Глины, применяемые в буровых растворах

17.06.2018
Как явствует из приведенных выше описаний, одна вода не может служить буровым раствором, здесь требуются глины обладающие специфическими свойствами. Пригодность глин для буровых растворов устанавливается в основном по количеству баррелей раствора определенной вязкости (обычно 15 спз), полученного из тонны глины в пресной и морской воде; по прочности геля, которая выражается в виде разности предельного статического напряжения сдвига непосредственно после возбуждения и после 10-минутного покоя; облицовочными (коркообразующими) свойствами (wall-building), которые оцениваются по потере воды при выдавливании раствора через бумажный фильтр под давлением 100 фунт/кв. дюйм в течение 30 мин, и по толщине отфильтрованного коржа, получаемого при стандартном определении потери воды (API). Часто проводят другие виды технологических испытаний, например определение влияния электролитов на вязкость раствора. Ho для оценки качества глин как компонентов буровых растворов достаточно перечисленных испытаний. На фиг. 6-1 и 6-2 и в табл. 6-1 приведены результаты технологических испытаний глин для буровых растворов.


Глины и почвы с повышенным содержанием алеврита и песка из неглинистых минералов не пригодны для использования в буровых растворах; эти примеси ухудшают свойства растворов, а кроме того, абрадируют детали насосов и бурового оборудования. В начальной стадии бурения часто применяются местные почвы и глины с низким содержанием неглинистых минералов. Начинать бурение можно с применением воды, если скважина сразу же проходит через глинистые породы, обладающие подходящими свойствами. К воде часто добавляют местные и поверхностные глины в количестве 20—40%, чтобы растворы приобрели требуемую вязкость (фиг. 6-2). Такие растворы характеризуются низким предельным статическим напряжением сдвига и большой способностью к водоотдаче. Бурение с такими буровыми растворами часто продолжается до тех пор, пока скважина не входит в мягкие породы, соленые толщи или пока не достигает больших глубин, когда необходимо применение растворов, обладающих специфическими свойствами, для которых необходимы специальные глины. Обычно по мере разбуривания скважины на глубину такие специальные глины добавляются к буровому раствору на местной глине, чтобы изменить его свойства. Местные и поверхностные глины могут иметь любой состав, однако наиболее желательны глины, содержащие монтмориллонит и аттапульгит.

Во многих странах, например на побережье Мексиканского залива, в Англии, Германии и во Франции, глины несомненно высокого качества залегают главным образом в виде легкодоступных поверхностных образований. Обычно достаточно содержания 10—15% такой глины в растворе, чтобы достичь требуемой вязкости, и обычно на тонну глины получают 40—75 баррелей раствора. Эти глины характеризуются довольно высокой водоотдачей и сравнительно низким предельным статическим напряжением сдвига; однако в тех случаях, когда процесс бурения не прерывается, например при бурении на умеренные глубины в твердых породах, не содержащих глинистого материала, такие глины вполне приемлемы. Они сложены преимущественно монтмориллонитом, содержащим кальций в качестве обменного катиона. Во многих районах встречаются бентониты, имеющие такие же состав и свойства. Обычно свойства таких глин могут быть улучшены обработкой их солями натрия, однако, к сожалению, фильтрационные свойства и способность к водоотдаче при подобной обработке повышаются очень мало. На фиг. 6-2 показаны свойства такого кальциевого монтмориллонита.

Наиболее широко для буровых растворов используются бентониты из вайомингского месторождения, США. Эти бентониты сложены монтмориллонитом, содержащим в качестве главного обменного катиона натрий. Из одной тонны глины получают свыше 100 баррелей раствора. Достаточно 5% содержания глины, чтобы раствор приобрел требуемую вязкость. Раствор на этой глине также характеризуется очень высоким предельным статическим напряжением сдвига, однако он особенно ценен из-за низкой проницаемости образующейся глинистой корки (таблица 6-1). Следовательно, даже из очень жидкого раствора на стенке скважины образуется водонепроницаемый слой глины, и именно поэтому вайомингские бентониты широко применяются для бурения нефтяных скважин. Уильямс и др. показали, что монтмориллонит, слагающий эти бентониты, в качестве обменного катиона, помимо натрия, содержит кальций и что оптимальные свойства раствор приобретает тогда, когда около 40% натрия замещено кальцием. Кроме того, было показано, что выветривание такой глины иногда улучшает ее свойства. Свойства вайомингских бентонитов иногда могут быть улучшены обработкой содой или известью или другими веществами, например перманганатом, однако обработка, по-видимому, не улучшает существенно водоотдачу бентонитов. Таким образом, способа обработки бентонитов, который позволял бы придать нм определенные свойства потери воды, близкие к присущим бентонитам вайомингского типа, пока не существует. Весьма интересно отметить и тот факт, что в районах Вайоминга и Монтаны в меловых отложениях встречается ряд пластов бентонитов, но лишь немногие из них сложены бентонитами, хорошими как компоненты буровых растворов или приобретающими такие свойства после соответствующей химической обработки.

Ценность глин типа вайомингских бентонитов в качестве компонентов буровых растворов стимулировала поиски таких глин во всем мире. Было обнаружено много месторождений бентонитов, которые дают растворы с необходимой вязкостью, однако ни один из них не может сравниться с вайомингскими бентонитами из-за исключительно низкой водоотдачи. На Мостаганемском месторождении в северо-западном Алжире добывают натриевый бентонит, который по своим свойствам как компонент буровых растворов приближается к вайомингским бентонитам.

На месторождении Гектор в Калифорнии (табл. 6-1) добываются глины, по своим свойствам превосходящие даже вайомингские бентониты. Эти глины, известные под названием гекторитовых глин, сложены уникальным богатым магнием монтмориллонитом — гекторитом. Свойства гекторитовой глины таковы, что если даже они содержат до 50% тонкорассеянных карбонатных минералов, то и в этом случае они могут быть использованы для буровых растворов. К сожалению, залежи гек-торитовых глин небольшие, и они не смогут в заметных количествах удовлетворять потребности в сырье для буровых растворов.

В больших количествах при бурении используются аттапульгитовые глины, так как буровые растворы, изготовленные на их основе, характеризуются слабыми изменениями вязкости и предельного статического напряжения сдвига при резких колебаниях концентрации электролитов. Такие глины обладают умеренной тиксотропностью, но, к сожалению, они характеризуются очень высокой водоотдачей. В практике эта высокая водоотдача обычно компенсируется добавкой желатинизированного крахмала, лигносульфоната железисто-хромистого типа или квебрахо. На тонну глины получают примерно столько же раствора, сколько из вайомингских бентонитов, т. е. около 100 баррелей. Недавно указывалось, что из одной тонны товарных аттапульгитовых глин получают около 150 баррелей раствора. Для буровых растворов на сильно соленой воде аттапульгитовой глины требуется меньше, чем монтмориллонитовой.

Аттапульгит в буровом растворе довольно постепенно увеличивает его вязкость, и поэтому для увеличения вязкости перемешанного бурового раствора после добавок аттапульгита требуется некоторое время. В США аттапульгитовые глины добываются на уникальном месторождении из миоценовых осадков в северо-западной Флориде и юго-западной Джорджии. Некоторые пласты месторождения нацело сложены аттапульгитом. Другие содержат в переменных количествах монтмориллонит и сепиолит. Месторождения глин, сходных по минеральному составу, но с низким содержанием аттапульгита, имеются во Франции, центральной Испании, Западной Австралии, Западной Индии, и, возможно, они встречаются повсюду в мире.

Чеймберс утверждал, что чистые сепиолитовые глины месторождения Валлекаса близ Мадрида в Испании по своим свойствам сходны с аттапульгитовыми глинами и что сепиолит оказался даже более устойчивым к коагуляции в присутствии электролитов, чем аттапульгит.

Обсуждение


Интересно рассмотреть природу уникальных свойств бентонитов Вайомингского месторождения, придающих им особую ценность в буровых растворах. Большая вязкость и тиксотропность глинисто-водных суспензий при низком содержании глины могут быть объяснены тем, что монтмориллонит легко диспергируется на листочки, приближающиеся по толщине к элементарной ячейке, но имеющие очень большую поверхность. Иначе говоря, определенное количество бентонита диспергируется в воде на большее число тонких частиц с большей поверхностью, чем другие бентониты и глины. Осаждение таких крупных, но тонких листочков на стенках буровой скважины должно приводить к образованию тонкой водонепроницаемой глинистой корки.

Имеются данные, указывающие на то, что вода, адсорбированная непосредственно на поверхностях чешуек, особенно на базальных поверхностях глинистых минералов, представлена ориентированными молекулами воды, которые не имеют свойств жидкой воды. Хотя возможная толщина адсорбированного слоя ориентированных молекул воды пока не установлена, можно предполагать, что такие слои водных молекул на монтмориллонитовых листочках вайомингских бентонитов могут иметь относительно большую толщину. Это должно приводить к увеличению размера чешуек, и отсюда понятны причины большой вязкости и тиксотропные свойства глины. Такая особенность вайомингских монтмориллонитов, по-видимому, объясняет природу водонепроницаемости глинистой корки: молекулы воды, первоначально проникшей в глину, должны были ориентироваться и стать неподвижными и тем самым эффективно закупорить слой глины для дальнейшего просачивания воды. По мнению автора, образование мощного слоя ориентированных молекул воды на поверхности частиц монтмориллонита позволяет лучше объяснить действие полифосфатных добавок на вязкость и предельное статическое напряжение сдвига, чем любая другая концепция. Особенности строения молекул таких фосфатов, вероятно, позволяют им почти полностью совпадать с пустотками в сетке воды. Эти молекулы, видимо, могут адсорбироваться с некоторым слабым нарушением ориентировки молекул воды. Следовало бы ожидать, что малые количества таких фосфатов должны вызывать большое изменение вязкости и гелевых свойств раствора. Бесспорным достоинством этой концепции является то, что она объясняет механизм, которым можно слабо изменить вязкость и статическое напряжение сдвига с помощью различных добавок.

При объяснении диспергируемости монтмориллонита из вайомингских бентонитов и свойств слоев ориентированных молекул воды, которые возникают на частицах этого минерала, необходимо ответить на вопрос, почему другие монтмориллониты не могут приобрести свойства вайомингских бентонитов в результате их химической обработки. Вероятно, большое значение имеет тот факт, что вайомингские бентониты содержат обменный натрий и, кроме того, заметное количество адсорбированного кальция (25—40 мэкв на 100 г). Тенденция этих катионов образовывать слои адсорбированной воды различной толщины при одних и тех же условиях обычно приводит к неустойчивости связей между монтмориллонитовыми слоями, что позволяет им легко расщепляться. Мак-Ати показал, что ионы натрия и кальция неравномерно распределены между монтмориллонитовыми слоями, т. е. такой монтмориллонит представляет собой как бы смешаннослойный минерал. По мнению этого исследователя, неравномерное распределение катионов отражает неоднородности в строении самих силикатных слоев. Кроме того, такая неоднородность, видимо, должна обусловить неустойчивость минерала в воде, что приводит к увеличению его диспергируемости. Вряд ли следует рассчитывать на то, что химическая обработка может привести к неоднородному распределению катионов и неоднородностям в строении самих силикатных сеток, и, вероятно, поэтому их нельзя воспроизвести в других монтмориллонитах.

Способность вайомингского монтмориллонита к интенсивному образованию слоя ориентированных молекул воды объяснить труднее. Эта способность отчасти объясняется присутствием катиона натрия, поскольку он, вероятно, не гидратируется, будучи адсорбированным на поверхностях монтмориллонита. Однако эта особенность натрия не очень существенна, поскольку невозможно искусственно получить бентонит вайомингского типа обработкой других бентонитов соединениями натрия. Существенную роль в повышенной способности бентонита к образованию слоев ориентированных молекул воды играет, видимо, большая поверхность частиц. Грим и Кульбицкий предполагают, что отличительная особенность вайомингского монтмориллонита, заключается в том, что в его тетраэдрических слоях сравнительно мало перевернутых тетраэдров по сравнению с другими монтмориллонитами. Можно полагать, что присутствие перевернутых тетраэдров на поверхности кремнекислородных сеток предотвратит образование слоя ориентированных молекул воды. Вполне возможно, что какие-то особенности самой силикатной структуры оказывают влияние на образование этого слоя воды. Так, характер заселения катионами тетраэдрических и октаэдрических положений может не только влиять на распределение зарядов на поверхности, но может, кроме того, обеспечивать устойчивость структуры против скручивания таким образом, что уплощенные чешуйки благоприятствуют образованию слоев ориентированных молекул воды большой толщины.

Однако все эти рассуждения только предположительные и фактически почти ничего не известно о причине, обусловливающей специфические особенности монтмориллонита из вайоминг-ских бентонитов, за исключением неоднородности состава адсорбированных катионов. Более того, нет ясности и в условиях образования этих бентонитов. Нельзя даже предположить, что имело решающее значение: специфический состав пепла, условия среды накопления пепла или своеобразные более поздние процессы изменения пепла; возможны, наконец, какие-либо другие процессы.

Интересно отметить, что диспергируемость вайомингского монтмориллонита увеличивается с возрастанием окисленности железа. Возможно, и этот факт можно использовать в качестве исходного для выяснения уникальности свойств этого монтмориллонита и условий его происхождения.

Небольшие колебания вязкостных характеристик аттапульгитовых и сепиолитовых водных суспензий при больших изменениях содержания электролита следует объяснять, по крайней мере отчасти, наличием пустых каналов в агрегатах этих глин, в которые может проникать ион натрия. Эти ионы, размещенные внутри таких каналов, слабо влияют на свойства суспензии, последние определяются поверхностными особенностями агрегатов глинистых минералов. Можно полагать, что агрегаты частиц аттапульгита и сепиолита с половинными порами на их поверхностях понижают их способность к образованию пленки ориентированных молекул воды и, кроме того, такие частицы не сразу диспергируются в воде на более мелкие. В соответствии с этими взглядами Чеймберс разработал следующую концепцию:

«Объяснение этой исключительной устойчивости к коагуляции под действием солей, несомненно, заключается в различии физических свойств и механизма образования взвешенного состояния этих глин. В отличие от монтмориллонитов сепиолит является ненабухающей глиной, и, следовательно, простое диспергирование в воде ведет к образованию грубодисперсных агрегатов, а не к разделению пластиночек. Так как в этом случае влияние силы тяжести сильнее заряда частиц, суспензия осаждается до относительно небольшого объема. Однако этот объем не так мал, поскольку очень высокая анизотропия кристаллов приводит к образованию агрегатов, состоящих из беспорядочно переплетающихся игольчатых частиц. Поверхностный заряд частиц низкий, и поэтому не происходит сильного уплотнения осадка. Однако в определенных пределах, допускаемых геометрией частиц, коагулированный осадок уплотняется. В результате этого образуется такая сетка, которая при добавке соли не может сокращаться в объеме, и какой-либо заметной коагуляции осадка не происходит. Иначе ведут себя монтмориллонитовые минералы, которые быстро распадаются на отдельные частицы с высоким поверхностным зарядом, ведущим к полной дисперсии. Эти частицы анизотропны только в одном направлении, и при удалении поверхностного заряда при добавлении электролита такие частицы могут подвергаться сильному уплотнению; поэтому объем их осадка при прибавлении солей резко сокращается. Поведение водных суспензий сепиолита во вращающемся вискозиметре подтверждает вышесказанное. Суспензия, приготовленная при сильном перемешивании и содержащая 5% твердой фазы, ведет себя после начальной деформации как ньютоновская жидкость. Такое поведение может быть объяснено только исходя из предположения, что суспендированная твердая фаза не реагирует с жидкой фазой, т. е. не образует сольватов и не дает вязких структур. Если мы предположим, что частицы во время взмучивания располагаются беспорядочно, тогда станет ясно, что деформация суспензии не вызовет переориентировки частиц в единую структуру».

Можно полагать, что удлиненные частицы и пакеты частиц аттапульгита и сепиолита образуют на стенках буровой скважины неоднородную глинистую корку, через которую вода легко проникает, что и объясняет высокую водопроницаемость глин такого типа.

Индивидуальные удлиненные кристаллиты аттапульгита и сепиолита соединяются своими краями через обычные атомы кислорода. Можно думать, что такие соединения индивидуальных частиц очень прочны и разрываются с трудом, поэтому для их разрушения необходимо приложить большие усилия. Это предположение может объяснить, почему непрерывное возбуждение шликера, содержащего такие глинистые минералы, приводит к постепенному расщеплению частиц, в результате чего вязкость раствора постепенно увеличивается при его циркуляции в процессе бурения.

На агрегатах удлиненных кристаллитов с полупорами на их поверхности нет толстой пленки ориентированных молекул воды. Вполне возможно, что это обстоятельство и обусловливает относительно слабую тиксотропию аттапульгитовых и сепиолитовых глин.

Довольно слабая диспергируемость иллитовых, хлоритовых и каолинитовых глин по сравнению с монтмориллонитовыми и аттапульгитовыми определяет довольно низкий выход суспензий, и в качестве компонентов буровых растворов эти глины вообще менее ценны. Хотя плохо окристаллизрванные разновидности этих глин обладают лучшими свойствами в качестве компонентов буровых растворов, но все же не настолько, чтобы ими можно было заменить монтмориллонитовые и аттапульгитовые глины. Присутствие сопутствующих неупорядоченных смешанно-слойных минералов обычно также улучшает свойства этих глин как компонентов буровых растворов.