Утяжелители

Глинистые растворы, приготовленные из наиболее распространенных глин, имеют удельный вес 1,15—1,25 гс/см3. Если используются высококачественные бентониты, то можно приготовить глинистый раствор с удельным весом 1,05—1,08 гс/см3. Некоторые типы глии (нефтеабадская в Средней Азии и лепрозорская в Краснодарском крае) обеспечивают получение глинистого раствора с удельным весом 1,40—1,45 гс/см3 без применения специальных утяжелителей. В остальных случаях, когда необходим глинистый раствор с более высоким удельным весом, используют инертные порошкообразные материалы, которые добавляют в промывочную жидкость для повышения ее удельного веса. Такие порошкообразные материалы называют утяжелителями, а процесс повышения удельного веса промывочной жидкости — утяжелением.

В настоящее время в качестве утяжелителей используют барит, гематит, магнетит, железистый концентрат, колошниковую пыль, известняк и мел.

Барит (BaSO4) — минерал белого цвета, который в чистом виде (без примесей) имеет удельный вес 4,48 гс/см3, невысокую твердость (3—3,5 по шкале Мооса) и малую абразивность.

Гематит (Fe2O3) является одной из главных железных руд. Он имеет вишнево-красный цвет, сравнительно высокий удельный вес, достигающий 5,3 гс/см3 (без примесей), высокую твердость (5,5—6,0 по шкале Мооса) и высокую абразивность.

Магнетит (FеО*Fе2О3) представляет собой двойной окисел с содержанием FeO до 31 %. Мало отличается от гематита по твердости и удельному весу, но в отличие от гематита обладает магнитными свойствами. Цвет магнетита черный со слабым металлическим блеском. Магнетитовые концентраты, поставляемые обогатительными предприятиями Курского и Криворожского месторождений, имеют удельный вес 4,40—4,60 гс/см3. Содержание водорастворимых солей в них составляет 0,2—0,3%. в том числе Ca2+ 0,01—0,05%. Утяжелитель из магнетитового концентрата Дашкесанской обогатительной фабрики, вырабатываемый на Карадаг-ском заводе «Утяжелитель», имеет удельный вес 4,20—4,30 гс/см3.

Железистый утяжелитель представляет собой смесь минералов FeO и Fе2О3 и горных пород. Благодаря присутствию горных пород снижается удельный вес железистого утяжелителя (но сравнению с магнетитом) и несколько ухудшается утяжеляющая способность.

Известняк и мел (CaCO3) обладают сравнительно низким удельным весом (2,6—2,8 гс/см3), но более дешевы и менее абразивны.

Утяжелители характеризуются следующими основными свойствами: удельным весом, тонкостью помола (или удельной поверхностью), абразивностью, содержанием химически-активных примесей и утяжеляющей способностью.

Удельный вес утяжелителя уу оказывает влияние на его концентрацию в промывочной жидкости. Чем больше уу, тем меньше утяжелителя содержится в промывочной жидкости в соответствии с формулой

где С у — концентрация утяжелителя в т/м3 или г/см3, у2 — удельный вес утяжеленного глинистого раствора в гс/см3; y1 — удельный вес неутяжеленного глинистого раствора (исходного) в гс/см3.

Формула (39) позволяет определить концентрацию утяжелителя, но не может служить для расчета количества утяжелителя, необходимого для утяжеления промывочной жидкости, по следующим причинам. При введении утяжелителя повышается вязкость промывочной жидкости. Часто глинистый раствор настолько загустевает, что его приходится разбавлять водой или применять понизители вязкости. В этом случае утяжеление производят в несколько приемов. В конечном итоге оказывается, что количество утяжелителя, затрачиваемое для достижения необходимых удельного веса и вязкости промывочной жидкости, значительно превышает величину, определенную по формуле (39). Кроме того, в формуле (39) не учтена влажность утяжелителя. Если при утяжелении вязкость промывочной жидкости не превышает допускаемую величину, то расход утяжелителя с учетом его влажности определяют по формуле

где nв — влажность утяжелителя в долях единицы.

Расход утяжелителя на утяжеление промывочной жидкости до заданного значения у2 при определенных Т, О1 и О10 называется утяжеляющей способностью. Для сравнения утяжеляющей способности разных утяжелителей опытным путем в лаборатории производят утяжеление и обработку одинаковых глинистых растворов разными утяжелителями, добиваясь необходимых значений у2, Т, О1 и О10. При этом записывают фактически затраченное количество утяжелителя и сравнивают эти расходы. Утяжелитель, затраты которого на утяжеление оказывались меньшими, обладает лучшей утяжеляющей способностью, и его необходимо рекомендовать для использования на данной буровой. Следовательно, оценка по утяжеляющей способности — это сравнительная оценка, и она может быть выявлена только при сравнении нескольких утяжелителей в каких-либо конкретных условиях.

Утяжеляющая способность различных утяжелителей очень сильно зависит от содержания в утяжелителе частиц менее 5 мк. Частицы утяжелителя с размерами менее 5 мк способствуют более резкому повышению вязкости глинистого раствора вследствие того, что каждая частица является центром образования структуры, а количество частиц с размерами 1—5 мк достигает 5000—10 000 в 1 см3 глинистого раствора. Если количество частиц с размерами до 10 мк составит всего 20%, то и тогда в 1 см3 глинистого раствора будет присутствовать до 2000 мелких частиц. Эти причины вызывают необходимость снижения содержания в утяжелителях частиц менее 5 мк.

Из числа применяемых в настоящее время утяжелителей наибольшей утяжеляющей способностью обладает железистый утяжелитель. Ho он имеет ряд недостатков: высокую твердость и абразивность, сравнительно высокое содержание химически-активиых примесей и магнитные свойства.

Анализ промысловых данных показал, что при использовании железистых утяжелителей при бурении скважин на месторождениях Азербайджана создаются условия для возникновения прихватов, что связано с магнитным взаимодействием между магнетитом и бурильными трубами. Применение магнетитового концентрата в глубоких разведочных скважинах почти неизбежно приводило к прихватам инструмента. После замены магнетита баритом резко сократилось количество прихватов и улучшились общие показатели бурения, несмотря на некоторое увеличение стоимости утяжелителя. Причиной возникновения прихватов при использовании магнетита является образование плотных слоев из утяжелителя на поверхности бурильных труб и обсадных колонн, уменьшающих эффективное сечение скважины.

Барит имеет несколько меньшую утяжеляющую способность, что, очевидно, связано с большой дисперсностью и способностью барита адсорбировать на своей поверхности воздух, снижающий удельный вес промывочной жидкости. Это подтверждается тем фактом, что с увеличением удельной поверхности уменьшается утяжеляющая способность барита. Зависимость между утяжеляющей способностью флотационного барита и величиной его удельной поверхности показана на рис. 44. Кроме того, выпускаемый в настоящее время флотационный барит содержит большое количество примесей и особенно глинистых частиц, что также снижает его утяжеляющую способность.

Особенностью известняка и мела является сравнительно низкий удельный вес, в результате чего их можно использовать в качестве утяжелителей только при сравнительно невысоком значении у2. Зависимость расхода утяжелителя от его удельного веса показана на рис. 45. Из рис. 45 видно, что в случае, если у2 = 1,5 гс/см3, удельный вес утяжелителя существенно не влияет на его расход. С увеличением у2 значение уу возрастает. Технические условия на утяжелитель приведены в табл. 29.

Определение удельного веса утяжелителей производят с помощью упрощенного пикнометра. Упрощенный пикнометр изготовляют из колбы, к которой припаивают градуированную трубку объемом 10—15 см3. Для определения удельного веса пикнометр заполняют керосином до начала градуированной трубки и помещают в сосуд с водой, имеющей температуру 20° С. Через 15— 20 мин температура керосина сравняется с температурой воды. В этот момент записывают начальный уровень керосина. Высушенный до постоянного веса при температуре 105° С утяжелитель охлаждают в эксикаторе, отвешивают 40—60 г с точностью до 0,01 г и небольшими порциями при легком встряхивании высыпают в пикнометр до тех пор, пока уровень жидкости не поднимется до верхней части градуированной трубки. Затем пикнометр слегка вращают вдоль вертикальной оси для удаления пузырьков воздуха и помещают в сосуд с водой для термостатирования при 20° С. Отсчет верхнего и нижнего уровней (до и после высыпания утяжелителя) производят по нижнему мениску. Остаток утяжелителя взвешивают и по разности между весом исходной навески и остатка определяют вес утяжелителя Р, находящегося в пикнометре. По разности уровней определяют увеличение объема V. Удельный вес утяжелителя уу определяют по формуле

Влажность утяжелителя определяют высушиванием навески около 10 г утяжелителя при температуре 105—110° C до постоянного веса. Процентное содержание влаги определяют по формуле

где P1 — вес влажного утяжелителя в г; P2 — вес высушенного утяжелителя в г.

Взвешивание производят с точностью до 0,01 г.

Содержание водорастворимых солей определяют путем выпаривания водной вытяжки. Для определения взвешивают около 10 г утяжелителя (с точностью до 0,01 г), помещают его в стакан или коническую колбу, приливают примерно 300 мл дистиллированной воды и кипятят в течение 10 мин. После охлаждения смесь переносят в мерную колбу на 500 мл, разбавляют дистиллированной водой до метки 500 мл, взбалтывают и фильтруют с помощью воронки Бюхнера в колбу Бунзена. Для лучшей очистки фильтрата в воронку Бюхнера укладывают 5—6 листков фильтровальной бумаги. Фильтрацию повторяют до получения прозрачного фильтрата. Отбирают 100 мл прозрачного фильтрата, помещают его в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и высушивают при температуре 105—110°C до постоянного веса. Вычисление процентного содержания водорастворимых солей производят по формуле

где P1 — вес сухого остатка в г; P — навеска утяжелителя в г.

Оставшийся фильтрат используют для определения концентрации кальция.

Для определения концентрации Ca2+ помещают 100 мл фильтрата в колбу на 250—300 мл, добавляют 20 мл 4%-ного раствора едкого натра и щепотку индикатора, полученного растиранием в ступке 1 г мурексида с 99 г хлористого натрия. Жидкость титруют 0,01 н. раствором трилона Б до перехода окраски из красной в фиолетовую. Содержание кальция определяют по формуле

где ЭСа — грамм-эквивалент кальция (20,04); Нтр — нормальность трилона Б; V — объем трилона Б, пошедший на титрование, в мл; P — навеска утяжелителя в г.

Определение тонкости помола производят путем просеивания утяжелителя через сито с помощью струйки воды. Для определения высушивают при температуре 105—110°С пробу утяжелителя, отбирают из нее 10 г и помещают на сито с размерами ячеек 0,074 мм (170 меш). Промывают сито с утяжелителем слабой струей воды при встряхивании в течение 10—15 мин. Остаток на сите осторожно переносят в фарфоровую чашку и высушивают до постоянного веса. Процентное содержание остатка определяют по формуле

где а — вес фракции, не прошедшей через сито, в г.

Определение содержания фракции диаметром менее 10 мк производят методом отмучивания. Для отмучивания берут мерный литровый цилиндр с притертой пробкой и наклеивают на его наружной поверхности полоску миллиметровой бумаги с отметкой на расстоянии h, равном 5 или 10 см от верхнего края цилиндра. Навеску утяжелителя 20±0,01 г высушивают до постоянного веса и просеивают через сито с размером отверстий 0,5—0,6 мм. Из прошедшего через сито утяжелителя отбирают 5±0,01 г и высыпают в литровый цилиндр. Затем цилиндр заполняют водой до верхнего конца миллиметровки, закрывают пробкой и взбалтывают в течение 1 мин, равномерно переворачивая цилиндр. По окончании взбалтывания ставят цилиндр вертикально и одновременно включают секундомер. По нижеприведенной формуле, выведенной на основании закона Стокса, определяют время t седиментации частиц, имеющих размер больше 10 мк,

По истечении времени t в цилиндр до метки погружают сифонную трубку и сливают жидкость, находящуюся выше метки. Затем цилиндр снова наполняют водой и продолжают осветление верхней части. После окончания отмучивания осадок высушивают до постоянного веса. Процентное содержание частиц менее 10 мк определяют по формуле

где P — исходная навеска утяжелителя (20 г); Р1 — общий вес просеянного утяжелителя в г; В — навеска просеянного утяжелителя (5 г); B1 — вес остатка после отмучивания в г.

При определении содержания фракции менее 10 мк флотационного барита утяжелитель необходимо предварительно выдержать при 80° С в течение 10 мин в водном растворе, содержащем 0,4% кальцинированной соды и 0,5% жидкого стекла (к весу утяжелителя). Выдерживание осуществляют в мерном цилиндре на 50—100 мл при непрерывном помешивании стеклянной палочкой.

По окончании прогрева избыток жидкости над пробой сливают и после дополнительной однократной промывки водой пробу переносят в цилиндр для отмучивания.

Определение растекаемости утяжеленной пульпы производят с помощью конуса АзНИИ, который представляет собой усеченный конус объемом 120 см3 с диаметром 60±0,5 мм и 36±0,5 мм. Для определения растекаемости конус устанавливают на стекло, градуированное концентрическими окружностями через каждые 5 мм, и наполняют его утяжеленной пульпой. Пульпу готовят путем тщательного перемешивания 500 г утяжелителя и 125 мл воды. Конус заполняют пульпой до краев и затем плавно поднимают. При этом пульпа растекается по стеклу. Измеряют наибольший и наименьший диаметры растекшейся пульпы и вычисляют среднее значение, которое и принимают за растекаемость.