы полыгорскита имеют игловидную форму, длина равна 1,1-0,6 мкм. Межчастичное взаимодействие обусловлено механическим зацеплением игольчатых частиц. В связи с этим при производстве порошков необходимо не нарушать игольчатую форму частиц.

Гидрослюды (иллит) имеют структуру подобную монтмориллониту. Отличие состоит в большом числе изоморфных замещений. Большая фиксированность пакетов обусловливают невозможность внедрения между ними полярных жидкостей, а следовательно, набухания. Обменными являются только катионы, расположенные на краях. Гидрослюдистые минералы преобладают во многих глинах, используемых в качестве местных материалов.

Каолиниты имеют кристаллическую двухслойную решетку без зарядов на поверхности. Каолинит трудно диспергируется, имеет малую емкость обмена, плохо набухает, частицы каолинита шестиугольные, вытянутые пластинки.

Широко распространены глины смешанных типов, например гидрослюды с монтмориллонитом и каолинитом. Коллоидно-химическая активность таких глин (емкость обмена, набухание и др.) зависит от содержания в них монтмориллонита. Основной показатель качества (сортности) глин – выход раствора – количество глинистой суспензии с заданной вязкостью, полученное из одной тонны глины. Технические требования к глинам для приготовления глинопорошков для буровых растворов регламентируются ТУ 39-044-74:

Сорт	I	II	III	IV
Выход раствора, м3/т не менее	10	8	6	меньше 6

Все глины по коллоидным свойствам делятся на три группы:

1. Высококоллоидные бентонитовые глины, имеющие выход раствора >10 м³/т

2. Глины средней коллоидности; выход раствора 10-4 м³/т

3. Низкоколлоидные; выход раствора менее 4 м³/т

Для ускорения приготовления бурового раствора используют глины в виде порошков.

Глинопорошок - высушенная и измельченная природная (или с добавкой химреагентов) глина. Во время помола с целью повышения качества глинопорошков вводят различные химреагенты, например Na₂CO₃ и акриловые полимеры ( М-14, метас ). Эффект модификации Nа₂СO₃ заключается в переводе бентонита в натриевую форму, которая лучше диспергируется в воде. Общий эффект такой модификации выражается в повышении вязкости глинистой суспензии, увеличении объема связанной воды и вязкости дисперсионной среды и усиления гелеобразования. Такая обработка позволяет повысить выход раствора с 10 до 18-20 м³/т.

Основным показателем глинопорошков также является выход раствора.

Основной показатель палыгорскитового глинопорошка - способность его образовывать в насыщенном растворе хлористого натрия устойчивую суспензию. Основное назначение палыгорскита - структурообразующий компонент для соленасыщеных буровых растворов.

Глины и глинопорошки применяются в бурении в качестве коркообразующей и структурообразующей основы для буровых растворов различных типов, для приготовления быстросхватывающихся смесей (БСС) и гельцементных паст для борьбы с поглощениями; для приготовления облегченных цементных растворов.

В настоящее время местные комовые глины используются ограниченно. Каолинитовые глины в чистом виде совсем не применяются.

Преимущества глинопорошков перед комовыми глинами:

• более быстрое и полное диспергирование благодаря мелким размерам, а, следовательно, более быстрое приготовление раствора более высокого качества;

• позволяет механизировать и автоматизировать процесс приготовления бурового раствора.

Вода - очень реакционно-способное соединение вследствие наличия в ее молекуле двух неподеленных пар электронов. Она растворяет многие органические и неорганические вещества. Природные воды характеризуются:

• сухим остатком (мг/литр) – содержание растворенных и коллоидных примесей, остающихся при выпаривании воды;

• наличием легко окисляющихся примесей (мг О₂/л, израсходованного на окисление в стандартных условиях);

• общим содержанием растворенных в воде минеральных солей;

• жесткостью, выражаемой в моль/литр, общая жесткость:

• карбонатная - присутствие карбонатов и бикарбонатов Са²⁺ и Mg²⁺;

• некарбонатная - остальных солей Са²⁺ и Mg²⁺.

Природные воды, содержащие до 0,1% растворенных веществ, называются пресными; от 0,1-5% - минерализованными; свыше 5% - рассолами. Минерализация морской воды в Баренцевом море равна 30 - 35 г/литр. Качество воды имеет важное значение для приготовления и химической обработки бурового раствора. Им определяется выбор типа глины и химреагентов. Наиболее приемлема пресная вода, обеспечивающая максимальный выход раствора, вязкость и способность к структурообразованию. Но во многих нефтяных районах (пустыни, море) доступными являются пластовые и морские воды. Чем выше минерализация и жесткость воды, тем нужно больше бентонита и химреагентов для получения буровых растворов.

Нефть и нефтепродукты

Природные нефти и нефтепродукты из них определенного состава используются преимущественно в качестве дисперсионной среды РНО и ИЭР. Наиболее широко - дизельное топливо (ДЗ и ДЛ).

Сырая нефть также используется для РНО, с целью повышения температуры вспышки нефть предварительно выветривают и прогревают до 80- 100°С, чтобы удалить растворенный газ и легкие нефтяные фракции.

Битум нефтяной используется в РНО в качестве дисперсной фазы и является регулятором его структурно-механических и фильтрационных свойств. Битум выпускается в виде порошка в композиции с активным наполнителем – известью, чтобы предотвратить его слипание. В последнее время налажено производство органофильных глин, которые используют в РНО в качестве загустителя и регулятора фильтрации, а также в надпакерных жидкостях для арктических условий.

6