Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 53

 

 

Бикарбонаты  снижают  рН.  Это  результат  реакция  HCO

3

  с  NаОН,  необходимой  для 

преобразования НСО

3

 в СО

3

. 

Бикарбонат  натрия  создает  источник  ионов  карбоната  для  соединения  с  уже 

имеющимися  ионами  кальция.  Но  при  этом  способе  получается  чрезмерная  обработка 
карбонатным  материалом.  Если  количество  карбонатов  превышает  требуемое  для 
оседания  кальция,  могут  возникнуть  сложности  с  раствором.  Чрезмерная  обработка 
бикарбонатом может привести к карбонатным осложнениям (см. таблицу 1). 

Лучший  результат  получается  при  обработке  цемента  SAPP  (фосфатом).  Фосфаты 

эффективно  удаляют  кальций  и  способствуют  повторному  диспергированию  глинистых 
частиц.  Обычно  используемые  фосфаты  преобразуются  в  ортофосфаты  при  температуре 
выше  93,33°С.  В  этом  состоянии  они  уже  не  являются  стабилизаторами,  но  довольно 
эффективно ещё удаляют кальций. 

Кроме  этого  фосфаты  эффективны  в  снижении  рН,  Рf  и  Рm,  SAPP  имеет  рН  4,8,  а 

фосфат - 8,0, не образуются вредные побочные продукты в результате этой реакции. SAPP 
предпочтителен, если требуется значительное снижение Рm. 

 

Карбонатные примеси 

Химические примеси от растворимых карбонатов - одна из наиболее не выясненных 

и  сложных  вопросов  в  химии  промывочных  растворов.  Карбонаты  можно  распознать  по 
увеличению рН при небольшом увеличении рН или без него, а Мf увеличивается быстрее 
Рf. Обычными показателями карбонатных проблем являются высокая вязкость в напорном 
трубопроводе, прогрессирующая прочность геля и предел текучести. 

Карбонаты  флокулируют  твёрдые  вещества  с  низким  удельным  весом.  По  мере 

увеличения  их  концентрации,  усугубляется  загрязнение  примесями.  Использование 
стабилизаторов в этом случае бесполезно и даже вредно. 

Источником карбонатов и бикарбонатов являются: 
1.  СО

2

  из  воздуха,  нагнетаемая  в  раствор  через  глиномешалки  в  амбаре  и  через 

напорные линии оборудования смешивания и удаления твёрдой фазы. 

2.  Чрезмерная  обработка  безводной  кальцинированной  соды  и  бикарбоната  натрия 

при очистке цемента и гипсовых примесей. 

3. Вторжение газа СО

2

 из пласта и пластовой воды. 

4.  Расщепление  лигносульфонатов  с  увеличением  забойной  температуры  до 

162,78°С. 

Обработка  этой  примеси  осложняется  наличием  вместе  ионов  СО

3

  и  НСО

3

  на 

разных    уровнях  рН.  Свободным  кальцием  можно  обрабатывать  только  ион  СО

3

    для 

образования  осадка  СаСО

3

.  Совместное  наличие  СО

3

  и  НСО

3

  образует  буферное 

соединение, которое остается на том же уровне рН, но на повышенном уровне Рf или Мf . 
По мере образования этой буферной зоны увеличивается Рf , а рН остается относительно 
постоянным. Но только после рН=1,3 все бикарбонатные ионы измеряются в карбонатные 
ноны. Поэтому вместе они существуют при рН от 8.3 до 11,3 (см.рис. 1). 

 

 

 

Рис.1. Фракции разных видов карбонатов при разных значениях рН. 
Концентрация НСО

3

 слишком незначительна, чтобы её измерить при рН выше 11,3. 

Поэтому  ноны  НСО

3

  обрабатываются:  1)  преобразованием  их  в  ионьж  СО

3

  с  помощью 

ОН



,  и  2)  добавлением  свободного  кальция  для  реакции  и  образования  СаСО

3

. 

Свободный  кальций  в  системе  поддерживается  на  уровне  150-200  мг/л.  Для 
преобразования  НСО

3

  в  СО

3

  рН  должен  быть  не  менее  11,3,  но  не  выше  11,7 

добавлением ионов ОН. Бикарбонат кальция слишком растворим, чтобы выпасть в осадок. 
Однако  СаСО

3

  образует  почти  нерастворимый  осадок.  Наиболее  принятой  добавкой 

является известь Са(ОН)

2

. Известь повышает рН и дает растворимый кальций, если рН не 

превышает 11,7. Выше этой величины известь не растворяется. Для повышения рН нельзя 
пользоваться  каустической  содой.  Если  рН  выше  11,7  рекомендуется  добавление  гипса 
для снижения рН и получения растворимого кальция. 

После  нейтрализации  ионов  карбоната  добавление  дефлокулянтов  может  улучшить 

реологические  свойства  SPERSENE



  (ниже  162,78°С)  и/или  ХР-20  обеспечивают 

правильную дефлокуляцию. 

Химические уравнения записываются следующим образом: 

  

Уравнения  показывают,  что  химические  реакции  обратимы  в  зависимости  от  рН. 

СО

3

  преобразуются  назад  в  НСО

3

  или  даже  H

2

СО

3

,  если  рН  будет  снижаться.  Эти 

реакции  наиболее  эффективны  при  комнатной  температуре.  В  стволе  чаще  всего  они  не 
реагируют  до  конца.  Поэтому  применение  может  быть  многократным  во  время 
нескольких циркуляций для завершения обработки СО

3

,  поскольку одна циркуляция не 

удаляет  карбонаты.  Буровой  раствор  затем  усложняется  добавлением  органических 
кислот,  т.е.  лигнитов,  лигносульфонатов  и  т.д.,  действующих  в  качестве  буферного 
материала. Если забойная температуре выше 162,78°С использование лигносульфоната не 
рекомендуется.  Лигниты,  изменённые  лигниты  или  полимеризованные  лигниты  нужно 

 

 

использовать вместо  них.  Графики  1  и  II  используются  для  определения  объёма  извести 
и/или  гипса,  пробуемые  для  обработки  НСО

3

  и  СО

3

.  Эти  графики  основаны  на  методе 

обработки  Рf/рН.  Поэтому  эти  величины  следует  измерять  очень  точно  с  помощью 
счётчика рН. Имеются также компьютерные программы, основанные на методе обработки 
рН/Рf. 

Газовая  группа  Garrett  также  используется  для  определения  количества  карбонатов. 

Это  устройство  рассчитывает  общее  количество  карбонатов  в  мг/л  в  виде  СО

3

.  Общие 

карбонаты  включают  НСО


3

  и  СО


3

  для  преобразования  мг/л  в  миллимоль/л  нужно 

разделить ч/млн на 60. 

 

Карбонатно-бикарбонатные определения и обработка методом рН/Рf 

Введение. 

Карбонатные  и  бикарбонатные  примеси,  хотя и  часто  не обнаруживаемы,  являются 

причиной высокой прочности геля и эффективной вязкости во многих скважинах. На рис. 
2  графически  представлено  влияние  этих  ионов  на  предел  текучести  и  статическое 
напряжение сдвига после 10 минут покоя. При относительно низкой концентрации: ионы 
бикарбоната  значительно  повышают  реологию,  но  дальнейшее  увеличение  не  дает 
соответствующего  улучшения  этих  свойств.  Наоборот,  ионы  карбоната  в  низкой 
концентрации  уменьшают  предел  текучести  и  статическое  напряжение  сдвига  после  10 
минут  покоя.  Однако  большие  концентрации  карбонатов  обеспечивают  быстрое 
улучшение  реологических  свойств  с  конечным  загустеванием  бурового  раствора. 
Вероятно  в  растворе  всегда  присутствуют  остаточные  карбонаты.  Небольшие  объёмы 
карбонатов 

создают 

буферный 

эффект, 

повышающий 

стабильность 

раствора. 

Рекомендуется  оставлять  в  системе  около  20  миллимоль/л  карбонатов.  Все  бикарбонаты 
необходимо  обрабатывать.  На  основе  взаимодействия  рН  и  Рf  разработан  быстрый  и 
точный метод количественного определения концентрации карбоната и бикарбоната. Этот 
метод  используется  также  для  расчёта  концентрации  извести  и/или  гипса  для  удаления 
этих  примесей.  Карбонаты  и  бикарбонаты  можно  осадить  обработкой  известью  или 
известью  и  гипсом.  Обработка  только  известью  удаляет  карбонаты  и  бикарбонаты,  но 
повышает рН (Метод А). Поддерживание рН постоянным достигается сочетанием извести 
и гипса (Метод В). Выбор метода зависит от рН раствора на момент обработки. 

 

 

 

Рис.2. 

Указанные методы предназначены для удаления всех бикарбонатов и всех, кроме 20 

миллимоль/л  карбонатов.  На  графиках  1  и  2  даны  количественные  анализы  ионов 
карбонатов  и  бикарбонатов  с  соответствующими  добавками  для  осадкообразования. 
Пользование  графиками  возможно  при  наличии  величины  рН,  Рf  и  фракции  воды 
раствора.  График  1    усовершенствован  для  возможности  оставления  20  миллимоль/л 
карбонатов в растворе после обработки. 

 

Метод А (с использованием только извести) 

На  графике  1,  начиная  с  вертикальной  оси  для  величины  Рf  ,  провести 

горизонтальную линию до пересечения с линией рH. От этой точки провести линию вниз 
до пересечения с горизонтальной осью и определить величину концентрации карбоната в 
миллимолях  на  литр.  Затем  определить  наверху  требуемое  количество  извести  для 
осаждения карбоната. График 2 указывает на концентрацию и обработку бикарбонатов и 
используется идентичным образом. От вертикальной оси от величины Рf провести линию 
до  пересечения  с  линией  рН  и  вверх  до  определения  количества  извести  для  осаждения 
бикарбоната.  Сложить  объёмы  извести  по  обеим  графикам,  затем  умножить  на  водную 
фракцию ( W

f

) и определить нужную обработку. 

Из графика 1: СО

3

 = 33,5 миллимоль/л 

требуемая известь = 0,34 ф/бар 

Из графика 2: НСО


3

 =  3,3 ммоль/л 

требуемая известь = 0,0. 

Итоговая обработка = (0,34+0,0) (80) = 0,27 ф/барр извести.