Водорастворимые эфиры целлюлозы.

Основной таких реагентов является целлюлоза [C₆H₇O₂(O H)₃]_n… Но она не растворяется в воде. Поэтому при проведении реакций атом водорода замещают предельными углеводородами радикалом (OCH₃) кислотным остатком COOH, получая следующие соединения:

- простой эфир целлюлозы: [C₆H₇O₂(OH)_3-x – (OCH₃)_x]_n

это простой эфир целлюлозы

- метилцеллюлоза – нерастворимая форма.

Сложный эфир C₆H₇O₂(OCH)_3-x – (OCH₂COOH)_x]_n – это КМЦ – H – нерастворимая форма.

- Натриевая форма КМЦ: при вводе в состав реакционной смеси NaOH: [C₆H₇O₂(OCH)_3-x – (OCH₂COONa)_x]_n – КМЦ – Na-форма растворимая в воде.

Виды КМЦ подразделяются по следующим показателям:

- СЗ – степень замещения КМЦ, которая бывает от 0 до 300;

Показывает сколько атомов водорода в молекуле КМЦ замещены Na-радикалами. Для бурения оптимальной считается СЗ=85-98

- СП – степень полимеризации, которая показывает, сколько звеньев содержится в молекуле КМЦ. При увеличении СП вязкость возрастает, при этом растёт температурная стойкость, минерализация растёт минерализация по Са⁺² не более 2 г/л.

Ca⁺² форма КМЦ – является водонерастворимой, которая образуется при избыточном количестве Ca⁺² в растворе:

[C₆Н₇O₂(OH)_3-x – (OCH₂COOCa_x)]_n

В условиях высокой минерализации в присутствием Ca⁺² происходит глобулизация молекул КМЦ. Раствор разжижается.

Для повышения стойкости к минерализации вводятся ФЭС (фенолы эстонских сланцев).

 

Для увеличения термостойкости КМЦ проводятся следующие мероприятия:

- вводится хромпик;

- жидкое стекло;

- сульфит натрия Na₂SO₃.

сульфит сульфат

натрия натрия

Применяются следующие разновидности: КМЦ-250; КМЦ-350; КМЦ-500; КМЦ-600; КМЦ-700.

Лекция 7. Классификация промывочных жидкостей.

Классификационные признаки, положенные в основу классификации:

1. Вид дисперсионной среды (основа промывочных жидкостей):

- вода (РВО – растворы на водной основе);

- углеводородная жидкость (РУО – растворы на углеводородной основе);

- системы с газообразной дисперсионной средой.

2. Вид дисперсной фазы:

- с твердой дисперсной фазой (золи, суспензии);

- с жидкой дисперсной фазой (эмульсионные растворы – в качестве жидкой фазы водная или углеводородная жидкость);

- комбинированные.

3. Состав дисперсной фазы:

- глинистый раствор (искусственно приготовленный, естественный);

- карбонатный;

- торфяные растворы;

- сапропелевые растворы;

- гидрогельмагниевые растворы;

- полимерные растворы;

- сульфатные растворы и др.

4. Способы получения растворов:

- естественные (на основе шлама выбуриваемой горной породы);

- искусственно приготовленные.

5. Вид обработки:

- химически обработанные;

- необработанные растворы.

6. Условия применения:

- для нормальных условий;

- для осложненных.

 

Растворы на водной основе (РВО)

Глинистые растворы.

Глинистые растворы – это системы, состоящие из непрерывной водной среды, в которой в виде дисперсной (раздробленной) фазы располагаются глинистые частички.

Глинистые растворы применяются для бурения в наносных, осадочных горных породах, склонных к обрушению и обваливанию.

Глинистые растворы не рекомендуется применять для вскрытия продуктивных залежей (воды, нефти, газа), так как глинистые частицы из раствора попадают в продуктивный пласт (в трещиннопористые коллекторы). Попадая в пласт, частицы глины набухают, увеличиваются в объеме. Нефте-, газо-, водоотдача продуктивных пластов уменьшается.

Виды устойчивости глинистых растворов:

а) Седиментационная - устойчивость глинистого раствора от оседания частиц твердой фазы.

Если частицы глины не оседают, то система считается седиментационной устойчивости.

Факторы, обусловливающие седиментационную устойчивость:

- тепловое Броуновское движение;

- диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации;

- структурообразование обеспечиваемое коагуляцией глинистых частиц, тиксотропными свойствами глинистого раствора.

б) Агрегативная устойчивость.

Обеспечивает противодействие агрегатированию глинистых частиц, их соединению в составе раствора.

Факторы, обусловливающие агрегативную устойчивость:

- тепловое Броуновское движение;

- электростатические силы отталкивания;

- упругость гидратных, сольватных оболочек;

- коллоидная защита за счет адсорбированных молекулы органических реагентов на поверхности глинистых частиц.

Виды коагуляции глинистых растворов:

- гидрофильная коагуляция, которая является нормальным состоянием глинистого раствора.

 

 

 

Причиной гидрофильной коагуляции является соединение глинистых частиц своими краевыми частями, где толщина гидратного слоя меньше.

Признаком гидрофильной коагуляции является загустевание раствора. Загустевание происходит при наличии молекул воды внутри структуры глинистого раствора. При этом вода в составе глинистого раствора может быть физической, которая возникает за счет адсорбции молекул воды на поверхности глинистых частиц, и свободной – внутри «каркаса», образованного глинистыми частицами.

- гидрофобная коагуляция, которая наступает в том случае, когда по каким-то причинам в раствор попадает электролит. Это способствует потере глинистыми частицами гидратных оболочек, что лишает их защитных слоев адсорбционного и диффузного и приводит усилению взаимодействия глинистых частиц.

 

 

Частицы соединяются рёбрами, гранями в

результате потери защитной гидратной

оболочки.

 

Признаком гидрофобной коагуляции является расслоение глинистого раствора на водную фазу и осадок твердых глинистых частиц.

 

 

прозрачная вода

Н₂О

 

 

глины твёрдая фаза

 

Неингибированные растворы

Виды глинистых растворов:

- пресный слабоминерализованный (NaCl до 0,5%-1%);

- средней минерализации (NaCl до 1%-3,5%);

- высокоминерализованный раствор (NaCl до 10%) – ингибированные растворы.

1. Пресные растворы содержат от 0,5% – 1% NaCl.

Преимущества:

- уменьшается расход материалов для приготовления таких растворов, так как малое количество солей не препятствует хорошей гидратации глины в растворе;

- простота регулирования свойств.

 

Недостатки:

- ограничение условий их применения – относительно устойчивые песчаноглинистые отложения;

- при наличии глин в разрезе они быстро гидратируют, переходят в раствор, стенки скважины разрушаются.

Для разжижения растворов используются УЩР (Т↓, Ф₃₀↓) и ССБ (Т↓);

- NaOH (pH↑) – повышает щелочность расвора.

2. Средней минерализации содержащие до 1% – 3,5% NaCl. При этих условиях:

- органические реагенты теряют свою эффективность;

- ухудшаются условия гидратации глины в расворе;

- необходимо связывать «жёсткие катионы».

Са⁺²; Mg⁺² + Na₂CO₃ – за счет введения соды.

Применяются также:

УЩР (Ф₃₀ ↓; Т ↓) – для снижения показателя фильтрации и разжижения.

КМЦ – 350, 500 Ф₃₀↓ - для снижения показателя фильтрации.

3. Высокоминерализованные растворы содержащие до 10% NaCl.

Первоначально ведут содирование раствора - связывание двухвалентных катионов, т.е. вводят Na₂CO₃;

Кроме того добавляют:

КССБ – 2; 4 (Ф₃₀↓) – для снижения показателя фильтрации;

МК – 1 – для более эффективного снижения показателя фильтрации.

 

 

Естественные растворы.

Естественные растворы получают путем наработки естественной фазы «самозамесом» в процессе циркуляции воды при перебуривании осадочных горных пород.

Они бывают глинистыми, которые обрабатываются химическими реагентами, как и искусственно приготовленные, или безглинистыми, свойства которых регулируются путем добавок гидратированного бентонита и реагентов – стабилизаторов.

 

Разновидности естественных растворов:

а) карбонатно-глинистые, которые получаются при перебуривании карбонатных и глиносодержащих горных пород, в том числе мергелей. Для повышения стабильности и улучшения структурных свойств в наработанный карбонатно-глинистый раствор вводят 1% NaCl и 3 ÷ 5% Na₂O ∙ nSiO₂

 

 

СаСО₃

 

глина

 

б) сульфатно-галогенные растворы получаются при бурении в сульфатных (гипс и ангидрит) и галогенных (NaCl, KCl и др.) горных породах:

CaSO₄ ∙ 2H₂O – гипс

CaSO₄ – ангидрит

И переслаивания хлоридов (NaCl, KCl)

Для улучшения структурных свойств добавляют гидратированный бентонит 2-3%.

Для разжижения вводят ССБ (Т ↓), для снижения показателя фильтрации вводят КМЦ (Ф₃₀ ↓).

в) меловые растворы, у которых твердая фаза представленна мелом (СаСО₃).

Для повышения стабильности добавляются глинистая суспензия (2-5%).

Для улучшения фильтрационных свойств и разжижения необходимо вводить УЩР (1,5-3%), ССБ (2-3%), КМЦ (2-4%). Для улучшения структурных свойств меловая суспензия должна обрабатываться жидким стеклом Na₂O ∙ nSiO₂ (1,5-2%).

Свойства раствора:

Т = 20 ÷ 25 секунд

Ф₃₀ = 8 ÷ 12 см³

ρ = 1,06 ÷ 1,08 г/см³

Θ ₁ = 3 Па Θ ₁₀ = 4 ÷ 5 Па

Сапропель – экологически чистый, универсальный (буровые растворы, облегчение тампонажных смесей, повышение качества цементирования в качестве буферного раствора).

 

Гидрогельмагниевые растворы

Это растворы с конденсированной твердой фазой.

Такие растворы получают за счет реакции конденсации. Реакция происходит при введении в насыщенный раствор солей водных растворов щелочей.

Гидрогель Mg

Гидрогель магния образуется в виде белых хлопьев, которые и выполняют роль твердой фазы в составе таких растворов.

Mg(OH)₂ – неустойчив, подвержен влиянию температуры, деформации при течении и изменениям давления, поэтому преобразуется в более устойчивое соединение: – пятиокислый оксихлорид магния.

Условия применения гидрогель магниевых растворов:

1) Перебуривание мощных отложений солей.

Галит NaCl

Сильвин KCl галогены

Бишофит MgCl₂6H₂O

Карналлит MgCl₂­·KCl·6H₂O

2) Переслаивание глин и галогенных пород (глинисто-галогенные горные породы) – хемогенные отложения.

3) Продуктивные толщи углеводородов.

Гидрогель магния позволяет сохранить естественную проницаемость горных пород, уменьшить загрязнение продуктивных толщ.

Получение таких растворов происходит следующим образом:

1 этап – получение насыщенного раствора (до 350-400 г/л катионов Na⁺ и до 35-40 г/л катионов Mg⁺².

2 этап – стабилизация раствора за счет введения в раствор соединений:

- гидроизвести: Ca(OH)₂ или окиси кальция CaO;

- магнезиальные компоненты - MgO;

- порошкообразной глины (гидратированный бентонит или глинистый раствор).

3 этап – улучшение структурных свойств за счет введения крахмала МК-1, КМЦ (500-600).

4 этап – улучшение смазочных свойств раствора за счет введения в раствор нефти и нефтепродуктов, что благотворно сказывается на повышении стойкости бурового инструмента и устранении затяжек, прихватов и сальникообразования.

 

Преимущества таких растворов:

а) возможность бурения в очень сложных геологических условиях при наличии в разрезе глинистых и хемогенных горных пород;

б) исключение кольматации, которая приводит к снижению проницаемости продуктивного пласта;

в) растворы обладают высокой морозостойкостью (при отрицательных температурах, при перебуривании многолетних мерзлых пород);

г) обладают хорошей смазочной способностью, так как в растворе MgO хорошо сочетается с нефтью и нефтепродуктами.

 

Недостатки:

а) отсутствуют эффективные способы и средства предотвращения рекристаллизации гидрогелей;

б) отсутствуют комплексные соли, позволяющие создать минерализованную среду и достаточное количество катионов Mg⁺².

 

 

Лекция 8. Полимерные растворы.

Такие растворы подразделяются на:

1) полимерно-глинистые;

2) безглинистые полимерные.

1) Полимерно-глинистые (вода + полимер + глина) используются в практике буровых работ под названиями:

- малоглинистые полимерные растворы (МГПР) – содержат небольшое количество твердой фазы;

- полимерные бентонитовые растворы;

- растворы с малым содержанием твердой фазы.

2) Безглинистые полимерные:

- водно-гипановые;

- водно-акриламидные;

- полимерносолевые (ПСР);

- растворы с улучшенными фильтрационными свойствами (полимер+хром-органический комплекс (ХОК)+вода);

- полимерноэмульсионные растворы (ПЭР).