BMS_week 1 Основы химии для инженеров по буровым растворам


Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:

Химия глин и принципы ингибирования глинистых породЮлия Лысенко Инженер по подготовке кадров Что такое глина?Бентонит (составляющая раствора) Глинистые частицы породы Химически активные твердые вещества: Почему необходимо знать основы химии глин?ключ к управлению параметрами буровых растворов на водной основеХорошее понимание основ химии глин – Задачи:Классифицировать глинистые минералыИзучите строение глинРазберетесь с понятием КОЕУзнаете об ионном обменеИзучите механизмы ингибирования глинПосле изучения данной темы вы сможете: Зачем добавлять глину в буровой раствор?Обеспечивают вязкостьРегулируют фильтрацию (образуют корку)ТермоустойчивыДоступны (относительно низкая стоимость)Глины – структурообразователи в буровых растворахПластовые глины являются загрязнителямиПри наличии избытка глинистой твердой фазы возрастает необходимость и стоимость химической обработки Возрастает необходимость разбавления раствора Классификация глинФизические свойства:игольчатые ненабухающие – аттапульгит (SALT GEL®), сепиолит (DUROGELTM)пластинчатые ненабухающие – иллит, хлорит, каолинитпластинчатые интенсивно набухающие – монтмориллонит (M-I GEL® и M-I GEL SUPREMETM)Минералогия:смектитовые (монтмориллонит, сапонит, монтронит, вермикулит)каолинитовые (каолинит, галлуазит, диккит, аноксит, энделлит)гидрослюдистые (гидромусковит, иллит)палыгорскитовые (сепиолит, аттапульгит, палыгорскит)Размер частиц:глинистые 0,002 ммпылеватые 0,002 – 0,05 ммпесчаные 0,5 – 2,0 ммОсновные критерии классификации: Классификация глинКристаллическая структура:Слоистые:смектит (Вайомингский бентонит и выбуренная порода)иллит выбуренная породахлорит выбуренная породакаолинит выбуренная породаИгольчатые:аттапульгит солестойкие растворысепиолит солестойкие и термостойкие растворыОсновные критерии классификации: Смектитовая глина Хлоритовая глина Аттатульгит Слоистые силикатные глиныДвухслойные (каолинит)слой кремнеземаслой глиноземаТрехслойный (натриевый бентонит)слой кремнезема слой глиноземаслой кремнезема Четырехслойные (хлорит)слой кремнеземаслой глиноземаслой кремнеземаслой бруситаГлины: Кристаллы слоистых силикатных глинДиаметр: ~1-2 микрон (1-2 миллионная метра)Толщина: ~10 Å (10 миллиардных метра)Соотношение Диаметр : Толщина = 1000 : 1Площадь поверхности / Вес: ~ 800 м2 / г Кристаллические пластинки расположены поверхность к поверхности в виде пачкиРасстояние между слоями в кристаллической решетке 0,92 нмЗаряды на основной поверхности в большинстве отрицательныеЗаряды на краях кристаллов в основном положительныеПараметры: Глинистые пластинкиДиаметр: < 2 микронТолщина: ~10 ангстрем Смектиты: трехслойная структураТетраэдрический слойОктаэдрический слойТетраэдрический слойКремнеземКремнеземГлинозем Электрически нейтральная глина – пирофиллит Замещение ионов Al3+ на ионы Mg2+Если один атом Al3+ замещается на Mg2+ возникает дефицит заряда, который компенсируется адсорбцией катиона.В присутствии воды адсорбированные катионы могут вступать в реакцию с катионами других видов, присутствующими в воде, поэтому их называют обменными. Катионнообменная емкость – КОЕКоличество катионов на единицу веса глины – катионообменная емкостьИногда обозначается как СЕС (от англ. Cation Exchange Capacity){5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}Тип глиныКОЕ, мг-экв/100гМонтмориллонит70-130Иллит10-40Каолинит3-15Аттапульгит10-35 СмектитыИмеет слабые связи между слоями и его кристаллическая решетка может сильно набухать при проникновении молекул воды между слоямиДавление набухания так велико, что частицы глины разделяются на мелкие агрегаты и даже отдельные единичные слоиУвеличение в объеме после гидратации в 8-14 разМонтмориллонит – самый важный из группы МонтмориллонитыМонтмориллонит натрия (Вайомингский бентонит)Кальциевый/магниевый монтмориллонитДля придания раствору необходимой вязкости требуется в 4 (четыре) раза больше, чем натриевого Монтмориллониты смешанного составаК монтмориллонитам относятся:Форма частиц – правильные плиткиРазмером до 2 мкм Монтмориллониты Формирование гидратной оболочки на поверхности глинистой частицы БентонитБентонит является в основном глиной монтмориллонитового вида (не менее 70 %)Обладает высокой способностью гидратироваться в пресной водеВыход бентонита – количество кубических метров суспензии заданной вязкости, получаемых из одной тонны сухого сырья Предварительная гидратация бентонитаПо возможности необходимо предварительно прогидратировать бентонит в пресной воде, в емкости для приготовления раствораЕмкость необходимо предварительно очистить, удалить все остатки химреагентов и «старого» раствораДовести общую минерализацию воды затворения (снизить содержание Ca2+ и Mg2+ до 200 мг/л и менееДобавить бентонит и тщательно перемешать Гидратация бентонита: практические советыВыход бентонита снижается в любой ингибированной системе раствора:ПолимернойКальциевой (на основе гипса и извести)Системы на основе морской водыГликолиевойПредварительная гидратация в пресной воде улучшает свойства бентонита Гидрослюды: ИллитОтносится к слюдистым минераламВ тетраэдрическом слое атомы Al3+ частично замещены на атомы Si4+ (суммарный заряд при этот также становится отрицательным)Замещение алюминия на кремний меньше, чем у настоящих слюдВ обменном комплексе присутствуют в основном ионы K+ , но могут находиться ионы водорода, магния, натрияТрехслойная структура Иллит и монтмориллонит ИллитНе набухающая или слабо набухающая глинаПриродный кристалл состоит из нескольких пластинокИоны калия прочно связывают пластинки между собойМеханическое перемешивание увеличивает содержание мелких частиц в растворе ХлоритТри первых слоя как у смектитовОбменные катионы замещаются на слой октаэдрального гидрооксида магния, или брусита. Ионы магния в бруситовом слое могут быть частично замещены на ионы алюминия ХлоритПрисутствие слоя брусита, состоящего из гидроксида магния, между слоями монтмориллонитового типа вызывает сильное сродство между пластинкамиХлорит обычно находят в старых глубокозалегающих морских осадочных отложениях. При бурении хлорит не вызывает значительных осложненний.Наличие хлорита ухудшает коллекторские свойства пластов в случае их кислотной обработки.Хлорит может входить в состав смешанной глины Смешанные глины КаолинитНеразбухающая глина, слои которой связаны между собой водородными связями (вода в нем не может попасть между слоев).Каолинит не имеет обменных межслойных катионов или поверхностного зарядаЗаряды внутри структуры уравновешены, а в решетке очень мало замещенийДвухслойная структура Глинистые минералы ПалыгорскитОтличается от других глин строением минералов:Пучки игольчатых пластинокПри перемешивании в воде распадается на отдельные узкие пластинкиМало замещенных катионов:Реологические свойства определяются не электростатическим, а механическим взаимодействием Палыгорскит обладает способностью одинаково хорошо диспергироваться как в пресной, так и минерализованной водеОсторожно: следует избегать вдыхания аттапульгита, так как он адсорбируется на бронхах (наподобие асбестовой пыли) Аттапульгит, сепиолит Обмен катионов в растворе происходит на поверхности глинистых частицИонный обмен Факторы, влияющие на ионный обменТип глинПорядок замещения катионовРазмер/Тип катионовРазность зарядовКонцентрация катионов ЛитийНатрийКалийMагнийКальцийАлюминийВодородЛегкий ионный обменБолее тяжелыйИонный обмен: порядок замещения Размер ионов{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}КатионДиаметр иона до гидратации, ÅДиаметр иона после гидратации, ÅLi+1.5614.6Na+1.9011.2K+2.667.6NH4+2.865.0Mg2+1.3021.6Ca2+1.9819.2Al3+1.0018.0 Гидратирование глин Факторы, влияющие на гидратацию глинДвухвалентные катионы:КальцийМагний Соли Уровень pH Температура Полимеры Ингибирование глинПолимернойКалиевойКальциевой СиликатнойАминной УглеводороднойГидратация глин снижается в любой ингибированной системе бурового раствора Ионный обмен (хлоркалиевые, кальциевые или хлорнатриевые, Сперсеновые, формиатные или калиевые растворы, Кла Хиб, Кла Стоп) Капсуляция частиц буримых глин и стенок скважины за счет полимеров Poly Plus , OptimaКапсуляция частиц буримых глин и стенок скважины за счет создания водонепроницаемых пленок (силикатной )Капсуляция частиц буримых пород и стенок скважины за счет применения многополимерных рецептурРастворы на углеводородной основе, как не имеющие в рецептуре свободную воду и следовательно нейтральные к разбуриваемым глинам.Проводится путем:Замедление гидратирования глин (ингибирование) Ионный обменРасстояние между слоями кристаллического монтмориллонита – 2,8 Å. Наибольшей способностью к обмену обладают небольшие ионы, например калий, которые свободно проходят между слоями. В дальнейшем увеличение размеров катионов в результате гидратации приводит к увеличению межслойного расстояния, усиливая начавшуюся гидратацию. Моновалентные катионы с увеличенным после гидратации диаметром – основная причина разбухания и диспергирования глин. Многовалентные катионы, диаметр которых после гидратации увеличился незначительно, действуют как ингибиторы разбухания глин.Уникальный пример – ион калия.Ионный обмен Калиевые системыПри замещении обменных ионов на ионы калий, обладающих более низкой энергией гидратации, наблюдается обезвоживание промежуточного пространства глинистых пластин.При этом набухающие глины в присутствии калия ведут себя особым образом.Смектитовые глины при обогащении ионами калия становятся иллитовыми, и в результате становятся более прочными, почти не набухающими. Водные системы с POLYPLUS (капсулирующее действие)Водные системы с POLYPLUS одни из самых первых полимерных растворов примененных в бурении для получения максимальной механической скорости проходки.POLYPLUS (PHPA – частично-гидролизованный полиакриламид) – это высокомолекулярный анионный полимер широкого спектра действия. Механизм ингибирования заключается в инкапсуляции – обволакивании процесс «обволакивания» полиакриламидом глинистых частиц, предотвращающий попадание воды во внутреннюю структуру глин Представленная группа органических ингибиторов основана на их высокой подавляющей способности активности глин и их диспергирования за счет присоединения молекул ингибитора к активным зонам глины и подавления процесса гидратации и набухания частиц породы глин. Ингибиторы компании M-I типа KLA: Кла Стоп и Кла Хиб Связывание частиц глины Типы связей глинистых частицАГГРЕГИРОВАННЫЕПоверхность к поверхностиДИСПЕРГИРОВАННЫЕФЛОКУЛИРОВАННЫЕПоверхность к торцуДЕФЛОКУЛИРОВАННЫЕ АгрегацияПоверхность к поверхностямЕстественное состояние глин пластинчатого типаЧисло пластин в пачке варьируется ДисперсияЧастички глины хаотично расположеныПоверхностные заряды влияют на их расположение ФлокуляцииПоверхность к торцу или торец к торцуОбычное состояние глинистых пластин в раствореСтепень флокуляции возрастает за счет примесей: соли, кальция, магния, цемента, и т.п. ДефлокуляцияВозврат к беспорядочному распределению (дисперсии)Анионные разжижители нейтрализуют избыточные положительные заряды на краях пластин, которые вызывают флокуляцию Типы связей глинАгрегация: Снижение вязкостиДисперсия: Возрастание вязкости Флокуляция: Возрастание вязкости Дефлокуляция: Снижение вязкости Бентонит АНИМонтмориллонит натрияБентонит АНИ: Обработанный (Обогащенный или Модифицированный) для того, чтобы он отвечал требованиям АНИПриродный или необработанный бентонитУдовлетворяет требованиям АНИ без обогащения Используется для бурения высокотемпературных скважин M-I GEL (Бентонит АНИ) (обогащенный или модифицированный бентонит)Бентонит АНИ обогащается или модифицируется с целью придания свойств, удовлетворяющих требованиям АНИ Модифицирующие агенты:ПолимерыКальцинированная содаФакторы ограничения: Модифицирующие агенты могут разлагаться при высоких температурах (> 150О C) GEL SUPREME(Природный или необработанный бентонит)Отвечает требованиям АНИ без обработок (исключая измельчение)Используется для бурения высокотемпературных скважин

Приложенные файлы

  • pptx 26768692
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий