содержание   ..  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..

Ингибирующие буровые растворы

Практически любой буровой раствор на водной основе можно перевести в ингибирующий.

К ингибирующим относят все буровые растворы, которые в своем составе содержат ингибирующие компоненты. Ингибирующими компонентами буровых растворов могут служить: известь Са(ОН)2, хлористый кальций СаС12, гипс CaS04-2H20, гидроокись бария Ва(ОН)2, гидроокись калия КОН, хлористый калий КО, аммонийные соли и другие электролиты, а также анионактивпые ПАВ, которые являются носителями Са2+, Ва2+, К+, NH+ и других ионов. Идея создания таких буровых растворов заключается в получении дисперсных систем с регулируемой коагуляцией, фильтраты которых могли бы модифицировать глины, переводя натриевые их формы в кальциевые, или же снижать их гидрофиль-ность к водной среде.

При введении в буровой раствор ингибирующего компонента происходит физико-химическое взаимодействие глины и электролита, приводящее к модификации ее поверхности. Если вводимый электролит представляет собой кальциевую соль, то происходит кальцинирование глины, понижающее ее гидрофильность.

Механизм ингибирования глин заключается в следующем:

1) на поверхности глины усиливается адсорбция ионов Са2+, К+, Ва2+, NH4+ и ими замещаются вакантные участки в кристалли ческой решетке породы;

2) при катионном обмене активируются ранее пассивные участки глин или поверхности глинистых частиц;

3) ослабляются анизотропия и анизометрия частиц в результате появления на глине замещенных экспонированных участков;
 

1)                повышается заряд глинистых частиц и возникают контактная и жидкостная коагуляция глинистых частиц.

При этом гидрофильность глины поддерживается на таком уровне, чтобы обеспечить агрегативную и кинетическую устойчи­вость системы бурового раствора. Такие дисперсные системы сни­жает чувствительность глинистых дисперсий к воздействию элек­тролитов, пластовых вод, содержанию твердой фазы; увеличи­вается глиноемкость систем. Адсорбция на глинах ионов Са²⁺, К⁺, Ва²⁺ снижает набухание глин, повышает устойчивость к увлажнению.

В практике промывки скважин наиболее широко используются хлоркальциевые, гипсовые, силикатные, бариевые и кальциевые буровые растворы. Применение таких растворов на месторожде­ниях Среднего и Нижнего Поволжья, в Туркмении, на Украине и многих других районах буровых работ позволило значительно сократить обвалы, осыпи, сужения ствола и кавернообразования, уменьшить время на промывку и проработку скважин.

Однако полностью решить проблему ликвидации осложнений и повышения устойчивости стенок скважин при бурении в неустой­чивых глинистых породах методами ингибирования пока еще не удалось. Ожидаемый эффект от применения ингибированных рас­творов для глинистого комплекса пород оказался недостаточным. Увлажнение глин фильтратами ингибированных растворов замед­ляло их гидратацию, набухание и разупрочнение, но не предупреждало в дальнейшем развитие этих процессов

В сущности при промывке скважины ингибирующими буро­выми растворами «крепящего» эффекта в глинах не происходит, поскольку эти растворы недостаточно повышают прочность глини­стой породы. Сорбирование ингибирующих компонентов на глине изменяет ее поверхность, вызывает коагуляцию уже ранее увлаж­ненных агрегатов частиц. При проникновении фильтрата в глубь породы происходит ее увлажнение, но образуются конденсационно­кристаллизационные и коагуляционно-конденсационные струк­туры, вызывающие повышение связанности глинистых частиц и агрегатов и предупреждающие их набухание и разупрочнение.

Чаще всего в практике отечественного бурения используют известковые, гипсовые и хлоркальциевые растворы, краткая ха­рактеристика которых приводится в табл. 24.

В последние годы разработаны модификации ингибирующих растворов, в состав которых в качестве реагентов-стабилизаторов входят КССБ, окзил, крахмал, ФХЛС, биополимеры. Это было вызвано тем, что ингибирующим буровым растворам необходимо было придать термостойкость, снизить их фильтрационные свой­ства и соответствующие реологические показатели. Защита этих систем растворов высокомолекулярными химическими реаген­тами была вызвана тем, что с повышением забойной температуры сверх 100—120° С в них резко возрастает количество поглощенного глиной кальция. Достаточно отметить, что при нормальной температуре количество поглощенного глиной кальция составляет примерно 25%, а при повышении температуры до 100— 121) С поглощение достигает 90% [35].

Ф. Д Овчаренко показал, что глинистые частицы способны связывать до 540 мг-экв ионов кальция на 100 г глины [651

Общим недостатком известковых буровых растворов является их загустевание при температуре свыше 120° С, которое может привести к их затвердеванию Отверждение таких буровых растворов вызвано образованием гидрокальциевых алюминатов и силикатов или их комплексов. В этом случае образуются следующие соединения: 4СаО • А120- 12Н20 и 6Ca0-3Si0-2H20. Кроме этих соединений при гидротермальном разложении известковых растворов образуется анальцим Na20-А120Я-45Ю2-2Н20, а также возможно образование ксонотлита 5Ca0-5Si02-H20.

Образование этих вяжущих и обусловливает отверждение известковых растворов при забойных температурах, превышающих 120 С. Для избежания отверждения известковых растворов при гидротермальном режиме проводки глубоких скважин в них снижают содержание глинистой фазы, химически связывают избыточную известь в буровом растворе кальцинированной содой или бикарбонатом натрия или же обрабатывают их термостойкими защитными реагентами. Это позволяет резко уменьшить количество образующихся вяжущих веществ в растворе и обеспечить меньшую чувствительность к термозагустеванию.

Глину можно кальцинировать, добавляя в раствор цемент, который также является носителем иона кальция. Однако цемента следует добавлять вдвое больше извести. Эффект известкования глин при этом остается примерно тем же.

Известковые растворы нельзя обрабатывать кальцинированной содой, фосфатами, так как при этом образуются нерастворимые кальциевые соли, осаждающиеся из системы раствора.

Одним из недостатков этих буровых растворов является их высокая коррозионная активность, особенно при использовании легкосплавных бурильных труб (ЛБТ).
 

Особенностью известковых растворов является их высокая устойчивость к накоплению в растворе твердой фазы, выбуренной породы, утяжелителя, разбуриваемого цемента. Они менее чувствительны к воздействию пластовых вод, содержащих электролиты, повышают устойчивость стенок скважины, сложенных глинами.

Второй разновидностью ингибирующих буровых растворов являются хлоркальциевые системы; они отличаются от известковых содержанием кальция в фильтрате

В. Вейсс показал, что известковые и хлоркальциевые растворы, помимо их прямой функции — ингибирования глин, могут несколько упрочнять структуру увлажненной глины [99]. Уровень ингибирования глин в этих средах усиливается с ростом концентрации хлористого кальция в растворе. Однако при высоких концентрациях СаС12 резко возрастает водоотдача, интенсифицируются коагуляционные процессы, снижается коллоидальная и агрегативная устойчивость ингибированного раствора.

Свойства хлоркальциевого бурового раствора регулируют обработкой КССБ, КМЦ и крахмалом. Небольшими добавками извести регулируют щелочность хлоркальциевого раствора, которая должна поддерживаться в пределах pH = 10 -ь 12. Содержание СаС12 в растворе (0,3—0,75 вес. %) обеспечивает достаточный коагуляционный эффект в глинах и позволяет получать в фильтрате 1000—2500 мг л ионов кальция. Считают, что при такой концентрации ионов Са2+ в фильтрате бурового раствора достигается максимальное ингибирование глинистых пород. Увеличение концентрации ионов кальция в фильтрате до 5000 мг/л несущественно сказывается на ингибировании глины. Одновременно при этом затрудняются условия регулирования показателей бурового раствора, резко возрастает водоотдача [70].

По представлениям Э. Г Кистера, ингибирование глин хлор-кальциевыми растворами следует рассматривать прежде всего как управляемый коагуляционный процесс с последующим образованием в системе увлажненной глины конденсационно-коагуляционных и кристаллизационных структур, упрочняющих структуру глины при ее увлажнении [35].

Однако несмотря на высокий ингибирующий эффект в глинах при промывке скважин хлоркальциевыми растворами водоотдача их должна быть ограничена до 6—12 мл/30 мин по прибору ВМ-6. Увеличение водоотдачи приводит к появлению в скважине обвалов и осыпей в глинистых сланцах вследствие объемного увлажнения массива пород.

Одним из недостатков хлоркальциевых буровых растворов является их низкая термостойкость, составляющая не более 120 125° С. При забойных температурах выше 120 С резко возрастает водоотдача и снижается кинетическая и агрегативная устойчивость системы.
 

Третьей разновидностью ингибированных растворов являются гипсовые системы, где носителем ионов кальция является гипс CaS04 -2Н20.

Добавки 1,5—3/6 гипса в буровой раствор позволяют получить концентрацию ионов Са2+ в растворе до 700—1200 мг/л. Регулирование щелочности раствора поддерживается добавками 0,15—0,3% каустика (NaOIl), а реологических свойств — обработкой ферро-хромлигносульфонатами, окзилом с последующей стабилизацией КМЦ или модифицированным крахмалом. Гипсовые буровые растворы устойчивы к проявлению минерализованных пластовых вод как сульфатного, так и кальциевого типа [67]. Эти системы буровых растворов успешно применяются во многих районах при вскрытии неустойчивых глинистых отложений [35]. Преимущество гипсовых буровых растворов по сравнению с известковыми и хлор-кальциевыми состоит в том, что они более устойчивы к действию полиэлектролитов и высокой температуры, обладают повышенной глиноемкостью, просты в приготовлении и легко обрабатываются.

Для предупреждения первичного загустевания при введении 1,2—1,5% гипса раствор разбавляют водой или малоконцентрированным водным раствором окзила до вязкости 25—30 с по СПВ-5, а затем в процессе обработки добавляют гипс. Снижение водоотдачи до 3 -н5 мл/30 мин достигается обработкой раствора КССБ совместно с КМЦ и модифицированным крахмалом. Количество добавки этих реагентов подбирают в лаборатории в соответствии с требованиями проводки скважины; оно не должно превышать 1—1,5% из расчета на сухое вещество.

Эмульгирование гипсовых буровых растворов 5ч-6% нефти или 1 ч-1,5% смада в сочетании с обработкой 1,1—1,5% окзила резко снижает расходы КМЦ, крахмала, необходимых для понижения водоотдачи растворов.

Из зарубежной практики бурения известно, что обработка гипсового раствора 1,5—2%-ными феррохромлигносульфонатами и эмульгирование 10% дизельного топлива позволяет получить водоотдачу бурового раствора на фильтр-прессе «Бароид» в пределах 1,0-т-1,5 мл. Гелеобразование в таких растворах наступает обычно при нагревании до 200—250° С [35]. Этот температурный «порог» преодолевают обработкой гипсового бурового раствора комбинированной добавкой феррохромлигносульфоната и хромгуматов.

Четвертой разновидностью ингибированных систем являются силикатные и малосиликатные буровые растворы, представляющие собой водные дисперсии глин с добавками от 100 до 600 кг/м3 метасиликата натрия. Рецептуры силикатных растворов были предложены еще в 1934—1935 гг. для бурения в обваливающихся глинистых породах. Последующие модификации этих рецептур сводились к изменению концентрации в них электролитов, метасиликата натрия, защитных реагентов [23].

Механизм ингибирования глин силикатными буровыми растворами был объяснен В. А. Каргиным и В. И. Касаточкиным, которые считали, что гидратация глин понижается в результате образования равновесной упругости паров воды в растворе и разбуриваемой глине. Однако В. С. Шаров убедительно доказал несостоятельность этой концепции, поскольку при одной и той же упругости паров воды степень увлажнения глин различна. Им также было показано, что силикатизация глин уменьшает лишь скорость и темп их увлажнения и гидратации из-за образования на поверхности глин коллоидного осадка (кремпегеля) [35].

Добавка электролитов в силикатные буровые растворы была вызвана необходимостью образования нерастворимых поликрем-невых солей, которые могли бы образовывать на поверхности глин конденсационно-кристаллизационные структуры, обладающие гидравлической активностью и вяжущими свойствами.

Однако К. Бекер и А. Гаррисон показали, что только в концентрированных растворах жидкого стекла образцы глин сохраняют устойчивость, не меняя своих геометрических форм.

Применение же концентрированных растворов жидкого стекла для промывки скважин нереально, дорого и приводит к резкому загустеванию раствора при обогащении его выбуренной глинистой породой [93].

По этой причине в бурении применяют силикатные растворы с соотношением метасиликата натрия и водного раствора соли 2:1, которые обеспечивают вязкость 30—35 с и нулевое статическое напряжение сдвига при плотности раствора 1,4—1,44 г/см3. Повышение статического напряжения сдвига обеспечивается добавками в раствор бентонита.

Типовая рецептура силикатно-солевого раствора [5] приведена в табл. 25.

Силикатные и силикатно-солевые буровые растворы не нашли широкого применения в практике промывки скважин как в нашей стране, так и за рубежом [90]. Это вызвано тем, что при бурении скважин с промывкой такими солевыми растворами резко снижалась проходка на долото. В США было пробурено около 100 скважин с промывкой силикатно-солевыми буровыми растворами и установлено, что свойства таких растворов трудно регулируются, требуются большие затраты материалов, растворы обладают низкой термостойкостью и снижают проходку на долото. Это заставило перейти на малосиликатные буровые растворы, хотя и они лишь незначительно улучшили проходку на долото и устойчивость стенок скважин [93].

В отечественном бурении малосиликатные буровые растворы применяли при проводке глубокой скв. СГ-1 Аралсор. Малосиликатный раствор содержал 3—3,5% жидкого стекла, 5—10% NaCI и 1,5—2% КМЦ-500. При вскрытии глинистых сланцев с промывкой таким раствором некоторое время сохранялась устойчивость ствола, а затем происходили обвалы и осыпи пород. Повышение устойчивости стенок скважины подтвердило возможность использования малосиликатных растворов при бурении в глинах.

Опыт проводки скважин на силикатно-солевых и малосиликатных растворах в Волгоградской области подтвердил выводы, ранее полученные на скв. СГ-1 Аралсор. Совершенствование рецептур и регулирование реологических и фильтрационных показателей таких систем растворов позволит расширить область их применения при разбуривании неустойчивых глинистых отложений.

Одной из разновидностей ингибированных систем являются сульфит-солевые растворы, содержащие 20—40% ССБ и 20—25% поваренной соли с добавками 5—10% глинопорошка. В таких растворах образуются коллоидно-дисперсные лигносульфонаты, обеспечивающие необходимую вязкость и водоотдачу. Для придания структурно-механических свойств в растворы добавляют 5— 6% бентонитового глинопорошка. Промысловый опыт применения таких растворов показал, что они не обеспечивают устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми породами. Опыт их применения в Казахстане, Азербайджане, Туркмении, на Украине и в Нижнем Поволжье показал, что при промывке скважин сульфит-солевыми буровыми растворами резко снижается проходка на долото, замедляются сроки схватывания цементных растворов, затрудняются условия проведения электрометрических работ, требуются большие расходы материалов на их приготовление [35].

Эти недостатки ограничили применение сульфит-солевых растворов в практике промывки скважин.

Другой разновидностью ингибированных систем являются бариевые растворы, содержащие 3—5% оксида бария, являющегося ингибирующим компонентом. Бариевые буровые растворы обладают высокой термостойкостью и могут быть применены при забойных температурах до 180° С. Применение таких буровых растворов сдерживается дефицитностью и токсичностью оксида бария, а также трудностью регулирования их реологических и фильтрационных свойств.

Кроме рассмотренных ингибированных систем буровых растворов и составляющих их компонентов для этих же целей предлагались нитраты, ацетаты и формиаты кальция, 00-20, ОФ-ЗО, ОП-1, ОП-20, ОП-ЗО и другие продукты. С разработкой и внедрением в практику химической обработки буровых растворов хромлигно-сульфонатов, хромгуматов и окзила применение этих ПАВ сократилось, поскольку входящий в реагенты хром успешно выполняет роль ингибирующего компонента. Многие специалисты считают, что обработка буровых растворов феррохромлигносульфонатами, хромлигносульфонатами, окзилом и хромгуматами не требует специального кальцинирования глин. Однако опыт бурения скважин с промывкой растворами, обработанными этими реагентами, показывает, что небольшие добавки гипса и извести усиливают общий ингибирующий эффект на глины.

В последние годы в зарубежной практике бурения стали применять калиевые и аммонийные растворы, которые также являются разновидностью ингибированных буровых растворов [93].

Практически любой буровой раствор на водной основе можно перевести в калиевый, добавив к нему 3-ь6% КС1 и снизив его фильтрационные свойства защитными реагентами. Калиевые растворы просты в приготовлении, но регулировать их фильтрационные и реологические свойства сложно. В рецептуру такого раствора входят хлористый калий, гидрат оксида щелочного металла и защитные полимеры КМЦ, биополимеры и т. д. [35, 93].

Такие системы буровых растворов обладают следующими технологическими свойствами: образуют полупроницаемую полимер-глинистую мембрану на глинистых сланцах, слагающих стенки скважины в результате сорбции защитного полимера на глине; способствуют избирательной флокуляции выбуренных неглинистых пород; замедляют диспергирование и гидратацию глинистых минералов; позволяют сохранять в буровом растворе незначительное количество глинистой фазы в результате защиты глины полимером от увлажнения и ингибирования ее ионами калия; обладают небольшой фильтрацией, водная фаза которой содержит ионы калия; улучшают реологические свойства бурового раствора при высоких скоростях истечения в результате наличия в растворе биополимера.

Содержание ионов К+ в растворе поддерживается добавками КС1 и КОН. Такие системы буровых растворов можно утяжелять до плотности 1,5—2,2 г/см3

Приготовление калиевых растворов не представляет трудностей, требует постоянного контроля за содержанием КС1 и КОН в растворе. Реологические свойства таких растворов зависят от содержания твердой фазы, концентрации защитного полимера, pH раствора и т. д. Концентрацию твердой фазы в калиевых растворах регулируют путем ее удаления из системы раствора механической очисткой или, когда это возможно, разбавлением водой до необходимой плотности; при этом в воду добавляют 3—6% КС1 и КОН до

pH = 10-10,5. С повышением содержания КС1 растворы могут вспениваться, в этом случае применяются небольшие добавки пено-гасителей. При разбуривании цементных пробок в такие растворы добавляют небольшое количество кальцинированной соды, NaOH, а фильтрационные свойства снижают добавками высокомолекулярных защитных коллоидов (биополимеров, КМЦ и др.) [93].

Кальциевые буровые растворы применяют при промывке скважин в глинистых сланцах, обеспечивая длительную устойчивость стенок скважин. Повышение устойчивости глин на стенках скважин в этом случае обусловлено образованием полупроницаемой полимерглинистой мембраны и взаимодействием иона К+ с глиной. Входя в межплоскостные пакеты глин, ион К+ увеличивает плотность их заряда, скрепляет слои между собой и препятствует дальнейшей гидратации и разупрочнению глинистых пород.

Применяются также полимерные растворы с добавками амонитных солей, которые по своим ингибирующим свойствам не уступают калиевым растворам. Однако трудность регулирования свойств таких растворов и дефицитность соли не позволяют расширить возможности их использования.