Файл: Шептала, Н. Е. Руководство по физико-химическому анализу глинистых растворов, глин, утяжелителей и реагентов.pdf

У Д К 622.244.44

Ф Ч -$0Ш

Шептала Н. Е. Руководство по физико-химическому анализу

глинистых растворов, глии, утяжелителей и реагентов. М., «Недра», 1974, 1152 с.

В книге изложены методики проведения анализов глинистых растворов и материалов, используемых для их приготовления. Рассмотрены способы приготовления рабочих растворов и реак­ тивов. Даны таблицы количественного содержания наиболее употребительных материалов в зависимости от их плотности. Последовательность выполнения многих анализов сопровождается примерами.

Книга предназначена для специалистов буровых предприятий нефтяной и газовой промышленности, работающих в области гли­ нистых растворов и в бурении нефтяных и газовых скважин.

Таблиц 23, иллюстраций 19, список литературы— 40 назв.

© Издательство «Недра» 1974.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Качественная проводка нефтяных и газовых скважин во мно­ гом зависит от соответствия глинистого раствора условиям ■бурения на данной площади. Правильно выбранные параметры глинистого раствора, тщательное наблюдение за сохранением этих параметров, химическая обработка и утяжеление раствора могут в значительной степени предотвратить возникновение ос­ ложнений в процессе бурения.

Глинистый раствор представляет собой сложную физико­ химическую систему, каждый из компонентов которой оказывает большое влияние на свойства системы в целом и на поведение ■остальных компонентов в отдельности. Это влияние прояв­ ляется как в обычных растворах, так и (в большей степени) в растворах, подвергающихся воздействию высоких забойных температур. Вопрос об увеличении термостойкости глинистых растворов является в настоящее время, при 'Глубинах бурения 4500—5500 м, одним из наиболее актуальных; требования к со­ ставу и качеству компонентов глинистого раствора должны быть ужесточены.

Необходим самый тщательный контроль со стороны работ­ ников глинохозяйства не только за параметрами глинистых растворов, которые должны соответствовать величинам, преду­ смотренным геолого-техническими нарядами, но и за составом глинистых растворов, т. е. за концентрацией глины, содержа­ нием гуминовых веществ в растворе и фильтрате, содержанием солей в фильтрате и др. Кроме того, должен осуществляться постоянный и тщательный контроль за качеством поступающих утяжелителей, глинопорошков и реагентов.

Методика по определению фазового и компонентного состава промывочных жидкостей и определение содержания извести потенциометрическим методом написаны 3. С. Ковалевой, мето­ дика определения бентонита в глинистом растворе написана автором совместно с 3. С. Ковалевой.

3

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ

Основными компонентами твердой фазы глинистых раство­ ров являются глина и утяжелитель. Химия утяжелителей изу­ чена достаточно хорошо. Химия глин очень сложна. Многие исследователи провели серьезные работы по изучению строения глин и их физико-химических свойств, однако проблемы эти еще окончательно не решены.

При бурении скважин сталкиваются с различными пробле­ мами: одни из них решаются введением глины в промывочную жидкость, а другие — возникают вследствие присутствия глины в промывочной жидкости. Известно применение бентонита для снижения водоотдачи и получения надлежащих вязкости и ста­ тического напряжения сдвига глинистого раствора.

Кроме бентонита, состоящего по существу из глинистого минерала монтмориллонита, в глинистый раствор попада,ют глины и более неоднородного состава. Это, во-первых, природ­ ные глины, добываемые обычно из карьеров, расположенных

андезитов, порфиритов, туфовых лав и туфов, встречаются на западе Грузии в окрестностях города Махарадзе.

Особенно высокими качествами отличается асканская раз­ новидность бентонитовых глин. Асканское месторождение бен­ тонитовых глин эксплуатируется с 1953 г.

Месторождения бентонитовых глин известны также на за­ паде Туркмении (Оглангленское месторождение). Бентонитовая глина Оглангленского месторождения состоит в основном из двух разновидностей. Наиболее ценной для приготовления бу­ ровых промывочных растворов является белая разность, яв­ ляющаяся высококачественным щелочным тонкодисперсным нат­ риевым бентонитом.

4

В Азербайджанской ССР бентонитовые глины широко рас­ пространены на Апшеронском полуострове и известны в других, районах республики.

Саригюхское месторождение бентонита расположено в Ар­ мянской ССР. Геологический разрез месторождения представ­ лен вулканогенными и вулканогенно-осадочными образования­ ми нижнего турона. Аналогичные месторождения бетонита так­ же обнаружены в окрестностях селения Саригюх. Глины Сарипохского месторождения в воздушно-сухом состоянии светложелтого или светло-зеленого цвета, жирные на ощупь. Выход тонкодисперсной фракции (<0,001 мм), несмотря на высокую коллоидальность глины, составляет 65—80%. Общая обменнаяемкость 75,5—92,4 мг-экв на 100 г.

В Украинской ССР известно около 70 месторождений бенто­ нита и бентонитопроявлений, расположенных в Закарпатской, Львовской, Дрогобычской, Черновицкой, Тернопольской, Хмель­ ницкой и Черкасской областях. Бентонит залегает в третичных отложениях и в породах мелового возраста в Крыму. Место­ рождения бентонитовых глин известны также в Татарской АССР, Киргизской ССР и других районах Советского Союза.

Лучшим материалом для приготовления глинистого раство­ ра является натриевый бентонит. В природном виде он тонко­ дисперсен, имеет большую гидрофильность и сильно набухает' в воде, при небольшой концентрации в воде образует устойчи­ вую суспензию с высокими структурно-механическими и тиксо­ тропными свойствами. Наилучшим бентонитовым сырьем в Со­ ветском Союзе для производства глинопорошков считаются, глины Саригюхского и Черкасского месторождений. Однако они или содержат естественные примеси, или в процессе добычи загрязняются вскрышными породами.

Утяжеляющим материалом для промывочных растворов слу-' жат порошки различных естественных и обогащенных руд, а также отходы химической и металлургической промышленности. Обычно плотность отечественных утяжелителей колеблется от' 3,2 до 5,2 г/см3. При этом утяжелители должны обладать мини­ мальной структурообразующей способностью и абразивностью, определенной тонкостью помола, и не оказывать коагулирую­ щего воздействия на раствор.

Для высококачественного утяжелителя характерны мини­ мальная засоленность и активность поверхности, максимальная плотность и оптимальная тонкость помола.

.В промышленности употребляют утяжелители; гематит, маг­ нетит, барит, агломерированный концентрат бурожелезняковощ

РУДЫ.

Баритовые утяжелители в основном флотационные.

Гематит — окись железа БегОз находится в природе в виде железной руды (железная слюдка, красный железняк и др.), содержащей до 70% железа и различных примесей. В чистом

5

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЛИН

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБМЕННОГО КОМПЛЕКСА И ОБМЕННЫХ КАТИОНОВ ГЛИНЫ

Глины представляют собой полидисперсные системы, состоя' щие из глинистых материалов и посторонних включений: квар­ ца, биотита, гематита, пирита, кальцита, гипса и др. Величина первичных частиц многих глинистых минералов близка по раз­ мерам к коллоидным частицам, которые легко могут слипаться, образуя агрегаты различных размеров, вследствие чего величи­ на глинистых частиц колеблется в довольно широких пределах. Глинистые минералы имеют кристаллическое строение, их кри­ сталлическая решетка образована слоями. Слои составлены ориентированными кремнекислородными тетраэдрами и алю­ миниевокислородными октаэдрами. На поверхности кристалли­ ческой решетки адсорбируются катионы металлов.

В водной среде адсорбированные катионы диссоциируют, образуя вокруг кристаллической решетки диффузный слой, тол­ щина которого прямо пропорционально зависит от способности к гидратации адсорбированных катионов.

Катионы диффузного слоя могут быть вытеснены другими катионами и это дает возможность определить их род и коли­ чество. От общего количества адсорбированных катионов и их рода зависят, физико-химические свойства глины.

Валовый химический анализ глин не может служить крите­ рием их оценки. Глины, имеющие почти идентичный химический состав, резко различаются по физико-химическим свойствам, поэтому при оценке глин в первую очередь необходимо опреде­ лять количество и состав обменных оснований.

Обменной способностью глин называется способность обме­ нивать катионы коллоидного комплекса на катионы нейтраль­ ных солевых растворов или ионы водорода цислоты. Общую сумму обменных катионов называют емкостью поглощения или емкостью обмена глин.

Глины обладают различной обменной емкостью. Общий об­

7

менный комплекс глин монтмориллонитовой группы колеблется в пределах 80—100 мг-экв, для каолинитовой группы колеблется в пределах 5—10 мг-экв, для гидрослюдистой группы — 30— 40 мг-экв на 100 г глины.

Посторонние включения могут значительно снизить общую •обменную емкость. Монтмориллонитовые глины в природе встречаются очень редко. Пользуясь методами термического и рентгеноструктурного анализов, можно количественно устано­ вить соотношение различных компонентов, входящих в состав глин.

Для характеристики глин вполне достаточно знать общую сумму обменных катионов, сумму щелочноземельных и отдель­ но щелочных катионов.

Установлены основные закономерности обмена между гли­ ной и соприкасающимися с ней растворами:

1)любой катион, поглощенный глиной, может быть вытес­ нен другим катионом;

2)обмен катионов в растворах нейтральных солей происхо­ дит быстро и в эквивалентных'количествах;

*3) повышение концентрации катиона-вытеснителя увеличи­ вает количество вытесненных из глины катионов, но не пропор­ ционально увеличению концентрации раствора, а в меньшей степени;

4)энергия поглощения глинами различных катионов возра стает с увеличением их атомного веса и валентности.

Результаты определения общей обменной емкости глин вы­ ражаются в миллиграмм-эквивалентах на 100 г сухой глины с точностью до первого или второго десятичного знака.

Прежде чем приступить к определению обменной емкости глины, необходимо испытать ее на карбонатность, гипсоносность

изасоленность, в зависимости от которых выбирается метод анализа. Кроме выбора метода, качественное испытание глины дает возможность получить общее представление о характере примесей в ней.

Карбонатность глин устанавливают по вскипанию пробы (приблизительно 1 г глины) от прибавления нескольких капель 10%-ного раствора НС1 (плотностью 1,05 г/см3).

Гипсоносность определяют по содержанию SO3- в соляно­

кислой вытяжке. Для этого 1—2 г глины обрабатывают пяти­ кратным количеством 0,2 н. раствора НС1, вытяжку отфильтро­ вывают, затем к фильтрату добавляют несколько капель 10%-ного раствора ВаСЦ. Если имеется гипс, то выпадает белый осадок BaS04.

.. Засоленность глины проверяют качественной пробой на С1~ и S O 3'.

Проба на С1_: берут в пробирку 5 мл водной вытяжки, ко­ торая готовится добавлением нескольких мл воды к 1—2 г гли­ ны, подкисляют ее азотной кислотой (две-три капли), прибав­

т8

ляют несколько капель раствора азотнокислого серебра и пере­ мешивают. По величине осадка AgCl устанавливают приблизи­ тельно содержание С1~.

Проба на SO|~: берут несколько мл водной вытяжки, под*

кисляют двумя-тремя каплями НС1 и затем добавляют несколь-, ко капель 10%-иого раствора ВаС12. Если выпадает белый оса­ док, значит SOfимеется в глине. По величине осадка уста­

определением обменного комплекса глины необходимо опреде-* лить количество водорастворимых в ней солей по методике’ указанной на стр. 104.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБМЕННОГО КОМПЛЕКСА КАРБОНАТНЫХ И ЗАГИПСОВАННЫХ ГЛИН

Метод Е. В. Бобко и Д. Л. Аскинази, модифицированный П. Г. Грабаровым и 3. А. Уваровой, основан на вытеснении об­ менных катионов раствором ВаС12, по схеме

НН Ва

(ГК) Са + ЗВа2+-ДГК) Ва + Са2+ + Mg2+ + 2Н+.

Мг Ва

Барий обладает значительной энергией поглощения и легко определеятся при последующем вытеснении его из глины соля­ ной кислотой.

Выполнение определения. Навеску 5—10 г высушенной гли­ ны, предварительно просеянную через сито с отверстиями диа­ метром 1 мм, помещают в фарфоровую чашку или стакан и обрабатывают 1%-ным раствором НС1 до полного разрушения карбонатов. Раствор декантируют через плотный, беззольный фильтр, затрачивая на разрушение карбонатов примерно 150— 200 мл раствора соляной кислоты. Полное разрушение карбо­ натов устанавливают пробой на Са2+ стекающего с воронки фильтрата путем добавления в пробирку нескольких капель ук­ суснокислого аммония. Если осадок не выпадает, значит кар­ бонаты разложены.

После разрушения карбонатов глину в чашке или стакане обрабатывают забуференным раствором ВаС12 (рН = 6,5), по­ степенно перенося глину на фильтр и продолжая насыщение ее барием на воронке. Насыщение ведут до тех пор, пока окраска пробы фильтрата от прибавления бромтимолового синего не перестанет заметно отличаться от окраски того, же индикатора в пробе исходного раствора ВаС12, т. е. до рН=6,5-Ь-б,6. Обычно для полного насыщения барием 5 г глины требуется пропустить через нее 300—400 мл буферного раствора ВаС12+Ва(О Н )2. После насыщения дистиллированной водой отмывают избыток ВаС12, механически задержанный глиной. Отмывание ведут до потери реакции на С1_, тщательно промывая водой стенки во­

9