Буровые растворы на водной основе

Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения тех или иных качественных показателей, но основное ее назначение – стабилизация бурового раствора как дисперсной системы либо изменение физико-механических свойств этой системы. Эти две задачи взаимосвязаны. Стабилизация означает приведение в устойчивое состояние.

Сущность  процесса стабилизации – предотвращение укрупнения твердой фазы за счет гидрофильности частиц, адсорбционной защитной пленки и соответствующего заряда оболочек. Образование гидратных оболочек и увеличение их размеров при обработке реагентами приводит к уменьшению содержания свободной воды и соответственно к увеличению количества связанной воды. Адсорбционные пленки препятствуют укрупнению и обладают гидрофильностью. Процесс стабилизации обычно сопровождается пептизацией раствора, т.е. разъединением агрегатов частичек твердой фазы на более мелкие, что повышает плотность и прочность фильтрационной корки. Оба эти фактора — стабилизация и пептизация бурового раствора — обеспечивают снижение водоотдачи. Повышение количества связанной воды, увеличение числа дисперсных частиц в твердой фазе несколько повышают вязкость и СНС.

Хромглиносульфонатные растворы 

      Хромглиносульфонатные растворы – буровые глинистые  растворы, стабилизированные хромглиносульфонатными (феррохромглиносульфонатными) реагентами (окзил, ФХЛС, КССБ-4), или указанными реагентами в сочетании с полимерами (КМЦ, М-14, метас, гипан). Эти растворы предназначены для разбуривания глинистых и аргиллитоподобных пород при высоких забойных температурах на большой глубине. Они отличаются более высокой устойчивостью к загущающему действию глин и более высокой термостойкостью (до 180⁰ С).

   Наибольший  разжижающий эффект достигается  при pH бурового раствора 9-10.

На приготовление 1 м³ раствора на основе хромглиносульфонатных реагентов (в пересчете на сухое вещество) необходимо (в кг): глины 80-200, окзила (или ФХЛС) 10-20, КССБ-4 40-30, NaOH 2-5, Na₂Cr₂O₇ 0,5-1, пеногасителя 3-5, воды 940-900, утежелителя – до получения требуемой плотности.

   Показатели раствора: плотность 1,06 - 2,2 г/cm³, условная вязкость 18 - 40 с, показатель фильтрации 4 - 10 cm³/30 мин, СНС₁=6÷45 дПА, СНС₁₀=12÷90 дПА, pH=9÷10.

   Для приготовления 1 м³ хромглиносульфонатного раствора, в состав которого входят полимерные реагенты, в пересчете на сухие вещества необходимо (в кг): глины 40-100, NaOH 3-5, полимерного реагента (КМЦ, М-14, метас и др.) 3-5, окзила 30-50, хроматов 0,5-1, воды 965-925, утежелителя – до получения раствора необходимой плотности. Показатели  такого раствора: плотность 1,03 – 2,2 г/cm³, условная вязкость 25-60 с, показатель фильтрации 3-6 cm³/30 мин, СНС₁=18÷60 дПА, pH=8÷9.

В качестве основы для хромглиносульфонатного раствора могут быть использованы глинистая  суспензия, приготовленная из предварительно гидратированной и диспергированной глины, или ранее применявшийся раствор.

   В хромглиносульфонатный, как и лигносульфонатный, можно перевести любой пресный  раствор. Регулирование показателей  хромглиносульфонатного раствора аналогично лигносульфонатному. Показатель фильтрации регулируется добавками полимерного реагента (0,5-1 кг реагента на 1 м³  бурового раствора). 

Гипсоизвестковый  раствор 

      Гипсоизвестковый  раствор – ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве носителя ионов гипс и гидроксид кальция.

Добавка гипса (алебастра) в раствор составляет 20 – 25 кг/ м³. Содержимое растворимого кальция зависит от качества гипса, используемых лигносульфонатов, pH бурового раствора и может быть в пределах 700 – 3000 мг/л.

   Гипсовые  растворы предназначены для разбуривания высококоллоидных глинистых пород в условиях высоких забойных температур (160⁰ С), на большой глубине.

На приготовление  1 м³ гипсоизвесткового раствора необходимо (в кг): глины 80-200, воды 950-900, окзила (или ФХЛС) 5-10, КОН 2-3, КМЦ 3-5, Na₂Cr₂O₇ 0,5-1, гипса (или алебастра) 15-20, пеногасителя 3-5, утежелителя до получения раствора необходимой плотности.

   Показатели  раствора: плотность 1,04 – 2,2 г/cm³, условная вязкость 25 – 40 с, показатель фильтрации 3 -6 cм³/30 мин, СНС₁=12÷60 дПА, СНС₁₀=30÷90 дПА, pH=8,5÷9,5. 
 

Растворы, обработанные солями трехвалентных металлов 

       С увеличением валентности обменных катионов снижаются гидратация и  набухаемость 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 (pH≤4). При повышении щелочности соли алюминия, хрома и железа переходят в нерастворимые в воде гидроксиды, а при высоких  pH – в растворимые соединения, в которых трехвалентные металлы находятся в виде анионов.

Алюминизированный раствор содержит в качестве ингибирующей добавки соли алюминия, переходящие  в растворе в гидроксид алюминия. Термостойкость раствора достигает 200⁰С и выше.

   Для приготовления раствора используют высококоллоидальную и комовую  глины, сернокислый или хлористый  алюминий, гидроксид натрия. В качестве разжижителя применяют модифицированные хромглиносульфонаты (окзил, ОССБ). Снижение фильтрации достигается вводом полимерного реагента  - КМЦ, метаса, гипана и др.

   На  приготовление 1 м³ раствора требуется (в кг): глины 60 – 150 , соли алюминия 3-5, воды 970-930, окзила 10 - 30,  КМЦ 3-5, NaОН 1-3, хромпика 0,5 – 1, утежелителя до получения раствора необходимой плотности.

Оптимальные значения pH бурового раствора, обработано солями алюминия, находятся в пределах 8,5 – 9,5.

   Алюмокалиевый раствор содержит в качестве ингибирующей добавки алюмокалиевые квасцы и гидроксид калия; pH таких растворов близок к нейтральному. Ингибирующее действие раствора выше, чем у алюминия. Он может использоваться и для разбуривания увлажненных глинистых отложений.

Раствор готовится  аналогично алюминизированному.  В  качестве ингибирующей добавки вводят алюмокалиевые квасцы, гидроксид натрия, бихромат калия. 

Полимерные  недиспергирующие растворы 

      Полимерные  недиспергирующие растворы – водные растворы высокомолеклярных полимеров (акрилатов, полисахаридов), структурированные  малыми добавками бентонита или без него.

   Эти растворы предупреждают диспергирование  разбуриваемых пород и повышение  содержания твердой и глинистой  фаз в растворе.  Они характеризуются  низким содержанием глинистой фазы, что способствует улучшению показателей  бурения (повышению механической скорости проходки и проходки на долото).

   Главная проблема полимерных растворов –  предотвращение обогащения их выбуренной породой. Поэтому в состав раствора вводят специальные реагенты – флокулянты селективного действия (напримет, гидролизованный полиакриламид - ПАА), флокулирующие  кальциевую глину и грубодисперсную фракцию выбуренной породы.

   Термостойкость  растворов зависит от применяемых  полимеров. Наибольшую термостойкость (до 250⁰С) имеют растворы на основе акриловых полимеров.

   Полимерные  недиспергирующие растворы предназначены  для массового бурения эксплутационных  и разведочных скважин в отложениях, характеризующихся высоким содержанием  глин, высоколлоидальных и потенциально неустойчивых, и  в крепких устойчивых карбонатно-глинистых разрезах, а также для вскрытия продуктивных пластов.

   Полимерные  растворы могут быть безглинистыми. В этом случае раствор представляет собой воду с добавкой полимера, обычно не гидролизованного ПАА,  улучшающими  реологические свойства воды и ее выносящую способность и флоккулирующего выбуренную породу.

   На  приготовление 1 м³ полимерного недиспергирующего раствора (в пересчете на сухое вещество) необходимо (в кг): глины 40-50, полимера (КМЦ, М-14) 4-5, ПАА 25 – 50 (0,5%), воды 810-850, нефти 100 – 80, утежелителя – до получения требуемой плотности.

   Показатели  такого раствора: плотность 1,03 – 2 г/cm³, условная вязкость 20-60 с, показатель фильтрации 5 - 8 cm³/30 мин, СНС₁=12÷60 дПА, СНС₁₀=24÷90 дПА pH=8÷9.

   Один  из основных показателей – низкой содержание твердой фазы, объемная доля которой не должна превышать 1,5 – 2%.

   Для приготовления безглинистого требуется 975 – 950 л воды и 25 – 30 кг ПАА (8% концентрации). 

   Также для приготовления полимерного  раствора можно использовать пресный  ратсовр, обработанный УЩР. В случае повышения глинистой фазы в растворе используются недиспергирующие разжижители-дефлокулянты (НТФ, ПАК). 

Безглинистые  солестойкие растворы (БСК) 

       БСК состоят из бурого угля, каустической соды, воды и гидроксила поливалентного металла; применяются при проводе  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 разбуриваемых породах происходит только химическое разрушение щелочью глинистых минералов без связывания продуктов разрушения в нерастворимые соединения. При отсутствии каустической соды в наличии только ионов кальция буровой раствор превращается в разновидность кальциевого раствора.

   Кипящий эффект раствора БСК лучше проявляется  при достаточно высокой концентрации каустической соды (не менее 0,2%)   и избытке в жидкости нерастворенного  гидроксида двухвалентного металла  – Ca(OH)₂, Ba(OH)₂ и др.

   Недостатки  этих растворов – низкая термостойкость и  высокая щелочность. Так при  использовании данного раствора не исключен переход в него выбуренной породы, то возможно сильное загустение и даже затвердевание 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  бурого угля при приготовлении жидкости может меняться в зависимости  от того, заменяется ли система глинистого раствора полностью или используется часть глинистого раствора, находящегося в скважине.

   На  приготовление 1 м³ БСК необходимо (в кг): бурового угля 300 – 400, каустической соды  15 – 20, известкового молока (плотностью 1,1 – 1,12 г/cm³ ) 90 – 100, воды 750 – 700.

   При использовании части глинистого раствора на 1 м³ расходуется 50 - 150  бурового угля, 10 – 15 каустической соды, 15 – 45 л известкового молока.

   Вязкость  БСК зависит от количества введенного бурового угля. Вследствие высокой  щелочности (pH=13÷14) раствор термостоек только до 100⁰C. 

Примененные выше высокомолекулярные

  вещества (коллоиды) и электролиты 

   Окисленный  и замещенный лигносульфонат (окзил) высокоактивный понизитель вязкости и СНС, он устойчив в широком диапазоне температур, и при бурении в гипсах, глинах, ангидритах, аргиллитах. Эффективно работает в ингибированных, известковых, гипсовых, хлоркальциевых растворах.

   Конденсированная  сульфит-спиртовая  барда (КССБ) — реагент, довольно активно снижает водоотдачу буровых растворов, приготовленных как на пресной, так и на минерализованной воде. Растворы, обработанные этим реагентом, устойчивы против воздействия цемента, электролитов, а также при высоких температурах (до 200 °С) и давлениях (до 80 МПа). Они имеют пониженную липкость, и при их фильтрации отлагаются тонкие плотные корки.

   Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). В качестве реагента понизителя водоотдачи КМЦ весьма активна. В некоторых случаях она снижает и СНС. При введении КМЦ вязкость раствора не уменьшается; нередко при добавках КМЦ его вязкость даже возрастает. Применяется главным образом при повышенной минерализации (в количестве 0,5 — 1 % сухого вещества) в тех случаях, когда У1ЦР уже не может стабилизировать буровые растворы.

   Гидролизованный полиакрилонитрил (гипан). Гипан используется как понизитель водоотдачи. Он весьма эффективен (наибольшая эффективность отмечается в высокотемпературных условиях — при 140 — 200 °С), обеспечивает устойчивую низкую водоотдачу при большой солености, особенно в сочетании с другими защитными реагентами (ССБ, КМЦ, крахмалом).