ТЕХНОЛОГИЯ МОДИФИКАЦИИ БЕНТОНИТНЫХ ГЛИН ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИ УСТОЙЧИВЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ

АННОТАЦИЯ

Для приведения реологических свойств буровых растворов к показателям стандартных требований добавляют пластифицирующие полимерные компоненты. Экономическая эффективность достигается при наличии веществ, повышающих реологические свойства и улучшающих набухание. Однако, эффективные буровые растворы могут быть получены и иона обменом глинистых грунтов в некоторых глинистых горизонтах. Для получения таких глинистых порошков необходимо выбрать методику модификации. В экспериментальных исследованиях используется двух стадийная активация, где на первом этапе в качестве активатора используется 1% раствор карбоната натрия и получается первичная бентонитовая смесь, затем на втором этапе добавляется 1,5-2,0% раствор карбоната натрия. Анализ модифицированного глинистого порошка показал высокую пластическую вязкость и сопротивление динамическим воздействиям на сдвиг. Этим методом был определен процесс обмена ионов Na+ с какими ионами в структуре природной глины, а также химический элементный состав и структурная структура глинистых порошков.

ABSTRACT

To bring the rheological properties of drilling fluids to the standard requirements, plasticizing polymer components are added. Economic efficiency is achieved with the presence of substances that enhance rheological properties and improve swelling. However, effective drilling fluids can also be obtained by ion exchange of clay soils in some clay horizons. To obtain such clay powders, it is necessary to choose a modification method. In experimental studies, two-stage activation is used, wherein in the first stage, a 1% sodium carbonate solution is used as an activator and the primary bentonite mixture is obtained, followed by a 1.5-2.0% sodium carbonate solution in the second stage. Analysis of the modified clay powder showed high plastic viscosity and resistance to dynamic displacement effects. This method determined the process of Na+ ion exchange with which ions in the structure of natural clay, as well as the chemical elemental

Ключевые слова: бентонитовая глина, буровой раствор, Na₂CO₃, модификация, реология, пластическая вязкость, предел динамического сопротивления, монтмориллонит, гидрослюда.

Keywords: Bentonite clay, drilling fluid, Na₂CO₃, modification, rheology, plastic viscosity, dynamic resistance limit, montmorillonite, hydroslude.

Введение

В статье приводится разработка реологические стабильных буровых растворов на основе технологии монтмориллонитвых бентонитовых глин химической модификации. Проведены исследования физико-химических свойств бентонитовых глин, а также технологических свойств полученного бурового раствора (1). В настоящее время в мире разведочные и эксплуатационные работы по бурению нефтяных и газовых скважин ведутся на глубине 2000-9500 метров. Продуктивный слой состоит из пористых карбонатов, верхние горизонты состоят из песчаников, известняков, толстых слоев каменной соли, кварца, брекчии и др. Согласно данным, для бурения этих зон следует использовать буровые растворы, полученные в основном с использованием монтмориллонита и гидрослюдистых глин.

Цель работы. Получение бентонитовой глины с монтмориллонитом в виде порошка на основе местного сырья для приготовления буровых растворов, экономически эффективного и стабилизирующего реологические свойства раствора.

В статье приводятся результаты разработки рецептуры буровой жидкости на основе первой монтмориллонитовой глины и второй гидрослюдистой глины месторождений с двумя различными химическими составами.

Экспериментальная часть

Отличительной особенностью глинистой почвы 1 является то, что здесь одновременно присутствуют три типа глинистых пластов с различным минералогическим составом: щелочной бентонит, щелочноземельный бентонит и карбонатный палыгорскит. Глинистый грунт 2-го типа добывается только монтмориллонитовых бентонитовыми глинами. Из таблицы 1 видно, что Марка ПБГ 1.1 и Марка ПБД 1.2 бентониты в основном отличаются друг от друга количеством TiO₂, MgO, Na₂O, K₂O и др.

Бентонит первого типа содержит более 70% монтмориллонит-высокодисперсный слоистый алюмосиликат, кристаллохимическая структура которого обеспечивает присутствие на его поверхности ионообменных катионов, определяющих его химические и физические свойства как минерала. Избыточный отрицательный заряд, компенсирующий обменные катионы в межслоевом пространстве монтмориллонита, обеспечивает высокую гидрофильность бентонитов.

При зaтвoрении бентонита водой она проникает в межслоевое пространство мoнтмoриллoнитa, гидрaтирует его и вызывает набухание. При дальнейшем разбавлении вoдoй бентониты образуют устойчивую вязкую суспензию с выраженными тиксoтрoпными свойствами (2).

Исследования показали, что бентонит 1 типа является хорошим вязко-гелеобразующим и снижающим фильтрацию при приготовлении буровых растворов. Необходимо иметь в виду, что Сa-глины прочнее связывают воду, чем Na-глины, пo величине энергии связи, т.е. пo теплоте смачивания, являясь более гидрoфильными. Однако они не образуют диффузных двойных слоёв столь большой толщины, кaк Na-глины, a поэтому не обнаруживают пептизации частиц и дают компактную коагуляцию через тончайшие прослойки воды (2).

В таблице 1 ниже приведен сравнительный химический состав бентонитов глин с 4 различными химическими составами.

Таблица 1.

Химический состав образцов бентонитовых глин различных месторождений

Из таблицы 1 видно, что наилучшим химическим составом для приготовления буровых суспензий обладает бентонит 1.1 (марка ПБГ) и бентонит 1.2 (марка ПБД) глина месторождения 1.

Для получения качественных буровых растворов основными критериями являются: плотность, вязкость, показатель фильтрации, статическое напряжение сдвигa, стабильность, суточный oтстoй, содержание песка, водородный показатель и др(2).

Разработать способ получения бентонитового порошка с улучшенными реологическими характеристиками -  пластической вязкости и пределом динамического сопротивления сдвигу.

Поставленная задача решается тем, что бентонитовую глину из карьера  измельчают до крупности  25 мм, отсеивают твердые инородные частицы ситом 05 мм,  смешивают с 1% содовым раствором (Na2CO3⋅H2O) в соотношении Т:Ж – 1:3,  сушат суспензию  до 10-12% при температуре 35-45oС в течение  75-100 часов, вновь добавляют 1,5 - 2,0% содовый раствор,  в соотношении бентонитовая смесь : содовый раствор  - 3:1, полученную смесь активируют при  механическом помешивании в течении 20 минут и направляют на прессование,  где при необходимости, с целью стабилизации доводят уровень влажности до 30-35%, добавляя воду, прессуют до размеров каждого активированного куска бентонита 25-35 мм.,  проводят сушку при температуре 40-45oС в течение  48-72 часов, измельчают на мельнице до размеров 008-01 мкм (3).

Результаты исследования. На рисунке 1 ниже видна зависимость реологических свойств глинистых порошков от продолжительности времени в процессе модификации.

Рисунок 1. Анализ модификации глиняных порошков с четырьмя различными химическими составами

Наблюдение за линиями на рисунке свидетельствует о высоких реологических свойствах модифицированных глинистых порошков типа 1.1.

Таким образом, используется двухступенчатая активация, когда на первой ступени используют в качестве активатора раствор 1%  карбоната натрия и получают первичную бентонитовую смесь, затем на второй ступени добавляют 1,5-2,0% раствор карбоната натрия, что в конечном итоге позволяет получить бентонитовый порошок с повышенными, реологическими характеристиками.

Полученный по данному способу бентонитовый порошок был испытан на пластическую вязкость (PV) бурового раствора, которая влияет на способность выноса продуктов бурения из забоя и динамическое сопротивление сдвигу(YP ), позволяющего образовывать стабильную стенку скважины, предотвращающую разрушение канала. Результаты сравнительного анализа представлены в таблице 2. При всех равных прочих показателях, буровая смесь на основе монтмориллонитового бентонитового порошка, полученного по заявленному способу имеет более высокие показатели  PV и  YP (3).

Таблица 2.

Физико-химические свойства химического модификация бентонита

Заключение. На основе химически обогащенного монтмориллонитового бентонитового порошка был приготовлен буровой раствор, при этом расход химических реагентов, добавляемых в состав раствора, значительно уменьшился, что привело к стабилизации реологических свойств раствора и обеспечению экономической эффективности.

Список литературы:

1. Я.А. Рязанов. «Энциклопедия по буровых растворов» - Издательство «Летопись» 2005.
2. Кадыров А.А., Алиханов Б.Б., Кадыров Н.А. Приготовление буровых растворов на основе монтмориллонитовых и гидрослюдистых глин Узбекистана Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2023. 12(117). URL:https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16550
3. UZ IAP 7607, Способ получения бентонитового порошка для буровых растворов. IAP 20230215.
4. Ёдгаров Н.Ё. Химические реагенты и материалы в нефтегазовом комплексе. Ташкент. ООО «Voris-nashriot», 2009.5. Симoненкo Л.И. Регулирование реологических показателей буровых растворов в глубоких скважинах Текст. /
5. Лесин, В.И. O физической природе степенной зависимости вязкости буровых суспензий oт скорости сдвига
6. Э. В. Бабаян, Н. Ю. Мойса. «Буровые растворы»- Издательство «Инфра- Инженерия», 2019.