4.2. Электролиты в роли структурообразователя
При промывке скважины в соленосных горных породах глинистыми и полимерными растворами происходит их интенсивная коагуляция поэтому ведутся поиски по замене этих растворов растворами, устойчивыми к солевой агрессии. К таким растворам можно отнести растворы с конденсированной твердой фазой. Конденсированная твердая фаза должна быть:
гидрофильной,
обладать активными функциональными
группами: – ОН-;
– СО3-;
;
SiO2-;
агрегативно- и седиментационно устойчивой.
Для получения конденсированной твердой фазы используют легкорастворимые в воде соли, вступающие друг с другом или с водой в реакцию с получением нерастворимых или малорастворимых (но с гидрофильной поверхностью) соединений.
Так, в результате взаимодействия ионов магния растворенного в воде бишофита с гидроксильной группой ОН- каустической соды образуются кристаллики гидроксида магния с гидрофильной поверхностью:
MgCl2+NaOH=Mg(OH)2+Na++Cl-
Благодаря наличию полярных групп -ОН вокруг микрокриcталлов Mg(OH)2 в воде образуются сольватные слои, значительной величины, в результате чего раствор в спокойном состоянии превращается в гидрогель. Поэтому буровые растворы с конденсированной твердой фазой, содержащей гидроксильную группу, получили название гидрогелей (в данном случае гидрогель магния).
С целью получения твердой фазы о большой удельной поверхностью и большей агрегативной и седиментационной устойчивостью рост частиц твердой фазы ограничивают введением в раствор полимеров (чаще всего КМЦ). Адсорбируясь на микрокристаллах Mg(OH)2, КМЦ не только ограничивает рост кристалла, но и активирует поверхность твердой фазы.
Подобные гидрогели могут образовывать гидроксиды трех и четырехвалентных элементов: Al(OH)3; Si(ОН)4 и т.д. В отличие от двухвалентных металлов, которые образуют гидроксиды только в щелочной среде трех- и четырехвалентные элементы образуют гидроксиды даже в кислой среде. Так, например, гидроксид алюминия появляется уже при рН=5. При действии на кислые растворы солей алюминия щелочью из раствора выпадает студенистый осадок гидрогеля алюминия.
Кремниевые кислоты Н2О·SiO2, Si(OH)4, в растворе также образуют гидрогели.
При высушивании гидрогелей получают аэрогели: алюмогели, силикагели.
Предотвращая сращивание микрокристаллов с помощью полимеров, получают стойкие структурированные растворы.
Наряду с гидрогелями широкое распространение получают промывочные жидкости с конденсированной твердой фазой, образованной из двух взаимодействующих в растворе друг с другом солей:
Na2CO3+CaCl2=CaCO3+2Na++2Cl-
Na2SiO3+CaCl2=CaSiO3+2Na++2Cl- и т.д.
или двух солей и воды:
Al(SO4)3+3CaCl2+3H2O=3CaSO4+2Al(OH)3+3H++3Cl-
Полученные таким образом соли также имеют гидрофильные функциональные группы и способны образовывать гели, поэтому их называют солегелями и гидросолегелями.
С целью ограничения роста кристаллов и гидрофилизации твердой фазы так же, как и при получении гидрогелей, в раствор добавляют полимеры: КМЦ, гипан, крахмал. Тип солегелей определяется по наименованию аниона и катиона конденсированной соли (сульфатно-кальциевый солегель, силикатно-кальциевый солегель, алюмо-силикатный солегель) или по названию соли (например, гипсовый солегель).
При введении в раствор щелочных солей наряду с солями образуются гидроокислы поливалентных металлов. Такие растворы получили название гидросолегелей.
Наиболее широкое распространение в России получил разработанный O.K. Ангелопуло гидрогель магния. Им было установлено, что концентрированные и насыщенные растворы МgСl2, а также насыщенные растворы NaCI и КС1, содержащие 15-20 % MgCl2 после обработки 1,5-2,0% NaOH, через несколько часов интенсивного перемешивания превращаются в структурированную систему- гидрогель магния, которая даже без добавки полимеров сохраняет стабильность в течение нескольких месяцев. Тем не менее с целью получения раствора с малым СНС в процессе приготовления раствора, когда СНС достигнет 3-5 Па, гидрогель обрабатывают полимерами.
Известно, что конденсация (кристаллизация) соли быстрее начинается при наличии центров кристаллизации - мельчайших твердых частиц в растворе, поэтому для ускорения конденсации соединений в раствор добавляют так называемые активированные (NaOH) затравки кристаллизации: сконденсированный гидроксид магния, асбест, тонко-, диспергированный мел, глину, гидролизный лигнин, отходы бумажного, химического и металлургического производства (частично растворимые шламы, шлаки, золу, диспергированную известь и т.д.).
При получении солегелей для предотвращения конденсирования крупных кристаллов полимер (по гельтехнологии O.K. Ангелопуло) вводят в один из электролитов до смешивания с другим электролитом.
Вместо электролитов для получения гелей могут использоваться природные (асбест, торф) и искусственные полимеры. Так, при введении в раствор полимеров (КМЦ, ПАА) кислой асбестовой затравки (КАЗ) и небольшого количества щелочи получают буровой раствор под названием асбогель.
Гидрогели и солегели при бурении соленосных отложений для максимально возможного снижения растворяющей способности промывочной жидкости насыщают солями одновалентных или двухвалентных металлов в зависимости от требуемой соли. В табл.4.5 приводится состав некоторых гидро- и солегелей, применяемых для бурения соленосных отложений.
К недостаткам гидрогелей и солегелей следует отнести высокую материалоемкость дефицитных материалов, что значительно повышает себестоимость промывочных жидкостей.
Таблица 4.5
Состав гидрогелей и солегелей, применяемых в России для бурения соленосных отложений
