Состав глинистых растворов на водной основе

В большинстве нефтедобывающих регионов мира при приготовлении буровых растворов на водной основе в воду добавляются глинопорошки прромышленного производства, такие как M-I GEL ® и M-I GEL SUPREME ™. Глинопорошок выполняет две функции: (1) обеспечивает необходимую вязкость раствора; (2) способствует образованию фильтрационной корки, которая изолирует высокопроницаемые пласты, ограничивая тем самым поглощение раствора, и предотвращает прихват. В некоторых регионах бурение производится сперва на воде, которая постепенно набирает шлам; результате этого получается пригодный для бурения раствор. В ряде случает применяют полимерные буровые растворы, которые в своем составе не имеют глинопорошка.

В буровых растворах на водной основе в качестве дисперсионной среды выступает вода, в которой во взвешенном состоянии находятся некоторые материалы и добавки. Чтобы достичь желаемых параметров раствора применяются самые разнообразные добавки; однако все ингредиенты бурового раствора в целом можно разделить на три категории:

1. Вода – дисперсионная среда бурового раствора. В зависимости от региона и качества воды, в качестве основы для бурового раствора может использоваться пресная или морская вода, мягкая или жесткая вода, и т.д. Для приготовления водных растворов нередки случаю использования солевых растворов с самой разнообразной концентрацией солей, от слегка соленых до насыщенных.

2. Химически-активная твердая фаза, состоящая из глины промышленного производстся, включая гидратирующие глины и глины из выбуренной породы. Химически-активная твердая фаза находится во взвешенном состоянии. Для регулирования параметров бурового раствора твердая фаза подвергается химической обработке, для проведения которой используется большое разнообразие добавок.

3. Инертная твердая фаза – это взвешенные в растворе твердые частицы, не проявляющие химической активности. К инертной фазе относятся такие твердые вещества как известь, доломит или песок. Для увеличения плотности бурового раствора в него добавляется барит, который также является инертным.

Ниже в данной главе рассматривается поведение химически-активных твердых частиц в дисперсионной среде и их влияние на параметры буровых растворов.

Гидратация глин

Кристалл бентонита состоит из трех слоев: слой оксида алюминия и два слоя оксида кремния внизу и вверху. Пластинка глины имеет отрицательный заряд и «облако» из катионов. Если значительное число катионов – это катионы натрия, то глина относится к натриевым глинам, например, это может быть натриевый монтмориллонит. Если большинство катионов – ионы кальция, глина называется кальциевым монтмориллонитом.

В зависимости от катионов, межслойное расстояние сухого монтмориллонита составляет от 9,8 (натрий) до 12,1 Å (кальций). Межслойный промежуток заполнен связанной водой. При попадании пресной воды на сухую глину межслойный промежуток расширяется, и глина адсорбирует большое количество воды. Эти два явления объясняют вязкость глины. Как показано на Рис. 7, межслойный промежуток кальциевого бентонита увеличивается только до 17 Å, тогда как у натриевого бентонита он может увеличиться до 40 Å.

Толщина пленки адсорбированной воды зависит от типа и количества катионов, ассоциированных с глиной. Большая часть содержащейся в разбухшей глине воды адсорбируется на больших плоских поверхностях частиц глины. Двухвалентные катионы - Ca²⁺ and Mg²⁺ - способствуют увеличению сил притяжения между пластинками глины, снижая тем самым количество способной адсорбироваться воды. Одновалентные катионы, такие как Na+, создают значительно менее интенсивные силы притяжения, позволяя большему количеству воды проникать между пластинками.

Рис. 7. Сравнение гидратации кальциевого и натриевого монтмориллонита.

Так как натриевый бентонит разбухает в 4 раза больше кальциевого, вязкость натриевого бентонита так же будет выше в 4 раза. Более всестороннее освещение роли обмена катионов кальция находится в главе «Буровые растворы на водной основе».

В дополнение к адсорбции воды и наличию катионов на внешней поверхности, смектит адсорбирует воду и катионы на поверхностях, которые находятся между слоями в его кристаллической структуре. Таким образом, по сравнению с другими глинами адсорбирующие свойства смектита намного выше.

Способность адсорбировать воду, количество обменных катионов (ЕКО) и площадь поверхности – все эти явления связаны друг с другом и обобщенно называются коллигативными характеристиками глин. В основном коллигативные характеристики отражают химическую активность глины. Из-за простоты измерения ЕКО глины, именно емкость катионного обмена и стала основным практическим методом определения реактивности глин. ЕКО глины можно измерить методом титрирования на метиленовой сини. При измерении ЕКО используется раствор метиленового синего индикатора 0,01 N; поэтому количество миллилитров индикатора до конечной точки титрирования равно мг-экв./100 г. ЕКО свободных от примесей глинистых минералов указано в таблице:

Глина	ЕКО (мг-экв./100 г)
Смектит	80 – 150
Иллит	10 – 40
Хлорит	10 – 40
Каолинит	3 – 10

Табл. 2. ЕКО глинистых минералов.

Как видно из Табл.2, наиболее активная глина – это смектит. Смешанные пластовые глины, содержащие смектит, наиболее гидрофильны и разбухают более интенсивно. Пластовые глины, содержащие иные глинистые минералы, разбухают менее интенсивно, однако могут быть так же гидрофильны. В основном пластовые глины содержат сразу несколько типов глинистых минералов в различных пропорциях. Химическая активность глины зависит как от типа глинистого минерала, так и от его содержания в глине. Зачастую, измерение ЕКО – более надежный способ определения химической активности глин по сравнению с минералогическим анализом на основе рентгенодифракционного исследования.