4.9. Типы очистных агентов и их возможности

4.9.1. Гомогенные (однофазные) очистные агенты

4.9.1.1. Техническая вода

Техническая вода является наиболее доступным и дешевым очистным агентом, в связи с чем достаточно широко используется при бурении устойчивых пород в случае отсутствия флюидопроявлений. Кроме того, техническая вода служит основой, т. е. дисперсионной средой, для получения абсолютного большинства других типов очистных агентов (буровых растворов на водной основе).

Качество технической воды для целей бурения принято характеризовать: степенью минерализации, составом минерализации и жесткостью.

По степени минерализации, оцениваемой количеством растворенных солей в 1 литре воды, природные воды делятся на 4 группы: пресные – до 1 г/л; – солоноватые – 1–10 г/л; соленые – 10–50 г/л; рассолы > 50 г/л.

По составу минерализации, оцениваемому количественным соотношением анионов и катионов, природные воды делятся на 49 классов: гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные и т.д.

По жесткости, оцениваемой в мг×экв/л, природные воды делятся на 5 групп: очень мягкие (< 1,5); мягкие (1,5–3); умеренно-жесткие (3–6); жесткие (6–9); очень жесткие (> 9).

Один мгэкв жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 40,08 / 2 = 20,04 мг Са²⁺ или 24,312 / 2  12,16 мг Мg²⁺. Здесь 40,08 и 24,312 – атомные массы кальция и магния, а 20,04 и 12,16 – их эквиваленты.

С точки зрения использования технической воды в качестве самостоятельного очистного агента наиболее важным показателем её качества является состав минерализации. Состав минерализации определяет агрессивность вод по отношению к металлу и тампонажному (цементному) камню, проявляющуюся в разрушении металла и растворении компонентов цементного камня. Сернокислые воды обладают сильной агрессивностью по отношению к металлу, а магнезиальные – к цементному камню. В качестве очистного агента эти воды применять нельзя.

Наиболее важными показателями качества воды, как дисперсионной среды промывочных жидкостей, являются ее жесткость и степень минерализации.

Общая жесткость воды обусловлена наличием в ней всех солей кальция и магния и определяется путем суммирования мгэкв этих двух ионов. Так, если в воде содержится 4,52 млэкв/л Са²⁺ и 1,64 мгэкв/л Мg²⁺, то общая жесткость равна 6,16 мгэкв/л.

Для приготовления промывочных жидкостей целесообразно использовать воду с общей жесткостью не более 3–4 мгэкв/л. Для смягчения жесткой воды используют химическую обработку каустической содой (NaОН), кальцинированной содой (Na₂CO₃) или тринатрийфосфатом (Na₃PO₄ 10 H₂O). Необходимое количество химических реагентов в граммах для смягчения 1 м³ воды до требуемой величины общей жесткости по NaOH рассчитывается по следующим формулам

q_NaОН = 40  А, (4.110)

q_Na2CO3 = 52,9  A, (4.111)

q_Na3РO4 = 126,4  A, (4.112) где A – избыточная жесткость воды, мгэкв/л.

Так, для смягчения 4 м³ воды с общей жесткостью 6,16 мгэкв/л до жесткости, равной 3 мгэкв/л, потребуется 505,6 г NaОН или 668,7 г Na₂CO₃ или 1597,7 г Na₃PO₄ 10 H₂O.

Степень минерализации воды оказывает существенное влияние на эффективность действия химических реагентов и на степень гидратации глин.С увеличением степени минерализации эффективность действия большинства химических реагентов снижается, в связи с чем кондиционирование и регенерация свойств промывочных жидкостей требует повышенного их расхода. Так, если для пресных растворов оптимальные добавки КМЦ составляют от 0,2 до 0,5 % (на сухое вещество), то для слабо- и среднеминерализованных (до 15 % NaCl и 0,5 % CaCl₂) – верхний рекомендуемый предел концентрации реагента достигает уже 1,3–1,5 %.

Рост минерализации приводит и к снижению степени гидратации бентонитовых глин, а также агрегативной устойчивости промывочных жидкостей на их основе, в связи с чем при неизбежном и достаточно высоком содержании в промывочной жидкости водорастворимых солей приходится прибегать к использованию в качестве ее дисперсной фазы не бентонита, а солеустойчивого палыгорскита.

Определение общей жесткости воды. Приготовить 0,05 н. раствор трилона Б (9,307 г трилона Б растворить в дистиллированной воде и довести объем раствора до 1000 см³), буферный раствор (50 г химически чистого хлористого аммония NН₂Cl растворить в дистиллированной воде, добавить 250 см³ 20 %-го раствора аммиака и довести объем раствора дистиллированной водой до 1000 см³) и индикатор (0,5 г эриохромчерного Т растереть в ступке с 50 г химически чистого NаCl). В качестве индикатора можно использовать и хромоген черный ET-00 с NаCl, готовый к употреблению.

Провести ориентировочное определение величины общей жесткости. Для этого отобрать пипеткой и поместить в коническую колбу 1 см³ исследуемой воды, к ней прибавить 10 см³ дистиллированной воды, 0,2–0,3 см³ буферного раствора,  0,02г индикатора и титровать 0,05 н. раствором трилона Б до голубой окраски раствора.

Ориентировочное значение общей жесткости исследуемой воды А₀ в мгэкв/л рассчитать по формуле

A₀ = V  н.  1000, (4.113)

где V – объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование 1 см³ исследуемой воды, см³; н. – нормальность раствора трилона Б (0,05).

По найденному значению A₀ с помощью приведенной ниже таблицы 4.6 определить объем воды, необходимой для проведения точного анализа.

Таблица 4.6

Жесткость воды А0, мгэкв/л	Объем воды, см3
0,5 - 7	50
7 - 15	25
15 - 30	10
30 - 50	5

В коническую колбу вместимостью 250 см³ отмерить пипеткой необходимый объем исследуемой воды, дистиллированной водой довести ее объем до 100 см³, прибавить 5 см³ буферного раствора и 0,1 г индикатора. Раствор перемешать и медленно титровать 0,05 н. раствором трилона Б до перехода окраски из винно-красной через фиолетово-синюю в ярко голубую.

Общую жесткость исследуемой воды A в мгэкв/л вычислить по формуле

А = V₁  н. 1000 / V_в, (4.114)

где V₁ – объем раствора трилона Б, израсходованный на определение жесткости, см³; н. – нормальность раствора трилона Б (0,05); V_в – объем исследуемой воды, см³.

Определение степени минерализации воды. Степень минерализации определяют путем измерения плотности воды или по массе сухого остатка после ее выпаривания.

Для определения плотности воды используют пикнометр вместимостью 10–15 см³ с капиллярным отверстием в пробке.

Вначале взвешиванием на аналитических весах с точностью до 0,01 г определяют массу пустого пикнометра. Затем пикнометр заполняют исследуемой водой; избыток воды, выступивший из капилляра, удаляют фильтровальной бумагой и взвешиванием определяют массу пикнометра с водой.

Плотность воды рассчитывают по формуле

 = (m₂ – m₁) / V, (4.115)

где  – плотность воды, г/см³; m₁ – масса пустого пикнометра, г; m₂ – масса пикнометра с водой, г; V – объем пикнометра, см³.

После определения плотности исследуемой воды массовую процентную концентрацию в ней водорастворимых солей в пересчете на NaCl (С_NaCl, %) находят по следующей формуле

С_NaCl = 154 – 154 / . (4.116)

При определении степени минерализации по сухому остатку в предварительно высушенную и взвешенную фарфоровую чашку вливают точно отмеренное количество исследуемой воды (10–15 см³) и помещают чашку на водяную баню для выпаривания. После выпаривания всей воды чашку ставят в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 105 С в течение 4–6 ч. Затем чашку с сухим остатком помещают в эксикатор для охлаждения до комнатной температуры. После охлаждение чашку с ее содержимым взвешивают на аналитических весах и рассчитывают концентрацию в воде всех водорастворимых солей (г/л) по следующей формуле

С_с = [(m_ч2 – m_ч1)10^-3] / V, (4.117)

где m_ч2 – масса фарфоровой чашки с сухим остатком, г; m_ч1 – масса пустой фарфоровой чашки, г; V – объем исследуемой жидкости, см³.

С помощью описанных выше способов определяют и степень минерализации фильтрата промывочной жидкости.

Вода, как очистной агент, кроме своей доступности и дешевизны, обладает целым рядом и других преимуществ: малой вязкостью (1 мПа×с при t = 20,5 ºС), низкой плотностью (1000 кг/м³), высокой охлаждающей способностью. Совокупность этих свойств воды обеспечивает эффективную работу породоразрушающего инструмента (высокую механическую скорость бурения и проходку на долото), гидравлических забойных двигателей и буровых насосов.

Однако вода, как очистной агент, имеет и ряд недостатков:

– вызывает интенсивную гидратацию, набухание и диспергирование глинистых пород;

– легко поглощается и размывает керн при бурении в трещиноватых, пористых и рыхлых породах;

– растворяет соли;

– замерзает при отрицательной температуре;

– плохо удерживает частицы выбуренных пород при прекращении циркуляции.

Вывод: применение воды в качестве очистного агента целесообразно и эффективно лишь при бурении в устойчивых (не размываемых, не растворяемых и не набухающих) породах при отсутствии зон поглощений и флюидопроявлений.

Вода может успешно применяться для вскрытия водоносных горизонтов.