Некоторые физико-химические представления

Основные свойства буровых растворов зависят от размера, формы и химического состава взвешенных в нем частиц. По размерам эти частицы удобно разделить на три группы: ^

• коллоиды размером от 0,1 до 2мкм, определяющие вязкостные и фильтрационные свойства раствора;

• илы, утяжелители с размером частиц от? до 70 мкм, обеспечиваю­щие необходимую плотность раствора;

• песок с размером частиц от 50 до 400 мкм, которые хотя и закупо­ривают крупные отверстия в некоторых очень пористых пластах, в остальном оказывают отрицательное воздействие в силу высокой абразивности.

Коллоидная фракция раствора обладает высокой активностью благода­ря очень малому размеру частиц по отношению к их массе. Такая дисперсная система отличается большой удельной поверхностью, а поведение частиц и раствора в целом определяется главным образом электростатическими заря­дами на их поверхностях, которые способствут развитию сил притяжения/отталкивания между частицами. Особо активными коллоидами являются глинистые минералы, которые отличаются как по форме (мельчайшие кри­сталлические пластинки и пакеты из таких пласт- инок), так и молекулярным строением этих частиц. Благодаря особому строению кристаллической ре­шетки активных глинистых минералов, на базальных поверхностях частиц образуются сильные отрицательные заряды, а также положительные заряды на ребрах и гранях. Взаимодействие между этими противоположными зарядами при низких скоростях течения сильно влияет на вязкость глинистых растворов и является причиной обратимого структурообразования, когда рас­твор находится в состоянии покоя.

В природе глины состоят из различных минералов, таких как монтмо-риллонит, иллит и коалинит, из которых наибольшей активностью обладает монтморилонит.

При взаимодействии с водой глина набухает вследствие гидратации базальных плоскостей и ориентированных около них противоионов (Са, Na, Mg). В результате такой гидратации образуется суммарная гидратная обо­лочка, обладающая упругими свойствами и, вследствие этого, давление на­бухания достигает больших величин. При механическом воздействии на смесь глины с водой происходит расслоение па кетов по базальным плоско­стям и их разлом по ребрам и граням с образованием глинистого раствора. Такая первичная дезинтеграция глины в воде называется диспергированием.

Упругие гидратные оболочки на поверхности частиц глины предот­вращают их слипание, таким образом происходит так называемая естествен-

ная стабилизация системы. Толщина гидратной оболочки зависит от величи­ны отрицательного заряда базальной поверхности, которая определяется ми-

нералогической природой глины. Наиболее акивным минералом является монтморилонит, чем больше его содержание в глинистой породе (60 - 70% и более), тем выше выход расгвора из единицы веса глины (15 м³ и более из

1 тонны глинопорошка).

Во многих случаях, для регулирования свойств бурового раствора гли-

нистые коллоиды дополняются, а иногда и полностью заменяются органиче­скими коллоидами. Так, при попадании в систему растворимых солей проис-

ходят следующие явления. С увеличением концентрации соли в растворе, вследствие динамического характера адсорбционныx процессов, возрастает концентрация положительно заряженных катионов у отрицательно заряжен-

ной поверхности глинистых частиц. При определенной концентрации соли

(1-1,5% NaCI, 0,25% CaClz) происходит полная нейтрализация заряда по-

верхноста глины, а защитная гидратная оболочка исчезает. В результате та-

кого воздействия солей происходит коагуляция системы: частички глины

слипаются в крупные блоки, раствор загустевает и резко возрастает водоотдача.

Для восстановления свойств раствора в этом случае используют солестойкие полимерные реагенты, такие как крахмал, К Щ и др. Макромолекулы этих полимеров вместе со своими гидратными оболочками адсорбируются на

поверхности глинистых частиц и создают так называемые искусственные за­щитные гидратные оболочки. При таком воздействии коллоидов, скоагулированые частички вновь разъединяются, и этот процесс повторного диспер-

гирования глинистых блоков называется пептизацией. При определенной

концентрации полимера свойства раствора полностью восстанавливаются. Кроме адсорбционной стабилизации глинистых частиц многие полимеры об­разуют в растворе полимерные блоки коллоидного размера. Как в пресных, так и в соленых растворах такие частички из полимеров существенно влияют на свойства растворов. В зависимости от величины молекулярного веса по­лимеры могут влиять или не влиять на структурно-механические свойства растворов, но всегда эффективно снижают водоотдачу.

Коллоидной фракцией одного из растворов на углеводородной основе (РУО) является олеофильный бентонит. В другом типе такого раствора (ин­версной эмульсии) вязкостные и фильтрационные свойства обеспечиваются активным эмульгированием значительной части водной фазы. Для структурообразования в РУО используют специально изготовленные олеофильные глины, а для улучшения фильтрационных свойств применяют олеофильные гуматы.