Дисперсные системы и промывочные жидкости - Особенности обработки при работе с глиной

Особенности обработки при работе с глиной

 

Обменные реакции замещения ограничены величиной обмен­ной емкости. Наиболее важны катионные замещения, ведущие к существенному изменению глин и глинистых растворов. Дейст­вие каждого катиона индивидуально и зависит от его размеров, активности, гидратации. В ряду обменных реакций глин боль­шое значение имеет и анионный обмен. Он также сказывается на поведении системы глина—вода, во многом определяет ха­рактер поглощения катионов, играет большую роль в химиче­ской обработке. Анионный обмен в глинах изучен слабо.

Наряду с обменными процессами на поверхности глины про­исходят и необратимые реакции. К ним относятся необратимые замещения неорганических и органических катионов и целых групп, фиксация фосфатов и др. Так у ионов Cu2+, K+, NH42+, Mg2+ и других наблюдаются необратимые замещения с обра­зованием поверхностных химических соединений. Большое зна­чение имеют прочные, практически необменные замещения в глинах на органические катионы или соединения, обладающие свойствами оснований. По мере насыщения поверхности орга­ническими катионами, блокирующими активные участки, пада­ют гидрофильность глины и ее обменная способность. Подоб­ный же эффект оказывают образующиеся на поверхности глины сернистые соединения.

Глины способны к реакциям присоединения органических радикалов и целых молекул с образованием поверхностных глиноорганических комплексов. Все они могут характеризовать­ся как неорганические полимеры с «привитыми» органическими группами или полимерными цепями. Такого рода соединения возникают в результате химической обработки глинистых рас­творов полимерами.

Стабилизация и коллоидная защита — основной метод сдер­живания или регулирования коагуляции буровых растворов. Физический смысл стабилизации сводится к созданию таких условий, при которых не могут быть реализованы близкодейст­вующие силы межчастичного притяжения. В ряду этих условий решающее значение имеет механическая прочность высокост­руктурированных стабилизационных слоев, которые являются барьером, предотвращающим сближение частиц. В условиях обычных температур эти слои образуются при взаимодействии реагента с обменными катионами и отчасти с поверхностными атомами кристаллической решетки. При повышении темпера­туры эти слои разрушаются как из-за термической неустойчиво­сти реагентов, так и вследствие недостаточно прочной связи обменных катионов с поверхностью (в этом случае необходимы термостойкие реагенты, прочно связанные с атомами на поверх­ности глины, в том числе и хемосорбционно).

Практически важен и кинетический фактор — уменьшение концентрации твердой фазы. Но основным путем стабилизации буровых растворов все же остается повышение лиофильности путем введения реагентов, образующих на межфазных границах прочные молекулярные слои.

В зависимости от условий стабилизация приобретает различ­ные формы. При отсутствии агрессии, когда надо защитить бу­ровой раствор от концентрационного загустевания, наибольшее значение имеет обработка реагентами — понизителями вязкости. Стабилизация ими является процессом понижения прочности коагуляционных структур. В основе их действия лежит блокиро­вание активных участков поверхности частиц твердой фазы с образованием мощных гелеобразных прослоев, нарушающих сплошность структуры. Этим облегчается передвижение отдель­ных звеньев структуры при течении, снижаются вязкость рас­творов, статическое напряжение сдвига и тиксотропия.

Действие реагентов-стабилизаторов сводится не только к предотвращению или сдерживанию коагуляционного структурообразования и разжижению растворов, но и к улучшению дру­гих параметров, например показателя фильтрации вследствие образования более гидрофильных и малопроницаемых корок. Разжижающее действие реагентов, как правило, интенсивнее, чем гидрофилизация глинистой фазы, в связи с чем при чрез­мерных обработках возникает опасность седиментационной не­устойчивости. Оптимальны такие обработки, которые лишь ограничивают структурообразование, но не ликвидируют его.

Наряду со стабилизацией обычно применяемые реагенты — понизители вязкости оказывают и пептизирующее действие, расщепляя не только вторичные коагуляционные образования, но и основные элементы структуры. Увеличение числа кинетиче­ски активных частиц усиливает загустевание и противодейству­ет разжижению. Конечная консистенция является результирую­щей этих процессов.

При агрессивных воздействиях на буровой раствор (элект­ролитов, температуры) возрастает его коагуляционная уязви­мость, тем более что при этом перерождаются адсорбционные слои обычно применяемых реагентов. В агрессивных средах за­щитные функции выполняют лишь водорастворимые полиэлектролиты, состоящие из гибких макромолекул линейного строения и большой протяженности. Здесь имеет большое значение кон-формация макромолекул.

Конформация макромолекул водорастворимых полимеров и их отношение к твердой фазе определяют механизм защитного действия, по-разному реализующийся в пресных и соленых во­дах. В пресных водах, как правило, основной фактор стабили­зации—образование смешанных полимерглинистых структур. В результате резко снижаются частота и эффективность соуда­рения частиц твердой фазы, вызывающих коагуляционное агре-гирование. Сопряженные высокогидрофильные структуры, вхо­дя в состав фильтрационных корок, снижают их проницаемость и показатель фильтрации.

При введении небольших количеств соли резко снижается объем связанной воды и начинается адсорбция полимера. Свер­тывание макромолекул в соленых средах и осаждение их на частицах твердой фазы сопровождаются разрушением сопря­женных структур и стабилизационным разжижением, изменени­ем структуры фильтрационных корок и увеличением показате­ля фильтрации. При повышенных температурах также происходит свертывание (глобулизация) макромолекул, сопровождае­мое ростом показателя фильтрации.

Рассмотренный механизм взаимодействия глины с дисперси­онной средой и ее компонентами наблюдается и при наличии иной твердой фазы, но его активность будет несоизмеримо сла­бее.

В практике бурения результаты химической обработки оце­ниваются внешними признаками — изменением технологических свойств промывочной жидкости. Однако далеко не всегда изме­ряемые свойства дают возможность предсказать, будет ли про­мывочная жидкость выполнять функции, ради которых проводи­лась химическая обработка. Сюда в первую очередь относятся крепящие свойства растворов. Оценить наличие ингибирующих свойств промывочной жидкости, устойчивость ее как дисперсной системы можно только с течением времени, часто по косвен­ным признакам.

Очень важно, на каком этапе проявления нежелательных признаков в промывочной жидкости (или в породах, слагающих стенки скважины) проведена ее химическая обработка. При не­обратимом развитии нежелательных процессов косвенные при­знаки перестают служить показателями наличия в промывочной жидкости нужных свойств. Так как мы не располагаем опера­тивными количественными методами контроля процессов, про­исходящих в промывочной жидкости, выбор реагента и его кон­центрации, оценка своевременности химической обработки ба­зируются во многом на опыте, интуиции.

Зная, как действует реагент, какие свойства он придает про­мывочной жидкости, каков характер изменения свойств в за­висимости   от   концентрации   реагента,     можно  предположить, что химическая обработка даст определенный эффект. При этом необходимо учитывать факторы, определяющие особенно­сти действия реагента в конкретных геологических условиях. Так как далеко не все факторы могут быть учтены и оценены при выборе того или иного реагента, при сохранении общего ха­рактера действия он может недостаточно эффективно изменять требуемое свойство. В таких случаях приходится изменять кон­центрацию реагента или добавлять другие вещества.

Введение реагентов узкоцелевого назначения может приве­сти к нежелательному изменению других параметров. Для их регулирования и восстановления приходится добавлять соот­ветствующие вещества или их комбинации. В результате полу­чается многокомпонентная система, обладающая оптимальными для данных условий свойствами.

Различают первичную и вторичную обработки промывочных жидкостей. Первичная ставит целью создать промывочную жид­кость заданного качества. Такая обработка выполняется либо в процессе приготовления жидкости, либо в процессе ее цирку­ляции в скважине, когда необходимо изменить ее качество в со­ответствии с ожидаемыми условиями бурения.

Часть реагентов оказывают наибольшее действие, когда их добавляют в воду, на которой приготовляется раствор. Другие не рекомендуется вводить таким образом, так как затягивается приготовление и недостаточно эффективно происходит диспергация твердой фазы. Поэтому порядок первичной химической обработки в процессе приготовления раствора определяется в основном видами реагентов и сложившейся технологией работ.

Первичная химическая обработка в процессе циркуляции раствора осуществляется равномерным введением в желобную систему (приустьевую часть) заранее заготовленного реагента с таким расчетом, чтобы провести обработку за два-три полных оборота промывочной жидкости в скважине.

Вторичная химическая обработка заключается в поддержа­нии свойств жидкости, полученных при первичной обработке. Изменение ее свойств в процессе бурения, определяемое харак­тером влияния на нее проходимых пород, степенью минерали­зации подземных вод и рядом других факторов, может потре­бовать многократную вторичную обработку. Интервал, через который необходимо проводить дополнительную вторичную об­работку, обусловлен интенсивностью изменения свойств про­мывочной жидкости.

Любому виду химической обработки должны предшествовать лабораторные исследования, в результате которых подбирается наиболее эффективный реагент и обосновывается его оптималь­ная концентрация. Весьма важна своевременность химической обработки. Так, если первичная обработка выполняется с це­лью предупреждения осложнений, типичных для определенного горизонта, она должна быть завершена до его вскрытия. Несвоевременная вторичная обработка может оказаться бесполез­ной, так как изменения свойств раствора могут стать необрати­мыми.