4.4.6. Электрохимические свойства

К общепринятым показателям электрохимических свойств промывочных жидкостей на водной основе относятся водородный показатель и удельное электрическое сопротивление.

Водородный показатель характеризует концентрацию в промывочной жидкости ионов водорода [Н⁺] и является наиболее широко используемым показателем их электрохимических свойств.

Известно, что молекулы воды обладают очень слабой способностью к диссоциации на ионы. Так, при 22 С в 1 л чистой воды содержится 10^-7 моль катионов Н⁺ и 10^-7 моль анионов ОН^, произведение концентраций которых, называемое ионным произведением воды (К_в), равно

К_в = [Н⁺][ОН^] = 10^-7  10^-7 = 10^-14.

Величина К_в = 10^-14 означает, что из общего количества молекул воды равного 10¹⁴ диссоциирует, образуя ионы Н^+и ОН^, всего лишь одна молекула.

При определенной температуре ионное произведение воды (К_в) – величина постоянная, т.е. при увеличении концентрации одного из ионов соответственно уменьшается концентрация другого иона.

В кислых растворах преобладают ионы Н⁺ ([Н⁺]^> 10^-7 моль/л), в щелочных – ионы ОН^ ([Н⁺]^< 10^-7 моль/л). При [Н⁺]^= [ОН^] = = 10^-7 моль/л – среда является нейтральной (дважды дистиллированная вода).

По предложению датского химика Серенсена для удобства выражения концентрации [Н⁺] пользуются значениями водородного показателя рН.

Водородный показатель (рН) – это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода, выраженной в моль/л, т.е. рН = – lg [Н⁺].

Таким образом, для нейтральной среды рН = – lg (10^-7) = 7; для кислой среды 1  рН  7; для щелочной среды 7  рН  14.

Степень кислотности или щелочности промывочных жидкостей оказывает существенное влияние на проявление ими других свойств. Так, изменяя величину рН, можно изменять реологические и фильтрационные свойства, ингибирующую способность промывочных жидкостей, их седиментационную устойчивость и др.

Величина рН также влияет на растворимость неорганических реагентов (солей) и эффективность действия (форму молекул) полимерных реагентов. При этом оптимальные значения рН находятся, как правило, в диапазоне от 9 до 11.

Однако для щелочных сред с ростом величины водородного показателя увеличивается вероятность:

– нарушений устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми породами, за счет их дополнительного увлажнения в результате интенсификации электроосмотических процессов, движущей силой которых является разность значений рН промывочных жидкостей и флюидов (вод), заполняющих поровое пространство глин и обычно имеющих кислую реакцию;

– химического диспергирования (пептизации) глинистых пород, что затрудняет их удаление из промывочной жидкости, вызывая тем самым рост ее плотности, вязкости, статического напряжения сдвига со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями;

– снижения естественной проницаемости продуктивных песчано-глинистых коллекторов из-за уменьшения размеров поровых каналов, обусловленного набуханием глинистой составляющей продуктивных пластов, а также из-за закупорки этих каналов мигрирующими в них глинистыми частицами, полностью дезинтегрированными в результате химического диспергирования.

В ряде работ для предупреждения возможных осложнений при бурении скважин в глинистых и глиносодержащих породах максимальную величину водородного показателя промывочной жидкости предлагается ограничивать значением 9,2.

Следует также отметить, что рост щелочности промывочной жидкости интенсифицирует коррозию легкосплавных бурильных труб.

В кислой же среде возрастает скорость коррозии стальных бурильных труб, а также другого бурового оборудования, изготовленного из стали и работающего в контакте с промывочной жидкостью. Кроме того, в кислой среде по мере снижения величины рН усиливается растворимость карбонатов, что при вскрытии карбонатных пород-коллекторов может вызвать снижение их естественной проницаемости.

Для измерения величины рН применяют колориметрический и электрометрический способы.

Колориметрический способ основан на способности некоторых красителей менять свой цвет в зависимости от концентрации ионов водорода и заключается в определении величины рН с помощью индикаторной или лакмусовой бумаги и эталонных цветных шкал. Этот способ отличается экспрессностью, но имеет невысокую точность (0,5 ед. рН) и ограниченную область применения. Так, его нельзя использовать для измерения величины рН окрашенных жидкостей и жидкостей с высокой концентрацией солей, так как в том и другом случаях цвет, приобретаемый индикаторной бумагой, может быть неадекватным действительной величине рН.

Электрометрический способ, в отличие от колориметрического, универсален и более точен (0,01 ед. рН). В основе его лежит способность некоторых веществ менять электрический потенциал в зависимости от концентрации [Н⁺]. В частности, разность электрических потенциалов может быть получена, усилена и измерена при разделении двух растворов с различной концентрацией ионов водорода тонкой мембраной из стекла. Перечисленные операции реализуются в специальных приборах, называемых рН-метрами.

Удельное электрическое сопротивление – величина, определяемая сопротивлением промывочной жидкости проходящему через нее электрическому току, отнесенным к единице поперечного сечения и длины пробы промывочной жидкости, заключенной в ячейке определенной конфигурации.

Из закона Ома известно, что электрическое сопротивление проводника (R, Ом) прямо пропорционально его длине (l, м) и обратно пропорционально площади поперечного сечения (S, м²), а также зависит от рода вещества, из которого изготовлен проводник

R = УЭС (l / S), (4.57)

где УЭС – удельное электрическое сопротивление проводника.

Отсюда УЭС = (R S) / l = (Омм²) / м = Омм.

Удельное электрическое сопротивление конкретного вещества, в том числе промывочной жидкости, при определенной температуре является постоянной величиной.

При проведении геофизических исследований в скважинах (ГИС), в частности, электрокаротажа, измерение удельного электрического сопротивления промывочных жидкостей, их фильтрата и фильтрационных корок – стандартная и обязательная процедура. Для обеспечения возможности правильной интерпретации результатов электрокаротажа, например, результатов метода потенциалов собственной поляризации (ПС), одной из задач которого является определение степени минерализации пластовых вод, удельное электрическое сопротивление промывочной жидкости при температуре, имеющей место в скважине, должно быть не менее 0,2 Омм.

Снижение значения удельного электрического сопротивления ниже регламентируемой величины возможно при значительном содержании в промывочной жидкости солей, в частности, KCl, CaCl₂, NaCl и др. В этой связи при разработке и эксплуатации промывочных жидкостей, ингибированных различными солями, регламентирование и контроль величины УЭС является обязательным. Контроль УЭС позволяет установить и притоки в скважину минерализованных подземных вод, а также наличие водорастворимых солей в воде, используемой в качестве основы промывочной жидкости. Предпринимались попытки оценки по величине УЭС и ингибирующей способности промывочных жидкостей.

Для прогноза значений удельного электрического сопротивления при температуре в скважине (УЭС_t) по результатам измерений его на поверхности (УЭС₂₀) можно воспользоваться следующей формулой

УЭС_t = УЭС₂₀ / (1 + а_t), (4.58) где а_t – коэффициент, учитывающий влияние на УЭС промывочной жидкости температуры.

Удельное электрическое сопротивление изменяется с ростом температуры нелинейно, в связи с чем коэффициент а_t также является функцией температуры. Поскольку в статических условиях температура промывочной жидкости в скважине принимает температуру окружающих пород, то значения а_t можно рассчитать по приведенной ниже формуле

а_t = – 20210^-6 t² + 41,910^-3 t – 0,788, (4.59) где t – температура в скважине, С.

В буровой практике для измерения величины удельного электрического сопротивления используется полевой резистивиметр РП-1.