Материалы для приготовления буровых растворов. Утяжелители

Предупреждение ряда осложнений при бурении нефтяных и газовых скважин достигается регулированием противодействия на пласты. Для этого необходимо повышать плотность буровых растворов добавлением различных тяжелых материалов, называемых утяжелителями. Буровые растворы представляют собой дисперсные системы с сильно развитой поверхностью раздела фаз. Утяжелители особенно влияют на структурно-механические свойства таких систем.

Основным показателем качества любого утяжелителя является утяжеляющая способность, которая зависит от плотности, дисперсности, гидрофильности, химического и минералогического составов утяжелителя. Кроме утяжеляющей способности на технико-экономические показатели бурения значительно влияют также седиментационная устойчивость, абразивные свойства и товарный вид утяжелителей. Например, наличие остатков флото-реагентов на поверхности флотационных баритовых утяжелителей обусловливает аэрацию буровых растворов, что может способствовать возникновению ряда осложнений. Повышенные абразивные свойства утяжелителей вызывают снижение проходки на долото и уменьшение скорости бурения скважин.

Таким образом, требования к утяжеляющим материалам включают в себя регламентирование физико-химических показателей (плотность, химическая инертность, дисперсность) и таких важных свойств, как абразивность, седиментационная устойчивость, способность вызывать аэрацию буровых растворов в процессе утяжеления и др. Кроме того, для улучшения технико ономических показателей бурения, снижения стоимости буровых растворов (в особенности высокой плотности) большое значение имеет стоимость применяемых утяжелителей.

Ведущие фирмы - производители утяжелителей поставляют на мировой рынок свою продукцию исключительно в соответствии со спецификацией Американского нефтяного института (АНИ) и объединения по материалам нефтяных компаний (ОС-МА), образованного 17-ю компаниями нефтяной промышленности в Лондоне. Некоторые фирмы - крупные производители барита, например американская "Бароид", проводят дополнительные испытания для проверки технологических качеств растворов. При сравнении различных спецификаций заметно стремление к унификации требований к баритовым утяжелителям [ 54 ].
Общие требования по спецификации АНИ, ОСМА,
фирмы "Бароид"

Плотность, г/см3………………………………………........................……. >42
Содержание щелочноземельных металлов (кальция), %..................... < 0025
Остаток на сите, %:
200 меш (0,074 мм)………………………...........................……………... <30
325 меш (0,044 мм)…………………………………….............................. <50
Дополнительные требования ОСМА:
кажущаяся вязкость водной суспензии плотностью
2,5 г/см3 (с гипсом), мПа-с…………………….........................…….…... < 125
содержание водорастворимых твердых веществ, %.....................…. < 0 1

Дополнительные требования фирмы "Бароид":
кажущаяся вязкость, мПа-с …………………………............................. <25-45
статическое напряжение сдвига, дин/см2:
через 10 с…………………………………………..............................…... < 122
через 10 мин……….............................………………………….…….…. <244
В настоящее время на барит действует стандарт 13А АНИ, изданный в 1985г. добычным департаментом АНИ в г. Далласе, штат Техас [ 55 ].

Классификация утяжелителей.

В качестве утяжелителей буровых растворов применяют минералы, а также в редких случаях отходы химического и металлургического производств.
Утяжелители из природных минералов различают по методу производства. Так, баритовый утяжелитель можно разделить на гравитационный и флотационный. В зависимости от основы минерала утяжелители из природных руд делятся на несколько видов: баритовые, железистые, карбонатные и галенитовые.

Баритовые утяжелители. Барит ВаSO4 (сульфат бария)- минерал, содержащий 65,7% ВаО и 34,3% SO3, а также примеси: Sr, Ca, Pb, Ra, Fe2O3. Бывает белого, серого, красного и желтого цвета. Плотность его 4,3 - 4,7 г/см3; твердость по шкале Мооса 2,5-3,5.

Железистые утяжелители. Гематит - минерал, содержащий 70% Fe2O3. Цвет от железно-черного до стального - серого; землистые разности имеют ярко-красный цвет. Плотность его 5,0-5,3 г/см3, твердость по шкале Мооса 5-6. Выпускается он в виде порошка плотностью 4,15-4,20 г/см3.
Магнетит или магнитный железняк - минерал железных руд. Химический состав его: 31% FeO, 69% Fe2O3. Цвет железно- черный, хрупкий, плотность его 4,9-5,2 г/см3, твердость по шкале Мооса 5,5-6,5, обладает сильными магнитными свойствами. Для утяжеления растворов магнетит применяется в молотом виде плотностью 4,20-4,35 г/см3. Имеет повышенные абразивные свойства.
Карбонатные утяжелители. Доломит - минерал состава Са, Mg(CO3)2. Плотность его 2,8-2,9 г/см3, твердость по шкале Мооса 3,5-4,0. Применяется ограничено для утяжеления буровых растворов плотностью до 1,5-1,7 г/см3.
Известняк - осадочные породы, состоящие главным образом из кальцита, кремнезема. Плотность его 2,70 г/см3.
Сидерит (карбонат железа) - минерал содержит от 44 до 93% FeO и от 3 до 55% СаО, а также примеси окислов Са, Mg, Si. Плотность его 3,5-3,8 г/см3.

Галенитовые утяжелители. Галенит -PbS, или свинцовый блеск, содержит 86,6% Pb и 13,4% S. В качестве примесей в галените встречаются медь, серебро, цинк, иногда селен, висмут, железо и др. плотность его 7,4-7,6 г/см3. Твердость по шкале Мооса 2-3. Галенит применяется как утяжелитель для получения сверхтяжелых буровых растворов.
В зависимости от плотности утяжелители подразделяются на три группы: первая - плотностью до 3,0 г/см3; вторая - плотностью 3,8-4,5 г/см3; третья - плотностью 5,0-7,0 г/см3.
Первую группу утяжелителей составляют тяжелые (малоколлоидальные) глины, мергель, мел, известняк и др. Эти материалы имеют небольшую плотность (2,6-2,9 г/см3) и отличаются сравнительно небольшой структурообразующей способностью в буровых растворах, за счет чего их количество в буровом растворе может быть значительным, однако реологические свойства раствора не ухудшаются. При этом резко увеличивается содержание твердой фазы в буровом растворе, что отрицательно сказывается на эффективности бурения. Следует отметить, что материалы с низкой плотностью (мел, сидерит, известняк) целесообразно использовать при вскрытии продуктивных пластов. Их способность растворяться при солянокислых обработках улучшит вызов притока из скважины.

Вторую группу утяжелителей составляют материалы плотностью 3,8-4,5 г/см3, в которую входят баритовый и железистый утяжелители. Эти утяжелители являются основными для приготовления буровых растворов. Гидростатическое давление, создаваемое буровыми растворами плотностью 2,30-2,35 г/см3, достаточно для большинства скважин. Такую плотность может обеспечить утяжелитель плотностью не менее 4,2 г/см3. Использование утяжелителей плотностью 4,15 и 4,10 г/см3 позволит достичь плотности бурового раствора, соответственно, 2,25 и 2,2 г/см3, при оптимальных физико-химических показателях.

К третьей группе утяжелителей (плотностью 5,0-7,0 г/см3) относятся материалы, состоящие главным образом из соединений свинца и железа. Эти утяжелители применяются для приготовления буровых растворов плотностью 2,5 г/см3 и более. Такие буровые растворы необходимы для разбуривания отложений, имеющих в разрезе пласты с давлением, превосходящим геостатическое.
Кроме указанных выше утяжелителей пытались использовать ферромарганец, феррофосфор, ферросилиций, плотность которых 6,5-7,5 г/см3. Однако эти материалы оказались непригодными вследствие их гидролиза и образования токсичных и взрывчатых веществ.

С. А. Рябоконь - Монография -Технологические жидкости для закачивания и ремонта скважин.