Investigation of the impact of sulfonated refinery products on the properties of water-based drilling fluids

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки требований к сульфированным битумам (асфальтам), применяемым в составе буровых растворов на водной основе, для контроля их качества при поступлении на буровые предприятия. Вследствие наличия водонерастворимых веществ сульфированные битумы считаются гидрофобными кольматантами глинистых пород, хотя на самом деле доля водорастворимых веществ в их составе значительно выше (~70 %). На сегодняшний день неизвестно влияние водорастворимой составляющей сульфированных битумов на глинистую породу с точки зрения ингибирования и пептизации. Также отсутствуют данные о солестойкости и устойчивости к щелочноземельным металлам (Ca2+, Mg2+) сульфированных битумов. Все это может приводить к нерациональному их применению. Изучение этих вопросов поможет сформулировать требования и подобрать методы оценки качества сульфированных битумов, а также улучшить эффективность их использования в составе буровых растворов. Цель: экспериментально определить функциональные свойства сульфированных битумов в составе буровых растворов на водной основе. Задачи: изучить влияние сульфированных битумов на глины и оценить их устойчивость к минерализации и двухвалентным катионам. Объекты: образцы сульфированных битумов различных марок и заводов-производителей. Методы. Технологические параметры глинистых буровых растворов определялись стандартными методами в соответствии с ГОСТ 33213-2014 (ISO 10414-1:2008); ингибирующие и пептизирующие свойства объектов исследования по отношению к глинистой породе изучали методом набухания глины при нахождении ее в исследуемом растворе (на приборе Жигача - Ярова) и посредством седиментационного анализа (на весах Фигуровского); солестойкость сульфированных битумов определяли методом осадкообразования при нахождении их в минерализованной среде. Результаты. Проведен сравнительный анализ шести образцов сульфированных битумов для выявления физико-химического влияния реагентов данной группы на глинистую породу. Посредством оценки степени набухания и определения размера частиц глины при нахождении ее в растворах исследуемых образцов установлено, что существует две группы реагентов сульфированных битумов, противоположных по функциональному воздействию на глину: 1) пептизаторы (дефлокулянты); 2) ингибиторы набухания. Экспериментально доказано, что все сульфированные битумы способствуют ухудшению тиксотропных, реологических и фильтрационных свойств пресных глинистых систем, при этом более эффективными понизителями вязкости являются образцы, обладающие ингибирующими свойствами; в минерализованных средах и при наличии двухвалентных катионов сульфированные битумы также способствуют ухудшению фильтрационных свойств, но неэффективны как понизители вязкости, и даже наоборот, способствуют сильному загущению, что связано с их коагуляцией, или снижением растворимости. Установлено, что для определения функционального применения высокомолекулярных сульфированных битумов в составе буровых растворов на водной основе и контроля качества образцов необходимо испытывать их по следующим показателям: определять размер частиц глины в воде и в растворе испытуемого образца с целью выявления его ингибирующих или пептизирующих свойств; оценивать разжижающую способность и эффективность снижения фильтрационных свойств при добавлении реагента к пресной глинистой суспензии.

The relevance of the work stems from the need to develop requirements for sulfonated bitumen applied in the composition of water-based drilling fluids to control their quality when entering drilling enterprises. Due to the presence of water-insoluble substances, sulfonated bitumens are considered to be hydrophobic bridging agents of clay rocks, though the proportion of water-soluble substances in their composition is much higher (~70 %). Nowadays the influence of the watersoluble component of sulfonated bitumen on clay rock in terms of inhibition and peptization is unknown. There are also no dat a on salt resistance and resistance to alkaline earth metals (Ca2+, Mg2+) of sulfonated bitumen. All this can lead to their irrational use. The study of these issues will help formulate requirements and select methods for assessing the quality of sulfonated bitumens, as well as improve the efficiency of their use in drilling fluids. The main aim of the research is to experimentally determine the functional properties of sulfonated bitumen in the composition of waterbased drilling fluids. The main objectives of the research are to study the sulfonated bitumen effect on clay rocks and access the sulfonated bitumen resistance to mineralization and divalent cations. Objects: sulfonated bitumen samples of various brands and manufacturing plants. Methods. The technological parameters of clay drilling fluids were determined by standard methods in accordance with SS 33213-2014 (ISO 10414-1:2008); the inhibitory and peptization properties of the research objects in relation to clay rocks were studied by the meth od of clay swelling when they were in the sample solution (on the Zhigach-Yarov tester) and by means of sedimentary analysis (on the Figurovsky weight scale); salt resistance of sulfonated bitumens was determined by the method of sedimentation while placing sulfonated bitumens in a mineralized environment. Results. The authors have carried out the comparative analysis of six sulfonated bitumen samples to identify the physicochemical effect of this group reagents on clay rocks. By assessing the degree of swelling and particle-size determination of clay while its staying in the drilling fluids of the test samples, two groups of reagents of sulfonated bitumen were found, which are opposite in their functional effect on clay: 1) peptizing agents (deflocculants); 2) clay inhibitors. It was experimentally proved that all sulfonated bitumens contribute to the deterioration of the thixotropic, rheological, and filtration properties of fresh clay systems, while samples with inhibitory properties are more effective viscosity reducers; in a mineralized environment, the presence of divalent cations and sulfonated bitumens are conductive to a decrease in filtration properties, but are ineffective as viscosity reducers, and also, they are conductive to thickening due to their coagulation or solubility decrease. Experiments proved that for determining the functional purpose of high-molecular-weight sulfonated bitumens in the composition of water-based drilling fluids and controlling the quality of the samples, it is necessary to test them according to the following indicators: to determine the size of clay particles in water and in a solution of the test sample in order to identify its inhibitory or peptizing properties; to evaluate the thinning capacity and the effectiveness of reducing the filtration characteristics when adding a reagent to a fresh clay suspension.