Промывка скважин и буровые растворы

 

Основные  показатели свойств тяжелых жидкостей  в соответствии с их назначением - плотность (в зависимости от пластового давления) и показатель фильтрации (9-15 см³/30 мин).

Применение тяжелых жидкостей  для бурения скважин вследствие их малой вязкости и отсутствия твердой фазы обеспечивает существенное повышение скоростей бурения. При использовании тяжелой жидкости сокращается и расход долот на 15-20 %.

7.4. ПРИГОТОВЛЕНИЕ, ОЧИСТКА БУРОВЫХ  РАСТВОРОВ

7.4.1. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БАЗОВЫХ БУРОВЫХ  ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРОВ

Глина

Одним из основных компонентов большинства  буровых растворов является глина. Для бурения скважин используют бентонитовые, суббентонитовые, палыгорскитовые и каолинит-гидрослюдистые глины.

Бентониты состоят в основном из минералов монтмориллонитовой группы. Кристаллическая решетка - трехслойная (2:1). Пакеты образованы из алюмокислородного слоя октаэдрического (монтмориллонит, нонтро- нит, бейделлит) или триоктаэдрического (сапонит, гекторит) строения, заключенного между тетраэдрическими кремнекислородными слоями, вершины которых повернуты к внутреннему слою.

Верхние и нижние плоскости элементарных пакетов покрыты атомами кислорода, поэтому при их соприкосновении  возникают лишь слабые Ван- дер-Ваальсовы силы. В связи с этим при смачивании глины молекулы воды или другой полярной жидкости легко проникают в межпакетное пространство, вызывая его увеличение с 0,96 до 2,14 нм. При этом происходит значительный рост объема глины (набухание) и диспергирование ее до элементарных частиц.

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 1 г бентонита очень высока (табл. 7.10). Способность к набуханию обратима. Толщина водных слоев между пакетами зависит от природы обменных катионов.

Величина  обменного комплекса у монтмориллонита  составляет (80-150)10^-3 моль на 100 г сухой глины. Состав обменных катионов, адсор- 

Физико-химические характеристики глинистых минералов

Глинистые минералы	Объемная емкость, 10-3 моль/100 г	S1O2/R2O3	Эффективная удельная поверхность, м2/г	Теплота смачивания, кДж/г
Каолинит	3- 15	2-3	20-80	2- 13
Галлуазит	5- 10	2- 3	100- 170	-
Иллит	10-40	3- 4	400-500	42-55
Сепиолит, атта	20-30	2,1-2,5	800- 1000	46- 122
пульгит, палыгор-
скит
Монтмориллонит	80- 150	4- 7	450 - 900	46- 122
Вермикулит	100- 150	4- 7	-	105- 126

 

бированных на плоскостях и гранях пакетов, может  быть преимущественно представлен  как Na + , K+, так и Са²⁺ и Mg²⁺. Двухвалентные катионы увеличивают силу притяжения между пакетами, поэтому Са-бентонит хуже диспергируется и набухает. Наиболее целесообразно использовать бентониты с высокой емкостью обмена с преимущественным содержанием Na + . Такие бентониты образуют суспензии с требуемыми структурно- реологическими свойствами при относительно низкой концентрации твердой фазы.

Палыгорскит (аттапульгит) - водный алюмосиликат магния, имеющий слоисто-ленточное строение. Кристаллическая структура палыгорскита напоминает структуру амфибола и образует цеолитоподобные каналы размером 0,64-0,37 нм. Обменная емкость палыгорскита невысока - (20-30)10^-3 моль на 100 г глины, что объясняется трудностью обмена ионов, прочно связанных с элементами структуры внутри цеолитоподобных каналов, на долю которых приходится значительная часть поверхности минерала. Частицы палыгорскита имеют игловидную форму: 1,1-0,6, ширина 0,015-0,035, толщина 0,005-0,015 мкм. Межчастичное взаимодействие обусловлено механическим зацеплением игольчатых частиц. В связи с этим при производстве порошков необходимо стремиться сохранить игольчатую форму частиц.

Гидрослюды (гидромусковит или иллит) имеют структуру, подобную структуре монтмориллонита. Отличие состоит в большом числе изоморфных замещений. В иллите, например, два иона Л1³+ в октаэдрах могут замещаться двумя ионами Mg² + . Дефицит заряда, локализованный в кремне- кислородном слое вблизи поверхности элементарных пакетов, компенсируется необменными катионами К+, размещенными в гексагональных ячейках межпакетного пространства. Большая фиксированность пакетов обусловливает невозможность внедрения между ними полярных жидкостей, а следовательно, и набухания. Обменными являются только катионы, расположенные на краях. Гидрослюдистые минералы преобладают во многих минеральных глинах, применяющихся в качестве местных материалов для буровых растворов.

Каолиниты имеют кристаллическую двухслойную (1:1) решетку без зарядов на поверхности. Элементарные пакеты состоят из слоя кремнекис- лородных тетраэдров и связанного с ним через общие атомы кислорода алюмокислородного слоя диоктаэдрического строения. Атомы кислорода и гидроксиды смежных кремне- и алюмокислородного слоев двух соприкасающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью. Поэтому каолинит трудно диспергируется, имеет малую емкость обмена и плохо набухает, так как катионы и вода не могут проникнуть в межпакетное пространство. Частицы каолинита — шестиугольные, несколько вытянутые пластинки. Максимальный поперечный размер их 0,3 — 4, толщина 0,05 — 2 мкм.

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 кубических метров глинистой суспензии с заданной вязкостью и содержанием песка, полученное из 1 т глины. Технические требования к глинам для приготовления глинопорошков и буровых растворов регламентируются ТУ 39-044 — 74 (табл. 7.11).

Недостаток  существующих технических условий  — отсутствие ограничений снизу на показатели выхода раствора (4-й сорт), что в принципе позволяет использовать любую низкосортную глину. Техническими условиями определяются также методы контроля, правила приемки, транспортирования и хранения глин и гарантийные обязательства поставщика.

Технологические свойства различных глин СНГ и  США приведены соответственно в табл. 7.12 и 7.13.

Все глины по коллоидным свойствам делятся на три группы.

1. Высококоллоидные бентонитовые глины: саригюхский и черкасский бентониты 1-го сорта. Эти глины создают хорошие структурированные суспензии при объемной концентрации 3 — 4 %, что соответствует выходу раствора более 10 м³/т.
2. Глины средней коллоидности — огланлинский, черкасский (2-й сорт), саригюхский (2-й и 3-й сорта) бентониты, обеспечивающие выход раствора 10 — 4 м³/т.
3. Низкоколлоидные глины (дружковская, куганакская, нефтеабадская, биклянская), дающие выход раствора менее 4 м³/т. Они характеризуются высоким объемным содержанием твердой фазы в суспензии (14 — 22 %) и высокой плотностью (1,22—1,35 г/см³).

Для ускорения  приготовления буровых растворов  используют глины в виде порошков.

Глинопорошок представляет собой  высушенную и измельченную природную (или с добавкой химических реагентов) глину. Для приготовления буровых растворов применяют глинопорошки из бентонитовых, палыгор- скитовых и гидрослюдистых глин. В процессе производства возможно повышение качества глинопорошков путем обработки глин различными реагентами во время помола. Лучшие качества бентонитовых глинопорошков,

Таблица 7.11

Показатели качества глин по техническим условиям

	Норма при вязкости 25 с по ПВ-5
Показатели	Сорт
	1	2	3	4
Выход раствора, м3/т, не менее Плотность раствора, 103 кг/м3, не более Содержание песка, %, не более	10 1,06 6	8 1,08 7	6 1,10 7	>6 >1,11 8

Примечание. Сырье для получения палыгорскитового порошка должно удовлетворять требованиям 1-го сорта.

Таблица 7.12

Технологические свойства глин (СНГ)

Глина	Общая обменная емкость, 10—3 моль/100 г	Состав обменных катионов, 10—3 моль/100 г		Коэффициент коллоидальности K*	Выход раствора из 1 т 3 глины, м3	Показатели растворов при вязкости 25 с по ПВ-5
		Ca + Mg	Na + K			р, г/см3	Ф, см3/30 мин	СНС1, дПа	СНСю, дПа	"Ппл, мПа-с	Т0, дПа	Объемное содержание твердой фазы в суспензии, %
Саригюхский
бентонит:
1-й сорт	85,49	32,89	43,88	0,85	14,0	1,04	11	24,50	56,80	10,0	40,60	3,00
2-й сорт	73,20	—	—	—	10,5	1,06	12	16,23	45,52	12,0	48,0	4,60
3-й сорт	69,80	—	—	—	7,9	1,08	13	—	18,32	12,6	24,90	5,50
Черкасский бен
тонит:
1-й сорт	71,54	68,50	3,04	0,89	11,7	1,05	15	94,67	112,94	9,5	42,20	3,41
2-й сорт	68,16	—	—	—	9,8	1,07	14	51,92	85,51	11,5	51,48	4,08
Огланлинский	76,43	—	—	—	10,6	1,05	24	33,38	38,70	17,5	23,40	3,85
бентонит
Дружковская	29,30	9,30	19,90	0,2	3,4	1,22	53	31,54	33,77	9,5	79,56	12,87
Куганакская (та-	31,80	13,73	18,35	0,39	2,9	1,23	30	131,37	137,43	7,0	86,92	15,50
лалаевская)
Нефтеабадская	24,08	18,80	5,84	0,20	2,0	1,35	33	48,87	54,97	12,0	118,56	23,3
Палыгорскит	29,80	—	—	—	3,48	1,18	19	155,75	161,86	9,0	358,8	12,87
Биклянская	26,82	-	—	—	2,24	1,28	58	33,59	36,65	6,0	122,60	20,80

K — отношение величины адсорбции метиленовой сини 1 г глины к величине адсорбции 1 г коллоидных частей бентонита.

Технологические свойства различных  глин США, испытанных по методике АНИ

Глины	Выход раствора, м3/т	Показатель  фильтрации, см3 при вязкости 1510-3 Па-с	рН
Гекторит (Калифорния)	25,4	7,0	8,6
Na-монтмориллонит (Вайо	19,9	11,0	8,2
минг)
Са-монтмориллонит (Кали	11,3	15,0	8,7
форния)
Са-монтмориллонит (Техас)	2,9	11,0	7,5
Иллит (Иллинойс)	2,1	57,0	7,4
Каолинит (Джорджия)	2,2	190,0	7,0
Аттапульгит (Джорджия)	16,7	105,0	7,1
Галлуазит (Колорадо)	2,7	35,0	7,7

 

например, получают при введении Na₂CO₃ и акриловых полимеров (М-14, метас).

Эффект  модификации выражается в повышении  вязкости глинистой суспензии за счет дополнительного диспергирования  глины, увеличения объема связанной  воды и вязкости дисперсионной среды  и усиления геле- образования. Добавки  Na₂CO₃ необходимы для перевода бентонита в Na- форму, которая лучше диспергируется в воде, вследствие чего увеличиваются активная поверхность бентонита и количество адсорбированного полимера, качественно изменяющее характер взаимодействия между контактирующими частицами. Такая обработка позволяет повысить выход раствора из бентонита с 10 до 18 — 20 м³/т и более.

В соответствии с техническими условиями основным показателем качества (сортности) глинопорошка так же, как и глин, является выход раствора (табл. 7.14).

Основной показатель качества палыгорскитового порошка — способность его образовывать в насыщенном растворе NaCl устойчивую суспензию. Устойчивость суспензии характеризуется величиной отстоя. Показатели качества палыгорскитовых порошков приведены ниже.

Влажность, %, не более  25

Тонкость помола — остаток на сите № 020К, %, не более  10

Отстой 7%-ной суспензии, содержащей 25 % соли (NaCl) на жидкую фазу, за 2 ч, %, не более  2

Содержание  песка через 1 мин, %, не более  1

Таблица 7.14

Показатели качества глинопорошков