Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 27

 

 

буровым  шламом  и  находящимся  в  нём  во  взвешенном  состоянии.  Эта  твердая  фаза 
подвергается  химической  обработке  с  целью  поддержания  заданных  свойств  бурового 
раствора. 

3) 

Инертная  твёрдая  фаза

  -  это  та  часть  твёрдой  фазы,  которая  не  вступает  в 

химические  реакции.  К  ней  относятся  известняки,  доломиты  или  песок.  Добавляемый  в 
буровой  раствор  с  целью  повышения  его  плотности  барит  также  относится  к  инертным 
веществам. 
 

Гидратация глин 

Для  лучшего  понимания  поведения  буровых  растворов  и  химического  состава  всех 

трёх фаз бурового раствора следует рассмотреть некоторые аспекты химии глин. Глины  - 
это  грунтовые  материалы,  которые  при  смешивании  с  водой  приобретают  пластичность. 
Это  происходит  потому,  что  некоторые  глины  легко  поглощают  воду.  Эти  глины 
называются  гидрофильными.  Если  глина  не  поглощает  воду,    она  называется 
гидрофобной.  Глины,  применяющиеся  с  пресноводными  системами  буровых  растворов, 
состоят  из  гидратированных  алюмосиликатов  с  очень  малым  размером  частиц.  Они 
образуются из чередующихся слоёв кремния и оксида алюминия, расположение которых 
несколько отличается у различных глинистых минералов. Частица глины может состоять 
лишь из одного слоя или из бесчисленного числа слоёв, расположенных друг над другом, 
аналогично  колоде  карт,  удерживающихся  вместе  остаточными  силами.  Находясь  во 
взвешенном  состоянии  в  воде,  глины  обнаруживают  различную  способность  к 
разбуханию,  что  определяется  их  происхождением,  а  также  химической  и  коллоидной 
природой других химических элементов. 

Наиболее 

важным 

и 

широко 

применяющимся 

глинистым 

минералом, 

обеспечивающим  необходимую  вязкость  и  предупреждение  водоотдачи  бурового 
раствора  является  Вайомингский  бентонит  или  монтмориллонит  натрия.  Находясь  в 
пресной  воде,  слои глины  адсорбируют  воду  и  разбухают  до  такой  степени,  когда  силы, 
удерживающие  их  вместе,  ослабевают  так,  что  отдельные  слон  глины  могут  отделяться 
друг от друга. Расслоение частиц глины называется  дисперсией. Такое увеличение числа 
частиц  глины  с  результатирующим  увеличением  площади  их  поверхности  приводят  к 
загустеванию  суспензии.  На  рис.  1  показана  микрофотография  частиц  бентонита. 
Обратите  внимание,  что  она  напоминает  раскрытый  веер  игральных  карт.  Видно,  как 
несколько  пластинообразных  частиц  перекрывают  друг  друга.  Именно  эта  особенность 
формы частиц глины обеспечивает предупреждение водоотдачи бурового раствора. 

 

Рис.1. Микрофотография частиц бентонита. 
 
Молекула  бентонита  состоят  из  3-х  слоёв:  слой  оксида  алюминия,  находящийся 

между двумя слоями кварца. Эта структура показана на рис.2. Глинистая пластинка имеет 
отрицательный  заряд  и  окружена  облаком  катионов.  Если  эти  катионы  являются 

 

 

преимущественно  натриевыми,  то  глина  называется  монтмориллонитом  натрия,  если 
катионы кальциевые, то это монтмориллонит кальция. 

 

Рис.2. Вода гидратации монтмориллоните кальция и натрия. 
Толщина  адсорбированной  плёнки    воды  определяется  типом  и    количеством 

катионов.  Плоскостная  вода  составляет  основную  часть  общего  количества  воды, 
удерживаемой глинистым коллоидом. Двухвалентные  катионы,  такие как Са

 

 

и

 

 Mg

 

 

увеличивает  силу  притяжения  между  пластинками,  тем  самым  уменьшая  количество 
воды,  которое  может  адсорбироваться.  Моновалентные  катионы,    такие,  как  Na

 

 

обуславливают  меньшую  силу  притяжения  и,  следовательно,  позволяют  большему  
количеству  воды  про  никнуть  между  частицами.  Это  схематические  представлено  на 
рис.2.Следует  отметить,  что  монтмориллонит  кальция,  ввиду  наличия  ионов  кальция, 
разбухает в четыре раза меньше чем монтмориллонит натрия. Это значит, что для данной 
концентрации  глин      в  пресной  воде,  натриевые  глины  (М-I  GEL)  обеспечивают  более 
высокую вязкость, чем кальциевые глины. Или, как будет показано ниже, для достижения 
определенной вязкости потребуется в четыре раза больше кальциевых глин. 

 

Процесс соединения глинистых частиц 

Кроме  знания  количества  и  качества  глин,  содержащихся  в  буровом  растворе,  не 

обходимо знать степень связи глинистых частиц. Различные типы связи глинистых частиц 
оказывают  большое  влияние  на  реологию  суспензий  глин,  для  понимания  и 
регулирования  реологических  характеристик  буровых  растворов  необходимо  знать  эти 
процессы соединения глинистых частиц. 

Плоские,  напоминающие  пластинки  частицы  глины  имеют  две  различные 

поверхности.  Планорная  поверхность  частицы  имеет  отрицательный  заряд,  а  её  грани,  в 
том месте, где решётка разрушена и обнажена поверхность связи - положительный заряд. 
Эти  электрические  заряды  и  взаимозаменяемые  катионы  создают  электрическое  поле 
вокруг  частицы  глины,  которое  определяет  характер  взаимодействия  частиц  друг  с 
другом.  Если  взаимозаменяемые  ионы  не  связаны  с  поверхностью  частицы,  то  сила 
отталкивания между плоскими отрицательно заряженными пластинами велика и пластины 
будут  диспергироваться  друг  от  друга.  Полная  дисперсия  встречается  редко  и  может 
происходить  в  разбавленных  суспензиях  очищенного  монтмориллонита  натрия.  Обычно 
же между частицами наблюдается некоторая степень связи. 

 

 

Частицы  глины  могут  находиться  в  состоянии  агрегации,  дисперсии,  флокуляции 

или    дефлокуляции  (см.рис.3).  Они  могут  одновременно  находиться  в  нескольких 
состояниях при одном доминирующем состоянии. 

 

Рис.3. Связь частиц глины 
 

Агрегация

 (связь грани к грани) приводит к образованию более толстых пластин или 

пачек,  это  уменьшает  число  частиц  и  соответственно  пластическую  вязкость.  Причиной 
агрегации  может  быть  появление  двухвалентных  катионов,  таки,  как  Са

 

  в  буровом 

растворе.  Это  происходит  при  добавлении  извести  или  гипса  или  же  при  бурении 
ангидритов  или  цемента.  После  первоначального  увеличения  вязкости  происходит  её 
понижение до величины, меньшей исходной.   

Дисперсия  - процесс, обратный  агрегации, приводящий  к  увеличению  числа  частиц 

глины  и    пластической  вязкости.  Пластинки  глины  обычно  агрегируются  перед 
гидратацией,  а  в  процессе  гидратации  происходит  некоторое  диспергирование.  Степень 
дисперсии  зависит  от  содержания  электролита 

воды,  времени,  температуры, 

взаимозаменяемых  катионов  глин  и  концентрации  глины.  Даже  вайомингский    бентонит 
полностью не может диспергироваться в воде при комнатной температуре. 

Флокуляция

  характеризуется  соединением  частиц  торец–к-торцу  и/или  торец-к- 

грани, что приводит к образованию структуры типа «карточный домик». А это вызывает 
увеличение  вязкости.  Степень  повышения  вязкости  зависит  от  сил,  действующих  на 
связанные частицы, а также от числа имеющихся частиц. Любой процесс, увеличивающий 
силы  отталкивания  между  частицами  или  же  сокращающий  адсорбированную  пленку 
воды  такой,  как  введение  двухвалентных  катионов  или  высокая  температура,  вызывает 
флокуляцию.   

Дефлокуляция

  -  это  разрушение  связей  флоккулированных  частиц.  Введение 

определенных  химреагентов  в  буровой  раствор  нейтрализует  электрохимические  заряды 
глинистых  частиц.  А  это  нейтрализует  силы  притяжения,  приводящие  к  образованию 
связей  между  частицами  типа  торец-к-торцу  и/или  торец-к-грани.  Ввиду  того,  что 
дефлокуляция  приводит  к  понижению  вязкости,  дефлокулянты  часто  называют 
разжижителями буровых растворов. 

 

  

Выход бурового раствора 

Выход  бурового  раствора  определяется  как  число  баррелей  бурового  раствора 

вязкостью  15  сПз,  которые  можно  получить  из  одной  тонны  сухого  глинопорошка.  Из 
рис.4  видно,  почему  именнс15  сПз  было  выбрано  в  качестве  определяющего  фактора 

 

 

выхода бурового раствора. Критическая точка кривой всех типов глин отмечается при 15 
сПз.  Введение  больших  объёмов  глины  до  15  сПз,  незначительно  повышает  вязкость 
бурового  раствора.  В  то  время,  как  добавление  глин  даже  в  небольших  количествах,  к 
буровым  растворам,  имеющим  вязкость  выше  15  сПз,  приводит  к  значительному 
увеличению  вязкости.  Это  относится  не  только  к  промышленным  глинам,  но  также  к 
гидратируемому  буровому  шламу.  Важно  отметить  также  то,  что  глинистая  суспензия  с 
вязкостью 15 сПз поддерживает барит во взвешенном состоянии в утяжеленных буровых 
растворах. 

Этот график может оказаться очень полезным для инженера по буровым растворам. 

С  его  помощью  можно  определить  плотность,  весовой  процент,  объёмный  процент 
твёрдой  фазы,  выход  раствора  в  баррелях  на  тонну,  вес  твёрдой  фазы  в  одном  барреле 
бурового раствора при данной вязкости различных глин. 

Например, для получения бурового раствора вязкостью 15 сПз необходимо около 20 

фунт/барр  бентонита  (М-I  GEL).  Из  графика  видно,  что  в  таком  растворе  будет 
содержаться  5  1/2%  (вес.)  и  2  1/2%  (объёмн.)  твёрдой  фазы,  плотность  его  составит  8,6 
фунт/галл, а выход раствора -100 барр/т. 

Если  глина  адсорбирует  меньше  воды,  то  выход  раствора  будет  меньше,  для 

сравнения,  если  для  получения  раствора  вязкостью  15  сПа  использовали  суббентонит,  в 
нём будет содержаться 18% (вес.) и 8 1/2% (объёмн.) твёрдой фазы, плотность его будет 
9,4 фунт/галл, а выход - 28 барр/т. 

Глины  выполняют  различные  функции  в  буровых  растворах.  Увеличить  вязкость 

бурового раствора при минимальном содержании твердой фазы лучше всего можно путем 
добавления  материала  с  максимальным  выходом  (М-I  GEL).  Понижение  водоотдачи 
достигается введением бентонита.