СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО БЕНТОНИТОВОГО ПОРОШКА ДЛЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

АННОТАЦИЯ

В работе предложен способ получения модифицированного бентонитового порошка для приготовления буровых растворов, используемых в нефтегазовой промышленности. В качестве исходного сырья применялась бентонитовая глина Навбахорского месторождения, содержащая 60–70 мас. % монтмориллонита. Метод основан на щелочной активации глины и последующей полимерной модификации с использованием карбоксиметилцеллюлозы, гидролизованного полиакриламида и акриловой эмульсии в массовом соотношении 1:2:2. Установлено, что полученный порошок обеспечивает увеличение условной вязкости буровых растворов до 25 с, снижение водоотдачи до 2–3 см³ и повышение агрегативной устойчивости. Показана перспективность промышленного применения разработанного материала.

ABSTRACT

This paper presents a method for producing a modified bentonite powder intended for the preparation of drilling fluids used in the oil and gas industry. Bentonite clay from the Navbahor deposit containing 60–70 wt.% montmorillonite was used as the raw material. The method is based on alkaline activation followed by polymer modification using carboxymethyl cellulose, hydrolyzed polyacrylamide, and an acrylic emulsion in a mass ratio of 1:2:2. The results show that the modified powder increases the apparent viscosity of drilling fluids up to 25 s, reduces fluid loss to 2–3 cm³, and improves aggregative stability, demonstrating the potential for industrial application.

Ключевые слова: бентонит, буровой раствор, модифицированный бентонитовый порошок, реологические свойства, вязкость, водоотдача, КМЦ-карбоксиметилцеллюлоза, ГИПАН-гидролизованный полиакриламид и АЭ-акриловая эмульсия.

Keywords: Bentonite, drilling fluid, modified bentonite powder, rheological properties, viscosity, fluid loss, CMC — carboxymethyl cellulose, HYPAN — hydrolyzed polyacrylamide, AE — acrylic emulsion.

Введение. Бентонитовые порошки занимают важное место среди материалов, применяемых в нефтегазовой промышленности при бурении геологоразведочных и эксплуатационных скважин. Это обусловлено уникальными физико-химическими свойствами бентонита, такими как высокая дисперсность, способность к набуханию в водной среде, формирование устойчивых коллоидных систем и выраженные структурообразующие свойства. Буровые растворы на основе бентонитовых порошков широко используются как при вертикальном, так и при горизонтально направленном бурении.

Основными функциями буровых растворов являются эффективный вынос продуктов разрушения горных пород (шлама) из забоя скважины, обеспечение устойчивости стенок скважины, снижение коэффициента трения между буровым инструментом и породой, а также предотвращение осложнений в процессе бурения. Реализация указанных функций в значительной степени зависит от реологических и фильтрационных характеристик бурового раствора.

К числу ключевых показателей, определяющих качество бурового раствора, относятся вязкость, водоотдача и суточный отстой. Оптимальные значения вязкости обеспечивают стабильный вынос шлама и предотвращают его осаждение в стволе скважины. Низкая водоотдача способствует формированию плотной фильтрационной корки, которая укрепляет стенки скважины и снижает риск их разрушения. Суточный отстой характеризует устойчивость дисперсной системы и отражает способность бурового раствора сохранять однородную структуру в течение времени.

В современных условиях бурения, особенно при работе в сложных геологических и термобарических условиях, традиционные бентонитовые порошки не всегда обеспечивают требуемый уровень эксплуатационных характеристик. В связи с этим актуальной задачей является разработка и совершенствование способов получения модифицированных бентонитовых порошков с улучшенными реологическими и фильтрационными свойствами, что позволяет повысить эффективность и безопасность буровых работ.

Материалы и методы. В мировой практике для получения модифицированных бентонитовых порошков применяются различные методы: механическое и тонкое измельчение, щелочная активация, термообработка, а также химическая модификация полимерными добавками, такими как карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид и акриловые эмульсии. Эти методы направлены на улучшение реологических и фильтрационных свойств буровых растворов, повышения дисперсности и устойчивости к агрегации [1, c.510; 2, c.145].

В качестве исходного сырья для получения модифицированного бентонитового порошка использовалась природная бентонитовая глина Навбахорского месторождения Навоийской области Республики Узбекистан. Согласно данным минералогического анализа, основным компонентом исследуемого сырья является монтмориллонит, содержание которого составляет 60–70 мас. %. Наличие монтмориллонита обуславливает высокую сорбционную способность, склонность к набуханию и формированию устойчивых дисперсных систем в водной среде, что делает данную глину перспективной для применения в буровых растворах [3, c.251; 4, c.1629].

Для улучшения реологических и фильтрационных свойств бентонитовой глины применялась химическая модификация с использованием полимерных добавок. В качестве модифицирующих компонентов использовались карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), гидролизованный полиакриламид (ГИПАН) и акриловая эмульсия (АЭ), обладающие выраженными структурообразующими и стабилизирующими свойствами [5, c.11].

На первом этапе бентонитовую глину измельчали до фракции 2–8 мм с целью увеличения удельной поверхности частиц, что обеспечивает более эффективное проникновение щелочного раствора и активирует межслоечное пространство монтмориллонита. Щелочная активация при концентрации 1,3–1,6 % и соотношении твердая/жидкая фаза 3:1 способствует расширению межслоечных интервалов и повышению реакционной способности минерала, что критично для последующей адсорбции полимерных модификаторов и формирования устойчивой дисперсной системы [6, c.57; 7, c.106998].

Введение смеси полимеров — КМЦ, ГИПАН и АЭ — в массовом соотношении 1:2:2 позволяет достигнуть однородной пластичной структуры, повышает вязкость раствора, снижает водоотдачу и предотвращает коагуляцию частиц. Прессование обеспечивает стабильность порошка и удобство его применения для приготовления буровых растворов с улучшенными реологическими и фильтрационными характеристиками. Сформованный материал высушивали при температуре 45–65 °С до достижения остаточной влажности, обеспечивающей стабильность структуры и предотвращающей термическую деградацию полимерных компонентов [8, c.3449-3451].

Таблица 1.

Методы получения модифицированного бентонитового порошка на основе природной бентонитовой глины Навбахорского месторождения

После сушки материал подвергали тонкому измельчению до размера частиц 0,08–0,1 мкм, что способствовало увеличению удельной поверхности и улучшению дисперсности порошка при приготовлении буровых растворов (табл.1).

Результаты и обсуждение. В результате проведённых экспериментальных исследований установлено, что буровые растворы, приготовленные на основе модифицированного бентонитового порошка, характеризуются улучшенными реологическими и фильтрационными показателями по сравнению с растворами на основе немодифицированного бентонита. Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности применённой технологии активации и полимерной модификации [9, c.111; 10, пат:2214992].

Таблица 2.

Свойства буровых растворов на основе модифицированного бентонита

Условная вязкость буровых растворов достигала значений до 25 с, что обеспечивает устойчивый вынос бурового шлама и предотвращает его осаждение в стволе скважины. Повышение вязкости связано с формированием пространственно-сетчатой структуры дисперсной системы за счёт взаимодействия монтмориллонитовых частиц с макромолекулами полимерных добавок.

Фильтрационные свойства растворов также существенно улучшились. Водоотдача находилась в пределах 2–3 см³, что указывает на способность раствора образовывать плотную и малопроницаемую фильтрационную корку на стенках скважины. Снижение водоотдачи способствует повышению устойчивости стенок скважины и уменьшению вероятности прихватов бурового инструмента (табл.2).

Особое внимание уделялось оценке агрегативной устойчивости буровых растворов. Результаты определения суточного отстоя показали его минимальные значения, что свидетельствует о высокой стабильности дисперсной системы во времени. Это обусловлено адсорбцией полимерных компонентов на поверхности частиц бентонита, что предотвращает их коагуляцию и седиментацию [11, пат:07608].

Улучшение эксплуатационных характеристик буровых растворов объясняется синергетическим эффектом совместного использования карбоксиметилцеллюлозы, гидролизованного полиакриламида и акриловой эмульсии. Комплексное действие данных добавок приводит к одновременному увеличению вязкости, снижению водоотдачи и повышению устойчивости системы, что делает разработанный бентонитовый порошок перспективным для применения в буровых работах различной сложности.

Заключение. В ходе проведённых исследований был разработан и апробирован эффективный способ получения модифицированного бентонитового порошка на основе бентонитовой глины Навбахорского месторождения. Предложенная технология, включающая щелочную активацию и комплексную полимерную модификацию, позволила существенно улучшить реологические и фильтрационные характеристики буровых растворов.

Установлено, что применение разработанного бентонитового порошка обеспечивает повышение условной вязкости, снижение водоотдачи и минимизацию суточного отстоя буровых растворов, что способствует повышению устойчивости стенок скважины и эффективности выноса бурового шлама. Полученные результаты подтверждают наличие выраженного синергетического эффекта при совместном использовании карбоксиметилцеллюлозы, гидролизованного полиакриламида и акриловой эмульсии.

Комплекс улучшенных эксплуатационных характеристик свидетельствует о перспективности промышленного применения разработанного материала при бурении разведочных и эксплуатационных скважин, в том числе в сложных горно-геологических условиях. Результаты исследования могут быть использованы при разработке современных буровых растворов, а также послужить основой для дальнейших научных исследований в области модификации природных глинистых материалов.

Список литературы:

1. Caenn R., Darley H.C.H., Gray G.R. Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids. — Oxford: Elsevier, 2017. — 720 p.
2. Bourgoyne A.T., Millheim K.K., Chenevert M.E., Young F.S. Applied Drilling Engineering. — Richardson: Society of Petroleum Engineers, 2014. — 502 p.
3. Amanullah M., Long J. Physico-chemical and rheological characterization of water-based drilling fluids containing polymer additives // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. — 2015. — Vol. 5. — No. 3. — P. 245–256.
4. Choo Y., Bai B. Improvement of rheological and filtration characteristics of water-based drilling fluids using polymer additives // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. — 2020. — Vol. 10. — No. 4. — P. 1621–1632.
5. Blkoor A., Fattah K.A., Al-Hameedi A.T. Investigation of rheological behavior of bentonite drilling mud modified with polymers // Scientific Reports. — 2023. — Vol. 13. — P. 1–12.
6. Ismoilov R.I., Sheralieva O.A., Kadyrov N.A. Regulation of rheological properties of drilling fluids stabilized by polyacrylamides // Chemical Safety Science. — 2021. — No. 4. — P. 55–63.
7. Abdou M.I., Al-Shahrani S.S. Effect of polymer additives on filtration and rheological properties of bentonite drilling fluids // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2020. — Vol. 189. — P. 106998.
8. Ahmed H.M., Kamal M.S., Mahmoud M. Polymer-based additives for improving drilling fluid performance: A review // Materials Today: Proceedings. — 2021. — Vol. 45. — P. 3446–3453.
9. Garcia A., Parigo J. Polymers in drilling fluids: rheology and performance // Drilling Fluid Design and Performance. — Houston: API Publishing, 2019. — P. 101–128.
10. Pat. RU 2214982. Method for producing bentonite powder for drilling fluids. — Published: 2003.
11. Патент UZ07608. Государственное патентное ведомство Республики Узбекистан, 2024.