Реагентное воздействие на глинистые кольматирующие образования: оценка эффективности

В процессе бурения скважин происходит поглощение промывочной жидкости, что и является причиной кольматации порового пространства прискважинной зоны коллоидно-дисперсными частицами, приводящей к снижению продуктивности скважин. Состав глинистых кольматирующих образований определяется в основном как составом собственно промывочной жидкости, так и составом образующегося при бурении естественного глинистого раствора. Обогащение промывочной жидкости кольматирующими частицами происходит при наличии не только в кровле продуктивных пластов толщи глин, но и при наличии в разрезе пласта глинистых пропластков различной мощности. В общем случае минералогический состав такого рода образований может быть представлен монтмориллонитовыми, гидрослюдистыми, каолинитовыми группами и их различными сочетаниями.

В прискважинной зоне природа и характер взаимодействия между элементарными частицами и микроагрегатами глинистых минералов всецело определяются структурными связями, возникающими в свежеотложившемся глинистом осадке. Современные представления о формировании структурных связей в глинистом осадке основаны на том, что их формирование происходит под влиянием физических и химических процессов, приводящих к возникновению на контактах частиц сложных взаимодействий различной природы и энергии (магнитное, дипольное, капиллярное, молекулярное, ионно-электростатическое и химическое взаимодействия).

Методология исследований

Процесс растворения глинистых образований различными глинокислотными растворами достаточно изучен, поэтому для лабораторных исследований были выбраны растворы, дающие кислую и щелочную реакцию среды, а именно – NaHSO₄H₂O и NaHCO₃.

В лабораторных исследованиях использовали монтмориллонитовую глину Махарадзевского месторождения Грузии, каолинитовую глину Глуховецкого месторождения Украины и глину смешанного состава (монтмориллонит, гидрослюда, каолинит, гипс, полевой шпат). Глина смешанного состава выделена из промывочной жидкости в конце бурения скважины в Широтном Приобье.

Для определения изменений, которые могут иметь место при взаимодействии растворов с образцами исследуемых пород, использовали методы электронной спектрометрии и фотокалометрии.

В ходе опытов производилась оценка механической стойкости глинистых образцов в исследуемых растворах. Подготовку образцов для изучения их механической стойкости осуществляли следующим образом: породу измельчали, растирали в фарфоровой ступке, смешивали с водой до тестообразной консистенции, раскатывали и готовили сферические образцы массой 2 г. Содержание влаги в образцах находилось в пределах 40-50%. Объем раствора составлял 50 мл.

За критерий механической стойкости образца принято время его полного распада (с точностью до 0,5 мин.) до тонкодисперсной фазы в растворе, что позволяет определить скорость разрушения образца (табл. 1). Как видно из представленных данных, применение раствора бисульфата натрия водного (рН=0,98) эффективно для монтмориллонитовой глины, а раствора бикарбоната натрия (рН=8,2) – для каолинитовой глины.

Таблица 1: Скорость разрушения (Vх) глинистых образцов в растворах

Электронная спектрофотометрия

Методом электронной спектрофотометрии исследовали взаимодействие образцов глин с растворами на основе порошкообразных реагентов. Ультрафиолетовый спектр растворов регистрировали до и после обработки глин на спектрометре SР-8000 в области 100-350 нм. Объем раствора составлял 100 мл, масса образца 5 г, время обработки 48 часов. После обработки осадок отфильтровывали. Толщина поглощающего слоя составляла 9,98 мм. В качестве эталона сравнения использовали спектры поглощения водных растворов после обработки образцов глин.

В качестве примеров на рисунках 1 и 2 представлены спектры поглощения растворов бисульфата и бикарбоната натрия до и после обработки образцов глин.

В результате обработки образцов из монтмориллонитовой глины раствором бисульфата натрия водного 8%-ной концентрации появились две полосы поглощения с максимумами вблизи λ=215 нм и λ=290 нм, причем первый максимум по оптической плотности (рис. 1) выходит за исследуемый диапазон (Д >1,4). В следующем опыте концентрация реагента была уменьшена до 2 % (рис. 2). Вне зависимости от исследуемого образца породы новые полосы поглощения появились с максимумом вблизи λ = 300 нм, причем для каолинитовой глины он выражен не так явно, как для монтмориллонитовой глины и глины смешанного состава. Это также свидетельствует о целесообразности использования для разрушения монтмориллонитовой глины растворов с кислой реакцией.

Рисунок 1: Спектр поглощения раствора бисульфата натрия 8%-ной концентрации до и после обработок образца из монтмориллонитовой глины

Рисунок 2: Спектры поглощения растворов бисульфата натрия 2%-ной концентрации до и после обработок

В ходе опытов регистрировали также инфракрасный спектр глин до и после обработки на инфракрасном спектрометре Perker-Elmer 580В в области 400-4000 см^-1. Для регистрации инфракрасных спектров навеску глины массой 385 мг перетирали в агатовой ступке с бромистым калием (250-350 мг) и из полученной смеси прессовали таблетку и далее снимали инфракрасный спектр.

Инфракрасные спектры неорганических веществ поддаются интерпретации с большим трудом, однако некоторые полосы поглощения соотносятся с поглощением определенных структурных групп однозначно.

Для исследованных образцов глин это полосы поглощения, связанные с колебаниями ОН-групп в области 4000-3000 см^-1. Как видно из рисунка 3, спектр монтмориллонита после обработки приобрел новую полосу поглощения при λ=3600 см^-1, соответствующую колебаниям свободных ОН-групп, не связанных водородной связью. Это позволяет сделать предположение о значительной структурной перестройке в монтмориллонитовой глине.

Рисунок 3: ИК-спектр монтмориллонитовой глины до и после обработок

В ИК-спектре каолинитовой глины после обработки отсутствует появление новых явно выраженных полос поглощения, хотя и отмечаются существенные изменения оптической плотности (рис. 4).

Рисунок 4: ИК-спектр каолинитовой глины до и после обработок

Таким образом, результаты исследований взаимодействия реагентов с глинистыми образованиями методом электронной спектрофотометрии свидетельствуют о том, что разрушение глинистых образований является следствием сложных физико-химических процессов, протекающих в гетерогенных условиях на границе раздела фаз.

Доказательством этого является образование новых соединений при обработке раствором (появление новых полос поглощения), а также разложение используемых реагентов при реакции (изменение оптической плотности растворов).

Гравиметрическийи фотометрический методы

В ходе экспериментов прослежено также растворение алюмосиликатов, слагающих решетки глинистых минералов. Для определения содержания Si₂O₃ использовали гравиметрический и фотометрический методы, содержание Al₂O₃ определяли фотометрическим методом с использованием реагента сульфонитразо ДАФ. Результаты опытов представлены в таблице 2.

Таблица 2: Растворение алюмосиликатов (Si₂O₃ и Al₂O₃) в исследуемых растворах после обработки образцов глин

Как видно из представленных данных, раствор бисульфата натрия водного обеспечивает растворение 19,69% алюмосиликатов монтмориллонитовой глины, а раствор бикарбоната натрия – 13,66 % алюмосиликатов каолинитовой глины.

Выводы

• В общем виде разрушение глинистых кольматирующих образований исследуемыми порошкообразными реагентами происходит за счет нарушения коагуляционных контактов между глинистыми агрегатами, слагающих породу, растворения цементирующих примесей и выщелачивания алюмосиликатов, слагающих каркас глинистых агрегатов.
• Применение раствора бисульфата натрия водного (рН=0,98) эффективно для монтмориллонитовой глины и глины смешанного состава, а раствора бикарбоната натрия (рН=8,2) – для каолинитовой глины.
• Исследуемые растворы переводят глинистые агрегаты в тонкую пелитовую фазу, легко удаляемую из скважины после обработки, и при этом не происходит вторичного выпадения твердой фазы и образования коллоидальных систем.
• Метод электронной спектрофотометрии может быть рекомендован для использования при выборе технологического раствора до постановки фильтрационных исследований на кернах продуктивных пород.