Классификация промывочных жидкостей

Лекция 9 Классификация промывочных жидкостей. Классификационные признаки: 1. Вид дисперсионной среды (основа промывочных жидкостей): - вода (РВО – растворы на водной основе); - углеводородная жидкость (РУО – растворы на углеводородной основе); - системы с газообразной дисперсионной средой. 2. Вид дисперсной фазы: - с твердой дисперсной фазой (золи, суспензии); - с жидкой дисперсной фазой (эмульсионные растворы – в качестве жидкой фазы водная или углеводородная жидкость); - комбинированные (Т+Ж, Г+Т, Г+Ж+Т): где –Т-твердая фаза;Ж-жидкая фаза; Г-газообразная фаза. 3. Состав дисперсной фазы: - глинистый раствор (искусственно приготовленный, естественный); - карбонатный (CaCO3); - торфяные растворы; - сапропелевые растворы; - гидрогельмагниевые растворы; - полимерные растворы; - сульфатные растворы и др. 4. Способы получения растворов: - естественные (на основе шлама выбуриваемой горной породы); - искусственно приготовленные. 5. Вид обработки: - химически обработанные; - необработанные растворы. 6. Условия применения: - для нормальных условий; - для осложненных. I. Растворы на водной основе (РВО) 1. Глинистые растворы – это система, состоящая из непрерывной водной среды, в которой тонко дисперсно в виде дисперсной фазы располагаются глинистые частички от нормальных до осложненных условий. непрерывная дисперсионная среда (Н2О) дисперсионная фаза (глина) Применяется для бурения в наносных, осадочных горных породах, склонных к обрушению и обваливанию. Глинистые растворы не рекомендуется применять для вскрытия продуктивных залежей (воды, нефти, газа), так как глинистые частицы из раствора попадают в продуктивный пласт (в трещиннопористый коллектор). Попадая в пласт, частицы глины набухают, увеличиваются в объеме. Нефте-, газо-, водоотдача уменьшается. Устойчивость глинистых растворов: а) Седиментационная - устойчивость глинистого раствора от оседания. Если частицы глины не оседают, то система считается седиментационной. Факторы, обусловливающие седиментационную устойчивость: - тепловое Броуновское движение; - диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации; - структурообразование (коагуляция частиц, тиксотропия). б) Агрегативная устойчивость. Обеспечивает противодействие агрегатирования частиц, соединения частиц. Факторы, обусловливающие агрегативную устойчивость: - тепловое Броуновское движение; - электростатические силы отталкивания; - упругость гидратных, сольватных оболочек; - коллоидная защита (молекулы органических реагентов); - гидрофильная коагуляция. Причинами гидрофильной коагуляции являются соединение глинистой частицы своими краевыми частями, где толщина гидратного слоя меньше. Признаком является загустевание раствора. Загустевание происходит при наличии молекул воды внутри глинистого раствора. каркас загустевание (вода внутри) - гидрофобная коагуляция Она наступает в том случае, когда по каким-то причинам в раствор попадает электролит. защитный слой потерян Уходит гидратная оболочка и диффузный слой частицы соединяются рёбрами, углами Расслоение прозрачная вода Н2О глины твёрдая фаза + химические реагенты Глинистый раствор: - пресный слабоминерализованный NaCl (0,5%-1%); - средней минерализации NaCl (1%-3,5%); - минерализованный раствор NaCl до 10% – ингибированные растворы. Не ингибированные – применяют в условиях относительно устойчивых стенок скважин. 1. Пресные растворы от 0,5% – 1%. Преимущества: - уменьшается расход материалов для приготовления таких растворов, так как малое количество солей не препятствует хорошей гидратации раствора; - простота регулирования свойств. Недостатки: - ограничение условий их применения; - при наличии глин в разрезе они быстро гидратируют, переходят в раствор, стенки скважины разрушаются. Для разжижения растворов используются: - УЩР (Т↓, Ф30↓); - ССБ разжижает (Т↓); - NaOH (pH↑). 2. Средней минерализации NaCl 1% – 3,5% - органические химические реагенты теряют свою эффективность; - ухудшаются условия гидратации; - необходимо связывать «жёсткие катионы»: Са++; Mg++ + Na2CO3. Затем добавляют реагенты: УЩР (Ф30 ↓; Т ↓ ) для снижения показателя фильтрации и разжижения - КМЦ – 350, 500 Ф30 ↓ для снижения показателя фильтрации. 3.Минерализованный раствор содержит до 10% NaCl-для исключения влияния бивалентных катионов Ca и Mg добавляют в раствор кальцинированную соду: +Na2CO3 А затем добавляют: КССБ – 2; 4 (Ф30↓)-для снижения показателя фильтрации; ОССБ (Ф30↓)- для снижения показателя фильтрации; МК – 1 - для снижения показателя фильтрации в условиях присутствия минерализации. II. Естественные растворы. Их разновидности: -Глинистые, обработанные химическими реагентами; -Неглинистые:в которые вводят - добавки глинистого сырья (порошка); - добавки стабилизаторов. Чаще всего применяют в практике бурения скважин следующие виды естественных растворов: а) Карбонатно-глинистые –получаются на основе выбуриваемых карбонатных и глинистых пород: СаСО3 + 1% NaCl –для повышения структурных свойств + 3 ÷ 5% Na2O ∙ nSiO2 – стабильность Глина б) Сульфатно-галогенные растворы:получают при перебуривании: CaSO4 ∙ 2H2O – гипса, CaSO4 – ангидрит, и + хлоридов (NaCl, KCl) Для улучшения структурных свойств добавляют гидратированный бентонит в количестве 2-3%. Затем добавляют: ССБ (Т ↓) для разжижения т.к. много катионов Ca ; КМЦ (Ф30 ↓) для сниения показателя фильтрации. в) Меловые растворы . Мел –это тоже СаСО3 СОСТАВ ТАКИХ РАСТВОРОВ: -глинистая суспензия (2-5%) –для создания структурных свойств; -УЩР (Т ↓; Ф30 ↓) –для разжижения и контроля показателя фильтрации; - ССБ (Т ↓) –для разжижения в условиях присутствия катионов Ca; - КМЦ (Ф30 ↓) для регулирования показателя фильтрации; • Na2O ∙ nSiO2 – для придания раствору ингибирующих свойств. г) Силикатно-гуминовые растворы: получают на основе СГР – силикатно-гуминового реагента, состоящего из жидкого стекла(3-5 массовых долей) и углещелочного реагента(15-20 массовых долей).Применяют такой реагент при бурении в аргиллитах и глинистых сланцах. 3. Солевые растворы: получают при растворении вводе хлорида натрия: H2O + NaCl. Концентрация соли подбирается экспериментально исходя из предельной растворимости её в воде 300-350 г/л. Такие растворы применяют для: - повышения выхода керна в соленосных толщах; - бурения в многолетних мёрзлых породах, когда применение солевых растворов позволяет исключить растепление таких пород и возможные осложнения в виде обвалов, затяжек, прихватов, сальникообразования и др. 4. Сапропелевые растворы: получают На основе сапропеля-донных осадков: Минеральный состав: Органический состав: - глина - битумы - карбонатные породы - гуматы - окислы металлов - соли жирных кислот и др. активность + NaOH => Na соли, вводимые в состав растворов позволяют получить растворимые в воде органические компоненты. При подготовке сапропеля проводят следующие процессы: 1) Отсеивание крупных фракций из состава донных осадков пресноводных бассейнов; 2) Активация органической части сапропеля путём ввода щёлочи; 3) Интенсивное перемешивание и получение активного реагента. При растворении сапропелевого реагента в воде образуется стабильная суспензия: свойства раствора: Т = 20 ÷ 25 с. Ф30 = 8 ÷ 12 см3 ρ = 1,06 ÷ 1,08 г/см3 Θ1 = 3 Па; Θ10 = 4 ÷ 5 Па. Сапропель – экологически чистый, универсальный реагент для приготовления буровых растворов, облегчения тампонажных смесей, повышения качества цементирования за счет применения его в составе буферного раствора. 5. Гидрогельмагниевые растворы. Это растворы с конденсированной твердой фазой. Такие растворы получают за счет реакции конденсации. Реакция происходит за счет введения в насыщенный раствор солей водных растворов щелочей: Гидрогель Mg белые хлопья гидрогеля магния Mg(OH)2 –это гидрогель магния, он неустойчив, подвержен влиянию температуры, деформации при течении в скважине и давлению. – пятиокислый оксихлорид магния, более устойчивое соединение-это то соединение, в которое преобразуется гидрогель при его использовании в качестве бурового раствора. Условия применения растворов: 1) Перебуривание мощных отложений солей: Галит NaCl Сильвин KCl галогены Бишофит MgCl26H2O Карналлит MgCl2­KCl6H2O 2) Переслаивание глин и галогенных пород (глинисто-галогенные горные породы) – хемогенно-терригеные отложения, при перебуривании которых происходят осложнения в виде обвалов стенок скважин, прихватов и затяжек инструмента, сальникообразования и др. 3) Продуктивные толщи углеводородов. Гидрогель магния позволяет сохранить естественную проницаемость горных пород, уменьшить загрязнение продуктивных толщ. Получение таких растворов происходит следующим образом: 1 этап – получение насыщенного раствора (до 350-400 г/л солей NaCl, KCl и др.) до 35-40 г/л Mg++ (катионов Mg). 2 этап – стабилизация раствора за счет введения в раствор соединений: - содержащих катионы Ca: Ca(OH)2, CaO; - магнезиальные компоненты MgO; - глина – в виде гидратированного бентонита или глинистого раствора. 3 этап – улучшение структурных свойств за счет введения крахмала МК-1, КМЦ (500-600). 4 этап – улучшение смазочных свойств раствора за счет введения в раствор нефти и нефтепродуктов, улучшение смазочных свойств, что благотворительно сказывается на повышении стойкости бурового инструмента и устранении затяжек, прихватов и сальникообразования. Преимущества таких растворов: а) Возможность бурения в очень сложных геологических условиях при наличии в разрезе глинистых и хемогенных отложений; б) Исключение кольматации продуктивного коллектора т.е. сохраняется проницаемость продуктивного горизонта); в) Растворы обладают высокой морозостойкостью (при отрицательных температурах, при перебуривании многолетних мерзлых пород); г) Обладают хорошей смазочной способностью, так как в раствор хорошо сочетается с нефтью и нефтепродуктами. Недостатки: а) Отсутствуют эффективные способы и средства предотвращения рекристаллизации гидрогелей; б) Отсутствуют комплексные соли, позволяющие создать минерализованную среду и достаточное количество катионов Mg++. 6. Полимерные растворы – делятся на: 1) Полимерно-глинистые; 2) Безглинистые полимерные. 1) Полимерно-глинистые (вода + полимер + глина): - малоглинистые полимерные растворы (МГПР) – содержит низкое количество твердой фазы; - полимерные бентонитовые растворы; - растворы с малым содержанием твердой фазы. 2) Безглинистые полимерные: - водно-гипановвые; - водно-акриламидные; - полимерносолевые (ПСР); - растворы с улучшенными фильтрационными свойствами за счет введения в раствор вместе с полимером вещества ХОК - хром-органического комплекса и воды); - полимерноэмульсионные растворы (ПЭР). Полимерные вещества для получения растворов. 1. Акриловые полимеры; 2. Биополимеры. Акриловые полимеры – это полимеры, которые получают на основе гидролиза с присутствием щелочи акриловых глин метакриловых элементов на основе органических кислот. RCOOH – органические кислоты. [CH2CHCOOH] – акриловая кислота. R-радикал Полинак – полимер нитрилакриловой кислоты. [CH2CHCN]n… – полимерное вещество. Свойства акриловых полимеров. 1. Полимер на основе нитрилакриловой кислоты имеет линейно-разветвлённую структуру: 2. Стойкость к минерализации 3. Стойкость к Mg++, Ca++, Fe+++ невысокая. В условиях поликатионной минерализации действие этих веществ ослабевает и проявляется в меньшей степени. Ветвь приобретает глобулярную форму и будет образовываться гель (гелеобразование). Гелеобразование приводит к увеличению показателя фильтрации, при этом вязкость возрастает. 4. Стойкость к температуре (до 120⁰С, 180⁰С, 220⁰С). Обусловливается наличием углеродной связи в цепи полимеров. Такая связь устойчива к солевой агрессии. В состав этой группы входит вещество, которое называется нитрильное соединение: [CH2CHCN]n+NaOH+H2O+t⁰C→ →[CH2CHCN]x – полиакрилонитрил →[CH2CHCONH2]y – полиакриламид →[CH2CHCOONa]z – полиакрилат натрия 5. Снижение показателя фильтрации для минерализованных и минерализованных растворов, содержащих соединения NaCl и Na2SO4. В этом случае происходит загустевание раствора, вязкость увеличивается. В зависимости от глубины протекания химических реакций при взаимодействии иходного вещества полимера нитрилакриловой кислоты и щелочи получают два базовых акриловых синтетических полимера – гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН) и гидролизованный поликриламид (ГПАА), на основе которых получают многочисленные модификации, широко используемые в практике бурения скважин. Разновидности реагента ГИПАН: К-4 паста (92% - вода, 8% - сухое вещество) К-9 М-14 – порошок (более предпочтителен, так как затраты на транспортировку меньше) К-4 (ПНАК – полимер нитрилакриловой кислоты: NaOH = 1÷0,4) К-9 (ПНАК: NaOH = 1÷0,9) Разновидности реагентов на основе ГПАА, который получается при взаимодействии выделенного мономера –акриламида со щелочью: [CH2CHCONH2]x + NaOH + H2O + t⁰C→ [CH2CHCOONa]x [CH2CHCONH2]y PC-2 порошок PC-4 ПД-4 в виде пасты ПД-5 МЕТАС гранулы ЛАКРИС (до 220⁰-280⁰С позволяет сохранить свойства раствора) Основное назначение ГППА: 1) Снижение показателя фильтрации в условиях высокой минерализации; 2) Является эффективным флоккулянтом, который позволяет агрегатировать частички твердой фазы. Тем самым улучшает очистку раствора в системе удаления шлама на поверхности; 3) твёрдые частицы флоккула 4) Стабилизация буровых растворов за счет снижения показателя фильтрации и конроля вязкости в любой среде по минерализации. Основные свойства полимеров: 1) Отношение к дисперсной фазе и среде. Если полимерное вещество более активно взаимодействует с водой, то такое вещество называется загуститель. 2) Отношение к флоккуляции (получение хлопьев (агрегатов) твердых частиц в буровом растворе): а) Полные флоккулянты – это те вещества, которые флоккулируют (агрегатируют) все частицы твердой фазы вне зависимости от их состава. Полные флоккулянты (соли – неорганические соединения): Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3, NaCl, CaCl2 б) Селективные флоккулянты – это те вещества, которые флоккулируют в составе бурового раствора небентонитовы частиц (частицы выбуренной породы). Используются для повышения степени очистки бурового раствора. Модификации ГППА и модификации гипана. в) Флоккулянты двойного действия, которые загущают бентонитовый раствор и флоккулируют небентонитовые частицы. В качестве флокулянта двойного действия используют биополимеры. Биополимерные компоненты – это вещества, которые получаются за счет микробиологического синтеза исходных веществ, приобретая за счёт этого новые свойства. Биополимер XC – xantomonoscampestris – ксантановая смола. Свойства: 1) Загущают растворы как пресные, так и минерализованные; 2) Обладают свойством: сдвиговое разжижение – для псевдопластичных полимерных растворов. Сдвиговое разжижение проявляется в том, что при высоких скоростях сдвига раствора (истечение из насадок долота) уменьшается вязкость (раствор разжижается), и снижаются гидравлические сопротивления, более хорошо удаляются частицы шлама с забоя — это положительное свойство полимерных растворов. 3) Экологическая чистота. Это позволяет использовать при бурении в интервалах залегания водоносных горизонтов. Эти реагенты являются биоразлагаемыми, поэтому они в реальных условиях под воздействием бактерий разлагаются, не образуя вредных веществ в коллекторах, и не уменьшают естественную проницаемость этих коллекторов. Биополимер БП-1 – получают за счет микробиологического синтеза культуры на основе кормовой мелассы. Назначение: - загущение пресных и минерализованных растворов; - эффективный структурообразователь; - ингибирующее действие по отношению к глинистым буровым растворам; - эффективный флоккулянт твердой фазы в буровых растворах; - не токсичен – можно использовать при бурении в интервалах водоносных горизонтов. Применяется при бурении горизонтальных скважин, при вскрытии продуктивных горизонтов, где недопустимо использование растворов с присутствием глинистой твёрдой фазы, т.к. они уменьшают естественную проницаемость коллекторов.