Curs 5+6_Proprietatile Fluidelor de Foraj_

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

1

6. Sistemul apă-argilă

Sistemul apă-argilă1. Mineralele argiloase2. Proprietăţile mineralelor argiloase în apă

Capacitatea de schimb ionicCapacitatea de hidratare

Capacitatea de umflare şi dispersareAsocierea particulelor de argilă şi formarea de

structuri3. Fluide de foraj dispersate (clasice) 4. Noroaie tratate

Noroaie tratate cu CMCNoroaie tratate cu fluidizanţi şi sodă causticăNoroaie tratate cu FCLS şi sodă causticăFluide pe bază de Spersene


2

Noroaiele naturale

Aceste fluide au la bază sistemul dispers apă-argilă (soluţie diluată de bentonită în apă, cu n = 1040 ... 1060kg/m3, un filtrat de aproximativ 15cm3 şi viscozitatea aparentă la pâlnia Marsh între 40…45s) şi îndeplinesc cerinţele de stabilitate, colmatare şi gelificare, necesare forajului. Aceste fluide se folosesc la forarea unor intervale de suprafaţă sau a zonelor cu pierderi de circulaţie unde se cer de regulă noroaie cu viscozitate şi gelaţie ridicate, fără alte proprietăţi specifice.

Noroaiele naturale îşi modifică rapid proprietăţile în prezenţa unor contaminanţi cum sunt: pachete groase de marne şi argile hidratabile, săruri solubile, temperaturi mari, gaze etc.

3. Fluide de foraj dispersate (clasice)



3

Contaminarea noroaielor naturale cu particule solide Încărcarea noroaielor naturale cu fragmente de rocă nedispersabile în apă nu

modifică proprietăţile de bază ale acestora şi sunt uşor de îndepărtat în sistemul de curăţire de la suprafaţă Particulele de argilă care se hidratează şi dispersează uşor în apă, măresc viscozitatea aparentă a noroiului şi rezistenţa de gel, scăzând în acelaşi timp filtratul. Dacă se produce o contaminare uşoară şi de scurtă durată se poate recurge la diluare cu apă sau tratamente simple cu fluidizanţi.

În cazul unor contaminări mai intense cu argile hidratabile şi dispersabile, însuşi procesul de foraj se desfăşoară în condiţii mai grele, iar viteza de avansare scade. În astfel de situaţii, pentru reducerea viscozităţii şi păstrarea unui conţinut optim de argilă în noroiul de bază sunt posibile diverse metode:

*folosirea fluidizanţilor;*diluarea cu apă şi corectarea densităţii cu barită;*utilizarea floculanţilor;*reglarea pH- ului;*transformarea noroiului dispersiv în unul inhibitiv

(nedispersiv);*îndepărtarea particulelor prin metode mecanice.



4

Fluidizanţii, prin modul lor de acţiune, pot ecrana sarcinile negative de la muchiile foiţelor de argilă, împiedicând unirea lor (flocularea). Scade astfel tensiunea dinamică de forfecare, dar creşte uşor viscozitatea plastică, deoarece creşte numărul de particule din sistem. Se poate apela la fluidizanţi doar în noroaiele cu densităţi reduse.

Metoda de diluare cu apă, deşi pare cea mai ieftină, poate duce, pe lângă o creştere semnificativă a volumului de noroi din circuit, la un consum exagerat de barită şi de aditivi antifiltranţi.

Utilizarea floculanţilor se recomandă doar la noroaiele cu densitate redusă şi la forajul în roci tari. Pentru sistemul apă-argilă aflat într-un echilibru natural, domeniul optim al pH-ului, la care şi viscozitatea este minimă, se situează între 7,5 şi 8,5. Dacă se măreşte valoarea pentru a creşte eficienţa fluidizanţilor şi a inhiba coroziunea, se intensifică procesul de dispersare a argilelor din detritus şi pereţii sondei, ceea ce poate duce la o creştere nedorită a viscozităţii. De aceea, pentru noroaiele naturale pH-ul nu trebuie să depăşească valorile 9…10.

Transformarea noroaielor naturale în fluide inhibitive nu este chiar simplu de realizat, şi, în mod practic, acestea sunt mult mai scumpe şi greu de întreţinut.

La oricare dintre metodele amintite trebuie să se dispună şi de un echipament eficient de curăţire mecanică.



5

Cea mai frecvent întâlnită sare solubilă în timpul forajului este sarea gemă (NaCl), care poate fi sub formă de masiv de sare, intercalată cu strate argiloase, în apele subterane şi chiar în unii aditivi impuri (CMC-ul tehnic).

Figura prezintă influenţa sării asupra bentonitei prehidra-tate (curbele notate cu indicele 1) şi asupra bento-nitei în stare uscată, intro-dusă în soluţii cu diverse concentraţii de sare (curbe-le notate cu indicele 2).

Contaminarea cu sarea gemă(NaCl)

ha2

ha1

V f1

V f2

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Concentraţia, g NaCl / 100 cm3 apă

Vis

cozi

tate

a ap

aren

tă h

a, m

Pa.

s

0

20

40

60

80

100

120

Vol

umul

de

filtr

at A

PI

V F ,

cm3

Bentonită uscată

Bentonită prehidratată



6

Pentru prima situaţie, se remarcă la procentele mici de sare (între 1…3 g NaCl/100cm3 apă) o creştere exagerată a viscozităţii şi gelaţiei. Acest lucru este explicat astfel: creşte numărul de ioni de sodiu din sistem, o parte dintre ei se apropie de suprafaţa plăcuţelor de argilă, mai aproape decât cationul iniţial asociat acesteia, se micşorează sarcina negativă a foiţei elementare de argilă şi se reduc forţele de respingere între ele. Se dă astfel posibilitatea ca foiţele elementare de argilă să floculeze (muchie la muchie sau muchie la faţă) sau să coaguleze în agregate mai mari, care se deplasează mai greu decât foiţele individuale de argilă, ceea ce se manifestă printr-o viscozitate şi gelaţie mărită. În plus, odată ce plăcuţele elementare de argilă nu se mai află în starea lor iniţială pentru a putea înfunda porii turtei de colmatare, se va produce şi o creştere uşoară a filtratului.

La concentraţii mai mari de sare, sarcinile negative de pe suprafeţele foiţelor de argilă sunt neutralizate şi ele se unesc în pachete, având loc agregarea acestora. Se reduce astfel tensiunea dinamică de forfecare şi pe seama ei are loc şi reducerea viscozităţii aparente, care atinge un minim la 5…10 g NaCl/100 cm3. Apa fiind eliberată în urma acestui proces de agregare a plăcuţelor elementare de argilă, se va produce şi o creştere semnificativă a vitezei de filtrare.



7

La concentraţiile şi mai mari de sare (între 15…25g NaCl/100cm3), însuşi agregatele sunt floculate, ceea ce conduce din nou la creşterea viscozităţii aparente. Spre saturaţie (30g/100cm3), datorită procesului avansat de coagulare electrolitică, viscozitatea are tendinţă de scădere, iar filtratul atinge valori excesiv de mari, datorită apei separată în sistem.

O altă proprietate care se modifică este pH-ul. Deşi H+ este cationul care se adsoarbe cel mai puternic, la contaminarea cu clorură de sodiu, pH-ul scade uşor, deoarece cationii de Na+, aflaţi în concentraţie mai mare, îi înlocuiesc pe cei de H+, care trec în soluţie.

Din grafic, se mai poate remarca modul diferit în acţiunea clorurii de sodiu, asupra bentonitei sodice, după cum ea este hidratată sau nu în momentul contaminării cu sare. Până la o concentraţie de 1%, are loc hidratarea şi dispersia bentonitei uscate, iar filtrarea nu creşte într-un mod pronunţat. Dincolo de această limită, bentonita sodică devine fără valoare pentru funcţiile ei obişnuite şi rămâne inhibitată (nu se ionizează, nu se hidratează şi nu se dispersează).



8

În ceea ce priveşte comportarea noroaielor naturale la contaminarea cu procente diferite de sare, ştiut fiind că sarea nu poate fi precipitată, se pot face următoarele recomandări, pentru combaterea efectelor ei nefavorabile:

la contaminările uşoare şi de scurtă durată, se recurge la diluare cu apă şi adaos de bentonită prehidratată (pentru a menţine noroiul dulce, adică sub 1 % NaCl), eventual barită, pentru menţinerea densităţii şi mici cantităţi de antifiltranţi (amidon, CMC);

la contaminările cu peste 15 % NaCl, când trebuie corectată viscozitatea, se apelează la adaos de fluidizanţi (defloculanţi) şi reactivi cu efect mixt (fluidizanţi şi antifiltranţi), dar trebuie ţinut seamă că efectul lor scade la creşterea concentraţiei de sare;

la contaminările cu 30 % NaCl (intense şi de lungă durată) se impune corectarea filtratului cu adaos de reactivi antifiltranţi, trecerea la un noroi sărat saturat sau alte noroaie speciale, rezistente la contaminările cu săruri solubile.



9

Contaminarea cu ioni de calciu

Figura prezintă comportarea în prezenţa ionilor contaminanţi de Ca2+ a unei so-luţii diluate de bentonită sodi-că prehidratată şi bentonită uscată intro-dusă în apă cu diferite con-centraţii de clo-rură de calciu

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Concentraţia, g Ca+/100 cm3 apă

Vis

cozi

tate

a ap

aren

tă h

a, m

Pa.

s

0

25

50

75

100

125

150

175

Vol

umul

de

filtr

at A

PI

V f, c

m3

Bentonită prehidratată

Bentonită uscată

V f2

V f1

ha1

ha2

Ionii de Ca2+ pot proveni din stratele de gips (CaSO4.2H2O) şi anhidrit (CaSO4), care se întâlnesc în timpul forajului sub formă de pachete groase sau intercalaţii, prezenţa lor în natură fiind destul de mare (sunt puţine zone în lume unde nu se forează în gips sau anhidrit).



10

Viscozitatea aparentă se modifică după o curbă asemănătoare cu cea de la contaminarea cu sare, dar atinge o valoare maximă la o concentraţie mult mai mică (0,03g Ca2+/100cm3 apă).

La concentraţii mai mari, înseşi particulele de argilă sunt agregate, viscozitatea aparentă scade semnificativ şi rămâne la valori reduse. În ceea ce priveşte viteza de filtrare, datorită proceselor de floculare şi agregare (complicate de schimbul cationic prin care Ca2+ substituie Na+) mult mai pronunţate, foiţele elementare de bentonită calcică sunt strâns legate, se eliberează o cantitate însemnată de apă şi viteza de filtrare creşte considerabil. Schimbul de bază care are loc între ionii de calciu şi cei de sodiu influenţează modul de comportare a sistemului. Astfel, tensiunea dinamică de forfecare atinge o valoare maximă la concentraţii de Ca2+ care corespund la aproximativ 60% din capacitatea de schimb cationic a argilei, iar la 85% din această capacitate, tensiunea dinamică de forfecare scade la o valoare minimă.



11

Viscozitatea aparentă se modifică după o curbă asemănătoare cu cea de la contaminarea cu sare, dar atinge o valoare maximă la o concentraţie mult mai mică (0,03g Ca2+/100cm3 apă).

La concentraţii mai mari, înseşi particulele de argilă sunt agregate, viscozitatea aparentă scade semnificativ şi rămâne la valori reduse. În ceea ce priveşte viteza de filtrare, datorită proceselor de floculare şi agregare (complicate de schimbul cationic prin care Ca2+ substituie Na+) mult mai pronunţate, foiţele elementare de bentonită calcică sunt strâns legate, se eliberează o cantitate însemnată de apă şi viteza de filtrare creşte considerabil. Schimbul de bază care are loc între ionii de calciu şi cei de sodiu influenţează modul de comportare a sistemului. Astfel, tensiunea dinamică de forfecare atinge o valoare maximă la concentraţii de Ca2+ care corespund la aproximativ 60% din capacitatea de schimb cationic a argilei, iar la 85% din această capacitate, tensiunea dinamică de forfecare scade la o valoare minimă.

Pentru concentraţiile mai mari de argilă, la fel ca şi în cazul sării geme, viscozitatea rămâne la valori ridicate, ca urmare a apropierii particulelor şi interacţiunii dintre stratele dublu electrice. De asemenea, datorită schimbului cationic dintre Ca2+ şi H+, are loc şi o uşoară scădere a pH- ului.



12

În mod practic, prima indicaţie a contaminării unui noroi natural cu gips sau anhidrit este creşterea viscozităţii şi a gelaţiei. Totuşi, pentru identificarea corectă a tipului de contaminant trebuie efectuate şi alte teste cantitative, cum sunt:

stabilirea concentraţiei de calciu în filtrat (trebuie să arate o creştere semnificativă);

scăderea valorii pH- ului; prezenţa în detritus a unor resturi albe de mineral (datorită

solubilităţii limitate a gipsului şi anhidritului). La contaminările uşoare şi de scurtă durată cu săruri solubile de calciu

(până în 50mg Ca2+/l filtrat) se procedează la precipitarea calciului şi mici adaosuri de fluidizanţi (tananţi, lignosulfonaţi) şi antifiltranţi (CMC, poliacrilaţi etc.). Pentru precipitarea şi îndepărtarea calciului se poate folosi soda calcinată (Na2CO3) şi carbonatul de bariu (BaCO3), care acţionează conform reacţiilor:

CaSO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + CaCO3

CaSO4 + BaCO3 = BaSO4 + CaCO3.



13

Din practică, se ştie că 1kg de sodă calcinată precipită 1,283kg sulfat de calciu, iar 1kg de carbonat de bariu precipită numai 0,691kg sulfat de calciu, din acest punct de vedere fiind de preferat soda calcinată. Totuşi, în urma reacţiei cu soda calcinată are loc o creştere a pH- ului noroiului (peste 11,5), rămâne în filtrat sulfatul de sodiu, care, fiind o sare solubilă, contribuie suplimentar la creşterea viscozităţii şi gelaţiei; sunt necesare tratamente suplimentare pentru corectarea lor; în schimb, la folosirea carbonatului de bariu ambii produşi ai reacţiei sunt insolubili şi precipită, fără a modifica proprietăţile de bază ale noroiului (există însă şi aici o limitare, tratamentul cu BaCO3 nu dă rezultate dacă noroiul a fost condiţionat cu hexametafosfat).

Dacă au loc contaminări intense şi de lungă durată (traversarea unor strate groase de anhidrit sau gips), tratamentele devin ineficiente şi neeconomice, soluţia practică fiind aceea de transformare a fluidului din sondă, în noroi pe bază de gips sau var.

Contaminarea cu calciu mai poate apărea în timpul operaţiilor de cimentare sau la frezarea unor dopuri de ciment insuficient întărite (apar în sistem ioni de Ca2+ şi gruparea OH-).



14

Măsurile practice care se iau sunt de precipitare a ionilor de calciu şi reducerea pH- ului. Precipitarea ionului de calciu se face cu bicarbonat de sodiu, 1kg NaHCO3 intrând în reacţie cu 0,915kg hidroxid de calciu sau cu 1,1kg ciment, conform reacţiilor:

Ca(OH)2 + NaHCO3 = CaCO3 + NaOH + H2O

NaOH + NaHCO3 = Na2CO3 + H2O.

Tratamentul este eficient numai dacă, în momentul frezării dopului de ciment, pH- ul noroiului este cel puţin de 8,3 (contaminarea cu hidroxidul de calciu din ciment este de aşa natură, încât bicarbonatul de sodiu îl va precipita). Altfel, calciul existent sub formă de sulfat sau legat de alţi radicali acizi, va rămâne în soluţie, provocând o gelaţie şi filtrare mare, iar tratamentul cu bicarbonat este ineficient.



15

Pătrunderea gazelor într-un fluid de foraj poate conduce la scăderea densităţii, creşterea viscozităţii plastice şi aparente, degradarea noroiului.

Gazele pot proveni din: formaţiunile traversate (hidrocarburi, CO2, H2S); atmosferă, prin spumare (aer); noroi, prin degradarea termică, chimică sau bacteriană a unor

aditivi.Gazeificarea unui noroi de foraj constituie întodeauna un inconvenient şi

primele semne ale acesteia sunt creşterea nivelului la habe sau creşterea debitului la derivaţie.

Pătrunderea gazelor în sondă este mult diminuată prin reglarea corespunzătoare a densităţii noroiului, prin scăderea gelaţiei la un minimum acceptabil, prin utilizarea degazeificatoarelor în sistemul de circulaţie de la suprafaţă.

Contaminarea provocată de gaze



16

Hidrogenul sulfurat, care are şi un miros specific, este la fel de toxic în fluidele pe bază de apă, cât şi în cele pe bază de ţiţei (datorită solubilităţii H2S în ţiţei). Prezenţa lui, datorită faptului că este un gaz acid, conduce la scăderea rapidă a pH- ului. În scopul limitării pericolului prezentat de acest gaz, pH- ul fluidului trebuie ridicat la valori de 11…12, prin adăugarea de sodă caustică sau var, iar în alte situaţii, hidrogenul sulfurat se poate precipita cu magnetit spongios.

La creşterea temperaturii, se micşorează viscozitatea fazei lichide din noroi, dar se intensifică hidratarea şi umflarea argilelor, sunt accelerate reacţiile chimice dintre aditivi şi particulele argiloase, unele substanţe îşi pierd eficacitatea iar altele se degradează ireversibil, se modifică solubilitatea sărurilor etc.

S-a constatat că până la 120…1500C, scăderea viscozităţii apei în sistemele apă-argilă are un rol determinant în comportarea lor reologico-coloidală; viscozitatea plastică şi tensiunea dinamică de forfecare scad, iar viteza de filtrare creşte semnificativ. La temperaturi şi mai mari, datorită fenomenului de coagulare termică a particulelor argiloase, viscozitatea şi gelaţia cresc brusc. Pentru a ridica pragul de coagulare se pot folosi humaţi, lignosulfonaţi, poliacrilamidă, diverşi poliacrilaţi, stabilizatori termici de tipul cromaţi şi dicromaţi de sodiu sau potasiu.

Influenţa temperaturii



17

4. Noroaie tratateCând se traversează roci argiloase care se dispersează ori se umflă, roci solubile,

strate productive sau când argila de preparare nu asigură proprietăţile structurale dorite, acestea se tratează cu cantităţi reduse de fluidizanţi (de tipul fosfaţilor complecşi şi humaţilor de sodiu în prezenţa sodei caustice), reducători de filtrare, stabilizatori de temperatură etc., devenind noroaie tratate (sunt noroaie dulci, dispersate, la care se corectează unele proprietăţi în sensul dorit).

Noroaie tratate cu CMC

Pentru forajul de mică şi medie adâncime, prin formaţiuni nisipoase sau calcaroase şi slab consolidate, unde este necesar un fluid cu proprietăţi reologice ridicate şi un filtrat scăzut, se poate utiliza un fluid care se prepară dintr-o soluţie diluată de bentonită (bentonită cu randament mare, care să permită obţinerea unei densităţi iniţiale de 1040…1060kg/m3), la care se adaugă 1…10kg/m3 CMC de mare viscozitate, pentru a realiza un filtrat mic (Vf < 5 cm3) şi o viscozitate aparentă mare (VM = 60…70 s).



18

Noroaie tratate cu fluidizanţi şi sodă caustică În cazul traversării unor intercalaţii argiloase, care produc contaminări uşoare şi

de scurtă durată cu material argilos, se pot folosi tratamente simple cu fluidizanţi din grupa fosfaţilor, tananţilor sau humaţilor, pentru controlul proprietăţilor reologice. Tratamentul se face în asociaţie cu NaOH, pentru a îmbunătăţi dispersarea materialului argilos şi a asigura pH- ul la care fluidizanţii au eficienţă maximă.

Totuşi, eficienţa fluidizanţilor scade simţitor, dacă creşte prea mult cantitatea de argilă înglobată sub formă de detritus (se foloseşte expresia de otrăvire a noroiului). Se impune diluarea cu apă (pentru a reduce conţinutul de argilă din noroiul de bază) şi un sistem de curăţire la suprafaţă cât mai eficient. Doza optimă de reactiv fluidizant se consideră cea la care, dublând procentul de reactiv, nu se mai obţine nici un efect de scădere a viscozităţii.

Dacă se traversează intercalaţii de argile foarte hidratabile şi dispersabile, noroiul răspunde la tratamentul cu hexametafosfaţi şi un conţinut redus de sodă caustică (la adâncimi până în 2000 m, ştiut fiind că la temperaturi mai mari de 600C, HMF se transformă în ortofosfat inert).

La adâncimi mai mari, datorită termostabilităţii mai ridicate, se pot folosi tananţii şi humaţii, care au efecte favorabile şi asupra capacităţii de filtrare a noroiului. De asemenea, la traversarea argilelor slab coloidale, se poate folosi în prezenţa lor, un tratament cu NaOH în exces.



19

Noroaie tratate cu FCLS şi sodă caustică

Atunci când încă nu se impune trecerea la un fluid de foraj inhibitiv, se poate opta pentru tratarea noroiului din sondă cu FCLS, în prezenţa sodei caustice, pentru a-i menţine proprietăţile în limite acceptabile. Datorită compoziţiei sale chimice, structurii moleculare tridimensionale şi prezenţei cationilor trivalenţi de Fe şi Cr, acţiunea FCLS asupra noroiului natural este complexă şi evidenţiată prin:

fluidizarea puternică, în special în cazul noroaielor contaminate cu electroliţi şi la temperaturi ridicate;

protejarea particulei elementare de bentonită de acţiunea altor contaminanţi;

inhibă hidratarea şi dispersarea argilelor din pereţii sondei dar şi a celor pătrunse în noroi;

îmbunătăţeşte proprietăţile filtrante ale noroiului de bază.După caz, cantităţile de FCLS utilizate sunt între 20…60kg/m3 noroi, în

prezenţa sodei caustice, care să asigure un pH = 9,5…11, domeniu în care reactivul are eficienţă maximă. Pentru evitarea spumării pe care o produce FCLS, noroiul se tratează suplimentar cu 1…3% antispumant.



20

Fluide pe bază de Spersene

Aceste sisteme de fluide sunt cele mai folosite în foraj. Produsul Spersene este un cromlignosulfonat care se utilizează în toate fluidele pe bază de apă ca defloculant, inhibitor, reducător de gelaţie, stabilizator de temperatură şi agent de control al filtrării.

Spersene poate fi folosit în fluide pe bază de apă de mare, saramură, precum şi în sistemele pe bază de var, gips sau potasiu. Folosit în concentraţii adecvate este un bun inhibitor pentru solidele argiloase săpate.

Având o compoziţie acidă, produsul Spersene necesită pentru solubilizare un mediu alcalin, de aceea se adaugă în sistem sodă caustică sau var, pentru a crea un pH = 9,0…11,5. Fluidele preparate cu acest lignosulfonat au un grad ridicat de rezistenţă la contaminările chimice şi cu solide.



21

7. Fluide de foraj inhibitive

Fluide de foraj inhibitive

1.-Fluide inhibitive pe bază de ioni de K

2.-Fluide pe bază de sare (NaCl)

Fluide sărate nesaturate

Fluide preparate cu apă de mare

Fluide sărate saturate

3.-Fluidele inhibitive pe bază de calciu

Noroiul cu var


22

1.-Fluide inhibitive pe bază de ioni de KFluidele din această categorie au la bază tot sistemul apă-argilă, dar rolul

principal în asigurarea stabilităţii sistemului şi imprimarea unui puternic caracter inhibitiv mediului apos este îndeplinit de adaosul de electroliţi, polimeri de protecţie, substanţe tensioactive, anumiţi fluidizanţi, substanţe hidrofobizante etc.

Fluidele de foraj inhibitive previn sau întârzie hidratarea, umflarea şi dispersarea rocilor argiloase şi în acelaşi timp prezintă inerţie mare la contaminanţii clasici de tipul argilelor, electroliţilor şi temperaturilor ridicate. Se folosesc la traversarea intervalelor groase de marne şi argile sensibile la apă, pentru reducerea dificultăţilor de foraj generate de contactul rocă-fluid (învâscoşarea noroiului, aglomerări de detritus, instabilitatea pereţilor găurii de sondă), la deschiderea stratelor productive cu intercalaţii argiloase (murdare).

Acestea sunt cunoscute şi sub denumirea K-plus şi s-au dovedit a fi cele mai inhibitive noroaie din seria fluidelor pe bază de apă şi argilă.



23

Mecanismul prin care ionul de potasiu previne hidratarea şi/sau dispersarea solidelor argiloase se explică prin faptul că ionul de K+ intră în schimb cationic cu ionii de Na+ şi Ca+ de pe suprafaţa particulelor de argilă, el înscriindu-se (încastrarea ionului K+) aproape perfect în golurile hexagonale ale tetraedrilor de siliciu şi oxigen de la suprafaţa plăcuţelor de bentonită.

De asemenea, ionul de potasiu este fixat de argilă cu o energie de legătură mult mai mare decât alţi cationi schimbabili, ceea ce imprimă o mai mare rigiditate argilei, împiedicând astfel hidratarea şi dispersarea agregatelor argiloase. Concentraţia de potasiu în noroi trebuie să fie cu atât mai mare cu cât argilele traversate sunt mai hidratabile şi mai dispersabile (concentraţia variază între 30 ... 200kg/m3). Noroaiele pe bază de potasiu au un conţinut mare de apă liberă şi o viteză de filtrare mărită, de aceea este necesar un antifiltrant, de obicei un polimer cu acţiune inhibantă.

La varianta cu clorură de potasiu, denumit INHIB-KCl, inhibul este un amestec de lignosulfonaţi, humaţi şi dicromaţi, care amplifică efectul inhibant al ionului de potasiu şi astfel:

– se previne dispersarea detritusului argilos (prin adsorbţie la suprafaţa acestuia); – scade viscozitatea şi gelaţia, datorită fixării pe particulele elementare de argilă,

reducând forţele de atracţie dintre acestea;– scade filtratul fluidului de foraj prin impermeabilizarea turtei de colmatare;– creşte stabilitatea termică până la 180 ... 200oC .



24

La prepararea unui astfel de fluid se pleacă de la o soluţie diluată de argilă bentonitică prehidratată (n =1040...1060kg/m3) la care se adaugă:

30...60kg/m3 INHIB; 30...200kg/m3 KCl; 3...5kg/m3 NaOH pentru a menţine pH-ul sistemului între 9,5...11; un coloid organic (5...20kg/m3 carboximetilceluloză); o substanţă tensioactivă neionică pentru reducerea tensiunii interfaciale

(5...20kg/m3 EGOP-glicoli oxipropilaţi); un antispumant (CSF-1,5...2kg/m3) şi motorină (20...30 l/m3) pentru îmbunătăţirea proprietăţilor de filtrare şi

lubrifiere. Aceleaşi substanţe se adaugă şi pentru întreţinerea noroiului, iar la

fiecare metru forat se adaugă 1...2kg KCl, pentru că în filtrat trebuie să existe permanent un exces de ioni de K+ (minimum 30kg/m3 KCl).

Caracterul puternic inhibitiv al acestui noroi îl recomandă ca un bun fluid de foraj pentru deschiderea stratelor productive care conţin fracţiuni argiloase, fiind în acelaşi timp rezistent la contaminarea cu sare, gips, anhidrit.



25

2.-Fluide pe bază de sare (NaCl)Fluidele cu clorură de sodiu au capacitate de inhibare, prin efectul lor

floculant şi de agregare. Fluidele sărate sunt cele care au peste 1gNaCl/100cm3 filtrat.Ele se pot forma:

– prin contaminarea noroaielor dulci cu sarea dizolvată din rocile traversate sau cu apa pătrunsă din strate în sondă,

– prin utilizarea apei de mare – prin adăugarea intenţionată a sării.

Capacitatea inhibitivă a fluidelor pe bază de sare este în funcţie de concentraţia de NaCl şi prezenţa fluidizanţilor defloculanţi.

Dar, acestea sunt corozive, spumează, afectează carotajul electric de rezistivitate, iar sarea diminuează efectul aditivilor fluidizanţi, antifiltranţi şi emulsionanţi.

Iniţial, fluidele cu NaCl s-au folosit la traversarea prin foraj a pachetelor groase de sare şi argilă, dar în timp s-a constatat că noroaiele sărate au o bună capacitate inhibitivă pentru multe categorii de argile întâlnite în timpul forajului.



26

Fluide sărate nesaturate

Însuşirile inhibitive ale acestor noroaie se explică prin prezenţa electrolitului în filtrat, care împiedică astfel ionizarea, hidratarea şi umflarea mineralelor bentonitice din rocile argiloase cu care sunt în contact. În practica forării sondelor, fluidele cu NaCl se prepară în urmatoarele variante:

– fluide sărate nesaturate (1...5% NaCl), – fluide cu apă de mare,– fluide sărate-saturate.

Acestea se folosesc atunci când contaminarea cu sare este moderată, dar prelungită, respectiv la traversarea intercalaţiilor subţiri de sare, a breciilor de sare şi a viiturilor de apă sărată.

Prin împrospătarea noroiului din sondă cu soluţie diluată de bentonită se menţine concentraţia sub 5…10g NaCl/100cm3 filtrat, adică în domeniul viscozităţilor reduse.

Pentru a micşora viscozitatea şi efectul de hidratare a intercalaţiilor de argilă, se adaugă la fiecare m3 de noroi: FCLS 10…30kg; amidon sau CMC 10 … 30kg; extract bazic de lignit 10 … 25kg; NaOH 4 … 6kg, pentru a ridica pH–ul peste 9 şi a activa acţiunea FCLS.



27

Fluide preparate cu apă de mareAcestea sunt folosite – din motive economice – la forajul în largul mării.La prepararea noroiului se foloseşte bentonită prehidratată în apă dulce

sau attapulgit.Pentru reglarea celorlalte proprietăţi, se utilizează ca aditivi suplimentari

la fiecare metru cub de noroi: FCLS 5…10kg; CMC sau amidon 5…10kg; extract bazic de lignit 10…20kg; iar la temperaturi ridicate se adaugă cromlignit (CL) sau cromlignosulfonat 3…5kg.

Fluide sărate saturate

Acestea se utilizează la traversarea pachetelor groase de sare, pentru a preveni ocnirea găurii de sondă.

Fie se transformă noroiul dulce (sau nesaturat) existent în sondă, fie se prepară un noroi sărat din bentonită prehidratată sau attapulgit (50…70kg/m3). Solubilitatea sării la 200C este de 31,68g/100cm3 filtrat şi ea creşte uşor cu temperatura, atingând 32,76g/100cm3 filtrat la 1000C.

Având în vedere viscozităţile mari ce apar la concentraţiile mici (1…3g/100cm3), transformarea noroiului dulce în noroi sărat se execută în tranşe limitate, eventual în habe.



28

Noroaiele sărate au viteză mare de filtrare. Dacă se traversează şi alte formaţiuni în afara sării, noroiul se tratează cu:

amidon 10…30kg/m3; CMC 10…20kg/m3; FCLS 10…30kg/m3; cromlignit 5…10kg/m3; humat de sodiu 10…25kg/m3; NaOH 3…5kg/m3, pentru a creşte pH- ul.

Apa sărată saturată are densitatea de 1200kg/m3, de aceea, pentru creşterea densităţii la valori mai mari, se adaugă barită.

La densităţi mari, noroaiele sărate sunt vâscoase, eficacitatea fluidizanţilor este redusă, iar întreţinerea acestor noroaie este dificilă şi costisitoare. Uneori, la adâncimi mari, se recomandă trecerea la emulsii inverse.

Trebuie remarcat faptul că tratarea noroaielor sărate cu FCLS îmbunătăţeşte capacitatea lor inhibitivă, deoarece reactivul se adsoarbe cu gruparea hidrofilă către argilă, producând hidrofobizarea acesteia.



29

3.-Fluidele inhibitive pe bază de calciuFluidele inhibitive pe bază de calciu se prepară în diverse variante:

fluide cu var, cu gips, cu clorură de calciu, cu humat de calciu şi combinaţii ale acestora,

dar sunt mai puţin inhibitive decât cele cu potasiu.

Prepararea acestora are la bază schimbul cationic şi anume transformarea bentonitelor sodice în bentonite calcice, faza argilosă fiind transformată în mare masură într-un component mai mult sau mai puţin inert, care posedă un minim de proprietăţi liofile şi de agregativitate (deoarece procesul de hidrofobizare a particulelor argiloase poate fi dirijat după dorinţă, fluidele se mai numesc fluide cu floculare controlată).



30

0

200

400

600

800

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Conţinutul de NaOH, kg/m3

Con

ţinut

ul d

e C

a++ în

sol

uţie

, mg/

l

70 oC

50 oC

20 oC

Influenţa concentraţiei NaOH din soluţie asupra solubilităţii Ca(OH)2

Cu cît creşte procentul de NaOH din soluţie, cu atît se reducese reduce solubilitatea electrolitului, respectiv concentraţia de ioni de Ca+2 din soluţie.



31

Influenţa concentraţiei ionului de Na din soluţie (în cazul concentraţiei însumate de Na+ şi Ca2+ egală cu 100mg echiv/l) asupra concentraţiei de Na+ din complexul de schimb argilos.

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100

Concentraţia Na+ în soluţie, %

Con

cent

raţia

Na+ în

arg

ilă, %

Indiferent de gradul de floculare a argilelor din noroiul iniţial, noroiul final trebuie să conţină în faza continuă o cantitate însemnată de ioni de Ca2+.

Excesul de Ca2+ previne învâscoşarea ulterioară a fluidului cu argilele pătrunse ca detritus, permite transportarea lor la suprafaţă în agregate mari, o mai bună curăţire a noroiului, precum şi transformarea argilelor sodice din pereţii găurii de sondă în argile calcice (prin formarea unei cruste rezistente, mai puţin hidratabilă şi care asigură o stabilitate mai bună pereţilor sondei).



32

Concentraţia de argilă sodică rămasă netransformată este funcţie de concentraţia relativă de ioni de calciu şi sodiu din apa liberă a sistemului.

In noroiul iniţial, tratat în prealabil cu NaOH se poate introduce sare solubilă de calciu în exces, deoarece numai o parte din aceasta se va solubiliza (atât cât îi permite concentraţia de Ca2+ din apa liberă), surplusul de sare de calciu constituind o rezervă ce se va consuma numai pe măsură ce noi cantităţi de argilă sodică pătrund ca detritus în fluid. În acest mod, noroiul îşi păstrează timp îndelungat proprietăţile reologice şi are capacitate de autoreglare.

Noroiul cu var

Este o primă variantă a fluidelor pe bază de calciu, care s-a folosit în practică, concentraţia optimă a ionilor de calciu din filtrat situându-se între 100...200mg/l şi un pH = 10,5…11.

Se prepară dintr-o argilă cu randament ridicat (soluţie diluată de bentonită cu densitatea 1050kg/m3) la care se adaugă: un fluidizant clasic (FCLS sau lignosulfonat de calciu), în cantităţi de 8...15kg/m3, NaOH 5...10kg/m3, oxid de calciu 10...20kg/m3 şi un antifiltrat, cum este CMC-ul 10...30kg/m3.



33

Influenţa concentraţiei de Ca2+ din filtrat asupra noroiului tratat în prealabil cu fluidizant şi sodă caustică.

Pentru întreţinerea noroiului cu var s-a pus în evidenţă influenţa concentraţiei de Ca2+ din filtrat asupra noroiului tratat în prealabil cu fluidizant şi sodă caustică.

Se poate vedea că fluidul are o viscozitate minimă atunci când concentraţia de Ca2+ din filtrat se află între 100…200 mg/l.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300 350

Conţinutul de Ca++ în filtrat, mg/l

Vis

cozi

tate

a ap

aren

tă, c

P



34

Creşterea viscozităţii noroiului, concomitent cu reducerea conţinutului de Ca2+ din filtrat, indică o contaminare intensă a acestuia cu argile sodice, care au consumat rezerva de hidroxid de calciu din sistem şi chiar o parte din Ca2+ din filtrat. În aceste condiţii, hidratarea, dispersarea şi înglobarea detritusului argilos se face intens, având ca rezultat învâscoşarea noroiului. Se recomandă în acest caz adaos de lapte de var, pentru a reface concentraţia de Ca2+ din apa liberă a noroiului şi excesul de Ca(OH)2 din noroi, necesar autoreglării.

Porţiunea din dreapta, a curbei prezentată în figura anterioara, care indică o creştere a viscozităţii, dar şi a concentraţiei de Ca2+ din filtrat (peste limita de 200mg/l), denotă o reducere a conţinutului de sodă caustică din noroi (o scădere şi a pH- ului sub valoarea optimă), sodă care controlează solubilitatea hidroxidului de calciu. Pentru a readuce viscozitatea în zona de minim, se impune un tratament cu sodă caustică şi fluidizant.

NaOH are triplu rol în noroiul cu var: controlează procentul de argilă sodică rămasă netransformată, controlează solubilitatea varului, reglează pH-ul la care fluidizantul are eficienţă maximă.



35

Varul: transformă argila sodică în argilă calcică şi fluidizează noroiul de bază, asigură concentraţia de ioni de calciu din apa liberă în scopul imprimării

caracterului inhibitiv, asigură o rezervă tampon, care imprimă noroiului capacitate de

autoreglare.Noroiul cu var suportă contaminări cu argilă, cu ciment, cu gips (până la 1%)

şi cu NaCl (până la 5%), dar la temperaturi mai mari de 120oC poate atinge gelaţii excesive, mai ales după perioade îndelungate de repaus (varul, cu silicaţii şi aluminaţii din argilă, formează componenţi asemănători cu cei din piatra de ciment, de tipul hidrosilicaţi şi hidroaluminaţi, care au o rezistenţă mecanică semnificativ de mare).

La adâncimi şi temperaturi mari noroiul cu var prezintă o gelaţie puternică, dar pentru a putea folosi avantajele acestor noroaie inhibitive cu cationi divalenţi s-au preparat noroaiele cu gips:

soluţie diluată de bentonită (n=1060kg/m3), 10...15kg/m3 gips, anhidrit sau alabastru, care realizează o concentraţie mai mare de

ioni de calciu în filtrat, respectiv 400...800mg/l, 1...5kg/m3 NaOH (pentru reglarea pH-ului între 9...10,5), 10...30kg/m3 FCLS şi 5...15kg/m3 CMC.


Curs 5+6_Proprietatile Fluidelor de Foraj_

Documents

Transcript of Curs 5+6_Proprietatile Fluidelor de Foraj_