Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 52

 

 

С  экономической  точки  зрения  разбуриваемая  твёрдая  фаза  и  связанные  с  ней 

проблемы  в  большей  степени  удорожает  стоимость  раствора,  чем  все  другие  виды 
примесей. Основная задача данной дискуссии — исследовать общие химические примеси. 

1. Ангидрит (CaSO

4

) и гипс (CaSO

4

•2H

2

O) 

2. Цемент (сложный силикат (Са(ОН)

2

) 

З.  Соль  (каменные  соли,  добавляемая  вода,  морская  вода,  хлористый  магний, 

кальций и натрий, связанная вода). 

4. Кислые газы (двуокись углерода и хлористый водород). 
За  исключением  кислых  газов  эти  примеси  непосредственно  связаны  с  реакциями 

ионного  обмена  с  глинами.    Реакция  ионного  обмена  происходит  при  контактировании 
натриевого  бентонита  с  химической  средой  с  высоким  содержанием  ионов  других 
металлов.  В  резулыате  происходит  химическое  превращение  бентонита  в менее  текучую 
глину. А это в свою очередь влияет на адсорбированную воду, форму и размер частиц и, в 
конечном счёте, на реологию и контроль за водоотдачей. 

Серьёзность  такого  положения  послужила  причиной  разработки  циркуляционной 

системы, допускающей использование этих примесей. 

 

Ангидрит или гипсовые примеси 

В  мире  существует  немного  мест,  где  не  разбуривался  бы  ангидрит  или  гипс.  По 

химическому составу они почти идентичны. Гипс в соединении с водой более растворим, 
чем  ангидрит.  Роль  этой  примеси  в  основном  зависит  от  объёма  разбуренной  породы. 
Загрязнение можно снизить при осаждении ионов кальция или преобразовании в систему 
с  кальциевым  основанием.  Известковая  и  кальциевая  с  гипсовым  основанием  системы 
могут выдерживать загрязнение ангидритом или гипсом. 

Начальное влияние этого типа примеси на циркуляционную систему  бентонитового 

типа  выражается  в  высокой  вязкости,  в  высоком  статическом  напряжении  сдвига  и 
повышенной водоотдачи. Предел влияния этих свойств является функцией концентрации 
химических стабилизаторов в буровом растворе 

CaSO 

4

Са





+

 SO

4



 

Растворимость  CaSO

4

,  регулируется  рН,  минерализацией  и  температурой. 

Повышение  рН  и  температуры  снижает  растворимость  гипса,  а  увеличение  хлорида  в 
глинистом  растворе  увеличивает  растворимость  гипса.  Приведенная  реакция  обратима  и 
может достичь некоторого уровня равновесия с другими свойствами бурового раствора. 

 

Факторы обнаружения 

Первым  признаком  загрязнения  ангидритом  или  гипсом  является  увеличением 

вязкости и прогрессирующая прочность геля. Но поскольку это и первый признак других 
типов загрязнения, необходимы количественные и качественные испытания. 

1.  Количественное  испытание  должно  показать  увеличение  фильтрата  кальция.  В 

начале  это  может  быть  не  явным,  если  есть  осадки  в  виде  кальцинированной  соды, 
бикарбоната  натрия  и  фосфатов  и  если  увеличивается  рН  циркуляционной  системы. 
Уменьшение  этих  силикатов  растворяющимся  CaSO

4

  ведет  к  снижению  рН  и  резкому 

увеличению водоотдачи кальция. 

2. Наиболее надежный индикатор - снижение рН. 
3.  В  резулыате  относительно  ограниченной  растворимости  ангидрита  и  гипса  в 

шламе  могут  быть  следы  минерала.  Во  многих  случаях  это  подтверждается  наличием 
небольших телых пористых шариков кислоторастворимого материала на шламе. 

4.  Качественный  анализ  должен  показать  увеличение  ионов  сульфата,  а  также 

обнаруживает  наличие  иона  сульфоната.  Если  в  качестве  первичного  стабилизатора 
используется  лигносульфонат,  испытание  не  имеет  смысла,  если  только  не  проводится 
сравнение с незагрязненным раствором. 

 

 

 

Регулирование примеси 

Обработка раствора для  удаления  гипса/ангидрита состоит из следующего: 
1.  Увеличения  концентрации  стабилизатора  в  системе.  Лигносульфонат  и  лигнит  в 

одинаковой  степени  устойчивы  к  кальцию.  Такая  обработка  может  быть  достаточной  в 
зависимости  от  объёма  разбуренного    ангидрита  или  гипса.  Лигнит  образует  келадное 
соединение с ионом кальция и, таким образом, удаляет его. 

2. рН нужно поддерживать между 9,5 и 10,5 с помощью каустической соды (NаОН) 

или 

КОН. 

Этим 

подавляется 

растворимость 

CaSO

4

 

и 

усиливает 

действие 

лигносульфоната. 

3.  Увеличение  кальцием  в  фильтрате  возможно  любым  способом.  Обработка 

безводной  кальцинированной  содой  наиболее  эффективна,  и  повышает  также  и  рН. 
Поэтому,  требования  к  каустической  соде  снижаются  растворением  безводной 
кальцинированной соды в воде. 

Na

2

CO

3

+ H

2

O  ( НСО

3

+ СО

3

)+ 2NaOH(рН<11,3) 

Если  присутствуют  ионы  кальция,  они  осаждаются  в  виде  нерастворимого  СаСО

3

 

или известняка. Это реакция между безводной кальцинированной содой и гипсом. 

Na

2

CO

3

+ CaSO

4

  Na

2

CO

4

+ СаСО

3

 ↓ (рН> 11.3) 

Подобная реакция происходит когда бикарбонат натрия используется как осадитель. 

В  результате  реакции  образуются  побочные  продукты  СаНСО

3

  высоко  растворимый 

материал  (зависящий  от  рН).  С  добавлением  каустической  соды  (для  поддержания  рН 
выше  9,7)  ион  бикарбоната  превращается  в  карбонат.  Затем  он  реагирует  с  фильтратом 
кальция  для  осаждения  СаСО

3

.  Однако,  промежуточный  период  в  течение  которого 

присутствует  ион  бикарбоната,  может  создать  ряд  проблем,  включая    само  загрязнение. 
Поэтому  обезвоженная  кальцинированная  сода  предпочтительней.  для  расчёта 
необходимого объёма добавки см. таблицу 1. 

Фосфаты  также  обладают  способностью  осложнять  фильтрат  кальция.  Эта  реакция 

дает нерастворимый фосфат кальция. Имеются следующие материалы: 

пирофосфорнокислый натрий 

- рН 4.8  Nа

2

Н

2

Р

2

О

7

 

тетрофосфат натрия                          - рН 8,0    Na

6

P

4

O

13

 

тетрапирофосфат натрия 

             - рН 10,0    Na

4

P

4

O

7

  

Фосфаты ограничиваются своей температурной стабильностью (около 93,33 °С). 
Выше  этой  температуры  они  превращаются  в  ортофосфаты.  Поэтому  они  не 

эффективны в качестве стабилизаторов, но всё же в состоянии удалить кальций.   

 

Обращение системы с кальциевой основой. 

При бурении массовых разрезов ангидрита или гипса трудно поддерживать нужные 

реологические  свойства  и  водоотдачу.  Поэтому  во  время  бурения  допускается 
проникновение сернокислого кальция в циркуляционную систему и обращение системы в 
другой тип раствора. 

Это  может  быть  обращение  в  гипсовый  тип  обработкой  каустической  содой, 

лигносульфонатом и  дополнительным  гипсом.  Гипсовый  раствор  -  это  система  с  низким 
рН,  но  с  большим  количеством  каустической    соды  для  поддержания  его  на  уровне  9,5-
40,5.  Лигносульфонат  добавляется  для  получения  нужной  степени  стабилизации.  Гипс 
добавляется  до  тех  пор,  пока  не  перестанет  оказывать  вредное  воздействие  на 
реологические  свойства,  а  затем  задерживается  в  избытке  для  сохранения  химической 
реакции. Типичные уровни кальция в гипсовом растворе от 600 до 1200 мг/л. 

Раствор  можно  преобразовать  в  известковый  с  помощью  подобной  обработки. 

Вместо гипса добавляется известь и поддерживается в избытке. рН известкового раствора 
должно  регулироваться  свыше  11,5  добавлением  каустической  соды  и  извести. 

 

 

Каустическая  сода  реагирует  с  сернокислым  кальцием  для  получения  дополнительно  из 
вести по следующему уравнению: 

2 NaOH + CaSO

4

    Са(ОН)

2

 + Na

2

CO

4

 

В  результате  обработанной  известью  раствор  требует  очень  большого  количества 

каустической  соды  для  поддержания  избытка  извести  при  бурении  больших  объемов 
ангидрите  или гипса.  Поэтому  предпочтителен  гипсовый  раствор.  Оба  раствора  требуют 
добавления  агента  регулирования  водоотдачи,  например,  Полипэк,  Полисэл,  Резинекс  и 
др. 

 

Цементная примесь 

Вероятность  разбуривания  цемента  существует  на  всех  скважинах.  Цемент  не 

является  примесью  при  использовании  чистой  воды,  соленой  воды,  растворов  на 
кальциевой  основе  или  нефтяной  основе  или  в  случае  хорошей  обработки  цемента. 
Наиболее широко используется бентонитовая система с низким рН. В этом случае цемент 
очень  вреден  для  раствора.  Серьезность  загрязнения  зависит  от  предварительной 
химической  обработки,  типа  шлама  и  концентрации,  объёма  разбуриваемого  цемента  и 
степени его выдержки в скважине. 

Начальное воздействие цементной примеси  - высокая вязкость, очень прочный гель 

и  невозможность  регулирования  водоотдачи.  Это  результат  адсорбции  иона  кальция  в 
глинистые  частицах,  вызывающие  образование  хлопьев  и  увеличение  рН.  Цемент  -  это 
сложный силикат извести или просто Са(ОН)

2

. При растворении в воде или водной фазе 

бурового раствора получается избыток ионов гидроксила. 

Са(ОН)

2

   Са





 + 20Н



 (рН <11.7) 

Приведенная реакция обращаемая и представляет собой некоторую точку равновесия 

между  концентрацией  цемента  в  растворе  и  его  рН. Растворимость  извести  уменьшается 
по  мере  увеличения  рН  раствора.  При  повышении  рН  выше  11,7  известь  выпадает  в 
осадок. Поэтому известь становится практически нерастворимой при рН выше 11,7 и дает 
избыток или резерв не реагировавшей извести в результате нерастворимого цемента. 

Если объём  разбуриваемого  цемента относительно  невелик,  проблем  нет.  Раствор  с 

примесью  можно  очистить  на  грохоте  или  обработать  его  стабилизаторами  или 
осадителю. Очень важна стадия буровых операций. Небольшая примесь после обработки 
устраняется  и  в  стволе  остается  жидкость  в  качестве  надпакерной,  но  правильное 
кондиционирование раствора требует времени. Цементная примесь при высокой забойной 
температуре должна обрабатываться быстро и полностью во избежание желирования или 
отвердения. 

При  разбуривании  большого  объёма  цемента  следует  учитывать  следующие 

варианты. 

1.  Если  бурение  находится  на  промежуточной  или  конечной  стадии,  для 

разбуривания  цемента  лучше  использовать  воду,  а  не  раствор.  Это  выполняется  при 
нахождении  цемента  в  полностью  обсаженном  стволе  и  при  отсутствии  связи  давления 
через цемент. 

2.  Используя  буровой  раствор,  следует  решать  проблему  примесей  на 

промежуточной стадии, т.к. обычно есть время для обработки и постепенного разбавления 
раствора до  нужного состояния, 

З.  На  стадии  заканчивания  требуется  время  на  правильную  обработку  цементных 

примесей  для  недопущения  желирования.  Если  в  качестве  надпакерной  жидкости 
используется известковый раствор, его нужно обработать стабилизаторами и разбавить. 

Влияние рН на растворимость цемента затрудняет обработку осадителями, если нет 

времени  на  разбавление  и  снижение  рН.  Ионы  гидроксила,  вырабатываемые  цементом, 
повышают  рН,  что  делает  цемент (кальций)  нерастворимым.  Поэтому  раствор  с  сильной 
примесью  может  иметь  плохие  реологические  свойства  (в  результате  реакции  ионного 

 

 

обмена  кальция),  высокого  рН,  высокой  щелочности,  высокого  Р

Т

  низкого  фильтрата 

кальция  и  в  основном  высокой  водоотдачи  в  зависимости  от  химической  концентрации 
раствора. 

 

Регулирование примеси 

Обработка бурового раствора от цементных примесей состоит из следующего: 
1.  Увеличения  концентрации  дефлокулянта  в  системе.  Лигносульфонат  и  магний 

хорошо  ведут  себя  в  присутствии  кальция  при  широком  диапазоне  рН.  Если  требуется 
дополнительное  регулирование  водоотдачи  TANNATHIN



,  RESINEX



  и  ХР-20  очень 

эффективны  в  среде  с  высоким  содержанием  кальция.  Таким  способом  решаются 
основные проблемы, связанные с цементной примесью. Но при разбуривании чрезмерных 
объемов  цемента  раствор  может  преобразоваться  в  систему  с  низким  содержанием 
извести в зависимости от температуры. 

2.  Поскольку  растворение  цемента  вызывает  щелочность,  нет  необходимости 

добавлять каустическую соду со стабилизаторами. Низкий рН стабилизаторов, например, 
лигнит  и  SAPP  устраняет  некоторые  ионы  гидроксила,  образуемые  цементом.  Этим 
снижается  рН  и  Р

Т

  и  повышается  растворимость  цемента  (  и  кальция),  способствуя 

выпадению осадка. 

З. Имеющийся фильтрат кальция может оседать в помощью бикарбоната натрия или 

SAPP.  Существует  несколько  мнений  на  этот  счёт,  но  бикарбонат  снижает  рН  и  Р

Т

 

также,  как  и  SAPP.  Кальций    замеряется  многократно  во  время  восстановления  Р

Т

, 

обработкой. 

4.  Снижение  примесей  возможно  при  использовании  центрифуги  во  время  добычи 

барита для удаления мелких частиц цемента до его растворения при пониженном рН. 

Как уже сообщалось, безводная кальцинированная сода при растворении в воде дает 

каустическую  соду.  Так  как  рН,  рf  и  Рm  следует  снижать,  кальцинированная  сода  не 
первостепенная. 

 

Если необходимо, кальцинированная сода используется после введения цемента для 

снижения фильтрата кальция до нужного уровня. 

Бикарбонат  натрия  более  приемлем  в  качестве  осадителя,  если  рН  поддерживается 

выше  9,7  (предпочтительно  10,1),  рН  вновь  соотносится  с  растворимостью  бикарбоната 
натрия в воде: 

 

Однако в присутствии повышенного рН (при помощи каустической соды): 

 

Это указывает на наличие карбонатов либо как СО

3

 или НСО

3

 , но не вместе и 

рН как определяющего фактора. 

При обработке цемента приведенные уравнения являются промежуточной ступенью 

между реакцией цемента и бикарбоната натрия.