Глинопорошки. 
Расчет расхода оптимального количества бурового раствора при бурении эксплуатационных скважин на площади "Гармистан"

Глинопорошок представляет собой высушенную и измельченную глину с химическими реагентами или без них. Для приготовления буровых растворов используют в основная глинопорошки из бентонитовых, гидромодистых (местных) и палигорскитовых глин, каждая из которых содержит различные примеси других минералов. В бентонитовых глинопорошках содержится 70% и более минерала монтмориллинита.

Уже достаточно давно в практике бурения не применяют комовых глин из карьеров, так как они не удовлетворяют требованиям, необходимым для получения высококачественных растворов. 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.

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 вайомингский 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.

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).

Бентониты принято подразделять на щелочные (натриевые) и щелочно — земельные (кальциевые). В составе обменной емкости натриевых бентонитов преобладают одновалентные металлы Na⁺ К⁺. Натриевые бентониты обладают высоким осмотическим давлением, хорошо набухают и диспергируются в воде, могут переходит высокий выход раствора. Кальциевые бентониты имеют низкое осмотическое давление, слабо набухают и диспергируются в воде, могут переходит в натриевые (добавка кальцинированной соды), имеют низкий выход раствора.

Применение бентонитовых глинопорошков экономически очень выгодно, так как позволяет обложить и ускорить приготовление и регулирование параметров буровых растворов, снизить расходы материалов. Эти преимущества возрастают при использовании порошков с высокими выходами раствора (до 18 м³/т), в то время как у обычных глин выход раствора 2−3 м³/т.

Недостаткам бентонитовых порошков является то, что они дают суспензии малой плотности и весьма чувствительны к агрессивным воздействиям солей. Это устраняют путем добавок утяжелителей или низкокаллоидных глин и защитных реагентов. Следует отметить, что утяжеление бентонитовых суспензии низкокаллоидными глинами крайне нежелательно, так как это ведет к повышенному содержанию твердой фазы в растворе и связано с трудностями при регулировании структурно — механических свойств раствора.

Наряду с бентонитовыми применяются гидромодитые (местные) глинопорошки, при использовании которых в 3−4 раза удорожаются буровые растворы по сравнению с растворами из местных кашовых глин. Для повышения качества глинопорошков всех типов на ряде заводов во время помола глинистое сырье модифицируют путем химической обработки различными реагентами. Добавка кальцинированной соды переводит кальциевые глинопорошки в натриевые, при этом выход раствора повышается с 6−8 до 9−10 м³/т.

Комбинированные обработки глинопорошка небольшими количествами окиси молния и КМИ, читана, метаса позволяют повысить выход раствора из бентонитов с 7−10 до 15−18 м³/т. И снизить их чувствительность к агрессивному воздействию электролитов. Модифицированные глинопорошки выпускают заводы глинопорошков. Основные рецептуры модифицирования приведены ниже:

• 1) глинопорошок +5% Na₂CO₃ (Ca²⁺ фракции переводятся в Na⁺)
• 2) глинопорошок + окись магния (MgO);
• 3) глинопорошок + КМЦ — 500 + Na₂CO₃;
• 4) глинопорошок + 0,3% метаса + 3% Na₂CO₃;
• 5) глинопорошок + М-14;
• 6) глинопорошок + ССБ + Na₂CO₃;

В соответствии с техническими условиями и в зависимости от качества сырья глинопорошки делятся на пять сортов:

высший и I сорт получают из качественных натриевых бентонитовых глин;

II и III сорт — из менее качественных натриевых и кальциевых глин;

IV сорт — из гидрослодистых или илинтовых глин.

Выход раствора из глинопорошка, вязкость, плотность и содержание в нем песка находят так же, как и при определении качества глины.