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.