Лекция 6 - 7. Глинистые растворы

В глинистых растворах дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой — в основном глинистые частицы, которые находятся в виде агрегатов минералов размером от тонкодисперсных (коллоидных < 0,25мкм) до грубодисперсных.

Глина — горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Глинистые минералы отличаются друг от друга химическим составом и строением кристаллической решет­ки. Они представлены в основном водными алюмосиликатами хАl₂O₃ × ySiO₂ × zH₂O, кроме того, в них содержится 5—15% дру­гих соединений, главным образом в виде окисей железа, магния, кальция, натрия, марганца, титана, углерода и серы. Насчитывается более 40 алюмосиликатов, входящих в состав природных глин. Наиболее важными для буровой технологии и распространенными являются четыре группы глинистых минералов: монтмориллониты (монтмориллонит, сапонт, нонтронит, вермикулит), каолиниты (каолинит, накрит, галлузит, диккит, энделлит, аноксит), гидрослюды (иллит, гидромусковит) и палыгорскиты (палыгорскит, сепиолит, аттапульгит). Глинистые частицы имеют преимущественно слоистую структуру, единичные слои которой состоят из кремнекислородного и алюмокислородного подслоев, соединенных между собой прочными, ковалентными связями. Слои между собой связаны менее прочными межмолекулярными силами и побочными связями, возникающими между рядом расположенными атомами. Поскольку поверхность глинистых частиц несет заряд (преимущественно отрицательный), в образовании связей между ними, способности к набуханию, коагуляции (слипанию) большая роль принадлежит ионному обмену между глиной и средой.

Гли­ны, в состав которых входят монтмориллониты, называются бентонитовыми. Если наряду с монтмориллонитом содержится значительное количество каолинитов или гидрослюд, то такие глины называют суббентонитовыми. Глины, содержащие монтмориллонит, наиболее широко применяются в бурении скважин. В природе встречаются бентониты с преобладающим содержа­нием в обменном комплексе катионов кальция или натрия, су­щественно различающиеся по свойствам.

При выборе типа глины для приготовления бурового раство­ра учитывают способность достаточно быстро самопроизвольно диспергироваться (распускаться) в воде, устойчивость против коагулирующего действия солей, влияние ее на плотность, вяз­кость и противоизносные и смазочные свойства раствора.

Чем выше способность глин к самопроизвольному диспергированию, тем больше выход глинистого раствора из одного и того же количества глины. Наиболее высокой способностью к само­произвольному диспергированию обладают натриевые бентони­ты. Растворы из этих глин имеют низкие фильтрацию и плот­ность (неутяжеленные), но они обладают высокой чувствитель­ностью к коагулирующему действию солей разбуриваемых по­род и пластовых вод.

Более высокую устойчивость к солевой агрессии имеют каль­циевые бентониты. Однако они меньше набухают в воде, требу­ется их больший расход для приготовления единицы объема раствора. Еще менее чувствительна к коагулирующему действию солей палыгорскитовая глина. Она распускается как в пресной, так и в минерализованной воде, однако скорость растекания ее значительно ниже, чем бентонитовой глины.

Растворы из бентонитовых и палыгорскитовых глин при вяз­кости (по СПВ-5) 25—30 с имеют плотность от 1020—1060 до 1100—1150 кг/м³ Для приготовления растворов большей плот­ности при относительно низкой вязкости требуется введение до­бавок специальных утяжелителей. Растворы плотностью 1250— 1350 кг/м³ можно приготовить из малоколлоидальных суббентонитовых глин. Однако противоизносные свойства таких раство­ров ниже, чем растворов, приготовленных из бентонитовой гли­ны и утяжеленных баритом или мелом.

Глинистые растворы приготовляют в основном из глинопорошков, специально выпускаемых промышленностью на специа­лизированных заводах. Реже используется местная комовая гли­на, как правило, худшего качества, чем глинопорошки Произ­водство глинопорошков включает добычу сырья на глинокарьерах, доставку его на заводы, измельчение, сушку, помол и зата­ривание в специальные мешки Качество глинопорошков регла­ментируется ТУ.

Глинистые растворы обладают следующими положительными качествами: 1) удерживают шлам во взвешенном состоянии при остановках циркуляции; 2) глинизируют стенки скважины, в результате чего уменьшается фильтрация раствора или его дисперсионной среды в проницаемые пласты (при этом сохраняет­ся, а иногда и несколько повышается устойчивость стенок сква­жин); 3) обеспечивают более высокое качество вскрытия про­дуктивных пластов по сравнению с водой; 4) позволяют доста­точно оперативно регулировать гидростатическое давление в скважине изменением плотности раствора; 5) часто позволяют предупредить поглощения, снизить их интенсивность или лик­видировать совсем; 6) способствуют качественному проведению комплекса геофизических исследований; 7) есть возможность приготовления раствора самозамесом в процессе бурения при благоприятных геологических условиях (Западная Сибирь и др.).

К недостаткам глинистых растворов относятся: 1) большая вероятность затяжек и прихватов бурильной колонны и прибо­ров в скважине вследствие образования фильтрационной корки, иногда толстой и липкой; 2) проникновение глинистых частиц и фильтрата в продуктивный пласт и снижение его проницае­мости; 3) значительные вязкость и плотность, обусловливающие более высокие гидравлические сопротивления в циркуляционной системе, чем при промывке водой и усиливающие проявление дифференциального давления; 4) большие затраты химических реагентов, времени и средств на приготовление растворов; 5) более низкие буримость горных пород и

показатели бурения по сравнению с промывкой водой; 6) потребность в специаль­ных, очистных сооружениях для очистки и дегазации раствора; 7) повышенная склонность к

вспениванию; 8) вероятность ухудшения качества цементирования при образовании толстой и рыхлой глинистой корки на стенках скважины.

Особенностями технологии бурения скважин с промывкой глинистыми растворами являются систематический контроль показателей свойств, очистка бурильной колонны при подъеме из скважины, применение поинтервальных промывок при нали­чии в разрезе пластов, вызывающих осложнения, а также обра­ботка растворов химическими реагентами и смазочными добав­ками В качестве противоизносных и смазочных добавок при­меняют графит, смад-1, смесь гудронов (СГ), различные отходы нефтедобычи, нефтехимии и нефтепереработки, синтетические высшие спирты, а также широко применяется способ перевода глинистых растворов в гидрофильные эмульсионные — добавками углеводородов.

Графит используют в основном с целью профилактики при­хватов, его вводят в концентрации 0,8—1,5% по массе от объе­ма раствора.

Смад-1 представляет собой смесь окисленного петролатума с дизельным топливом в соотношении от 1:1 до 1:3. Применя­ется в основном с глинистыми растворами, а также с водой пос­ле предварительного смешения с глинопорошком в соотноше­нии 1:1. Оптимальная концентрация добавки 1—2% для неутя­желенных и 2—4% для утяжеленных растворов. К недостаткам смад-1 относится омыление ее при рН ³ 10 и образование водонерастворимых кальциевых и магниевых мыл при поступле­нии в буровой раствор катионов кальция и магния, в результате чего противоизносные и смазочные свойства смад-1 резко ухуд­шаются.

Положительные результаты дает применение смад-1 и смеси графита с углеводородами для снижения фрикционных свойств фильтрационных корок, уменьшения затяжек и прихватов бурильных колонн.

Для повышения противоизносных и смазочных свойств гли­нистых растворов эффективно использование таких отходов промышленности, как нефтяные шламы и отбеливающие земли.

после контактной очистки масел (контактные глины). Нефтяные шламы при концентрации их в глинистом растворе 6% способ­ствуют повышению износостойкости долотных сталей в 1,5—2 ра­за и уменьшению коэффициента трения пары сталь—сталь в 1,5—3 раза.

Контактные глины при концентрации их в глинистом раство­ре 4—6% уменьшают скорости изнашивания вооружения раз­личных типов шарошечных долот в 1,1—2,5 раза, опор в 1,4— 3,4 раза, повышают проходка на долото и механическую ско­рость в среднем на 35% и 20% соответственно. Нефтяные шла­мы и контактные глины снижают фильтрацию, улучшают тиксотропность.

Глинистые растворы подразделяются по составу и степени минерализации на пресные (NaCl<1%), слабоминерализованны е (NaCl= 1-3%), среднеминерализованные (NaCl = 3-10%), высокоминерализованные (NaCl >10%) и игибированные. Область применения этих растворов определяется составом и уровнем минерализации разбуриваемых горных пород и пластовых флюидов, устойчивостью стволов скважин и характеристиками продуктивных коллекторов (состав и свойства слагающих пород, пластовые давления и температуры).

Управление свойствами пресных и минерализованных хлористым натрием глинистых растворов осуществляется одними теми же методами и средствами. Однако с ростом содержания хлористого натрия в растворе приходится увеличивать содержание, использовать более солестойкие химические реагенты, а в высокоминераизованных растворах применять различные комбинации реагентов, дающие синэргетические эффекты и позволяющие обеспечивать необходимый уровень их стабилизации.

Широкое распространение в буровой технологии нашел способ ингибирования промывочных жидкостей для управления их свойствами.

Ингибированные глинистые растворы применяют для бурения неустойчивых горных пород, для повышения качества вскрытия продуктивных пластов. Получают их обработкой исходной водо-глинистой суспензии реагентами ингибиторами, представляющими собой в основном соли калия, кальция, алюминия и др. Находят применение хлористый калий, минерализатор МИН-1 (калиевые глинистые растворы), гашеная известь, гипс, ангидрит, хлористый кальций (кальциевые глинистые растворы), жидкое стекло (силикатные глинистые растворы), сернокислый алюминий, сернокислый алюмокалий (алюминизированные глинистые растворы) и различные комбинации вышеперечисленных и других ингибиторов.

Кроме исходной водо-глинистой суспензии и ингибитора раствор должен содержать щелочь, реагенты понизители вязкости и показателя фильрации. Щелочь и указанные реагенты предназначены для стабилизации раствора в присутствии сильных коагуляторов, которыми и являются ингибиторы.

В результате диссоциации ингибитора в дисперсионной среде бурового раствора и проникновении его фильтрата в приствольные горные породы, происходит интенсивный ионный обмен между ними, гидрофильность и набухание глинистой составляющей пород снижаются, что в целом повышает устойчивость стволов, лучше сохраняет проницаемость продуктивных коллекторов.