Электролиты

Действие электролитов на буровые растворы связано с состоянием ионных оболочек, окружающих частицы твердой фазы. Толщина этих обо­лочек и их заряд зависят от концентрации ионов в жидкой фазе и от свойств этих ионов.

Эффект обработки электролитами определяется концентрацией добав­ляемых в раствор ионов и их свойствами — в первую очередь, валентно­стью. Наибольшее значение имеют катионы, хотя свойства анионов также сказываются на показателях буровых растворов.

Рассмотрим на примере кальцинированной соды влияние концентра­ции электролита на свойства глинистой суспензии. При увеличении кон­центрации Na2CO3 до 3 — 5 кг/м3 предельное статическое напряжение сдви­га и вязкость убывают до некоторого минимума. Это объясняется увеличе­нием сил отталкивания, затрудняющих слипание частиц и способствующих дальнейшему их распаду на более мелкие частицы. Уменьшение размера частиц и увеличение толщины гидрационного слоя обеспечивают повыше­ние плотности фильтрационной корки, значительное снижение водоотдачи и улучшение стабильности бурового раствора. Область, в которой повыше­ние концентрации реагента приводит к уменьшению вязкости, предельного статического напряжения сдвига и водоотдачи, называют областью стаби­лизации.

При дальнейшем добавлении электролита заряд и гидратация частиц начинают уменьшаться, в результате чего возрастают возможности слипа­ния частиц друг с другом. Вначале слипание происходит преимущественно по граням и углам частиц. При этом усиливаются тиксотропные свойства бурового раствора, повышаются вязкость и предельное статическое напря­жение сдвига. Этот интервал изменения концентрации электролита назы­вается областью структурообразования.

Наконец, при больших концентрациях электролита заряд ионного об­лака приближается к нулю, так как свободные отрицательные заряды по­верхностей частиц глины полностью насыщаются катионами из раствора; соответственно уменьшается гидратация частиц. При этом частицы глины слипаются друг с другом в любых положениях и образуют крупные агрега­ты, оседающие в растворе. Эта область высоких концентраций электролита называется областью коагуляции.


Для двух- и более валентных катионов область стабилизации отсутст­вует, и сравнительно небольшие концентрации электролитов вызывают коагуляцию системы.

При обработке буровых растворов электролитами происходит обмен катионов, находящихся на поверхности частиц глины и в дисперсионной среде.

Если при этом катионы, повышающие стабильность дисперсной сис­темы промывочной жидкости (например, Na+, Li+), замещают у поверхно­сти частиц глины катионы, ухудшающие стабильность системы (Н+, Са2+, А13+), то происходит стабилизация раствора. В противном случае происхо­дят структурообразование и коагуляция.

Влияние анионов на свойства буровых растворов проявляется сле­дующим образом. Они могут связывать катионы Н+ и повышать рН рас­твора, способствуя его стабилизации. Они могут связывать ионы Са+ и удалять их из раствора. Так, анион СО3" с Са2+ образует труднораствори­мое соединение — мел СаСО3.

На практике различное действие анионов легко заметить. Так, если NaOH и Na2CO3 дают ярко выраженную область стабилизации, то NaCl вызывает только структурообразование и коагуляцию.

Из электролитов для обработки буровых растворов чаще всего приме­няют кальцинированную и каустическую соду, жидкое стекло, поваренную соль, известь, цемент и фосфаты.

Кальцинированная сода (углекислый натрий) Na2CO3 — белый, мелко­кристаллический порошок плотностью 2,5 г/см3, доставляется на буровые в бумажных многослойных мешках массой до 50 кг. Кальцинированная сода плохо растворяется в холодной воде. С повышением температуры ее рас­творимость увеличивается. Na2CO3 — один из наиболее употребляемых реагентов. Этот реагент дает возможность получить пригодные для бурения промывочные жидкости из глин, которые без химической обработки не могут быть использованы. Такие кальциевые глины при обработке кальци­нированной содой переходят в хорошо набухаемые и легко диспергируе­мые натриевые.

Кальцинированная сода — одно из основных средств для смягчения жесткой воды (содержащей большое количество ионов кальция и магния). Она применяется для связывания ионов кальция в растворах, содержащих гипс, ангидрит, цемент.

Каустическая сода (едкий натр, каустик) NaOH поступает на буровые

в твердом виде в железных барабанах по 100 — 200 кг либо в виде тяжелой густой синеватого, иногда желтоватого цвета жидкости.

Как твердая, так и жидкая каустическая сода сильно впитывает пары воды, имеющиеся в воздухе. Поэтому ее всегда надо держать закрытой. Каустическая сода действует на показатели буровых растворов подобно кальцинированной. Однако она не обладает способностью удалять из рас­творов кальций.

Каустическая сода значительно дороже кальцинированной и как само­стоятельный реагент применяется мало. При бурении на естественных карбонатных растворах она служит для диспергации карбонатного шлама и перевода его в твердую фазу бурового раствора. Каустическая сода широко применяется как составная часть многих реагентов — защитных коллоидов.

Плотность твердой каустической соды 2,02 г/см3. Поэтому при получе­нии ее в жидком виде, определив плотность раствора, нетрудно подсчитать концентрацию.

Жидкое стекло (силикат натрия или калия). Общая химическая фор­мула щелочных силикатов имеет вид R2O-nSiO2, где R2O может быть Na2O или К2О; пчисло молекул кремнезема.

В бурении применяется силикат натрия, водный раствор которого представляет собой вязкую жидкость от светло-желтого до желто-корич­невого и серого цвета. Плотность жидкого стекла составляет 1,3—1,8 г/см3. Жидкое стекло следует хранить в закрытых емкостях, так как на воздухе оно разлагается с выделением нерастворимого осадка — аморфного крем­незема.

При добавлении жидкого стекла к буровым растворам в количестве до 3 — 5 % по массовой доле от объема его вязкость и предельное статическое напряжение сдвига значительно повышаются.

Жидкое стекло способствует росту рН системы, добавки его могут привести к росту значения рН до 12 и выше. Силикат натрия применяют при борьбе с поглощениями как для повышения вязкости, так и в качестве составной части быстросхватывающихся паст для закупоривания трещин и каверн.

Кроме того, на основе жидкого стекла приготовляют специальные си­ликатные буровые растворы. Силикатные растворы из жидкого стекла, во­ды, соли и бентонитовой глины применяют для предупреждения набухания и гидратации склонных к обвалам глинистых сланцев.

Поваренная соль (хлористый натрий) NaCl может быть использована для повышения структурно-механических свойств буровых растворов, об­работанных защитными коллоидами, в частности, углещелочным реагентом. Для повышения СНС поваренная соль применяется также при бурении на карбонатно-глинистых суспензиях.

Насыщенные растворы соли применяют при проходке пластов камен­ной соли, в которых вода или пресный буровой раствор, растворяя стенки скважины, образует каверны, а также в отложениях, представленных набу­хающими глинами.

Известь Са(ОН)2 используется для специальных целей обработки бу­ровых растворов как реагент-структурообразователь.

Добавление извести в количестве 3 — 5 % к объему раствора значи­тельно повышает его вязкость. Хорошие результаты получают при обра­ботке известью буровых растворов, потерявших восприимчивость к хими­ческим реагентам. Известь применяют также для получения кальциевых

растворов (совместно с каустической содой, танинами или лигносульфона-тами).

Цемент. Действие цемента на буровые растворы подобно влиянию из­вести; оно также связано с образованием ионов кальция. Цемент можно применять для повышения показателей вязкости и предельного напряже­ния сдвига. Случайное, не регламентированное попадание цемента в буро­вые растворы, так же как и извести, приводит к нежелательным результа­там: значительно увеличивается водоотдача, растет толщина фильтрацион­ной корки. Поэтому указанные электролиты должны использоваться весьма осторожно и только после тщательной лабораторной проверки.

Углекислый барий ВаСО3 представляет собой белый или светло-серый тяжелый порошок. Применяется для удаления из буровых растворов ионов Са2+ и SO4". С этими ионами он образует практически нерастворимый осадок BaSO4 и СаСО3.

Фосфаты. Различные соли фосфатной кислоты — гексаметафосфат натрия (NaPO3)6i тетрафосфат натрия Na6P4Oi3, пирофосфат натрия Na4?2O7 — применяют для понижения вязкости и предельного направления сдвига. Эти реагенты используются и для удаления ионов кальция. Фосфа­ты не обеспечивают длительного воздействия, они не термостойки и при температурах 80—100 °С теряют активность.

Обратите внимание:

Добавить комментарий