Для снижения интенсивности перехода выбуренной породы в глинистый раствор, повышения устойчивости стенок скважины используют так называемые ингибирующие растворы, в состав которых входит неорганический электролит или полиэлектролит. Снижение размокаемости и диспергирования выбуренных шламов достигается в результате:
а) ввода в суспензию электролита, содержащего поливалентный кати
он (гипс, хлорид кальция);
б) добавки солей поливалентных металлов, переводящих растворы в
гидроокиси;
г) обработки высокощелочными соединениями, увеличивающими гли-
ноемкость буровых растворов;
д) использования модифицированных лигносульфонатов;
е) обработки раствора полимерными соединениями.
В практике бурения скважин при разбуривании глинистых пород для уменьшения числа осложнений, связанных с загустеванием раствора, саль-никообразованиями и нарушениями целостности ствола скважины, нередко используют высокощелочные глинистые и безглинистые растворы с рН = 11+13. К ним относят растворы, обработанные лигносульфонатами в сочетании с едким натром, известковые, алюминатные, безглинистые, солестойкие.
Все высокощелочные системы ограниченно термостойки, и чем выше коллоидность разбуриваемых пород, тем ниже термостойкость раствора.
Химические реагенты-стабилизаторы в высокощелочной среде работают хуже.
Алюминатные растворы — это буровые глинистые промывочные растворы из кальциевой глины, которые содержат ингибирующую добавку — высокощелочной алюминат натрия, стабилизированный лигносульфона-тами.
Алюминатные растворы бывают пресными и соленасыщенными. Пресные используют для разбуривания глинистых отложений в условиях невысоких (до 100 °С) забойных температур. В качестве реагента-стабилизатора используют только ССБ, применяемую совместно с алюминатом натрия. Алюминатные глинистые растворы (АлГР) обладают устойчивостью в широком диапазоне хлорнатриевой минерализации и небольшими показателями фильтрации.
Для приготовления алюминатного глинистого раствора используют черкасский немодифицированный бентонит или другую кальциевую глину. Преимущество АлГР, приготовленного из кальциевых глин, по сравнению с раствором из натриевых глин следующее: при равном расходе реагентов он имеет меньшие значения показателя фильтрации, вязкости и СНС.
Порядок приготовления АлГР следующий: в воду, содержащую необходимое количество ССБ, добавляют глину и вводят алюминат натрия. В связи с недостаточным выпуском алюмината натрия возможна его замена алюминатом кальция, в качестве которого используют глиноземистый (или гипсоглиноземистый) цемент.
На приготовление 1 м3 АлГР требуется (в кг): глины 500 — 700, воды 765-540, ССБ (50%-ной концентрации) 30-150, NaAlO2 (30%-ной концентрации) 5 — 30. Плотность получаемого раствора 1,3—1,5 г/см3.
После приготовления раствор следует выдержать не менее суток. Так как плотность алюминатного раствора доходит до 1,5 г/см3, во многих случаях его можно использовать без утяжелителя. Однако приготовить алю-минатный раствор плотностью 1,04—1,08 г/см3
невозможно.
Пенообразование у растворов, содержащих лигносульфонаты, уменьшается с увеличением добавок алюмината натрия и содержания глинистой фазы. Для предотвращения ценообразования в раствор вводят пеногасите-ли (производные жирных кислот, PC, ПЭС, трибутилфосфат и др.).
Известковые растворы с высоким рН — это сложные многокомпонентные системы, включающие кроме глины и воды четыре обязательных реагента: известь, каустик, понизитель вязкости, защитный коллоид. В их состав также могут входить нефть или дизельное топливо, утяжелитель и различные добавки специального назначения.
Известковые растворы используют при разбуривании высококоллоидных глинистых пород и аргиллитов. В результате применения известковых растворов повышается их глиноемкость, снижаются пептизация выбуренной глины, набухание и вспучивание сланцев, слагающих стенки скважины, уменьшается опасность прихватов.
В отличие от алюминатных известковые растворы — ограниченной со-лестойкости (до 5 % по NaCl).
Основной недостаток известковых растворов — невысокая термостойкость (100-120 °Ñ).
На приготовление 1 м3 известкового раствора (в пересчете на сухое
вещество) требуется (в кг): глины 80—120, УЩР 5—10, лигносульфоната 50 — 30, каустика 5 — 3, воды 913 — 915, утяжелителя — до получения раствора требуемой плотности.
Снижение фильтрации достигается добавками 1—3 кг/м3 КМЦ (или гипана) или 20 — 30 кг/м3 КССБ-4.
Значения показателей растворов могут изменяться в широких пределах: плотность 1,08 — 2,2 г/см3, условная вязкость 18 — 30 с, показатель фильтрации 4 — 8 см3/30 мин, CHCi = 6+24 дПа, рН = 11+12,5. Содержание извести в растворе должно составлять 3 — 5 г/л, содержание ионов кальция в фильтрате раствора — 100 — 300 мг/л.
Для приготовления известкового глинистого раствора глинопорошок необходимо предварительно продиспергировать в пресной воде с добавкой УЩР, влить воду, щелочной раствор лигносульфоната (ССБ, окзил или др.) и ввести известь в виде пушенки или известкового молока. Для приготовления известкового раствора можно использовать пресный раствор.
Для перевода раствора в известковый основное значение имеют концентрация глинистой фазы и ее коллоидность. Известкование осуществляется в следующем порядке: при наличии в растворе высококоллоидных глинистых минералов сначала вводят щелочной раствор лигносульфоната (2 — 5 %) и при необходимости — воду. После получения вязкости 25 — 30 с (по ПВ-5) раствор обрабатывают известью (0,5 — 1 %) в сочетании с щелочным раствором лигносульфоната (2 — 3 %). Если после известкования показатель фильтрации повышается, то вводят 0,1— 0,3 % КМЦ, 1 — 3 % КССБ или другие добавки.
Известковые растворы применяют до температуры 100— 120 °С.
Безглинистые солестойкие растворы (БСК) состоят из бурого угля, каустической соды, воды и гидроксида поливалентного металла; применяются при проводке скважин, осложненных наличием хемогенных отложений, осыпающихся и склонных к обвалам терригенных пород.
Крепящее действие основано на образовании в определенных температурных условиях нерастворимых в воде цементирующих веществ — гидросиликатов и гидроалюминатов двухвалентных металлов. При отсутствии двухвалентных катионов в буровом растворе и разбуриваемых породах происходит только химическое разрушение щелочью глинистых минералов без связывания продуктов разрушения в нерастворимые соединения. При отсутствии каустической соды и наличии только ионов кальция буровой раствор превращается в разновидность кальциевого раствора.
Крепящий эффект раствора БСК лучше проявляется при достаточно высокой концентрации каустической соды (не менее 0,2 %) и избытке в жидкости нерастворенного гидроксида двухвалентного металла — Са(ОН)2, Ва(ОН)2 и др.
Недостатки этих растворов — низкая термостойкость и высокая щелочность. Так как при использовании данного раствора не исключен переход в него выбуренной породы, то возможно сильное загустевание и даже затвердение раствора.
Основные материалы для приготовления раствора БСК — бурый уголь или торф, каустическая сода и гидроксид двухвалентного металла. В начальной стадии приготовления необходимы повышенные концентрации каустической соды при насыщении системы гидроксидом кальция и некотором его избытке. Количество бурового угля при приготовлении жидкости может меняться в зависимости от того, заменяется ли система глинистого
раствора полностью или используется часть глинистого раствора, находящегося в скважине.
Для приготовления 1 м3 БСК требуется (в кг): бурового угля 300 — 400, каустической соды 15 — 20, известкового молока (плотностью 1,1 — 1,12 г/см3) 90—100, воды 750 — 700. При использовании части глинистого раствора на 1 м3 расходуется 50—150 кг бурового угля, 10 — 15 каустической соды, 15 — 45 л известкового молока.
Вязкость БСК зависит от количества введенного бурового угля. Вследствие высокой щелочности (рН = 13+14) раствор термостоек до 100 °С.
Кальциевые растворы — ингибирующие глинистые промывочные растворы, содержащие кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов-понизителей вязкости, фильтрации и регуляторов щелочности специальные вещества — носители ионов кальция.
Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.
Известковый раствор с низким рН — кальциевый буровой раствор, содержащий в качестве ингибитора-носителя ионов кальция гидроксид кальция, более высокая растворимость которого обеспечивается пониженным значением рН раствора (9 — 9,5), предназначен для разбуривания глинистых отложений; термостоек до 160 °С.
В процессе бурения контролируют содержание кальция в фильтрате, содержание извести в растворе и рН раствора.
На приготовление 1 м3
известкового раствора с низким рН требуется (в кг): глины 80 — 200, лигносульфонатного реагента 20 — 30, пеногасителя 3, полимерного реагента 5—10, воды 915 — 867, известкового молока (плотностью 1,10—1,12 г/см3) 3 — 6, утяжелителя — до получения раствора необходимой плотности.
Технологические показатели могут изменяться в широких пределах: плотность 1,04 — 2,2 г/см3, условная вязкость 25 — 40 с, показатель фильтрации 4-8 см3/мин, CHCi = 12+60 дПа, СНСю = 30+90 дПа, рН = 8,5+9,5.
Основные характеристики раствора следующие: содержание извести должно поддерживаться в пределах от 0,5 до 1 г/л, содержание ионов кальция в фильтрате — 500 — 600 мг/л.
Гипсоизвестковый раствор — ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве носителя ионов кальция гипс и гидроксид кальция.
Добавка гипса (алебастра) в раствор составляет 20 — 25 кг/м3. Содержание растворимого кальция зависит от качества гипса, используемых лигносульфонатов, рН бурового раствора и может быть в пределах от 700 до 3000 ìã/ë.
Гипсовые растворы предназначены для разбуривания высококоллоидных глинистых пород в условиях высоких забойных температур (до 160 °С).
На приготовление 1 м3
гипсоизвесткового раствора необходимо (в кг): глины 80-200, воды 950-900, окзила (или ФХЛС) 5-10, Са(ОН)2 (или КОН) — 2-3, КМЦ 3-5, Na2Cr2O7 (или К2Сг2О7) 0,5-1, гипса (или алебастра) 15 — 20, пеногасителя 3 — 5, утяжелителя — до получения раствора необходимой плотности.
Показатели раствора: плотность 1,04 — 2,2 г/см3, условная вязкость 25 — 40 с, показатель фильтрации 3 — 6 см3/30 мин, CHCi = 12+60 дПа, СНСю = = 30÷90 äÏà, ðÍ = 8,5÷9,5.
Хлоркальциевый раствор (ХКР) — ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция.
Установлено, что оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3000 — 5000 мг/л. Хлоркаль-циевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Присутствие в фильтрате бурового раствора ионов кальция способствует значительному сокращению осыпей и обвалов при разбуривании неустойчивых аргиллитоподобных отложений.
Из-за отсутствия эффективных кальциестойких реагентов термостойкость раствора ограничена (100 °С).
В процессе бурения контролируют содержание кальция в фильтрате и общую минерализацию.
Готовят глинистую суспензию на пресной воде, которую обрабатывают КМЦ и КССБ. Одновременно с КССБ в раствор добавляют пеногаси-тель. После получения оптимальных показателей (вязкость 25 — 30 с, CHCi = 12+24 дПа, СНСШ = 30+60 дПа, показатель фильтрации 3-5 см3/30 мин) раствор обрабатывают хлоридом кальция и известью.
На приготовление 1 м3 раствора требуется (в кг): глины 80 — 200, КССБ 5-70, ÊÌÖ (èëè êðàõìàëà) 10-20, CaCl2
10-20, Ñà(ÎÍ)2 3-5, NaOH 3-5, воды 920 — 870, пеногасителя 5—10.
Калиевые растворы содержат в качестве ингибирующих электролитов соединения калия. Действие калиевых растворов обусловлено насыщением ионами калия глинистых минералов. Наиболее быстрое насыщение глин ионами калия происходит при рН = 9+10.
Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчивых глинистых сланцев. Существует ряд разновидностей калиевых растворов, различающихся составом и некоторыми свойствами.
Хлоркалиевые растворы содержат в качестве ингибирующего электролита хлорид калия, а в качестве регулятора щелочности — гидроксид калия. Раствор предназначен для эффективного повышения устойчивости стенок скважины при бурении в неустойчивых глинистых сланцах различного состава.
На приготовление 1 м3 хлоркалиевого раствора требуется (в кг): глины 50-100, КС1 30-50, полимера (КМЦ, М-14, метас, крахмал) 5-10, КССБ 30 — 50, КОН 5—10, пеногасителя 2 — 3, воды 940 — 920, утяжелителя — до получения раствора необходимой плотности.
Показатели раствора: плотность 1,08 — 2 г/см3, условная вязкость 25 — 40 с, показатель фильтрации 4 — 8 см3/30 мин, CHCi = 12+60 дПа, СНСю = = 36÷120 äÏà, ðÍ = 9÷9,5.
Основной показатель качества — содержание хлорида калия в фильтрате, которое в большинстве случаев должно иметь значения от 30 до 70 г/л, однако в зависимости от условий бурения может быть увеличено до 150 ã/ë.
Калиево-гипсовый раствор содержит в качестве ингибирующих электролитов соединения калия и кальция, в частности гипс. В отличие от хлоркальциевого такой раствор менее подвержен коагуляционному загус-теванию, его ингибирующее действие сильнее.
Калиево-гипсовые растворы используют для разбуривания высококоллоидальных глин, когда хлоркалиевый раствор недостаточно эффективен. Термостойкость зависит от используемого защитного реагента, но не превышает 160 °Ñ.
На приготовление 1 м3
калиево-гипсового раствора требуется (в кг): глины 60-150, окзила (КССБ-4) 30-50, КМЦ (крахмала) 5-10, КС1 10-30, КОН 5-10, гипса (CaSO4) 10-15, пеногасителя 2-3, воды 930-890, утяжелителя — до получения раствора необходимой плотности.
Показатели раствора: плотность 1,08 — 2,2 г/см3, условная вязкость 20 — 30 с, показатель фильтрации 4 — 8 см3/30 мин, CHCt = 6+36 дПа, СНСю = = 12÷72 äÏà, ðÍ = 8÷9.
Основные показатели качества, определяющие назначение раствора, — содержание хлорида калия в фильтре (30 — 70 г/л) и ионов кальция (1000-1200 ìã/ë).
Растворы, обработанные солями трехвалентных металлов. С увеличением валентности обменных катионов снижаются гидратация и набухае-мость глинистых сланцев, повышается их устойчивость.
Ионы алюминия, хрома и железа адсорбируются на глинистых минералах более прочными связями, чем другие обменные катионы, при этом общая обменная емкость глинистых минералов снижается. Однако все названные выше катионы существуют только в кислой среде (рН < 4). При повышении щелочности соли алюминия, хрома и железа переходят в нерастворимые в воде гидроксиды соответствующих металлов.
Буровые растворы имеют рН = 7, поэтому добавляемые в раствор соли переходят в гидроксиды, а при высоких значениях рН — в растворимые соединения, в которых трехвалентные металлы находятся в виде анионов.
Алюминизированныи раствор содержит в качестве ингибирующеи добавки соли алюминия, переходящие в растворе в гидроксид алюминия. Термостойкость раствора достигает 200 °С и выше.
Для приготовления раствора используют высококоллоидальную и комовую глины, сернокислый или хлористый алюминий, гидроксид натрия. В качестве разжижителя применяют модифицированные хромлигносульфо-наты (окзил, ОССБ и др.). Снижение фильтрации достигается вводом полимерного реагента — КМЦ, метаса, М-14, гипана и др.
На приготовление 1 м3 такого раствора требуется (в кг): глины 60— 150, соли алюминия 3 — 5, КМЦ (или метас, М-14, гипан) 3 — 5, NaOH 1—3, хромпика 0,5—1, воды 970 — 935, окзила 10 — 30, утяжелителя — до получения раствора требуемой плотности.
Оптимальные значения рН бурового раствора, обработанного солями алюминия, находятся в пределах от 8,5 до 9,5.
Алюмокалиевыи раствор содержит в качестве ингибирующеи добавки алюмокалиевые квасцы и гидроксид калия; рН таких растворов поддерживается близким к нейтральному. Ингибирующее действие этого раствора выше, чем алюминизированного. Он может использоваться и для разбури-вания увлажненных глинистых отложений.
Раствор готовят аналогично алюминизированному. В качестве ингибирующеи добавки вводят алюмокалиевые квасцы, гидроксид калия, бихро-мат калия.
На приготовление 1 м3 раствора требуется (в кг): глины 60—150, KAl(SO4)2 3-5, KOH 1-3, K2Cr2O7
0,3-0,5, âîäû 960-920, îêçèëà 20-30, метаса (или М-14) 3 — 5, утяжелителя — до получения раствора требуемой плотности.
Силикатные растворы содержат в качестве ингибирующеи добавки силикат натрия. Они применяются для повышения устойчивости ствола скважины при разбуривании осыпающихся пород. Принцип упрочнения
сланцев основан на легком проникновении жидкого стекла в трещины и поры стенок скважины и быстром выделении геля кремниевой кислоты, цементирующей поверхность ствола.
Растворы не пригодны при разбуривании мощных отложений гипсов и ангидритов.
Силикатный раствор готовят из предварительно гидратированного в пресной воде глинопорошка, в который вводят У1ЦР, КМЦ, силикат натрия.
Для приготовления 1 м3 силикатного раствора требуется (в кг): глины 80-100, âîäû 935-900, ÓÙÐ 30-50, Na2SiO3 20-40, ÊÌÖ (èëè Ì-14) 5-10, утяжелителя — до получения раствора требуемой плотности.
Показатели раствора: плотность 1,05 — 2 г/см3, условная вязкость 20 — 40 с, показатель фильтрации 4 — 8 см3/30 мин; CHCt = 9+45 дПа, рН = = 8,5+9,5. Оптимальное значение рН, при котором раствор считается термостойким, находится в диапазоне 8,5 — 9,5. Повышение структурно-механических характеристик достигается вводом пасты, приготовленной из бентонитового глинопорошка с добавкой УЩР.
Гидрофобизирующие растворы содержат в качестве ингибирующих добавок вещества, вызывающие гидрофобизацию глинистых пород, крем-нийорганические соединения или соли высших жирных или нафтеновых кислот. Эти соединения адсорбируются на глинистых минералах, создавая гидрофобный барьер, препятствующий контактированию глин с дисперсионной средой (водой).
Существует ряд разновидностей растворов гидрофобизирующего действия.
Растворы с кремнийорганическими соединениями содержат в качестве ингибирующей добавки кремнийорганические соединения (например, ÃÊÆ-10, ÃÊÆ-11).
В состав раствора кроме ГКЖ входят вода, глина и полимерный реагент — понизитель фильтрации, в качестве которого используют КМЦ, КССБ; ПАА и др. Защитные реагенты КМЦ, КССБ, полиакриламид в сочетании с кремнийорганической жидкостью проявляют высокое стабилизирующее действие на коллоидную фазу бурового раствора. Растворы, обработанные защитными реагентами и ГКЖ, являются термостойкими.
Раствор готовят непосредственно в процессе бурения при циркуляции технической воды через скважину. При использовании ПАА предварительно, за 1—2 сут до начала бурения, готовят комплексный реагент, в котором ПАА и ГКЖ берут в соотношении 1:20 (в пересчете на 6%-ный ПАА марки АМФ это составляет 1:6, а на товарный ПАА: ГС — 1:10).
Состав реагента (в кг): ПАА (в пересчете на сухое вещество) 2 — 3, кремнийорганическая жидкость (ГКЖ-10, ГКЖ-11) 40-60, вода 958-937.
Для приготовления реагента в расчетное количество воды добавляют ГКЖ и полученную смесь перемешивают до однородного состояния.
При использовании ГКЖ в сочетании с КМЦ или КССБ раствор обрабатывают путем раздельного ввода реагентов. Вначале в воду добавляют 0,3 — 0,35 % ГКЖ, а затем по мере обогащения воды глинистой фазой раствор стабилизируют КМЦ или КССБ.
Свойства раствора: плотность 1 — 1,24 г/см3, вязкость 25 — 30 с, показатель фильтрации 5-8 см3/30 мин, CHQ = 12+60 дПа, СНСю = 27+90 дПа, рН = 8÷9.
Раствор, обработанный мылами жирных кислот, содержит в качестве добавок алюминиевые мыла высших жирных и нафтеновых кислот, обес-
печивающих ингибирование и гидрофобизацию. При взаимодействии щелочных мыл с катионами трехвалентных металлов (железа, алюминия) образуются нерастворимые в воде, но химически активные мыла, которые в зависимости от рН среды могут быть одно-, двух- и трехзамещенные.
Готовят раствор из предварительно гидратированного в пресной воде глинопорошка. Полученную суспензию обрабатывают полимерным реагентом, вводя смесь нафтената алюминия с нефтью.
Для приготовления 1 м3 глинистого раствора требуется (в кг): глины 30 — 80, полимерного реагента (КМЦ, глина, метас, М-14) 3 — 5, ОП-10 10 — 7 (при необходимости утяжеления), воды 875 — 888, смеси СНАН (мылонафт, квасцы, нефть в соотношениях 2:0, 6:1) 100 — 70.
Свойства раствора: плотность 1,06—1,18 г/см3, вязкость 18 — 20 с, показатель фильтрации 3-5 см3/30 мин, CHCi = 6+18 дПа, СНСю = 12+24 дПа, рН = 8÷9.
