Назначение глинистых растворов и их свойства

Глинистые растворы имеют следующие назначения: 1) глинизация стенок скважин; 2) удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции; 3) создание повышенного противодавления на пласт; 4) облегчение транспортирования по стволу; 5) предохранение бурового инструмента от коррозии благодаря тонкой глинистой корке, покрывающей поверхность инструмента.

По размерам диспергированных (раздробленных) частиц различают два вида жидких дисперсных систем: 1) коллоидные растворы и 2) суспензии.

Коллоидные частицы в жидком растворителе (например, воде) под действием силы тяжести практически не оседают. Суспензией называется взвесь, т. е. дисперсная система, состоящая из двух фаз — жидкой и твердой, в которой мелкие твердые частицы размером от 0,1 до 10 мкм и более взвешены в жидкости. С течением времени, под действием силы тяжести, взвешенные частицы осаждаются на дно сосуда.

Глина это дисперсная система, состоящая из воды и взвешенных в них частичек размером от коллоидных до частиц суспензий. Количество коллоидных частиц в глинистом растворе зависит от сорта глины и от способа его приготовления. Чем больше коллоидных частиц в растворе, тем лучше его качество. В нормальном глинистом растворе суммарная поверхность коллоидных частиц вследствие малых размеров и большого их количества превосходит суммарную поверхность частиц суспензий. Поэтому глинистый раствор есть коллоидно-суспензионная система, которая имеет свойства коллоидного раствора.

В глинистом растворе коллоидные частицы заряжены отрицательными электрическими зарядами, а ионы воды, положительными зарядами. Частицы глины как заряженные одноименным электричеством отталкиваются друг от друга. Вследствие весьма малых размеров и массы коллоидных частиц превалирующее значение для них имеет действие сил электрических зарядов, а не сила тяжести. Отталкивание коллоидных частиц, заряженных одноименным электричеством, способствует нахождению частиц во взвешенном состоянии.

Глинистые растворы являются гидрофильными коллоидными растворами, в которых частицы глины смачиваются водой. Явление смачиваемости частиц глины водой объясняется тем, что силы притяжения между молекулами глины и воды значительно больше, чем между молекулами воды, Воду, входящую в состав глинистого раствора, можно разделить на адсорбированную и свободную.

Адсорбированная вода связана с частицами глины силами притяжения, образует вокруг них гидратные оболочки и по своим свойствам значительно отличается от обычной воды (например, имеет большую плотность, большую вязкость и пр.).

Свободная вода в глинистом растворе является дисперсионной средой, в которой находятся глинистые частицы с адсорбированной водной оболочкой. Практическое значение смачиваемости состоит в том, что при столкновении частиц с гидратными оболочками они не слипаются. Между частицами остается прослойка молекул свободной воды. Смачиваемость частиц обеспечивает устойчивость глинистых растворов, состоящих из хорошо смачивающихся коллоидных частиц.

Стабильностью называют свойство коллоидных частиц, находящихся в коллоидном растворе во взвешенном состоянии. Стабильность обеспечивается: 1) высокой степенью дисперсности частиц и, следовательно, их весьма малой массой; 2) наличием у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов, вызывающих взаимное отталкивание; 3) гидрофильностью коллоидов, т. е. наличием вокруг коллоидных частиц уплотненных гидратных оболочек, которые предохраняют частицы от слипания и последующего оседания. Поэтому глинистый раствор в течение долгого времени сохраняется в жидком состоянии и способен перекачиваться насосом.

Структурообразованием называется способность глинистых растворов, находящихся в покое, образовывать внутри себя структуру. Причина образования структуры и ее последующего роста в глинистом растворе состоит в том, что глинистые частицы имеют форму тонких пластинок, которые несут электрический заряд по своей широкой боковой поверхности и поэтому поверхность хорошо смачивается водой. По толщине контура эти пластинки имеют слабый электрический заряд или он отсутствует. Поэтому по тонким контурным поверхностям частицы плохо смачиваются водой. Столкновение отдельных коллоидных частиц с плохо смоченными поверхностями приводит к их слипанию. С течением времени число слипшихся частиц увеличивается и в растворе образуется пространственный решетчатый каркас из коллоидных частиц, слипшихся тонкими боковыми поверхностями. Вода остается в ячейках этой сетки и не может свободно перемещаться. Раствор становится густым, похожим на студень или гель.

При встряхивании или перемешивании загустевшего глинистого раствора структура его разрушается и глинистый раствор приобретает свойства жидкого раствора.

Тиксотропией называется свойство глинистого раствора загустевать при стоянии и разжижаться при встряхивании или перемешивании. Тиксотропией обладают не все коллоидные растворы, а только некоторые, в том числе глинистые растворы Тиксотропностью называется быстрота образования структуры, а после перемешивания — быстрота восстановления структуры.

Удерживающей способностью глинистого раствора называется способность глинистого раствора удерживать частицы породы при структурообразовании. Это свойство глинистого раствора предотвращает осаждение частиц породы на забой при прекращении циркуляции.

Коагуляцией, или свертыванием, коллоидов называется процесс слипания коллоидных частиц в агрегатные группы с последующим осаждением этих частиц под влиянием силы тяжести. Коагуляция коллоидов происходит, если коллоидные частицы сделать нейтральными, они при столкновении будут соединяться, а группы, агрегаты оседать под влиянием силы тяжести. Коагуляция глинистого коллоида происходит от прибавления к воде коагулянтов, например некоторого количества поваренной соли NaCl, которая распадается под действием молекул воды с образованием положительных ионов натрия, нейтрализующих глинистые частицы, заряженные отрицательным электричеством. Если скважиной пересечены соленосные породы или водоносный горизонт с соленой водой, глинистый раствор, протекающий по стволу скважины, может подвергаться коагуляции. Обратимыми коллоидами называются такие коллоиды, которые при надлежащем электрическом состоянии среды способны восстанавливаться из скоагулированного состояния.

Пептизацией называется процесс превращения скоагулированного коллоида, свернувшегося в виде комочков, в коллоидный раствор. Для использования свойств обратимости коллоидов к глинистому раствору в качестве пептизаторов добавляют вещества, восстанавливающие отрицательные электрические заряды у глинистых частиц. К числу пептизаторов относятся: щелочи (каустическая сода, едкий натр NaOH, кальцинированная сода Na2CO3 и др.) или коллоиды, имеющие отрицательные электрические заряды, например гуминовая кислота.

Содержание в глине окислов и солей. Глины могут содержать примеси окиси железа (Fe2O3), окиси натрия (Na2O), окиси кальция (СаО), окиси магния (MgO), окиси калия (К2О) и др. Наличием преобладающей примеси часто определяются свойства глины. Чем больше в глине содержится натрия, тем лучше ее качество. Наличие солей (NaCl, СаС12, CaSO4 и др.) ухудшает качество глины. Сильно засоленные глины можно применять для приготовления глинистых растворов, но при этом необходима дополнительная их химическая обработка.

Набухание глин. Набуханием называется свойство глин увеличиваться в объеме при поглощении воды. Натриевые бентонитовые глины могут при замачивании увеличиваться в объеме в 8—10 раз и легко распадаются в воде на отдельные частицы. В кислых щелочных и солевых растворах бентонит не набухает. Гидрослюдистые и палыгорскитовые глины обладают меньшей способностью набухать. Каолиновые глины не набухают, расщепляются в воде плохо, растворы, приготовленные из них, неустойчивы и быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Глинизация стенок скважины используется при бурении с промывкой глинистым раствором в неустойчивых породах для укрепления стенок скважины и для изоляции пластов. После внедрения глинистого раствора в пустоты пород и его загустевания в них кольцевая зона породы вокруг ствола скважины укрепляется. После образования глинистой корки на стенках скважины прекращается поступление свободной воды из бурового раствора в пустоты пород. Кроме того, если пласты пород содержат воду, нефть газ и если величина пластового давления не превышает величину гидростатического давления промывочной жидкости на стенки скважины, то вода, нефть и газ не поступят из пласта в скважину. Происходит изоляция пластов и прекращение движения жидкости или газа в системе скважина-пласт. Для успешной глинизации в глинистом растворе должны преобладать мелкие коллоидные частицы, над крупными частицами суспензий. Наиболее коллоидальными являются бентонитовые глины, которые обеспечивают пониженную водоотдачу, повышенную вязкость и повышенные тиксотропные свойства глинистых растворов.

Глинистый раствор с недостаточным количеством коллоидных частиц не обладает способностью закупоривать все отверстия между частицами породы. Толстая корка пропускает воду, плохо связывается с породами и легко обваливается. Вода, проникшая в пласт, уменьшает силу трения между частицами и поэтому снижает устойчивость стенок скважины. При подъеме и спуске бурильных труб толстая корка набирается на замковые соединения труб, образуя сальники, что способствует прихватам инструмента. Толстая корка затрудняет спуск обсадной колонны и нередко приводит к прихвату последней.

Глинизация стенок скважины является крупным недостатоком при вскрытии водоносного или нефтегазоносного пласта, так как предотвращает или уменьшает приток воды или нефти и газа из пласта в ствол скважины. Поэтому вскрытие водоносного горизонта должно производиться с промывкой водой, безглинистым самораспадающимся (водогипановым или крахмальным) раствором.