Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ современного состояния работ в области создания тампонажных составов для предупреждения и ликвидации осложнений при строительстве и эксплуатации скважин
1.1. Тампонажные составы для ликвидации поглощений при бурении скважин 9
1.2. Облегченные тампонажные составы для предупреждения поглощений при креплении скважин 17
1.3. Тампонажные составы для предупреждения и ликвидации газопроявлений 26
1.4. Тампонажные составы для изоляции водопритоков и межпластовых перетоков 31
1.5. Заключение 36
ГЛАВА II. Исследование и разработка облегченных тампонажных материалов улучшенного качества
2.1. Обоснование выбора компонентного состава облегченного материала 37
2.2. Методики проведения исследований 41
2.3. Разработка комплекса облегченных тампонажных материалов 42
2.4. Зависимость прочности камня от компонентного состава облегченного материала и температуры 51
2.5. Технология заводского производства 59
2.6. Выводы 62
ГЛАВА III. Исследование и разработка водоизолирующих цементных композиций
3.1. Обоснование выбора пластификаторов и рецептур комбинированных обработок цементных растворов 64
3.2. Методики проведения исследований 73
3.3. Разработка комплекса водоизолирующих цементных композиций 75
3.4. Математические модели прочности камня водоизолирующих цементных композиций 79
3.5. Выводы 83
ГЛАВА IV. Исследование и разработка твердеющих баритовых пробок
4.1. Основные положения создания твердеющих пробок 84
4.2. Анализ качества утяжелителей для создания твердеющих пробок 86
4.3. Методики проведения исследований 90
4.4. Экспериментальные исследования скорости седиментации и физико-механических свойств твердеющих баритовых пробок 91
4.5. Формулы для расчета компонентного состава твердеющей пробки 105
4.6. Выводы 109
ГЛАВА V. Исследование и разработка новых типов вязкоупругих составов
5.1. Краткий обзор в области создания вязкоупругих составов 110
5.2. Механизм образования вязкоупругих составов 114
5.3. Методики проведения исследований 127
5.4. Рецептуры и физико-механические свойства разработанных вязкоупругих составов 129
5.5. Зависимость времени гелеобразования низкозамерзающих ВУС от количественного
состава компонентов и температуры 137
5.6. Выводы 144
ГЛАВА VI. Результаты внедренрія разработанных тампонажных составов
6.1. Применение вязкоупругих составов и баритовых суспензий для ликвидации поглощений 145
6.2. Применение баритовых суспензий для ликвидации газопроявлений в скважинах 149
6.3. Предварительные испытания технологии ликвидации заколонных перетоков 152
6.4. Технология предупреждения межпластовых перетоков 159
6.5. Технико-экономическая эффективность внедрения тампонажных составов 163
Основные выводы 166
Литература 169
Приложение 180
- Тампонажные составы для ликвидации поглощений при бурении скважин
- Обоснование выбора компонентного состава облегченного материала
- Обоснование выбора пластификаторов и рецептур комбинированных обработок цементных растворов
- Анализ качества утяжелителей для создания твердеющих пробок
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из эффективных путей интенсификации нефтегазодобычи является дальнейшее повышение качества строительства скважин и совершенствование технологии изоляционных работ, направленных на предупреждение и ликвидацию проявлений, поглощений, во-допритоков и межпластовых перетоков при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Проблема борьбы с проявлениями и поглощениями при углублении скважин занимает важное место в общем комплексе мероприятий по повышению качества и сокращению цикла строительства скважин. Несмотря на рост эффективности методов и средств, применяемых к этим видам осложнений, затраты на них по отрасли остаются значительными.
Не менее важной является проблема поглощения тампонажного раствора и, как следствие, недоподъем его до расчетной высоты. Число скважин с недоподъемами цементного раствора достигает 20-25 %. Это является причиной снижения долговечности скважин, нарушения экологической обстановки разрабатываемых месторождений, уменьшения темпов добычи нефти, а также таких осложнений как межпластовые перетоки жидкостей и газов в незацементированном заколонном пространстве, коррозия обсадных труб от воздействия агрессивных минерализованных вод, водопроявления и грифо-нообразования.
Проявления и поглощения при бурении, водопритоки и межпластовые перетоки после цементирования и во время эксплуатации скважин возникают во многих нефтегазовых регионах. В этой связи особую важность приобретают проблемы разработки новых и совершенствования существующих рецептур облегченных тампонажных материалов, водоизолирующих цементных композиций, твердеющих баритовых пробок, низкозамерзающего вязкоупру- того состава для предупреждения и ликвидации зон проявлений, поглощений, водопритоков и межпластовых перетоков при бурении и эксплуатации.
Цель работы. Разработка облегченного тампонажного материала, во-доизолирующих цементных композиций, твердеющих баритовых пробок, новых рецептур вязкоупругих составов, в том числе низкозамерзающего, для предупреждения и ликвидации проявлений, поглощений, водопритоков и межпластовых перетоков при бурении и эксплуатации скважин.
Основные задачи исследований.
Анализ современного состояния работ, связанных с использованием тампонажных составов для предупреждения и ликвидации осложнений при строительстве и эксплуатации скважин.
Исследование и разработка облегченных тампонажных материалов для предупреждения поглощений при цементировании.
Исследование и разработка водоизолирующих цементных композиций для установки перемычек при ликвидации водопритоков и межпластовых перетоков.
Исследование и разработка твердеющих баритовых пробок для предупреждения и ликвидации проявлений и поглощений.
Исследование и разработка новых рецептур вязкоупругих составов, в том числе низкозамерзающего, с использованием реагентов, широко используемых при обработке буровых и тампонажных растворов, для ликвидации поглощений, водопритоков и межпластовых перетоков.
Апробация разработанных тампонажных составов для осложненных условий бурения и проведения ремонтно-изоляционных работ в эксплуатационных и нагнетательных скважинах; использование результатов проведенных исследований в учебном процессе при подготовке специалистов нефтегазового профиля.
Научная новизна.
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные принципы создания облегченных тампонажных материалов, содержащих доломит.
Научно обоснован и экспериментально подтвержден выбор реагентов-пластификаторов в сочетании с комплексообразующим катионом для увеличения водоизолирующей способности цементных композиций.
Сформулированы основные положения создания твердеющих баритовых пробок.
Составлены уравнения реакций образования вязкоупругих составов с обоснованием выбора реагентов для их получения и предложен принцип получения низкозамерзающего ВУС.
Практическая ценность работы.
Разработан комплекс рецептур тампонажных составов: облегченных тампонажных материалов, названных материалом там-понажным облегченным безусадочным модифицированным МТОБ-М1 и МТОБ-М2 со следующим количественным соотношением компонентов, мае. %: ПЦТ - 45, доломит - 10, трепел - 45 и доменный шлак - 40, доломит - 25, трепел-35; водоизолирующих цементных композиций, обработанных реагентом-пластификатором в сочетании с комплексообразующим катионом; твердеющих баритовых суспензий, в состав которых введен вяжущий материал; новых типов вязкоупругих составов с использованием реагентов, широко используемых для обработки буровых и тампонажных растворов, в том числе низкозамерзающего, приготовленного на растворе бишофита.
Реализация работы. Разработанные тампонажные составы для производства буровых работ в осложненных условиях и проведения ремонтно- изоляционных работ были испытаны в скважинах ОАО НПО «Роснефть-Термнефть» и НГДУ «Мамонтовнефть», а также использованы при составлении методических указаний для практических и лабораторных учебно-исследовательских работ для студентов Кубанского государственного технологического университета специальности 090800 - Бурение нефтяных и газовых скважин.
Тампонажные составы для ликвидации поглощений при бурении скважин
Поглощение бурового раствора является одним из основных видов осложнений при строительстве скважин. Проблема борьбы с поглощением буровых растворов занимает важное место в общем комплексе мероприятий по повышению качества и сокращению цикла строительства скважин. Несмотря на рост эффективности методов и средств, применяемых для борьбы с поглощениями, затраты на них по отрасли остаются значительными. Отчасти это объясняется увеличением глубин скважин и разбуриванием новых площадей со сложным геологическим строением.
Еще в 30-е годы А.А.Луценко, К.А.Царевич, Р.И.Шищенко рассмотрели общие вопросы, относящиеся к возникновению явления поглощения промывочной жидкости, и разработали составы растворов для его ликвидации. Значительный вклад в решение вопросов, связанных с ликвидацией поглощений, внесли ведущие ученые М.С.Винарский, А.А.Гайворонский, Е.П.Ильясов, В.И.Крылов, А.С.Кувыкин, Б.М.Курочкин, А.Х.Мирзаджанзаде, В.И.Мищевич, Н.М.Охрименко, Н.А.Сидоров, Н.И.Сухенко, С.Н.Ятров и другие. В их работах заложены теоретические и практические основы борьбы с поглощениями при бурении скважин.
В последние годы скважины за рубежом бурят в основном при сбалансированном давлении в системе «скважина - пласт». Поэтому проблема, связанная с поглощениями бурового раствора, считается практически решен-ной. Однако в целях предупреждения поглощений прибегают к профилактическим мероприятиям, таким как добавление наполнителей в буровые растворы, снижение их плотности и показателей структурных свойств, регулирование скорости спуска бурильной колонны. Если поглощение все же началось, приступают к его ликвидации, подбирая в зависимости от характера и интенсивности поглощения материал для изоляции и технологию его применения. В США для успешного предупреждения и ликвидации поглощений разработано более 500 различных составов тампонажных смесей, но применяют в основном несколько композиций, как правило, наиболее дешевых и доступных.
Выбор способа ликвидации поглощений зависит от характера поглощения, его интенсивности и причин, вызвавших поглощения. Особую проблему представляют скважины с катастрофическими поглощениями, технология проводки которых в зависимости от геологических и технико-технологических условий может быть осуществлена несколькими способами. По возможности скважину заканчивают бурением до проекта без выхода бурового раствора на поверхность или над зоной поглощения устанавливают цементный мост, забуривают второй ствол, в котором уже не отмечается катастрофических поглощений /48/. При невозможности осуществить данную технологию используют следующие методы борьбы: намыв инертных наполнителей; закачивание тампонажных смесей; установку перекрывателей и спуск обсадных колонн; физико-химическое воздействие на поглощающий горизонт.
Анализ затрат календарного времени на ликвидацию осложнений показывает, что оптимальным все же остается способ изоляции зон поглощения с помощью тампонажных смесей. Однако в целях дальнейшего сокращения затрат времени на борьбу с высокоинтенсивными поглощениями бурового раствора необходимо повышение качества изоляционных работ. Многообразие геолого-технических условий проводки скважин в неф 11 тегазодобывающих районах России и постоянные поиски более эффективных способов изоляции поглощающих пластов привели к разработке значительного числа тампонажных составов, которые могут включать в себя несколько компонентов. В состав различных композиций нередко наряду с отличающимися по своей природе входят и одинаковые вещества. В наименовании используемых смесей нет определенной системы. Одни из них названы, исходя из характерного свойства (например, быстросхватывающиеся смеси, вязкоупругие составы и т.д.), другие - по наименованию компонентов (например, цементобентонитовая смесь, метасоцементная смесь и т.д.). Анализ компонентного состава смесей, применяющихся для изоляции зон поглощений, и результатов их промыслового внедрения в различных нефтяных регионах России позволил нам разделить их на два больших класса: высокоподвижные (низковязкие) и малоподвижные (высоковязкие) там-понажные смеси. В качестве дисперсионной среды высокоподвижных тампонажных смесей может быть использована вода или раствор полимера (смола). Известные малоподвижные тампонажные смеси готовятся как на водной, так и на углеводородной основе. Внутри каждого класса тампонажные композиции делятся на три группы, исходя из базового вещества: - композиции на основе вяжущих материалов; - композиции на основе глин; - композиции на основе полимеров (смол). В ряде композиций могут содержаться вещества, являющиеся базовыми в различных группах (например, цементобентонитовая смесь). Это не нарушает предлагаемой схемы распределения составов. В такой смеси определяющим должен являться тот компонент, который содержится в наибольшем количестве. Он признается базовым для включения в ту или иную из указанных групп. Каждая группа делится на две подгруппы: твердеющие и нетвердеющие тампонажные смеси. Предлагаемая схема классификация композиций, применяющихся для изоляции зон поглощений бурового раствора, приведена на рисунке 1.1. Низковязкие (высокоподвижные) тампонажные смеси. Используются без намыва или с предварительным намывом в скважину инертных материалов для ликвидации поглощения бурового раствора в пористых и пористо-кавернозных породах. Группа на основе вяжущих материалов. Для быстросхватывающихся смесей (БСС), гипсовых (ГР), гипсоглиноземистоцементных (ГГЗЦР) и гип-соцементных (ГЦР) растворов характерна высокая скорость структурообра-зования даже при значительном содержании воды, поэтому они в меньшей степени, чем смеси на основе портландцемента, поддаются размыванию пластовыми водами, но требуют тщательного соблюдения технологии их применения во избежание возникновения осложнений при продавливании. В общем объеме изоляционных работ, выполняемых в среднетрещи-новатых породах, примерно в 15 % случаев применяют цементобентонито-вые смеси (ЦБС). Наличие в растворе глинистых частиц способствует быстрому структурообразованию. Однако прочность образующегося из них камня низка/35, 48/.
Обоснование выбора компонентного состава облегченного материала
Критический анализ известных рецептур облегченных тампонажных материалов, приведенных в главе I, позволил констатировать, что практически во всех случаях разработка облегченного цемента осуществлялась эмпирически на базе наличия местного сырья и возможности применения той или иной добавки.
Чаще всего в состав облегченных тампонажных растворов вводятся кремнеземистые добавки осадочного происхождения. Строение поверхностного слоя в них характеризуется расположением тетраэдров [Si04]4 , только частично связанных с объемной структурой. Свободные углы этих тетраэдров, выходящие на поверхность, представляют собой гидроксильные группы , которые с гидратом окиси кальция образуют прочные связи. !
Этот процесс начинается с поверхности зерна и постепенно идет вглубь. Поэтому чем больше дисперсность добавки, тем больше извести она может связать. В результате реакции возникают гидросиликаты кальция тоберморито-вои группы, по химическому составу близкие к (0,8 С целью научного подхода к выбору добавки и прогнозирования свойств образующегося облегченного цемента нами /89/ на основе их химического состава рассчитаны соответствующие модули (соотношения между молями основных окислов): которые приведены в таблице 2.1. Для сравнения здесь же приведены химический состав и модули портландцемента тампонажного (ПЦТ) и шлака.
Анализ рассчитанных величин модулей свидетельствует, что кремнеземистые добавки являются кислотными (Мо 1) и характеризуются повышенными значениями Мс по сравнению с аналогичными модулями для ПЦТ и шлака. Их модуль активности Ма в 95-190 и 35-65 раз меньше соответственно модуля активности ПЦТ и шлака. Доломит, напротив, является основным (Мо 1) и характеризуется пониженным значением Мс и повышенным значением Ма по сравнению с ПЦТ и шлаком.
При заводском производстве ОПТ в состав смеси наряду с трепелом вводили гранулированный доменный шлак, характеризующийся повышенным значением Ма по сравнению с облегчающей добавкой, но пониженным значением Мс.
Расчет показывает, что при компонентном составе ОПТ, равном ПЦТ: шлак: трепел = 35:20:45, модули основности и активности соответственно равны 1,5 и 1,6 при силикатном модуле 20,7. Модули основности и активности ОЦГ в 2,3-2,4 раза меньше соответствующих значений для портландцемента, поэтому при наличии повышенной водопотребности, равной В/Ц = 1,0, обусловленной тем, что Мс ОЦГ больше Мс ПЦТ в 3,2 раза, ожидать приемлемых физико-механических показателей камня не приходилось.
На наш взгляд представлялось перспективным в составе ранее серийно выпускаемого ОЦГ шлак заменить добавкой, характеризующейся повышенными значениями М0 и Ма и пониженными значениями Мс. Это должно способствовать росту физико-механических характеристик цементного камня.
К разряду таких добавок относится доломит - представитель карбонатных пород осадочного происхождения. Он является распространенной горной породой. Твердость его по шкале Мооса 3,5-4,0; плотность 2,85-2,95 г/см . Теоретическое содержание в доломите СаСОз - 54,27 %; MgC03 -45,73 % или в окислах: СаО - 30,41 %; MgO - 21,87 % и С02 - 47,22 %.
По данным рентгенофазового, дифференциально-термического, электронно-микроскопического и петрографического анализов доломитовая мука содержит диссоциированные карбонаты от доломита MgC03 СаСОэ и каустического доломита MgC03 пСаС03 до кальцита, периклаз MgO, оксид кальция и их гидратные формы Mg(OH)2 и Са(ОН)2. Кроме того, выявлены стекловидные вещества и связки, монтичеллит, оксиды железа в виде гематита, магнезиопирит /37/.
Из-за содержания оксида магния более 5 % против регламентируемого для портландцементного клинкера доломит не находил широкого применения при производстве строительных и тампонажных материалов несмотря на то, что цементы с высоким содержанием оксида магния обладают повышенной коррозионной стойкостью, менее подвержены коррозии выщелачивания и действию агрессивных сред, обладают высокой стойкостью к действию углекислого газа. Основной причиной этого является то, что оксид магния, не вошедший в состав минералов цементного клинкера, кристаллизуется в виде периклаза, обладающего низкой гидратационной способностью и приводящего к возникновению внутренних напряжений, а иногда и к разрушению цементного камня /35, 44/. В строительной практике некоторым исследователям удалось нейтрализовать кристаллизационное давление периклаза повышением водосмесевого отношения, а также введением активных гидравлических добавок.
Доломит, обладающий вяжущими свойствами, не получил признания специалистов, не использовался при проектировании тампонажных составов и совершенно недостаточно бьш исследован. Такое отношение к этому материалу было неоправданным, тем более что известен положительный опыт крепления скважин на Украине доломито-зольными составами. Правда, следует отметить, что такие цементы не получили распространения (после 1984 г. они не применялись). Причиной этого, по-видимому, явились трудности, связанные с изготовлением доломито-зольных смесей.
Для создания облегченных тампонажных материалов наиболее перспективными являются кремнеземистые добавки осадочного происхождения: диатомит, трепел, опока. Эти материалы по своему составу близки друг к другу. Все они проявляют высокую активность - способность связывать значительное количество гидроксида кальция за счет высокого содержания в них реакционноспособного аморфного кремнезема (75-85 %).
Представлялось перспективным обеспечить возбуждение процесса гидратационного твердения портландцемента или металлургического шлака, содержащих кремнеземистую облегчающую добавку, введением в их состав доломита. Такое сочетание указанных недефицитных материалов, на наш взгляд, является весьма плодотворным: расширяется температурный диапазон использования разрабатываемых систем, повышается устойчивость цементного камня к воздействию температур и агрессивных пластовых вод.
Обоснование выбора пластификаторов и рецептур комбинированных обработок цементных растворов
Одним из путей повышения изолирующей способности цементных растворов, используемых для ликвидации водопритоков и межпластовых перетоков, с целью предотвращения размывания их пластовой водой или буровым раствором является интенсификация процесса структурообразования за счет снижения водоцементного отношения /32, 33/. При этом образуется высокопрочные малопроницаемые преграды.
Для уменьшения содержания воды при условии обеспечения требуемой подвижности раствора используются реагенты-пластификаторы. В отечественной практике их использование обусловлено в основном необходимостью обеспечения турбулентного режима течения при значительном уменьшении скорости восходящего потока. В качестве разжижителей рекомендуются различные реагенты: двунатриевая соль этилендиаминтетрауксуснои кислоты (трилон Б, хелатон 3), нитролигнин, ПФЛХ, дубители Д-4 и Д-12, лимонная и виннокаменная кислоты, бура, гексаметафосфат натрия (ГМФН), сулькор, пекор, окзил, сульфонол, лигносульфонаты технические (ССБ, КССБ), триоксиглутаровая кислота (ТОГК) и другие /36, 76, 81/.
На основании проведенных исследований авторы /36/ установили, что характерным признаком реагентов-пластификаторов является наличие в составе их молекул ионогенных групп (энольных, гидроксильных, карбоксильных, сульфоновых и др.) и структурных единиц, склонных к координационным связям (спиртового гидроксила, карбонильных, тиоэфирных, аминовых).
Указанные реагенты, связываясь с ионами кристаллической решетки минералов цементного клинкера, могут сохранять свободными функциональные группы -ОН, -СООН, -COONa, отличающиеся высокой гидрофильно-стью, т.е. способностью к образованию вокруг цементных частиц гидратных оболочек, что препятствует сцеплению кристаллов друг с другом и снижает трение между ними. Рахимбаевым Ш.М. /81/ установлено, что по способности повышать текучесть цементных суспензий реагенты располагаются в ряд: сульфонол диспергатор НФ ССБ яблочная кислота винная кислота ТОГК . Мариампольский Н.А. /36/ по интенсивности влияния на вязкопла-стичные свойства цементных суспензий исследуемые реагенты расположил следующим образом: сульфонол сулькор ПФЛХ окзил КССБ сахароза бура ГМФН лимонная кислота. Влияние различных реагентов на реологические свойства цементных суспензий изучали многие исследователи (И.А.Карманов, 1963 г.; В.Г.Литвиш-ко, 1967 г.; Н.А.Мариампольский, 1968 г.; Ш.М.Рахимбаев, 1976 г.). Однако детального исследования влияния химического строения молекул пластификатора и эффективности входящих в их состав реакционноспособных групп на показатели реологический свойств тампонажных растворов проведено не было. Кроме того, на сегодняшний день использование пластификаторов с целью создания водоизолирующих цементных композиций носит ограниченный характер. Общеизвестно, что практически все используемые пластификаторы являются замедлителями схватывания и твердения тампонажных растворов, а для уменьшения В/Ц с обеспечением гостируемого значения растекаемости требуется введение в цементный раствор значительных доз реагентов (до 1 %). Приготовление таких систем сопровождается часто сильным вспениванием, ведущим к резкому снижению плотности раствора, а также большими (иногда неприемлемыми) сроками схватывания и замедленными темпами набора прочности. В отечественной практике признается целесообразным для реологической оценки тампонажних растворов руководствоваться моделью Шведова-Бингама, согласно которой предусматривается определение пластической вязкости (г) и динамического напряжения сдвига (т0). Физическая интерпретация этих параметров сводится к следующим основополагающим представлениям: - пластическая вязкость прокачиваемого тампонажного раствора обусловлена силами трения гидратированных частиц твердой фазы друг с другом, с жидкой средой и между отдельными слоями жидкой фазы; - динамическое напряжение сдвига раствора обусловлено силами физико-химического взаимодействия между частицами твердой фазы, связывающими их в структурированную систему, обладающую свойствами твердого тела; - значения г и х0 определяются химической природой реагента пластификатора и его концентрацией в жидкости затворения, а также дис персностью частиц твердой фазы. Реологические свойства цементных суспензий на базе ПЦТ-2-50, содержащих добавки некоторых реагентов-пластификаторов, наиболее широко применяемых в практике буровых работ, измерялись на ротационном приборе REOTEST-2 по стандартной методике. Полученные данные приведены в таблице 3.1, из которой видно, что в зависимости от химического строения пластификатора действие его на реологические характеристики тампонажного раствора неоднозначно. Ряд веществ, значительно снижая х0, мало влияет на значения.
Анализ качества утяжелителей для создания твердеющих пробок
Основными видами утяжелителей, широко используемых на нефтяных месторождениях России, являются УБП - утяжелитель баритовый порошкообразный (флотационный концентрат), выпускаемый по ТУ 39-0147009-047-90, и УБПМ - утяжелитель баритовый порошкообразный модифицированный, выпускаемый по ТУ 39-0147001-106-92.
Суспензии утяжелителя в воде представляют собой дисперсные системы с сильно развитой поверхностью раздела фаз, в которых важную роль играют процессы, происходящие на границе раздела и зависящие как от свойств поверхности утяжелителя, так и от свойств и компонентного состава дисперсионной среды. Поэтому седиментация частиц утяжелителя, а, следовательно, и структура образующейся пробки определяются не только гидродинамическими факторами, к числу которых относятся плотность утяжелителя, размер, удельная поверхность и степень агрегации, определяемая коэффициентом агрегации, его частиц, плотность и вязкость суспензии, но и рядом других факторов, которые можно назвать физико-химическими. Такими факторами являются, в частности, степень коагуляции и пептизации твердых частиц суспензии; содержание в ней коллоидных примесей; влияние двойного электрического слоя, возникающего на границе раздела твердой и жидкой фаз в присутствии посторонних ионов; наличие сольватной оболочки на твердых частицах.
Проанализируем аналитически с точки зрения физико-химических процессов, протекающих на границе раздела фаз «утяжелитель - дисперсионная среда», перспективность использования того или иного вида утяжелителя для создания пробок в скважине.
При производстве баритовых утяжелителей путем флотационного обогащения используются различные реагенты, основная роль которых заключается в гидрофобизации поверхности барита. Несмотря на различного рода промывки для удаления флотореагентов, УБП на горно-обогатительных фабриках выпускается с частично гидрофобизованной поверхностью, что предопределяет лиофобно-лиофильную мозаичность поверхности частиц и неполное смачивание их дисперсионной средой УБПМ, обработанный триполифосфатом натрия, лишен этого недостатка. Как было установлено С.А.Рябоконем /83/, гидрофилизация поверхности флотационного баритового концентрата при обработке его поверхности триполифосфатом обусловлена двумя процессами. Это, во-первых, химическое взаимодействие триполифосфата и сульфата бария - основного компонента утяжелителя, в результате чего происходит хемосорбционное закрепление фосфата на поверхности барита и образование труднорастворимого соединения - фосфата бария. Гидрофилизирующий эффект происходит за счет ионов РО4". Во-вторых, эффект гидрофилизации достигается также вследствие взаимодействия фосфата с солями кальция, входящими в состав баритовых концентратов. При этом в качестве защитного покрытия образуется фосфат кальция.
Гидрофильность поверхности УБПМ предопределяет образование вокруг каждой частицы утяжелителя сольватных слоев из молекул воды, препятствующих образованию агрегатов из частиц, что П.А.Ребиндер объясняет способностью этих слоев обладать сопротивлением сдвигу, мешающему их выдавливанию из зазора между частицами. Б.В.Дерягин это явление объясняет существованием расклинивающего давления, вызванного отличием свойств граничных сольватных слоев от свойств дисперсионной среды.
В водной суспензии УБПМ и вяжущего материала наличие гидратных слоев вокруг частиц утяжелителя обусловливает прочность сцепления их в осевшей пробке с частицами новообразований, образующихся при гидратации вяжущего. Неполное смачивание водой частиц УБП не способствует прочному сцеплению последних с продуктами гидратации вяжущего.
Другим значительным недостатком флотационных концентратов является повышенная структурообразующая способность из-за высокого содержания тонкодисперсных фракций, что обусловлено в первую очередь необходимостью интенсивного измельчения полиметаллических руд при флотационном обогащении. Применение утяжелителя с высоким содержанием коллоидных частиц для создания пробок в скважине приводит к упрочнению структуры суспензии, и, как следствие, к уменьшению скорости седиментации за счет повышения вязкости системы.
Применение УБПМ позволяет нейтрализовать структурообразующее влияние коллоидных частиц за счет адсорбции реагента-модификатора на ребрах (вершинах) их поверхности, имеющих ненасыщенные валентности, что вызывает взаимное отталкивание частиц и предупреждает тем самым упрочнение структуры суспензии /83/.
Немаловажное значение для скорости седиментации и структуры образующейся пробки имеет воздействие на суспензию электролитов, так как утяжелитель, а также дисперсионная среда (вода) содержат в своем составе водорастворимые соли, в частности соли кальция.
Молекулы электролитов в воде диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные ионы. При соприкосновении водного раствора электролита с поверхностью утяжелителя последняя адсорбирует ионы одного знака. Это приводит к тому, что соответствующее количество ионов другого знака удерживается электростатическими силами в слое жидкости, находящемся около указанной поверхности. Таким образом, возникает двойной электрический слой, на толщину которого оказывают влияние различные факторы, в частности свойства поверхности твердого тела, концентрация электролитов, валентность ионов и т.д. Так, толщина двойного электрического слоя уменьшается с увеличением концентрации электролита, что способствует агрегации частиц и ускорению их седиментации.
