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 |
|
|
|
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.