Технические науки/10.Горное дело
УДК 622.3:553.9
К.т.н. Кустурова О.В., Жуган О.А., Печеніжська
А.В.,
Подольян О.А.
Український науково-дослідний інститут
природних газів (Україна)
Дослідження
баритових обважнювачів
для
бурових розчинів
Один з поширених обважнювачів
для бурових розчинів є барит. 90%
видобутку бариту припадає на буріння. При бурінні свердловин виникає
необхідність обважнення бурових розчинів для збереження стінок свердловин,
зменшення течії солей та зупинки проникнення пластових флюїдів в стовбур
свердловини. Питома вага бариту використовується при обважненні бурових розчинів. Крім того, барит
використовується як обважнювач рідин для глушіння свердловин.
Барити використовують для виробництва білої фарби,
барієвих препаратів, паперу, гуми. Барит
блокує проходження рентгенівського проміння. Тому, барит застосовують при
ізоляції приміщень, призначених для хімічних виробництв, у тому числі, ядерних
реакторів. Використовують барит і в оптиці. Прозорі пластини бариту
застосовують в оптичних приладах.
One common
weighting material for drilling fluids are barites. 90% of barites productions
are necessary for drilling. During
drilling there are needs for increase in weight drilling fluids to preserve the
wellbores, reducing the flow of salts and stop the penetration of formation
fluids into the wellbores. The
specific gravity of the barites are used in drilling fluids for increase in
weight. In addition, barites are used as a weighting agent in fluids for well
killing.
Barites are used in
the manufacture of white paint, barium preparations, paper, and rubber. Barite
blocks the passage of x-ray beam. Therefore, barites are used in isolation
areas designed for chemical plants, including nuclear reactors. Barites are
used in the optics. Transparent plates of barites are used in optical
instruments.
В
даній статті розглянуто проблему хімічного
реагенту бариту, з одного боку як природного мінералу і хімічної сполуки, а з
іншого боку як компоненту бурового розчину. При бурінні свердловин в складних
гірничо-геологічних умовах, що розкривають зони з аномально-високими пластовими
тисками, масова концентрація бариту в буровому розчині
може сягати 70 %, тому бурові розчини з густиною 2000 кг/м3 можна умовно
вважати, як такі що є баритовими. Обсяги використання даного реагенту при
бурінні та інших технологічних операціях в нафтогазовидобувній галузі є досить
великими.
Дослідження
фізико-хімічних показників бариту є актуальним, оскільки в залежності від
походження цей мінерал відрізняється за показниками, що при високій
концентрації в буровому розчині можуть як позитивно так і негативно впливати на
його технологічні показники і безаварійне буріння свердловин в цілому. Отже, дана
робота дає уявлення, а може і перевертає його по відношенню до бариту, як регенту
для буріння.
Існує декілька
способів збільшення густини бурових розчинів: 1) за рахунок використання
розсолів; 2) за рахунок породи, яка накопичується в процесі буріння; 3) за
рахунок введення інертного обважнювача – наприклад бариту.
Назва бариту походить
від грецького барис – важкий. Цей мінерал має високу питому вагу. Хімічний склад
BaSO4, %: BaO - 65,7; SiO2 - 34,3. Барит з високим
вмістом стронцію називається баритоцелестином, а з вмістом свинцю і радію –
хокутолітом. Найпоширеніший мінерал барію (руда барію). Для бариту характерні
утворення кристалів, які досягають інколи дуже великих розмірів. Барит
представляє собою витягнуті по осі, та правильні багатогранні, а інколи
призматичні і голчасті кристали. Агрегати зернисті, радіально-променисті, тонковолокнисті
ниркоподібно-сферолітові, великі ниркоподібно-пластинчасті, щільні суцільні
маси. Відомі паралельні зростання кристалів бариту з англезитом, вітеритом і
кальцитом. Колір баритових руд залежить від домішок і спостерігається від
білого до бурого (при забарвленні залізом), також зустрічаються безбарвні
прозорі кристали з скляним, перламутровим блиском та густиною 4,3 - 4,7 і
твердістю 3,5 - 3,75. Спайність таких кристалів досконала (від спайності
кальциту відрізняється прямим кутом між площинами); мінерал утворює спайні
центри по ромбічній призмі з нерівним крихким зломом (див. рис.).
Рис. Зразки баритових обважнювачів
За мінеральним
складом виділяють три різновиди руд з вмістом барію: 1) баритові (50-99% BaSO4);
2) вітерит-баритові (1-70% BaCl2); 3) барит-флюоритові (1-70% бариту
і 15-80% флюориту). З інших мінералів найбільш поширені кварц і кальцит.
Гідротермальні власне баритові, вітерит-баритові і барит-флюоритові типи
родовищ є важливими для бариту і характеризується високою якістю руд. За формою
рудних тіл і способу виділення мінералів серед цих родовищ розрізняють жильні і
пластоподібні метасоматичні заміщення. Комплексні руди родовищ –
барит-свинцеві, цинкові перемежовуються з баритовими рудами, приклад на
родовищі в Центральному Каратау (Південний Казахстан) барит в них розташований
поряд з кварцом, жильним мінералом і видобувається попутно, чим і обумовлено
його неоднорідність
[1].
За походженням
барит – типовий гідротермальний мінерал. Він утворює жильні тіла в родовищах
кольорових металів. Відомі також барити екзогенного походження. Зустрічається у
гідротермальних низькотемпературних жильних рудних родовищах, в осадових
породах, у зонах вивітрювання гірських порід і рудних родовищах. Барит екзогенного
походження (грецьке «екзо» - «зовнішнє», а «генос» - «народження»), тобто
барит, який утворюється біля поверхні, в зонах скупчень залізних руд. Так
іменують верхні шари покладів металів, що піддалися окисленню. Взаємодія солей
барію з рудами, особливо мідними, і призводить до появи бариту. В жилах руди бариту супроводжують
пірит, галеніт, кіновар. Знайшовши мінерали – супутники, можна розраховувати на
швидке виявлення і бариту.
В Україні барит
зустрічається у гідротермальних родовищах Закарпаття, у Нагольному кряжі та місцях
Донбасу, а також у Прикарпатті і Придністров’ї. До числа найважливіших родовищ
належать скупчення великих кристалів бариту в Камберленді, Корнуоллі,
Уестморленді, Нортумберленді (Англія), з антимонітом у Фельшобаньє (Румунія), у
вигляді конкрецій в мергелях – в горі Патерно поблизу Болоньї (Італія), масивні
поклади в штаті Каліфорнія, Джорджія, Теннессі, Міссурі, Арканзасі (США) та у
вигляді “пустельних троянд” в Нормані (штат Оклахома, США) і в Саліні (штант
Канзас, США).
В Росії
розробляються три родовища баритовміщуючих руд: Кварцитова Сопка (Кемеровська
обл.), Молодіжне (Челябінська обл.) і Толчеїнське (Хакасія). Широкою
популярністю серед колекціонерів користуються ефектні зразки бариту з
Белореченського родовища (Півн. Кавказ).
В Брюсселі,
країни, що розробляють барит і володіють баритовими ресурсами, копальнями і
потужностями для збагачення бариту, у 2000 році заснували Міжнародну баритову
асоціацію. 75 мільйонів тонн бариту належать США. Такі оцінки запасів бариту на родовищах в США.
10 мільйонів тонн мінералу має в розпорядженні Індія. Всього ж світові запаси
бариту оцінені геологами в 185 мільйонів тонн.
В даний час
Китай є найбільшим постачальником бариту, а США- найбільшим споживачем бариту
на світовому ринку. Однак, інколи виникає
дефіцит в поставках бариту. Серед основних причин дефіциту бариту є
природні сезонні коливання, землетруси, а також, повені, які викликані
проливними дощами. Крім природних катаклізмів падіння споживання бариту впало
через кризу, яку спричинила падіння цін на нафту і газ. Попит на барит головним
чином залежить від споживання природного газу та нафти і як наслідок бурових
робіт.
Барит практично нерозчинний у воді (одна частина бариту розчиняється в 435
тис. частин води). Якісний промисловий барит повинен вміщувати 92 % BaSO4, але регламентується не вміст BaSO4, а густина. Густина обважнювача є не єдиним критерієм
якості. Обважнювач повинен бути інертним, мати мінімальну кількість домішок, та
абразивність і оптимальну дисперсність. Підвищення гідрофільності бариту
перетворює його на структуроутворювач, а гідрофобність спричиняє нестійкість
систем на основі води. Для систем на вуглеводній основі навпаки гідрофобність
бариту спричиняє підвищення реологічних характеристик [2].
Галузеві лабораторії, що входять до структури нафтогазовидобувних кампаній,
обов’язково досліджують основні параметри баритів, такі як: густина, рН,
волога, вміст солей і іонів кальцію, нафтозмочування та фракційний склад.
Протягом 2014-2016 р.р. лабораторія бурових розчинів УкрНДІгазу провела
дослідження ряду зразків баритів різного походження на відповідність нормам
ДСТУ і на можливість використання у складі технологічних рідин для буріння, а
саме: Турція, Росія, Казахстан тощо. Результати перевірки показників баритових обважнювачів наведені в табл.1.
Для визначення
ефективності застосування кожного реагенту далі (в таблиці 2) наведена
необхідна кількість баритового обважнювача при обважненні бурового розчину з
густини 1300 кг/м3 на 1 м3 бурового розчину.
З результатів
наведених в табл. 2 можна зробити висновок, що мінімальну необхідну кількість
для обважнення розчину показали реагенти №1 густиною 4,40 г/см3, №3
густиною 4,35 г/см3, №7 густиною 4,27 г/см3. Слід
зазначити, що різниця при обважненні з 1300 кг/м3 до 1500 кг/м3
реагентами з найменшою 4,20 г/см3 і найбільшою густиною 4,40 г/см3
складає 2 %, а при обважненні з 1300 кг/м3 до 2000 кг/м3
реагентами з найменшою 4,20 г/см3 і найбільшою густиною 4,40 г/см3
складає 4 %, тобто різниця незначна.
Таблиця 1
Дослідження
баритових обважнювачів
|
найменування показника |
густина, г/см3,
не менш |
рН водної витяж-ки
при 45 % вмісті твердої фази |
Ма-совa доля вологи,
% не більш |
Масова доля
водо роз-чин-них солей, % не більш |
Масова доля водо- розчин- ного кальцію, мг/л не більш |
Фрак-ція більш
0,1мм, % |
Фрак-ція більш
0,25мм, % |
Нафто- змочу- вання, % |
|
№1 |
4,40 |
8,42 |
0,138 |
0,14 |
200 |
5,5 |
0,4 |
20 |
|
№2 |
4,23 |
8,26 |
0,054 |
0,08 |
230 |
90,6 |
74,3 |
15 |
|
№3 |
4,35 |
8,89 |
0,022 |
0,19 |
215 |
11,8 |
0,5 |
17,5 |
|
№4 |
4,23 |
8,22 |
0,045 |
0,16 |
175 |
89,8 |
64,2 |
10 |
|
№5 |
4,21 |
8,60 |
0,021 |
0,04 |
130 |
88,1 |
60 |
15 |
|
№6 |
4,22 |
8,78 |
0,008 |
0,02 |
65 |
96,2 |
78 |
10 |
|
№7 |
4,27 |
8,85 |
0,012 |
0,03 |
55 |
69,1 |
16 |
20 |
|
№8 |
4,27 |
9,21 |
0,03 |
0,09 |
240 |
89,6 |
54,4 |
10 |
|
№9 |
4,20 |
8,56 |
0,1 |
0,30 |
158 |
65,3 |
52,1 |
15 |
|
№10 |
4,20 |
7,56 |
0,007 |
0,25 |
0 |
63,7 |
3,7 |
20 |
|
№11 |
4,40 |
7,04 |
0,039 |
0,23 |
20 |
6,6 |
0,4 |
20 |
|
Норм. Знач. |
≥4,20 |
- |
≤2 |
- |
≤250 |
- |
- |
- |
Таблиця 2
Дослідження
баритових обважнювачів
|
Зразок баритового обважнювача |
Кількість баритового обважнювача при обважненні до необхідної густини на м3 бурового розчину, кг |
||
|
1500 кг/м3 1800 кг/м3 2000 кг/м3 |
|||
|
№1 |
304 |
846 |
1283 |
|
№2 |
310 |
870 |
1328 |
|
№3 |
305 |
853 |
1296 |
|
№4 |
310 |
870 |
1328 |
|
№5 |
311 |
873 |
1334 |
|
№6 |
310 |
872 |
1331 |
|
№7 |
308 |
864 |
1317 |
|
№8 |
308 |
864 |
1317 |
|
№9 |
311 |
875 |
1336 |
|
№10 |
311 |
875 |
1336 |
|
№11 |
304 |
846 |
1283 |
Таким чином,
лабораторні дослідження баритових обважнювачів виявили їх відповідність
функціональному призначенню, і показали можливість ефективного застосування для
обробки бурових розчинів.
Висновок: густина бариту повинна бути найбільшою, показник рН наближено до 7,
вміст солі і іонів кальцію мінімальним, нафтозмочування до 25 %. Також поверхню контакту бариту з водою
в буровому розчині, як розмір так і характер потрібно контролювати.
Список літератури
1. Баритовые формации //
Металлогения Казахстана. Агрохимические руды г.Алма-Ата. Наука, 1977, С.98-132.
2. Карякин А.Е.,
Строна П.А., Шаронов Б.Н. Промышленные типы месторождений неметаллических полезных ископаемых.
Москва, Недра. 1985.