Известковые растворы

15.07.2019

Известковые растворы применяются для предотвращения чрезмерного загустевания утяжеленных глинистых растворов при разбуривании глинистых пород.

Процесс обработки обычных глинистых растворов для перевода их в известковые называется известкованием. Известкование включает раздельный пли совместный ввод извести, каустической воды и реагентов-понизителей вязкости и понизителей водоотдачи, а также выравнивание, т. е. преодоление временного загустевания глинистых растворов, происходящего при известковании. Как следует из названия известковых растворов, основным веществом, определяющим последующие свойства таких растворов, является гашеная известь. Обычно для известкования применяют известковое молоко с концентрацией 7—10% CaO.

Рассмотрим основные химические свойства Ca(OH)2, которые оказывают влияние на процессы, происходящие в известковых растворах.

1. Кальций является щелочноземельным металлом, т. е. его окислы придают глинистому раствору щелочную реакцию.

2. В ряду напряжений Ca2+ занимает следующее место: К, Ca, Mg, Zn, Fe, Sn, Н, Cu, это значит, что кальций вытесняет из солей все металлы и водород, расположенные в этом ряду правее него.

3. Растворимость извести уменьшается с повышением температуры, как показано в табл. 56.

4. Известь активно поглощает углекислый газ из воздуха и переходит в малорастворимое соединение
Известковые растворы

При попадании в глинистый раствор водного раствора извести могут происходить следующие процессы. Кальций, обладающий двумя валентностями, может присоединиться либо обеими валентностями к одной частице глины, либо к двум глинистым частичкам, несущим отрицательный заряд, связывая их между собой. Таким путем могут образоваться цепочки, состоящие из глинистых частиц, соединенных между собой катионами кальция. В результате образования цепочковых структур вязкость глинистого раствора резко повышается, растворы теряют текучесть. Однако прочность связей в таких цепочках невелика, и при размешивании глинистого раствора цепочки рвутся, образуя более короткие цепочки, замкнутые кольца и агрегаты частиц, более крупные по сравнению с частицами до введения извести.

Для того чтобы снизить водоотдачу и предотвратить повторное возникновение длинных цепочек глинистых частиц, в состав глинистого раствора вводятся химические реагенты, устойчивые к действию кальция, и щелочь, которая понижает растворимость извести. При этом могут возникать короткие цепочки и агрегаты частиц. В результате общее число агрегатов глинистых частиц уменьшается. Одновременно понижается и гидрофильность частиц. В качестве понизителя вязкости в известковый раствор обычно вводится ССБ, представляющая собой натриевую или кальциевую (натриево-кальциевую соль) хорошо растворимой лигносульфоновой кислоты.

Молекула лигносульфоната состоит из гидрофильной и гидрофобной частей. Присоединение лигносульфоната к кальцию происходит по гидрофильной части, в результате чего происходит обрыв цепи глинистых частиц. Молекулы лигносульфонатов адсорбируются и непосредственно на глинистой частице, защищая ее от соединения с кальцием. Таким образом, агрегаты глинистых частиц защищаются от соединения друг с другом.

При известковании происходит не только замещение катионов Na+ катионами Ca2+, но и необратимое поглощение Ca2+ с образованием гидросиликата кальция 6СаО*3SiO2*2Н2O. В большой мере подвержены реакциям с Ca(OH)2, приводящим к образованию гидросиликата кальция, бентонитовые глины. В меньшей степени поглощают известь каолиновые глины. Эти поглощения обычно приводят к необратимым изменениям в кристаллической решетке глинистых минералов, вследствие чего снижается чувствительность глины к действию солей и химических реагентов.

Обычно содержание извести в известковом глинистом растворе составляет 1,7—2,3%, а иногда и больше, но ее и без того малая растворимость ограничивается присутствием гидроокиси натрия, так как с повышением концентрации щелочи растворимость извести уменьшается. Это в свою очередь уменьшает адсорбцию кальция и соответственно загустевание глинистого раствора. В связи с этим концентрация Ca2+ в фильтрате большинства известковых растворов находится в пределах 0,0075—0,015%. За счет постоянного присутствия в системе нерастворимого избытка извести осуществляется саморегулирование системы, так как этот избыток переходит в раствор по мере удаления из него ионов кальция. При отсутствии щелочи в диссоциированном состоянии находится большое число молекул Ca(OH)2. Поэтому способность катионов Ca2+ к замещению одновалентных катионов на поверхности глинистой частицы достигает максимума. Однако ионный обмен зависит также от электрокинетического потенциала глинистых частиц. При небольших добавках щелочи электрокинетический потенциал повышается, что способствует ускорению ионного обмена. С увеличением концентрации NaOH происходит уменьшение электрокинетического потенциала и вследствие этого не только уменьшение скорости ионного обмена, но и уменьшение общего количества замещенного Na+.

Третьим компонентом известковых растворов, кроме обычных глин и воды, является реагент-понизитель вязкости (ССБ). Его задача сводится к снижению вязкости и регулированию процесса структурообразования. Одновременно ССБ снижает и водоотдачу.

Известковые растворы имеют ряд преимуществ перед глинистыми растворами, обработанными УЩР. Эти растворы обладают меньшей чувствительностью к действию солей, чем глинистые растворы, обработанные гуматами. В то время как соленые воды сильно коагулируют глинистые растворы на пресной воде, известковые растворы, содержащие даже 5% соли, не подвержены чрезмерному загустеванию. Диспергирование выбуренных глинистых пород в процессе бурения в присутствии ионов кальция не повышает в такой степени вязкость известкового раствора, как в глинистых растворах на пресной воде. В результате уменьшается содержание твердой фазы в растворе. Это особенно относится к утяжеленным растворам, которые требуют добавления воды для уменьшения концентрации выбуренных частиц и особенно глин, диспергируемых в процессе бурения. Для восстановления удельного веса разбавленного глинистого раствора приходится добавлять утяжелитель. Ho так как в известковых растворах для разжижения требуется меньше воды, то достигается экономия утяжелителя. Известковые глинистые растворы имеют низкое предельное статическое напряжение сдвига. Вследствие этого уменьшается гидродинамическое давление на стенки скважины при движении бурильных труб. На известковые растворы мало влияют обломки выбуренного цементного камня. В фильтратах известковых растворов глины не набухают в такой степени, как в пресных растворах.

Таким образом, основным преимуществом известковых растворов перед глинистыми растворами, обработанными УЩР, является их способность сохранять низкую вязкость при разбуривании глинистых пород. Это имеет особенно большое значение при использовании утяжеленных глинистых растворов. Вторым важным преимуществом известковых растворов является их уменьшенная чувствительность к минерализации, т. е. к попаданию в глинистый раствор небольших количеств солей. Экономически указанные преимущества выражаются в следующем: уменьшение расхода утяжелителя; уменьшение расхода химических реагентов; сокращение времени, затрачиваемого на выравнивание глинистых растворов; возможность турбинного бурения при использовании утяжеленных глинистых растворов.

Так, в районе Грозного на доведение удельного веса глинистого раствора при обработке УЩР до 2,0—2,15 гс/см3 затрачивалось до 20% календарного времени бурения, а общие затраты на утяжеление составляли 10—25% стоимости скважины. Благодаря известкованию расходы утяжелителя в этом районе сократились на 20—70%.

К недостаткам известковых растворов, ограничивающих область их применения, следует отнести в первую очередь способность к загустеванию под действием высокой температуры. Загустевать известковые растворы начинают при, температуре 70— 80° С. Однако в этом случае загустевание происходит при длительном прогреве в статических условиях. С повышением температуры время, в течение которого происходит загустевание глинистого раствора, сокращается. При длительном выдерживании известковых глинистых растворов при температуре свыше 110°C происходит необратимое загустевание вследствие образования гидросиликата кальция 6CaO*3SiО2*2H2О при взаимодействии извести с глиной. Замещение катионов Na+ катионами Ca2+ и образование гидросиликата кальция усиливается при повышении температуры. В большей мере подвержены реакциям с Ca(OH)2, приводящим к образованию гидросиликата кальция, бентонитовые глины. Каолиновые глины также поглощают Ca(OH)2, но в меньшей степени.

Другим недостатком известковых глинистых растворов является увеличение предельного статического напряжения сдвига во времени, что можно проследить по кривой, изображенной на рис. 78. Измерения предельного статического напряжения сдвига производились на скв. 455 (Абино-Украинская площадь, Краснодарский край). Лабораторные исследования (рис. 79) показали, что наибольшее повышение предельного статического напряжения сдвига во времени имеют известковые растворы (по сравнению с глинистыми растворами, обработанными УЩР, сунилом и КМЦ). Из рис. 79 видно, что увеличение 0 не заканчивается в течение 18 ч.

Известкование глинистых растворов можно осуществлять тремя способами: поочередно вводить в глинистый раствор известь, щелочь и химические реагенты; одновременно, но раздельно вводить компоненты; предварительно перемешивать реагенты, взятые в определенной пропорции, и совместно вводить их в глинистый раствор.

Выбор того или иного способа зависит от технических возможностей (наличие глинозавода, смесителей, автоцистерн и т. п.). Согласно данным А.И. Блохина, лучшие результаты были получены при известковании реагентом БКИ, представляющим собой смесь извести, каустической соды и ССБ, взятых в следующих пропорциях (табл. 57).

Приготовляют БКИ в обычной глиномешалке следующим образом. Сначала в глиномешалку или емкость заливают 900 л известкового молока, затем при перемешивании добавляют 600 л каустической соды и через 15 мин 2,5 м3 ССБ. Смесь перемешивают 30—40 мин, после чего БКИ готов к применению. На одну обработку затрачивается 1—5% БКИ.

Для предупреждения загустевания глинистого раствора в циркуляционной системе в момент известкования БКИ подводят непосредственно к всасывающему храповику бурового насоса. При этом интенсивное перемешивание и разрушение структуры происходят в буровом насосе, и выходящий из него в нагнетательную линию известковый раствор уже имеет нормальные вязкость и предельное статическое напряжение сдвига.

При одновременном, но раздельном вводе реагентов приготовляют необходимое количество известкового молока, каустической соды и ССБ и одновременно добавляют их в желоба во время циркуляции глинистого раствора. Этот метод имеет ряд недостатков, главный из которых заключается в трудности дозировки компонентов, что приводит к ухудшению качества известкования.

Последовательный ввод компонентов обычно практикуется на удаленных буровых при отсутствии в конторе бурения глинозавода. В этом случае порядок ввода компонентов подбирается в лаборатории. Если вводить сначала известь, а затем остальные компоненты, то происходит очень резкое увеличение вязкости глинистого раствора, что приводит иногда к полной потере текучести глинистого раствора. Если же вводить сначала каустик и ССБ, а затем известь, то раствор загустевает не так сильно и последующее разжижение его происходит быстрее. Недостатком последовательного метода известкования является длительность процесса.

Наиболее распространен в России способ известкования с помощью трех компонентов: извести, каустической соды и ССБ. Однако в некоторых районах наблюдаются и отклонения от него, связанные с особенностями петрографического состава разбуриваемых пород или отсутствием одного из компонентов (чаще всего ССБ).

Минералогический состав разбуриваемых пород также имеет значение. При наличии в разрезе водорастворимых солей кальция (ангидрит, гипс) величины добавок извести уменьшаются, так как глинистый раствор уже содержит некоторое количество ионов Ca2+. Если разбуриваются кальциевые глины, то в этом случае также целесообразно уменьшать величину добавок извести. При разбуривании высококоллоидных натриевых глин добавки извести возрастают, а добавки каустической соды уменьшаются.

При отсутствии ССБ в некоторых районах применяются другие системы известкования. Так например, на площади Нефтяные Камни нашел применение следующий метод известкования. Сначала разбавляют глинистый раствор морской водой, а затем вводят пастообразную известь вместе с УЩР с помощью гидравлической воронки. Соотношение компонентов следующее: морская вода 8%, известь 0,2%, УЩР (10:2) 3%. Небольшая величина добавок извести в этом случае объясняется отсутствием ССБ. Образующиеся при обработке УЩР малорастворимые гуматы кальция способствуют связыванию ионов Ca2+, т. е. уменьшают положительный результат, достигаемый при известковании.

В районах Грозного и Ставрополя принята следующая методика известкования. В течение первого цикла промывки скважины в глинистый раствор вводят 5% ССБ (50%-ной концентрации) и 2—3% каустической соды (40%-ной концентрации), затем во время второго цикла вводят 2—2,5% известкового молока с содержанием извести 0,8—1 т на 1 м3 воды (7—10%-ной концентрации). В тресте Полтавнефтегазразведка известкование глинистого раствора производят путем добавления 1,5—2,0% NaOH; 0,5—2,0% ССБ и 2,5—3,0% Ca(OH)2 с у=1,24—1,26 гс/см3. Перед вскрытием ангидритов раствор обрабатывают 1% крахмального реагента и 0,2—0,3% КМЦ. В Башзападнефтегазразведке для первичного известкования расходуют 0,75% извести, 0,17% ПФЛХ (10:3) и 0,17% КМЦ (на сухое). При вторичном известковании расходуется 0,3% извести, 0,15% ПФЛХ и 0,15% КМЦ.

При известковании с сунилом используют только два компонента: известь и сунил. При этом достигаются удовлетворительные параметры известкового глинистого раствора без опасности получения нулевых значений СНС. В табл. 58 приведены результаты обработок глинистых растворов сунилом и известью.

В Туркмении разработан метод известкования утяжеленного глинистого раствора с удельным весом 1,9—2,0 гс/см3. Для известкования порцию глинистого раствора откачивают в глиномешалку, разбавляют ее.10% воды, добавляют 30 л щелочи с удельным весом 1,41 гс/см3, 14 кг извести и 28 л ССБ с удельным весом 1,26 гс/см3. Затем при перемешивании утяжеляют глинистый раствор до исходного удельного веса (у= 1,9—2,0 гс/см3) и сливают в циркулирующую промывочную жидкость. При этом не наблюдается временного загустевания, характерного для процесса известкования. Известкование заканчивают к моменту, когда вязкость и CHC всего глинистого раствора достигнут заданной величины. Расход реагентов на первичное известкование составляет: извести 0,3—0,35%, щелочи 0,4—0,5%, ССБ 1% (проценты по весу к объему глинистого раствора). В процессе бурения производят повторные обработки с добавкой по 3% каждого компонента к объему выбуренной породы. Общий расход на 1 м проходки составляет: извести 3,8 кг, щелочи 2,6 кг, ССБ 3,9 л.

В Восточной Сибири известкование глинистого раствора осуществляют без использования ССБ и NaOH только известковым молоком с концентрацией извести 3—7%. Количество известкового молока, затрачиваемое ка первичную обработку, составляет 10— 12%. После двух суток непрерывной циркуляции глинистый раствор приобретает удовлетворительные параметры. В дальнейшем для снижения водоотдачи в известковый глинистый раствор добавляют небольшое количество КМЦ.

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