К числу реагентов специального назначения относятся низкомолекулярные неорганические соединения и другие добавки, которые применяются при комплексной химической обработке и служат для регулирования растворимости понизителей водоотдачи и вязкости, регулирования электрокинетического потенциала глинистых частиц, изменения солевого состава электролитов, для снижения пенообразования, улучшения смазочных и закупоривающих свойств промывочных жидкостей и т.д.
Реагенты комбинированного и многоцелевого действия. Каустическая сода (едкий натр, каустик NaОН) продукт электролиза раствора поваренной соли. Представляет собой твердое кристаллическое бесцветное или с зеленоватым отливом вещество с удельным весом 2,10 г/см3. Хорошо растворим в воде с выделением большого количества тепла. С увеличением температуры растворимость каустика повышается. Поставляется в металлических барабанах весом 182-400 кг. Иногда каустическая сода поставляется в виде раствора с удельным весом 1,42-1,48 г/см3, что соответствует 43-47 % содержанию в ней твердого вещества.
Каустическая сода применяется, в основном, для приготовления щелочных реагентов (УЩР, ТЩР, нитролигнина, ПФЛХ, крахмального реагента и др.), для снижения растворимости извести в известковых растворах, для повышения рН промывочных жидкостей. Является активным понизителем твердости и пептизатором горных пород, поэтому ее используют наряду с другими реагентами в качестве добавки к естественным глинистым или шламовым растворам с целью улучшения обогащения их разбуриваемой породой, повышения стабильности, создания структуры и т.д. Вызывает коагуляцию глинистых растворов, поэтому ее в ряде случаев можно использовать для улучшения структурных свойств или для загущения растворов.
Применение каустической соды в качестве добавки непосредственно к рабочему глинистому раствору, кроме тех случаев, когда требуется увеличить рН, нецелесообразно. Это связано с тем, что при малых добавках NаОН, хотя и вызывается временное диспергирование глинистых частиц и, как следствие, снижение вязкости и водоотдачи, происходит быстрая адсорбция NаОН на стенках скважины, что приводит к снижению устойчивости ствола. Большие же добавки каустика (0,5-0,8 %) вызывают коагуляцию глинистого раствора, что приводит к резкому его загустеванию, повышению водоотдачи и потере стабильности.
При работе с каустической содой следует помнить, что едкий натрий – сильнодействующая, агрессивная щелочь и попадание ее на кожу человека (как в виде кристалла, так и в растворенном виде) вызывает сильный ожог и появление глубоких труднозаживающих язв. Особенно опасно попадание каустика в глаза. Поэтому при работе с каустической содой необходимо пользоваться резиновым фартуком, резиновыми перчатками и предохранительными очками. Попавшую на кожу щелочь следует тотчас же обильно смыть водой, затем смочить пораженное место слабым раствором какой-либо кислоты, например, уксусной, борной и вновь промыть водой.
Кальцинированная сода (Na2CO3) является натриевой средней солью угольной кислоты, представляет собой мелкокристаллический порошок белого цвета с удельным весом 2,5 г/см3. Легко растворяется в воде. Во влажной атмосфере поглощает влагу и слеживается. Поставляется в бумажных мешках. Употребляется для обработки промывочных жидкостей, как в сухом виде, так и в виде водных растворов различной концентрации.
Основное назначение кальцинированной соды – применение для приготовления глинистых растворов из кальциевых глин с целью перевода их в натриевые, а также в качестве химического диспергатора глин. Кроме того, ее применяют для связывания и удаления из рабочей промывочной жидкости агрессивных ионов кальция и магния, попадающих в раствор вместе с пластовыми водами или с частицами разбуриваемой породы и увеличивающих вязкость и водоотдачу. Хороший эффект дает введение кальцинированной соды в растворы, ранее обработанные УЩР, качество которых ухудшилось. В этом случае небольшие добавки соды способствуют снижению вязкости и водоотдачи. Кальцинированная сода применяется для сохранения свойств глинистых растворов при разбуривании цементного камня. Иногда ее применяют в качестве заменителя щелочи при приготовлении УЩР, водорослевого реагента, нитролигнина, ПФЛХ.
Кальцинированная сода является понизителем твердости и диспергатором горных пород, поэтому она используется для получения и улучшения качества естественных глинистых и шламовых растворов. Связывает ионы кальция, поэтому применять ее при известковой гипсовой или хлоркальциевой обработке не допускается. Объем добавки кальцинированной соды определяется экспериментально и зависит от содержания солей кальция или магния в глинистом растворе.
Реагенты-ингибиторы.К реагентам-ингибиторам, которые добавляются к промывочной жидкости с целью ингибирования твердой фазы и придания растворам крепящего действия по отношению к стенкам скважины, сложенным глинистыми породами, относятся реагенты-кальцийносители (известь, гипс, хлористый кальций), а также жидкое стекло и метасиликат натрия.
Гашеная известь (Са(ОН)2) получается путем обжига известняков с последующим гашением водой. Основное назначение извести – это приготовление известковых промывочных жидкостей, которые отличаются важными преимуществами перед обычными глинистыми растворами. Добавку извести к обрабатываемому раствору производят в виде водной суспензии («известкового молока»). Растворимость извести в воде незначительная и понижается с повышением температуры, а также при добавлении щелочи.
Известь применяют также для повышения рН хлоркальциевых и гипсовых растворов. При вводе извести в рабочую промывочную жидкость происходит временное загущение, что используется при борьбе с поглощениями. После тщательного перемешивания загущение раствора может исчезать. На воздухе известь активно взаимодействует с углекислым газом, образуя карбонат кальция. Поэтому при длительном хранении на воздухе или в растворе активность извести резко снижается. В качестве источника извести при проведении известковой обработки можно применять тампонажный цемент. Содержание извести в цементе составляет в среднем около 70 %.
Гипс (СаSO4∙2H2O) является природным минералом и добывается из естественных залежей. В воде труднорастворим и при температуре 55-60 С выпадает из раствора. Гипс применяется в бурении для приготовления высококальциевых ингибированных промывочных суспензий – гипсовых растворов, отличающихся рядом положительных качеств, особенно при разбуривании неустойчивых глинистых пород. Для приготовления гипсовых растворов можно использовать также алебастр – Ca(OH)2∙0,5H2О, который является производной гипса и получается путем нагревания гипса до 150 С. При первичной обработке обычно вводится до 1,0 % гипса, при последующих – 0,1-0,2 %.
Хлористый кальций (СаCl2) является продуктом отхода при производстве кальцинированной соды аммиачным способом. По внешнему виду это сухой продукт в виде порошка, гранул или кристаллов белого цвета. Выпускается также в жидком виде 29 %-ной концентрации с удельным весом 1,26-1,28 г/см3. Хранение сухого хлористого кальция должно осуществляться только в закрытой таре, так как продукт является весьма гигроскопичным. Растворимость в воде высокая и повышается с увеличением температуры.
Хлористый кальций применяют для приготовления хлоркальциевых промывочных жидкостей с высоким содержанием ионов Са++, в связи с чем подобные промывочные системы относятся к классу ингибированных. Естественным путем хлористый кальций может попасть в глинистые растворы вместе с пластовыми водами и при разбуривании соляных толщ.
Жидкое стекло (силикат натрия или калия) является коллоидным водным раствором силиката натрия или калия (Na2O∙nSiO2 или K2O∙nSiO2). Удельный вес жидкого стекла колеблется в пределах 1,40-1,50 г/см3. По внешнему виду это высоковязкая жидкость желтовато-серого или голубоватого цвета. Поступает в металлических бочках объемом 100-200 л. При хранении на воздухе реагент твердеет, образуя нерастворимую в воде массу, поэтому хранить его следует в плотно закрытой таре. Жидкое стекло характеризуется модулем, который представляет собой отношение SiO2/Na2O. В бурении применяется жидкое стекло с модулем 2,4-3,0. Реакция раствора жидкого стекла щелочная.
Жидкое стекло применяется, главным образом, для создания специальных, так называемых силикатных или малосиликатных промывочных жидкостей, предназначенных для бурения в обваливающихся породах и в условиях высокой минерализации. Фильтрат бурового раствора, содержащий жидкое стекло, оказывает крепящее действие на глинистые породы, возрастающее с увеличением концентрации жидкого стекла.
Небольшие добавки (2-5 %) силиката натрия повышают термостойкость глинистых растворов, стабилизированных КМЦ, до 180-190 С. В этом случае силикат натрия выступает в роли ингибитора термоокислительной деструкции (разложения) KMЦ.
Незначительные добавки (от сотых долей, иногда до 0,3-0,5 %) жидкого стекла снижают вязкость и статическое напряжение сдвига, оказывает общее улучшающее действие на промывочные жидкости. Добавки жидкого стекла свыше 1-2 % к обычным глинистым растворам приводят к созданию структуры, вызванной коагуляцией. Это свойство жидкого стекла используется для получения высоковязких глинистых растворов и паст при борьбе с поглощениями и т.д.
Смазочные добавки.Смазочные добавки предназначены для улучшения смазочной способности буровых растворов. Введение в раствор смазочных добавок повышает работоспособность шарошечных и алмазных долот, уменьшает износ деталей турбобуров и буровых насосов и увеличивает их межремонтный период, уменьшает липкость глинистой корки и служит хорошим профилактическим средством, предотвращающим прихваты, затяжки и посадки бурового инструмента, снижает гидравлические потери при циркуляции. Применение смазочных добавок рекомендуется при бурении на водных, обычных или утяжеленных растворах. Они совместимы практически со всеми известными реагентами буровых промывочных жидкостей.
В качестве смазочных и профилактических добавок широкое применение нашли нефть, графит и сульфонол. В качестве эффективных смазочных добавок, обладающих способностью комбинированного действия, применяются различные технические продукты:
синтетические жирные кислоты и кубовые остатки, получаемые в результате дистилляции жирных кислот;
соапостоки – отходы рафинирования растительных масел;
отходы нефтеперерабатывающего, мыловаренного и жирового производства;
добавки СГ (смесь гудронов) и СМАД-1.
Добавка нефти в глинистый раствор способствует уменьшению механической прочности корки, благодаря чему предотвращаются затяжки и прихваты инструмента в результате отложения толстых корок на стенках скважин и сальникообразования, а также обеспечиваются другие преимущества, характерные для применения смазочных добавок.
При добавке нефти улучшаются условия проходки скважин в результате образования эмульсионного промывочного раствора. Особенно эффективна добавка нефти при разбуривании вязких и пластичных пород. Образование устойчивой эмульсии при добавке нефти происходит в том случае, если глинистый раствор обработан химреагентами. Добавка нефти в необработанный раствор должна предшествовать химической обработке. Обработка нефтью глинистых растворов должна производиться в следующем порядке:
1. При первичной обработке в раствор добавляется 10-15 % нефти. Нефть добавляется равномерно во время бурения со скоростью, соответствующей не менее двум-трем циклам циркуляции раствора.
2. Повторные добавки нефти производятся во время бурения со скоростью не более 0,2-0,3 м3/ч, систематически, не реже одного раза в два-три долбления, с тем, чтобы в растворе было постоянное содержание нефти 6-10 %.
Содержание нефти в растворе контролируется каждое долбление. Для хранения нефти и добавки ее в раствор на буровой следует иметь специальную емкость с регулируемой задвижкой (краном) на спускном трубопроводе. Добавка нефти вызывает уменьшение удельного веса раствора, поэтому при использовании утяжеленных растворов вместо нефти целесообразнее применять другие смазочные добавки (например, графит).
Графит (серебристый или литейный) представляет собой черный или серебристо-черный порошок с удельным весом 1,5 г/см3. Поставляется в бумажных мешках по 30-35 кг. Графит обладает способностью уменьшать коэффициент трения и прилипать к твердым поверхностям. При добавке к глинистым растворам придает им все основные положительные, характерные для смазочных добавок, качества. Оптимальное количество графита, которое необходимо добавлять в глинистый раствор, не превышает 1-1,2 % массового содержания раствора.
Уточнение количества графита для обработки глинистого раствора производится в лаборатории. В качестве критерия может служить уменьшение вязкости глинистого раствора. Количество графита, вызывающее максимальное снижение вязкости, принимается за оптимальное. Графит совместим со всеми химическими реагентами и добавками для буровых растворов.
Обработка глинистого раствора графитом может производиться двумя способами: добавкой графита непосредственно в раствор через желоба или фрезерно-метательную мельницу (ФММ); графитовым раствором.
Для приготовления графитового раствора в глиномешалку, наполовину заполненную глинистым раствором, загружается 30-50 кг сухого УЩР и расчетное количество графита. После перемешивания в течение 20-30 мин. приготовленный реагент равномерной струей в течение одного цикла подается в циркулирующий раствор. Добавка графита не снижает удельного веса, поэтому графит следует предпочесть другим смазочным добавкам при обработке утяжеленных глинистых растворов или во всех случаях, когда облегчение промывочного раствора нежелательно. Добавка графита наиболее эффективна при совместном применении с нефтью.
Сульфонол относится к высокоактивным смачивателям (поверхностно-активным веществам) ароматического ряда. По внешнему виду представляет порошок белого цвета, хорошо растворимый в воде. Может поставляться также в виде пасты или водного раствора 50 %-ной концентрации. Расход сульфонола, обеспечивающий снижение напряжения сдвига глинистой корки (снижение липкости корки), составляет 0,1-0,05 %,. Применяется для обработки в виде водных растворов 1-5 %-ной концентрации.
Смазочная добавка СМАД-1 представляет собой смесь окисленного петролатума с дизельным топливом в соотношении 1:1; температура застывания 0 С. СМАД-1, обладая способностью комбинированного действия, значительно отодвигает начало усталостного износа (питтинга) при трении качения, понижает абразивный износ и коэффициент трения при скольжении в условиях высоких давлений. Оптимальная концентрация СМАД-1 в растворах составляет 1-4 % по весу, расход на метр проходки 5-25 кг в зависимости от степени утяжеления. Добавка эффективна при рН раствора 7-10. Более высокая щелочность недопустима.
Попадание в раствор агрессивных кальциевых вод приводит к высаживанию добавки для буровых растворов в виде кальциевых мыл, которое предотвращается обработкой кальцинированной содой до полного осаждения кальция. По указанной причине применение СМАД-1 в известковых и хлоркальциевых растворах малоэффективно.
СМАД-1 способствует снижению водоотдачи глинистого раствора при высоком содержании глины. Возможно некоторое его загустевание, легко устранимое обычными методами. Применение CMAД-I исключает необходимость добавок нефти или графита. При бурении на воде СМАД-1 добавляется в смеси с глиной или глинопорошком в соотношении 1:1. Применения СМАД-1 обеспечивает увеличение проходок на долото до 28-35 %, а в турбинном бурении также и повышение скорости бурения на 20-25 %.
Недостаток СМАД-1 – высокая температура застывания, что затрудняет ее транспортировку и использование в зимних условиях.
Смесь гудронов СГ представляет собой гудрон или смесь гудронов, получаемых при перегонке (дистилляции) жирных кислот растительного или животного происхождения; температура застывания 0 С. Является высокоэффективной смазочной добавкой при бурении на воде и на обычных и утяжеленных глинистых растворах. Применение СГ исключает необходимость в использовании нефти, графита или других смазочных добавок.
Оптимальная концентрация СГ в промывочной жидкости составляет 1-2 % по весу от объема циркулирующего в скважине раствора. Расход добавки на 1 м проходки в зависимости от диаметра долота и состава бурового раствора составляет от 7 до 25 кг. Применение СГ обеспечивает увеличение проходки на шарошечное долото на 70,9 % при увеличении механической скорости на 32,3 %.