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

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

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

Таблица  7.12

Технологические свойства глин (СНГ)

*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

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

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.