Раздел 7. Промывочные жидкости для строительства скважин (стр. 21 )

Степень загустевания глинистого раствора при обработке реагентами-понизителями водоотдачи зависит от концентрации водного раствора реагента. Разбавленные растворы понизителей водоотдачи в меньшей степени повышают условную вязкость глинистого раствора, т. к. в этом случае в глинистый раствор вводится дополнительное количество воды.

Таким образом, при обработке химическими реагентами-понизителями водоотдачи происходит снижение водоотдачи и повышение условной вязкости глинистого раствора. Статическое напряжение сдвига при малой концентрации реагента снижается; а при более высокой растет. Реагенты-понизители водоотдачи не коагулируют в присутствии значительных количеств электролитов. Благодаря этому такие реагенты обладают способностью стабилизировать глинистый раствор, т. е. защищать его от коагуляции, и тем са­мым поддерживать высокое качество при попадании в раствор пос­торонних солей. За такое действие понизители водоотдачи назы­вают реагентами – стабилизаторами.

Характеристика реагентов – понизителей водоотдачи

Для регулирования фильтрационных и коркообразующих свойств буровых растворов широко применяют реагенты - понизители водоотдачи. К понизителям водоотдачи промывочных жидкостей относится ряд реагентов, распределяющихся на две группы полимеров:

1. Производные полисахаридов - крахмал, эфиры целлюлозы (карбоксиметилцеллюлоза - КМЦ, сульфоэфиры целлюлозы - СЭЦ, карбоксиметилоксиэтилцеллюлоза - КМОЭЦ) и др.

2. Продукты ферментации растительных микроорганизмов (биополимеры).

3. Продукты на основе полиакрилатов - гидролизованный полиакрилонитрил (гипан), гидролизованный полиакриламид (ГПАА), метас и др.

Резкую границу между реагентами - разжижителями и понизителями водоотдачи провести трудно. Многие «реагенты – разжижители» также обеспечивают снижение фильтрации жидкой фазы буро­вых растворов. Однако с возрастанием способности реагента уменьшать водоотдачу снижается его действие как разжижителя. И, наоборот, с возрастанием активности реагента как разжижителя снижается его способность уменьшать фильтрацию.

Действие понизителя водоотдачи в первую очередь определя­ется способностью к обеспечению повышения прочности и плотности (герметичности) фильтрационной корки, образующейся на стенках скважины.

Интенсивность снижения фильтрации жидкой фазы промывочной жидкости обуславливается физико-химическими свойствами образующейся структурированной системы, т. е. способностью последней удерживать воду в адсорбционных пленках и в ячейках структуры.

Понизители водоотдачи, образуя вокруг частиц глины вязкие структурированные слои, обладающие довольно высокой упругостью, механической прочностью и гидрофильностью, повышают плотность упаковки дисперсных частиц в фильтрационной корке, а также способствуют увеличению содержания связанной воды.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)

КМЦ - растворимое в воде высокомолекулярное соединение (полимер), получаемое из целлюлозы при обработке ее едким натром и монохлоруксусным натрием. Химический состав КМЦ описыва­ется общей формулой (С6Н7О2(ОН)3-х (ОСН2СOONa)х).

Разновидности КМЦ отличаются степенью замещения (СЗ) и полимеризации. Степень замещения (СЗ) показывает количество групп ОН в 100 звеньях молекулы карбоксиметилцеллюлозы, в ко­торых водород замещен группой ОСН2СOONa. КМЦ, предназначенная для обработки буровых растворов, имеет среднюю степень замеще­ния Сз=85. Степень полимеризации (СП) характеризует число звеньев в макромолекуле реагента (от 250 до 700).

Промышленность производит для нужд бурения различные мар­ки КМЦ, отличающиеся степенью полимеризации: КМЦ-250, КМЦ-350, КМЦ-500 и КМЦ-600, КМЦ-700 цифры в обозначении марки реагента характеризуют сте­пень полимеризации (среднюю).

КМЦ загущает пресные глинистые растворы, поскольку вызы­вает сильное увеличение внутреннего трения и существенный рост пластической вязкости. Минерализованные растворы под влиянием KMЦ разжижаются, так как реагент, образуй на глинистых части­цах защитные оболочки, подавляет структурообразование и устра­няет основную причину загустевания. Кроме того, при высокой минерализации молекулы реагента принимают более глобулизированную конформацию (свертываются в клубки) и влияние их на внутреннее трение в растворе уменьшается.

Способность КМЦ понижать водоотдачу минерализованных глинистых растворов усиливается при повышении степени полимеризации реагента. Так, КМЦ-250 эффективна в глинистых растворах, содержащих до 70 кг/м3 хлорида натрия при отсутствии солей двухвалентных металлов, КМЦ-350 сохраняет эффективность в присутствии 150 кг/м3 NaCl и 2-3 кг/м3 CaCl2. Эти марки выхо­дят из употребления. КМЦ-500 и КМЦ-600 применяются при обра­ботке насыщенных по NaCl соленых растворов с содержанием хло­ридов двухвалентных металлов (до 10 кг/м3). (КМЦ-700 до 20 кг/м3).

Термостойкость КМЦ зависит от степени полимеризации. КМЦ-250 можно применять при температуре до 100° С, КМЦ-350 - до-130° С. КМЦ-500 в минерализованных растворах сохраняет эффек­тивность при температурах 140-160° С, КМЦ-600 при температурах 150-160° С, (в пресных растворах - при 180° С ) - КМЦ-700 до 180° С. Первичная обработка по КМЦ-600 от 0,7-1,5 %. Вторичная 0,3-0,6 %. Наиболее эффективно КМЦ понижает водоотдачу, если водо­родный показатель глинистого раствора находится в пределах рН - 8,5 - 10. При меньших значениях рН уменьшается адсорбция реагента на глинистых частицах, а при рН>11 возможен щелочной гидролиз КМЦ, особенно при высоких температурах. КМЦ обладает достаточной стойкостью к действию микроорганизмов и не требует специальных мер для предупреждения бактериального разложения.

Реагент представляет собой хлопьевидный материал или тонкозернистый порошок белого или кремового цвета с влажностью до 10%. Порошкообразный реагент хорошо растворяется в воде, и его целесообразно вводить в глинистый раствор в твердом состоянии, а хлопьевидный реагент - предварительно растворить в воде и применять в виде раствора с концентрацией 50-100 кг/м3.

Водорастворимые эфиры целлюлозы, обладающие по­вышенной стойкостью к агрессии двухвалентных катионов.

Карбоксиметилцеллюлоза с высокой степенью полимеризации способна придавать заданные фильтрационные свойства глинистым растворам, насыщенным хлоридом натрия. Однако двухвалентные катионы существенно понижают эффективность реагента.

Карбоксиметилцеллюлоза является полиэлектролитом и в вод­ной среде диссоциирует с образованием органического макроаниона и многочисленных катионов натрия. В присутствии двухвалентных катионов происходит замещение катионов натрия двухвалентными катионами Са++ и Mg++ и образование нерастворимой разновиднос­ти КМЦ, которая не способна эффективно понижать водоотдачу глинистого раствора. Необходимость создания реагентов, стойких к агрессии двухвалентных катионов, обусловила синтез эфиров целлюлозы, отличающихся химическому составу от КМЦ, Это сернокислые эфиры целлюлозы (СЭЦ), имеющие химический состав [C6H7O2(OH)3-x x (OSO3Na)x]n и степень полимеризации не ниже СП = 250. Лабораторные испытания СЭЦ показали, что реагент способен сохранять агрегативную устойчивость глинистой суспензии и эффективно понижать водоотдачу минерализованного глинистого раствора, содержащего 300 кг/м3 хлорида натрия и 50 кг/м3 хлорида кальция. Высокая стойкость СЭЦ объясняется тем, что в присутствии ионов Са++ и Mg++ не происходит перехода реагента в нерастворимую форму.

Высокой устойчивостью к действию солей кальция и магния обладает оксиэтилцеллюлоза [C6H7O2(OH)3-x x (OС2Н4ОН)x]n - (ОЭЦ). Стойкость этого молекулярного соединения к агрессии двухвалентных катионов обусловлена тем, что ОЭЦ не является полиэлектролитом и не подвергается осаждающему действию таких катионов. В процессе испытаний ОЭЦ обеспечивала сохранение агрегативной устойчивости и низкой водоотдачи глинистого раство­ра, содержащего 260 кг/м3 NaCI и 50 кг/м3 CaCl2.

Метилкарбоксиметилцеллюлоза (МКМЦ) - это смешанный эфир целлюлозы. Ее состав характеризуется формулой [C6H7O2(OH)3-x-у x (ОСН3) х (ОСН2СООNa)у]n. Реагент содержит неионогенные группы ОСН3, благодаря чему он обладает повышенной стойкостью к агрессии двухвалентных катионов. МКМЦ оказалась способной сохранять агрегативную устойчивость и понижать водоотдачу глинистого раствора, насыщенного хлоридом натрия и со­держащего 40 кг/м3 CaCl2 и MgCl2. Прошла промышленное испы­тание КМОЭЦ – карбоксиметилоксиметилцеллюлоза. Данные водораст­воримые эфиры целлюлозы, обладающие повышенной стойкостью к солям двухвалентных катионов, прошли стадию промышленного экс­перимента.

В настоящее время производятся различные торговые марки КМЦ как в нашей стране (Камцел, КМЦ-Н), так и за рубежом (Tylose, Finnfix, Gabroza, СМС, Celpol, Pac R(L), Экопак и т. д.), свойства которых определяются соответствующими ТУ и сертификатами. КМЦ совместима практически со всеми реагентами, применяемыми для обработки буровых растворов, причем с рядом реагентов (КССБ, гипан, ГКЖ, крахмал, полиэтиленоксид) образует так называемые комплексные реагенты, в результате чего повышается эффективность их применения. Реагент несовместим с хроматами из-за их высокой окислительной способности и эффективен в нейтральных и слабощелочных средах.

Крахмал

Крахмал был первым органическим полимером, который в значительных количествах использовали в буровых растворах. Он является главным компонентом семян зерновых культур (таких как кукуруза, пшеница, рис) и клубневых культур (картофель и тапиока). Его формула (С6Р10О5Р2О)n. При гидролизе крахмала образуется глюкоза, а также в небольших количествах азот, жирные и фосфорные кислоты. Углеводная часть содержит два полисахарида – амилозу и амилопектин. В буровом растворе крахмал используется в основном для снижения водоотдачи. Его удобно вводить в раствор через конусную струйную мешалку. Крахмал подвержен ферментативному разложению многими микроорганизмами, поэтому когда буровой раствор не насыщен солями или рН не равно приблизительно 12 необходимо добавлять бактерицид. Кроме того, на скорость разложения влияет температура и непрерывная циркуляция.

Для использования в буровых системах и растворах для заканчивания скважин предложено больщое число модификаций и производных крахмала. Устойчивый к ферментации продукт (модифицированный крахмал МК) получен путем перемешивания влажного крахмала (около 20% воды) с добавлением 3% параформальдегида и 3% бис - (2-гидрокси, 3,5-дихлорфенил) сульфида и продавливания этой смеси через подогреваемый экструдер непрерывного действия.