Высокотемпературная коагуляция глинистых растворов

Повышение температуры промывочных жидкостей вызывает следующие физико-химические процессы, приводящие к существенным изменениям свойств промывочных жидкостей: снижение вязкости дисперсионной среды, ускорение химических реакций, ослабление межмолекулярных сил притяжения, деструкцию химических реагентов.

Повышение температуры на 10° C вдвое увеличивает скорость большинства химических реакций. Если учесть, что промывочные жидкости нагреваются до 100—200° С, то становится понятным, почему многие компоненты промывочных жидкостей, химически малоактивные при низких температурах, вступают в реакции друг с другом при повышенных температурах в скважине. Особенно чувствительны к действию высоких температур глинистые растворы. При повышении температуры происходят процессы деструкции глинистых полимеров, в результате чего образуются растворимые соединения алюминия и кремния. В щелочной среде из этих веществ образуются химические соединения, состоящие из силикатов и алюминатов типа пермутитов. Поэтому глинистые растворы с высоким pH особенно чувствительны к действию высоких температур.

Повышение температуры приводит также к ослаблению межмолекулярных сил взаимодействия, в результате чего происходит десорбция молекул воды и химических реагентов с поверхности глинистых частиц. При нормальных температурах многие химические реагенты адсорбируются на поверхности глинистых частиц благодаря водородным связям и электростатическим силам взаимодействия с адсорбированными катионами, а также с катионами и анионами, входящими в состав кристаллической решетки глинистых минералов. Энергия этих связей относительно невелика и при повышенной температуре недостаточна для удержания адсорбированных молекул. Следовательно, при повышенной температуре глинистые частицы лишаются одновременно двух защитных факторов: адсорбционного слоя молекул воды и адсорбционного слоя высокомолекулярных веществ.

Автором совместно с В.Г. Довжуком исследовалось влияние термообработки на количество воды, связываемой глиной, и параметры глинистого раствора. Для исследований были приготовлены глинистые растворы из бентонита и подвергнуты термообработке в автоклавах. После охлаждения определяли количество связанной воды (в % к весу глины) и обычные параметры. Результаты исследований, представленные на рис. 71, показали, что следствием термообработки является термодиспергирование глинистых частиц, о чем свидетельствует повышение количества связанной воды (в охлажденных суспензиях), увеличение вязкости и предельного статического напряжения сдвига. Особенно заметное термодиспергирование происходит в интервале температур 80—140° С. После 140° С процесс термодиспергирования заканчивается, на что указывает неизменность значений А, Т, 01 и 010 в этом интервале (140—200°С). Водоотдача вначале уменьшается при термообработке до 120° С, а затем увеличивается, что является следствием снижения е-потенциала термодиспергированных при высоких температурах (140—200° С) глинистых частиц.

Если же измерять водоотдачу не обработанных химическими реагентами глинистых растворов не после охлаждения, а при температуре прогрева, то можно проследить значительное увеличение водоотдачи с увеличением температуры. Эта зависимость имеет линейный характер в условиях динамической фильтрации, т. е. при циркуляции промывочной жидкости скорость фильтрации растет пропорционально росту температуры. В статических условиях водоотдача увеличивается с ростом температуры пропорционально корню квадратному из температуры.

Термостойкость глинистых растворов в значительной степени зависит от минералогического состава глин, используемых для. приготовления глинистых растворов. Глинистые растворы, приготовленные из некоторых видов глин, обладают достаточной термостойкостью, чтобы противостоять температурам до 200° С без применения каких-либо химических веществ. К числу таких глин относятся нефтеабадская и другие гидрослюды. Глинистые растворы, приготовленные из нефтеабадской глины, не загустевают при температуре до 200° С, а остальные параметры также почти не претерпевают изменений при высокой температуре. Более, того подобные результаты получены и при термообработке утяжеленных глинистых растворов, приготовленных из нефтеабадской глины. Повышенная термостойкость исходного глинистого раствора способствует повышению пределов действия химических реагентов. В табл. 47 приведены результаты термообработок трех глинистых растворов из нефтеабадской глины, включая утяжеленный баритом и обработанный сунилом.

Исследования термостойких глинистых суспензий, приготовленных из глии различного минералогического состава, показали, что изменения реологических свойств при повышении температуры зависит от коллоидных свойств применяемых глин. Глинистые растворы из малоколлоидных глин, расход которых на приготовление 1 м3 раствора велик, вообще не загустевают при повышении температуры до 150—200° С, а чаще наоборот — разжижаются. Глинистые растворы из высококоллоидных глин, в том числе из бентонитов, чрезвычайно чувствительны к действию температуры. Они загустевают при температурах, близких к 100—120° С.

Особенно подвержены значительным изменениям в условиях скважин известковые растворы, что выражается их резким загустеванием или даже затвердеванием после продолжительного воздействия высоких температур. В первую очередь это проявляется при спуске каротажных снарядов и подобных им инструментов на забой скважины. В некоторых случаях, когда известковый глинистый раствор остается в скважине длительное время без движения, происходит его затвердевание под действием высоких температур.

В качестве примера приведем описание подобного случая. В одной из скважин бурильные трубы были спущены после загустевания раствора. Попытка восстановить циркуляцию оказалась бесполезной, и бурильные трубы не смогли извлечь из скважины. В течение 4 дней глинистый раствор затвердел с глубины 3732 м до башмака обсадной колонны, спущенной на глубину 2781 м. Затвердевание произошло вследствие передачи тепла бурильными трубами из нижней части скважины, где температура на забое была равна 150° С. Для ликвидации осложнения в этой скважине прибегли к проведению ловильных работ, которые продолжались 24 дня. Образцы затвердевших известковых растворов были подняты вместе с бурильными трубами. Один из поднятых кусочков затвердевшего раствора сохранил форму бурильных труб.

Критическая температура, при которой усиливается тенденция известковых растворов к загустеванию, равна примерно 120° С. Эта точка может смещаться в обе стороны в зависимости от характеристики раствора.

Исследования для выяснения причин высокотемпературного загустевания и затвердевания известковых растворов подтвердили тот факт, что именно температура, а не давление вызывает загустевание глинистого раствора. При помощи рентгеноструктурного анализа установлено, что каустическая сода и известь вступают в реакцию с глинистыми минералами и кремнеземом, образуя гидратированные алюмосиликаты и силикаты кальция. Эти продукты сходны с веществами, входящими в состав цементов.