Применение глин для получения раствора

Лекция 5 Оценка качества глин и рациональных условий применения глин для получения раствора. 1. Монтмориллонит Основные свойства, характеризующие качество глин: - Развитая поверхность частиц глин – глина хорошо гидратирует, частицы глины распускаются на отдельные частицы; - Межслоевое пространство Создаётся плотная, малопроницаемая корка. Н2О Фильтрационные свойства хорошие, так как частицы бентонита имеют размер коллоид- ных частиц 10-5 – 10-7 мм. - Кг = (2  3) % При малой Кг получается раствор с хорошими структурными, тиксотропными и реологическими свойствами при малых концентрациях. Недостатки: - Бентонитовая глина в составе раствора подвержена влиянию минерализации, то есть наличие электролитов в растворе или попадание их в раствор из пластовых вод, перебуриваемых пород приводит к ухудшению качества раствора (коагуляции). - Низкая плотность раствора. Возникает необходимость утяжеления раствора. 2. Гидрослюдистые глины - Гидратация таких глин осложнена(затруднена) из-за присутствия в них жесткого катиона с калием. К+ Н2О - Недостаточная гидратация приводит к тому, что для получения необходимых структурных и реологических свойств требуется повышение содержания глины в 2 или более раз в растворе; - Глина плохо гидратирует, частички глины более крупные, чем у бентонита, поэтому фильтрационная корка образуется рыхлая, показатель фильтрации большой; - Гидрослюдистая глина не является носителем электрических зарядов, поэтому растворы на их основе не подвержены влиянию минерализации. Основные рациональные условия применения: а) Утяжеление растворов из бентонита; б) Увеличение стойкости бентонитовых растворов в условиях минерализации. 3. Палыгорскитовые глины - Независимость свойств от минерализации; - Образование хороших структурных и реологических свойств в условиях любой минерализации; - Такие растворы обладают большими значениями показателя фильтрации. Корка образуется толстая, рыхлая. Рациональные условия применения: - Добавка к бентонитовым растворам для увеличения их стойкости к минерализации; - Утяжеление бентонитовых растворов; - Бурение в условиях высокой минерализации. На сегодняшний день для получения растворов используют следующие типы глин: 1) Бентонитовые глины (серого, бело-серого, серо-зеленого, чёрного цвета). Основной минерал – монтмориллонит; 2) Палыгорскитовые глины (красного цвета). Основной минерал – палыгорскит; 3) Каолинит – гидрослюдисые глины невысокого качества, комплекс переходных продуктов (буро-красноватые); 4) Местные глины – комовые; 5) Порошки. В основном, для приготовления буровых растворов используют порошки. Преимущества порошков: 1) Улучшенный процесс транспортировки; 2) Убыстряется процесс приготовления раствора; 3) Происходит более быстрая гидратация глины; 4) Снижаются трудозатраты и энергозатраты на получение единицы объема; 5) Можно легко воспроизводить рецептуру буровых растворов при использовании сухих компонентов; 6) Легко получаются «компаунды» – смеси сухих компонентов бурового раствора, удобны при транспортировке в отдалённые и труднодоступные районы; 7) Удобство хранения. На производство глинопорошков существуют технические условия (стандарты): ТУ 39 – 0147001 – 105 – 95. Типы: Б - бентонитовые; П – палыгорскитовые; КГ – каолинит-гидрослюдистые; М – модифицированные. Модификация – применяется для повышения качества. В модификации используют: Na2CO3 – кальцинированная сода, полимеры, органические вещества. Компания OOO Bentolux выпускает бентониты по стандарту API 13 A В частности производится бентонит для условий горизонтального бурения скважин марки Bentolux Horizont который позволяет : -для получения буровых растворов с малым содержанием твердой фазы; -создавать структурированные системы для промывки горизонтальных скважин-улучшаются условия очистки от шлама ; -совмещаться в составе растворов со всеми его компонентами; -иметь стабильную консистенцию раствора при наработке в его составе твердой фазы; -получать стабильные параметры при использовании воды любой минерализации. Такой бентонит позволяет получать выход раствора ВР=35-37 м3 из 1 т сухого порошка при его вязкости по воронке Марша около 52 с (25-30 с по ВП-5 ). Основной показатель качества – выход раствора (Вр) – количество м3 раствора, которое можно получить из 1 т сухой глины при условии, что условная вязкость Т = 25 с, а эффективная μЭ = 20 мПа∙с. В зависимости от выхода раствора выделяют следующие группы глин в соответствии с ТУ 95 г: А – 20 м3 и более из 1 т глины; Б – 16 м3 из 1 т глины; В – 12 м3 из 1 т глины; Г – 8 м3 из 1 т глины; Д – 5 м3( 4м3) из 1 т глины; Н – менее 5 м3 (4 м3) из 1 т глины. Марка глинопорошка содержит основные сведения о типе глины и группе, к которой принадлежит глинопорошок. Например, ПБМА: П – порошок; Б – бентонитовый; М – модифицированный; А – ВР = 20 м3 и более из 1 тонны глины. ППБ: П – порошок; П - палыгорскитовый; Б – Вр = 16 м3 из 1 т глины. Параметры, характеризующие качество и свойства глин. 1. Объемная концентрация глины – КГ На основе уравнения баланса масс: mк= mисх + Σmдоб mр=mв + mг Vрр = Vр (1 – Кг)в + Vр Кгг mраствора mв mг р =  2. Выход раствора – Вр (м3 из 1 т глины) ; = 1т , м3 Выход раствора определяется следующим образом: 1) Берется 3 сосуда по 400 см3с водой нагретой до 70⁰C; 2) Берётся 3 навески глины: 25-30 г, 35-40 г, 50-60г; 3) Готовим раствор (используем миксер «Воронеж»), перемешивая 5  15 минут; 4) Измеряем φ600 на приборе ВСН-3. Q, г φ600, град 25 … 35 … 50 … 5) Строим график φ600 град Q, г 6) Рассчитываем эффективную вязкость μЭ, мПа∙с 7) Строим график э мПас э=20 Q, г Qст Qст – это та масса навески, при которой мы получаем э = 20 МПас 8) Берем навеску Qст Qст(стандартная масса навески порошка бентонита) → 400 см3, нагреваем до 70⁰С; 9) Измеряем вязкость ( вязкость должна быть равна 25 с); 10) Измеряем плотность раствора (ρст при Qст); 11) Определяем выход раствора Вр 12) Определяем марку глинопорошка. 3. Способность к гидратации Это способность присоединять (адсорбировать) дипольные молекулы воды с частичками глины. Способность к гидратации зависит от типа глин и их характеристик. Na+ - глины, образуются в морском бассейне; Ca++ - глины, образуются в пресноводном бассейне. Катион Na+ Ca++ Валентность 1 2 Размер иона, Å 0,98 1,06 1 Å = 1  10-10 м Способность взаимодействовать зависит от валентности и размера ионов. Чем выше валентность или заряд иона и меньше поперечный размер частицы иона, тем труднее ионы отделяются от глинистой частицы и труднее идет гидратация. Са+2 Са+2 Н2О Са+2 Са+2 Na+ Na+ Н2О Na+ Na+ Натриевые глины гидратируют более сильно. 4. Влияние минерализации – содержание хлоридов натрия (NaCl) а) до ввода NaCl: если в растворе отсутствует минерализация в виде хлорида натрия ,то диссоциированные молекулы воды способствуют интенсивной гидратации частиц глины за счет поступления катионов водорода на их поверхность ,имеющую отрицательные заряды.Так как эти катионы насыщают поверхность частиц ,это способствует вытеснению с нее обменных катионов Na + ,которые поступают в раствор и взаимодействуя с анионами гидроксила OH- усиливают щелочную среду раствора ,которая является благоприятной для гидратации частиц глины – адсорбированные поверхностью глинистых частиц катионы водорода увлекают за собой родственные молекулы воды и анионы гидроксила-растет гидратная оболочка вокруг глинистых частиц: Na+ Н+ Na+ + ОН- = NaОН ОН- Н2О  Н+ + ОН- Na+ Н+ Na+ + ОН- = NaОН ОН- Н2О  Н+ + ОН- Na+ Н+ Na+ + ОН- = NaОН гидратная оболочка рН  7 – щелочная среда Н+ + Cl- = HCl Н+ Na+ NaCl  Na+ + Cl- ОН- Н+ + Cl- = HCl Н+ Na+ ОН- ОН- Н+ + Cl- = HCl p H< 7 -среда кислая В том случае,если в раствор попадает хлорид натрия NaCl при его диссоциации выделившиеся катионы Na+ адсорбируются глинистыми частицами,вытесняя при этом катионы водорода -они поступают в раствор увлекая за собой родственные молекулы воды и анионы гидроксила ,увеличивая тем самым концентрацию Н+ в растворе и при их взаимодействии с анионами Cl- образуется соляная кислота ,что в сочетании усиливает кислотность среды раствора ,и в том состоянии глинистые частицы с поглощенными катионами натрия и лишенные гидратной оболочки остаются в недостаточном гидратированном состоянии –свойства глинистого раствора ухудшаются. В кислой среде взаимодействие частиц глины и молекул воды уменьшается. Для получения раствора высокого качества должно быть pH = 8 9. Присутствие NaCl ухудшает качество раствора ,что требует введения в раствор защитных органических реагентов. 5. Схема кристаллической решетки глин Глины имеют слоистое строение. Среди этих слоёв выделяют тетраэдрические подслои и образованные основаниями тетраэдров гексагональные структурные элементы кристаллической решетки с присутсвием обменных катионов: Al,Li ОН обменные катионы: Ca++; Mg++; K+; Na+; NH4+ (О) (О) ОН Al,Li Al,Li ОН ОН (О) 6. Обменная ёмкость глин Это количество г-ион (молей), которое содержится в одном кг сухой глины. Причинами катионного обмена глин являются следующие факторы: 1) Внутрикристаллическое замещение, связанное с катионным обменом (замещение атомов Al и Li обменными катионами); 2) Нарушение связей на краях глинистых частиц; + - 3) Наличие катионов водорода и анионов гидроксила (ОН-) внутри кристаллической решетки или в межслоевом пространстве. Обменная емкость глин характеризует способность глин связывать определенное количество обменных катионов ,причем эти обменные катионы могут быть частично или полностью замещены другими катионами в эквивалентных количествах. Эквивалент вещества-это такое количество вещества ,которое реагирует с 1 г (1 молем) водорода или вытесняет(замещает ) такое же количество водорода в его соединениях- (ат масса Н+ 1г или 1 моль ). Монтмориллонит имеет обменную емкость 0,8 ÷ 1,6 г-ион на 1кг сухой глины; Гидрослюды имеют обменную емкость 0,1÷ 0,4 г-ион на 1кг сухой глины; Палыгорскит имеет обменную емкость 0,2 ÷ 0,3 г-ионна 1кг сухой глины; Каолинит имеет обменную емкость 0,03 ÷ 0,15 г-ионна 1кг сухой глины. Если составе обменного комплекса глин содержится 60-70 % катионов Na+ то такую глину называют натриевой, а глину у которой преобладают в обменном комплексе катионы Са +2 и др. поливалентные катионы называют кальциевой –они меньше набухают и медленнее диспергируются в воде по сравнению с натриевыми глинами. 7. Способность к модификации Способность глин участвовать в обменных реакциях используется при вскрытии продуктивных коллекторов ,имеющих высокую глинистость с преобладанием глин Na + типа для чего применяют растворы насыщенные катионами Са +2,что позволяет избежать чрезмерных набухания и гидратации при их перебуривании и сохранить естественную проницаемость таких коллекторов. Кроме того глины способны адсорбировать органические катионы аммония NH +4 : NH4+ NH4 NH4+ NH4 органические катионы насыщают NH4 NH4+ Образуется модифицированный тип глин: Органофильная глина Олеоглина Аммонийная глина РУО ( Для растворов на углеводородной основе) Органоглина