Химическая обработка промывочных жидкостей

Сущность химической обработки заключается в целенаправ­ленном воздействии на свойства промывочных жидкостей путем введения новых компонентов, получивших название реагентов. Механизм процессов, происходящих в буровых растворах при химической обработке, хорошо описан Э. Г. Кистером.

Структурно-механические и фильтрационные свойства про­мывочных жидкостей, как уже отмечалось, связаны с характе­ром проявления коагуляционных процессов в дисперсной систе­ме. Изменение этих свойств обусловлено при прочих равных условиях степенью и направлением воздействия на коагуляцию. Пептизация и разбавление дисперсных систем направлены на уменьшение коагуляции; стабилизация и коллоидная защита — на предотвращение; ингибирование — на замедление, регулиро­вание; добавки солей и увеличение концентрации твердой фа­зы— на усиление коагуляции.

При добавлении реагентов смещается равновесие в сторону усиления или ослабления связей между частицами твердой фа­зы, изменяются гидрофильность, дисперсность. Флокулируя ча­стицы определенных размеров, можно регулировать содержание твердой фазы в промывочной жидкости и размеры частиц. В ре­зультате устанавливаются промежуточные равновесные состоя­ния, которые и определяют свойства буровых растворов. Таким образом, все протекающие в растворе изменения — это различ­ные формы единого коагуляционного процесса, управляемого общими закономерностями системы «дисперсная фаза — диспер­сионная среда», его физико-химическим механизмом.

Физико-химическое взаимодействие раствора с пластовыми водами и частицами горных пород в процессе бурения, влияние температуры, атмосферных условий могут смещать равновесие системы в ту или иную сторону. Это приводит к изменению тех­нологических параметров и может вызвать необходимость в по­вторном воздействии на систему реагентов. В зависимости от характера смещения подбирают вид реагента, его состав, кон­центрацию, порядок введения. Реагентами регулируется уро­вень лиофильности системы. При этом действуют факторы, влия­ющие на дисперсность, — набухание, пептизация или, наоборот, структурообразование и агрегирование.

Общий физико-химический механизм процессов, происходя­щих в дисперсной системе, обусловливает тесную взаимосвязь различных, часто противоречивых воздействий на буровой рас­твор. Такая связь, например, существует между противополож­но направленными процессами пептизации и коагуляции. Пеп­тизация — процесс физико-химического диспергирования под влиянием среды — разрушает коагуляционные связи, но в то же время увеличивает число кинетически активных частиц и мо­жет стать предпосылкой, подготавливающей коагуляцию. В свою очередь данный уровень дисперсности можно сохранить как торможением пептизации (ингибироваиием), так и предотвраще­нием коагуляционного агрегирования (стабилизацией), а также сочетанием обоих методов. Различные факторы направляют процессы коагуляции в ту или иную сторону, но разграничить их по времени и в пространстве невозможно: они протекают одновременно и во всем объеме системы. Поэтому можно гово­рить лишь о преимущественном направлении.

Практически химическая обработка буровых растворов сво­дится к регулированию этих процессов, обеспечению должного баланса между ними. Обычно коагуляция и пептизация приво­дят к резко различным консистенциям. Однако общность меха­низма, управляющего этими процессами, часто может обусло­вить одни и те же результаты. Так, причиной загустевания мо­жет быть и коагуляция, и увеличение числа частиц в результа­те пептизации. Соответственно разжижение может носить коагуляционный характер или быть следствием пептизационного разрушения структур с последующей стабилизацией (стабили­зационное разжижение).

Коллоидная защита в зависимости от условий также может приводить к загустеванию (в пресных средах) или разжижению (при засолении). Таким образом, изменения консистенции бу­ровых растворов еще ничего не говорят о процессах, их обус­ловивших. Для этого необходим более глубокий анализ, учиты­вающий влияние различных взаимодействующих факторов.

На коагуляционные процессы активно влияет температура. Нагревание ослабляет защитное действие реагентов, но усили­вает агрессию присутствующих электролитов, пептизацию твер­дой фазы и общую кинетическую активность компонентов. В зависимости от содержания дисперсной фазы и ее природы, уровня минерализации, стабилизации и термообработки коагу­ляционные процессы могут развиваться в направлении как за­густевания, так и разжижения. На различных стадиях нагрева­ния и охлаждения результирующая этих процессов может из­меняться по величине и знаку. Буровые растворы, резко увели­чивающие показатель фильтрации и разжижающиеся от нагре­вания, при охлаждении загустевают до нетекучести, но могут восстанавливать показатель фильтрации до исходной величины. В других случаях нагревание вызывает интенсивное загустевание растворов и рост показателя фильтрации при повышении температуры и при охлаждении.

Наиболее сложные взаимодействия происходят при химиче­ской обработке промывочных жидкостей, содержащих глинис­тую твердую фазу. Основные формы взаимодействия глин со средой, по Э. Г. Кистеру, сводятся к обменным реакциям (ион­ный обмен), необменным или частично обменным реакциям замещения и реакциям присоединения. В реальных условиях эти реакции часто проходят одновременно, взаимно накладываясь. Все они происходят на поверхности глины под действием сил, обусловленных следующими причинами:

изоморфными замещениями в кристаллической решетке; наличием ненасыщенных, оборванных связей по краям и уг­лам частиц, возникающих при диспергировании или поверхност­ном растворении;

неоднородностью связей структуры глинистой частицы; замещениями и связями при наличии на поверхности актив­ных гидроксильных групп.

Эти причины вызывают образование вокруг частиц поля сил значительной протяженности. Неоднородность его как вдоль по­верхности, так и по мере удаления от нее обусловливает раз­личную интенсивность связей. Ионообменные процессы характе­ризуются сравнительно подвижными связями. Более прочные ковалентные, поляризованные координационные и водородные связи образуются непосредственно у поверхности и являются причиной необменных присоединений и замещений.

Обменные реакции замещения ограничены величиной обмен­ной емкости. Наиболее важны катионные замещения, ведущие к существенному изменению глин и глинистых растворов. Дейст­вие каждого катиона индивидуально и зависит от его размеров, активности, гидратации. В ряду обменных реакций глин боль­шое значение имеет и анионный обмен. Он также сказывается на поведении системы глина—вода, во многом определяет ха­рактер поглощения катионов, играет большую роль в химиче­ской обработке. Анионный обмен в глинах изучен слабо.

Наряду с обменными процессами на поверхности глины про­исходят и необратимые реакции. К ним относятся необратимые замещения неорганических и органических катионов и целых групп, фиксация фосфатов и др. Так у ионов Cu²⁺, K⁺, NH₄²⁺, Mg²⁺ и других наблюдаются необратимые замещения с обра­зованием поверхностных химических соединений. Большое зна­чение имеют прочные, практически необменные замещения в глинах на органические катионы или соединения, обладающие свойствами оснований. По мере насыщения поверхности орга­ническими катионами, блокирующими активные участки, пада­ют гидрофильность глины и ее обменная способность. Подоб­ный же эффект оказывают образующиеся на поверхности глины сернистые соединения.

Глины способны к реакциям присоединения органических радикалов и целых молекул с образованием поверхностных глиноорганических комплексов. Все они могут характеризовать­ся как неорганические полимеры с «привитыми» органическими группами или полимерными цепями. Такого рода соединения возникают в результате химической обработки глинистых рас­творов полимерами.

Стабилизация и коллоидная защита — основной метод сдер­живания или регулирования коагуляции буровых растворов. Физический смысл стабилизации сводится к созданию таких условий, при которых не могут быть реализованы близкодейст­вующие силы межчастичного притяжения. В ряду этих условий решающее значение имеет механическая прочность высокост­руктурированных стабилизационных слоев, которые являются барьером, предотвращающим сближение частиц. В условиях обычных температур эти слои образуются при взаимодействии реагента с обменными катионами и отчасти с поверхностными атомами кристаллической решетки. При повышении темпера­туры эти слои разрушаются как из-за термической неустойчиво­сти реагентов, так и вследствие недостаточно прочной связи обменных катионов с поверхностью (в этом случае необходимы термостойкие реагенты, прочно связанные с атомами на поверх­ности глины, в том числе и хемосорбционно).

Практически важен и кинетический фактор — уменьшение концентрации твердой фазы. Но основным путем стабилизации буровых растворов все же остается повышение лиофильности путем введения реагентов, образующих на межфазных границах прочные молекулярные слои.

В зависимости от условий стабилизация приобретает различ­ные формы. При отсутствии агрессии, когда надо защитить бу­ровой раствор от концентрационного загустевания, наибольшее значение имеет обработка реагентами — понизителями вязкости. Стабилизация ими является процессом понижения прочности коагуляционных структур. В основе их действия лежит блокиро­вание активных участков поверхности частиц твердой фазы с образованием мощных гелеобразных прослоев, нарушающих сплошность структуры. Этим облегчается передвижение отдель­ных звеньев структуры при течении, снижаются вязкость рас­творов, статическое напряжение сдвига и тиксотропия.

Действие реагентов-стабилизаторов сводится не только к предотвращению или сдерживанию коагуляционного структурообразования и разжижению растворов, но и к улучшению дру­гих параметров, например показателя фильтрации вследствие образования более гидрофильных и малопроницаемых корок. Разжижающее действие реагентов, как правило, интенсивнее, чем гидрофилизация глинистой фазы, в связи с чем при чрез­мерных обработках возникает опасность седиментационной не­устойчивости. Оптимальны такие обработки, которые лишь ограничивают структурообразование, но не ликвидируют его.

Наряду со стабилизацией обычно применяемые реагенты — понизители вязкости оказывают и пептизирующее действие, расщепляя не только вторичные коагуляционные образования, но и основные элементы структуры. Увеличение числа кинетиче­ски активных частиц усиливает загустевание и противодейству­ет разжижению. Конечная консистенция является результирую­щей этих процессов.

При агрессивных воздействиях на буровой раствор (элект­ролитов, температуры) возрастает его коагуляционная уязви­мость, тем более что при этом перерождаются адсорбционные слои обычно применяемых реагентов. В агрессивных средах за­щитные функции выполняют лишь водорастворимые полиэлектролиты, состоящие из гибких макромолекул линейного строения и большой протяженности. Здесь имеет большое значение кон-формация макромолекул.

Конформация макромолекул водорастворимых полимеров и их отношение к твердой фазе определяют механизм защитного действия, по-разному реализующийся в пресных и соленых во­дах. В пресных водах, как правило, основной фактор стабили­зации—образование смешанных полимерглинистых структур. В результате резко снижаются частота и эффективность соуда­рения частиц твердой фазы, вызывающих коагуляционное агре-гирование. Сопряженные высокогидрофильные структуры, вхо­дя в состав фильтрационных корок, снижают их проницаемость и показатель фильтрации.

При введении небольших количеств соли резко снижается объем связанной воды и начинается адсорбция полимера. Свер­тывание макромолекул в соленых средах и осаждение их на частицах твердой фазы сопровождаются разрушением сопря­женных структур и стабилизационным разжижением, изменени­ем структуры фильтрационных корок и увеличением показате­ля фильтрации. При повышенных температурах также происходит свертывание (глобулизация) макромолекул, сопровождае­мое ростом показателя фильтрации.

Рассмотренный механизм взаимодействия глины с дисперси­онной средой и ее компонентами наблюдается и при наличии иной твердой фазы, но его активность будет несоизмеримо сла­бее.

В практике бурения результаты химической обработки оце­ниваются внешними признаками — изменением технологических свойств промывочной жидкости. Однако далеко не всегда изме­ряемые свойства дают возможность предсказать, будет ли про­мывочная жидкость выполнять функции, ради которых проводи­лась химическая обработка. Сюда в первую очередь относятся крепящие свойства растворов. Оценить наличие ингибирующих свойств промывочной жидкости, устойчивость ее как дисперсной системы можно только с течением времени, часто по косвен­ным признакам.

Очень важно, на каком этапе проявления нежелательных признаков в промывочной жидкости (или в породах, слагающих стенки скважины) проведена ее химическая обработка. При не­обратимом развитии нежелательных процессов косвенные при­знаки перестают служить показателями наличия в промывочной жидкости нужных свойств. Так как мы не располагаем опера­тивными количественными методами контроля процессов, про­исходящих в промывочной жидкости, выбор реагента и его кон­центрации, оценка своевременности химической обработки ба­зируются во многом на опыте, интуиции.

Зная, как действует реагент, какие свойства он придает про­мывочной жидкости, каков характер изменения свойств в за­висимости от концентрации реагента, можно предположить, что химическая обработка даст определенный эффект. При этом необходимо учитывать факторы, определяющие особенно­сти действия реагента в конкретных геологических условиях. Так как далеко не все факторы могут быть учтены и оценены при выборе того или иного реагента, при сохранении общего ха­рактера действия он может недостаточно эффективно изменять требуемое свойство. В таких случаях приходится изменять кон­центрацию реагента или добавлять другие вещества.

Введение реагентов узкоцелевого назначения может приве­сти к нежелательному изменению других параметров. Для их регулирования и восстановления приходится добавлять соот­ветствующие вещества или их комбинации. В результате полу­чается многокомпонентная система, обладающая оптимальными для данных условий свойствами.

Различают первичную и вторичную обработки промывочных жидкостей. Первичная ставит целью создать промывочную жид­кость заданного качества. Такая обработка выполняется либо в процессе приготовления жидкости, либо в процессе ее цирку­ляции в скважине, когда необходимо изменить ее качество в со­ответствии с ожидаемыми условиями бурения.

Часть реагентов оказывают наибольшее действие, когда их добавляют в воду, на которой приготовляется раствор. Другие не рекомендуется вводить таким образом, так как затягивается приготовление и недостаточно эффективно происходит диспергация твердой фазы. Поэтому порядок первичной химической обработки в процессе приготовления раствора определяется в основном видами реагентов и сложившейся технологией работ.

Первичная химическая обработка в процессе циркуляции раствора осуществляется равномерным введением в желобную систему (приустьевую часть) заранее заготовленного реагента с таким расчетом, чтобы провести обработку за два-три полных оборота промывочной жидкости в скважине.

Вторичная химическая обработка заключается в поддержа­нии свойств жидкости, полученных при первичной обработке. Изменение ее свойств в процессе бурения, определяемое харак­тером влияния на нее проходимых пород, степенью минерали­зации подземных вод и рядом других факторов, может потре­бовать многократную вторичную обработку. Интервал, через который необходимо проводить дополнительную вторичную об­работку, обусловлен интенсивностью изменения свойств про­мывочной жидкости.

Любому виду химической обработки должны предшествовать лабораторные исследования, в результате которых подбирается наиболее эффективный реагент и обосновывается его оптималь­ная концентрация. Весьма важна своевременность химической обработки. Так, если первичная обработка выполняется с це­лью предупреждения осложнений, типичных для определенного горизонта, она должна быть завершена до его вскрытия. Несвоевременная вторичная обработка может оказаться бесполез­ной, так как изменения свойств раствора могут стать необрати­мыми.

Дата добавления: 2015-07-15