Факторы, влияющие на выход глин

На гидратацию и дисперсию сухой глины большое влияние оказывают соли и ионы различных металлов, содержащиеся в воде, которая используется для приготовления раствора. Некоторые буровые растворы, например, приготавливаются на основе морской воды – часто это наиболее удобное и экономичное решение. Типовой анализ морской воды покажет присутствие следующих элементов и соединений:

 

Элементы и соединения	Концентрация в мг/л
Натрий	10 550
Хлорид	18 970
Сульфат	2 650
Магний	1 270
Кальций
Калий
Бром
Прочие

 

Примечание: используемые на промыслах солевые растворы могут содержать те же элементы и соединения в различной концентрации

При добавлении соли в солевой раствор он может стать насыщенным. Насыщенный раствор соли содержит приблизительно 315 000 мг/л хлорида натрия. Для приготовления насыщенного солевого раствора из пресной воды необходимо 120 фунтов/баррель соли. На Рис. 10 показано, как влияют различные концентрации ионов на гидратацию бентонита. В целом можно утверждать, что при увеличении концентрации указанных ионов интенсивность гидратации глин в пресной воде быстро снижается. Это явление более наглядно проиллюстрировано на Рис. 11 и 12. В качестве примера приведен процесс гидратации двух одинаковых кубиков бентонита, один из которых гидратирует в пресной воде, а второй – в соленой.

 

На Рис. 11 показан кубик бентонита в мензурке с пресной водой, и тот же бентонит спустя 72 часа: налицо гидратация с последующим разбуханием бентонита. На Рис. 12 показан кубик бентонита в мензурке с соленой водой, и тот же бентонит спустя 72 часа: признаки гидратации едва заметны. Воду, в которой содержится кальций или магний, называют «жесткой».

 

Рис. 10. Изменение вязкости при добавлении бентонита в воду с различными концентрациями соли или кальция.

 

Рис. 11. Гидратация бентонита в пресной воде.

 

Рис. 12. Гидратация бентонита в соленой воде.

 

Для увеличения вязкости глины воду обычно «размягчают» путем введения в нее кальцинированной соды и каустической соды для осаждения кальция и магния. При высокой концентрации хлоридов единственным методом снижения их концентрации является разбавление пресной водой. Если вода для приготовления бурового раствора содержит соль, для увеличения вязкости может применяться SALT GEL ® (аттапульгит). Аттапульгит – уникальный минерал, его кристаллическая решетка (см. Рис. 12) имеет игольчатую форму, а его свойства в качестве загустителя не зависят от состава воды.

 

Рис. 13. Микрофотография частиц аттапульгита.

 

При одинаковой концентрации в любом типе воды SALT GEL ® даст ту же вязкость, что и M-I GEL ® в пресной воде. Способность аттапульгита увеличивать вязкость раствора происходит благодаря игольчатой форме кристаллической решетки, а не гидратации. В результате применения аттапульгита вязкость раствора растет благодаря двум факторам:

1. Образованию волокнистых структур под действием сдвигового усилия, похожих на «кучу иголок». Простая аналогия – это сено, которое бросили в воду и перемешали.

2. Силам притяжения между частицами глины, образованным зарядами при разрыве связей на концах иголок кристаллической решетки под действием сдвигового усилия.

Так как аттапульгит увеличивает вязкость раствора вне зависимости от использующейся для его приготовления воды, возникает вопрос: «Почему бы аттапульгит не использовать всегда?» Ответом может служить (1) его стоимость, (2) невозможность регулирования фильтрационных характеристик раствора, обусловленная структурными особенностями аттапульгита, (3) реологические характеристики раствора трудно контролировать.

 

В соленой воде в качестве эффективного загустителя можно использовать бентонит, если перед добавлением в соленую воду его предварительно подвергнуть гидратации в пресной воде. Перед добавлением бентонита в соленую воду желательно установить рН пресноводного бентонитового раствора на уровне 9 – 10 и обработать раствор дефлокулянтом. Это позволит снизить начальную флокуляцию и падение вязкости при дегидратации в соленой воде.

Иллюстрация данного метода приводится на Рис. 14. Раствор с концентрацией бентонита 30 фунтов/галлон был предварительно гидратирован, затем раствор бентонита был добавлен в 1 эквивалент барреля воды с концентрацией хлорида натрия 100 000 мг/л. На рисунке показана дисперсия глины в соленой воде, а реологические параметры раствора свидетельствуют о том, что бентонит успешно выполнил свою функцию. С течением времени вязкость раствора заметно снизится, однако вязкость раствора все же останется выше начальной. Вязкость раствора после добавления обработанного бентонита будет существенно выше той, что была бы получена при добавлении сухого бентонита непосредственно в соленую воду.

 

Рис. 14. Добавление предварительно гидратированного бентонита в соленую воду.

 

Рис. 15. Влияние кальция на предварительно гидратированный бентонит.

Рис. 16. Влияние соли на предварительно гидратированный бентонит.

 

Полностью противоположная реакция наблюдается при непосредственном добавлении соли или кальция в подготовленный и гидратированный в пресной воде бентонитовый раствор. Иллюстрацией к данному процессу служат Рис. 15 и 16. Необходимо помнить об обсуждавшейся ранее динамики изменения вязкости, когда вслед за начальным увеличением вязкости наблюдается ее падение. На Рис. 15 показан начальный рост вязкости за счет флокуляции, вызванной введением в раствор двухвалентных катионов Ca²⁺. Эти катионы в свою очередь способствуют агрегации частиц, что ведет к снижению вязкости за счет уменьшения количества частиц глины в растворе. На Рис. 16 показан по существу тот же самый процесс за исключением того, что флокуляция и агрегация здесь наблюдается благодаря высокой концентрации Na⁺.

Влияние уровня рН

Рассмотрим влияние уровня рН на выход бентонита. На Рис. 17 показана зависимость вязкости бентонитового раствора от уровня рН. Большинство буровых растворов являются щелочной средой, т.е. их рН превышает 7. Так как рН действительно оказывает влияние на вязкость раствора, особенно важным фактором оптимизации реологических характеристик бурового раствора является правильный выбор диапазона рН. Из графика на Рис. 17 видно, что наименьшая вязкость бентонитового раствора наблюдается при рН от 7 до 9,5. По этой причине рН большинства буровых растворов на водной основе стараются поддерживать в пределах данного диапазона. При рН выше 9,5 начинается интенсивная дисперсия глин, а вязкость раствора увеличивается.

 

Рис. 17. Влияние рН на вайомингский бентонит.

 

В обсуждавшихся ранее темах основной акцент ставился на том, чтобы достичь значительного повышения вязкости при добавлении минимального количества загустителя. Однако следует учесть, что повышение уровня рН до 10 и более не может считаться допустимым, так как ведет к ухудшению параметров раствора. В то же время, уровень рН буровых растворов редко выходит в область кислот (менее 7) по соображениям безопасности и для защиты оборудования от коррозии.