Одним из основных компонентов большинства буровых растворов яв­ляется глина. Для бурения скважин используют бентонитовые, суббентони­товые, палыгорскитовые и каолинит-гидрослюдистые глины.

Бентониты состоят в основном из минералов монтмориллонитовой группы. Кристаллическая решетка — трехслойная (2:1). Пакеты образова­ны из алюмокислородного слоя октаэдрического (монтмориллонит, нонтро-нит, бейделлит) или триоктаэдрического (сапонит, гекторит) строения, за­ключенного между тетраэдрическими кремнекислородными слоями, вер­шины которых повернуты к внутреннему слою.

Верхние и нижние плоскости элементарных пакетов покрыты атомами кислорода, поэтому при их соприкосновении возникают лишь слабые Ван-дер-Ваальсовы силы. В связи с этим при смачивании глины молекулы воды или другой полярной жидкости легко проникают в межпакетное простран­ство, вызывая его увеличение с 0,96 до 2,14 нм. При этом происходит зна­чительный рост объема глины (набухание) и диспергирование ее до эле­ментарных частиц.

Частицы бентонитовой глины имеют чешуйчатое, пластинчатое строе­ние. Линейные размеры их находятся в пределах 0,01 —0,4 мкм и примерно в 10—100 раз превышают их толщину. Удельная поверхность 1 г
бентонита очень высока (табл. 7.10). Способность к набуханию обратима. Толщина водных слоев между пакетами зависит от природы обменных катионов.

Величина обменного комплекса у монтмориллонита составляет (80+150) 10~3 моль на 100 г сухой глины. Состав обменных катионов, адсор-

Таблица 7.10

Физико-химические характеристики глинистых минералов

Глинистые минера­лы	Объемная ем­кость, 10~3 моль/100 г	SiO2/R2O3	Эффективная удельная поверх­ность, м2/г	Теплота смачива­ния, кДж/г
Каолинит	3-15	2-3	20-80	2-13
Галлуазит	5-10	2-3	100-170	—
Иллит	10-40	3-4	400-500	42-55
Сепиолит,       атта-	20-30	2,1-2,5	800-1000	46-122
пульгит,   палыгор-
скит
Монтмориллонит	80-150	4-7	450-900	46-122
Вермикулит	100-150	4-7	—	105-126

бированных на плоскостях и гранях пакетов, может быть преимущественно представлен как Na+, K+, так и Са2+ и Мд2+. Двухвалентные катионы уве­личивают силу притяжения между пакетами, поэтому Са-бентонит хуже диспергируется и набухает. Наиболее целесообразно использовать бенто­ниты с высокой емкостью обмена с преимущественным содержанием Na+. Такие бентониты образуют суспензии с требуемыми структурно-реологическими свойствами при относительно низкой концентрации твер­дой фазы.

Палыгорскит (аттапульгит) — водный алюмосиликат магния, имею­щий слоисто-ленточное строение. Кристаллическая структура палыгорскита напоминает структуру амфибола и образует цеолитоподобные каналы раз­мером 0,64 — 0,37 нм. Обменная емкость палыгорскита невысока — (20-5-30) 10~3 моль на 100 г глины, что объясняется трудностью обмена ионов, прочно связанных с элементами структуры внутри цеолитоподобных кана­лов, на долю которых приходится значительная часть поверхности минера­ла. Частицы палыгорскита имеют игловидную форму: 1,1— 0,6, ширина 0,015 — 0,035, толщина 0,005 — 0,015 мкм. Межчастичное взаимодействие обусловлено механическим зацеплением игольчатых частиц. В связи с этим при производстве порошков необходимо стремиться сохранить игольчатую форму частиц.

Гидрослюды (гидромусковит или иллит) имеют структуру, подобную структуре монтмориллонита. Отличие состоит в большом числе изоморф­ных замещений. В иллите, например, два иона А13+
в октаэдрах могут за­мещаться двумя ионами Мд2+. Дефицит заряда, локализованный в кремне-кислородном слое вблизи поверхности элементарных пакетов, компенсиру­ется необменными катионами К+, размещенными в гексагональных ячей­ках межпакетного пространства. Большая фиксированность пакетов обу­словливает невозможность внедрения между ними полярных жидкостей, а следовательно, и набухания. Обменными являются только катионы, распо­ложенные на краях. Гидрослюдистые минералы преобладают во многих минеральных глинах, применяющихся в качестве местных материалов для буровых растворов.

Каолиниты имеют кристаллическую двухслойную (1:1) решетку без зарядов на поверхности. Элементарные пакеты состоят из слоя кремнекис-лородных тетраэдров и связанного с ним через общие атомы кислорода алюмокислородного слоя диоктаэдрического строения. Атомы кислорода и гидроксиды смежных кремне- и алюмокислородного слоев двух соприка­сающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади доволь­но прочно связаны водородной связью. Поэтому каолинит трудно диспер-

гируется, имеет малую емкость обмена и плохо набухает, так как катионы и вода не могут проникнуть в межпакетное пространство. Частицы каоли­нита — шестиугольные, несколько вытянутые пластинки. Максимальный поперечный размер их 0,3 — 4, толщина 0,05 — 2 мкм.

Широко распространены глины смешанных типов, например гидро­слюды с монтмориллонитом и каолинитом. Коллоидно-химическая актив­ность таких глин (емкость обмена, набухание и др.) зависит от содержания в них монтмориллонита. Основной показатель качества (сортности) глин — выход раствора — количество кубических метров глинистой суспензии с заданной вязкостью и содержанием песка, полученное из 1 т глины. Тех­нические требования к глинам для приготовления глинопорошков и буро­вых растворов регламентируются ТУ 39-044 — 74 (табл. 7.11).

Недостаток существующих технических условий — отсутствие огра­ничений снизу на показатели выхода раствора (4-й сорт), что в принципе позволяет использовать любую низкосортную глину. Техническими усло­виями определяются также методы контроля, правила приемки, транспор­тирования и хранения глин и гарантийные обязательства поставщика.

Технологические свойства различных глин СНГ и США приведены со­ответственно в табл. 7.12 и 7.13.

Все глины по коллоидным свойствам делятся на три группы.

1.  Высококоллоидные бентонитовые глины: саригюхский и черкасский
бентониты  1-го  сорта.  Эти глины создают хорошие структурированные
суспензии при объемной концентрации 3 —4 %, что соответствует выходу
раствора более 10 м3/т.

2.   Глины  средней  коллоидности   —   огланлинский,  черкасский   (2-й
сорт), саригюхский (2-й и 3-й сорта) бентониты, обеспечивающие выход
раствора 10 — 4 м3/т.

3.  Низкоколлоидные глины (дружковская, куганакская, нефтеабадская,
биклянская), дающие выход раствора менее 4 м3/т. Они характеризуются
высоким объемным содержанием твердой фазы в суспензии (14 — 22 %) и
высокой плотностью (1,22—1,35 г/см3).

Для ускорения приготовления буровых растворов используют глины в виде порошков.

Глинопорошок представляет собой высушенную и измельченную при­родную (или с добавкой химических реагентов) глину. Для приготовления буровых растворов применяют глинопорошки из бентонитовых, палыгор-скитовых и гидрослюдистых глин. В процессе производства возможно по­вышение качества глинопорошков путем обработки глин различными реа­гентами во время помола. Лучшие качества бентонитовых глинопорошков,

Таблица  7.11

Показатели качества глин по техническим условиям

 

Показатели	Норма при вязкости 25 с по ПВ-5
Сорт
1	2	3	4
Выход раствора, м3/т, не менее Плотность раствора,   103 кг/м3,  не более Содержание песка, %, не более	10 1,06 6	8 1,08 7	6 1,10 7	>6 >1,11 8

Примечание. Сырье для получения палыгорскитового порошка должно удовлетво­рять требованиям 1-го сорта.

Таблица  7.12

Технологические свойства глин (СНГ)

 

		Состав обменных
		катионов, 10–3 ìîëü/100 ã				Показатели растворов	при вязкости 25 с	по ПВ-5
	Общая обменная			Коэффи­циент	Выход							Объем­ное со-
Глина	емкость, * л —3			коллои-	рас 1 вора ИЗ 1 ò							держа-
	10 моль/100 г	Са + Мд	Na + K	дально­сти К*	ГЛИНЫ, М3	ρ, ã/ñì3	Φ, ñì3/30 ìèí	сне,, дПа	СНС,„, дПа	■Ппд, мПас	то, дПа	ние твердой
												суспен-
												çèè, %
Саригюхский
бентонит:
1-й сорт	85,49	32,89	43,88	0,85	040,60	1,04	И	14,0	56,80	40,60	603,00	3,00
2-й сорт	73,20	—	—	—	10,5	1,06	12	16,23	45,52	12,0	48,0	4,60
3-й сорт	69,80	—	—	—	7,9	1,08	13	—	18,32	12,6	24,90	5,50
Черкасский    бен-
тонит:
1-й сорт	71,54	68,50	3,04	0,89	11,7	1,05	15	94,67	112,94	9,5	42,20	3,41
2-й сорт	68,16	—	—	—	9,8	1,07	14	51,92	85,51	11,5	51,48	4,08
Огланлинский	76,43	—	—	—	10,6	1,05	24	33,38	38,70	17,5	23,40	3,85
бентонит
Дружковская	29,30	9,30	19,90	0,2	3,4	1,22	53	31,54	33,77	9,5	79,56	12,87
Куганакская    (та-	31,80	131,3713	18,35	0,39	2,9	1,3	30	137,437	137,43	7,0	86,92	15,50
лалаевская)
Нефтеабадская	24,08	18,80	5,84	0,20	2,0	1,35	33	48,87	54,97	12,0	118,56	23,3
Палыгорскит	29,80	—	—	—	3,48	1,18	19	155,75	161,86	9,0	358,8	12,87
Биклянская	26,82	—	—	—	2,24	1,28	58	33,59	36,65	6,0	122,60	20,80

*К — отношение величины адсорбции метиленовой сини 1 г глины к величине адсорбции 1 г коллоидных частей бентонита.

Таблица  7.13

Технологические свойства различных глин США, испытанных по методике АНИ

 

Глины	Выход раствора, м3/т	Показатель фильтрации, см3 при вязкости 15-10–3 Пас	рН
Гекторит (Калифорния) Na-монтмориллонит   (Вайо­минг) Са-монтмориллонит   (Кали­форния) Са-монтмориллонит (Техас) Иллит (Иллинойс) Каолинит (Джорджия) Аттапульгит (Джорджия) Галлуазит (Колорадо)	25,4 19,9 11,3 2,9 2,1 2,2 16,7 2,7	7,0 11,0 15,0 11,0 57,0 190,0 105,0 35,0	8,6 8,2 8,7 7,5 7,4 7,0 7,1 7,7

например, получают при введении Na2CO3 и акриловых полимеров (М-14, метас).

Эффект модификации выражается в повышении вязкости глинистой суспензии за счет дополнительного диспергирования глины, увеличения объема связанной воды и вязкости дисперсионной среды и усиления геле-образования. Добавки Na2CO3 необходимы для перевода бентонита в Na-форму, которая лучше диспергируется в воде, вследствие чего увеличива­ются активная поверхность бентонита и количество адсорбированного по­лимера, качественно изменяющее характер взаимодействия между контак­тирующими частицами. Такая обработка позволяет повысить выход рас­твора из бентонита с 10 до 18 — 20 м3/т и более.

В соответствии с техническими условиями основным показателем ка­чества (сортности) глинопорошка так же, как и глин, является выход рас­твора (òàáë. 7.14).

Основной показатель качества палыгорскитового порошка — способ­ность его образовывать в насыщенном растворе NaCl устойчивую суспен­зию. Устойчивость суспензии характеризуется величиной отстоя. Показа­тели качества палыгорскитовых порошков приведены ниже.

Âëàæíîñòü, %, íå áîëåå………………………………………………………………………………….. 25

Тонкость помола — остаток на сите № 020К, %, не более…………………………….. 10

Отстой 7%-ной суспензии, содержащей 25 % соли (NaCl) на жидкую фа­
çó, çà 2 ÷, %, íå áîëåå……………………………………………………………………………………. 2

Содержание ïåñêà ÷åðåç 1 ìèí, %, íå áîëåå………………………………………..     1

Таблица  7.14

Показатели качества глинопорошков

 

Показатели	Норма при вязкости 25 с по ПВ-5
Сорт
Высший	1	2	3	4
Плотность   раствора,   103   кг/м3, не более Выход раствора, м3/т, не менее Содержание песка, %, не более	1,043 15 6	1,053 12 6	1,073 9 7	1,100 6 7	>1,100 <6 8

Примечения: 1. Высший и частично первый сорт получают модифицированием глин ЫагСОз и метасом (или М-14) при помоле. 2. Влажность 6—10 %. 3. Остаток на сите по результатам ситового анализа суспензии с сеткой № 0,5 отсутствует, с сеткой № 0075 не бо­лее 10 %.

Требования к качеству бентонитовых порошков, регламентируемые стандартом АНИ, соответствуют получению 17,5 м3
суспензии (21 г
бенто­нита в 350 см3 дистиллированной воды) с эффективной вязкостью 15-10"3
Па-с (при градиенте скорости 1022 с"1) из 1 т глинопорошка. Эти требования представлены ниже.

Предельное динамическое сопротивление сдвигу, Па………………………    1,47

Показатель ôèëüòðàöèè, ñì3………………………………………………………………………………………………      14

Остаток íà ñèòå ¹ 200 (74,36-74,36 ìêì), %…………………………………………    2,5

Содержание влаги после отправки с места изготовления, %……………..    12

Глины и глинопорошки применяют при бурении в качестве: коркооб-разующей и структурообразующей основы для приготовления буровых растворов различных типов; одного из компонентов для приготовления бы-стросхватывающихся смесей (БСС) и гельцементных паст для борьбы с по­глощениями бурового раствора; для приготовления облегченных цементных растворов. В настоящее время комовые местные глины для приготовления буровых растворов используются ограниченно. Каолинитовые глины в чис­том виде для этих целей вообще не применяются.

Глинопорошки имеют следующие преимущества по сравнению с ко­мовыми глинами:

диспергирование (набухание) мелких частиц происходит быстрее и полнее, чем крупных, в связи с чем на приготовление бурового раствора из глинопорошка требуется меньше времени и раствор получается более вы­сокого качества;

транспортировка глинопорошков, особенно на большие расстояния, обходится дешевле;

применение глинопорошков позволяет механизировать и автоматизи­ровать процесс приготовления раствора.

Технически и экономически более выгодно использовать бентонито­вые глинопорошки, дающие большой выход раствора из 1 т, так как они позволяют облегчить и ускорить приготовление бурового раствора, снизить затраты на транспортировку, приготовление и регулирование свойств рас­твора и получить растворы высокого качества с низким содержанием твер­дой фазы, обеспечивающие более высокие технико-экономические показа­тели бурения.

Глинопорошки с низким выходом раствора обычно требуются, когда необходимо получить большую плотность и пренебречь вязкостью и кор-кообразующими свойствами раствора. Однако использование низкокол­лоидных глинопорошков связано с высоким расходом как глинопорошка, так и химических реагентов и большими затратами времени на приготов­ление растворов. Из низкоколлоидных глинопорошков получаются раство­ры с недопустимо высоким содержанием твердой фазы. Область примене­ния палыгорскитового порошка обусловлена способностью его одинаково хорошо диспергироваться как в пресной, так и в соленой (до насыщения) воде. Основное его назначение — структурообразующий компонент для соленасыщенных буровых растворов.

Для палыгорскитовой глины характерна замедленная пептизация. Форсирование ее механическим диспергированием приводит к поврежде­нию волокон. Поэтому более целесообразна предварительная гидратация палыгорскита в емкости с последующим диспергированием в воде путем предварительного перемешивания.