Материалы для приготовления и регулирования свойств буровых растворов

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Наиболее широко используемым типом

буровых растворов являются суспензии, дисперсионная среда которых чаще всего представлена водой, а активная дисперсная фаза - глиной, существенно реже мелом, торфом, сапропелем, асбестом и др.
Кроме активной твердой фазы в состав суспензий может входить и инертная, включающая в себя утяжелители и закупоривающие материалы (наполнители).
В суспензиях всегда присутствуют частицы выбуренных пород, которые в зависимости от степени их дисперсности и минералогического состава могут быть как активными, так и инертными.

Лекция № 5

3. Материалы для приготовления и регулирования свойств буровых растворов

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Для кондиционирования, т.е. придания

буровым растворам требуемых свойств на этапе их приготовления, регулирования (регенерации) свойств буровых растворов в процессе бурения, а также для защиты их от возмущающих воздействий (высоких и низких температур, полиминеральной агрессии, воздействия выбуренных глинистых частиц, бактерий и др.) применяют различные химические реагенты.

Основной объем буровых работ как в нашей стране, так и за рубежом, выполняется с промывкой скважин суспензиями, в которых активной твердой фазой являются высокодисперсные разности глин.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Главными признаками глин являются

высокодисперсное состояние, характеризующееся коллоидными и близкими к ним размерами частиц, гидрофильность (активное взаимодействие с водой), способность к адсорбции, ионному обмену, набуханию и проявлению упруго-вязко-пластичных и тиксотропных свойств в концентрированных и разбавленных суспензиях.

Перечисленные признаки глин определяются химическим составом, типом кристаллической решетки, её несовершенством и дефектами, а также размерами и формой частиц глинистых минералов.

Лекция № 5

3.1. Глины

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Глинистые минералы по химическому

составу представляют собой водные (содержащие кристаллизационную воду) алюмосиликаты.
Суммарное содержание оксида алюминия (глинозема - Al2O3), оксида кремния (кремнезема - SiO2) и воды достигает в глинах 75 – 90 %.
Остальное приходится на долю других элементов периодической системы, среди которых явно преобладают Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и Fe2+.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
На основании различий в

химическом составе, строении кристаллической решетки и свойствах глинистые минералы объединяют в четыре основные группы, получившие название по ведущему минералу:

группа монтмориллонита (монтмориллонит, бейделлит, сапонит, гекторит, соконит, нонтронит и др.);

группа гидрослюды (гидромусковит, гидробиотит);

группа каолинита (каолинит, диккит, накрит, галлуазит);

группа палыгорскита.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Глины принято называть по

названию основного минерала: монтмориллонитовые, гидрослюдистые, каолинитовые и палыгорскитовые.
Монтмориллонитовые глины среди специалистов по бурению скважин принято называть бентонитовыми или просто бентонитом.
История появления термина «бентонит» такова: в 1897 году в США появилось сообщение о том, что Уильям Тейлор из штата Вайоминг, со следующего года начнет продавать особую глину, обнаруженную в сланцевых отложениях форт - бентон мелового возраста.
Глины, состоящие из нескольких глинистых минералов без явного преобладания какого-либо из них, называются полиминеральными (каолинит - гидрослюдистые, монтмориллонит - каолинит - гидрослюдистые и др.).

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Кристаллическая решетка большинства глинистых

минералов состоит из двух структурных элементов:


слоев алюмокислородных октаэдров (АКО)




слоев кремнекислородных тетраэдров (ККТ)




Эти слои, чередуясь, образуют пакеты.

Лекция № 5

О

ОН

Al

Si

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
По числу тетраэдрических слоев

в пакете различают следующие два типа кристаллических решеток глинистых минералов:
двухслойные, состоящие из соединения слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмокислородных октаэдров в соотношении 1 : 1 (каолинит);
трехслойные, представленные теми же элементами в соотношении 2 : 1 (монтмориллонит, гидрослюда).
Палыгорскит относится к глинистым минералам ленточно-слоистой структуры, но его кристаллическую решетку также можно отнести ко второму типу, т.е. к трехслойной.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Приведенные кристаллические структуры глинистых

минералов являются идеальными.
Реальные же структуры значительно отличаются от идеальных и, прежде всего, наличием дефектов или так называемых изоморфных замещений, которые и отличают глинистые минералы как внутри минералогической группы, так и внутри определенного типа кристаллической решетки.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Состоит из октаэдрического алюмокислородного

слоя, заключенного между тетраэдрическими кремнекислородными слоями, вершины которых повернуты к внутреннему слою.

Верхние и нижние плоскости элементарных пакетов монтмориллонита покрыты атомами кислорода, поэтому связь между пакетами слабая (действуют лишь ван-дер-ваальсовы или силы межмолекулярного взаимодействия).
В этой связи молекулы воды или других полярных жидкостей могут свободно проникать между пакетами монтмориллонита и раздвигать их.

Лекция № 5

3.1.1. Монтмориллонит

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 5
























О
Si
OH
Al3+

Mg2+

Na+, K+, Ca2+, Mg2+ H2O

АКО

пакет

0,92…14 нм

Схема кристаллической решетки монтмориллонита

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Базальное расстояние в кристаллической

решетке монтмориллонита (расстояние между некоторой плоскостью в одном пакете и аналогичной плоскостью в другом пакете) может изменяться от 0,92 нм, когда между пакетами вода отсутствует, до 14 нм, а в некоторых случаях и до полного разделения пакетов.
Важнейшей особенностью кристаллической решетки монтмориллонита является замещение 1/6 части атомов алюминия в среднем слое атомами магния, которое происходило в процессе образования глины.
В связи с замещением Al3+ на Mg2+ возникла ненасыщенная валентность, т.е. создался избыточный отрицательный заряд в решетке.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Когда миллионы лет назад

такие частицы в конечном итоге попадали в водоемы (монтмориллонит образуется при разложении или выветривании вулканических пеплов), то для компенсации отрицательного заряда они адсорбировали из окружающей среды катионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, которые располагались в межпакетном пространстве монтмориллонита.
Однако присутствие этих катионов в межпакетном пространстве полностью отрицательный заряд кристаллической решетки монтмориллонита не компенсировало, поскольку отрицательный потенциал октаэдрических слоев в значительной степени экранируется наружным тетраэдрическими слоями. Таким образом, плоские грани или так называемые базальные поверхности монтмориллонита заряжены отрицательно (дефицит заряда составляет 0,41).

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Если накопление глины происходило

в морских бассейнах, характеризующихся высокой концентрацией NaCl, то на глинистых частицах осаждались преимущественно катионы Na+ и K+ (натриевый монтмориллонит или бентонит).
В пресноводных бассейнах на глинистых частицах осаждались преимущественно катионы щелочно-земельных металлов – Ca2+, Mg2+ (кальциевый монтмориллонит или бентонит).

Двухвалентные катионы обеспечивают более сильное притяжение между пакетами по сравнению с одновалентными, в связи с чем Са-бентонит хуже диспергируется и набухает, чем Na-бентонит.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Располагающиеся в межпакетном пространстве

катионы Na+, K+, Ca2+ и Mg2+, в водном растворе способны к эквивалентному обратимому обмену с другими находящимися в растворе катионами, поэтому их называют обменными.

Способность глинистых минералов поглощать ионы из окружающей среды и выделять эквивалентное количество других ионов, находящихся в данном минерале в обменном состоянии, называется обменной способностью глин.

Показателем обменной способности глин является емкость поглощения, которая характеризуется количеством обменных катионов в молях, содержащихся в 100 г сухой глины.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Моль – это количество

вещества, содержащее столько же структурных единиц данного вещества (молекул, атомов, ионов), сколько атомов в 12 г углерода (6,022·1023 атомов).

Общая величина обменного комплекса монтмориллонита составляет 80·10-3… 150·10-3 моль / 100 г, т.е. в 100 г сухой глины содержится 4,8·1022… 9·1022 обменных катионов.

80 % обменных катионов располагаются в межпакетном пространстве, а ≈ 20 % - на механически обломанных краях (ребрах) кристаллов монтмориллонита, которые имеют форму тонких плоских пластинок, напоминающих чешуйки слюды.

Удельная поверхность монтмориллонита составляет 450…900 м2/г.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Кристаллическая решетка гидрослюды подобна

монтмориллониту, но имеет большее число изоморфных замещений.
Так, у гидромусковита октаэдрические позиции в основном заполнены Al3+, а у гидробиотита могут быть замещены Fe2+ или Mg2+.
Кроме того, у того и другого минералов в тетраэдрическом слое до 1/6 всех атомов Si4+ изоморфно замещены Al3+.
Возникающий при этом отрицательный заряд компенсируется катионами К+, входящими в межпакетное пространство гидрослюд.

Лекция № 5

3.1.2. Гидрослюда

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 5
























О
Si4+

Al3+

OH

Al3+ Mg2+, Fe2+

АКО

пакет

Схема кристаллической решетки гидрослюды

К+

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Близкое расположение заряда, который

локализован в тетраэдрическом слое, к поверхности пакета приводит к прочному ионному взаимодействию смежных пакетов с катионами К+ и молекулы воды уже не могут проникать в межпакетное пространство.
Для гидрослюд обменными являются лишь катионы, расположенные на механически разорванных ребрах (гранях) кристаллической решетки, в связи с чем обменная емкость (емкость поглощения) гидрослюд составляет всего 10·10-3… 40·10-3 моль / 100 г.
Гидратация слюд и некоторое увеличение их объема, которое значительно меньше, чем у монтмориллонита, происходит в результате ионообменных реакций на внешних механически разорванных гранях.
Удельная поверхность гидрослюд составляет 400…500 м2/г.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Каолинит имеет двухслойную кристаллическую

решетку без зарядов на базальных поверхностях, что объясняется отсутствием изоморфных замещений.

В алюмокислородном слое значительная часть атомов кислорода замещена группами ОН-.

Атомы кислорода и гидроксил ионы смежных соприкасающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью типа О – Н, которая препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки.

Лекция № 5

3.1.3. Каолинит

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 5













О
OH
Al
пакет
Схема кристаллической

решетки каолинита

Si

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
В связи с тем,

что молекулы воды и катионы не могут проникать в межпакетное пространство, каолинит трудно диспергируется, имеет малую емкость обмена 3·10-3…15·10-3 моль / 100 г, приходящуюся на внешние механически разорванные грани (разрыв связей Si–O–Si, OH–Al–OH), и очень слабо набухает.

По форме частицы каолинита представляют собой несколько вытянутые шестиугольные пластинки.

Удельная поверхность каолинита оставляет всего 10…20 м2/г.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
За рубежом – аттапульгит

(населенный пункт Аттапульгус, штат Джорджия, где в 1935 г. впервые были отобраны для исследований пробы этой глины).

Как отмечалось ранее, кристаллическую решетку палыгорскита тоже можно считать трехслойной. Однако кремнекислородные тетраэдры в наружных слоях расположены необычно: в слое чередуются тетраэдры, обращенные вершинами внутрь к среднему октаэдрическому слою, и наружу.

Благодаря такому расположению структурных элементов кристаллы палыгорскита имеют не пластинчатую, а игольчатую форму.

Лекция № 5

3.1.4. Палыгорскит

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Когда палыгорскит помещают в

воду, он не набухает, как бентонит, и его приходится диспергировать энергичным перемешиванием.
Обменная емкость палыгорскита невысока 20·10-3… 30·10-3 моль / 100 г, что обусловлено достаточно прочной связью ионов с элементами структуры.
Главной особенностью палыгорскита («солт-джел» – солоноватая глина) является способность диспергироваться и образовывать структурированные суспензии в соленасыщенной воде. При этом получение устойчивых структурированных суспензий достигается благодаря неупорядоченности структуры, которая образуется путем механического зацепления друг с другом игольчатых частиц.
Удельная поверхность палыгорскита составляет 800…1000 м2/г.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Глина - это связная

несцементированная осадочная порода, состоящая из глинистых минералов. Масса природной глины держится в куске (комке) за счет сил сцепления (притяжения), действующих между элементарными пакетами глины.
Между элементарными пакетами монтмориллонита связь слабая, поскольку базальные поверхности покрыты атомами кислорода и между ними действуют лишь ван-дер-ваальсовы силы; пакеты гидрослюды фиксируются между собой катионами К+, входящими в межпакетное пространство, а пакеты каолинита связаны между собой довольно прочной водородной связью типа О – Н.

Способность глин к гидратации (присоединению воды), набуханию и диспергированию (дезинтеграции) определяется их минералогическим составом.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Чем легче диспергируется и

сильнее гидратируется глина, тем больший объем глинистого раствора с определенной вязкостью можно получить из одной и той же массы глины.

В соответствии с ОСТ 39-203-01-86 основным показателем качества (сортности) глин, используемых для целей бурения, является выход (объем) глинистого раствора в м3 с эффективной вязкостью равной 20 мПа·с, получаемый из 1 т глины.

С целью ускорения приготовления глинистых растворов преимущественно используют глины в виде порошков.
Глинопорошок представляет собой высушенную и измельченную глину с добавками или без добавок химических реагентов.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Глинопорошки готовят из бентонитовых

(ПБ), палыгорскитовых (ПП) и каолинит - гидрослюдистых (ПКГ) глин.

Для повышения качества глинопорошков и, тем самым, для повышения выхода глинистого раствора, на ряде заводов во время помола глины в нее добавляют различные химические реагенты (Na2CО3, М-14ВВ, метас и др.).
Такие глинопорошки называют модифицированными (ПБМ, ППМ). Выход глинистого раствора из них в 1,5-2 раза выше, чем из природной глины.
Например, добавка Na2CО3 способствует переводу Са-бентонита в натриевую форму, которая лучше набухает, сильнее гидратируется и легче диспергируется.

Лекция № 5

кафедры бурения скважин П.С. Чубик
Лекция № 5