Утяжеленные глинистые растворы на пресной воде

Основным отличием утяжеленных глинистых растворов является высокая концентрация твердой фазы, что усложняет регулирование их реологических свойств. Твердая фаза утяжеленных глинистых растворов состоит из трех компонентов: глины, утяжелителя и выбуренной неглинистой породы (известняк, мергель и т. п.). Глины и выбуренные породы имеют примерно одинаковый удельный вес, но отличаются друг от друга гидрофильностью и способностью образовывать структуру в глинистых растворах. Утяжелитель обычно имеет более высокий удельный вес.

На рис. 45 было показано, что для приготовления малоутяжеленных глинистых* растворов (y2 = 1,5—1,6 гс/см3) можно пользоваться утяжелителями со сравнительно низким удельным весом: известняком или мелом (уу = 2,6—2,8 гс/см3). При этом расход утяжелителя мало зависит от его удельного веса. Влияние концентрации порошкообразного известняка на параметры глинистого раствора, приготовленного из часовъярской глины, показано на рис. 50, из которого видно, что при введении известняка снижается водоотдача и сравнительно медленно растет вязкость. Вязкость таких глинистых растворов легко поддается регулированию сунилом, нитролигнином, ПФЛХ или УЩР. Если же необходимо приготовить глинистый раствор с удельным весом 1,7—2,0 гс/см3, то применяют более тяжелый порошкообразный материал — барит, который имеет уу = 3,8—4,2 гс/см3. Железистый утяжелитель целесообразно использовать для утяжеления глинистого раствора до у2 = 2 гс/см3 и выше.

Возможность приготовления высокоутяжеленных глинистых растворов зависит не только от свойств утяжелителя, но и от концентрации и коллоидных свойств глины. Высокоутяжеленные глинистые растворы должны содержать меньшее количество глины, но эта глина по возможности должна быть высококоллоидной. На рис. 51 показаны зависимости удельного веса глинистых растворов (прямые 1, 2, 3) от концентрации утяжелителя при различном содержании малоколлоидной нефтеабадской глины. Прямые 1, 2, 3 пересекаются. Это свидетельствует о том, что более высокий удельный вес глинистого раствора достигается в том случае, когда исходный неутяжелейный глинистый раствор имеет меньшую концентрацию глины. На этом же рисунке нанесены кривые 4, 5, 6 зависимости приращения вязкости от увеличения концентрации утяжелителя, из которых следует, что глинистые растворы с более высокой концентрацией глины очень быстро загустевают при утяжелении.

Из рис. 51 следует, что зависимость удельного веса глинистого раствора от концентрации утяжелителя имеет линейный характер и подчиняется закономерности.

где Cy — концентрация утяжелителя в т/м3; y1 — удельный вес исходного глинистого раствора в гс/см3; Kу — коэффициент утяжеления.

Решив уравнения (39) и (56), получим

В общем случае коэффициент утяжеления Kу зависит от удельного веса утяжелителя, воды и глины, а также от концентрации глины в исходном глинистом растворе. С увеличением концентрации глины с 16 до 50,4% коэффициент утяжеления уменьшился с 0,69 до 0,42, т. е. более чем в 1,5 раза. Из этого следует, что глинистые растворы с большой концентрацией глины труднее утяжелять не только потому, что их вязкосоть возрастает быстрее, но и потому, что они имеют меньший коэффициент утяжеления. Для уменьшения концентрации глины перед утяжелением производят разбавление глинистого раствора водой или понизителями вязкости.

Иногда на практике утяжеление глинистого раствора осуществляют постепенно, сочетая утяжеление с разбавлением химическими реагентами, в результате чего утяжеленный глинистый раствор не всегда приобретает необходимые параметры. Концентрация глины при этом может оказаться чрезмерно высокой, что вызовет уменьшение Kу и увеличение AT, или чрезмерно низкой, что будет способствовать уменьшению О1, О10 и Т. Чтобы избежать подобных осложнений, необходимо провести серию лабораторных опытов с целью определения оптимального соотношения между компонентами для получения необходимых параметров утяжеленного глинистого раствора.

Заботы об утяжеленном глинистом растворе не заканчиваются после его приготовления. Переход в состав промывочной жидкости выбуренной породы, утяжеление глинистых растворов, попадание солей вместе с выбуренной породой или с пластовыми водами и введение в состав промывочной жидкости некоторых химических реагентов приводит к увеличению вязкости.

Основными факторами, способствующими загустеванию глинистых растворов на пресной воде, являются следующие: 1) повышение концентрации твердой фазы вообще и глинистых минералов в особенности; 2) изменение состава твердой фазы (увеличение соотношения глина: утяжелитель); 3) повышение концентрации электролитов; 4) увеличение концентрации химических реагентов, повышающих вязкость; 5) повышение температуры. Рассмотрим подробнее указанные причины загустевания глинистых растворов.

1. Загустевание, происходящее в результате повышения концентрации твердой фазы и изменения соотношения между компонентами. Основной, причиной такого загустевания является увеличение концентрации глины и ее диспергирование во время циркуляции. Мерами предупреждения обильного перехода глины в глинистые растворы является снижение щелочности промывочной жидкости, применение гидрофобизирующих добавок ПАВ, введение понизителей вязкости, а также ингибирование глинистых растворов.

В процессе бурения выбуренная порода переходит в состав утяжеленного глинистого раствора, изменяя соотношение между компонентами. Если разбуриваются неглинистые породы, то в глинистом растворе постепенно накапливаются частицы с небольшим удельным весом (2,6—2,8 гс/см3), которые для малоутяжеленных глинистых растворов не представляют опасности и даже способствуют экономии утяжелителя. В высокоутяжеленных глинистых растворах присутствие выбуренных пород нежелательно, так как при этом повышается общая концентрация твердых частиц, затрудняется регулирование вязкости и предельного статического напряжения сдвига.

Общая концентрация твердой фазы в глинистом растворе не может увеличиваться безгранично. Существует предельная концентрация твердой фазы, при достижении которой частицы сближаются настолько близко, что трение между твердой частицей и жидкостью заменяется трением между твердыми частицами, и это приводит к резкому увеличению вязкости и предельного статического напряжения сдвига. Поэтому для приготовления высокоутяжеленных глинистых растворов перед утяжелением необходимо очистить глинистый раствор от частиц неглинистых выбуренных пород и в процессе бурения систематически удалять вновь поступающие частицы.

При разбуривании глинистых пород переход в состав промывочной жидкости выбуренной глины создает затруднения не только при использовании высокоутяжеленных глинистых растворов, но и в случае, если применяются сравнительно малоутяжеленные глинистые растворы. В этих условиях, т. е. при разбуривании глинистых пород, особенно большое значение имеет удаление выбуренной глины из глинистого раствора с помощью установки УПР-Р-2 или ей подобных.

2. Загустевание, происходящее в результате повышения концентрации электролитов. Возникновению связей между частицами препятствует двойной электрический слой и адсорбционный слой молекул воды, покрывающих частицы глины в воде. Однако на поверхности частицы глины, кроме отрицательно заряженных, существуют и положительно заряженные участки, обычно на тонких местах разлома кристаллов, где находятся положительно заряженные атомы кремния и алюминия. Эти участки способны вступать в химическое соединение с отрицательными участками соседних частиц с образованием ионных связей. Такие связи не обладают высокой прочностью и при интенсивном перемешивании частично разрушаются, что приводит к снижению вязкости системы. В статических условиях при отсутствии перемешивания эти связи вновь восстанавливаются, приводя к загустеванию.

При попадании в глинистые растворы электролитов в достаточно больших дозах частички глины лишаются защитного двойного электрического слоя, что приводит к сближению незащищенных участков на поверхности глинистых частиц. При этом возникают дополнительные связи между частицами, приводящие к более резкому загустеванию системы.

Для предупреждения и борьбы с загустеванием глинистых растворов, происходящим в результате повышения минерализации, используют два метода: а) осаждение поливалентных катионов реагентами-осадителями (фосфатами, кальцинированной содой) и б) введение химических реагентов-понизителей вязкости.

Первый метод дает положительный результат в тех случаях, когда загустевание произошло в результате попадания в утяжеленный глинистый раствор поливалентных катионов. Если же повышение минерализации происходит за счет NaCl или KCl, то снижение вязкости достигается путем введения химических реагентов.

3. Увеличение вязкости при введении химических реагентов. Многие понизители водоотдачи вызывают повышение вязкости. К числу таких химических реагентов относятся гипан, КМЦ, крахмальный реагент, водорослевый реагент, КССБ. Вследствие того что перечисленные реагенты вызывают повышение вязкости утяжеленных глинистых растворов, их применение для химической обработки утяжеленных глинистых растворов нежелательно. В случае если без этих реагентов невозможно достичь снижения водоотдачи, то их применяют вместе с понизителями вязкости.

Снижение вязкости утяжеленных глинистых растворов разбавлением водой обычно ухудшает остальные параметры и приводит к увеличению расхода утяжелителя. Жидкость, добавленная в глинистый раствор, снижает его удельный вес и вызывает необходимость дополнительного утяжеления. Количество утяжелители X1, потребное для доутяжеления глинистого раствора, зависит от объема добавленной жидкости и может быть определено по формуле

где у2 и уу — соответственно удельный вес утяжеленного глинистого раствора и утяжелителя в гс/см3; n — влажность утяжелителя в %.

Количество утяжелителя, добавляемое вместе с 1 м3 понизителя вязкости в зависимости от у2 при уу = 4,2 гс/см3 и n = 0,1, приведено в табл. 36.

Как видно из табл. 36, эти расходы велики. Поэтому снижение вязкости экономически выгоднее производить с помощью химических реагентов — понизителей вязкости, которые снижают вязкость при значительно меньших расходах жидкости и, следовательно, способствуют сокращению расходов утяжелителя.

В качестве понизителей вязкости утяжеленных глинистых растворов на пресной воде применяют сунил, нитролигнин, ПФЛХ, УЩР и др. Наиболее целесообразно применять сунил, так как в этом случае не требуется реагент-понизитель водоотдачи и уменьшается частота обработок.

Экономически выгодным методом снижения вязкости является удаление выбуренной породы и избытка глины с помощью механических средств в сочетании с понизителями вязкости и ингибиторами.

Загустевание глинистого раствора вследствие повышения температуры рассмотрено в разделе «Промывочные жидкости для бурения в условиях высокой температуры».

Регулирование содержания глинистой фазы утяжеленных глинистых растворов. Одной из причин загустевания глинистых растворов является повышение концентрации глины при разбуривании глинистых пород. Если для неутяжеленных глинистых растворов эта трудность преодолевается сравнительно просто и чаще всего за счет разбавления водой, то для утяжеленных глинистых растворов снижение вязкости при разбуривании глинистых пород представляет собой чрезвычайно сложную и часто трудно разрешаемую техническую и экономическую проблему.

Между удельным весом промывочной жидкости, концентрацией глины, утяжелителя и вязкостью утяжеленных растворов существует вполне определенная зависимость, которая изображена на рис. 52. Из рис. 52 следует, что при данной концентрации утяжелителя достижение необходимой вязкости глинистого раствора возможно только при одной вполне определенной концентрации глины. Если в процессе бурения концентрация глины повысится, то это немедленно скажется на увеличении вязкости и некотором снижении удельного веса. Уменьшение концентрации глины на 5—9% без уменьшения концентрации утяжелителя в определенных условиях способствует снижению вязкости и предельного статического напряжения сдвига на 20—50%. В настоящее время для снижения вязкости и сохранения прежнего удельного веса в глинистый раствор добавляют воду или понизитель вязкости, а также утяжелитель, в результате чего увеличивается объем утяжеленного глинистого раствора, содержащего значительное количество утяжелителя и химических реагентов.

Количество утяжелителя, которое вводится в глинистый раствор вместе с водой или понизителем вязкости, зависит от объема добавляемой жидкости. Так как при разбуривании глинистых пород происходит непрерывный переход глины в глинистый раствор, то непрерывно увеличивается объем утяжеленного глинистого раствора, что приводит к излишним расходам утяжелителя и химических реагентов. По данным И.Н. Резниченко, при бурении глубоких скважин в объединении Краснодарнефтегаз расход утяжелителя достигает 2 т/м. При бурении скважин глубиной 2000 м в этом же районе с использованием известковых глинистых растворов расход утяжелителя составляет примерно 1 т/м. В некоторых районах наблюдаются еще более высокие расходы утяжелителя,. Поэтому изыскание путей экономии утяжелителя представляет большой интерес.

Для предупреждения загустевания утяжеленных глинистых растворов экономически выгодно удалять избыток глины, что наиболее просто осуществляется с помощью гидроциклонов. При использовании механизмов, основанных на действии центробежных сил, частицы, содержащиеся в промывочной жидкости, распределяются по фракциям. Если удалять часть промывочной жидкости и возвращать концентрат утяжелителя с небольшим количеством глинистых частиц в циркуляционную систему, то общее содержание глинистых частиц уменьшится и следовательно, уменьшится вязкость глинистого раствора. Для извлечения избытка выбуренной глины из глинистого раствора разработано эжекторно-гидроциклонное устройство, которое позволяет поддерживать вязкость глинистого раствора при сравнительно небольших потерях утяжелителя. По данным, при использовании эжекторно-гидроциклонного устройства расход утяжелителя сокращается примерно в 10 раз.

Нa базе эжекторно-гидроциклонного устройства изготовлена установка УПР-Р-2, предназначенная для удаления глины из утяжеленных глинистых растворов, регенерации утяжелителя, а также механизированного приготовления и утяжеления глинистых растворов.

Для примера приведем один из анализов работы установки УПР-Р-2 на скв. 45 Левкинская. В установку подавался глинистый раствор с параметрами: у = 2,12 гс/см3, T = 47 с, СНС = 9/18 мгс/см2, В = 3,5 см3, содержавший 54,35% утяжелителя, 17,68% глины, в том числе 6,08% бентонита. Удельный вес твердой фазы был равен 3,81 гс/см3. Пульпа утяжелителя содержала 75,55% утяжелителя, 3,5% глины, в том числе 1,57% бентонита. Выходящий из установки глинистый раствор имел следующие параметры: у = 2,13 гс/см3, 7=30 с, СНС = 6/12 мгс/см2, B = 4 см3. Изменилось содержание твердой фазы: утяжелителя — 55,46%, глины — 7,3%, бентонита — 7,5%. Удельный вес твердой фазы увеличился до 3,85 гс/см3.

Приведенные результаты работы установки показывают, что при непрерывной или периодической работе установки можно поддерживать необходимый удельный вес и снижать вязкость за счет удаления избытка глины. При этом расходы утяжелителя уменьшаются на 38—60%, а затраты средств, на химическую обработку и утяжеление сокращаются на 18—46%. При бурении скв. 85 Левкинская благодаря использованию установки УПР-Р-2 достигли экономии 1263 т утяжелителя и 14,57 руб. на 1 м проходки.