Сущность процессов ингибирования. Силикатные растворы. Гипсовые растворы

15.07.2019

В течение последних 10—15 лет были разработаны системы глинистых растворов, получившие название ингибированных. Ингибированные растворы обладают следующими отличительными признаками: способностью повышать устойчивость глинистых пород, слагающих стенки скважин; способностью предупреждать са-мозамес, т. е. диспергирование и переход в состав промывочной жидкости выбуренных глинистых пород; меньшей чувствительностью к действию электролитов; повышенной глиноемкостью.

В соответствии с установившейся терминологией ингибирование заключается в частичной регулируемой коагуляции глинистых частиц, приводящей к образованию агрегатов при сохранении общей связности, т. е. к образованию структур типа б, в, г (см. рис. 1). В ингибированных системах агрегация глинистых частиц ограничивается соответствующими химическими реагентами, а диспергирование предотвращается двух- и более валентными катионами, вводимыми в глинистые растворы в качестве ингибиторов. Поливалентные катионы являются связывающим звеном между отдельными частицами глины. Поэтому с увеличением концентрации поливалентных катионов возрастает величина агрегатов глинистых частиц и прочность связи между частицами.

Способность повышать устойчивость глинистых пород основана на замещении в обменном комплексе глины одновалентных катионов поливалентными, хемосорбции поливалентных катионов и коагулирующем действии. Устойчивость глинистых пород повышается с увеличением валентности катионов и их концентрации. Этими же факторами обеспечивается предупреждение или, по крайней мере, уменьшение самозамеса. Меньшая чувствительность к действию электролитов, попадающих в глинистый раствор вместе с выбуренной породой, объясняется тем, что глинистые частицы в ингибированном глинистом растворе уже подверглись частичной коагуляции обычно более сильным коагулятором, и сравнительно небольшие добавки электролитов не могут вызывать заметного действия в этих условиях. Однако если выбуренные породы содержат такое количество водорастворимых солей, что их коагулирующее действие превзойдет действие ингибиторов, то глинистый раствор может быть выведен из состояния регулируемой коагуляции.

Ингибированные глинистые растворы делятся на две системы, отличающиеся друг от друга по характеру регулирования концентрации свободных катионов: саморегулирующиеся системы и регулируемые системы.

В саморегулирующихся системах поддерживается небольшая, но постоянная концентрация ингибирующих катионов. В качестве источника поступления ингибирующих катионов в саморегулирующихся системах служат малорастворимые соли и гидраты окиси поливалентных металлов, имеющих небольшую растворимость. Указанные малорастворимые соединения ингибиторов добавляют в глинистый раствор в количествах, значительно превосходящих растворимость данного соединения. Вследствие этого в глинистом растворе содержатся одновременно ингибиторы в растворенной и нерастворенной (диссоциированной и недиссоциированной) форме. Диссоциированные катионы активно влияют на состояние глинистого раствора, а также на связность глинистых пород, слагающих стенки скважины, и на выбуриваемые глинистые породы. Уменьшение концентрации свободных катионов, происходящее вследствие адсорбции их породами и частицами в глинистом растворе, немедленно пополняется за счет растворения этих соединений, находившихся в нерастворенном состоянии. Таким образом, концентрация нерастворенной части ингибиторов постепенно уменьшается, а концентрация катионов остается постоянной. Периодически пополняя глинистый раствор ингибиторами, поддерживают запасы нерастворенной части.

Недостатком саморегулирующихся систем ингибированных глинистых растворов является сравнительно низкая концентрация диссоциированных ингибирующих катионов. Наиболее распространенными ингибирующими соединениями в саморегулирующихся системах являются гипс и известь, растворимость которых не превышает 0,2%. Как показал опыт применения ингибированных глинистых растворов и специальные исследования, для эффективного повышения устойчивости глинистых пород, слагающих стенки скважины, необходимо, чтобы концентрация катионов Ca2+ была не меньше 2—3%. Вследствие того что соединений кальция и других поливалентных катионов, имеющих растворимость в пределах 2—3%, не найдено, для создания промывочных жидкостей с более надежным крепящим действием стали применять регулируемые системы.

В регулируемых системах применяют хорошо растворимые соединения ингибиторов, например таких, как хлористый кальций. Растворимость хлористого кальция в воде достигает 40—60%. Следовательно, в регулируемых системах можно поддерживать необходимую концентрацию свободных катионов кальция, что является их положительным свойством. С другой стороны, повышенная концентрация коагулирующих ионов в регулируемых системах создает значительные трудности в снижении водоотдачи и поддержании необходимых реологических свойств.

Кроме уже названных (гипса, извести и хлористого кальция), в качестве ингибиторов могут быть использованы и другие неорганические соединения, в том числе жидкое стекло Na2SiO3, гидроокись бария Ba(OH)2, ацетат кальция (CH3COO)2Ca. При ингибировании ацетатом кальция сохраняется низкая вязкость и CHC и предупреждается высокотемпературное загустевание.

Исследования влияния гидроокисей двухвалентных металлов на свойства глинистых растворов показали, что в отличие от извести гидроокись бария Ba(OH)2 не вызывает загустевания глинистых растворов при высокой температуре и в то же время обеспечивает получение необходимых свойств промывочной жидкости и ингибирование. Ba(OH)2 более эффективно, чем известь, предупреждает диспергирование глины. Гидроокись бария добавляют в глинистый раствор в виде пентагидрата бария, причем ежедневный расход пентагидрата составляет примерно 150—200 кг. Одновременно с пентагидратом в глинистый раствор добавляют небольшое количество понизителей вязкости и понизителей водоотдачи, а также 20—30 кг каустика для поддержания щелочности в пределах pH = 8—10. Замена извести гидроокисью бария способствует повышению ингибирующего действия и уменьшению опасности высокотемпературного загустевания глинистых растворов.

Ингибирование осуществляется не только неорганическими катионами, но и различными органическими соединениями и особенно поверхностно-активными веществами.

Силикатные растворы. Силикатные растворы рекомендованы для повышения устойчивости стенок скважин, сложенных осыпающимися аргиллитами или глинистыми сланцами. Согласно лабораторным исследованиям, приведенным в книге Ф. Роджерса образцы искусственных и естественных аргиллитов, помещенные в силикатные растворы, сохранялись в течение длительного времени, в то время как в обычных глинистых растворах они быстро разрушались. Это послужило основанием для рекомендаций применять силикатные растворы с целью борьбы с осыпями глинистых пород. На практике подобные растворы не обеспечили предотвращения осыпей глинистых пород, хотя специалисты, проводившие эти работы, не потеряли надежды на успех. Одной из возможных причин недостаточно эффективного крепящего действия силикатных растворов является несоответствие между концентрациями жидкого стекла в растворах, которые использовались в лабораторных опытах, и концентрацией его в силикатных глинистых растворах, использованных на практике. Так, по данным минимальная концентрация жидкого стекла, при которой не наблюдалось разрушения образца в течение недели, составляла 29%. Поддерживать такую высокую концентрацию жидкого стекла в глинистом растворе при бурении чрезвычайно трудно. Поэтому обычно концентрацию жидкого стекла снижают до 10—15%, что явно недостаточно для сохранения устойчивости осыпающихся глин.

В настоящее время известны и прошли промышленные испытания следующие типы силикатных растворов: силикатно-глинистые, силикатно-солевые, силикатно-солевые малоглинистые и безглинистые.

Силикатные глинистые растворы приготовляют из обычных глинистых растворов путем добавления жидкого стекла, реагентов-понизителей водоотдачи (обычно (КМЦ) и понизителей вязкости. Если реагенты готовятся непосредственно на буровой, то предварительно необходимо заготовить 5—6%-ный раствор КМЦ с таким расчетом, чтобы общее количество сухого КМЦ составляло 0,5— 1% от объема циркулирующего глинистого раствора. Полученный раствор КМЦ лучше смешать с жидким стеклом и вводить эту смесь в начале циркуляционной системы или через специальный смеситель, если такой имеется на буровой. При раздельном вводе реагентов, если он производится до вскрытия осыпающихся горизонтов, целесообразно вначале ввести КМЦ, а затем жидкое стекло. Если же осыпающиеся глины вскрыты, то вначале необходимо ввести жидкое стекло и затем, после нескольких циклов циркуляции, ввести КМЦ. Количество вводимых реагентов определяют по лабораторным данным, руководствуясь следующими положениями.

1. Обеспечение стабильности силикатных глинистых растворов достигается введением КМЦ. По данным лабораторных опытов подбирают минимальное количество КМЦ, которое при сочетании с 10—20% жидкого стекла обеспечивает высокую стабильность.

2. Крепящее действие силикатно-глинистых и других силикатных растворов зависит от концентрации жидкого стекла. В процессе бурения содержание жидкого стекла в глинистом растворе падает, так как оно адсорбируется стенками скважины и частицами выбуренной породы. Поэтому при бурении необходимо контролировать содержание жидкого стекла в фильтрате и дополнительными обработками поддерживать его концентрацию в пределах 50—100 г/л.

3. Крепящее действие растворов жидкого стекла повышается с увеличением модуля, т. е. отношения SiO2 : Na2O. Поэтому с точки зрения укрепления стенок скважины более целесообразно применять жидкое стекло с высоким модулем. Концентрацию SiO2 можно повысить и за счет увеличения общей концентрации жидкого стекла. Однако и в том, и в другом случае резко повышается вязкость глинистых растворов.

4. Силикатные глинистые растворы склонны к загустеванию во времени. Поэтому необходимо вводить понизители вязкости, в качестве которых могут быть использованы полифосфаты, нитролигнин, ПФЛХ, сунил и др. Введение каустической или кальцинированной соды для снижения вязкости или предотвращения загустевания нецелесообразно, так как при этом уменьшается модуль.

Параметры силикатных глинистых растворов, содержащих 12— 15% жидкого стекла, 0,5—1,0% КМЦ и небольшое количество понизителя вязкости, могут иметь следующие значения: T = 25—40 с; B = 8—10 см3; К=1—2 мм; Oi = 4—20 мгс/см2; 010 = 40—100 мгс/см2; pH = 12—13.

Силикатно-солевые глинистые растворы отличаются от силикатных глинистых высоким содержанием NaCl (около 20%) и более высоким расходом КМЦ. Введение поваренной соли в состав силикатных растворов преследует две цели: снижение вязкости силикатных растворов и повышение ингибирующего эффекта.

Силикатно-солевые безглинистые растворы приготовляют из смеси водных растворов стекла и поваренной соли. Небольшое количество твердой фазы переходит в такие растворы в процессе бурения.

Дисперсионная среда (жидкая фаза) силикатно-солевого мало-глинистого раствора состоит из водного раствора жидкого стекла (силиката натрия) с модулем 2 и соли (NaCl). В нее вводится небольшое количество высококоллоидной глины и при необходимости утяжелитель.

Удельный вес такой промывочной жидкости без утяжеления

достигает 1,40—1,45 гс/см3. При утяжелении для снижения вязкости вместе с утяжелителем вводится дополнительно NaCi. Общим недостатком силикатно-солевых растворов является трудность регулирования их свойств. Силикатно-солевые растворы чрезвычайно чувствительны к катионам Ca2+ и Mg2+, которые образуют с жидким стеклом нерастворимые соединения. Поэтому в России такие промывочные жидкости не получили распространения. В США с подобными растворами за 14 лет пробурено около 100 скважин.

Гипсовые глинистые растворы. Гипсовые растворы относятся к числу саморегулирующихся ингибированных систем. Растворимость гипса CaSO4*2Н2О, весьма незначительная при нормальных температурах, еще более понижается с увеличением температуры. Гипсовые растворы получили наименование по основному ингибирующему реагенту — гипсу, но практически гипс часто заменяют алебастром CaSO*0,5H2O. Гипс, алебастр и ангидрит отличаются от остальных кальциевых ингибиторов анионами, вводимыми вместе с кальцием в глинистый раствор. Анионы SO42- обладают более высоким коагулирующим действием, чем ОН-. Поэтому для защиты глинистых частиц от коагуляции при ингибировании гипсом требуются более эффективные понизители водоотдачи, чем при ингибировании известью. Опыт применения гипсовых растворов показал, что более эффективно снижают водоотдачу гипсовых растворов химические реагенты, содержащие сульфогруппы и не выпадающие в осадок при взаимодействии с кальцием. Такими реагентами являются феррохромлигносульфонат, хромлигносульфонат, конденсированная сульфит-спиртовая барда и сунил.

В практике США получили распространение гипсовые растворы, обработанные ФХЛС. При первичной химической обработке для перевода в гипсовые растворы сначала разбавляют глинистый раствор до вязкости 25—30 с водой, а затем вводят от 0,3 до 1,5—2,0% гипса; 0,8—1,0% ФХЛС; 0,01—0,02% NaOH и 0,07—0,1% стеарата алюминия (пеногасителя). Для снижения коэффициента трения в этот же глинистый раствор добавляют 2—3% дизельного топлива или 5—10% нефти. В гипсовых глинистых растворах поддерживают низкий pH (8,5—10), причем с увеличением температуры снижают pH до 8,5—9,0. Гипсовые глинистые растворы, единственные из ингибированных кальцием, применяются при высоких температурах (до 200° С). Благодаря тому что в гипсовых глинистых растворах содержится небольшое количество свободных катионов кальция, для поддержания низком водоотдачи можно использовать понизители вязкости, обладающие способностью снижать водоотдачу, в частности сунил.
Сущность процессов ингибирования. Силикатные растворы. Гипсовые растворы

Влияние концентрации супила на параметры гипсовых глинистых растворов показано на рис. 77. Как видно на рис. 77, неутяжеленные гипсовые растворы, обработанные сунилом, имеют низкую водоотдачу, низкую вязкость и предельное статическое напряжение сдвига.

При увеличении концентрации твердой фазы, особенно при утяжелении гипсовых растворов, предельное статическое напряжение сдвига значительно возрастает и обычно превышает CHC известковых глинистых растворов. Из-за высокого предельного статического напряжения сдвига не применяют высокоутяжеленные гипсовые растворы.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна