Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

34
Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă 1 4. Floculanţi În sistemele pe bază de apă şi argilă, dacă se introduce un electrolit, la o anumită concentraţie, numită prag de floculare (coagulare), particulele de argilă se apropie între între ele suficient de mult pentru ca forţele de atracţie să le aglomereze. Procesul de floculare a particulelor de argilă pătrunse în fluidul de foraj permite eliminarea lor mai uşor în sistemul de curăţire şi menţine scăzut conţinutul de particule solide. Acest proces de floculare este util în limpezirea soluţiilor de electroliţi din habe (particulele argiloase se depun) sau pentru limpezirea apei. Sunt folosiţi pentru rolul lor floculant: poliacrilamida nehidrolizată ori cea slab hidrolizată, poliacrilatul de sodiu, numeroşi copolimeri acrilici, copolimerul anhidridă maleică-acetat de vinil, unele răşini şi uneori lignosulfonaţii. În general, concentraţiile sunt reduse (între 0,1…1 kg/m3), pentru că, la valori mai mari, efectul se poate inversa. 5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

description

curs

Transcript of Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Page 1: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

1

4. Floculanţi

În sistemele pe bază de apă şi argilă, dacă se introduce un electrolit, la o anumită concentraţie, numită prag de floculare (coagulare), particulele de argilă se apropie între între ele suficient de mult pentru ca forţele de atracţie să le aglomereze. Procesul de floculare a particulelor de argilă pătrunse în fluidul de foraj permite eliminarea lor mai uşor în sistemul de curăţire şi menţine scăzut conţinutul de particule solide. Acest proces de floculare este util în limpezirea soluţiilor de electroliţi din habe (particulele argiloase se depun) sau pentru limpezirea apei.

Sunt folosiţi pentru rolul lor floculant: poliacrilamida nehidrolizată ori cea slab hidrolizată, poliacrilatul de sodiu, numeroşi copolimeri acrilici, copolimerul anhidridă maleică-acetat de vinil, unele răşini şi uneori lignosulfonaţii. În general, concentraţiile sunt reduse (între 0,1…1 kg/m3), pentru că, la valori mai mari, efectul se poate inversa.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 2: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

2

5. Lubrifianţi Utilizarea unor aditivi lubrifianţi, care să reducă momentele de torsiune şi

frecările garniturii de foraj cu pereţii sondei, diminuează fenomenele de prindere ale garniturii (îndeosebi în sondele care se sapă dirijat) şi totodată degajează garnitura de foraj, în cazul survenirii unor astfel de fenomene. Lubrifianţii sunt substanţe care se adsorb pe suprafeţele metalice, îşi menţin proprietăţile la o gamă largă de temperatură, nu sunt solubili în apă sau ţiţei, nu trebuie să aibă efecte nefavorabile asupra celorlalte materiale din sistem sau să modifice proprietăţile de bază ale acestuia.

Se utilizează ca lubrifianţi: praful de grafit, gudroane rămase de la distilarea petrolului sau din industria uleiurilor şi grăsimilor, uleiuri vegetale, asfalt dispersabil în apă, alcooli şi acizi graşi, gilsonit, diverse substanţe tensioactive anionice sau neionice, amine, unii polimeri, petrol brut sau motorină şi chiar majoritatea antifiltranţilor.

Dintre lubrifianţii mai folosiţi pe plan internaţional, dar şi la noi în ţară, se pot preciza: LUBE ,STABIL HOLE ASPHASOL, SALINEX, E.P.LUBE, HOLECOAT.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 3: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

3

6. Antispumanţi Antispumanţii sunt substanţe care reduc tensiunea interfacială

gaz-lichid, gaz-solid, sau înlocuiesc stabilizatorul de pe suprafaţa bulelor de gaz cu o substanţă având o rezistenţă de protecţie mult mai scăzută. Ei favorizează eliminarea gazelor pătrunse din rocile traversate, dar, mai ales, a aerului înglobat în timpul preparării şi tratării cu materiale pulverulente hidrofile sau cu reactivi chimici care spumează (sarea, lignosulfonaţii).

Se folosesc în cantităţi reduse, de 1…10 kg/m3.

Stearatul de aluminiu este un aditiv din categoria agenţilor tensioactivi de suprafaţă. Se mai folosesc: polietilena şi diverse varietăţi de cauciuc, gudroanele, alcoolii şi acizii graşi, glicolii, săpunuri naftenice, parafină oxidată, numeroase substanţe tensioactive.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 4: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

4

7. Inhibitori de coroziune În timpul procesului de foraj, fluidele din sondă au o acţiune corozivă

asupra garniturii de foraj şi a echipamentului prin care circulă. Electroliţii adăugaţi sau proveniţi din rocile traversate, oxigenul, gazele acide (CO2, H2S), substanţele rezultate în urma unor reacţii chimice, degradării termice sau bacteriene imprimă fluidelor de foraj această acţiune corozivă.

Pentru a diminua efectul coroziv al fluidelor se pot alege diverse soluţii. Metoda cea mai comodă o constituie ridicarea pH-ului între 9 şi 11 cu substanţe alcaline (hidroxid de sodiu, potasiu sau calciu, carbonat de sodiu etc.). În mod practic însă, acest lucru nu este totdeauna eficient şi nici recomandabil, deoarece, la temperaturi mari, ionii OH- degradează argilele şi fluidele se învâscoşează.

Câţiva dintre aditivii utilizaţi ca inhibitori de coroziune, se pot aminti (denumirile sunt cele comerciale): ANTICOR O, ANTICOR HS, ACOR-22, CONQOR 202, CONQOR 303-A, UNISTEAM, SULF-X.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 5: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

5

8. Substanţe tensioactive (STA) Produsele tensioactive sunt acei compuşi chimici care se acumulează la

suprafaţa de separare dintre două faze (gaz-lichid, gaz-solid, lichid-solid, lichide imiscibile), reducând tensiunea interfacială. Noţiunea de tensiune interfacială se defineşte ca forţa ce trebuie introdusă tangenţial cu suprafaţa meniscului a două faze nemiscibile, în locul jumătăţii suprimate printr-o secţiune în acesta, pentru a se păstra echilibrul mecanic, prin unitatea de lungime de contur secţionat şi normal pe acesta (se măsoară în N/m). Atunci când meniscul separă lichidul de faza proprie de vapori, tensiunea interfacială este numită tensiune superficială. Valoarea tensiunii interfaciale depinde de natura fazelor în contact, de temperatură, presiune şi curbura suprafeţei de separaţie.

Substanţele tensioactive posedă o grupare hidrofilă (polară) şi una hidrofobă (nepolară), orientarea lor la suprafaţa de separare a două fluide nemiscibile fiind potrivit afinităţii celor două grupări.

La substanţele amfoterice, gruparea hidrofilă se poate încărca pozitiv, negativ sau poate rămâne electroneutră, funcţie de pH-ul sistemului. Se pot aminti unele amine sulfonate sau fosfatate.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 6: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

6

Modul de comportare a substanţelor tensioactive depinde de natura electrică, afinitatea chimică, raportul dintre mărimea celor două grupări. Ele reduc tensiunea superficială a apei, micşorează tensiunea interfacială apă-ulei şi modifică umectabilitatea particulelor solide.

Au aplicaţii foarte diverse:– la deschiderea stratelor productive, pentru a preveni blocarea cu apă

(substanţe tensioactive anionice şi neionice);– lubrifianţi şi agenţi de umectare (neionice);– agenţi de umectare în fluidele pe bază de produse petroliere (cationice,

neionice);– inhibitori de coroziune (anionice şi neionice);– inhibitori de umflare şi dispersare a argilelor (cationice, neionice);– emulsionanţi (neionice, anionice);– antispumanţi (neionice);– fluidizanţi (neionice);– defloculanţi (anionice);– agenţi de spumare şi aerare (anionice şi neionice);– stabilizatori termici (anionice şi neionice).

Ex: TENSROM, AAS-9, AAS-3, RAG-7, EMROM, UMECTOL, OFP-82.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 7: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

7

9. Materiale de blocare Pe intervalele de suprafaţă, problema pierderilor poate fi uneori rezolvată

prin mărirea viscozităţii şi gelaţiei fluidului de foraj, dar, când permeabilitatea rocilor este foarte mare sau există fisuri, se apelează la materialele de blocare.

Acestea sunt adaosuri foarte variate ca natură, formă şi dimensiuni, putând fi grupate astfel:

– materiale de blocare fibroase, unde sunt incluse: azbest, attapulgit, fibre de trestie, paie, deşeuri textile, fibre de sticlă, deşeuri de cauciuc sau piele;

– materiale de blocare granulare, cum ar fi: nisip, zgură, cocs măcinat, calcar sau dolomit măcinate, rumeguş, coji de nucă, perlită expandată;

– materiale de blocare lamelare, de exemplu: fulgi de mică, deşeuri de celofan, deşeuri vegetale, foiţe din material plastic.

Cantităţile de astfel de materiale variază de la 5…10 kg/m3 noroi, pentru prevenire, până la 40…50 kg/m3, pentru combaterea pierderilor.

În unele situaţii sunt adăugate materiale şi amestecuri vâscoase-argilă, motorină-bentonită, motorină-bentonită-ciment, polimeri (HEC, PAA), răşini, silicat de sodiu, var, sau materiale liante, cum este cimentul simplu.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 8: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

8

10. Alţi reactivi anorganici Substanţele anorganice au întrebuinţări dintre cele mai diverse în

prepararea şi controlul proprietăţilor fluidelor de foraj, iar cele mai utilizate dintre acestea sunt:

• Soda caustică (NaOH), hidroxidul de potasiu (KOH), • Soda calcinată (Na2CO3) , bicarbonatul de sodiu (NaHCO3), • Clorura de sodiu (NaCl) • Clorura de calciu (CaCl2) • Clorura de potasiu (KCl)• Varul stins (Ca(OH)2) • Gipsul (CaSO4.2H2O)

• Cromatul de sodiu (Na2CrO4) şi dicromatul de sodiu (Na2Cr4O7.2H2O)

• clorura de zinc, bromura de zinc, bromura de calciu.

5. Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor fluidelor de foraj

Page 9: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

9

6. Sistemul apă-argilă

1. Mineralele argiloase2. Proprietăţile mineralelor argiloase în apă

Capacitatea de schimb ionic Capacitatea de hidratare Capacitatea de umflare şi dispersare Asocierea particulelor de argilă şi formarea de

structuri

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

Noroaie tratate cu CMC Noroaie tratate cu fluidizanţi şi sodă caustică Noroaie tratate cu FCLS şi sodă caustică Fluide pe bază de Spersene

Page 10: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

10

1. Mineralele argiloaseArgilele sunt roci sedimentar-

detritice, cu dimensiunea particulelor componente în domeniul 0,001...0,004mm. Textura este compactă sau cu microstratificaţie.

Roca argiloasă apare în straturi sau bancuri, uneori în complexe de strate, sunt de culoare albă, cenuşie, verde, albastră, brună sau neagră, în diverse nuanţe.

Proprietăţi fizice: porozitatea foarte mare, permeabilitatea foarte mică sau nulă, coeficient de adsorbţie foarte mare, capacitatea de umflare mare, capacitatea de schimb ionic ridicată, plasticitate mare.

6. Sistemul apă argilă

Page 11: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

11

Din punct de vedere chimic, mineralele argiloase sunt aluminosilicaţi hidrataţi, dispuşi în reţele cristaline. Dispunerea spaţială a atomilor, gradul de substituire a atomilor de Si, Al şi Mg cu alţi cationi, natura şi cantitatea de cationi interplanari, determină modul diferit de a se comporta al mineralelor argiloase şi gama foarte diversă pe care o formează.

Majoritatea argilelor au o structură stratificată, formată din folii elementare, care se desfac mai mult sau mai puţin uşor. O unitate elementară este alcătuită din unul sau două strate de tetraedre (T- un atom de siliciu între patru atomi de oxigen), cu o împachetare foarte stabilă, şi unul sau două strate de octaedre (O - un atom de aluminiu în centru şi atomi de oxigen sau hidroxil în colţurile octaedrului), mai puţin stabili, atomul de Al fiind relativ uşor înlocuit cu ioni de Ca, Mg, Na, K, Fe.

Stratele tetraedrice sunt asociate cu cele octaedrice prin legături covalente, de aceea folia elementară este stabilă. Când unitatea elementară de argilă este formată din trei strate, cel octaedric fiind între două strate de tetraedri, acestea sunt unite prin forţe mai slabe, de tipul Van der Waals.

6. Sistemul apă argilă

Page 12: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

12

Mineralele argiloase existente în natură se deosebesc unele de altele prin: tipul combinaţiei planelor tetraedrice/octaedric (1 : 1 sau 2 : 1,

respectiv T-O sau T-O-T); conţinutul în cationi al planului octaedric; sarcinile structurale şi de suprafaţă (datorate reacţiilor ce au

loc la suprafaţa mineralului şi în lungul muchiilor planelor tetraedrice şi octaedrice, substituţiei ionilor sau imperfecţiunilor structurale);

tipul de material interplanar; tipul de aranjament al stratelor şi mărimea ariei suprafeţelor

interne şi externe ale reţelei cristaline (ca rezultat al acestor “întinse” arii de suprafaţă apare o adsorbţie ridicată şi o mai mare reactivitate a argilelor respective);

compoziţia chimică.

6. Sistemul apă argilă

Page 13: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

13

a. Illite (mice hidratate), din care fac parte mineralele: illit, muscovit, celadonit, etc.

Sunt minerale cu structura tristratificată a reţelei (T-O-T) şi cu forţe de legătură relativ puternice între unitaţile elementare, deoarece o parte din Si4+ este înlocuit cu Al3+ , iar acesta este substituit de Mg2+ , Fe3+ sau Fe2+. Sarcinile negative rămase în exces sunt compensate, în general, de K+ , care, având o rază ionică mică, se înscrie în golurile reţelei formate din OH- şi O2- ale tetraedrilor de siliciu şi asigură o împachetare puternică. Ca urmare, apa pătrunde greu printre ele şi capacitatea de hidratare, umflare şi dispersare este mică.

Totuşi, K+ este adeseori înlocuit de Ca2+ , Mg2+ sau Na+ şi illitele devin mult mai hidratabile.

Când sunt întâlnite în timpul forajului, provoacă excavări ale găurii de sondă şi creşterea viscozităţii noroiului.

6. Sistemul apă argilă

Page 14: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

14

b. Smectitele cuprind minerale ca: montmorillonit, beidelit, nontronit, hectorit, saponit şi vermiculit.

Acestea au tot o structură elementară tristratificată (T-O-T), dar au fost substituiţi doar o parte din atomii de Al3+ octaedrici (cu Mg2+, Fe2+, Fe3+), mai puţin cei de siliciu tetraedrici, iar atomii de oxigen de pe suprafaţa exterioară a stratelor tetraedrice a două unitaţi elementare asigură legături stabile între ele. De asemenea, deficitul de sarcină negativă este compensat de diferiţi cationi (Na+, H+, Ca2+, Mg2+), care menţin reţelele cristaline îndepărtate. Apa poate pătrunde astfel cu uşurinţă între ele şi de aceea argilele de acest tip se umflă şi se dispersează mult mai bine decât illitele.

Mineralul cel mai răspândit din această grupă este montmorillonitul (Na,Ca)0,33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2.n.H2O. După natura cationului schimbabil se disting: montmorillonitul de sodiu, montmorillonitul de calciu etc. Montmorillonitul de sodiu este de bază în argilele comerciale, numite bentonite, care sunt folosite la prepararea noroaielor de foraj. El poate fi întâlnit şi în formaţiunile argiloase traversate de sonde.

6. Sistemul apă argilă

Page 15: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

15

c. Cloritele cuprind specii minerale de aluminosilicaţi bogate în magneziu, sunt alcătuite dintr-o alternanţă de strate de tip mică (T-O-T), ca urmare, unitatea elementară posedă un exces de sarcină negativă, care va fi echilibarată de sarcinile pozitive ale startului hidroxilic. Apa pătrunde cu greu printre foiţele elementare, de aceea au o capacitate redusă de schimb cationic şi nu sunt folosite la prepararea fluidelor de foraj.

d. Caolinitele cuprind mineralele: dickit, nacrit, haloisit, endelit, caolinit, ce au foiţa elementară alcătuită dintr-un tetraedru de siliciu şi un octaedru de aluminiu (T-O). Atomii de O2- şi OH- formează strate comune, cu puternice legături de hidrogen între ele, împiedicând pătrunderea apei. Datorită slabelor substituiri în reţea a Al3+ de către Fe2+, caolinitele prezintă o capacitate mică de schimb ionic, se dispersează greu, iar hidratarea şi umflarea sunt reduse.

e. Attapulgitul se întâlneşte rar în natură şi se caracterizează printr-o structură fibroasă (unităţi octaedrice între lanţuri duble de tetraedri), în care unii atomi de aluminiu au fost înlocuiţi cu magneziu, moleculele de apă fiind incluse în interiorul reţelei cristaline. Are o capacitate redusă de schimb cationic şi este puternic dispersabil atât în apă dulce cât şi sărată.

6. Sistemul apă argilă

Page 16: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

16

f. Sepiolitul este o argilă ce se caracterizează tot printr-o structură fibroasă, dar are un conţinut foarte redus de aluminiu (substituit de magneziu). Datorită acestui fapt are o termorezistenţă de până la 4000 C în noroaiele mineralizate. Înlocuirea siliciului tetraedric cu aluminiul îi conferă o capacitate medie de schimb cationic.

g. Minerale argiloase mixte. Aceste minerale sunt formate prin alternarea regulată sau întâmplătoare a foliilor a două sau mai multe tipuri de minerale argiloase.

Mineralele mixte, cu structură neregulată, sunt foarte numeroase, greu de identificat şi separat. Cele mai multe sunt compuse din folii de minerale expandabile (purtătoare de molecule de apă) şi folii de minerale neexpandabile. În multe dintre ele are loc scoaterea parţială a ionului de K sau Mg(OH)2 (mai ales în illite şi clorite) şi adsorbţia incompletă a K sau Mg(OH)2 în reţeaua montmorillonitului sau vermiculitului. Astfel, cel mai abundent mineral argilos mixt întâlnit este illit-montmorillonit (în toate proporţiile posibile), dar şi alte tipuri, cum ar fi: clorit-montmorillonit, illit-clorit-montmorillonit, clorit-vermiculit etc.

6. Sistemul apă argilă

Page 17: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

17

Randament

În practica forajului, pentru a aprecia coloiditatea argilelor se foloseşte metoda de clasificare după aşa-numitul randament, notat R. Prin randament se înţelege cantitatea de noroi, exprimată în m3, cu viscozitatea aparentă de 15 cP, care poate fi preparată dintr-o tonă de argilă prehidratată. Conform acestui criteriu, argilele se împart astfel:

argile bentonitice (R > 14); argile metabentonitice (9 < R < 14); hume bune (3 < R < 9); hume slabe (R < 3).

Se poate remarca faptul că din bentonitele de bună calitate (cele care conţin peste 70 % montmorillonit de sodiu) se obţin cantităţi de 10…20 m3/t, cu proprietăţi structurale şi de colmatare satisfăcătoare la un conţinut redus de particule solide.

6. Sistemul apă argilă

Page 18: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

18

Pentru a mări randamentul unor argile mai slabe, se foloseşte în practică procedeul de activare prin tratamente chimice, care au la bază capacitatea de schimb ionic a argilelor. Astfel, prin adaos de sodă calcinată (Na2CO3), în proporţie de 2…4 %, se transformă bentonita calcică în bentonită sodică, obţinându-se argilă îmbunătăţită sau activată. Se pot prepara şi argile modificate prin tratare cu polimeri (copolimeri acrilici, anhidridă maleică-acetat de vinil), tot pentru a le mări randamentul.

Pentru a putea fi utilizate şi la prepararea fluidelor pe bază de petrol s-au creat argilele organofile, la care s-au înlocuit cationii anorganici cu cationi organici (de obicei amine), devenind astfel dispersabile în hidrocarburi şi capabile să creeze un minim de proprietăţi de agregativitate (proprietăţi structurale) şi de colmatare.

6. Sistemul apă argilă

Page 19: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

19

2. Proprietăţile mineralelor argiloase în apă Capacitatea de schimb ionicPrin înlocuirile care au avut loc la nivelul unităţilor elementare de argilă, în

funcţie de valenţa ionilor de substituţie, acestea prezintă un deficit de sarcină negativă, care este compensat de o serie de cationi (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+, NH4+), ce se adsorb pe suprafaţa plăcuţelor, iar pe muchiile lor se pot fixa atât cationi cât şi anioni (Cl-, SO4

2-, F-).Atunci când o argilă este în soluţie apoasă, cationii mai slab legaţi pot fi

înlocuiţi de alţii cu o afinitate mai mare, fenomen cunoscut sub denumirea de schimb cationic -specific argilelor şi care influenţează hidratarea şi dispersarea lor.

Ionii polivalenţi de Ca2+ îi pot substitui pe cei monovalenţi de Na+, din acest punct de vedere fiind cunoscută următoarea ordine:

H+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+ > Cs+ > Rb+ > NH4+ > K+ > Na+ > Li+ .

Dacă se asigură în soluţie o concentraţie mare de ioni din dreapta seriei, datorită efectului de masă, ionii majoritari îi înlocuiesc pe ceilalţi, chiar dacă aceştia au valenţă mai mare şi sunt mai strîns legaţi la particula elementară de argilă.

6. Sistemul apă argilă

Page 20: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

20

Cunoscând capacitatea de schimb cationic a unui tip de argilă, atunci când numai ea se află într-o soluţie apoasă, se poate stabili concentraţia ei. Dacă în soluţie există un amestec de argile, pentru că ele nu pot fi separate, se măsoară capacitatea totală de schimb cationic.

Capacitatea totală de schimb cationic este mult mai mare la argilele montmorillonitice (chiar şi illite) deoarece 80% din schimbul cationic are loc pe feţele plăcuţelor elementare şi doar 20% pe muchii, spre deosebire de clorite, caolinite, attapulgit unde schimbul cationic se produce mai ales pe muchii.

Stabilitatea sistemului apă-argilă este influenţată şi de schimbul anionic (redus) care se poate produce (Cl-, SO4

2-, CO32-), dar mai ales de natura, valenţa şi

numărul cationilor schimbabili. Astfel, argilele cu o capacitate mare de schimb cationic se hidratează şi se dispersează uşor, formând suspensii stabile chiar şi la concentraţii reduse de argilă în apă. În practică, proprietatea de schimb cationic este folosită pentru a facilita sau, dimpotrivă, pentru a inhiba umflarea şi dispersarea argilelor în apă.

Prin activare cu sodă calcinată, bentonitele calcice se transformă în bentonite sodice, cu un randament mult mai mare, iar prin existenţa unei cantităţi de calciu într-un noroi, bentonitele sodice din pereţii găurii de sondă se transformă în bentonite calcice, mai puţin hidratabile şi dispersabile (pereţii argiloşi ai sondei devin mai stabili, detritusul nu se mai dispersează şi se îndepărtează mai uşor la suprafaţă).

6. Sistemul apă argilă

Page 21: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

21

Capacitatea de hidratare Mineralele argiloase au

proprietatea de a reţine apa prin adsorbţie la reţeaua cristalină (în grade diferite, funcţie de tipul mineralului şi a cationilor prezenţi la reţea), ca şi la suprafaţa particulei şi de a o pierde în anumite condiţii impuse.

În contact cu apa, particulele elementare de argilă se ionizează şi se comportă ca nişte macroanioni, iar cationii de pe suprafaţa unităţilor structurale capătă o oarecare mobilitate şi difuzează în mediul apos.

6. Sistemul apă argilă

Page 22: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

22

Forţele de atracţie electrostatică menţin o concentraţie mai mare de cationi lângă suprafaţa particulei elementare şi o concentraţie redusă de anioni. Pe măsura creşterii distanţei faţă de particulă creşte concentraţia în anioni şi scade cea în cationi, datorită celor două forţe (de difuzie şi atracţie electrostatică) ajungându-se, de fapt, la o stare de echilibru (în masa soluţiei cele două concentraţii devin egale).

Zona formată de cationii imobili, adsorbiţi eventual din mediul apos, poartă numele de strat Stern (stratul fix de adsorbţie) şi el se deplasează odată cu particulele solide, iar zona cationilor difuzaţi, până la distanţa unde concentraţia lor devine egală cu cea a anionilor, constituie stratul difuz. Împreună, cele două strate alcătuiesc stratul dublu electric (unitatea electroneutră poartă numele de micelă. Moleculele de apă, fiind bipolare, se vor orienta atât în jurul ionilor, cât şi către particula elementară de argilă, în acest fel având loc hidratarea ei.

Diferenţa totală dintre potenţialul electric al suprafeţei particulei argiloase şi cel al mediului apos neutru este cunoscută sub numele de potenţial Nernst, mărimea lui fiind independentă de mineralizarea mediului.

6. Sistemul apă argilă

Page 23: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

23

Căderea de potenţial din stratul difuz (între stratul Stern şi mediul neutru) se numeşte potenţial electrocinetic (potenţial zeta ).

Mărimea acestui potenţial creşte cu grosimea stratului difuz şi valoarea lui este influenţată de natura şi concentraţia electroliţilor adăugaţi, gradul de hidratare a ionilor adsorbiţi, temperatură, pH; prin valoarea lui acţionează asupra fenomenelor de hidratare, umflare, dispersare şi asociere a particulelor de argilă.

Când apa este curată, potenţialul al unei argile are valoarea maximă. Scăderea potenţialului electrocinetic sub o valoare critică (numită punct izoelectric), duce la pierderea stabilităţii sistemului apă-argilă.

În cadrul adsorbţiei planare se regăsesc adesea, o hidratare de suprafaţă şi o hidratare osmotică. Hidratarea de suprafaţă se referă la apa adsorbită şi reţinută prin legături de hidrogen la reţeaua cristalină (apă fixă sau nelichidă), iar hidratarea osmotică se referă la apa adsorbită ca urmare a diferenţei de concentraţie a cationilor, mai mare în apropierea suprafeţei plăcuţei elementare de argilă şi influenţată direct de natura şi concentraţia cationilor din soluţie.

6. Sistemul apă argilă

Page 24: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

24

Capacitatea de umflare şi dispersareEfectul imediat al hidratării este umflarea particulelor de argilă, proprietate

cu implicaţii negative asupra productivităţii şi receptivităţii stratului productiv. Prin hidratarea cationilor schimbabili şi existenţa unor forţe de respingere între ei, prin neutralizarea sarcinilor pozitive de ruptură de pe muchii, forţele de atracţie Van der Waals şi forţele de legătură ale cationilor cu cristalele de argilă sunt învinse, apa pătrunde între foiţele elementare şi măreşte distanţa dintre ele.

Plăcuţele elementare de argilă rămân mai mult sau mai puţin unite, datorită legăturilor de hidrogen ale apei. Capacitatea de umflare, măsurând variaţiile liniare sau volumice ale unei probe, reprezintă (procentual, sau direct) cantitatea de apă adsorbită, raportată la greutatea unei probe.

Mărirea de volum prin hidratare se mai poate exprima prin coeficientul total de umflare ku, valoarea acestuia fiind dată atât de apa reţinută la reţeaua cristalină a mineralelor argiloase, cât şi de apa reţinută pelicular în jurul particulelor de argilă:

ii

iu V

V1

V

VVk

V reprezintă creşterea de volum a probei de mineral argilos faţă de volumul iniţial al probei Vi.

6. Sistemul apă argilă

Page 25: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

25

Capacitatea de umflare a mineralelor argiloase este diferită: cloritele şi caolinitele se umflă foarte puţin, illitele şi attapulgitul au o capacitate medie de umflare, iar montmorillonitele cuprind minerale care prin hidratare îşi măresc volumul chiar de 10 ... 20 de ori.

Factorii care influenţează procesul de umflare sunt: mediul de contact, prezenţa ionilor de sodiu, prezenţa ionilor de calciu, magneziu, potasiu, presiunea şi temperatura.

La introducerea argilelor într-un mediu apos (dulce sau mineralizat), pe lângă fenomenul de umflare are loc dispersia acestora până la particule elementare, cu dimensiuni coloidale, sub 1m. Raportul dintre forţele de atracţie şi cele de respingere influenţează stabilitatea suspensiilor formate, iar orice intervenţie care duce la ecranarea forţelor de atracţie, neutralizarea sarcinilor de ruptură şi creşterea forţelor de respingere dintre particule, contribuie suplimentar la formarea unor soluţii dispersate stabile.

6. Sistemul apă argilă

Page 26: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

26

Viteza şi gradul de dispersie depind de natura argilei, mineralizarea soluţiei apoase, pH, prezenţa altor substanţe care pot favoriza dispersia (dispersanţii), o pot împiedica (inhibitorii de dispersie) sau chiar o inversează (agenţii de agregare, floculanţii). În concentraţii mici, soda caustică (NaOH) are o acţiune dispersantă.

Grupările de hidroxil (OH-) se adsorb pe suprafaţa particulelor mărind astfel sarcina negativă şi în acelaşi timp şi forţele de respingere. La concentraţii mai mari însă, cationii Na+ neutralizează sarcinile negative şi particulele elementare se pot uni în agregate mai mari, care, deplasându-se mai greu, vor duce la creşterea viscozităţii.

În general, argilele care se umflă şi se dispersează sunt smectitele, unele illite, argilele mixte (montmorillonit-illit, montmorillonit-attapulgit) şi attapulgitul, care se dispersează şi în apă dulce şi în apă de mare (sărată), chiar dacă nu are o capacitate prea mare de umflare.

Totuşi, din grupa montmorillonitului, cel de sodiu se dispersează cu cea mai mare uşurinţă şi la un grad de dispersie mai mare decât cel de calciu sau magneziu.

6. Sistemul apă argilă

Page 27: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

27

Cationul de sodiu are un grad de disociere mare, trece cu uşurinţă în stratul dublu difuz, neutralizând încărcarea particulei de argilă. Se menţine astfel un volum mare al micelei de bentonită, şi forţele de repulsie între particule se măresc, şi de aici un grad mare de dispersie (din aceste motive se şi folosesc bentonitele sodice la prepararea fluidelor de foraj).

Fenomenele de umflare şi dispersie nu pot fi separate şi ele acţionează în sensul micşorării permeabilităţii stratului.

Mineralele argiloase din zona stratului productiv, chiar dacă nu-şi măresc volumul prin hidratare, prin deplasarea lor odată cu fluidele din pori se fixează şi blochează pori cu dimensiuni mai mici decât dimensiunea lor.

Tratamentele ulterioare care se aplică pentru refacerea permeabilităţii stratului nu-i mai pot reda valorile iniţiale, deoarece umflarea şi dispersarea argilelor sunt fenomene ireversibile. Este bine, de aceea, să se acţioneze în sensul prevenirii apariţiei acestora, prin toate operaţiile care se execută, mai ales la nivelul orizontului productiv.

6. Sistemul apă argilă

Page 28: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

28

Asocierea particulelor de argilă şi formarea de structuriFormarea micelei de bentonită are importanţă deosebită în prepararea

fluidelor de foraj pe bază de apă-argilă şi în menţinerea stabilităţii acestui sistem, deoarece:

stratul fix de adsorbţie şi stratul difuz constituie o legătură materială între particula coloidală de bentonită şi mediul de dispersie (respectiv apa), ceea ce explică stabilitatea sistemului chiar la concentraţiile mici de argilă în apă;

încărcarea electrică negativă a plăcuţelor elementare de argilă şi existenţa pe muchii a sarcinilor de ambele tipuri, face ca forţele de respingere electrostatică să fie mai mari decât cele de atracţie (electrostatică sau van der Waals), ceea ce împiedică agregarea acestora şi depunea lor, chiar la concentraţii mari de argilă în apă.

Se asigură astfel stabilitate bună sistemului dispers apă-argilă, viscozitatea şi gelaţia necesare unui fluid de foraj şi o viteză de filtrare relativ redusă (attapulgitul conferă şi el proprietăţile structurale satisfăcătoare, dar cantitatea de apă adsorbită fiind mult mai redusă, capacitatea de filtrare va fi mult mai mare).

6. Sistemul apă argilă

Page 29: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

29

Dacă într-o suspensie stabilă de bentonită se introduce un electrolit, care prin disociere se dispersează la nivel ionic, se produce o modificare rapidă şi semnificativă a proprietăţilor sistemului (viscozitatea, filtrarea, stabilitatea etc.).

De fapt, ionii diso-ciaţi acţionează asupra dublului strat electric, pătrund în acesta, reduc grosimea stratului difuz şi la o anumită concentraţie, numită prag de coagulare (sau prag de floculare), particulele de argilă se apropie între ele suficient de mult pentru ca forţele de atracţie să le aglomereze. Aceste agregate se depun, se pierde stabilitatea sistemului apă-argilă şi în acelaşi timp se înregistrează o mare cantitate de apă liberă (filtratul fluidului de foraj atinge valori prohibitive).

Pragul de coagulare este determinat de tipul argilei, prezenţa cationilor schimbabili pe suprafaţa particulelor, natura electrolitului şi mărimea pH-ului.

6. Sistemul apă argilă

Page 30: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

30

De asemenea, acest fenomen de pierdere a stabilităţii datorită electroliţilor (coagularea electrolitică) este guvernat de două legi:

legea lui Hardy, care spune că fenomenul de coagulare electrolitică este produs de acei ioni care au aceeaşi încărcare electrică cu ionii contrari ai coloidului (ionii de Na+ din sare, pot produce coagularea asupra unui sistem apă-argilă bentonitică);

legea lui Schultze, care precizează că puterea de coagulare depinde de valenţa ionului coagulant, din acest punct de vedere, existând următoarea ordine:

Na+ < Ca2+ < Al3+,

iar dacă se consideră pentru sodiu puterea de coagulare egală cu unitatea, ionul de calciu are o putere de coagulare de 75 ori mai mare decât Na+, iar aluminiul, de 540 ori mai mare decât ionul de Na+.

Pierderea stabilităţii sistemului apă-argilă mai poate fi provocată de temperaturile prea mari, caz în care se produce o coagulare termică, sau de acţiunea de înglobare a unor cantităţi mari de argile foarte hidratabile şi dispersabile, când are loc o coagulare de concentraţie.

6. Sistemul apă argilă

Page 31: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

31

În sistemele stabile, cu conţinut redus de argilă, particulele aglomerate se depun (suspensia se limpezeşte), dar, la concentraţii suficient de mari de argilă se formează o structură spaţială, de gel, cu o oarecare rezistenţă mecanică şi care nu separă în fazele componente ca în cazul coagulării. Această proprietate a soluţiilor coloidale de bentonită de a forma structură, se numeşte gelificare şi se apreciează pe baza rezistenţei mecanice de rupere a gelului după un anumit timp de rămânere în repaus.

La agitare, structura de gel se distruge şi sistemul revine la starea iniţială (de soluţie coloidală). Această proprietate reversibilă de trecere din soluţie în gel se numeşte tixotropie şi este întâlnită la majoritatea fluidelor de foraj pe bază de apă-argilă.

Pentru interpretarea modificărilor pe care le suferă proprietăţile fluidelor de foraj (datorită coagulării, gelificării, floculării etc.), este esenţial de cunoscut modul de asociere a plăcuţelor elementare de bentonită, prin muchii şi colţuri, acolo unde se găsesc sarcini de ruptură nesatisfăcute şi un exces de energie masică.

6. Sistemul apă argilă

Page 32: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

32

Particulele de bentonită se pot asocia muchie la muchie (F3), faţă la faţă (F2) şi muchie la faţă (F4).

Asocierea muchie la muchie este cea mai probabilă în sistemele stabile de bentonite sodice, unde forţele de repulsie dintre plăcuţele elementare sunt mari şi se pot forma structuri de gel rezistente, fără separarea fazelor.

Asociere faţă la faţă apare în sistemele coagulate sau în cele obţinute din argile de slabă calitate, ca urmare a valorii reduse a forţelor de respingere dintre plăcuţele elementare; se formează agregate mari, care se depun, iar sistemul separă în fazele componente.

Asocierea muchie la faţă este cea mai probabilă în fazele incipiente de coagulare, când, se reduce parţial învelişul de solvent şi potenţialul electrocinetic al particulelor de bentonită.

6. Sistemul apă argilă

Page 33: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

33

În tehnologia fluidelor de foraj, termenul de floculare este folosit pentru unirea liberă a plăcuţelor de argilă muchie la muchie sau muchie la faţă, sub forma unor castele de cărţi, iar termenul de agregare, pentru asocierea paralelă a plăcuţelor elementare, sub forma unor pachete de cărţi, datorită comprimării stratului difuz.

Reversul floculării este peptizarea (deflocularea), iar al agregării este dispersarea

6. Sistemul apă argilă

Page 34: Curs 5_Proprietatile Fluidelor de Foraj

Maria Georgeta Popescu Fluide de foraj şi cimenturi de sondă

34

Într-o suspensie, toate aceste stări posibile de existenţă a particulelor elementare de argilă pot coexista. Se remarcă faptul că prin floculare cresc rezistenţa de gel şi tensiunea dinamică de forfecare, iar prin dispersare creşte viscozitatea plastică.

Starea în care se află particulele de argilă dintr-o suspensie este determinată de foarte mulţi factori: natura montmorillonitului (de sodiu, calciu, potasiu), concentraţie şi temperatură, natura electroliţilor, valoarea pH- ului, prezenţa fluidizanţilor, prezenţa agenţilor defloculanţi, prezenţa polimerilor protectori etc.

6. Sistemul apă argilă