§ 6. Химическая обработка промывочных жидкостей на водной основе

Свойства промывочной жидкости изменяются в процессе бурения. В зависимости от причины, вызывающей изменение, выбирают способ регулирования или стабилизации свойств.

Одной из причин является увеличение концентрации тонкодис­персной твердой (прежде всего глинистой) фазы, сопровождающееся ростом пластической и условной вязкостей, статического напряжения сдвига и в меньшей степени плотности промывочной жидкости. Для предотвращения интенсивного увеличения вязкости целесообразно следить за концентрацией твердой фазы и регулярно удалять весь излишек ее, чтобы поддеряшвать заданные плотность и статическое напряжение сдвига. Если этого недостаточно, к промывочной жидко­сти добавляют реагент—понизитель вязкости. При разбуривании мощных глинистых толщ дисперсионной среде промывочной жидкости следует придавать способность подавлять склонность выбуриваемых глинистых частиц к пептизации и набуханию в воде. Промывочные жидкости, обладающие такой способностью, условно названы ингибированными, а обработка с целью придания способности подавлять пептизацию — ингибированием.

Другой причиной изменения свойств промывочной жидкости является коагуляция ее под влиянием водорастворимых солей, по­ступающих в составе выбуренной породы, и солей, содержащихся в пластовых жидкостях и газах. Коагуляция сопровождается ростом водоотдачи, статического напряжения сдвига и условной вязкости. В зависимости от концентрации солей и валентности ионов суще­ственно меняется сложность химической обработки. Иногда, в основ­ном при малой минерализации, достаточно добавить к промывочной жидкости понизитель водоотдачи, чтобы стабилизировать ее.В дру­гих случаях вместе с понизителем водоотдачи вводят кальциниро­ванную соду (реже фосфаты), чтобы связать в нерастворимое соедине­ние кальций и магний; часто требуется более сложная обработка комбинацией реагентов—понизителей водоотдачи и вязкости. Надо сказать, что такие комбинированные обработки, как правило, более эффективны и требуют меньшего расхода реагентов, чем обработка каким-то одним веществом. Очень распространена, например, обра­ботка УЩР совместно с лигносульфонатами.

При повышении минерализации промывочной жидкости часто целесообразно сохранять в ней лишь минимум коллоидной фракции бентонитовой глины, заменяя остальную часть твердой фазы мате­риалом, не чувствительным или малочувствительным к коагулиру­ющему воздействию солей (например, мелом); при высокой минера­лизации вместо бентонитовых глин следует применять палыгорскит.

Третья причина — изменение щелочности промывочной жидко­сти вследствие ее минерализации. Поэтому для поддержания задан­ных свойств химически обработанной промывочной жидкости важно поддерживать оптимальный для данного понизителя водоотдачи или вязкости диапазон рН с помощью добавки каустической (или кальцинированной) соды, а к некоторым ингибированным раство­рам — извести.

Четвертая причина — повышение температуры промывочной жидкости по мере углубления скважины. С ростом температуры, как правило, увеличивается статическое напряжение сдвига, умень­шаются пластическая вязкость промывочной жидкости и динамиче­ская вязкость фильтрата ее, возрастает водоотдача. При повышенных и высоких температурах некоторые реагенты могут разлагаться. Поэтому с ростом температуры может возникнуть необходимость замены одних, менее термостойких реагентов другими, более термо­стойкими, либо введения дополнительного реагента, способного повысить термостойкость основных веществ, которыми обработана промывочная жидкость.

Свойства однажды обработанного промывочного раствора со временем изменяются не только из-за поступления в него новых пор­ций твердой фазы, солей и воды, но и вследствие уменьшения кон­центрации реагента в результате адсорбции последнего на стенках скважины, на частицах выбуренной породы, выбрасываемых в очист­ной системе из раствора, а также в результате отфильтровывания в проницаемые породы вместе с дисперсионной средой. Поэтому хими­ческую обработку проводят многократно, периодически добавляя в промывочную жидкость новые порции реагентов. Как правило, расход реагентов при первичной обработке в несколько раз больше, чем при каждой повторной операции. Следует, однако, иметь в виду, что при многократной обработке промывочной жидкости одним и тем же реагентом эффективность каждой последующей операции сни­жается. Поэтому целесообразно чередовать реагенты или практико­вать комбинированные обработки.

При разбуривании мощных толщ глинистых пород или череду­ющихся глинистых и хемогенных пород хороший эффект достигается, если используют ингибированные промывочные жидкости. В ка­честве ингибирующих реагентов, резко замедляющих пептизацию и набухание глинистых частиц разбуриваемых пород в дисперсион­ной среде промывочной жидкости, применяют в основном водорас­творимые соли и гидроокись кальция, которые оказывают коагули­рующее воздействие на глины. Поскольку при коагуляции возра­стают водоотдача, условная вязкость и статическое напряжение сдвига, наряду с ингибирующим реагентом в промывочную жидкость необходимо вводить понизитель водоотдачи и вязкости. При такой комбинированной обработке существенное увеличение содержания твердой фазы но вызывает столь интенсивного роста вязкости, как это наблюдается в неингибированных промывочных растворах. Это имеет важное значение, особенно в тех случаях, когда для бурения требуется промывочная жидкость с большой плот­ностью.

Применяются следующие разновидности ингибированных гли­нистых растворов.

1 - Известковые, в которых ингибирующим реагентом является известь, понизителем вязкости — лигносульфонаты, УЩР, ПФЛХ или окисленные лигнины, а понизителем водоотдачи — крахмал, КМЦ, иногда УЩР. Такие растворы имеют удовлетворительные реологические и фильтрационные свойства при рН > 12 и содержа­нии ионов кальция в фильтрате не более 300 г/м³, а растворы с не­большим содержанием глинистой фазы — при рН > 10,5. С увели­чением степени дисперсности глины добавку извести и понизителя вязкости необходимо увеличивать. Так, если для обработки раствора из гидрослюдистой глины требуется примерно 0,3—0,5% извести, то для раствора из высокодисперсной монтмориллонитовой глины — 0,5—0,8%. Растворимость извести и рН фильтрата регулируют до­бавкой каустической соды: с увеличением содержания щелочи рас­творимость извести уменьшается.

Известковые растворы, как правило, не рекомендуется приме­нять при температурах свыше 100—120° С вследствие резкого увели­чения водоотдачи и опасности загустевания п даже затвердения в покое, особенно при повышенном содержании тонкодисперсных глин.

2 - Гипсовые, в которых ингибирующим реагентом служит суль­фат кальция (источником последнего являются гипс, алебастр или ангидрит), понизителем вязкости — феррохромлигносульфонат, по­низителем водоотдачи — КМЦ, а при температурах свыше 180° С — бурый уголь, обработанный соединениями хрома. Эти растворы оказывают более сильное ингибирующее действие, чем известковые, поскольку содержание катионов кальция в них колеблется от 0,8 до 1,2 кг/м³. Гипсовые растворы наиболее эффективны при рН = 8,5÷9,5 и не загустевают при повышении температуры до 190° С при обработке КМЦ с феррохромлигносульфонатом и до 260° С — при замене КМЦ хромированным бурым углем.

Оптимальное значение рН поддерживают добавкой щелочи.

3 - Высококальциевые, в которых ингибитором является хло­ристый кальций, понизителем вязкости — лигносульфонаты и окис­ленные лигнины, а понизителем водоотдачи — КССБ или КМЦ. Содержание ионов кальция в фильтрате может колебаться от 0,8 до 5 кг/м³, оптимальный диапазон рН = 8÷10. Для регулирова­ния рН можно использовать каустическую соду или известь. Иссле­дования показали, что более эффективны высококальциевые рас­творы с содержанием Са" от 2 до 3 кг/м³, обработанные 0,12—0,15% извести. Фильтрат такого раствора значительнее замедляет темп снижения прочности глинистых пород и аргиллитов при увлаж­нении.

Хлоркальциевые растворы можно применять при температуре 130—170° С (в зависимости от термостабильности понизителя водо­отдачи).

4 - Бариевые, в которых ингибирующим реагентом является гидро­окись бария, а понизителем водоотдачи — КССБ. Эти растворы отличаются наиболее сильным ингибирующим действием.

При выборе способа ингибирования следует обязательно учиты­вать возможный экономический эффект, поскольку стоимость неко­торых реагентов высока, а расход их значителен.

Промывочную жидкость обрабатывать химическими реагентами следует только предварительно очистив ее от обломков выбуренных пород и избытка твердой фазы.

При некоторых видах комбинированной химической обработки имеет значение последовательность ввода реагентов. Необходимо учитывать также состав реагентов, которые использовались для пред­шествующей обработки, поскольку некоторые реагенты несовме­стимы друг с другом. Например, глинистый раствор, ранее обрабо­танный УЩР, можно обрабатывать хлористым кальцием только в том случае, если содержание гуматов в фильтрате не превышает 0,1%. В противном случае до обработки необходимо снизить кон­центрацию гуматов разбавлением свежим глинистым раствором.