Пептизация и ингибирование набухания глин в присутствии угольной кислоты, бикарбонатных, карбонатных ионов и ионов кальция

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью обеспечения целостности ствола скважины, сложенного глинистыми породами, и стабильности бурового раствора при бурении в условиях углекислой и бикарбонатной агрессий. Цель: экспериментально определить влияние на глину угольной кислоты, бикарбонатных и карбонатных ионов в зависимости от присутствия в дисперсионной среде ионов кальция. Объекты: загрязненные угольнои кислотои , бикарбонатными и карбонатными ионами во́ ды с разнои эквивалентнои концентрациеи ионов кальция. Методы. Ингибирующие и пептизирующие свойства объектов исследования по отношению к глинистой породе изучали методом набухания глины при нахождении ее в исследуемом образце воды (на приборе Жигача- Ярова); для контроля состава и свойств вод были привлечены методы химического анализа (комплексонометрическое и кислотно-основное титрование) и потенциометрии. Результаты. Показано, что пептизирующие и ингибирующие свойства буровой промывочной жидкости значительно зависят от присутствия в дисперсионной среде формы угольной кислоты и эквивалентного содержания ионов Ca2+. Выявлено, что угольная кислота H2CO3 способствует ингибированию (коагуляции) глины, бикарбонат-ионы HCO3 - и карбонат-ионы CO3 2- - пептизации глины. Установлено, что ион Ca2+ не обладает ингибирующим действием в присутствии угольной кислоты H2CO3 - ионы H+ вытесняют обменные катионы из межслоевого пространства глин и за счет малого диаметра самостоятельно ингибируют набухание глины; в присутствии бикарбонат-ионов HCO3 - ион Ca2+ также не обладает ингибирующим действием - бикарбонатные ионы HCO3 -, находясь в дисперсионной среде, оттягивают ионы Ca2+ от поверхности глины, увеличивая толщину двойного электрического слоя; при наличии карбонат-ионов CO3 2- ион Ca2+ выпадает в осадок и эффективно предотвращает пептизацию глин только в присутствии гидроксид-ионов OH-. Экспериментально доказано, что ион Ca2+ в присутствии гидроксид-ионов OH- обладает лучшей ингибирующей способностью, чем ион H+ диссоциированной угольной кислоты H2CO3. Предложен механизм ингибирования набухания глин ионами Ca2+ в присутствии гидроксид-ионов OH-, основанный на адсорбции гидратированного иона Ca2+ на кремнекислородной решетке за счет предварительного протонирования ее атомов кислорода молекулами воды. Сформулированы условия, необходимые для эффективной пептизации глины: [CO3 2-]≥0; [OH-]>0, [Ca2+]=0, pH>11,5; для ингибирования набухания глины: [CO3 2-]=0; [OH-]>0, [Ca2+]>0 и pH>11,5.

Relevance. The need to ensure the integrity of the wellbore, composed of clay rocks, and the stability of drilling fluid when drilling in conditions of carbon dioxide and bicarbonate aggression. Aim. To determine experimentally the effect of carbonic acid, bicarbonate and carbonate ions on clay depending on the presence of calcium ions in the dispersion medium. Objects. Water contaminated with carbonic acid, bicarbonate and carbonate ions with different equivalent concentrations of calcium ions. Methods. Inhibitory and peptizing properties of the objects of study in relation to the clay rock were studied by the method of clay swelling when it was in the water under study (on the Zhigacha-Yarov device); methods of chemical analysis (complexometric and acid-base titration) and potentiometry were used to control water composition and properties. Results. The peptizing and inhibiting properties of drilling fluid depend significantly on the form of carbonic acid present in the dispersion medium and the equivalent content of calcium ions (Ca2+). It was found that carbonic acid (H2CO3) contributes to clay inhibition (coagulation), bicarbonate ions (HCO3 -) and carbonate ions (CO3 2-) - clay peptization. Calcium ions (Ca2+) do not have an inhibitory effect in the presence of carbonic acid (H2CO3) - hydrogen ions (H+) displace exchangeable cations from the interlayer space of clays and, due to their small diameter, independently inhibit clay swelling. In the presence of bicarbonate ions (HCO3 -), calcium ions (Ca2+) also do not have an inhibitory effect - bicarbonate ions (HCO3 -), being in a dispersion medium, draw calcium ions (Ca2+) from the clay surface, increasing the thickness of the electrical double layer. In the presence of carbonate ions (CO3 2-) the calcium ions (Ca2+) precipitate and effectively prevent clay peptization only in the presence of hydroxide ions (OH-). The authors proved experimentally that calcium ions (Ca2+) in the presence of hydroxide ions (OH-) have a better inhibitory ability than hydrogen ions (H+) of dissociated carbonic acid (H2CO3). A mechanism was proposed for inhibiting the swelling of clays by calcium ions (Ca2+) in the presence of hydroxide ions (OH-), based on the adsorption of the hydrated calcium ion (Ca2+) on a silica tetrahedral sheet due to the preliminary protonation of its oxygen atoms by water molecules. The conditions required for clay effective peptization are formulated: [CO3 2-]≥0; [OH-]>0, [Ca2+]=0, pH>11.5; for clay swelling inhibition: [CO3 2-]=0; [OH-]>0, [Ca2+]>0 and pH>11.5.