Флокулянт (сополимеры винилацетата и малеинового ангидрида, частично гидролизованный по-лиакриламид ГПАА, сополимеры акрилата натрия и метилметакрилата, полиоксиэтилен и прочие) предотвращает диспергирование частиц выбуренной породы и облегчает удаление их из раствора на системе очистки, а также регулирует структурно-механические свойства раствора. Стабилизатор (полиакрилат натрия ПАН) «обволакивает» дисперсные частицы бентонита, снижая показатель фильтрации раствора и не вызывая изменения его вязкости. Кроме того, полиакрилат натрия защищает бентонитовую фазу раствора от присутствующего в системе флокулянта.
Недиспергирующий раствор считается качественным, если отношение частиц выбуренной породы в твёрдой фазе к эквивалентному содержанию в ней бентонита составляет примерно 1:1. Содержание глинистой твёрдой фазы в данной системе не должно превышать 4% об.
В процессе углубления скважины высокомолекулярный флокулянт (ГПАА) минимизирует наработку коллоидной глинистой фазы, поступающей в буровой раствор [1,2]. В результате концентрация коллоидной глинистой фракции (с размером частиц менее 1 мкм) становится катастрофически низкой. Помимо флокулирующего действия, присутствующего в системе полиакриламида, обеднение бурового раствора коллоидной глинистой фракцией наступает также в результате первичной коагуляции при поступлении минерализованных пластовых вод, кислых газов (углекислоты) или вследствие загрязнения бурового раствора частицами выбуренной породы (зашламование).
В то же время для поддержания требуемого уровня структурных характеристик, эффективной удерживающей способности бурового раствора концентрация коллоидной фазы в недиспергиру-ющем растворе должна быть не менее 25 - 30 кг/м1. Причём более 70% дисперсных частиц (слоистые пластинки) должны иметь размер менее 1 мкм и нормальное распределение поверхностного электрического заряда - «грани» заряжены отрицательно, а «рёбра» - положительно. Именно в этом случае обеспечивается «здоровая» коагуляционная структура глинистого раствора типа «грань-ребро» («карточный домик»), создающая на стенках скважины непроницаемую плотную фильтрационную корку и характеризующаяся оптимальными выносящей и гелеобразующей характеристиками.
При снижении же концентрации коллоидной фазы менее 20 кг/м2 структура недиспергирующего бурового раствора разрушается (величина СНС стремится к нулю). Для поддержания необходимых структурных характеристик в этом случае промывочная жидкость должна обрабатываться ксантано-вым биополимером (до 2 кг/м1), что повышает стоимость бурового раствора. К тому же биополимер быстро теряет эффективность в результате целого ряда факторов: биологическое разложение, механодеструкция молекул, сорбция на частицах выбуренной породы и удаление реагента из раствора.
Установлено, что поддержание необходимых структурно-механических характеристик недиспергирующего раствора эффективно достигается обработкой циркулирующего бурового раствора 4 – 6%-ной бентонитовой суспензией, приготовленной из высококоллоидального бентонита. В результате введения бентонитовой суспензии концентрация микронной коллоидной фазы в недиспер-гирующем буровом растворе не должна снижаться менее 25 - 30 кг/м4.
В качестве высококоллоидального бентонита оптимально использование обогащенного монтмориллонитом бентонита Зырянского месторождения следующего минерального состава:
Таблица 1. - Минеральный состав бентонита Зырянского месторождения (об. %)
| Минерал | Об. % |
|---|---|
| Монтмориллонит | 74 (60 - 87) |
| Гидрослюда | 15 (10-30) |
| Кварц-кремнистые образования | 5,1 (2-8) |
| Кальцит(конкреции) | 2,8 (1,5-6) |
| Лимонит (конкреции) | 2,8 (2,0-4,6) |
| Минералы тяжёлой фракции | 0,3 (0,2-0,5) |
Такая эффективность простых обработок суспензией высококоллоидального бентонита объясняется особенностями взаимодействия отрицательно заряженных высокодисперсных бентонитовых частиц в буровом растворе.
Согласно уравнению Дерягина-Ландау [3,4] на дальних расстояниях между коллоидными бентонитовыми частицами преобладает притяжение (вторичный потенциальный минимум (потенциальная яма). На средних расстояниях между коллоидными глинистыми частицами преобладает отталкивание (электростатический барьер коагуляции). На ближних расстояниях, при максимальном сближении коллоидных частиц, преобладает притяжение - первичная потенциальная яма.
Возможность коагуляции определяется высотой барьера и глубиной потенциальных ям:
В глинистой суспензии происходит дальнее взаимодействие двух коллоидных частиц, фиксируемых на расстоянии порядка 100 нм, отвечающем вторичной потенциальной яме. При этом наблюдается акт медленной коагуляции, и к данным частицам присоединяются также на дальних расстояниях другие частицы, что и приводит к появлению структурированного золя, обладающего статическим напряжением сдвига (пределом прочности структуры). Таким образом, величина СНС косвенно характеризует энергию ван-дер-ваальсового притяжения частиц (глубину вторичной потенциальной ямы), а тиксотропия суспензии (СНС10/СНС1) - скорость медленной коагуляции во вторичной потенциальной яме.
Обработка раствора суспензией высокодисперсного бентонита увеличивает концентрацию отрицательно заряженных коллоидных частиц, что приводит к повышению энергии отталкивания между частицами, уменьшению глубины вторичной потенциальной ямы и снижению величины СНС суспензии.
рисунок 2
Таким образом, концепция обработки недиспергирующего бурового раствора высококоллоидальным бентонитом Зырянского месторождения с высоким природным содержанием монтмориллонита (не менее 75 - 80%) обеспечивает дополнительную стабилизацию системы, оптимизирует реологическую кривую течения, а также поддерживает оптимальные структурно-механические показатели бурового раствора в условиях наработки шламовой фазы. Способность частиц высококоллоидального бентонита образовывать на стенках скважины тонкую и непроницаемую фильтрационную корку обеспечивает снижение расхода полимерных понизителей водоотдачи, а также поддерживает устойчивость стенок скважины.
