Глинопорошок- материал для буровых растворов

Развитие глубокого бурения потребовало расширения исследований в области создания материалов для буровых растворов. Особенно интенсивно эти работы проводились в США, где глубокое бурение начало развиваться уже в 30-е годы.
Крупные фирмы, выпускающие материалы для приготовления буровых растворов, в послевоенные годы резко увеличили объем научно-исследовательских работ.
Все это привело к существенному расширению ассортимента химических реагентов и добавок, придающих буровому раствору требуемые свойства. В настоящее время в США производят более 600 наименований реагентов и добавок для буровых растворов. Усилиями АНИ химические реагенты, утяжелители и глинопорошки были стандартизированы и разработаны необходимые рекомендации по их применению. В настоящее время фирмы США продолжают вести работы по созданию новых, более эффективных материалов для буровых растворов.

Глинопорошки
Уже достаточно давно в практике бурения не применяют комовых глин из карьеров, так как они не удовлетворяют требованиям, необходимым для получения высококачественных рас творов. Считают , что применение глинопорошков имеет ряд преимуществ по сравнению с потреблением комовой глины:
-приготовление бурового раствора из глинопорошков требует меньше времени, раствор получается высокого качества;
-диспергирование (набухание) мелких частиц происходит быстрее и полнее, чем крупных;
-транспортировка глинопорошков, особенно на далекие расстояния, обходится дешевле;
-применение глинопорошков позволяет автоматизировать процесс приготовления бурового раствора на буровой;
-высокое качество бентонитовых порошков обеспечивает получение растворов с малым содержанием твердой фазы.

Первые буровые растворы представляли собой смесь воды и любого типа глины, твердые частицы которой значительное время могут находиться во взвешенном состоянии. Вязкие, липкие глины, называемые "гумбо", рассматривали как глины хорошего качества для приготовления бурового раствора; добавка их в воду рекомендовалась около 20% по весу глины.

В 1921 г. была сделана первая попытка регулирования свойств буровых растворов путем применения специальных добавок. Начиная с 1920 г., применяемые растворы, утяжеленные баритом, имели вязкость и структурные свойства, недостаточные для того, чтобы частицы барита устойчиво находились в растворе во взвешенном состоянии. Это явилось причиной начала обработки растворов химическими реагентами, предназначенными только для повышения вязкости раствора, с целью предотвращения осаждения частиц утяжелителя. Первыми химическими реагентами были каустическая сода и алюминат натрия.

В 1929 г. были выданы патенты Кроссу и Харту, предложившим использовать бентонитовые глины с окисью магния в качестве добавки для улучшения структурных свойств раствора. Пригодность глин для буровых растворов устанавливали по выходу раствора, по прочности геля, которая характеризуется разностью предельного статического напряжения сдвига непосредственно после перемешивания и после 10-минутного покоя, коркообразующими свойствами. Выход раствора определяли коли чеством раствора определенной вязкости (обычно 15 сП), полученного из 1 т глины, затворенного на пресной или морской воде. Таким образом, выход является качественным показателем при приготовлении раствора и многие потребители требуют, чтобы бентониты давали 14,3 м3 раствора вязкостью в 15 сП на 1 т глины. Такой выход является обычным для самых чистых форм натриевого бентонита, например, вайомингского, но его невозможно достичь при использовании кальциевых бентонитов или суббентонитов. Они обычно имеют выход раствора около 4,8 -9,5 м3/т.

В связи с этим были предприняты попытки обработки глин с целью увеличения выхода раствора. Предлагаемые реагенты для обогащения глин можно разделить на две группы:
- неорганические (кальцинированная сода, перманганаты, алюминат натрия, окись магния);
- органические (водорастворимые полиакриловые кислоты, этиленмалеиновый ангидрид в комбинации с другими веществами).

В некоторых случаях рекомендуют совместное использование органических и неорганических реагентов.
Одним из широко используемых способов обогащения кальциевых глин является способ добавки к глине пептизирующего реагента, такого, как карбонат натрия (кальцинированная сода) в количестве от I до 10%. Оптимальное количество - 3-5%. Этот метод основного обмена ионов кальция на ионы натрия не всегда был успешным возможно потому, что ионный обмен невозможно заставить идти до завершения. Не все глины хорошо обогащаются кальцинированной содой.
Рекомендуется применять перманганаты для тех глин, которые плохо обогащаются содой. Количество солей перманганата невелико -0,2-0,4%. Выход раствора из вайомингского бентонита увеличивается с 13,55 м3/т до 18,75 м3/т при обработке 0,4% КМnО4, а выход раствора вайомингского бентонита с первоначальным выходом 17,0 м3/т увеличивается до 22,05 м3/т, т.е. на 29,7%. Перманганатом хорошо обогащаются натриевые бентониты.

Для увеличения выхода раствора из кальциевого бентонита и суббентонита применяют сополимеры этиленмалеинового ангидрида с соединениями щелочных металлов, которые являются водорастворимыми, ионизируемыми и имеют анион, способный реагировать с кальцием, образуя водонерастворимый осадок.
Наилучшие результаты дает применение кальцинированной соды. Считают, что функция этой добавки заключается в создании ионов натрия для обмена с ионами кальция в кальциевом монтмориллоните, превращая последний в натриевый монтмориллонит. Однако такой обмен не позволяет превратить кальциевый монтмориллонит в истинно натриевый, такой, как вайоминг-ский бентонит, поэтому для дальнейшего увеличения выхода раствора используют сополимеры этиленмалеинового ангидрида с гексаидиеном (1,5%) или диаллиловым эфиром. Количество кальцинированной соды составляет 3-5%; сополимера - 0,02-0,12% от веса глины. Фирменное название этиленмалеинового ангидрида с удельной вязкостью 0,1- DX-840-31, а натриевая соль этиленмалеинового ангидрида с удельной вязкостью 0,1 получила название DX-849-54.

При обработке вайомингского бентонита реагентом DX-840-31 выход раствора увеличивается до 22,7 м3/т; при обработке этого бентонита реагентом DX-840-31 с добавкой 0,9% MnO4 выход раствора увеличивается до 30,3 м3/т.
Хорошие результаты дает обработка глин водорастворимыми полиакриловыми кислотами.
Акрисол А-3 - фирменное название водорастворимой полиакриловой кислоты со средним молекулярным весом 7500. При обработке вайомингского бентонита 0,06% реагента Акрисол А-3 выход раствора увеличивается до 30,8 м3/т. Хорошее действие оказывает совместная обработка бентонита полимером Акрисол А-3 и уксуснокислыми солями кальция или натрия.

Введение реагентов для обогащения, как правило, производится во время помола, иногда непосредственно в буровой раствор.
Для определения вязкости широко используют ротационный вискозиметр Фанна, который может быть использован для замера структурной вязкости, предельных динамического и статического напряжения сдвига и других показателей раствора. Более точным и удобным прибором является ротационный вискозиметр Фанна VG-34, который непосредственно без пересчетов показывает вязкость в сантипуазах и напряжение сдвига (статическое и динамическое).
Водоотдачу определяют с помощью прибора фирмы Бароид.
Основные типы глинопорошков, выпускаемых в США. Из общего числа глинопорошков, выпускаемых в США, 68,4% производят из бентонита, 24,4% из других глин и 7,2% из аттапуль-гита.

Наиболее выгодным сырьем является бентонит, дающий большой выход раствора (12,0 м3 из 1 т порошка). Бентонитовые порошки (фирменные наименования - акваджел, магкоджел) имеют влажность не более 10%, очень тонкий помол (92% пробы порошка должны проходить через сито 200 меш), легко размокают; из 1 т порошка при минимальной плотности (1,03 г/см3) получают 15,25 м3 глинистой суспензии вязкостью не менее 15-20 сП (по Стормеру), с водоотдачей 15-20 см3. Стоимость 1 т бентонита 30 долларов США.

Наряду с производством порошкообразного бентонита выпускают порошки из местных глин двух типов: со средним (6 -12 м3) и малым (до 6м3) выходами раствора из 1 т.
Глины с низкой распускаемостью требуются тогда, когда необходимо получить большую плотность и пренебречь вязкостью и коркообразующими свойствами раствора. Порошки из местных глин в ряде случаев вдвое дешевле, чем из бентонита. Глинопорошком с малым выходом раствора является, например, порошок ЭР-95, выпускаемый в Калифорнии: из I т этого порошка получается 1,5 м3 раствора плотностью 1,44 г/см3. Глинопорошок "ксатклей", стоимость которого на 20% выше порошка ЭР-95, также дает малый выход раствора: 4,4 м3/т, водоотдача раствора 15 см3 по АНИ. Потребление глины такого типа в настоящее время сократилось до 3 тыс. т в год.

Фирмой Магкобар выпускаются комбинированные порошки глин, состоящие из смеси 80-85% порошка низкосортной глины типа "ксатклей", 15-20% бентонита и 2,5% кальцинированной соды. Эта смесь дешевле первосортного бентонита на 27%. При 10%-ной концентрации этой смеси в растворе выход его составляет около 8,8 м3/т.
Для приготовления буровых растворов на соленой воде в течение 20 лет широко применяется аттапульгит. Эта глина при полном распускании в соленасыщенной воде создает такую же вязкость, как и в пресной. Бентонит и другого типа глины этими свойствами не обладают.

Суспензии аттапульгита обладают достаточной вязкостью и несущими свойствами, но, к сожалению, они характеризуются высокой водоотдачей (140 см3 за 30 мин). На практике такая высокая водоотдача обычно конденсируется добавками желатини-зированного крахмала, лигносульфоната или квебрахо. Из I т ат-тапульгита при растворении в соленасыщенной воде можно получить 2I м3 бурового раствора вязкостью 15 сП. Для буровых растворов, затворенных на соленой воде, аттапульгитовой глины требуется меньше, чем монтмориллонитовой.
Аттапульгит в буровом растворе довольно медленно повышает его вязкость и поэтому для увеличения вязкости бурового раствора после добавок аттапульгита требуется некоторое время.

Основными поставщиками материалов для буровых растворов в США являются фирмы Бароид и Магкобар. Фирмой Бароид выпускаются следующие виды глинопорошков: акваджел, барокко, куикджел, цеоджел.

Акваджел - глинопорошок, разработанный фирмой в 1928 году, представляет собой тонкоизмельченную бентонитовую глину. По внешнему виду это порошок белого или светло-серого цвета. Плотность 2,5 г/см3. Применяется как обычный гелеобразующий коллоид для регулирования вязкости, СНС и уменьшения водоотдачи.
Выход раствора - 15,9 м3/т вязкостью 15 сП на 1 т.

Цеоджел - водный алюмосиликат, широко применяющийся для увеличения вязкости буровых растворов с высокой концентрацией соли. Используется как взвесь в буровых растворах с любым содержанием соли, выход раствора составляет 20,8 м3 соленасыщенного раствора вязкостью 15 сП на 1 т.

Барокко - сухой молотый суббентонит, используется для буровых растворов с концентрацией соли от низкой до умеренной, выход составляет 7,2 м3 раствора вязкостью 15 сП на I т глины, затворенной на пресной воде. Хорошие результаты получаются при добавлении воды, содержащей 1,5% соли.

Куиктджел - модифицированный бентонит, который дает в 2 раза больший выход раствора, чем обычный вайомингский бентонит (32 м3/т).
Особенно часто применяется при бурении сейсмических скважин и скважин на воду.

Джелткон - смесь неорганических минералов и органических полимеров, сыпучий порошок. Применяется для регулирования вязкости и фильтрационных свойств бурового раствора с малым содержанием твердой фазы.
Фирма Магкобар выпускает такие виды глинопорошков, как магкоджел, высокосортная глина, куиктик, солтджел.

Магкоджел - чистый вайомингский бентонит.

"Высокосортная глина" - смесь лучших техасских глин с вайомингским бентонитом. Выход раствора составляет примерно 8 м3/т. Используется для приготовления раствора с малым содержанием твердой фазы, хорошей вязкостью, гелеобразующими и коркообразующими свойствами.
Применяется при забуривании, бурении и капитальном ремонте скважин. Растворы, приготовленные из этой глины, имеют низкую водоотдачу. "Высокосортная глина" используется как добавка к бентониту в соленой воде и рассолах.

Куиктик - специально приготовленный стойкий эффектный бентонит с выходом раствора около 31,8 м3/т с вязкостью 15 сП. Он быстро образует тонкую фильтрационную глинистую корку.

Солтджел - высокие сорта аттапульгитовой глины с выходом 15,9 м3/т соленасыщенного раствора с вязкостью 15 сП. При флокулирующем воздействии пластовых вод растворы на основе солтджела не меняют своих свойств.

С. А. Рябоконь - Монография -Технологические жидкости для закачивания и ремонта скважин.