Пептизация и ингибирование набухания глин в присутствии угольной кислоты, бикарбонатных, карбонатных ионов и ионов кальция

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения целостности ствола скважины, сложенного глинистыми породами, и стабильности бурового раствора при бурении в условиях углекислой и бикарбонатной агрессий.

Цель: экспериментально определить влияние на глину угольной кислоты, бикарбонатных и карбонатных ионов в зависимости от присутствия в дисперсионной среде ионов кальция.

Объекты: загрязненные угольной кислотой, бикарбонатными и карбонатными ионами во́ды с разной эквивалентной концентрацией ионов кальция.

Методы. Ингибирующие и пептизирующие свойства объектов исследования по отношению к глинистой породе изучали методом набухания глины при нахождении ее в исследуемом образце воды (на приборе Жигача–Ярова); для контроля состава и свойств вод были привлечены методы химического анализа (комплексонометрическое и кислотно-основное титрование) и потенциометрии.

Результаты. Показано, что пептизирующие и ингибирующие свойства буровой промывочной жидкости значительно зависят от присутствия в дисперсионной среде формы угольной кислоты и эквивалентного содержания ионов Ca2+. Выявлено, что угольная кислота H2CO3 способствует ингибированию (коагуляции) глины, бикарбонат-ионы HCO3 и карбонат-ионы CO32– – пептизации глины. Установлено, что ион Ca2+ не обладает ингибирующим действием в присутствии угольной кислоты H2CO3 – ионы H+ вытесняют обменные катионы из межслоевого пространства глин и за счет малого диаметра самостоятельно ингибируют набухание глины; в присутствии бикарбонат-ионов HCO3 ион Ca2+ также не обладает ингибирующим действием – бикарбонатные ионы HCO3, находясь в дисперсионной среде, оттягивают ионы Ca2+ от поверхности глины, увеличивая толщину двойного электрического слоя; при наличии карбонат-ионов CO32– ион Ca2+ выпадает в осадок и эффективно предотвращает пептизацию глин только в присутствии гидроксид-ионов OH. Экспериментально доказано, что ион Ca2+ в присутствии гидроксид-ионов OH обладает лучшей ингибирующей способностью, чем ион H+ диссоциированной угольной кислоты H2CO3. Предложен механизм ингибирования набухания глин ионами Ca2+ в присутствии гидроксид-ионов OH, основанный на адсорбции гидратированного иона Ca2+ на кремнекислородной решетке за счет предварительного протонирования ее атомов кислорода молекулами воды. Сформулированы условия, необходимые для эффективной пептизации глины: [CO32–]≥0; [OH]>0, [Ca2+]=0, pH>11,5; для ингибирования набухания глины: [CO32–]=0; [OH]>0, [Ca2+]>0 и pH>11,5.

Полный текст

Введение

Возникающие во время приготовления, бурения, промывки или обработки бурового раствора углекислая или бикарбонатная агрессии отрицательно сказываются на свойствах промывочной жидкости, что может потребовать остановки технологических процессов строительства скважины для выравнивания ее параметров, а также стать причиной потери контроля над системой «скважина–пласт».

Загрязнение промывочной жидкости угольной кислотой и бикарбонатами является результатом попадания их из разбуриваемых пород [1] либо следствием ферментативной или термоокислительной деструкции органических соединений, входящих в состав бурового раствора [2]. Зачастую пресная техническая вода для приготовления промывочной жидкости содержит растворенный углекислый газ и бикарбонат-ионы [3]. Также в последнее время становится популярным использование в качестве основы или компонента буровых промывочных жидкостей морской [4, 5] или пластовых вод [6–10], для которых характерен данный вид загрязнения [11–13].

При попадании углекислого газа CO2 в дисперсионную среду буровой промывочной жидкости, растворяясь в воде, он образует угольную кислоту H2CO3, которая при повышенных pH переходит в бикарбонат-ионы HCO3, а они, в свою очередь, – в карбонат-ионы CO32–; при снижении pH процесс идет в обратном направлении:

CO2+H2O↔H2CO3;

H2CO3+OH↔HCO3+H2O;

HCO3+OH↔CO32–+H2O.

Для данного вида загрязнения характерна не только взаимность перехода одной формы угольной кислоты в другую и обратимость процесса, но и возможность одновременного существования в воде сразу двух форм: [H2CO3 и HCO3] или [HCO3и CO32–].

Помимо этого, при снижении pH, из-за поступления в раствор углекислого газа, возможно постепенное растворение водонерастворимого карбоната CaCO3 (как специально вводимого в буровой раствор, так и горной породы) до водорастворимых бикарбонатов: CaCO3+H2O+CO2↔Ca(HCO3)2 [14, 15]. Это означает, что в некоторых случаях углекислая агрессия способна протекать с увеличением концентрации ионов кальция Ca2+.

Практика показывает, что инженерно-технические работники, как правило, не связывают плохое распускание глины во время приготовления бурового раствора или, наоборот, значительную наработку твердой фазы, а также наличие осыпей и обвалов при бурении глиносодержащих интервалов с присутствием углекислого или бикарбонатного загрязнения. Однако хорошо известно, что состояние глины (скоагулирована или пептизирована) значительно зависит от растворенных в воде веществ.

При попадании в воду глинистые частицы диссоциируют на макроанионы и большое количество катионов. Последние, располагаясь вокруг отрицательно заряженных глинистых частиц, образуют двойные электрические слои (ДЭС). Взаимодействие между частицами определяется соотношением сил электростатического отталкивания и межмолекулярного притяжения. С уменьшением толщины ДЭС электростатические силы отталкивания снижаются, и частицы дисперсной фазы под действием межмолекулярных сил притяжения слипаются – происходит коагуляция глины; по мере увеличения толщины ДЭС электростатические силы отталкивания возрастают, и частицы дисперсной фазы разъединяются – происходит пептизация глины. В свою очередь, толщина ДЭС зависит от таких факторов, как валентность и размер ионов, образующих ДЭС, pH и концентрация растворенных веществ в дисперсионной среде, температура и т. д.

Отсюда понятно, что появление угольной кислоты, бикарбонатных или карбонатных ионов в дисперсионной среде буровой промывочной жидкости будет изменять ее состав и свойства и по-разному влиять на толщину ДЭС. Однако до сих пор нет четкого понимания влияния угольной кислоты и ее солей на глину. Поэтому для эффективного управления механизмами ингибирования и пептизации глин необходимо проведение специальных исследований по определению влияния каждой формы угольной кислоты на взаимодействие глинистых частиц друг с другом. Также требуют экспериментального подтверждения сделанные ранее теоретические предположения о неэффективной ингибирующей способности Ca2+ в присутствии угольной кислоты, бикарбонатных и карбонатных ионов [16].

Результаты проведенных исследований могут быть полезны работникам буровой отрасли при применении, в частности, известковых и известково-гипсовых буровых растворов, а также всех типов буровых растворов на водной основе при загрязнении их углекислым газом или бикарбонатными ионами, попадающими в раствор с пластовым флюидом.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования были выбраны три типа вод с разным эквивалентным соотношением Ca2+ и Н2СО3/HCO3 или НСО3/СО32–:

1)воды, в которых ионы кальция отсутствуют (Ca2+=0; Н2СО3/HCO3>0 или НСО3/СО32–>0);

2)воды с низкой эквивалентной концентрацией ионов кальция (Ca2+≤[Н2СО3/HCO3 или НСО3/СО32–]);

3)воды с высокой эквивалентной концентрацией ионов кальция (Ca2+>[Н2СО3/HCO3 или НСО3/СО32–]).

Для получения вод первого типа дистиллированная вода изначально насыщалась углекислым газом при помощи бытового сифона; для получения вод второго типа в насыщенную углекислым газом воду добавлялся карбонат кальция CaCO3, и система герметично закрывалась на сутки, по истечении которых водная фаза отделялась и использовалась в дальнейших испытаниях; в качестве вод третьего типа применялась пластовая высокоминерализованная, насыщенная углекислым газом, вода со скважины. Получение определенной формы угольной кислоты в каждом типе вод достигалось за счет поэтапного увеличения pH добавлением каустической соды и последующего отстаивания системы в течение суток для достижения равновесного состояния (в случае выпадения осадка при добавлении щелочи в испытаниях использовали осветленную часть жидкости, которую аккуратно сливали из емкости после суточного отстоя). Химические процессы, протекающие в воде в присутствии каждой формы угольной кислоты, представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Химические процессы, протекающие в интервалах существования одной из форм угольной кислоты, в зависимости от концентрации ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания H2CO3 или HCO3, или CO32–

Table 1. Chemical processes in each carbonic acid form interval depending on concentration of Ca2+ ions relative to the equivalent content of H2CO3 or HCO3 or CO32–

Форма угольной кислоты/Carbonic acid form

CO2 или (or) H2CO3

HCO3

CO32–

Ca2+=0

CO2+H2O⇄H2CO3

H2CO3⇄H++HCO3

Na++HCO3⇄NaHCO3

2Na++CO32–⇄Na2CO3

Na++OH⇄NaOH

Ca2+≤[H2CO3 или (or) HCO3, или (or) CO32–]

CO2+H2O⇄H2CO3

H2CO3⇄H++HCO3

Ca2++2HCO3⇄Ca(HCO3)2

Na++HCO3⇄NaHCO3

Ca2++CO32–→CaCO3

2Na++CO32–⇄Na2CO3

Na++OH⇄NaOH

Ca2+>[H2CO3 или (or) HCO3, или (or) CO32–]

CO2+H2O⇄H2CO3

H2CO3⇄H++HCO3

Ca2++2HCO3⇄Ca(HCO3)2

Ca2++2OH→Ca(OH)2

Ca(OH)2+CO32–→ CaCO3↓+2OH

 

Водородный показатель воды контролировали с помощью pH-метра; состав водной среды контролировали с помощью химического анализа: концентрацию угольной кислоты H2CO3 определяли титрованием образца воды раствором NaOH в присутствии фенолфталеина [17], бикарбонатных НСО3 и карбонатных СО32– ионов раствором H2SO4 в присутствии фенолфталеина и метилового оранжевого индикатора, ионов Ca2+ раствором ЭДТА в присутствии мурексида [18].

Для определения эквивалентного соотношения рассчитывали:

1) концентрацию ионов кальция n по уравнению, моль-экв/л:

n=Ca2+40×1000,

где Ca2+ – содержание ионов кальция, мг/л;

2) суммарное содержание угольной кислоты, бикарбонат-ионов и карбонат-ионов m по уравнению, моль-экв/л:

m=H2CO362×1000+HCO3122×1000+CO3260×1000,

где Н2СО3, HCO3, СО32– – содержание угольной кислоты, бикарбонат-ионов и карбонат-ионов, мг/л.

Для исследования процессов взаимодействия глинистых частиц друг с другом в присутствии угольной кислоты, бикарбонатных и карбонатных ионов был выбран метод определения ингибирующей способности среды, основанный на увеличении объема образца глины при нахождении его в исследуемой жидкости (прибор Жигача–Ярова). Все исследования проводились с использованием наиболее предрасположенной к пептизации и коагуляции глины монтмориллонитового типа – необработанного бентонитового глинопорошка.

Влияние на глину вод, содержащих угольную кислоту, бикарбонатные или карбонатные ионы, в отсутствии ионов кальция: Ca2+=0, Н2СО3/HCO3>0 или HCO3/СО32–>0

Графические зависимости, иллюстрирующие динамику набухания глинистого образца при наличии в воде угольной кислоты, бикарбонат- и карбонат-ионов в отсутствии ионов Ca2+ представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Динамика изменения высоты образца глины при нахождении ее в водах, содержащих разные формы угольной кислоты, в отсутствии ионов Ca2+

Fig. 1. Сurves of changes in a clay sample height when it is in waters, containing various forms of carbonic acid, without Ca2+ ions

 

Детальное изучение влияния концентрации каждой формы угольной кислоты на глину показывает следующее:

  • присутствие в воде угольной кислоты H2CO3, которая диссоциирует на HCO3 и H+, приводит к коагуляции глины; характер кривой набухания (с выходом на плато) аналогичен кривым набухания глин при нахождении их в калийсодержащих системах – благодаря малому размеру [19] ионы водорода H+, вытесняя обменные катионы, размещаются в гексагональных пустотах тетраэдрических слоев глины подобно иону K+ и, компенсируя отрицательный заряд, предотвращают ее пептизацию;
  • в отсутствии угольной кислоты бикарбонат-ионы HCO3 способствуют пептизации глины – находясь в дисперсионной среде, они оттягивают положительно заряженные противоионы ДЭС, тем самым увеличивая его толщину;
  • карбонат-ионы СО32–приводят к максимальному распусканию глины вследствие полного связывания из обменного комплекса глины двухвалентных ионов Ca2+ и замещения их ионами Na+.

Также следует отметить, что поскольку при диссоциации Н2СО3 одновременно с коагулирующими ионами H+, располагающимися в межпакетном пространстве глин, в дисперсионной среде находятся пептизирующие бикарбонат-ионы HCO3, процессы ингибирования и пептизации глины идут одновременно. Вид превалирующего процесса зависит, соответственно, от концентрации угольной кислоты и растворенных бикарбонат-ионов, находящихся в воде в равновесии с другими катионами, отличными от H+. Следовательно, при повышении pH системы количество растворенных бикарбонат-ионов будет увеличиваться и это будет приводить к пептизации глины.

Таким образом, взаимодействие между глинистыми частицами в присутствии Н2СО3, HCO3 и СО32– при полном отсутствии ионов Ca2+ в дисперсионной среде бурового раствора будет идти в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема взаимодействия глинистых частиц в присутствии Н2СО3 (слева), HCO3 (в центре) и СО32– (справа) при отсутствии ионов Ca2+ в дисперсионной среде

Fig. 2. Representation of interaction of clay particles in the presence of Н2СО3 (left), HCO3 (in the center) and СО32– (right) without Ca2+ ions in the dispersion medium

 

Влияние на глину вод, содержащих угольную кислоту, бикарбонатные или карбонатные ионы, с низкой эквивалентной концентрацией ионов кальция: Ca2+≤[Н2СО3/HCO3 или HCO3/СО32–]

Из графических зависимостей, иллюстрирующих динамику набухания глинистого образца в водах, содержащих ионы Ca2+, эквивалентная концентрация которых меньше концентрации угольной кислоты, бикарбонатов и карбонатов, видно, что в присутствии двухвалентных катионов возможно прогрессирующее набухание глины.

Сравнение кривых набухания глины при нахождении ее в образцах вод с одинаковым содержанием ионов Ca2+ (160 мг/л) показывает, что процесс набухания глины в лучшей степени подавляется в воде, содержащей больше угольной кислоты (77,5 против 43,4 мг/л) и меньше бикарбонат-ионов (732 против 854 мг/л). При нахождении глины в водах с разным содержанием ионов Ca2+ (120 и 160 мг/л) менее интенсивно идет ее пептизация в воде с большим содержанием угольной кислоты (55,8 против 43,4 мг/л) и с меньшим содержанием бикарбонат-ионов (732 против 854 мг/л), несмотря на то, что содержание двухвалентных ионов Ca2+ в этой воде меньше. Следовательно, ингибирующая способность водной фазы в присутствии ионов Ca2+ в большей степени определяется не концентрацией двухвалентного катиона, а формой угольной кислоты и ее концентрацией: угольная кислота подавляет набухание глины; бикарбонат-ионы, наоборот, способствуют пептизации глины. С появлением в воде карбонат-ионов СО32– прекращается процесс возможного перехода бикарбонат-ионов HCO3 в угольную кислоту Н2СО3, а также связываются ионы Ca2+, что в целом улучшает набухание глины.

 

Рис. 3. Динамика изменения высоты образца глины при нахождении ее в водах, в которых эквивалентная концентрация ионов Ca2+ меньше концентрации угольной кислоты, бикарбонатов и карбонатов

Fig. 3. Curves of changes in a clay sample height in waters, where the equivalent concentration of Ca2+ ions is less than the concentration of carbonic acid, bicarbonates and carbonates

 

Схема взаимодействий между глинистыми частицами при низкой концентрации в дисперсионной среде ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания Н2СО3, HCO3 и СО32– представлена на рис. 4.

 

Рис. 4. Схема взаимодействия глинистых частиц при низкой концентрации в дисперсионной среде ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания Н2СО3 (слева), HCO3 (в центре) и СО32– (справа)

Fig. 4. Representation of interaction of clay particles at low concentration of Ca2+ ions in a dispersion medium relative to the equivalent content of Н2СО3 (left), HCO3 (in the center) and СО32– (right)

 

Влияние на глину вод, содержащих угольную кислоту, бикарбонатные или карбонатные ионы, с высокой эквивалентной концентрацией ионов кальция: Ca2+>[Н2СО3/HCO3 или HCO3/СО32–]

Исследования по ингибирующей способности высокоминерализованной пластовой воды, в которой эквивалентная концентрация ионов Ca2+ выше концентрации угольной кислоты, бикарбонат- и карбонат-ионов, показали, что процент набухания глинистых образцов намного меньше, чем в предыдущих двух случаях, и на кривых набухания имеются плато (рис. 5). Прежде всего, это связано с высоким содержанием электролитов в воде, которые препятствуют увеличению ДЭС и предотвращают пептизацию глины. Но при этом из рис. 5 видно, что в зависимости от pH и превалирующей формы угольной кислоты существует разница в степени набухания глины.

 

Рис. 5. Динамика изменения высоты образца глины при нахождении ее в высокоминерализованных пластовых водах, в которых эквивалентная концентрация ионов Ca2+ выше концентрации угольной кислоты, бикарбонатов и карбонатов

Fig. 5. Curves of changes in a clay sample height in waters, where the equivalent concentration of Ca2+ ions is higher than the concentration of carbonic acid, bicarbonates and carbonates

 

В исходной пластовой воде с pH=5,95, в которой содержатся угольная кислота (170,5 мг/л) и бикарбонат-ионы (122 мг/л), степень набухания глины достигает 16 %; после повышения pH до 8,53 ингибирующие свойства воды ухудшаются – степень набухания глины составляет около 19 %. Это объясняется тем, что в исходной пластовой воде параллельно с пептизирующими бикарбонат-ионами HCO3 содержатся ионы водорода H+ угольной кислоты, которые ингибируют глину; при повышении pH содержание бикарбонат-ионов HCO3 увеличивается и исчезают ингибирующие ионы H+, вследствие чего глина набухает лучше. Таким образом, ионы Ca2+ в присутствии бикарбонат-ионов HCO3не способны предотвратить набухание глины. Этот вывод хорошо согласуется с результатами исследований, проведенных канадскими учеными [20], которые фиксировали увеличение x-потенциала в кальцийсодержащей суспензии каолинита при добавлении к ней бикарбоната натрия NaHCO3.

Снижение концентрации ионов Ca2+ по мере повышения pH обусловлено образованием гидроксида кальция Ca(OH)2 с последующим взаимодействием его с карбонат-ионами СО32–, в которые переходят бикарбонаты HCO3 при добавлении щелочи (табл. 1). По этой же причине уже при pH=12,6 карбонат-ионы СО32– отсутствуют и появляются свободные гидроксильные ионы OH.

Сравнивая содержание ионов Ca2+ в воде c pH=8,53 и pH=12,6, видно, что концентрация двухвалентных ионов во втором случае меньше, при этом ингибирующие свойства системы намного лучше. Отсюда следует, что ионы Ca2+ обладают ингибирующим действием только в присутствии гидроксид-ионов или при отсутствии всех трех форм угольной кислоты. Также мы можем утверждать, что в присутствии гидроксид-ионов и в отсутствии всех трех форм угольной кислоты ионы Ca2+ обладают лучшей ингибирующей способностью, чем ионы H+ угольной кислоты.

При добавлении щелочи NaOH к воде с высоким содержанием ионов Ca2+ образуется малорастворимый гидроксид кальция Ca(OH)2. На сегодняшний день нет общепринятой теории, объясняющей взаимодействие Ca(OH)2 с поверхностью глинистых минералов, в том числе монтмориллонита. Но при этом многие исследователи отмечают, что вместе с ионами Ca2+ идет адсорбция гидроксильных ионов OH и расход Ca(OH)2 превышает обменную емкость глин [21, 22]. Некоторые зарубежные исследователи предполагают, что в межслоевое пространство глинистых частиц встраивается не ион Ca2+, а идет специфическая адсорбция гидролизованных ионов (CaOH)+ [23–25]. Такой вывод ими был сделан по количеству адсорбированных ионов Ca2+ и OH на поверхности глины, а также на основании результатов измерения z‑потенциала глинистых суспензий, содержащих Ca2+ – при изменении водородного показателя с увеличением pH наблюдалось падение электрокинетического потенциала и при pH>10 происходило изменение его знака. Ученые это объясняют тем, что из-за сильных электростатических взаимодействий положительно заряженные ионы (CaOH)+ втягиваются в адсорбционный слой в таком количестве, что не только нейтрализуют отрицательный заряд поверхности дисперсной фазы, но и перезаряжают ее частицы. Однако специфическая адсорбция гидролизованных ионов (CaOH)+ была обнаружена исследователями на каолинитовой глине, имеющей структуру 1:1 (октаэдр:тетраэдр); адсорбция Ca(OH)2 на монтмориллонитовой глине со структурой 2:1 (тетраэдр:октаэдр:тетраэдр) изучалась в присутствии KNO3, поэтому выводы, сделанные авторами о возможной специфической адсорбция гидролизованных ионов (CaOH)+ на данном типе глины, могут быть не совсем корректны.

Другие исследователи при изучении взаимодействия Ca(OH)2 с гидрослюдистой глиной, имеющей структуру 2:1, пришли к выводу, что гидратированный шестью молекулами воды ион Ca2+ адсорбируется на кремнекислородной решетке через две молекулы воды, которые протонируют атомы кислорода; протоны H+ впоследствии вытесняются с атомов кислорода ионом Ca2+, нейтрализуя два иона OH [26]. Данные исследования проводились в отсутствии каких-либо посторонних веществ, поэтому сделанные выводы авторами о механизме взаимодействия Ca(OH)2 с глиной, имеющей структуру 2:1, нами приняты как механизм ингибирования набухания монтмориллонитовой глины гидроксидом кальция Ca(OH)2.

Таким образом, при высокой концентрации ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания H2CO3 или HCO3, или CO32– взаимодействие между глинистыми частицами при каждой форме угольной кислоты следующее:

  • ионы H+ угольной кислоты H2CO3 ингибируют глину, вытесняя при этом из межслоевого пространства обменные катионы;
  • бикарбонат-ионы HCO3 способствуют пептизации глины – оттягивая с ее поверхности обменные катионы, в том числе ионы Ca2+, они увеличивают толщину ДЭС;
  • при повышении pH бикарбонат-ионы переходят в карбонат-ионы, а поскольку эквивалентная концентрация ионов Ca2+ больше концентрации карбонат-ионов CO32–, часть образующегося гидроксида кальция Ca(OH)2 взаимодействует с карбонат-ионами CO32–, полностью нейтрализуя их, с образованием водонерастворимого осадка CaCO3; оставшаяся часть гидроксида кальция ингибирует глину за счет встраивания в межслоевое пространство ионов Ca2+ через предварительное протонирование атомов кислорода кремнекислородной решетки двумя молекулами воды из шести, изначально гидратирующих ион Ca2+.

Схема взаимодействий между глинистыми частицами при высокой концентрации в дисперсионной среде ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания Н2СО3, HCO3 и СО32– представлена на рис. 6.

 

Рис. 6. Схема взаимодействия глинистых частиц при высокой концентрации в дисперсионной среде ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания Н2СО3 (слева), HCO3 (в центре) и СО32– (справа)

Fig. 6. Representation of interaction of clay particles at a high concentration of Ca2+ ions in a dispersion medium relative to the equivalent content of Н2СО3 (left), HCO3 (in the center) and СО32– (right)

 

Проведенный анализ исследований взаимодействия глинистых частиц друг с другом в условиях углекислой, бикарбонатной и карбонатной агрессии позволяет нам сформулировать следующие условия для пептизации глины: [CO32–]≥0; [OH]>0, Ca2+=0, pH>11,5; для ингибирования глины: [CO32–]=0; [OH]>0, [Ca2+]>0 и pH>11,5. Поэтому в зависимости от преследуемой цели выбор средств обработки (NaOH, Na2CO3 или Ca(OH)2) должен сводиться к тому, чтобы эти условия были получены.

Выводы

  1. Пептизирующие и ингибирующие свойства буровой промывочной жидкости значительно зависят от присутствующей в дисперсионной среде формы угольной кислоты: угольная кислота H2CO3 способствует ингибированию набухания (коагуляции) глины, бикарбонат-ионы HCO3 и карбонат-ионы CO32– – пептизации глины.
  2. Установлено, что ион Ca2+ не обладает ингибирующим действием в присутствии угольной кислоты H2CO3 – ионы H+ вытесняют обменные катионы из межслоевого пространства глин и за счет малого диаметра самостоятельно ингибируют набухание глины; ион Ca2+ не обладает ингибирующим действием в присутствии бикарбонат-ионов HCO3 – бикарбонатные ионы, находясь в дисперсионной среде, оттягивают его от поверхности глины, увеличивая толщину ДЭС; ион Ca2+ выпадает в осадок при наличии карбонат-ионов CO32– и эффективно предотвращает пептизацию глин только в присутствии гидроксид-ионов OH или при отсутствии всех трех форм угольной кислоты.
  3. Выявлено, что ион Ca2+ в присутствии гидроксид-ионов OH обладает лучшей ингибирующей способностью, чем ион H+ диссоциированной угольной кислоты.
  4. Сформулированы условия, необходимые для эффективной пептизации глины: [CO32–]≥0; [OH]>0, [Ca2+]=0, pH>11,5; для ингибирования глины: [CO32–]=0; [OH]>0, [Ca2+]>0 и pH>11,5.
×

Об авторах

Дмитрий Александрович Баранов

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: www-diman777@mail.ru

магистрант кафедры бурения нефтяных и газовых скважин

Россия, Уфа

Сергей Федорович Вязниковцев

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина

Email: kontakt-sintez@yandex.ru

научный сотрудник кафедры бурения нефтяных и газовых скважин

Россия, Москва

Оксана Георгиевна Мамаева

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: oxana.mamaeva2013@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин

Россия, Уфа

Список литературы

  1. Selection of drilling fluid system for wells with high CO2 content in Song Hong basin / H.H. Ngo, T.T. Nguyen, T.V. Nguyen, V.T. Truong // Petrovietnam Journal. – 2022. – Vol. 5. – P. 10–18. doi: 10.47800/PVJ.2022.05-02.
  2. Вязниковцев С.Ф., Мамаева О.Г., Чуктуров Г.К. Изучение поведения в приствольной зоне скважины продуктов ферментативной деструкции полисахаридных реагентов // Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. – 2021. – № 3. – С. 44–47.
  3. Рассказов Н.М. Основные особенности химического состава болотных вод (на примере Юго-Восточной части Западной Сибири) // Известия Томского политехнического университета. – 2005. – Т. 308. – № 4. – С. 55–58.
  4. Буровые растворы на основе морской воды для бурения скважин на шельфе Вьетнама / Б.М. Стешин, Н.В. Ты, Г.И. Аникеенко, А.В. Овчаренко // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2006. – № 11. – С. 25–28.
  5. Термостойкий биополимерный буровой раствор: пат. Рос. Федерация, № 2711222, заявл. 15.11.2018; опубл. 15.01.2020. Бюл. № 2. – 5 с.
  6. Исследование биополимерных буровых растворов на основе высокоминерализованных пластовых вод Восточной Сибири / Н.А. Буглов, Е.В. Аверкина, А.О. Устюжанин, А.С. Красинская // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332. – № 3. – С. 210–218. doi: 10.18799/24131830/2021/03/3116.
  7. Ланина Т.Д. Использование пластовых вод в качестве технологической жидкости для приготовления буровых растворов и консервации скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2007. – № 12. – С. 29–32.
  8. Rezaei A., Shadizadeh S.R. State-of-the-art drilling fluid made of produced formation water for prevention of clay swelling: experimental investigation // Chemical Engineering Research and Design. – 2021. – Vol. 170. – № 6. – P. 350–365. doi: 10.1016/j.cherd.2021.04.012.
  9. Ахметзянов Р.Р., Таланов И.А. Моделирование влияния пластовой воды на вязкостные свойства полимерных реагентов для буровых растворов // Нефтяное хозяйство. – 2022. – № 1. – C. 54–57. doi: 10.24887/0028-2448-2022-1-54-57.
  10. Аверкина Е.В., Шакирова Э.В. Особенности приготовления буровых растворов на основе пластовой воды Знаменского месторождения // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2019. – Т. 120. – № 4. – С. 38–46. doi: 10.17122/ntj-oil-2019-4-38-46.
  11. Скоков В.В. Генезис и химический состав рассолов Астраханского газоконденсатного месторождения, факторы возникновения и методы борьбы с рапопроявлением // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. – 2017. – № 2. – С. 44–49.
  12. Dickson A.G. The carbon dioxide system in seawater: Equilibrium chemistry and measurements // Article. January 2010. URL: https://www.researchgate.net/publication/284774361 (дата обращения 15.07.2022).
  13. Левченко Д.Н., Бергштейн Н.В., Николаева Н.М. Технология обессоливания нефтей на нефтеперерабатывающих предприятиях. – М.: Химия, 1985. – 168 с.
  14. Chemistry of carbonic acid in water // Technical Documents in Hydrology. 2000. URL: http://www-naweb.iaea.org/napc/ih/documents/global_cycle/vol%20I/cht_i_09.pdf (дата обращения 01.05.2023)
  15. Effects in the solubility of CaCO3: Experimental study and model description / B. Cotoa, C. Martos, J.L. Pena, R. Rodrígueza, G. Pastor // Fluid Phase Equilibria. – 2012. – Vol. 324. – P. 1–7.
  16. Баранов Д.А., Набиев Т.М., Мамаева О.Г. Влияние углекислой/бикарбонатной/ карбонатной агрессии на пептизацию и ингибирование глин // Материалы 47-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием. – Октябрьский, 24 апреля 2020. – Октябрьский: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2020. – С. 35–38.
  17. ЦВ 1.01.17-2004. Качество воды. Методика выполнения измерений содержания свободной углекислоты в пробах питьевых и природных вод. Титриметрический метод. – СПб, 2005. – 10 с.
  18. ГОСТ 33213–2014 (ISO 10414–1:2008). Контроль параметров буровых растворов в промысловых условиях. Растворы на водной основе. – М.: Стандартинформ, 2015. – 75 с.
  19. Israelachvili J.N. Interactions involving polar molecules // Intermolecular and Surface Forces. – Elsevier Inc., 2011. – P. 71–90. doi: 10.1016/B978-0-12-375182-9.10004-1.
  20. Role of bicarbonate ions in oil sands extraction systems with a poor processing ore / H. Zhao, T. Dang-Vu, J. Long, Zh. Xu, J.H. Masliyah // Journal of Dispersion Science and Technology. – 2009. – Vol. 30. – № 6. – P. 809–822. doi: 10.1080/01932690802643980.
  21. Diamond S., Kinter E.B. Mechanisms of soil-lime stabilization // Highway Research Record. – 1965. – Iss. 92. – P. 83–102.
  22. Diamond S., Kinter E.B. Adsorption of calcium hydroxide by montmorillonite and kaolinite // Journal of Colloid and Interface Science. – 1966. – Vol. 22. – Iss. 3. – P. 240–249.
  23. Mpofu P., Addai-Mensah J., Ralston J. The influence of hydrolysable metal ions on the interfacial chemistry, particle interactions and dewatering behaviour of kaolinite dispersions // Journal of Colloid and Interface Science. – 2003. – Vol. 261. – № 2. – P. 349–359. doi: 10.1016/s0021-9797(03)00113-9.
  24. Influence of hydrated lime on the surface properties and interaction of kaolinite particles / Y.C. Chemeda, D. Deneele, G.E. Christidis, G. Ouvrard // Applied Clay Science. – 2015. – Vol. 107. – P. 1–13. doi: 10.1016/j.clay.2015.01.019.
  25. Mpofu P., Addai-Mensah J., Ralston J. Interfacial chemistry, particle interactions and improved dewatering behaviour of smectite clay dispersions // International Journal of Mineral Processing. – 2005. – Vol. 75. – № (3–4). – P. 155–171. doi: 10.1016/j.minpro.2004.01.008.
  26. Surface properties of kaolin and illite suspensions in concentrated calcium hydroxide medium / K.L. Konan, C. Peyratout, J.P. Bonnet, A. Smith, A. Jacquet, P. Magnoux, P. Ayrault // Journal of Colloid and Interface Science. – 2007. – Vol. 307. – Iss. 1. – P. 101–108.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Динамика изменения высоты образца глины при нахождении ее в водах, содержащих разные формы угольной кислоты, в отсутствии ионов Ca2+

Скачать (192KB)
3. Рис. 2. Схема взаимодействия глинистых частиц в присутствии Н2СО3 (слева), HCO3– (в центре) и СО32– (справа) при отсутствии ионов Ca2+ в дисперсионной среде

Скачать (191KB)
4. Рис. 3. Динамика изменения высоты образца глины при нахождении ее в водах, в которых эквивалентная концентрация ионов Ca2+ меньше концентрации угольной кислоты, бикарбонатов и карбонатов

Скачать (211KB)
5. Рис. 4. Схема взаимодействия глинистых частиц при низкой концентрации в дисперсионной среде ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания Н2СО3 (слева), HCO3– (в центре) и СО32– (справа)

Скачать (210KB)
6. Рис. 5. Динамика изменения высоты образца глины при нахождении ее в высокоминерализованных пластовых водах, в которых эквивалентная концентрация ионов Ca2+ выше концентрации угольной кислоты, бикарбонатов и карбонатов

Скачать (222KB)
7. Рис. 6. Схема взаимодействия глинистых частиц при высокой концентрации в дисперсионной среде ионов Ca2+ относительно эквивалентного содержания Н2СО3 (слева), HCO3– (в центре) и СО32– (справа)

Скачать (224KB)


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».