Утяжелители на базе доломитового и кальцитового сырья Каралпакстана

Предпосылкой для исследования и создания утяжелителей для буровых растворов из доломитового и кальцитового сырья являлись особенности физико-химического взаимодействия дисперсных частиц этих пород с водной средой бурового раствора и с горными породами стенок скважин [1, с. 11]. Эти утяжелители, состоящих из карбонатных пород, растворяются в кислотах, что позволяет устранять последствия закупорки (кольматацию) продуктивных горизонтов и восстановить первоначальную проницаемость продуктивных пластов.

В исследованиях был использован природный минерал доломит, взятый с Ходжакульского месторождения и кальцит, очищенный от примесей, используемых в производстве строительных материалов (Республика Каракалпакстан).

Для того чтобы судить о пригодности доломита для данной цели, провели экспериментальный анализ, который показал потери при прокаливании, сумму полуторных оксидов М₂О₃, состоящих из Fe₂О₃, Al₂О₃ и др.

При высоких температурах доломит теряет влагу, двуокись углерода и органические вещества. Навеску вещества перед прокаливанием высушивали в сушильном шкафу при температуре 110 ºС до постоянной массы. Затем навеску прокалили до постоянной массы в муфельном шкафу. При обработке навески доломита хлористоводородной кислотой остается нерастворимый осадок, которого отделили от раствора и прокалили до постоянной массы. После охлаждения взвешивали. По полученным данным рассчитывали количества нерастворимых в кислотах веществ.

Определение полуторных оксидов основано на выделении в один общий осадок гидроокисей железа, алюминия и других катионов, осаждающихся при воздействии раствора аммиака. Получаемая масса при прокаливании гидроокисей отвечает общим соединениям формулой М₂О₃. В результате проведенных экспериментов установлено, что потеря при прокаливании природного доломита составляет 3,6 % от общей массы, общее количество полуторных оксидов составляет всего 2,1 %.

Для установления количества окиси кальция использовались фильтрат и промывные воды, оставшиеся после определения полуторных окислов. Их выпаривали до достижения объема 200 мл, подкисляли 5 мл 6 н. раствором хлористоводородной кислоты и определяли количество кальция.

Пригодность доломитового и кальцитового минералов в качестве утяжелителей буровых растворов оценивались на оснований требований существующих технических условий, согласно которым утяжелители должны иметь следующие физико-химические характеристики (табл. 1).

Физико-химические характеристики доломитовых и кальцитовых утяжелителей

При создании и регулировании состава и свойств утяжеленных растворов большое значение имеет дисперсность утяжелителя, от которой сильно зависит ряд физико-химических свойств растворов. При переходе от грубодисперсных к высокодисперсным системам некоторые свойства растворов проявляются сильнее. С уменьшением размера частиц повышается растворимость, т.е. скорость диффузии частиц дисперсной фазы [1, с. 11].

С увеличением степени дисперсности значительно повышается удельная поверхность утяжелителя, что в свою очередь способствует гидратации и структурообразованию [2, с. 45].

В результате исследования утяжеляющих способностей доломита и кальцита обнаружилось, что увеличением количества доломитового и кальцитового минерала плотность их водных дисперсий увеличивается от 1,3 до 1,8 г/см³ (табл. 2).

Характеристика водных суспензий утяжелителей

При выполнении эксперимента была поставлена задача получить утяжеленные глинистые суспензии с плотностью порядка 1,4 г/см³ и выше. Все растворы на водной основе перед утяжелением имели параметры θ₁ = 15-25 мгс/см²; Т = 25-30 с; Ф = 15 см³/30 мин. При больших значениях СНС и вязкости при утяжелении происходит загустевание раствора, а при большей водоотдачи – седиментация частиц утяжелителя. Плотность исходных 10 %-ных глинистых растворов составила 1,06-1,09 г/см³. При добавке к этому раствору 50; 100; 150 и 200 % по массе доломитового утяжелителя его плотность соответственно увеличилась до 1,35; 1,56; 1,71 и 1,84 г/см³.

Важной характеристикой карбонатных утяжелителей являются их механические, пластические, абразивные и прочностные свойства, а также адсорбционные явления, развивающиеся на границах раздела фаз. Доломитовое и кальцитовое сырье гидрофобные, т.е. молекулярное взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой выражено слабо и их частицы самопроизвольно коагулируют. Известно, что образование адсорбционных слоев реагентов-стабилизаторов на твердой поверхности дисперсной фазы приведет систему к стабилизации. Поэтому нами была изучена стабилизирующая способность КМЦ и ПАА, которая качественно оценивалась по состоянию фильтрационных, реологических свойств утяжеленных растворов.

Перед утяжелением буровой раствор (7 % глина; 0,5 % кальцинированная сода; 1 % КМЦ-700) на основе Крантауского бентонита имел следующие характеристики: плотность – 1,044 г/см³; условная вязкость – 29 с; водоотдача 3 см³/ 30 мин; СНС₁ – 15 мгс/см²; СО – 0; рН – 10. Добавление к суспензию доломита в количестве 20 % от массы исходной суспензий привело к увеличению плотности до 1,168 г/см³ а условной вязкости до 33 с.

Добавка доломита также изменяет СНС суспензий. Эксперименты показали, что концентрация глины оказывает влияние на структурообразующую способность суспензий в процессе утяжеления. В малоглинистых суспензиях, содержащих до 7 % глины, возможно осуществление добавки доломита только до 80 % от массы исходной суспензий без заметного нарушения стабильности суспензий. Дальнейшая добавка доломита нарушает стабильность, вызывает выпадение осадка частиц утяжелителя. При этом увеличивается плотность (1,46 г/см³) и условная вязкость (45-48 с) суспензии, что связано с увеличением общих количеств дисперсной фазы. В высоконцентрированных суспензиях глин возможно осуществить утяжеление с добавкой доломитов до 100 % и более. Так, при добавке доломита в 1,2 раза больше чем масса исходной 15 % суспензий КР2, образуется стабильная во времени суспензия с плотностью 1,67 г/см³ и условной вязкостью 75-80 с.

Добавка концентрированным суспензиям ПАА в количестве 0,5 % и более вызывает резкое увеличение вязкости суспензий. Поэтому для изучения влияние доломита на технологические свойства суспензий обработанных с ПАА использовали 7 % суспензию глин.

Статическое напряжение сдвига утяжеленных растворов увеличивается в зависимости от времени, что свидетельствует об образовании коагуляционных структур.

Исследуемые реагенты-стабилизаторы адсорбируются на поверхности твердых фаз и образуют гелеобразную оболочку. Они препятствуют образованию агрегатов частиц и обладают повышенной вязкостью, что способствует сохранению низких значений водоотдачи.

Увеличение доломита от 20 до 100 % способствует повышению плотности глинистых растворов от 1,144 до 1,67 г/см³. Концентрация утяжелителя отражается на фильтрационных параметрах исследуемых суспензий, стабилизированных 1 % ПАА: водоотдача увеличивается от 3 до 8 см³, условная вязкость растет и достигает 76 с. Это свою очередь свидетельствует необходимость обработки таких буровых растворов с понизителями вязкости.

Технологические свойства 7 % суспензий обработанных с КМЦ-700 и ПАА в количестве 1 %

Влияние концентрации утяжелителя и полимерных соединений на технологические свойства суспензий глин приведены в табл. 3.

Таким образом, проведенные исследования доказали возможность использования доломита и кальцита в качестве утяжелителей буровых растворов. Кроме утяжеляющей способности они имеют также и другие преимущества перед другими утяжелителями: утяжелитель состоит в основном из карбонатных пород, легко растворяющихся в кислотах. Это не кольматирует призабойную зону продуктивных пластов и они меньше подвержены действию солей электролитов и высоких температур и не представляют трудностей при приготовлении.