2. Промывочные жидкости

с водной дисперсионной средой

2.1. Безглинистые и малоглинистые

промывочные жидкости
Самой простой промывочной жидкостью является вода. Приготовления такой жидкости и регулирования ее параметров не требуется. Применение воды ограничено геологическими условиями. Отсутствие у воды структурных свойств и способности к коркообразованию требует специальной технологии использования. В условиях, когда недопустимо применение воды, можно использовать безглинистые и малоглинистые промывочные жидкости. Необходимые свойства таким промывочным жидкостям придаются путем химической обработки, например, добавлением раствора жидкого стекла, обеспечивающего накопление дисперсной фазы и создание в ней структуры. Для облегчения диспергирования частиц породы повышают величину рН раствора с помощью едкого натра NaOH и кальцинированной соды Na₂CO₃, которая связывает ионы кальция и стабилизирует дисперсную систему.

Водный раствор жидкого стекла плотностью 1,5 г/см³ добавляют в циркулирующую воду в количестве от 1 до 4-5 %, соду добавляют до получения рН = 7,5, а NaОН – в количестве 0,1-0,2 % (чем больше его введено, тем легче накопить выбуренную породу и создать нужную структуру). Такая обработка снижает величину водоотдачи до 20-30 см³. Большее снижение водоотдачи достигается добавлением реагентов понизителей водоотдачи, например, УЩР.

При недостаточном содержании высокодисперсных составляющих в промывочной жидкости такое снижение водоотдачи невозможно. В этом случае в промывочную жидкость добавляют небольшое количество глины. Глину добавляют в сухом виде непосредственно в циркуляционную систему. При отсутствии высококоллоидной глины можно применить местную – комовую. Из нее готовят в глиномешалке возможно более густой, но достаточно подвижный раствор и добавляют его в циркулирующую промывочную жидкость.

При больших объемных расходах УЩР, а также при минерализации промывочной жидкости необходимо применение более эффективных и солестойких реагентов (КМЦ или крахмал).

2.2. Глинистые растворы и их компонентный состав
Простейший глинистый раствор представляет собой взвесь диспергированной глины в воде. Состав и качество его определяются составом и качеством дисперсной фазы и дисперсионной среды. В качестве основной дисперсионной среды используется вода.

В дисперсной фазе глинистого раствора по степени дисперсности различают следующие частицы:

 элементарные глинистые пластинки – "большие молекулы";

 первичные глинистые частицы, представляющие собой пачки элементарных пластинок;

 агрегаты из первичных глинистых частиц;

 высокодисперсные частицы минералов, находящиеся в глине в качестве механических примесей;

 песок, состоящий из частиц кварца и других инертных пород, а также из крупных нераспустившихся комочков глины.

Первые три группы составляют коллоидную, наиболее активную фракцию в глинистом растворе. Частицы четвертой группы можно считать активными наполнителями глинистого раствора, так как они способствуют увеличению его структурно-механических свойств и могут быть центрами структурообразования для коллоидных фракций. Частицы пятой группы относятся к категории механических нежелательных примесей.

В процессе бурения в дисперсную фазу поступают частицы разбуриваемых пород. Характер их воздействия на состав и качество глинистого раствора будет определяться дисперсностью и химическим составом и может быть положительным и отрицательным.

Состав дисперсионной среды глинистого раствора определяется:

 электролитами, содержащимися в воде, на которой приготовлен раствор;

 ионами, переходящими в жидкую фазу из глины при приготовлении раствора;

 веществами, добавленными при приготовлении глинистых растворов.

В процессе бурения состав дисперсионной среды во многом обуславливается:

 солями минерализованных пластовых вод, попадающих в раствор при бурении скважины;

 ионами из обломков разбуриваемых пород, растворяющихся в жидкой фазе раствора;

 интенсивностью взаимодействия химических веществ, находящихся в дисперсионной среде, с веществами, поступающими в раствор при бурении.

Глинистый раствор характеризуется глиноемкостью. Глиноемкость представляет собой максимальное содержание глинистой фазы, при котором буровой раствор сохраняет заданную консистенцию. Этот показатель характеризует коллоидальность глины и эффективность химической обработки, являясь одним из важнейших критериев разжижения глинистого раствора. Глиноемкость – функция нескольких факторов: гидрофильности твердой фазы; содержания электролитов, реагентов-понизителей вязкости и защитных коллоидов; температуры и др. Высокая глиноемкость характеризует низкую коллоидальность твердой фазы. Определяющий фактор течения растворов с низкой коллоидальностью твердой фазы – вязкое сопротивление при сравнительно невысоких значениях прочности структур. Здесь уже небольшие добавки воды резко снижают эффективную вязкость. Малая глиноемкость свойственна растворам с коллоидно-активной фазой. Главный фактор, определяющий их консистенцию – прочность возникающих структур. В этом случае разжижение достигается путем уменьшения числа коагуляционных контактов в единице объема в результате разбавления водой или ослабления их прочности обработкой реагентами-стабилизаторами.

Особенности строения кристаллической решетки

важнейших глинистых минералов
Глины – главная, наиболее активная часть глинистых растворов, поэтому их свойства во многом определяются свойствами исходных глин. Глины – широко распространенные осадочные горные породы, представляющие собой смесь различных минералов, главным образом глинистых. Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергировать в воде на мельчайшие частички.

Глины образуются в процессах химического выветривания за счет разложения магматических и других пород. Глинистые минералы отличаются тонкодисперсностью. Существует ряд глинистых минералов, которые классифицируются либо по химическому составу, либо по особенности кристаллического строения. К основным породообразующим минералам глинистых пород, используемых для растворов, относятся минералы групп монтмориллонита, гидрослюд, палыгорскита и каолинита.

Очень редко глина имеет мономинеральный состав. Как правило, она содержит несколько глинистых минералов. В таком случае глина получает название по наименованию преобладающего минерала. Исключение составляют бентонитовые глины, основной минерал которых – монтмориллонит.

В глинах, кроме того, содержатся в различных количествах оксиды железа, щелочных и щелочноземельных металлов. Оксиды металлов связаны с глинистыми минералами различно. Часть их может входить в состав глинистых минералов, замещая оксиды алюминия, часть их связана с глинистым веществом слабее и представляет собой обменные основания.

Кристаллические решетки глинистых минералов состоят в основном из двух структурных единиц – глинозема и гидрата кремнезема. Глинозем представляет собой два плотно упакованных слоя атомов кислорода или гидроксидов, между которыми в октаэдрической сетке расположены атомы алюминия, находящиеся на одинаковом расстоянии от соседних шести атомов кислорода или гидроксидов (рис.1).

Рис.1. Схематическое изображение октаэдров и октаэдрической сетки

структуры глинозема

1  гидроксиды; 2  атомы алюминия (магния, железа)

Рис.2. Схематическое изображение кремнекислородного тетраэдра

и сетки кремнекислородных тетраэдров, расположенных по гексагональному закону

1  атомы кислорода; 2  атомы кремния

Замещение атомов алюминия атомами железа или магния приводит к изменению свойств минерала. Гидрат кремнезема построен из кремнекислородных тетраэдров, расположенных в форме бесконечно повторяющейся гексагональной сетки (рис.2). В тетраэдре атом кремния удален от четырех атомов кислорода или гидроксидов на одинаковое расстояние.

Решетка кристаллов монтмориллонита и гидрослюд – трехслойна, а решетка каолинита состоит из двух слоев. Трехслойные решетки монтмориллонита связываются в пачки прослоем воды, количество которой может увеличиваться и уменьшаться, в связи с чем толщина трехслойной пачки с прослоем воды не остается постоянной. Таким образом, решетка монтмориллонита обладает подвижностью и способностью растягиваться и сжиматься. У гидрослюд часть атомов кремния замещена атомами алюминия, а освобождающаяся валентность используется на присоединение атомов калия, что укрепляет связь с соседними пачками и делает кристаллы более прочными.

Отсутствие одного из двух слоев Si-O у каолина лишает слоистую пачку симметричности и делает ее связь с соседней пачкой сравнительно прочной. В связи с этим диспергация каолиновых глин происходит хуже, чем монтмориллонитовых.

Кристаллы палыгорскита состоят из двойных цепочек (лент) кремнекислородных тетраэдров. Обе ленты соединяются между собой катионами: магнием, алюминием или железом. Палыгорскит имеет жесткую структурную решетку и поэтому может адсорбировать воду, не увеличиваясь в объеме.

Емкость обмена и электрический заряд
Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы. Между глиной и раствором происходит обмен катионов. При этом скорость обмена почти мгновенна.

Каждая глина обладает определенным количеством обменных ионов, т.е. вполне определенной обменной емкостью (или емкостью обмена). Обменная емкость выражается количеством молей обменных катионов, содержащихся в 1 кг сухой глины. Для наиболее распространенных глинистых минералов обменная емкость составляет: у монтмориллонита 0,8-1,5, гидрослюд – 0,1-0,4, палыгорскита – 0,2-0,3, каолинита – 0,03-0,15.

В глинистых минералах обменными катионами являются: Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, . В природных глинах основные обменные катионы – натрий или кальций, и глина получает название соответственно натриевой или кальциевой. Чистые натриевые или кальциевые глины в природе практически не существуют. Обычно глины смешанные, но влияние одного из катионов преобладает. По преобладающему влиянию глины относят к тому или иному типу. Тип глины во многом определяет свойства глинистого раствора при взаимодействии с веществами, содержащимися в дисперсионной среде. Возможно искусственное превращение натриевых глин в кальциевые и обратно.

При добавлении в дисперсионную среду глинистого раствора растворимых солей кальция, например хлористого кальция, последний диссоциирует с образованием двух однозарядных анионов хлора и одного двухзарядного катиона кальция. Катионы кальция притягиваются к натриевой глине значительно сильнее, чем однозарядные катионы натрия. Происходит обмен катионами. Глина становится кальциевой, а в растворе образуется хлористый натрий. Процесс замещения кальция натрием в глине происходит сложнее. Для этого нужно брать соль натрия, с анионом которой кальций образует нерастворимое соединение. Ионы кальция связываются, и их место занимает натрий. Чаще такой перевод кальциевой глины в натриевую осуществляют с помощью кальцинированной соды.

Гидрофильность и набухание глин
Все глины в той или иной мере гидрофильны. Характер гидрофильности зависит от их типа и состава и во многом определяет качество глинистого раствора. При замачивании глины водой молекулы воды окружают поверхность кристаллов глинистых минералов, проникают между кристаллами в пачках и раздвигают их. При этом глина набухает. Набухание – предпосылка пептизации глинистых минералов при приготовлении растворов. Оно протекает в два этапа: первый – всасывание воды, второй – развитие набухания. Набухание оценивается в кубических сантиметрах на грамм, измеряется на порошках глин с размером частиц 0,25  мм и менее.

Всасывание – капиллярный процесс. Для глин среднего качества всасывание длится 20-30 с, для весьма гидрофильных глин – больше. Процесс набухания зависит от типа глины: у минералов с неподвижной кристаллической решеткой набухание идет в основном за счет проникновения воды в межкристаллическое пространство, у монтмориллонита преимущественное значение имеет проникновение воды в межпакетные промежутки. Поэтому набухание у малогидрофильных глин, например у каолина, фактически заканчивается через 30-40 с. У бентонитовых глин набухание растягивается на 2-4 недели, причем увеличение объема может быть двадцатикратным.

При избытке воды набухание сопровождается разрушением глины. Диполи воды своими отрицательными заряженными концами притягиваются к положительным ионам металлов или водорода. Чем меньше заряд и больше размер ионов, тем быстрее или легче они отрываются диполями воды от поверхности элементарных кристаллов. Связь между листочками в пачках нарушается, и глина "распускается" в воде. На набухании глин отрицательно сказываются снижение рН и солевая агрессия. Так, максимум набухания у бентонитовой глины аскангель в пресной воде 17,7 раза, а в соленой в 10 раз меньше. Лишь палыгорскит одинаково хорошо набухает в пресной и соленой воде. Поэтому промывочные жидкости из палыгорскитовых глин солеустойчивы.

Следует иметь в виду, что время протекания процессов всасывания и набухания при приготовлении глинистых растворов различно (влияет перемешивание, размеры комков глины и ее исходная влажность, состав воды и др.), но характер их протекания сохраняется. Это при прочих равных условиях определяет время приготовления раствора из каждого типа глины. Чем выше качество глины, тем дольше идет приготовление глинистого раствора.

Процессы, происходящие при набухании глин, во многом объясняют поведение стенок скважин, сложенных глинистыми породами, при контакте с промывочной жидкостью.

Размеры и форма глинистых частиц
Размеры частиц природных глин значительно меньше 0,01 мм. Более крупные зерна, которые могут присутствовать в них, – посторонняя примесь. Наибольшее влияние на свойства глинистых растворов оказывает коллоидная фракция с размером частиц менее 1 мкм. Чем меньше размеры частиц, тем больше их качественное влияние на свойства глинистых растворов. В бентонитовых глинах содержание коллоидных фракций значительно больше, чем в каолиновых и может достигать 40 %. Средний эффективный диаметр частиц бентонита 0,02-1 мкм, каолина 0,1-1 мкм.

Коллоидальные свойства глинистых растворов определяются не только размерами частиц, но и их формой. Чаще всего частицы глины имеют вид плоских или лентовидных чешуйчатых пластинок, реже – продолговатую (игольчатую) форму. Благодаря такой форме частицы имеют большую суммарную поверхность, на которой развивается свободная поверхностная энергия. Удельная поверхность глинистых минералов колеблется от 800-900 м²/г у монтмориллонита до 10-20 м²/г у каолинита.

Требования к качеству материалов

для приготовления глинистых растворов
Глины используются в комовом или порошковом виде. Размеры комков не должны превышать 150-200 мм. Глинопорошки готовят на специальных заводах механическим или физико-хими­ческим способами. Механический способ заключается в измельчении исходной глины до заданной тонкости помола по схеме дробление – сушка – помол. Качество порошков определяется главным образом качеством исходного сырья. Как правило, глинопорошки готовят из высококачественных бентонитовых глин.

Физико-химические способы получения глинопорошков пока имеют подчиненное значение. Они более трудоемки, но позволяют получать порошки из менее качественных глин. Одна из схем получения глинопорошка: приготовление суспензии из исходного сырья – выведение из нее неактивной части – удаление жидкой фазы.

Глинопорошки для повышения их качества модифицируются путем введения при помоле веществ, улучшающих их свойства: кальцинированной соды, алюминатов, полиакрилатов и др. Тонкость помола глинопорошков должна быть такой, чтобы остаток на сите № 0071 был не более 10 %. Для сохранения качества глинопорошки расфасовываются на заводе в плотные бумажные мешки.

Возможны три варианта применения порошкообразных глин: как коллоидной добавки к промывочному раствору, содержащему неглинистую твердую фазу; как добавки к глинистому раствору, приготовленному из местных низкокачественных глин, для увеличения в нем коллоидной фракции; как единственной твердой фазы раствора, если в районе работ близко нет пригодных глин, а доставка их затруднена.

Глины характеризуются выходом раствора Q_р – количеством кубических метров раствора заданной условной вязкости, получаемого из 1 т массы. Чаще в качестве эталонной условной вязкости глинистого раствора принимают величину 25 с. Тогда

,

где _р  плотность раствора при условной вязкости 25 с, кг/м³.

Выход раствора колеблется от 2-3 м³/т из каолиновых комовых глин и до 19 м³/т из высококачественных модифицированных глинопорошков.

Качество (пригодность) глин для приготовления растворов оценивается несколькими методами. Простейшим является оценка путем приготовления и исследования раствора из пробы глины. Для этого готовят несколько образцов раствора одинаковой вязкости и измеряют остальные параметры. Дополнительно оценивается возможность регулирования свойств приготовленных растворов. При этом основное внимание уделяется возможности получения главных, определяющих для данных условий параметров раствора.

И.Н. Резниченко предложил оценивать глины по содержанию в них активного коллоидного комплекса

,

где В – величина адсорбции метиленовой сини исследуемой глины, см³/г; 59 – эталонная величина адсорбции метиленовой сини коллоидных частиц наиболее качественного саригюхского бентонита в дистиллированной воде, см³.

Величина К для бентонитовых глин должна быть более 0,6. Для глин прочих типов К < 0,3. Между содержанием глины С и значением К установлена зависимость:

где G_к – объемное содержание коллоидного глинистого компонента, %.

Считается, что получение качественного раствора возможно при соблюдении следующих соотношений между коллоидной составляющей К и общим содержанием твердой фазы С: К  0,4; 2,3  С  5,0;

,

где плотности соответственно глинистого раствора и воды, на которой он приготовлен.

Качество глин с учетом характера основных деформаций, происходящих в глинистом растворе, оценивается следующим образом. По соотношению быстрых эластических , медленных эластических и пластических (при t = 1000 с) деформаций все глины делятся на шесть типов:

 нулевой < < ;

 первый > > ;

 второй > > ;

 третий > > ;

 четвертый > > ;

 пятый > > .

Устойчивые растворы относятся к нулевому, третьему и четвертому структурно-механическим типам.

Требования к качеству воды обусловлены составом глинистого раствора и условиями его применения. Возможно использование морской воды и пластовых вод – рапы с общей минерализацией более 3 %. В то же время для приготовления пресных качественных глинистых растворов целесообразно использовать воду с общей жесткостью до (3-4)^10-3 моль/л. При большей жесткости воду необходимо предварительно смягчить.

2.3. Разновидности, сравнительная оценка

и области применения глинистых растворов

Улучшенные глинистые растворы
Если в буровых организациях для приготовления растворов используются низкокачественные глины, то глинистые растворы улучшают обработкой реагентами общеулучшающего действия, главным образом кальцинированной содой, углещелочным и торфощелочным реагентами (УЩР и ТЩР). Кальцинированная сода способствует процессу пептизации коллоидной фракции, повышая структурно-механические свойства раствора и снижая показатель фильтрации. УЩР и ТЩР стабилизируют глинистый раствор, значительно снижая показатель фильтрации, но в тоже время ухудшая реологические свойства. Обычно кальцинированную соду вводят одновременно с глиной для полноты извлечения активной составляющей твердой фазы, а УЩР и ТЩР – после размешивания.

Концентрация реагентов зависит от качества воды и глины. Добавки Nа₂СО₃ обычно не превышают 0,5 %, содержание УЩР и ТЩР может доходить до 20 %. В результате использования общеулучшающих реагентов глинистые растворы, даже из низкокачественных каолиновых глин, могут иметь γ = 1,15-1,18 г/см³, Т = 22-25 с, В ≈ 20 см³, С ≈ 0,02 г/см³. Улучшенные глинистые растворы могут в дальнейшем подвергаться обработке реагентами. Однако необходимо учитывать совместимость реагентов.

Ингибированные глинистые растворы
Ингибированные растворы применяются при бурении неустойчивых, самодиспергирующихся пород (глин, глинистых сланцев, аргиллитов, алевролитов). Цель ингибирования – снижение гидрофильности твердой фазы и способности ее к пептизации. При ингибировании возрастает глиноемкость растворов. Ингибирование осуществляется путем строго дозируемой коагуляции, при которой структурообразование приостанавливается на определенном уровне, а пептизация и размокание существенно ограничиваются.

Ингибированные глинистые растворы обладают ингибирующим эффектом по отношению к разбуриваемым породам, что выражается в крепящем эффекте и повышении вследствие этого устойчивости стенок скважины. Техника ингибирования заключается в обработке путем введения защитных коллоидов, коагулирующих агентов, регуляторов рН, понизителей вязкости.

Химическая основа крепящего действия ингибированных растворов определяется главным образом способностью ионов ингибирующих электролитов вступать во взаимодействие с породами глинистого комплекса, вызывать их коагуляцию, ионный и неионный обмен, образовывать новые вещества и структуры, более стабильные к агрессивным воздействиям дисперсионной среды и пластовых вод. В результате повышается связность и снижается набухаемость пород. Как правило, процесс этот носит объемный характер. Ингибированные растворы обычно получают название по наименованию основного ингибирующего компонента.

Крепящий эффект и повышение глиноемкости ингибированных растворов усиливается по мере добавок ингибирующего реагента, однако это приводит к росту коагуляционных процессов в самом растворе, увеличивается показатель фильтрации, возрастает или понижается вязкость, теряется агрегативная устойчивость. Для стабилизации таких растворов используют реагенты с высокой защитной способностью – КССБ, КМЦ, окзил, ФХЛС, а также реагенты-понизители вязкости. Иногда удается ограничиться одним реагентом, который играет роль и стабилизатора, и разжижителя. Чаще всего это лигносульфонаты. В результате образуется многокомпонентная система, устойчивость и эффективность которой обусловлены определенным соотношением компонентов. В процессе бурения свойства такого раствора могут изменяться из-за взаимодействия с горными породами и пластовыми водами, что, в свою очередь, может потребовать добавок того или иного реагента.

Хлоркальциевые глинистые растворы (высококальциевые) содержат в качестве основного активного реагента хлористый кальций. Фильтрат таких растворов содержит от 800 до 5000 мг/л ионов кальция, взаимодействие которых с горными породами сопровождается упрочнением стенок скважины за счет образования конденсационно-кристаллизационных структур.

Важный компонент высококачественных хлоркальциевых растворов – известь, повышающая рН раствора, ускоряющая ионный обмен и являющаяся дополнительным источником ионов кальция.

Оптимальное содержание компонентов зависит от состава пород, условий бурения и определяется экспериментальным путем. Пример рецептуры хлоркальциевого раствора, разработанной для бурения неустойчивых глинистых сланцев, %: 0,3-0,6 CaCl₂, 0,1-0,15 извести, 0,1-0,3 ССБ, 1-1,5 КМЦ. Раствор имеет параметры: γ = 1,1-1,15 г/см³, Т = 17-20 с, В = 8-10 см³, СНС > 1 Па, рН = 6-10.

В процессе бурения содержание ионов кальция в растворе постоянно уменьшается. Они адсорбируются выбуриваемыми породами и стенками скважины, фильтруются в проницаемые пласты. Концентрацию кальция увеличивают добавками хлористого кальция или извести.

При бурении в соленосных толщах хлоркальциевые растворы насыщают каменной солью (до 180 кг на 1 м³ раствора). При этом резко увеличивается водоотдача. Понизить ее введением дополнительных добавок КССБ не удается.

Хлоркальциевые растворы приготовляются в следующем порядке. В заранее приготовленный раствор вязкостью 18-20 с сначала вводят расчетное количество КССБ, после перемешивания в течение 10-15 мин добавляют CaCl₂ в виде водного раствора (1  кг/м³ CaCl₂ в пересчете на твердое вещество увеличивает содержание ионов кальция в фильтрате на 200 мг/л). Затем вводят понизитель вязкости и известь, перемешивают все в течение 15-20 мин. Приготовленный раствор сливают в приемную емкость. При этом необходимо исключить условия, способствующие пенообразованию: лопасти перемешивающих устройств должны быть полностью покрыты раствором, сливать раствор в приемную емкость надо с минимально возможной высоты и т.д. Если эти мероприятия не исключают пенообразование, в раствор вводят пеногаситель. Такие растворы можно приготовлять непосредственно в процессе бурения при подходе к неустойчивому интервалу горных пород. Для этого все реагенты вводят в описанном порядке в циркулирующий раствор с соблюдением правил химической обработки.

Известковые глинистые растворы – глинистые растворы, обработанные известью или портландцементом. Процесс обработки получил название известкования. Известковые растворы наиболее эффективны при бурении в глинистых породах, легко переходящих в раствор. Их особенностью являются небольшие вязкость и статическое напряжение сдвига при достаточно высокой плотности. Известковые глинистые растворы включают, кроме глины, воды и извести, еще каустическую соду и реагенты-понизители вязкости и водоотдачи.

При введении в глинистый раствор извести кальций, обладающий двумя свободными валентностями, может присоединиться обеими валентностями к одной частице либо к двум, связывая их между собой. Таким путем могут образоваться цепочки, состоящие из глинистых частиц, соединенных между собой катионами кальция. Вязкость глинистого раствора резко повышается, раствор теряет текучесть. Прочность связей в цепочках невелика, и при перемешивании они рвутся, образуя короткие цепочки и агрегаты частиц, более крупные по сравнению с частицами до введения извести.

Для снижения водоотдачи и предотвращения повторного возникновения длинных цепочек в глинистый раствор вводят химические реагенты, устойчивые к действию кальция, а также добавляют каустическую соду, которая понижает растворимость извести. При этом возникают только короткие цепочки и агрегаты частиц. Одновременно снижается гидрофильность частиц. В качестве понизителя вязкости используются ССБ или КССБ.

Известь очень плохо растворяется в воде. Добавки щелочи уменьшают ее растворимость и соответственно загустевание глинистого раствора. Концентрация Са⁺⁺ в фильтрате известковых растворов находится в пределах 0,0075-0,15 %. Содержание извести в известковом глинистом растворе доходит до 2-2,5 %, и в нем всегда есть ее нерастворимый избыток. По мере удаления из раствора Са⁺⁺ этот избыток постепенно переходит в раствор. Ионы Са⁺⁺ постоянно удаляются из раствора в результате либо ионного обмена, либо необратимого поглощения глиной. Последнее приводит к снижению чувствительности глины и, следовательно, известкового глинистого раствора к солям и химическим реагентам.

Введение извести и каустической соды в раствор приводит к повышению его рН до 11-12. Известкование снижает содержание растворимых гуматов в промывочной жидкости и восстанавливает ее восприимчивость к обработке УЩР.

Известковые растворы обычно приготовляют в процессе циркуляции промывочной жидкости в желобной системе буровых установок. Предпочтительно введение реагентов в следующем порядке: ССБ, NaOH, известь. Конкретная рецептура известковых растворов определяется на месте работ.

Известковые растворы несовместимы с обработкой кальцинированной содой, фосфатами и другими реагентами, дающими нерастворимые кальциевые соли.

Калиевые глинистые растворы используются главным образом при бурении в породах неустойчивого глинистого комплекса. Эффективность калиевого раствора в укреплении глины определяется относительно небольшим размером гидратированного иона К⁺, который внедряется в состав глины, прочно связывая соседние поверхности и препятствуя тем самым процессу гидратации. Эффект калиевой обработки не зависит однозначно от минералогического состава глин. Чаще всего для получения калиевых растворов используется КCl, но можно применять К₂SiO₃; К₂СО₃; КОН. Оптимальная концентрация КСl 6-8 %, содержание ионов калия при этом составляет 30 г/л.

Простейший состав калиевого глинистого раствора: 8 % реагента  носителя К⁺, 2 % стабилизатора КМЦ-500 или 10 % стабилизатора КССБ, 8  % разжижителя  окзила. Оптимальная величина рН = 9,5-10, регулируется рН введением KOH.

Калиевый раствор вследствие электролитной коагуляции и перехода в него выбуренной породы может загустевать. Для предупреждения этого сочетают хлоркалиевую обработку с известкованием. Порядок приготовления такого хлоркалиевого раствора следующий: исходный глинистый раствор, 4 % КМЦ-500, 5-7 % КCl. Затем готовят окзил с водой в составе 1 : 8. В эту смесь вводят 30 % раствора NaOH и 30 % известкового молока. Соотношение окзила, каустика и извести составляет 10 :  0,5 :  1 в пересчете на сухое вещество. Раствор имеет следующие параметры: γ = 1,15-1,2 г/см³, Т = 20-25 с, В = 8-10 см³, К = 1-1,5 мм, СНС = 2-4 Па.

Калиевый раствор может быть малоглинистым, полимерным на основе акриловых и других полимеров, эмульсионным. Часто калиевые растворы представляют собой многосолевые системы, особенно когда для их получения используют многотоннажные отходы хлорной продукции, содержащие 30-40 % КС1, 5-10 % NаС1 и до 5 % МgС1. Применяются и комбинации хлористого калия с каустическим магнезитом. Более рационально использование калиевых буровых растворов на неглинистой основе, когда глина является лишь наполнителем.

Алюминатные растворы – растворы, содержащие в качестве ингибиторов соли алюминия. Они имеют очень высокую степень ингибирования и требуют меньшего расхода стабилизатора, чем другие ингибированные жидкости. В качестве ингибитора используются алюмоаммонийные и алюмокалиевые квасцы (в концентрации 0,5-2,2 %), алюминаты натрия, кальция (0,3-1,5 %) и другие соли алюминия, а также глиноземистый цемент. Стабилизаторами и разжижителями служат эфиры целлюлозы, лигносульфонаты и хроматы в количестве от 1,5 до 6 %.

Алюминатные растворы широко применяются при наличии минерализованных подземных вод, они сохраняют устойчивость при любых концентрациях хлористого натрия и сульфата кальция.

Примерная рецептура алюминатного раствора: 2-3 % алюмината натрия или 1-1,5 % гипсоглиноземистого цемента, 7-13 % ССБ или 7-10 % окзила, 3-4 % ФХЛС, смазывающая добавка (5-7 % нефти или 1,5-2 % СМАД-1); рН раствора регулируется добавками NaOH до 9-9,5. Параметры такого раствора в процессе бурения поддерживаются в следующих пределах: γ = 1,15-1,17 г/см³, Т = 17-28 с, В = 5-10 см³, СНС = 0,2-1,4 Па.

Алюминатные растворы готовят в перемешивающих устройствах либо в скважинах в процессе бурения. В первом случае в состав алюминатного раствора необходимо вводить пеногаситель. Обладая крепящими свойствами, и будучи нечувствительными к загрязнению цементом, алюминатные растворы при обогащении их выбуренной породой сохраняют низкие структурно-механические свойства даже при глиноемкости до 700 кг/м³. Применяются также малоглинистые алюминатные растворы. Иногда буровые растворы обрабатывают солями алюминия в сочетании с полимерами  полиакрилатами. Это усиливает их ингибирующее действие и повышает флокуляцию выбуренной породы.

Ферросульфатные растворы представляют собой глинистые растворы, обработанные сернокислым железом в количестве 0,1-1,5 %. В качестве стабилизаторов служат КССБ, КМЦ, ФХЛС. При бурении высокодисперсных глинистых пород в ферросульфатные растворы вводятся разжижающие реагенты: лигносульфонаты, хроматы, бихроматы. Понижение вязкости при добавке лигносульфонатных реагентов основано на сочетании эффектов стабилизации и ингибирования. Концентрация стабилизаторов определяется видом реагента: ФХЛС вводится в количестве до 4 %, КССБ  до 12 %, КМЦ  до 1 %. Предпочтительнее подбирать стабилизатор, который одновременно является и разжижителем.

Для замедления возможных процессов коррозии в раствор вводят 2-5 % ингибиторов коррозии (лесохимические смолы, различные ПАВ), а для уменьшения износа бурильного инструмента  смазочные добавки (5-7 % нефти, 2-4 % смад-1 и др.).

Состав раствора подбирается в соответствии с условиями бурения. Например, ферросульфатный раствор: 1,5 % сернокислого железа, 7 % КССБ, 2 % окзила, 2 % смад-1. Параметры раствора: γ = 1,15-1,17 г/см³, Т = 20-25 с, В = 5-7 см³, К = 1-1,5 мм, СНС = 1-4 Па. Разновидность ферросульфатного раствора  феррогуматный раствор. Примерная рецептура: 3 % сернокислого железа, 2-5 % УЩР, 2 % смад-1 или графита.

Ферросульфатные растворы готовят в перемешивающих устройствах или непосредственно в скважине в процессе циркуляции (бурения). Сначала вводят стабилизатор, затем соль сернокислого железа (обычно в растворе 20 %-ной концентрации), затем остальные добавки. Солью сернокислого железа восстанавливаются соленые и хлоркальциевые растворы после разбуривания цементного камня, поэтому возможны варианты ферросульфатных растворов более сложных составов.

Ферросульфатные растворы могут быть малоглинистыми, а также полимерными.

Силикатные глинистые растворы – растворы с небольшими добавками (0,5-1 %) жидкого стекла, используемого для загущения глинистых растворов с одновременным повышением водоотдачи. При добавках жидкого стекла более 1 % требуется стабилизатор – УЩР или лигносульфонаты. Ингибирующие свойства силикатный глинистый раствор приобретает при концентрации жидкого стекла свыше 4 %, оптимальной концентрацией считается 5-10 %.

Крепящее действие силикатных растворов обусловлено ионообменом катионов натрия жидкого стекла с катионами кальция глинистых пород. Освободившиеся при этом катионы кальция с анионами жидкого стекла образуют нерастворимое в воде соединение СаSiО₃, которое и является цементирующим веществом.

Регулирование вязкости и водоотдачи силикатных растворов эффективно при комбинированной обработке лигносульфонатами и УЩР. Один составов силикатного глинистого раствора представляет собой исходный глинистый раствор плотностью 1,1 г/см³, в который введено 10 % жидкого стекла и 4 % ФХЛС. Параметры раствора: γ = 1,12 г/см³, Т = 25 с, В = 7 см³, К = 1 мм, СНС = 1,5 Па. УЩР вводится в количестве 5-7 %, концентрация лигносульфоната при этом уменьшается вдвое. Силикатные глинистые растворы предпочтительнее с небольшим содержанием твердой фазы.

Порядок приготовления: глинистый раствор – стабилизатор – жидкое стекло. Для повышения крепящих свойств и уменьшения водоотдачи добавляются полимерные стабилизирующие реагенты КМЦ, ПАА, гипан, а также комбинации полимеров с лигносульфонатами. Для улучшения смазочных свойств добавляется 1-2 % смад-1, или соапстока, или другой смазки.

Известны силикатные растворы, содержащие в качестве дополнительного ингибитора соли алюминия (до 0,5-1 %), получившие название алюмосиликатных глинистых растворов. Малоглинистые силикатные растворы применяются для промывки скважин при бурении с комплектами со съемным керноприемником.

Полимерные глинистые растворы – растворы с добавкой небольших количеств полимеров. Использование их основано на селективном действии полимеров, которые стабилизируют коллоидный комплекс глинистого раствора, в то же время коагулируя (флокулируя) менее коллоидную фракцию выбуренных пород. Полимерной обработке чаще подвергают бентонитовые растворы. Водный раствор полимеров, даже малоконцентрированных, обладает структурой, поэтому введение полимеров позволяет получить оптимальные реологические и фильтрационные характеристики глинистых растворов с содержанием гидратированной твердой фазы до 2-4 %.

В полимерных глинистых растворах используются полиакриламид (ПАА) и его гидролизованные разности РС-2 и РС-4, метас, гипан, реагенты К-4, К-9, М-14, сополимер карбоновых кислот и их солей – "Комета-Метеор" и другие в количестве 0,05-0,5 % в пересчете на сухое вещество. Пример состава полимерного глинистого раствора  водный раствор ПАА 0,25 %-ной концентрации, в который введено 2-3 % бентонита. Параметры раствора: γ = 1,03 г/см³, Т = 29-35 с, В = 5,5-8 см³, при высокой стабильности и очистной способности структурная вязкость составляет (17-19) ∙ 10³ Па∙с, динамическое напряжение сдвига 5-8 Па.

Полимерные глинистые растворы обладают хорошими смазочными свойствами, имеют пониженные гидравлические сопротивления, низкое поверхностное натяжение фильтрата (до 2,4 ∙ 10^2 Н/м), что благоприятно сказывается на буримости горных пород. Для усиления этих свойств в полимерные растворы вводят до 1 % ПАВ. При использовании гидролизованных полимерных реагентов дополнительно вводят 0,3-0,8 % кальцинированной соды.

Механическая скорость бурения при использовании полимерных глинистых растворов возрастает в 1,1-2 раза, абразивный износ сменных деталей буровых насосов и турбобуров снижается в 2-3 раза, стойкость породоразрушающего инструмента возрастает в 1,5-2 раза, гидравлические потери в циркуляционной системе снижаются на 15-20 %, расход глины и реагентов уменьшается в 3-4 раза.

Полимерный раствор готовят в перемешивающих устройствах или на буровой установке в процессе циркуляции. Последовательность введения компонентов: глинистый раствор – водный раствор полимера (обычно не выше 1 % в пересчете на сухое вещество) – прочие добавки. Используются и сухие порошки полимеров. При термическом загустевании в растворы вводят до 1 % кремнийорганических полимерных жидкостей ГКЖ-10, ГКП-10.

Ингибирующий эффект полимерных глинистых растворов при необходимости усиливается введением 3-10 % ФХЛС. Эффективно введение солей-ингибиторов Nа, К, Мg, А1, Fе и силиката натрия, а также их комбинаций. При небольшой плотности и хороших реологических и фильтрационных характеристиках комбинированные полимерные растворы обладают высоким ингибирующим эффектом и селективным действием. В качестве добавок к этим растворам широко используются КМЦ (до 2 %), биополимеры и ПАА, который не коагулирует даже в концентрированных растворах солей (кроме СаС1₂). Концентрация ингибирующих компонентов определяется видом реагента. Комплексный эффект от применения полимеров предопределяет область их использования в разнообразных геологических условиях.

<предыдущая страница | следующая страница>