ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОЛИТОВ НА СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ

 

При бурении скважин в глинистый раствор могут попадать соли щелочных и щелочноземельных металлов, значительно изменяющие свойства раствора. Соли могут поступать в раствор из состава разбуриваемых пород или вместе с минерализованными пластовыми жидкостями.Наиболее распространенными представителями их являются хлористый кальций, гидрооксид кальция, гипс, хлористый натри, хлористый калий, бишофит и др.

Вместе с тем эти соли применяются в практике бурения, как реагенты

а) для связывания двухвалентных катионов, вызывающих коагуляцию и ухудшение свойств глинистого раствора (Na₂CO₃)

б) для осуществления реакции катионного обмена на глинистых частицах и придания раствору ингибирующих свойств (Ca(OH)₂; _; CaSO₄)

в) для регулирования щелочности глинистого раствора (NaOH); для разработки рецептур силикатных и силикатно-солевых растворов (Na₂O·SiO₂)

Химические реагенты - электролиты или посторонние электролиты, попадающие в глинистый раствор при бурении, изменяют строение и размеры двойного электрического слоя мицелл глинистых частиц. Тем самым электролиты влияют на один из факторов, обеспечивающих агрегативную устойчивость глинистой суспензии.

Характер действия реагентов этой группы на основе свойства глинистого раствора можно рассмотреть на примере очень распространенного в бурении реагента – кальцинированной соды (Na₂CO₃). Этот реагент обычно применяется для обработки глинистого раствора, приготовленного из местных комовых глин. В составе этих глин преобладают катионы кальция. Раствор из таких глин обладает структурой, толстой коркой.

При введении в раствор небольшого количества кальцинированной соды анионы CO₃ связывают часть катионов кальция, образовывая нерастворимый углекислый кальций.

Са⁺⁺ + СО₃^-- = СаСО₃

Катионы натрия - замещают в диффузном слое глинистых частиц - катионы кальция.Подобный катионный обмен приводит к повышению степени гидратации глинистых частиц. Происходит как бы частичная стабилизация глинистого раствора. Катионы натрия, вытесняя Са⁺⁺ из промежутков между чешуйками глины, ослабляют связь между ними. Это приводит к повышению степени гидратации глинистых частиц. Глина начинает набухать.Крупные глинистые комочки распадаются на более мелкие частицы, происходит стабилизация раствора. Образуется менее проницаемая глинистая корка. Водоотдача раствора уменьшается.

Из-за повышения гидратации частиц происходит снижение СНС, а это приводит к снижению условной вязкости .(обл.1)

При увеличении концентрации реагента, а, следовательно, и катионов Na в гл.растворе, часть катионов переходит из диффузного слоя в неподвижный слой - это приводит к сжатию диффузного слоя и к частичной потере гл. част. гидратной оболочки. В результате обнажения краев гл.частиц, улучшаются условия для коагуляционного структурообразования в гл.растворе. Растут его СНС и УВ. За счет укрупнения гл. частиц и увеличения проницаемости глинистой корки - несколько увеличивается водоотдача (обл.2).

Если еще больше увеличить концентрацию Na₂CO_3, то произойдет дальнейшее сжатие диффузного слоя. Частицы почти полностью потеряют свои гидратные оболочки, и произойдет полная коагуляция раствора. Это приведет к катастрофическомуросту водоотдачи, снижению СНС и вязкости (обл.3)

При достаточной концентрации глины снижение УВ и СНС может не произойти даже при очень высоком процентном содержании реагента в глинистом растворе.

Рассмотренный механизм действия Na₂CO₃ характерен для случая обработки глинистого раствора из кальциевой глины. При обработке гл. раствора из натриевой глины уже при малых концентрациях происходит коагуляция. При обработке. раствора из глин смешанного типа(Na+Ca) наблюдается в той или иной мере стабилизация раствора. Чем больше катионов кальция, тем выше будет концентрация реагента.

Наличие области стабилизации характерно только для Na₂CO₃ остальные реагенты – электролиты, в том числе NaOH и в особенности те, которые содержат в своем составекатионы кальция, уже при самых малых добавках вызывают коагуляцию гл. раствора.

Характер действия электролитов на свойства глинистых растворов зависит от вида катионов и анионов электролита. Катионы играют роль коагулирующих ионов для глинистой суспензии.

По возрастанию коагулирующей способности одновалентные катионырасполагаются в следующий ряд:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < NH₄⁺ < Rb ⁺< Cs⁺

Коагулирующая способность двухвалентных катионов на два порядка выше, чем у одновалентных, и возрастает в следующей последовательности:

 

Mg⁺⁺ < Ca⁺⁺ < Ba⁺⁺

Коагулирующая способность трехвалентных катионов на порядок выше, чем у двухвалентных.

Влияние анионов на свойства промывочных жидкостей проявляется следующим образом. Например, они могут связывать катионы H⁺ иповышать рН раствора, способствуя его стабилизации. Они могут связыватьионы Са⁺⁺ и удалять их из раствора. Так, анион СО₃^-- с Са⁺⁺ образуют трудно растворимое соединение – мел СаСО₃.

На практике различное действие анионов легко заметить. Так если NaOH и Na₂CO₃ дают ярко выраженную область стабилизации, то NaCl вызывает только структурообразование и коагуляцию.