UNIVERSITATEA DE PETROL ŞI GAZE PLOIEŞTI

Maria Georgeta POPESCU

2002

Fluide de foraj

3

I. FLUIDE DE FORAJ 1 Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Natura şi compoziţia fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1 Clasificarea fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Compoziţia fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Proprietăţile fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1 Densitatea fluidelor de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.2 Viscozitatea aparentă şi gelaţia fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3 Proprietăţile reologice ale fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.4 Propietăţi tixotropice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.5 Conţinutul de lichide şi solide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.6 Conţinutul echivalent de bentonită. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.7 Conţinutul de nisip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.8 Conţinutul de gaze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.9 Capacitatea de filtrare şi colmatare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.10 Indicele pH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.11 Determinarea alcalinităţii. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.12 Conţinutul de săruri solubile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.13 Stabilitatea fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.14 Activitatea fazei apoase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.15 Adezivitatea şi proprietăţile lubrifiante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.16 Capacitatea abrazivă şi erozivă. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Funcţiile fluidului de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.1 Curăţirea tălpii sondei de detritus şi evacuarea acestuia la suprafaţă. . . . . 31 4.2 Evacuarea detritusului la suprafaţă. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Stabilitatea pereţilor sondei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Răcirea şi lubrifierea sapei şi a garniturii de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.5 Capacitatea de menţinere a detritusului în suspensie . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.6 Furnizarea de informaţii asupra sondei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Aditivi şi materiale folosite pentru prepararea şi reglarea proprietăţilor

fluidelor de foraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.1 Materiale pentru reglarea densităţii (de îngreuiere) . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Reactivi pentru reglarea viscozităţii (reactivi fluidizanţi) . . . . . . . . . . . . 45 5.3 Aditivi pentru reducerea filtratului (antifiltranţi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.4 Floculanţi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.5 Lubrifianţi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.6 Antispumanţi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.7 Inhibitori de coroziune. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.8 Substanţe tensioactive (STA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.9 Materiale de blocare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.10 Reactivi anorganici. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Fluide de foraj

4

6 Sistemul apă-argilă. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1 Mineralele argiloase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.2 Proprietăţile mineralelor argiloase în apă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.3 Fluide de foraj dispersate (clasice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4 Noroaie tratate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767 Fluide de foraj inhibitive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.1 Fluide inhibitive pe bază de ioni de K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.2 Fluide pe bază de sare (NaCl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.3 Fluidele inhibitive pe bază de calciu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 818 Fluide pe bază de polimeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 8.1 Fluidul tip PARAN (cu polimeri si electroliţi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.2 Fluide cu anhidridă maleică-acetat de vinil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.3 Fluidul tip polimer-calcar granular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.4 Fluidul tip TENSROM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.5 Fluidul uşor tip AAS – 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8.6 Fluide pe bază de Poly-Plus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 8.7 Sisteme de fluide Flo-Pro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 8.8 Sisteme Glydril. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899 Fluide pe bază de produse petroliere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 9.1 Definire, utilizare, avantaje, dezavantaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 9.2 Compoziţia generală a fluidelor pe bază de produse petroliere. . . . . . . . . 91 9.3 Proprietăţi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 9.4 Prepararea şi întreţinerea fluidelor pe bază de produse petroliere. . . . . . . 93 9.5 Fluidele negre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 9.6 Emulsiile inverse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9510 Aspecte privind deschiderea stratelor productive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 10.1 Aprecierea gradului de blocare a zonei din jurul sondei . . . . . . . . . . . . . . 97 10.2 Fenomene şi mecanisme de blocare a stratelor productive . . . . . . . . . . . . 98 10.3 Fluide de foraj pentru traversarea formaţiunilor productive . . . . . . . . . . . 10011 Prepararea, tratarea şi întreţinerea fluidelor de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 11.1 Sistemul de curăţire de la suprafaţă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 11.2 Diluţia necesară menţinerii conţinutului limită de solide în fluidul de

foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

11.3 Costul preparării şi întreţinerii fluidului de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 11.4 Degazeificarea fluidelor de foraj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11312 Calculul căderilor de presiune în sistemul de circulaţie al sondei . . . . . . . . 114 12.1 Fluide newtoniene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 12.2 Fluide binghamiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 12.3 Fluide pseudoplastice (modelul Ostwald-de Waele). . . . . . . . . . . . . . . . . 122 12.4 Căderi de presiune locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 12.5 Coeficienţii căderilor de presiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Bibliografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

II. FLUIDE DE IZOLARE (CIMENTURI DE SONDĂ)

1 Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 2 Factorii care determină reuşita unei cimentări . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3 Definiţii şi clasificări ale cimenturilor şi pastelor de ciment . . . . . . . . . . . 135 4 Cimentul portland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.1 Compoziţia chomico-mineralogică şi procesul de fabricare. . . . . . . . . . 138 4.2 Comportarea cimenturilor portland pe baza compoziţiei chimico-

mineralogice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.3 Proprietăţi fizice ale cimentului portland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.4 Hidratarea cimentului. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.5 Factorii care influenţează viteza de hidratare şi întărire a cimentului

portland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.6 Fenomene secundare din timpul hidratării şi întăririi cimentului . . . . . . 146 5 Proprietăţile pastei de ciment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.1 Densitatea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.2 Stabilitatea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.3 Capacitatea de filtrare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.4 Proprietăţile reologice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.5 Timpul de pompabilitate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.6 Timpii de prizare (începutul şi sfârşitul de priză) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6 Proprietăţile pietrei de ciment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.1 Rezistenţa mecanică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.2 Permeabilitatea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.3 Constanţa volumului pietrei de ciment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.4 Rezistenţa la coroziune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.5 Aderenţa la teren (rocă) şi coloana de burlane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7 Aditivi şi materiale de adaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.1 Acceleratori de priză . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.2 Întârzietori de priză . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 7.3 Fluidizanţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 7.4 Antifiltranţi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 7.5 Antispumanţi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 7.6 Adaosuri hidraulice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

5

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) 8 Paste de ciment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.1 Metode de reducere a densităţii pastelor de ciment . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.2 Paste de ciment cu densitate mare (îngreuiate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 8.3 Paste de ciment sărate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.4 Amestecuri pentru izolarea zonelor cu pierderi de circulaţie . . . . . . . . . 174 8.5 Cimenturi termorezistente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 9 Paste şi cimenturi speciale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.1 Cimenturi rezistente la coroziune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.2 Cimenturi expandabile (dilatante) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.3 Paste de ciment cu polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.4 Cimenturi cu ghips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.5 Paste de ciment cu petrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Bibliografie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

6

Fluide de foraj

1. Introducere Sonda este o construcţie în scoarţa terestră, de formă cilindrică, cu lungimea (adâncimea) foarte mare în raport cu diametrul, realizată şi eventual exploatată cu mijloace de la suprafaţă. Serveşte multor scopuri, dar cercetarea geologică şi exploatarea hidrocarburilor, în ultimii 150 de ani, au determinat tehnicile şi tehnologiile folosite în prezent pentru realizare şi exploatare. În scopul amintit, sondele sunt realizate (forate, săpate) pe uscat şi pe mare, de pe platforme fixe sau plutitoare, obişnuit pornesc vertical, dar pot continua cu traiecte înclinate şi chiar multiple în zona de interes geologic, cele mai multe au diametre în domeniul mm, curent se forează în domeniul m, adesea la

m, iar cu programe speciale s-au depăşit m. 100....800 500 500...2 1

000 6 00010 Realizarea sondei necesită la suprafaţă o instalaţie acoperitoare ca putere şi cu o structură funcţională complexă, o gamă extrem de largă ca rol şi complexitate de scule şi echipamente ce se introduc, se folosesc şi se extrag din sondă, o mare diversitate de instalaţii, scule, echipamente şi servicii ce intervin periodic în proces cu rol specific, asistenţa tehnică a unor laboratoare şi colective de proiectare, echipe instruite conduse de maiştri şi ingineri ce asigură activitatea continuă, echipe aflate în permanentă legătură cu nivelele decizionale ale companiei. Pentru realizarea unei sonde se disting două categorii de lucrări ce se repetă până la atingerea obiectivelor constructive finale: etapa dislocării rocii şi adâncirii sondei pe un interval de adâncime programat şi cu obiective geologice proprii, urmată de etapa consolidării şi izolării formaţiunilor geologice traversate cu o coloană de burlane din oţel şi cimentarea spaţiului inelar dintre aceasta şi peretele sondei; cu reducerea diametrelor de lucru, etapele se repetă până când se atinge adâncimea finală propusă. Conform proiectului, sau ori de câte ori este necesar, la sondă se execută şi alte lucrări: măsurători geofizice, recoltarea de probe de rocă (carotaj mecanic), probarea stratelor privind prezenţa hidrocarburilor (tester), combaterea dificultăţilor ce îngreuiază forajul (instabilitatea pereţilor sondei, manifestările eruptive, pierderea circulaţiei etc.), rezolvarea eventualelor accidente tehnice (distrugerea sapei, ruperea sau prinderea garniturii etc). Cea mai folosită tehnologie de realizare a sondelor, forajul rotativ-hidraulic, presupune că roca este dislocată şi sonda este adâncită de sapa de foraj ce se roteşte pe talpă (suprafaţa de rocă vie), apăsată cu o anumită forţă, în prezenţa circulaţiei fluidului (noroiului) de foraj. Circulaţia fuidului de foraj, apăsarea pe sapă, recuperarea şi schimbarea ei în mo-mentul uzurii dar şi rotirea acesteia (foraj rotativ-hidraulic cu masa) sau transmiterea puterii necesare motorului hidra-ulic ce o roteşte, plasat deasupra ei (foraj hidra-ulic rotativ cu motor submersat), se realizează prin intermediul garnitu-rii (succesiune) de prăjini (tuburi din oţel). Instala-ţia de la suprafaţă este concepută să realizeze aceste principale trei funcţiuni: extragerea şi introducerea (manevra) garniturii de prăjini pentru schimbarea sapei (sau altor echipamente), rotirea

7

Fluide de foraj

garniturii şi deci a sapei pentru dislocare/ corectare, sau cu alte scule şi pentru alte operaţii, circulaţia fluidului de foraj.

8

Sistemul de circulaţie a fluidului de foraj (fig.1.1) are ca principală componentă pompa (pompele) de noroi. Sunt pompe cu pistoane, duplex (două pistoane) sau triplex (trei pistoane), cu puteri hidraulice de 700…1 600CP funcţie de performanţele ma-xime aşteptate de la instalaţie, cel mai des câte două de acelaşi fel, mai rar una sau mai mult de două în aceeaşi instalaţie. Pompa (pompele) trage fluidul de foraj din habele (rezervoare paralelipipedice de 50 …70 m3) de depozi-tare şi-l pompează prin

manifold (sistem de ventile pentru control), colector (conductă ori-zontală până la baza turlei), încărcător (con-ductă verticală de 15… 20 m pe o latură a

turlei instalaţiei), furtun de foraj (element flexibil rezistent la presiune), cap hidraulic (echipament agăţat în macara, ce susţine garnitura şi îi permite rotirea, dar şi circulaţia fluidului din furtun în interiorul acesteia). De aici, circuitul fluidului de foraj urmează interiorul prăjinii de antrenare (prima prăjină din garnitură), interiorul garniturii de prăjini de foraj şi de prăjini grele (situate deasupra sapei şi mai groase la perete pentru a realiza apăsarea), va trece prin duzele sapei, va spăla talpa de detritus (fragmentele de rocă dislocată) şi-l va transporta la suprafaţă prin spaţiul inelar format între garnitura de foraj şi peretele sondei. De la gura sondei, prin derivaţie şi jgheaburi, ajunge în habele de depozitare, şi circuitul se închide, dar nu înainte de a trece printr-un sistem de echipamente ce asigură curăţirea fluidului de foraj de detritusul transportat, de gazele eventual pătrunse (site, denisipatoare, demâluitoare, centrifuge, degazoare etc). Pe habe

Fig. 1.1. Sistemul de circulaţie a fluidului de foraj în sondă.

1-Sapă; 2-Derivaţie; 3-Cap hidraulic; 4-Furtun; 5-Prăjini de foraj; 6-Echipamente pentru preparare; 7-Echipamente pentru curăţire;

8-Tija de antrenare; 9-Instalaţie de prevenire a erupţilor; 10-Pompe de noroi; 11-Colector şi încărcător; 12-Habe; 13-Prăjini grele.

Fluide de foraj

şi lângă habe există echipamentele şi toate cele necesare (pompe auxiliare, pâlnii, agitatoare, habe de tratament, magazie cu chimicale, macara pentru manevrarea containerelor, aparatură de laborator etc.) preparării şi condiţionării proprietăţilor fluidului de foraj. La atingerea obiectivului geologic stabilit, pentru intervalul curent, se trece la faza de consolidare. Se extrage garnitura şi se tubează (se introduce), în sonda permanent plină cu fluid de foraj, prin înfiletare burlan cu burlan până la adâncimea realizată, o coloană de oţel care va preveni dărâmarea pereţilor (coloană de tubare). Desăvârşirea consolidării sondei, dar şi împiedicarea circulaţiei fluidelor în spatele coloanei, se realizează plasând în această zonă o pastă de ciment ce se va întări şi va forma o piatră de ciment, de dorit cât mai rezistentă, cât mai impermeabilă şi care să umple cât mai bine şi mai uniform spaţiul inelar programat. Volumul necesar de pastă de ciment se prepară de la suprafaţă din apă şi ciment, ambele componente aditivate conform condiţiilor concrete ale sondei şi analizelor de laborator efectuate în prealabil, se pompează în coloană direct sau între pachete fluide de separare, preparate după anumite reţete, şi este condusă în zona de plasare pompând după ea cantitatea necesară de fluid de refulare (de regulă chiar fluidul de foraj folosit la sondă). După prizare, de regulă ore -uneori chiar mai puţin, activitatea la sondă se reia.

4...48

Cursul Fluide de circulaţie şi izolare are două părţi. Prima parte, Fluide de foraj se ocupă de fluidele folosite la realizarea sondelor rotativ-hidraulic, cu circulaţie de lichide, ce asigură o presiune în sondă mai mare decât cea a fluidelor din strat. Definiţii, rol şi funcţiuni, clasificări, proprietăţi şi tehnici de măsurare a acestora, chimicale, reţete, preparare şi condiţionare sunt principalele aspecte ce vor fi tratate. Partea a doua, Fluide de izolare, tratează, într-o structură asemănătoare, pastele de ciment folosite la cimentarea coloanelor pentru consolidare şi izolare.

9

Fluide de foraj

10

2. Natura şi compoziţia fluidelor de foraj În ultimele două decenii s-au înregistrat progrese remarcabile în ceea ce priveşte tehnologia de săpare a sondelor şi traversare a stratelor productive. Forarea înclinată a sondelor, până la 900 şi chiar peste, astfel încât să deschidă pe o lungime cât mai mare stratul productiv, a devenit o tehnică destul de larg aplicată în prezent. Mai nou, se perfecţionează şi se extinde tehnologia de realizare de astfel de sonde de drenare a stratului, multiple, dintr-o gaură centrală şi chiar la două niveluri. Toate acestea au fost posibile datorită progreselor realizate în prepararea a noi tipuri de fluide de foraj şi mai ales apariţiei de noi aditivi, mai eficienţi, care conferă acestor sisteme proprietăţi funcţie de obiectivele propuse şi respectă cele mai noi cerinţe privind protecţia mediului înconjurător. 2.1. Clasificarea fluidelor de foraj Pentru forarea sondelor, în funcţie de condiţiile şi posibilităţile existente, se utilizează: • gaze (aer sau gaze naturale); • lichide (apă industrială, petrol brut); • sisteme eterogene gaz-lichid, lichid-lichid, lichid-solid (ceaţă, spumă, emulsii,

soluţii coloidale, soluţii de electroliţi, suspensii, lichide aerate). Apariţia dinamică şi continuă a noilor tipuri de fluide reclamă un mod de clasificare coerent, dar suficient de elastic, pentru a permite şi încadrarea acestora. În literatura de specialitate, clasificările existente au la bază diferite criterii: • natura fazei continue (de dispersie): pe bază de apă, pe bază de produse petroliere,

gazoase; • natura fazei dispersate: cu argilă, fără argilă, cu argilă organofilă, cu asfalt, cu

polimeri; • gradul de mineralizare: nemineralizate (noroaie dulci), mineralizate (respectiv

scăzută, medie sau ridicată); • natura mineralizării: sărate (cu NaCl), cu var, cu gips, cu clorură de calciu, cu

clorură de potasiu, cu silicat de sodiu etc; • mărimea pH-ului: acide (sub 7), neutre (aproximativ 7), slab alcaline (7…8,5),

alcalinitate medie (8…11,5), alcalinitate ridicată (peste 11,5); • densitate: neîngreuiate (uşoare) şi îngreuiate; • gradul de dispersie: dispersate şi nedispersate (inhibitive); • destinaţie: pentru forajul propriu-zis, deschiderea stratelor productive, fluide de

packer, fluide pentru degajare, fluide de perforare, fluide de omorâre. Clasificarea cea mai satisfăcătoare şi folosită în acelaşi timp de cei mai mulţi specialişti este cea după natura fazei continue [1, 4, 8, 10]. Fluidele gazoase sunt cele care au faza de dispersie formată din: a. aer sau, mai rar, gazele naturale;

Fluide de foraj

11

b. ceaţă: cantităţi reduse de apă (petrol, în cazul gazelor naturale), provenită din rocile traversate sau injectată împreună cu un spumant de la suprafaţă, se află dispersate sub formă de bule mici. Fluidele pe bază de apă sunt cele care au faza continuă formată din apă, în care sunt introduşi toţi ceilalţi componenţi: a. apa industrială; b. soluţiile electrolitice (de NaCl, CaCl2, KCl, CaBr2, ZnBr2, ZnCl2 etc.); c. fluidele (noroaiele) pe bază de argilă, care pot fi:

• netratate (noroaie naturale); • tratate: cu fluidizanţi, reducători de filtrare (antifiltranţi), reducători

de adezivitate etc.; • inhibitive: cu var, gips, clorură de potasiu, sare, diverşi polimeri;

d. cu conţinut redus de argilă (sub 4 % vol/ vol) şi polimeri floculanţi (imprimă noroiului caracter nedispersat); e. fără argilă şi polimeri biodegradabili; f. noroaie aerate; g. spume. Oricare dintre aceste fluide pot fi, eventual, emulsionate cu un anumit procent de petrol (maxim 20 %), apa rămânând însă faza de dispersie. Fluidele pe bază de produse petoliere au faza continuă motorina sau petrolul brut, în care apa şi ceilalţi constituenţi coloidali reprezintă faza dispersată. Pot fi: a. fluide pe bază de petrol şi asfalt (fluide negre); b. emulsii inverse. 2.2. Compoziţia fluidelor de foraj Clasificarea fluidelor de foraj permite precizarea, la modul cel mai general, a compoziţiei pe care o pot avea fluidele de circulaţie. a. Fluidul de bază (apă, petrol sau gaz) constituie faza motrice a întregului sistem, iar dacă sunt două fluide, unul dintre ele se găseşte dispersat în celălalt sub formă de emulsie, spumă sau ceaţă. b. Particule solide, care pot fi:

• reactive, dispersabile la nivel coloidal şi care creează structură sistemului;

• inerte, dezirabile (cum ar fi materialele de îngreuiere sau de blocare) şi indezirabile, cele care provoacă diverse neajunsuri în circulaţia fluidului (nisip, calcar, gresie, argile nedispersabile etc.);

c. Electroliţi, disociaţi sau nedisociaţi, pătrunşi din rocile traversate sau adăugaţi pentru reglarea diverselor proprietăţi ale sistemului. d. Aditivi, care poartă denumirea proprietăţii pe care o reglează, cum ar fi: fluidizanţi, antifiltranţi, emulsionanţi, antispumanţi, stabilizatori termici, lubrifianţi, antifermenţi, inhibitori de coroziune etc. Prezentarea sumară a acestor componenţi ai fluidelor de foraj are ca scop sublinierea compexităţii unei reţete de preparare a fluidului de foraj şi a faptului că, sutele de substanţe naturale sau sintetizate, care se folosesc la prepararea fluidelor, au o acţiune multiplă, aplicabilitatea lor fiind determinată de tipul fluidului.

Fluide de foraj

3. Proprietăţile fluidelor de foraj 3.1. Densitatea fluidelor de foraj Densitatea fluidelor de foraj reprezintă un parametru esenţial în procesul de foraj. În timpul realizării sondei, valoarea densităţii se reglează astfel încât, prin mărimea presiunii hidrostatice, fluidul de foraj ales să prevină pătrunderea fluidelor din formaţiunile traversate, surparea şi strângerea pereţilor, evitarea fisurării stratelor, pierderea parţială sau totală a circulaţiei, manifestări eruptive, siguranţa lucrului în sondă etc. Presiunea hidrostatică, ph, într-un punct aflat la adâncimea H într-un fluid, cu densitatea ρn, se scrie sub forma: gHp nh ρ= (3.1) În masivul de roci într-un punct aflat la adâncimea H, apa conţinută în pori, dacă nu este izolată de condiţiile de la suprafaţă, se va găsi la o presiune ce poate fi determinată cu aceeaşi relaţie. Pentru densitatea apei din porii rocilor, ρa, se admit valorile: ρa= 1027 kg/m3, care este densitatea apei de mare cu salinitatea totală de 3,7g/l; ρa= 1070…1073 kg/m3, care este densitatea unei ape de zăcământ tipice, cu salinitatea în NaCl de 80 g/l; ρa= 1150 kg/m3, care este densitatea apei sărate saturate, între 50 şi 100oC. Presiunea de stat (din pori) egală cu presiunea hidrostatică, calculată în limitele acestor valori, este considerată presiune de strat normală. În aceste situaţii fluidele de foraj utilizate au densităţi în domeniul, ρn = 1100…1200 kg/m3 şi pot fi preparate numai din apă şi argilă. Dacă presiunea de strat are valori mai mari, pp ≥ ph , se consideră presiune anormal de mare, stratul este suprapresurizat şi în aceste cazuri se utilizează fluide de foraj îngreuiate cu densitatea ρn = 2000 … 2300 kg/m3. Dacă se înregistrează valori mai mici, pp< ph , stratul este subpresurizat şi presiunea este considerată anormal de mică. Traversarea acestor formaţiuni necesită utilizarea unor fluide cu densitate redusă sau chiar schimbarea tehnologiei de foraj. În sonda plină cu fluid de foraj aflat în repaus (cu densitatea ρn), presiunea la adâncimea H se determină cu relaţia:

00 pgHppp nhs +=+= ρ (3.2) unde p0 este presiunea la gura sondei, dacă există. Presiunile reale din sondă diferă de cele calculate cu densitatea noroiului determinată la suprafaţă, cu până la 3-7%, în plus sau în minus, din diferite motive, cum ar fi: dependenţa densităţii de temperatură, de presiune, de starea de lăsare în repaus, de compresibilitatea lui etc.

12

Fluide de foraj

Densitatea fluidelor de foraj influenţează, de asemenea, cumulativul de filtrat pătruns în formaţiunile permeabile traversate, viteza de avansare a sapei (viteza mecanică de foraj), valoarea căderilor de presiune în sistemul de circulaţie, flotabilitatea echipamentului din sondă etc. Densitatea fluidelor de foraj se măsoară în laborator prin cântărire directă cu ajutorul cilindrilor gradaţi sau a picnometrelor, iar în şantier cu ajutorul densimetrelor de construcţie specială. 3.2. Viscozitatea aparentă şi gelaţia fluidelor de foraj Viscozitatea aparentă a unui fluid reprezintă proprietatea lui de a opune rezistenţă la curgere. Cantitativ, viscozitatea (notată cu η) este o măsură a acestei rezistenţe şi se defineşte ca raport între tensiunea de forfecare τ şi viteza de forfecare dv/dx şi este constantă pentru fluidele newtoniene. Fluidele de foraj sunt sisteme eterogene care nu se supun legii de curgere newtoniene: curgerea lor nu poate fi descrisă prin intermediul unui singur coeficient de viscozitate. Ele posedă proprietăţi structural-mecanice mai complexe, iar comportare la curgere este descrisă de doi sau mai mulţi parametrii sau constante reologice. În practica de şantier se foloseşte încă pe scară largă o viscozitate convenţională (aparentă) pentru fluidele de foraj, care se măsoară cu viscozimetrul pâlnie tip Marsh (VM); această viscozitate Marsh este calitativă, este influenţată de densitatea fluidului şi proprietăţile lui tixotropice şi nu poate fi utilizată în calculele hidraulice. Pâlnia Marsh are dimensiuni standard, capacitate 1,5 dm3 (prevăzută la partea inferioară cu un tub calibrat, iar la partea superioară cu o sită metalică) şi cu ajutorul unei căni cu volumul de 1 dm3 se măsoară timpul în care se scurge 1 l de noroi din 1,5 l; timpul de scurgere a apei este de 28 s, iar noroaiele uzuale au viscozitatea 30…70 s. 3.3. Proprietăţile reologice ale fluidelor de foraj Comportarea la curgere a fluidelor şi a sistemelor disperse cu faza continuă fluidă este descrisă printr-o serie de modele matematice, denumite şi ecuaţii constitutive, legi de curgere sau modele reologice. Ele exprimă relaţia dintre tensiunile tangenţiale τ, care iau naştere într-un fluid în mişcare şi vitezele de deformare (forfecare) dv/dx, în regim laminar de curgere.

a. b. c. Fig.3.1 Reograme caracteristice

13

Fluide de foraj

Mărimile τ şi dv/dx reprezintă variabilele reologice, iar parametrii scalari sunt constantele reologice ale respectivelor ecuaţii. Valorile acestora se obţin prin prelucrarea mărimilor măsurabile, specifice fiecărui tip de viscozimetru cum sunt, de exemplu, debitul şi căderea de presiune (pentru cele tubulare) sau turaţie şi momentul de torsiune (pentru viscozimetru cu cilindri coaxiali). Diagramele τ=f(dv/dx) se numesc reograme. Pentru fluide simple, omogene (în categoria cărora intră apa, gazele, produsele petroliere, soluţiile de electroliţi şi alte lichide monofazice cu masă moleculară redusă), viteza de forfecare este proporţională cu tensiunea de forfecare:

dxdv

dητ = (3.3)

Reogramele acestor fluide sunt drepte ce trec prin origine (fig.3.1.a), panta acestora reprezentând chiar constanta reologică ηd, adică viscozitatea dinamică sau absolută. Pentru o anumită temperatură şi presiune ηd este constantă, independentă de viteza de deformare, iar fluidele ce se comportă după acest model sunt numite newtoniene. Din punct de vedere fizic, viscozitatea lor reprezintă o măsură a frecării interioare, intermoleculare. Fluidele de foraj, având o structură eterogenă, nu se supun legii de curgere newtoniene, iar viscozitatea nu mai este o constantă. Ea depinde de viteza de forfecare la care a fost efectuată determinarea, se numeşte viscozitate aparentă, iar fluidele-nenewtoniene. Ecuaţia constitutivă a fluidelor de foraj şi a pastelor de ciment puţin tratate este, după Bingham:

dxdv

plηττ += 0 (3.4)

Reogramele acestor fluide (fig.3.1.b.) sunt drepte cu ordonata la origine τo. După cum rezultă din ecuaţia de mai sus, fluidele binghamiene au două constante reologice: ηpl-viscozitatea plastică sau structurală; τo- tensiunea dinamică de forfecare.

dxdvtgpl

0ττβη −== (3.5)

De remarcat că ηpl reprezintă chiar panta dreptei şi, din punct de vedere fizic, este tot o măsură a frecărilor interne din sistem, respectiv dintre moleculele mediului de dispersie, dintre moleculele acestuia şi particulele fazelor dispersate, precum şi dintre particulele disperse între ele. Viscozitatea plastică dă indicaţii asupra conţinutului total de particule solide din sistem. Tensiunea dinamică de forfecare τo este o rezistenţă suplimentară ce trebuie învinsă în timpul curgerii, pentru a preveni tendinţa anumitor particule dispersate din sistem de a forma structură; în cazul noroaielor de foraj τo dă indicaţii asupra conţinutului de argilă bentonitică (distanţa dintre particule), proprietăţile ei de suprafaţă

14

Fluide de foraj

(gradul de ionizare, grosimea stratului dublu electric, natura ionilor), concentraţia şi natura ionilor din faza continuă, prezenţa unor substanţe cu acţiune ecranantă. Fluidele de tip Ostwald de Waele (în categoria cărora intră fluidele de foraj cu conţinut redus de solide argiloase şi polimeri floculanţi, fluidele pe bază de produse petroliere şi pastele de ciment puternic tratate) au următoarea ecuaţie constitutivă:

n

dxdvk ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=τ (3.6)

Reograma lor este o curbă de putere (fig.3.1.c), modulii reologici fiind: k-indicele de consistenţă; n-indice de comportare. În general, k, indicele de consistenţă creşte cu conţinutul de particule dispersate şi atunci când noroiul este floculat. Indicele de comportare reologică n este de regulă subunitar, pentru majoritatea fluidelor de foraj şi a pastelor de ciment având valori cuprinse între 0,6...1 . Toate fluidele care nu respectă legea lui Newton se consideră în categoria celor nenewtoniene. Caracteristic acestor fluide este faptul că viscozitatea lor aparentă (definită ca o viscozitate totală) nu mai este o constantă, ci se modifică funcţie de viteza de deformare. Astfel, comparând relaţiile, rezultă următoarele expresii pentru viscozităţile aparente ale fluidelor binghamiene sau ostwaldiene:

dxdv

dxdv

0plap

τητη +==

(3.7)

1n

ap dxdvk

dxdv

−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

τη care confirmă dependenţa viscozităţii aparente atât de viteza de deformare, cât şi de parametri reologici. Viscozitatea aparentă, deşi nu se foloseşte în calculele hidraulice, se măsoară de obicei, pentru că dă indicaţii asupra rezistenţei totale pe care fluidul o opune curgerii şi permite compararea între ele a diferitelor fluide. Pentru a se putea face această comparare este necesar ca măsurătoarea să se facă la o viteză standard de deformare; pentru viscozimetrele folosite în practică (modelele FANN, Baroid, Stormer), viscozitatea aparentă-ηap se determină la o viteză de deformare corespunzătoare turaţiei de 600 rot/min. Dacă reograma indică un model newtonian de curgere (sau dacă se ştie dinainte că fluidul cercetat este newtonian), valoarea viscozităţii dinamice este:

, (3.8) 300d ϕη =

în care ϕ300 este unghiul de torsiune înregistrat la aparatul FANN-35A, la 300 rot/min. Pentru fluide binghamiene (care posedă două constante reologice) este necesară măsurarea unghiurilor de torsiune la două turaţii diferite ale cilindrului exterior (la 600 şi 300 rot/min.), relaţiile de calcul fiind următoarele:

15

Fluide de foraj

şi

300600pl ϕϕη −=. (3.9) ( )60030024790 ϕϕτ −= ,o

În cazul fluidelor de tip Ostwald, relaţiile de calcul ale parametrilor reologici sunt:

300

600lg32,3nϕϕ

= (3.10)

300n5115077,0k ϕ=

Pentru ambele fluide nenewtoniene viscozitatea aparentă este

2600

apϕ

η = . (3.11)

La viscozimetrul FANN-35A se pot măsura şi proprietăţile de structurare ale fluidului de foraj, respectiv valorile tensiunilor statice de forfecare, după diferite perioade de rămânere în repaus ale acestuia (de regulă, după 1min. şi 10 min. se citeşte valoarea maximă a unghiului de rupere a gelului, ϕ ). Rezistenţa de gel, numită tensiune statică de forfecare şi notată θ , va fi:

. (3.12) ϕθ 479,0=

3.4. Propietăţi tixotropice În general, prin tixotropie se înţelege gelificarea unei soluţii când este lăsată în repaus şi revenirea gelului în soluţie prin agitare (peptizare). Capacitatea tixotropică a unui fluid de foraj se apreciază prin valoarea tensiunii statice de forfecare (rezistenţă de gel sau limită adevărată de curgere), după o anumită perioadă de rămânere în repaus şi prin viteza cu care această rezistenţă creşte în timp. Valoarea rezistenţei de gel depinde de natura şi concentraţia argilei din sistem, de gradul de dispersare, prezenţa electroliţilor şi a substanţelor protectoare, ecranante, temperatură şi presiune. Iniţial, gelificarea se desfăşoară rapid, apoi ritmul se încetineşte, dar procesul poate continua câteva ore, zile sau chiar luni. Spre exemplificare, în figura 3.2 sunt prezentate curbe caracteristice, care permit să se arecieze, prin comparaţie, însuşirile de formare a structurii de gel pentru câteva noroaie tipice. Limita inferioară a tensiunii statice de forfecare, corespunzătoare gelurilor foarte slabe, este de N/m1,5...2 2, în timp ce limita superioară, specifică gelurilor puternice, se situează între N/m20 15... 2. Fluidele de foraj cu proprietăţi tixotropice sunt capabile să menţină în suspensie materialele inerte de îngreuiere şi detritusul, însuşire necesară mai ales la oprirea circulaţiei în sondă. Totuşi, valori ridicate ale tixotropiei (gelaţii mari şi viteze rapide de

16

Fluide de foraj

gelificare), provoacă greutăţi la curăţirea fluidului de foraj, presiuni sau depresiuni periculoase la pornirea circulaţiei sau manevrarea materialului tubular aflat în sondă.

Fig. 3.2. Curbe caracteristice de gelificare.

3.5. Conţinutul de lichide şi solide Pentru fluidele de foraj pe bază de apă şi argilă, faza continuă este alcătuită din argilă (pentru crearea suportului coloidal) şi materiale de îngreuiere, iar faza lichidă din apă şi, eventual, motorină, în cazul în care noroiul a fost emulsionat. La fluidele de foraj fără motorină sau alt produs petrolier, conţinutul de particule solide se poate determina prin uscarea completă într-o etuvă, la 1050C, a unui anumit volum măsurat de noroi şi cântărirea solidelor rămase. Se acceptă că detritusul a fost separat în sistemul de curăţire al instalaţiei de foraj, fracţiunile fine de argilă înglobate în noroi, intrând în categoria argilă. Fluidele care conţin apă şi petrol sunt analizate cu ajutorul a diferite retorte, prin distilarea unui volum cunoscut (10-100 cm3) de noroi şi măsurarea lichidelor condensate. La fluidele pe bază de produse petroliere faza lichidă este alcătuită din motorină şi apă, iar faza solidă din materiale de îngreuiere şi cele folosite pentru controlul proprietăţilor colmatante şi structurale (asfalt oxidat, argilă organofilă). Analiza conţinutului de solide şi lichide prin metoda retortei se face pentru a stabili compoziţia oricărui fluid, dar mai ales la cele cu conţinut redus de solide argiloase, unde interesează în mod deosebit procentul de argilă (Vag în % volum/volum) şi cele pe bază de produse petroliere, la care raportul motorină/apă şi conţinutul de solide au influenţă directă asupra proprietăţilor reologico-coloidale şi stabilităţii noroiului. a. Calculul cantităţilor de lichide şi solide pentru fluide nesaline Cunoscând că:

17

vn este volumul probei de noroi analizat (10 cm3, în cazul retortei tip “Cîmpina”);

Fluide de foraj

va- volumul de apă colectat în cilindrul gradat; vm - volumul de motorină, se calculează conţinutul procentual pentru acestea:

100

vvv

n

aa ×= %(volum/volum)

(3.13)

100vvv

n

mm ×= %(volum/volum)

Volumul şi masa solidelor conţinute de noroi şi rămase în retortă (vs şi ms) se calculează cu ajutorul relaţiilor:

( )mans vvvv +−= (3.14) ( )mmaanns vvvm ρρρ +−=în care:

ρn, ρa şi ρm sunt densităţile noroiului, apei şi motorinei (ρa=1g/cm3, iar ρm=0,85 g/cm3). Valorile găsite (vs şi ms) sunt necesare pentru calcularea conţinutului de argilă şi barită din proba de noroi. Înainte de a efectua aceste calcule se verifică densitatea solidelor (ρs) rămase în retortă, pentru a controla corectitudinea măsurătorii:

s

ss v

m=ρ (3.15)

Măsurătoarea poate fi considerată corectă dacă ρag < ρs < ρb, în care: ρag este densitatea argilei ( kg/m500 2 3); ρb, densitatea baritei cu care s-a îngreuiat noroiul ( kg/m500 4 600... 3 3). Conţinutul de argilă şi barită din noroiul analizat se află rezolvând sistemul de ecuaţii:

sbag vvv =+

(3.16)

sbbagag mvv =+ ρρ

de unde rezultă:

agb

sbsag

mvvρρ

ρ−−

=

(3.17) agsb vvv −=

Conţinutul procentual de solide va fi:

100

vv

vn

agag ×= %(volum/volum)

(3.18) 100

vvv

n

bb ×= %(volum/volum)

18

Fluide de foraj

b. Calculul cantităţilor de lichide şi solide pentru fluide ce conţin săruri dizolvate Atunci când fluidul de foraj conţine şi săruri (NaCl, KCl, CaCl2 ), acestea se află dizolvate în apa liberă, dar în urma distilării la retortă vor rămâne sub formă de cristale în celula 1, alături de argilă şi barită (conţinutul total de particule solide). Relaţiile de calcul de mai sus se corectează astfel, dacă avem de exemplu noroi sărat:

( )∑++−= vvvvv mans (3.19) ( )∑++−= mvvvm mmaanns ρρρ

în care: vΣ este volumul pe care îl ocupă sarea în proba de noroi; mΣ -masa sării din probă. Pentru a determina valorile vΣ şi mΣ se procedează astfel: -pe filtratul noroiului analizat se măsoară concentraţia de sare CΣ (în kg/m3 şi a se vedea lucrarea “Determinarea conţinutului de săruri solubile”), valoare care pentru calculele de mai sus se exprimă în g/cm3 filtrat; -se calculează masa sării din cei 10 cm3 noroi analizat:

(3.20) avCm ∑∑ =

şi volumul de sare:

∑

∑∑ =

ρm

v (3.21)

unde densitatea sării se consideră ρΣ =2,17g/cm3 (la 200C, solubilitatea ei în apă este 316 kg/m3 soluţie, densitatea acesteia fiind 1200 kg/m3). Stabilind valorile pentru vs şi ms, se calculează conţinutul de argilă şi barită. 3.6. Conţinutul echivalent de bentonită În fluidele de foraj pe bază de apă şi argilă se află, de regulă, minerale argiloase aparţinând tuturor grupelor de argile cunoscute (illite, caolinite, smectite etc.). Dintre acestea, argilele bentonitice sunt cele care conferă noroiului proprietăţi structural-mecanice, de filtrare şi colmatare, precum şi comportarea lor la diferite tratamente sau în prezenţa contaminanţilor. De asemenea, bentonitele sunt cele care prin proprietăţile lor de hidratare şi umflare se dispersează la nivel coloidal şi au o mare capacitate de schimb cationic. Capacitatea totală de schimb cationic dă indicaţii asupra conţinutului de minerale active, faţă de restul mineralelor inactive din sistem. Dintre metodele de măsurare a capacităţii de schimb cationic, cea mai utilizată este metoda albastrului de metilen. Determinarea se bazează pe adsorbţia mult mai intensă a albastrului de metilen de către bentonită (aproximativ g albastru de 0,3 0,25...

19

Fluide de foraj

metilen la 1g bentonită) faţă de celelalte minerale argiloase (mai puţin de g albastru de metilen la 1g de illite şi caolinite).

0,05

Deoarece albastrul de metilen consumat în timpul măsurătorii (şi care stă la baza calculării conţinutului de bentonită) este adsorbit într-o oarecare măsură şi de mineralele argiloase nebentonitice, ceea ce se determină prin calcul se numeşte, convenţional, conţinut echivalent de bentonită (conţinutul real de bentonită va fi ceva mai mic). Stabilirea conţinutului echivalent de bentonită serveşte la calcularea unui indicator important, mai ales la aşa-zisele fluide cu conţinut redus de solide argiloase. Metoda este însă aplicabilă şi pentru determinarea capacităţii de schimb cationic a unei roci argiloase oarecare (din detritus sau dintr-o carotă şi se exprimă în meq albastru de metilen/100 g probă, fiind egală cu numărul de cm3soluţie/g argilă). 3.7. Conţinutul de nisip Conţinutul de nisip dintr-un fluid de foraj se exprimă prin concentraţia volumică, procentuală, de particule solide cu diametrul propriu al particulei, dp>74µm (200mesh) şi se măsoară, de regulă, după ce fluidul a trecut prin sistemul de curăţire de la suprafaţă (site vibratoare, hidrocicloane etc.). Prin nisip se înţelege totalitatea particulelor solide din fluidul de foraj, provenite din rocile traversate (intercalaţii nisipoase, gresii slab consolidate etc.), cu diametrul cuprins între 75 şi 150 µm, care, de regulă, nu influenţează sensibil proprietăţile utile ale fluidului de foraj (densitate, viscozitate), în schimb, aceste particule grosiere provoacă uzura echipamentului prin care circulă fluidul de foraj. Nisipul imprimă fluidului de foraj proprietăţi abrazive şi erozive, reducând durata de funcţionare a pompelor, lagărelor, duzelor sapei etc., iar atunci când este în concentraţii excesive crează pericolul de prindere a garniturii de foraj la oprirea circulaţiei. Se determină prin diluarea şi cernerea unui volum măsurat de noroi pe o sită de 200 mesh, prin elutriere (antrenarea într-un curent ascensional a particulelor mai mici de m74µ ) sau prin sedimentare într-un decantor. Se exprimă procentual, faţă de volumul de fluid analizat. 3.8. Conţinutul de gaze În timpul forajului, la traversarea unor formaţiuni gazeifere, acestea pot pătrunde în noroi, scăzând densitatea lui şi provocând o creştere a viscozităţii. Acelaşi fenomen se poate produce şi în timpul îngreuierii sau al altor tratamente chimice. În laborator, conţinutul de gaze se poate determina prin diluarea noroiului: viscozitatea lui scade şi gazele se elimină la o simplă agitare. În mod practic se procedează astfel: se toarnă 100 cm3 noroi într-un cilindru gradat cu dop rodat de 250 cm3. Se completează cu apă şi se agită intens timp de un minut. Se lasă apoi un timp suficient în repaus, după care se citeşte volumul de amestec. Diferenţa faţă de 250 cm3 constituie tocmai concentraţia de gaze, în procente. Un alt procedeu este următorul: se măsoară densitatea noroiului gazeificat ρng, se diluează cu apă în proporţie determinată, x = Va/ Vn, se agită amestecul până la

20

Fluide de foraj

evacuarea gazelor şi se măsoară densitatea noroiului diluat ρnd. Dacă se neglijează masa gazelor, rezultă:

xax

VVVVV ang

agn

aanngnd +−

+=

+−

+=

1ρρρρ

ρ . (3.22)

De aici, conţinutul de gaze este: .

nd

ang

n

g xx1

VV

aρ

ρρ +−+== (3.23)

Dacă se ia x = 1,

nd

angnd2a

ρρρρ −−

= , (3.24)

Densitatea noroiului negazeificat este:

a1VVV ng

gn

nngn −

=−

=ρρ

ρ . (3.25)

Conţinutul de gaze se poate determina cu mai multă precizie prin distilarea în vacuum. Vaporii de apă sunt condensaţi, iar gazele trec printr-un tub gradat, unde li se poate măsura volumul pe care îl ocupă. 3.9. Capacitatea de filtrare şi colmatare La deschiderea prin foraj a formaţiunilor, rocile ce le compun (din peretele sondei) vin în contact cu fluidul de foraj. Datorită diferenţei pozitive dintre presiunea fluidului din sondă şi cea a fluidelor din porii rocilor, o parte din faza liberă a noroiului va pătrunde în pori (fenomenul de filtrare) şi, simultan, pe peretele sondei se depune o parte din particulele solide din noroi, sub forma unei turte (fenomenul de colmatare). În faza iniţială, viteza de filtrare este determinată de permeabilitatea rocii, iar după podirea porilor superficiali cu particule solide (aşa-zisul colmataj intern) şi iniţierea turtei de colmatare propriu-zisă, viteza de filtrare scade simţitor, fiind dependentă în mare parte doar de permeabilitatea turtei, care este mult mai mică (de ordinul 10-6 ), decât cea a rocilor (care poate fi 102mµ -2…10-1 , unde 1 ).

2mµDarcym 12 =µ

Un bun fluid de foraj trebuie să posede un filtrat redus şi o turtă de colmatare subţire, pentru a nu afecta stabilitatea rocilor slab consolidate şi, mai ales, permeabilitatea stratelor purtătoare de hidrocarburi. Capacitatea de filtrare a unui fluid de foraj caracterizează starea fizico-chimică a sistemului, respectiv : gradul de dispersie şi hidrofilitatea particulelor solide, prezenţa şi concentraţia coloizilor de protecţie, prezenţa contaminanţilor, care provoacă fenomenul de coagulare a particulelor argiloase şi creşterea semnificativă a cantităţii de apă liberă, a vitezei de filtrare şi chiar pierderea stabilităţii fluidului.

21

Fluide de foraj

Evaluarea cantitativă a cumulativului de filtrat (Vf, în cm3) şi a grosimii turtei de colmatare (t, în mm) se face în condiţii statice, în celulă standard API (presă-filtru), la o presiune de 7 bar, temperatură ambiantă şi într-un interval de timp de 30 minute. Din cauza dificultăţilor de determinare a capacităţii de filtrare şi colmatare a fluidelor de foraj în condiţii dinamice, de temperatură şi presiune apropiate de condiţiile reale, exprimarea cantitativă a cumulativului de filtrat se face în condiţii statistice. Conform legii lui Darcy, viteza de filtrare este

χ∆

ηpk

dtdV

A1v ⋅=⋅= , (3.26)

în care: A reprezintă aria suprafeţei secţiunii de filtrare; V -volumul cumulativ de filtrat, după timpul t; k -permeabilitatea turtei; η -viscozitatea fazei lichide; ∆p -diferenţa de presiune sondă-strat; χ -grosimea turtei. Dacă se consideră volumul solidelor depuse (volumul turtei) proporţional cu volumul de filtrat (de acceptat în condiţii statice şi în condiţiile ipotezelor simplificatoare: perioada iniţială este neglijabilă, turta este incompresibilă, grosimea turtei este relativ mică în raport cu raza sondei), se poate scrie

bVA ⋅=⋅ χ , (3.27) unde b este o constantă ce exprimă concentraţia de particule solide; după integrare se obţine relaţia

η∆⋅

⋅⋅⋅⋅=

btpk2AV . (3.28)

Cu cât permeabilitatea turtei este mai mică, cu atât grosimea turtei depuse şi volumul de filtrat sunt mai reduse, la concentraţii de particule comparabile. Fluidele bogate în substanţe coloidale depun turte subţiri şi au viteze de filtrare scăzute, iar cele cu un conţinut ridicat de particule inerte vor avea viteze mari de filtrare şi vor depune turte groase. Deoarece turta de colmatare este mai mult sau mai puţin compresibilă, permeabilitatea ei scade cu creşterea presiunii. În aceste condiţii, volumul de filtrat creşte dar cu un ritm mai scăzut decât cel modelat de ultima relaţie. Viteza de filtrare creşte cu temperatura, deoarece scade viscozitatea fazei lichide, iar la temperaturi ridicate datorită coagulării fazei argiloase, ceea ce determină creşterea ponderii fazei libere din sistem. Rezultatele obţinute prin aceste determinări sunt de cele mai multe ori departe de cele obţinute în condiţiile de circulaţie a noroiului de foraj şi la temperaturi şi presiuni apropiate de cele din sondă. În timpul circulaţiei (filtrarea dinamică), grosimea turtei se stabilizează când forţele de depunere a particulelor de solide sunt echilibrate de cele de eroziune, deşi compactizarea turtei mai continuă o perioadă, iar viteza de filtrare şi volumul cumulativ de filtrat pătruns în formaţie depind de viteza de circulaţie a fluidului, de viscozitatea noroiului, rezistenţa la eroziune a turtei etc.

22

Fluide de foraj

23

Faza apoasă pătrunsă în formaţiunile traversate, în urma fenomenului de filtrare şi colmatare, conduce la producerea a diferite efecte nefavorabile: • hidratează şi umflă rocile sensibile la apă (se strâng pereţii sondei, apar dificultăţi la

manevrarea garniturii de foraj, creşte pericolul de prindere a garniturii şi a coloanei de burlane);

• reduce coeziunea şi stabilitatea rocilor friabile; • în stratele productive se micşorează permeabilitatea, ceea ce conduce la scăderea

productivităţii sondei. Efectele negative ale pătrunderii filtratului sunt legate de natura rocilor traversate şi sunt cu atât mai accentuate cu cât presiunea din porii acestora este mai mică. În rocile argiloase, cu excepţia celor fisurate, nu are loc invazia filtratului, deoarece acestea sunt impermeabile, dar există o corelaţie indirectă filtrare-umflare. În rocile permeabile, cantitatea de apă pătrunsă sub formă de filtrat provoacă însă hidratarea şi umflarea marnelor şi argilelor, intensitatea producerii acestora fiind determinată în mare măsură de alte fenomene cum sunt: osmoza, difuzia, schimbul de bază, protecţia coloizilor etc. Modul în care filtratul din fluidul de foraj reduce permeabilitatea stratelor productive este complex, iar procesele care au loc depind de o serie de factori, cum sunt: structura reţelei de canale capilare, gradul de interconexiune dintre acestea şi gradul de accesibilitate, modificarea umidibilităţii iniţiale a rocilor, prezenţa particulelor argiloase (care produc clay blocking), a solidelor antrenate de fluid sau desprinse din rocă, formarea unor emulsii vâscoase de ţiţei-filtrat, formarea unor precipitate insolubile etc. 3.10. Indicele pH Prin indicele pH (sau exponent de hidrogen) se exprimă logaritmul negativ zecimal al concentraţiei momentane de ioni de H+ dintr-o soluţie. Cu ajutorul lui se determină aciditatea sau alcalinitatea unei soluţii sau fluid de foraj, în care se află disociaţi diverşi electroliţi, cunoscut fiind că: între 0-7 soluţiile sunt acide; la pH = 7 sunt neutre; între 7-14 soluţiile sunt bazice. Cunoaşterea concentraţiei ionilor de hidrogen (H+) este necesară pentru controlul şi reglarea unor proprietăţi ale fluidelor de foraj, dar poate să indice şi prezenţa unei contaminări cu sare, anhidrit, ciment etc. În general se impune ca fluidul de foraj să nu prezinte reacţie acidă (pH<7), deoarece în acest caz se accentuează procesele de coroziune ce duc la degradarea echipamentului de foraj. Fluidele de foraj preparate din apă şi argilă (noroaie naturale), netratate, au pH-ul cuprins între 7 şi 8, iar cele tratate au pH-ul între 8 şi 13 (conţin sodă caustică, sodă calcinată şi chiar var). Valoarea optimă a pH-ului depinde însă de tipul noroiului. Indicele pH se măsoară colorimetric sau potenţiometric. Metoda colorimetrică presupune folosirea unor indicatori de culoare impregnaţi pe benzi din hârtie de filtru. Aceşti indicatori sunt substanţe organice, care se comportă ca nişte electroliţi slabi, gradul de disociere fiind dependent de aciditatea sau alcalinitatea soluţiei în care se introduc. Prin disociere au loc şi schimbările de culoare. Există diverse mărci de hârtie indicatoare (Haska, E. Merck, Magcobar, Baroid etc.), sub formă de benzi sau folicule, toate însoţite de o scară de culori etalon, cu care

Fluide de foraj

se compară după umectarea şi stabilizarea culorii (aproximativ 30 s), hârtia introdusă în filtrat. Precizia metodei este de 0,2- 0,5 unităţi. Atunci când filtratul este colorat, precum şi la concentraţii mari de sare, metoda hârtiei indicatoare devine imprecisă. Metoda potenţiometrică are la bază următorul principiu: două soluţii cu concentraţia ionilor H+ diferită, separate de o membrană subţire de sticlă, creează o diferenţă de potenţial ce poate fi amplificată şi măsurată. Un pH-metru conţine un electrod propriu-zis, introdus într-un balon subţire de sticlă şi o soluţie dată, precum şi un electrod de referinţă. Se măsoară diferenţa de potenţial dintre soluţia (fluidul de foraj) în care cei doi electrozi sunt imersaţi şi electrodul de măsură, în unităţi de pH (pentru calibrare se folosesc soluţii etalon, cu pH-ul cunoscut). 3.11. Determinarea alcalinităţii Alcalinitatea unei soluţii exprimă excesul de anioni în raport cu cel de cationi. Cunoaşterea alcalinităţii unui fluid sau cea a filtratului permit controlul şi aplicarea unor tratamente chimice adecvate, îndeosebi la fluidele pe bază de var sau gips (cu bazicitate ridicată). Deoarece scara pH este logaritmică, la valori mari alcalinitatea poate varia considerabil fără ca pH-ul să se modifice sensibil şi, în plus, pot rămâne substanţe bazice nedisociate, care nu influenţează pH-ul. Astfel, alcalinitatea devine o proprietate mai relevantă decât pH-ul. Realizarea mediului alcalin la fluidele de foraj se face cu hidroxid de sodiu (NaOH) sau hidroxid de calciu (Ca(OH)2), iar alcalinitatea nu este determinată numai de prezenţa ionilor de hidroxil (OH)-, ci şi de grupările de carbonaţi CO3

-2 şi bicarbonaţi HCO3

- care pot apărea în soluţie. Dacă alcalinitatea este produsă numai de ionii de hidroxil sau cantităţi reduse de carbonaţi şi bicarbonaţi, atunci fluidul de foraj este stabil şi uşor de controlat. Dacă însă alcalinitatea se datoreşte ionului HCO3

- sau unei combinaţii de CO3-2 şi HCO3

- atunci fluidul devine instabil şi greu de controlat, ceea ce subliniază importanţa determinării alcalinităţii, mai ales la fluidele de foraj cu pH ridicat. Prin convenţie, alcalinitatea unui noroi de foraj şi cea a filtratului reprezintă cantitatea de soluţie acidă 0,02 n (acid sulfuric sau azotic) necesară pentru neutralizarea bazicităţii unui cm3 de noroi sau filtrat. a. Alcalinitatea filtratului faţă de fenolftaleină Alcalinitatea filtratului se noteză cu Pf şi se calculează cu ajutorul relaţiei:

f

SOHf V

VP 42= (3.29)

42SOHVunde : este volumul de acid sulfuric 0,02 n consumat (în cm3); Vf –volumul probei de filtrat. b. Determinarea alcalinităţii totale Alcalinitatea totală reprezintă numărul total de cm3 de acid sulfuric 0,02 n consumaţi pentru a reduce indicele pH al filtratului la valoarea 4,3.

24

Fluide de foraj

Se adaugă probei anterioare câteva picături de bromcrezol (indicator) şi ea se va colora în verde. Se titreză apoi cu acid sulfuric, picătură cu picătură până ce culoarea se schimbă la galben (virajul are loc la indicele pH= 4,3). Alcalinitatea totală va fi:

fV

VP SOH

t42= (3.30)

42SOHV unde: reprezintă volumul total de acid sulfuric 0,02 n consumat (în cm3). Punerea în evidenţă şi determinarea cantitativă a ionilor de carbonat şi bicarbonat are loc pe baza cunoaşterii valorilor Pf şi Pt . Dacă alcalinitatea totală este de cinci ori mai mare decât alcalinitatea faţă de fenolftaleină, atunci este posibil să existe contaminare cu CO3

-2 sau HCO3- şi pentru a

preveni această contaminare se recomandă utilizarea varului sau a gipsului şi a hidroxidului de sodiu. Obs. Alcalinitatea faţă de fenolftaleină a noroiului Pn şi cea a filtratului Pf permit să se estimeze conţinutul de var liber, nedizolvat, dintr-un noroi:

kg Ca(OH)2 / m3 = 0,74 (Pn - vaPf) (3.31) Constanta 0,74 a fost obţinută înmulţind 0,02 (normalitatea acidului) cu 37 (masa echivalentă a varului). Pn exprimă concentaţia totală de var, dizolvat sau nedizolvat, şi de sodă caustică din noroi, iar Pf-concentraţia de var dizolvat şi de sodă caustică din filtrat. Fracţia de apă (va) dintr-un noroi se stabileşte printr-o probă de distilare. 3.12. Conţinutul de săruri solubile Analiza chimică a noroaielor de foraj şi a filtratului acestora urmăreşte stabilirea cantitativă a diverselor săruri dizolvate, care modifică proprietăţile de bază ale noroaielor, iar în cazul fluidelor de foraj tratate cu electroliţi (sare, var, gips etc.) se poate menţine concentraţia acestora în limitele optime. Măsurând periodic conţinutul de săruri dintr-un fluid se pot detecta stratele cu sare, gips, anhidrit, afluxurile de apă sărată, formaţiunile presurizate. a. Determinarea conţinutului de cloruri Această determinare constă în tratarea ionilor de clor cu azotat de argint, în prezenţa cromatului de potasiu ca indicator. Au loc următoarele reacţii chimice: NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3 (3.32) K2CrO4 + 2AgNO3 = Ag2CrO4 + 2KNO3 Când ionul de clor este complet precipitat sub formă de clorură de argint, un mic exces de azotat de argint face să se schimbe culoarea soluţiei de la galben, datorită cromatului de potasiu, la roşu-portocaliu (cărămiziu), ca urmare a formării cromatului de argint.

25

Se notează volumul de azotat de argint consumat (în cm3) la titrare, iar cantitatea de NaCl (sau poate fi KCl) din filtrat se calculează din relaţia:

Fluide de foraj

nfiltratcm

AgNOcmmNaClkg ××= 5,5833

33

nfiltratcm

AgNOcmmKClkg ××= 55,7433

33 (3.33)

unde n este normalitatea soluţiei de azotat de argint folosit (0,1 sau 1). b. Determinarea conţinutului de ioni de calciu Ionul de Ca2+ într-un fluid de foraj poate acţiona ca un contaminant, dacă se traversează formaţiuni ce conţin gips sau anhidrit (caz în care sunt afectate simţitor proprietăţile de filtrare, viscozitate, gelaţie), sau ca un cation polivalent, cu funcţiuni multiple în reglarea proprietăţilor de bază ale noroiului şi care trebuie menţinut între anumite limite în apa liberă a lui (de exemplu noroiul cu var, gips, CaCl2). Se titrează proba (sub agitare continuă) cu soluţie de Complexon III, până ce culoarea se schimbă de la roşu la albastru net. Se notează volumul de soluţie de Complexon III consumat şi se calculează concentraţia ionilor de calciu, în mg/l:

4008,01000f

filtratcmVC 3

CIIICa2 ×××=+ . (3.34)

În relaţie f este factorul soluţiei de Complexon III, iar VCIII reprezintă cm3 de soluţie de Complexon utilizaţi pentru titrare. Obs. a. Când filtratul conţine cantităţi moderate de lignosulfonaţi şi humaţi, virajul de culoare se produce de la roşu la gri-cenuşiu. b. Când filtratul conţine cantităţi mari de lignosulfonaţi şi humaţi (este puternic colorat), înainte de titrare se fierbe filtratul cu 5 cm3 de apă oxigenată şi 5 cm3 de H2SO4 (5 n) şi după aceea se adaugă soluţie tampon, indicator şi apă distilată. 3.13. Stabilitatea fluidelor de foraj Fluidele de foraj sunt sisteme disperse, eterogene, preparate cu faza continuă apă sau motorină şi densităţi ce variază de la 1000 la 2300 kg/m3. Lăsate în repaus, în sondă sau în habe, dar şi în prezenţa unor contaminanţi, au tendinţa să-şi separe fazele: particulele solide se depun, faza lichidă se separă la suprafaţă şi spumele se sparg. Prin stabilitate se înţelege proprietatea sistemelor disperse de a nu se separa în fazele lor componente. Stabilitatea fluidelor de foraj se evaluează pe mai multe căi, funcţie şi de tipul fluidului. a. Separarea de lichid la suprafaţă. Se determină prin volumul de lichid separat la suprafaţa unui cilindru gradat, plin cu fluid, după 24 ore de repaus. Fluidul este considerat stabil dacă nu separă mai mult de 1-2% lichid. b. Segregarea gravitaţională. Instabilitatea unui sistem dispers se poate manifesta prin coborârea parţială sau chiar depunerea particulelor solide, îndeosebi a celor cu densitate mare, grosiere, neumectabile. Ea poate fi apreciată prin diferenţa de densitate dintre jumătatea inferioară şi cea superioară a unei probe lăsate 24 ore în repaus într-un cilindru.

26

Fluidele obişnuite sunt considerate stabile dacă diferenţa de densitate dintre cele două jumătăţi este mai mică de 20 kg/m3, iar cele îngreuiate atunci când această diferenţă nu depăşeşte 50…60 kg/m3.

Fluide de foraj

27

c. Stabilitatea electrică. Determinarea stabilităţii electrice este o măsură a stabilităţii emulsiilor inverse. Se apreciează prin tensiunea electrică dintre doi electrozi imersaţi în fluid, aflaţi la o distanţă standard, la care emulsia se sparge: picăturile de apă, de regulă mineralizate, se unesc şi circuitul dintre electrozi se închide. O emulsie este considerată stabilă dacă tensiunea de spargere este mai mare de 100…150 V. Măsurarea stabilităţii emulsiei dă mai mult informaţii calitative. Nu există o relaţie între stabilitatea emulsiei şi tensiunea de dezemulsionare. Pentru măsurare se folosesc diferite aparate numite stabilimetre (testere). 3.14. Activitatea fazei apoase Principala cauză a instabilităţii rocilor argiloase o constituie adsorbţia apei şi a cationilor din fluidul de foraj, urmată de hidratarea, umflarea şi dispersarea acestora. Intensitatea producerii acestor fenomene este determinată de concentraţia şi mineralizaţia apei din fluidul de foraj şi din rocă, de natura mineralelor argiloase, de gradul de compactare a rocilor, posibilitatea sau imposibilitatea eliminării fluidelor din pori în timpul sedimentării etc. Activitatea fazei apoase a unui fluid de foraj exprimă măsura în care moleculele de apă au posibilitatea să interacţioneze cu rocile hidrofile traversate, direct sau prin osmoză. Pentru fluidele de foraj pe bază de apă, problema migrării apei este relativ complexă deoarece la limita dintre roca argiloasă şi fluid nu se formează, în general, o membrană semipermeabilă care să elimine difuzia cationilor. Fluidele pe bază de petrol şi cele cu polimeri formează pe suprafaţa rocii o membrană semipermeabilă din moleculele emulsionantului şi ale petrolului, respectiv din lanţurile de polimeri. Apa cu potenţial chimic mai scăzut migrează prin membrană în zona cu potenţial mai ridicat, tinzând spre un echilibru. Când faza apoasă din fluidul de foraj este mai puţin mineralizată decât cea din roca argiloasă, ea este mai activă şi pătrunde în rocă, producând diferite fenomene de instabilitate. Invers, când apa din formaţiune are un potenţial chimic mai scăzut, rocile se deshidratează şi se consolidează. Pentru a împiedica aceste fenomene de migrare a apei ar trebui să nu existe nici o diferenţă de potenţial. Fluidele a căror activitate este egală cu cea a apei din rocile traversate se numesc fluide cu activitate echilibrată.

Tabela 3.1. Activitatea apei cu diverse săruri, la salturaţie. S a r e a Activitatea KH2PO4 0,960 Na2C4H4O6 . 2 H2O 0,920 K2Cr2O7 0,908 (NH4)2SO4 0,800 NaCl 0,755 Ca (NO3)2 0,505 K2CO3 0,430 MgCl2 . 6 H2O 0,330 CaCl2 0,295 ZnCl2 0,100

Fluide de foraj

28

Activitatea apei mineralizate dintr-un fluid sau rocă poate fi definită ca raport între presiunea ei de vapori şi cea a apei curate (activitatea apei curate se admite egală cu unitatea). Presiunea de vapori a unei soluţii scade cu gradul de mineralizare. Pentru evaluarea activităţii apei dintr-un noroi există mai multe metode, una dintre acestea fiind măsurarea cantităţii de apă adsorbită de eşantioane de rocă în prezenţa fluidului de foraj, fără contact direct, într-un spaţiu închis (exicator). Anterior, se ridică o curbă de adsorbţie a eşantioanelor respective în prezenţa unor soluţii standard, cu activitate cunoscută. În acelaşi mod se determină şi activitatea apei dintr-o probă de rocă. O metodă mai rapidă de măsurare presupune folosirea unui higrometru electric. Având un set de soluţii cu activitate cunoscută se trasează o dreaptă care exprimă umiditatea vaporilor soluţiilor respective, în atmosferă închisă, în funcţie de activitate. Se măsoară apoi umiditatea vaporilor fluidului de foraj şi, cu ajutorul curbei de calibrare, se stabileşte activitatea lui. Prin reglarea corespunzătoare a activităţii fazei apoase a unui fluid (mai ales a emulsiilor inverse) se limitează invazia apei în rocile argiloase şi apariţia problemelor de instabilitate a rocilor. 3.15. Adezivitatea şi proprietăţile lubrifiante Garnitura de foraj (mai ales prăjinile grele), colana de burlane în timpul tubării sau diferitele instrumente geofizice pot fi prinse într-o sondă, mai ales atunci când ea se sapă înclinat sau orizontal. Prinderea prin lipire a garniturii sau coloanei de tubare se produce mai ales la rămânerea în repaus, datorită presiunii diferenţiale sondă-strat, iar desprinderea este cu atât mai dificilă, cu cât grosimea turtei de colmatare pe pereţii sondei, lungimea intervalului de prindere şi înclinarea sondei sunt mai mari. De asemenea, datorită forţelor de adeziune şi de frecare dintre metal şi turta de colmatare, desprinderea şi mişcarea lor poate deveni adeseori dificilă. Adezivitatea este un fenomen de suprafaţă, provocat de afinitatea moleculelor de lichid faţă de metal. Mărimea adezivităţii depinde de natura fazei lichide (apă sau petrol), tipul şi concentraţia materialelor aditive din fluid, prezenţa şi natura substanţelor tensioactive, timpul de contact. În mod practic, nu există o scară a adezivităţii, iar valorile măsurate sunt relative. Adezivitatea turtei de colmatare se poate aprecia cu diverse dispozitive, introduse într-o celulă de filtrare, măsurând:

• forţa de desprindere transversală a unui disc metalic lipit de o turtă de colmatare;

• forţa de dsprindere laterală a unei plăci sau tije metalice lipite pe suprafaţa unei turte;

• momentul de torsiune necesar desprinderii unui disc metalic lipit de turta de colmatare.

În acest fel sunt simulate de fapt fenomenele din sondă, dar ceea ce se măsoară include atât forţele de adeziune, cât şi pe cele de frecare. Proprietăţile lubrifiante ale fluidelor de foraj se evaluează prin mărimea coeficientului de frecare metal-rocă, metal-metal, metal-turtă de colmatare, metal-cauciuc, dar şi prin durata de lucru a elementelor metalice respective. Cunoscând coeficienţii de frecare se pot determina valorile forţelor de frecare ce intervin la manevrarea garniturii de foraj, la tubarea coloanelor, momentul necesar rotirii

Fluide de foraj

29

garniturii, momentul forţelor de frecare din lagărele motoarelor de fund şi a sapelor cu role etc. Proprietăţile de lubrifiere sunt influenţate de natura fazei continue şi a particulelor solide aflate în fluid, de prezenţa şi concentraţia diverşilor aditivi lubrifianţi, dar depind şi de alte condiţii de lucru, cum sunt: presiunea de contact, viteza de deplasare relativă, tipul contactului (permanent sau intermitent, de lunecare sau de rostogolire), de gradul de circulaţie a fluidului şi chiar timpul de contact. Pentru măsurarea coeficienţilor de frecare se folosesc diverse aparate, unele preluate din alte domenii, altele care să simuleze condiţiile din sondă (prezenţa unui fluid de foraj, a turtei de colmatare, a unei probe de rocă etc). Pentru reducerea acestor coeficienţi de frecare se adugă în fluidele de foraj aditivi lubrifianţi (se adsorb pe suprafeţele metalice, formând un film protector), cum sunt grafitul, uleiurile vegetale, diverse substanţe tensioactive etc., iar în lipsa lor, chiar argila şi particulele de barită pot contribui la reducerea frecărilor. 3.16. Capacitatea abrazivă şi erozivă Prezenţa particulelor solide din fluidele de foraj şi circulaţia intensă şi sub presiune a acestor fluide, provoacă adeseori uzura echipamentului cu care vin în contact. Uzura care se produce poate fi abrazivă sau prin eroziune. Uzura abrazivă este provocată de particulele dure din fluidul de foraj (cuarţul şi materialele de îngreuiere cu duritate mare), printr-un proces de microaşchiere a suprafeţelor de frecare sau o uzură de oboseală. Se produce în lagărele deschise ale sapelor cu role şi ale motoarelor de fund, la dinţii sapelor în contact cu roca, la frecarea racordurilor prăjinilor cu pereţii sondei, la mişcarea pistoanelor în cămăşile pompelor etc. Uzura prin abraziune sau oboseală este determinată de concentraţia, mărimea, duritatea şi forma (colţuroasă sau rotunjită) particulelor solide. Pentru că nu există o scară a abrazivităţii, măsurătorile care se fac (de obicei cu aceleaşi aparate cu care se măsoară coeficientul de frecare) au doar o valoare relativă. Uzura erozivă apare la elementele prin care circulă fluidul de foraj (prăjini, duzele sapei, pompe, manifold, motoare de fund) sau care se mişcă în raport cu acesta (supapele pompelor, dinţii sapelor, exteriorul prăjinilor). Capacitatea de eroziune a unui fluid de foraj este determinată de viteza de curgere, de unghiul de impact cu suprafaţa erodată, de masa şi concentraţia particulelor solide. La fel ca şi uzura abrazivă, uzura erozivă se apreciează în valori relative, ca pierderea de masă a unor epruvete testate în condiţii care să simuleze pe cele din sondă (aparate similare cu nişte agitatoare), iar pentru duzele sapei se poate aprecia creşterea diametrului datorită circulaţiei unui fluid. Uzura prin eroziune se poate diminua printr-o măcinare adecvată a materialelor de îngreuiere şi o curăţire cât mai eficientă a fluidului în sistemul de suprafaţă. Atât uzura abrazivă, cât şi cea erozivă intensifică efectul coroziv al fluidelor de foraj.

Fluide de foraj

30

4. Funcţiile fluidului de foraj Chiar dacă la începuturile forajului rotativ, fluidul de foraj utilizat era apa, iar treptat s-au dezvoltat şi diversificat noi tipuri de fluide pentru săparea unei sonde, ele îndeplinesc aceleaşi funcţii în procesul de foraj [1, 4, 6, 8, 11, 12]: • curăţă talpa sondei de detritus şi îl transportă la suprafaţă; • realizează contrapresiune asupra pereţilor sondei şi împiedică surparea rocilor slab

consolidate, precum şi pătrunderea nedorită în sondă a fluidelor din formaţiunile traversate;

• colmatează pereţii sondei în dreptul rocilor poros-permeabile, prin depunerea unei turte din particule solide (turtă de colmatare), datorită diferenţei de presiune sondă-strate, colmatajul reducând în acelaşi timp frecările dintre garnitura de foraj sau coloana de burlane şi rocile din pereţii sondei;

• contribuie la răcirea şi lubrifierea elementelor active ale sapei, lagărelor sapei sau motoarelor de fund, reducând frecările şi uzura garniturii de foraj;

• au capacitatea de a menţine detritusul în suspensie atunci când se opreşte circulaţia, iar datorită proprietăţilor tixotropice, noroiul revine la caracteristicile de fluid atunci când se reia circulaţia;

• reprezintă mediul prin care se transmite puterea hidraulică disponibilă de la suprafaţă la instrumentul de dislocare, fluidul fiind un parametru activ al regimului de foraj;

• preia o parte din greutatea garniturii de foraj şi a coloanei de burlane, ceea ce determină o scădere a greutăţii care trebuie suportată de echipamentul de suprafaţă;

• furnizează informaţii asupra rocilor interceptate şi a fluidelor din porii acestora. Pentru a îndeplini funcţiile enumerate, dar şi alte performanţe considerate necesare din punct de vedere al forajului, compoziţia şi natura fluidelor de foraj s-a diversificat continuu, astfel încât, multe dintre ele nu mai conţin deloc argilă, iar gradul de specializare al diferitelor fluide a căpătat o mare amploare (în mod special, sisteme de fluide cu un număr minim de componenţi şi care le deosebesc de fluidele convenţionale). Totuşi, fluidele de foraj trebuie să îndeplinească numeroase alte condiţii pentru ca sonda să se realizeze într-un timp cât mai scurt (fără accidente şi complicaţii), iar la punerea ei în exploatare să se realizeze o productivitate cât mai mare. Câteva dintre condiţiile suplimentare impuse fluidelor de foraj sunt [1, 4, 6, 8, 11, 12]: • să nu afecteze, fizic sau chimic, rocile traversate, adică să nu umfle şi să nu

disperseze marnele şi argilele, să nu dizolve rocile solubile, să nu erodeze rocile slab consolidate, să nu modifice permeabilitatea stratelor productive şi pe cât posibil, detritusul să nu fie dispersat sau hidratat;

• să nu fie la rândul lui afectat de mineralele solubile (sare, gips, anhidrit), de apele mineralizate, de gaze (dioxid de carbon, hidrogen sulfurat), temperaturi sau presiuni şi chiar detritusul argilos, deci fluidul să-şi păstreze proprietăţile în limite acceptabile;

Fluide de foraj

31

• să permită investigarea geofizică a rocilor şi fluidelor conţinute de acestea, precum şi recoltarea probelor de rocă, în condiţii cât mai apropiate de cele in situ;

• să prevină eroziunea şi coroziunea echipamentului din sondă; • să nu fie toxice, inflamabile sau să producă poluarea mediului înconjurător şi apelor

freatice; • să fie uşor de preparat, manipulat, întreţinut şi curăţat de detritus sau gaze; • să nu reclame cantităţi mari sau greu de procurat de aditivi pentru menţinerea

proprietăţilor, deci să fie pe cât posibil ieftine, iar pomparea să aibă loc cu cheltuieli minime de energie.

Din aceste cerinţe şi roluri pe care trebuie să le îndeplinească fluidele de foraj se poate vedea că nu se poate prepara un fluid care să răspundă la toate aceste condiţii. Se impune tot mai mult un proces de analiză şi diagnoză pentru fiecare zăcământ sau chiar sondă, cu soluţii individuale, şi acest mod de lucru devine tot mai răspândit. Proiectarea şi utilizarea unor sisteme de fluide special concepute pentru a răspunde cât mai bine unei situaţii concrete, în mod deosebit la deschiderea şi traversarea formaţiunilor productive, deşi în aparenţă măresc costul sondei, ele îşi dovedesc eficienţa prin creşterile de producţie ulterioare. 4.1. Curăţirea tălpii sondei de detritus şi evacuarea acestuia la suprafaţă Cea mai răspândită tehnologie de foraj este cea a forajului rotativ-hidraulic, cu circulaţie directă a fluidului de foraj. În urma lucrului sapei pe talpa sondei se formează fragmente de rocă, care trebuie îndepărtate înainte de acţiunea următorului dinte al sapei în acelaşi loc, astfel încât toate elementele active ale instrumentului de dislocare să lucreze permanent în rocă vie (deci să se realizeze o spălare perfectă prin degajarea imediată şi completă a detritusului rezultat în urma interacţiunii sapă-rocă). Într-o astfel de situaţie, viteza de avansare va fi maximă pentru o apăsare pe sapă şi turaţie date. Dacă însă aşchiile de rocă nu sunt îndepărtate de pe talpa sondei, are loc o acumulare de detritus, iar adâncimea de pătrundere a dinţilor sapei în rocă vie se reduce, având loc un consum inutil de energie şi o scădere a vitezei de avansare a sapei. Fenomenul este cunoscut sub numele de manşonarea tălpii sondei. La forajul în roci permeabile, mai ales în cazul unor presiuni hidrostatice mari, are loc formarea aproape instantaneu pe talpa sondei a unei turte de colmatare, alcătuită din particule solide din fluid sau rocă, ceea ce va determina scăderea vitezei mecanice. În formaţiunile cu roci plastice, datorită lipirii detritusului de elementele active ale sapei, are loc o încărcare sau manşonare a sapei, efectul de reducere a vitezei de avansare fiind cu atât mai accentuat cu cât apăsarea şi turaţia sunt mai mari (deci volumul de rocă dislocată şi neîndepărtată din talpă este mai mare). La forajul în roci dure, eventual impermeabile, prin acţiunea elementelor active ale sapei se pot forma, la nivelul fragmentelor de rocă din talpa sondei, fisuri insuficient dezvoltate pentru ca roca să fie uşor expulzată de la locul ei, lucru care, de asemenea, va determina o reducere a vitezei de avansare a sapei. Se poate spune că o spălare perfectă a tălpii şi a sapei, precum şi îndepărtarea imediată şi în totalitate a detritusului din talpa sondei pot fi realizate printr-o circulaţie corespunzătoare şi eficientă a fluidului de foraj. Factorii care determină eficienţa acestei circulaţii sunt:

• debitul fluidului;

Fluide de foraj

• viteza jeturilor; • geometria sistemului de spălare al sapei (numărul şi forma orificiilor de ieşire a

noroiului, poziţia şi distanţa lor faţă de talpă); • natura şi proprietăţile fluidului de foraj (densitatea, viscozitatea, capacitatea de

filtrare, conţinutul de solide, capacitatea de umectare etc.); • diametrul şi forma sapei; • natura formaţiunilor traversate (rezistenţa, gradul de consolidare,

permeabilitatea, presiunea şi natura fluidelor din pori). Pentru a pune totuşi în evidenţă modul în care are loc îndepărtarea particulelor de rocă de la talpa sondei, trebuie analizate separat influenţa proprietăţilor fluidului şi a factorilor tehnologici (debitul şi viteza jeturilor). 4.1.1 Influenţa factorilor tehnologici a. Influenţa debitului de circulaţie Debitul de fluid care ajunge la talpa sondei are rolul principal în spălarea detritusului format ca urmare a lucrului sapei (dar şi în răcirea şi lubrefierea elementelor active). Din fig.4.1 se poate vedea că odată cu mărirea debitului de circulaţie are loc şi creşterea vitezei de avansare a sapei. Experienţa practică a pus totuşi în evidenţă că, la valori suficient de mari ale debitului, ritmul de creştere a vitezei devine nesemnificativ sau chiar zero, în condiţiile în care, pentru o apăsare şi turaţie date, spălarea tălpii este realizată.

Debitul

Vite

za d

e av

ansa

re

Fig.4.1. Influenţa debitului asupra vitezei de avansare

Această dependenţă poate fi exprimată sub forma (relaţia lui Fedorov):

QbaQv⋅+

= , (4.1)

unde a şi b sunt două constante ale căror valori depind de proprietăţile rocilor, tipul şi dimensiunile sapei, apăsare, turaţie, proprietăţile fluidului etc. Orientativ, debitul de spălare, raportat la aria suprafeţei tălpii (debit specific), are valorile:

32

Fluide de foraj

23

sp cmsdm065,0...045,0Q ⋅= , (4.2) dar ele depind de viteza jeturilor, proprietăţile fluidului şi îndeosebi de diferenţa de presiune sondă-strat. Cu cât aceste condiţii sunt mai favorabile, cu atât debitul până la care viteza continuă să crească este mai mare. Uneori, ca urmare a creşterii debitului peste valorile optime care asigură spălarea tălpii, viteza poate chiar să scadă, urmare a creşterii căderii de presiune din spaţiul inelar. b. Influenţa vitezei jeturilor de fluid Impactul fluidului de foraj pe talpa sondei are ca urmare îndepărtarea fragmentelor de rocă. Un studiu al jeturilor unei sape în timpul forajului este însă destul de dificil şi nici nu constituie un obiectiv al acestui curs. De aceea, efectul vitezei jeturilor asupra vitezei de avansare a sapei va fi strict prezentat referitor la curăţirea tălpii sondei de detritus.

100

110

120

130

140

150

0 20 40 60 80 100

Viteza jeturilor, m/s

Creşt

erea

vite

zei,

%

granit

calcar

şist

Fig. 4.2. Influenţa vitezei jeturilor asupra vitezei de avansare

Pentru diferite tipuri de roci, la valori constante ale debitului de circulaţie, în fig.4.2 se pun în evidenţă creşterile importante ale vitezei de avansare a sapei odată cu creşterea vitezei jeturilor de fluid. Impactul perpendicular al jeturilor cu talpa are loc la o viteză axială relativ mare, 70…150 m/s, în raport cu cea circumferenţială provocată de rotirea sapei, 0,5…3,0 m/s. Deoarece suprafaţa de impact este relativ mică (o coroană circulară cu lăţimea de aproximativ trei ori diametrul duzelor), restul tălpii sondei este spălată de această mişcare paralelă cu talpa, numită şi curgere încrucişată, fluidul răspândit prin impactul unuia din jeturi, încrucişându-se cu cel împrăştiat de celelalte jeturi (fig.4.3). Prin această împrăştiere radială are loc îndepărtarea fragmentelor de rocă din talpă, care, înglobate ca detritus în fluidul de foraj, se ridică fie prin găurile de întoarcere din fălcile sapei, fie pe lângă pereţii sondei, prin spaţiul inelar, către suprafaţă. 33

Fluide de foraj

Fig. 4.3. Distribuţia presiunii dinamice pe talpa sondei şi curgerea paralelă cu talpa.

Dacă se consideră o particulă oarecare de detritus în planul tălpii sondei (fig.4.4), asupra ei vor acţiona atât forţe de reţinere a particulei pe talpă, cât şi forţe care tind să o îndepărteze.

Fig. 4.4. Forţele care acţionează asupra unei particule solide

în planul tălpii sondei Forţele care reţin particula pe talpă sunt:

• greutatea proprie şi forţa de inerţie a particulei, ; pG• forţa de presiune ( )pnp ppAF −⋅= 1 , creată de diferenţa dintre presiunea

noroiului şi cea a fluidelor de sub particulă (din porii rocilor), unde este aria proiecţiei particulei pe un plan paralel cu talpa sondei;

np pp

1A• forţa de frecare şi adeziune faţă de talpă, ( )ppad FGF +⋅= µ .

Forţele care tind să îndepărteze particula de detritus din talpa sondei sunt:

34

Fluide de foraj

• forţa de impact lateral (de antrenare laterală şi numai dacă particula depăşeşte planul tălpii), care, în regim turbulent, este:

np

i

vAcF ρ⋅⋅⋅=

2

2

2 , (4.3)

unde: c este un coeficient de rezistenţă hidraulică, care depinde de forma particulei şi regimul de curgere;

A2-aria proiecţiei particulei pe un plan perpendicular pe direcţia de curgere; vp-viteza curentului de fluid paralel cu talpa sondei; nρ -densitatea fluidului;

• forţa ascensională, provocată de diferenţa de viteză de deasupra şi de sub particulă

np

as

vAF ρ⋅⋅=

2

2

1 ; (4.4)

• forţa de frecare vâscoasă, creată de mişcarea fluidului 1AF pf ⋅= τ , (4.5)

unde pτ este tensiunea de forfecare a fluidului la suprafaţa particulei. În ipoteza că jetul de fluid ce iese din duzele sapei este perpendicular pe talpă, pentru curgerea paralelă cu talpa s-au stabilit următoarele relaţii:

( )

s

jp D

vQKv

21

1

/⋅⋅= (4.6)

( )

2

87

2s

jp D

vQK

/⋅⋅=τ ,

în care reprezintă diametrul sapei, iar sunt constante de proporţionalitate. sD 21 KK , Conform relaţiilor anterioare, rezultă că la o valoare maximă a produsului jvQ ⋅ se obţin viteze maxime de curgere în planul tălpii sondei, iar spălarea şi curăţirea de detritus sunt cu atât mai eficiente cu cât diametrul sondei este mai mic. În mod practic însă, viteza de avansare a sapei pentru anumite valori ale produsului

, încetează să mai crească, deoarece, pentru o apăsare pe sapă şi o turaţie date, se asigură condiţiile de spălare perfectă a tălpii sondei. În plus, în condiţii reale, orice creştere a debitului peste valoarea optimă conduce la creşterea căderilor de presiune în spaţiul inelar şi la scăderea vitezei mecanice de avansare a sapei.

jvQ ⋅

4.1.2 Influenţa compoziţiei şi proprietăţilor fluidelor de foraj. Proprietăţile unui fluid de foraj sunt funcţie de compoziţia şi natura lui, de aceea orice modificare a unui parametru este însoţită de schimbări ale valorilor altor parametrii. Acest lucru pune în evidenţă cât este de dificilă o analiză a influenţei separate a unei proprietăţi asupra vitezei de avansare a sapei şi complexitatea fenomenelor ce se produc la nivelul tălpii sondei, funcţie de caracteristicile şi natura fluidului. Din literatura de specialitate rezultă păreri contradictorii referitor la variaţia vitezei mecanice cu modificarea uneia dintre proprietăţile fluidului de foraj, singura influenţă certă fiind considerată cea a densităţii [5, 6, 8, 11]. Totuşi, pentru a pune în

35

Fluide de foraj

evidenţă gradul de influenţă a proprietăţilor fluidelor de foraj asupra vitezei de avansare a sapei, se impune o analiză a acestora, cel puţin calitativă. a. Densitatea Pentru a pune în evidenţă efectul densităţii fluidului de foraj asupra vitezei de avansare, se impune mai întâi precizarea presiunilor ce acţionează la talpa sondei asupra unui fragment de rocă:

• presiunea laterală (de confinare) pc a rocilor înconjurătoare, creată de presiunea litostatică pl ;

• presiunea de strat, sau, când există, presiunea fluidelor din pori pp; această presiune se consideră normală dacă corespunde unei coloane de apă de zăcământ cu densitatea 1030…1070 kg/m3;

• presiunea fluidului de foraj pn, care este dată de coloana hidrostatică de lichid, gHnρ , la care se adaugă căderea de presiune din spaţiul inelar, ambele constante pe întreaga talpă a sondei şi peste care se suprapun şi presiunile dinamice.

Fig. 4.5. Influenta diferenţei de presiune la talpa

sondei asupra vitezei de avansare

Din numeroasele cercetări de laborator, dar mai ales din rezultatele practice s-a constatat că viteza de avansare a sapei scade, pe măsură ce creşte presiunea pe talpă, sau mai exact, viteza mecanică este influenţată de diferenţa dintre presiunea fluidului de foraj şi cea a fluidelor din porii rocii, la nivelul suprafeţelor fisurate (pn-pp

,) (fig.4.5). Această diferenţă de presiune are un rol principal în procesul de îndepărtare a fragmentelor de rocă din talpa sondei şi cu cât aceasta este mai mică la nivelul de pătrundere a dinţilor sapei, cu atât va fi mai mare viteza de avansare a sapei. Ca urmare, se pot obţine viteze ridicate de foraj chiar cu fluide cu densitate ridicată, dacă diferenţa de presiune de deasupra şi de sub particula de rocă este redusă (îndepărtarea fragmentelor este cu atât mai uşoară cu cât presiunile pe feţele lor sunt mai apropiate). Efectul acestei presiuni diferenţiale pn-pp

, se manifestă mai pronunţat la valori mici şi în roci slabe sau permeabile, dar nu lipseşte nici în rocile impermeabile sau în rocile tari. În plus, s-a constatat că viteza mecanică creşte substanţial atunci când densitatea fluidului scade sub cea a fluidelor din pori. Aceste constatări practice au făcut ca în

36

Fluide de foraj

ultimii ani să se practice tot mai mult forajul la echilibru şi chiar forajul la subechilibru, mai ales că şi din punct de vedere tehnic s-au realizat progrese însemnate. Reducerea vitezei de avansare cu creşterea diferenţei de presiune pn-pp

, se explică prin creşterea rezistenţei rocii şi printr-o spălare necorespunzătoare a tălpii (fragmentele de rocă sunt reţinute pe talpă şi sapa nu mai lucrează în rocă vie). În practică, chiar dacă se lucrează cu un diferenţial de presiune de până la 25… 30 bar, la nivelul tălpii sondei, micşorarea acestei diferenţe are loc prin pătrunderea fluidului de foraj sau a filtratului pe suprafeţele de fisurare, filtrarea fluidului prin porii fragmentelor sau prin roca înconjurătoare, curgerea fluidului către suprafeţele de forfecare unde iniţial s-a creat o depresiune. De asemenea, experienţa de şantier a demonstrat că cele mai bune viteze de avansare au fost obţinute la utilizarea apei sau a fluidelor gazoase, dar orice performanţă depinde de natura rocilor în care se lucrează. b. Capacitatea de filtrare şi colmatare Procesul de reducere a presiunii la nivelul fragmentelor de rocă din talpa sondei este o consecinţă a pătrunderii fluidului de foraj sau a filtratului. Filtrarea fluidului prin talpa sondei favorizează avansarea sapei datorită egalizării presiunilor de deasupra şi de sub particulă, dar procesul de îndepărtare a fragmentelor de rocă este destul de complex. Efectul acestei proprietăţi nu poate fi separat de conţinutul de particule solide din fluid şi mai ales de permeabilitatea rocii. Viteza de avansare creşte pentru fluidele cu viteză iniţială de filtrare mare, dar, cu un cumulativ total de filtrat cât mai mic. Formarea turtei de colmatare are loc în acelaşi timp cu pătrunderea filtratului prin talpa sondei. De grosimea ei depinde ca dintele sapei să lovească în rocă vie sau fragmentele de rocă desprinse din talpă să rămână prinse sub turta de colmatare ca într-o capcană. În astfel de situaţii se produce o acumulare de detritus pe talpa sondei, porii rocilor se înfundă şi viteza de avansare a sapei scade. Practic, pentru a folosi efectul pozitiv al filtrării şi a reduce efectul negativ al acumulării de detritus pe talpa sondei, au fost realizate fluide cu viteză iniţială de filtrare mare, cum sunt cele cu polimeri şi conţinut redus de particule solide (sub 1%), soluţiile de electroliţi etc. c. Viscozitatea fluidului de foraj Viscozitate (η ) şi tensiunea dinamică de forfecare ( oτ ) reprezintă proprietăţile reologice ale fluidului de foraj.

Fig. 4.6. Profilul vitezei de curgere în planul tălpii sondei

37

Fluide de foraj

Din experienţa de şantier s-a constatat că reducerea viscozităţii fluidului de foraj

poate conduce la viteze de avansare mai mari, deşi uneori efectul se pune pe seama modificării altor proprietăţi. Explicaţia care se dă este legată de reducerea grosimii stratului limită şi apropierea vitezei maxime de suprafaţa tălpii. Conform teoriei turbulenţei şi a stratului limită, într-un un fluid vâscos care curge cu o viteză foarte mare în raport cu o suprafaţă, regimul de curgere este turbulent, cu excepţia unui strat foarte subţire în care curgerea este în regim laminar. În acest strat, numit strat limită, se presupune că viteza variază liniar, de la zero la viteza maximă ( ) (fig.4.6), iar grosimea lui este maxv

maxvD

n

sef

⋅⋅

=ρη

δ , (4.7)

unde efη reprezintă viscozitatea efectivă a fluidului de foraj, iar este o dimensiune caracteristică a suprafeţei (se ia diametrul sondei). Într-un punct din interiorul stratului limită, la o distanţă

sD

x de planul tălpii, viteza de mişcare este

sef

n

Dvvxvxv⋅⋅

⋅⋅=⋅=ηρ

δmax

maxmax . (4.8)

Se pune astfel în evidenţă că o viscozitate redusă a fluidului de foraj va determina valori mai mari pentru viteza curentului în apropierea tălpii sondei ( ), iar îndepărtarea fragmentelor de rocă se face mai eficient (curăţirea tălpii sondei va fi mai bună şi viteza de avansare a sapei, mai mare).

pv

d. Conţinutul de particule solide şi natura fluidului În fluidele de foraj pe bază de apă se găsesc, sub formă dispersată la nivel coloidal, particule de argilă, iar în diferite forme şi dimensiuni alte materiale solide (barită, nisip, fragmente din roca dislocată). S-a constatat în practică reducerea vitezei de avansare a sapei datorită concentraţiei ridicate de particule solide.

Fig. 4.7. Influenţa conţinutului de particule solide argiloase

asupra vitezei de avansare

38

Fluide de foraj

39

Explicaţia care se dă acestui comportament este atribuită modificării densităţii fluidului de foraj, dar mai ales blocării porilor rocii şi reducerii vitezei de filtrare prin talpa sondei. De fapt, performanţele sapelor sunt influenţate negativ, nu atât de creşterea conţinutului de particule solide, cât mai ales de mărimea acestora. Efectul negativ, de reducere a vitezei mecanice chiar la concentraţii reduse de particule solide este accentuat de particulele coloidale, cu dimensiuni apropiate de cele ale porilor rocii (fig.4.7). A apărut astfel ideea utilizării unor aditivi (floculanţi) care să împiedice dispersarea detritusului argilos şi marnos, sau chiar a fluidelor de foraj fără solide argiloase (cu electroliţi sau polimeri). Natura în sine a fluidului de foraj influenţează de asemenea performanţele unei sape, atât prin valoarea presiunii create pe talpă, a viscozităţii şi capacităţii de filtrare, dar şi prin alte fenomene fizico-chimice. Astfel, adaosul de petrol într-un fluid pe bază de apă sau trecerea la un fluid pe bază de produse petroliere are o influenţă diferită, după natura rocilor. Cu fluidele pe bază de apă, în care se introduce un anumit procent de motorină, se obţin performanţe mult mai bune decât cu apă (tabela 4.1). Fluidul capătă proprietăţi lubrifiante, se împiedică dispersarea detritusului şi manşonarea dinţilor sapei.

Tabela 4.1. Indicatori de foraj realizaţi în roci tari, pe intervalul 1500...3000m [4] Fluidul de foraj Durata forajului Numărul de sape

h buc Gaze (sau aer) 250 12 Emulsie 5% motorină în apă 520 39 Apă 650 58 Noroi de foraj 940 82 De asemenea, în roci hidratabile şi dispersabile (roci plastice), cu fluide pe bază de produse petroliere se obţin viteze mecanice mai bune şi este creşte durata de funcţionare a sapei. În roci tari, performanţele nu se îmbunătăţesc semnificativ, iar uneori chiar se micşorează. Explicaţia care se dă este în primul rând legată de absenţa manşonării sapei, iar în rocile permeabile de scăderea vitezei de filtrare în faţa dinţilor sapei, prin înfundarea porilor rocii. Prezenţa în fluidele de foraj a motorinei sau a unor substanţe tensioactive modifică umectabilitatea rocii. Faza apoasă poate pătrunde mai uşor pe suprafeţele de fisurare, duritatea rocii poate să scadă, iar viteza de avansare a sapei poate creşte în mod semnificativ. De fapt, toate aceste modificări ale proprietăţilor fluidului de foraj (interdependente şi greu de individualizat), dar şi mecanismele şi fenomenele fizico-chimice la nivelul rocii, pun în evidenţă complexitatea în sine a procesului de foraj şi faptul că sunt greu de modelat în condiţii de laborator (de aceea şi multe păreri contradictorii ale specialiştilor). 4.2. Evacuarea detritusului la suprafaţă În metoda forajului rotativ-hidraulic cu circulaţie directă a fluidului de foraj, evacuarea detritusului de la talpă se realizează în curent ascendent, prin spaţiul inelar format de garnitura de foraj şi pereţii sondei. Particulele fine de argilă, marnă sau chiar

Fluide de foraj

nisip (rocă dislocată cu dimensiuni ale particulelor sub 0,5 mm), se înglobează în fluidul de foraj şi evacuarea lor la suprafaţă nu ridică probleme. Restul de particule solide, cu dimensiuni mai mari, sunt evacuate prin antrenarea lor de către curentul ascendent de fluid. Capacitatea de transport a fluidului de foraj este însă determinată de: viteza ascensională, densitatea şi proprietăţile reologice ale fluidului de foraj, regimul de curgere, forma, dimensiunile şi densitatea particulelor evacuate, diferenţa dintre densitatea fluidului şi cea a particulelor de detritus. În plus, dimensiunile transversale ale spaţiului inelar, înclinarea sondei, rotirea garniturii de foraj, concentraţia neuniformă a particulelor de detritus sunt elemente care influenţează evacuarea detritusului la suprafaţă. Viteza de ridicare a particulei de detritus (vr) prin spaţiul inelar al sondei este efectul vitezei ascensionale a fluidului (vsi) şi lunecării particulei sub greutate proprie (u):

uvv sir −= (4.9) În general, debitele de circulaţie necesare spălării tălpii asigură o viteză ascensională suficientă evacuării detritusului. Pentru fluidele de foraj obişnuite se realizează viteze medii ale curentului ascensional de 0,3…1,3 m/s, iar la forajul cu aer de 10…20 m/s. Evacuarea detritusului la suprafaţă poate constitui o problemă doar în zona superioară a sondelor, la traversarea rocilor cu forabilitate ridicată (cantitate mare de rocă dislocată), în prezenţa unor strate neconsolidate (predispuse la surpare) şi atunci când fluidele de foraj au densitatea şi viscozitatea reduse. În general însă, debitele necesare pentru spălarea perfectă a tălpii sunt superioare celor de evacuare a detritusului, iar vitezele ascensionale uzuale sunt acoperitoare. Pentru a evita pericolul depunerii detritusului, concentraţia de particule solide trebuie limitată la 5 %, în fluidele de foraj obişnuite, iar în cazul apei sau a fluidelor cu capacitate redusă de suspendare sub 2 %. În ceea ce priveşte mişcarea particulelor solide într-un fluid (viteza de lunecare), se ştie că aceasta depinde de forma şi dimensiunile particulei, densitatea rocii şi a fluidului, viscozitatea fluidului şi regimul de curgere. Această viteză de cădere este exprimată prin diverse formule (relaţia lui Rittinger, a lui Stokes), dar într-un fluid de foraj nu depăşeşte în mod obişnuit 20…30 cm/s, valori mai mari realizându-se pentru particule cu dimensiuni apreciabile, în fluide cu densitatea şi viscozitatea scăzute. Pentru a evita căderea particulelor de detritus la talpă la întreruperea circulaţiei, sunt necesare fluide de foraj cu tensiune statică corespunzătoare menţinerii acestora în suspensie. Majoritatea fluidelor de foraj au capacitatea de a forma structuri la rămânerea în repaus, iar în cazul utilizării apei sau aerului este necesară evacuarea detritusului din spaţiul inelar, printr-o circulaţie intensă şi abia după aceea se poate întrerupe circulaţia fluidului de foraj. 4.3. Stabilitatea pereţilor sondei Presiunea fluidului de foraj (fluidelor) din sondă este controlată de operator şi este o cale prin care sunt stăpânite efectele dezechilibrului determinat de sondă în masivul de roci. La deschiderea prin foraj, tensiunile din roci în jurul sondei se redistribuie, iar presiunea din sondă ar trebui, teoretic, să echilibreze eforturile normale pe pereţii sondei (din planul orizontal dacă sonda este verticală). Natura rocilor, gradul

np

40

Fluide de foraj

de consolidare al acestora, face ca relaţia respectivă să nu fie foarte restrictivă şi nu rare sunt cazurile când nici nu apar probleme de această natură. Pe de altă parte, în timpul forajului propriu-zis sau în timpul tuturor operaţiunilor ce se desfăşoară în sonda ce nu a fost izolată, formaţiunea geologică este caracterizată de o presiune admisibilă . Aceasta reprezintă o valoare acoperitoare printr-un coeficient de siguranţă , pentru presiunea , la care se produc pierderi de fluid sau apar fisuri în formaţiunea geologică. Această presiune limită se determină prin teste de foraj (ex: exponentul d, test de fisurare etc.) sau poate fi estimată din prelucrarea diagrafiilor geofizice. Din acest punct de vedere, pentru siguranţa acestor lucrări, trebuie îndeplinită condiţia [7]:

afp

sc fp

fafn ppp =≤ : (4.10) sc Modul de lucru în sondă depinde de relaţia în care se găseşte aceeaşi presiune din sondă , din dreptul stratului, şi presiunea fluidelor din porii rocii . np pp Presiunea de strat egală cu presiunea hidrostatică a unei coloane de apă de zăcământ , este considerată presiune de strat normală. Dacă presiunea din strat are valori mai mari , se consideră presiune anormal de mare, stratul este suprapresurizat, iar dacă se înregistrează valori mai mici,

hp

hp pp ≥

pp hp< , stratul este subpresurizat şi presiunea este considerată anormal de mică. Modul cel mai răspândit de lucru (foraj la supraechilibru) are la bază împiedicarea fluidelor din formaţiune de a pătrunde în sondă, prin respectarea relaţiei:

psigpn pppp >+= , (4.11) în care este o presiune de siguranţă (în şantier se recomandă să fie de minim 4…5 bar pentru fiecare mie de metri de adâncime la care se găseşte formaţiunea).

sigp

În condiţii reale de lucru, diferenţa de presiune pn pp − (aşa cum s-a precizat şi în paragrafele 4.1.2.a şi b) este cea care determină, în primul rând, fenomenele de filtrare şi colmatare. Turta de colmatare formată pe pereţii sondei trebuie să fie compactă, rezistentă, aderentă la pereţi şi relativ subţire. În acest fel colmatajul va prelua o anumită cădere de presiune, reduce filtratul, consolidează pietrişurile, nisipurile şi alte roci slab cimentate sau fisurate, micşorează efectul de eroziune a pereţilor datorat circulaţiei fluidului, reduce frecările dintre garnitura de foraj şi rocile din pereţi, toate acestea conducând astfel la stabilizarea sondei. Presiunea în sondă deschisă la suprafaţă pn, are o componentă principală reprezentată de presiunea hidrostatică ph, la care se adaugă (sau se scad) presiuni, aşa zise suplimentare, determinate de operaţiunile din sondă:

ihn ppp ∑+= ∆ . (4.12) Presiunea hidrostatică în sonda plină cu fluid cu densitatea ρ , la adâncimea h, are expresia generală (g fiind acceleraţia gravitaţională):

ghph ρ= . (4.13) Această relaţie simplă nu totdeauna permite o modelare fidelă a realităţii, dacă avem în vedere faptul că în domeniul de adâncimi 0...h densitatea ρ poate varia în limite foarte largi, în sondă fluidul fiind de fapt un amestec de lichide, solide şi gaze, aproape imposibil de omogenizat, cu proprietăţi fizice dependente de temperatură, presiune etc.

41

Fluide de foraj

Circulaţia fluidului (fluidelor) în sondă determină o presiune suplimentară de învingere a frecărilor sip∆ (ce se calculează cu ajutorul relaţiei Darcy- Weissbach), cu ajutorul căreia putem exprima densitatea echivalentă, definită ca raport între presiunea efectivă într-un punct şi adâncimea respectivă:

ghp

ghpp sisih

ec∆ρ∆ρ +=

+= . (4.14)

Pentru siguranţa forajului, se recomandă suprapresiuni de 10…15 bar, care conduc la o majorare a densităţii fluidului de 30…50 kg/m3. Totuşi, presiunile măsurate în sondă diferă adeseori de cele calculate cu până la 3…7 %, iar densitatea fluidului de foraj de-a lungul unui circuit, chiar şi atunci când sunt respectate toate recomandările tehnologice, se modifică în limite de 2…3 %, datorită neomogenităţii acestuia, erorilor de măsurare etc. Utilizarea unui fluid de foraj cu densitatea insuficientă menţinerii stabilităţii pereţilor, poate conduce la pătrunderea fluidelor din porii rocii în sondă, urmată de manifestarea sau chiar erupţia sondei. La fel însă, folosirea unor fluide cu densităţi prea mari poate provoca fisurarea formaţiunilor şi pierderi de fluid în strat, uneori chiar pierderea circulaţiei. 4.4. Răcirea şi lubrifierea sapei şi a garniturii de foraj Fluidul de foraj care circulă în sondă are şi rolul de a răci şi lubrifia sapa şi garnitura de foraj. În timpul lucrului pe talpă pentru sfărâmarea rocii, sapa se încălzeşte foarte mult, iar lucrul mecanic consumat pentru învingerea frecărilor dintre garnitură şi pereţii sondei se transformă de asemenea în căldură. Prin intermediul fluidului de foraj care este în circulaţie se preia o mare parte din această căldură degajată şi se împiedică uzura prematură a acestora. Prezenţa fluidului de foraj asigură un film unguent pe pereţii sondei, ceea ce reduce frecările garniturii şi uzura excesivă, iar la sapele cu role, după pierderea vaselinei din lagăre, ungerea este asigurată tot de fluidele de foraj. Când se utilizează sape cu diamante, există chiar limite inferioare, stabilite prin experienţa de şantier, sub care apare pericolul arderii diamantelor. În general, toate fluidele de foraj îşi îndeplinesc aceste funcţii, iar pentru menţinerea acestor proprietăţi nu sunt necesare tratamente speciale. 4.5. Capacitatea de menţinere a detritusului în suspensie Fluidele de foraj, cu excepţia gazelor şi a unor lichide omogene, sunt sisteme eterogene, care nu se comportă la curgere ca fluidele newtoniene; pe lângă viscozitate, ele posedă proprietăţi structural-mecanice mai complexe. Una dintre aceste proprietăţi este capacitatea acestor sisteme eterogene de a forma structuri la rămânerea în repaus (de a gelifica) şi a redeveni fluide în urma agitării (proprietate tixotropică). Capacitatea tixotropică a unui fluid de foraj se apreciază prin valoarea tensiunii statice de forfecare (rezistenţă de gel sau limită adevărată de curgere), după o anumită perioadă de repaus şi prin viteza cu care această rezistenţă creşte în timp. Pentru a evita căderea particulelor de detritus la talpa sondei la întreruperea circulaţiei sunt preferabile fluide de foraj cu tensiunea statică corespunzătoare menţinerii acestora în suspensie. Totuşi, valori ridicate ale rezistenţei de gel provoacă

42

Fluide de foraj

43

variaţii mari de presiune la pornirea circulaţiei sau manevrarea materialului tubular aflat în sondă. Problemele sunt cu atât mai dificile în cazul sondelor înclinate sau orizontale, dar noile tipuri de fluide pe bază de polimeri, cu un comportament reologic vâscoelastic (viscozităţi ridicate la viteze de forfecare scăzute şi gelaţii constante, cu valori moderate, la viteze de forfecare ridicate), au, pe lângă alte avantaje, şi o capacitate deosebită de curăţire a sondei de detritus. 4.6. Furnizarea de informaţii asupra sondei Pentru a se asigura protecţia lucrului în sondă, fluidul de foraj este proiectat cu un minim de proprietăţi optime. Urmărind modificarea acestora şi analizând detritusul adus de fluidul de foraj, se obţin informaţii asupra rocilor interceptate şi a fluidelor din porii lor. Aşa cum am mai menţionat, fluidul de foraj poate îndeplini şi alte atribuţii, dar prepararea unui fluid care să răspundă la toate aceste condiţii este practic nerealizabilă, mai ales că nu de puţine ori anumite proprietăţi sunt contradictorii şi necesită găsirea unor soluţii de compromis.

Fluide de foraj

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

Aşa cum este prezentată clasificarea fluidelor de foraj, se poate vedea că ponderea cea mai însemnată o au fluidele pe bază de apă-argilă. Deoarece sistemul apă-argilă are proprietăţi deosebite în menţinerea stabilităţii fluidelor de foraj, iar argilele sunt şi cele mai frecvente roci întâlnite în timpul forajului, acestea vor fi prezentate separat de celelalte materiale. 5.1. Materiale pentru reglarea densităţii (de îngreuiere) Fluidele de foraj, preparate din simplul amestec apă- argilă prehidratată, au o densitate de 1050…1200 kg/m3, funcţie de conţinutul şi randamentul argilei folosite (densitatea argilei fiind 2300…2600 kg/m3). Pentru a mări densitatea unui fluid de foraj peste aceste valori se folosesc diverse materiale de îngreuiere. Acestea trebuie să aibă densitatea proprie mai mare decât a argilelor, să fie inerte din punct de vedere chimic, să nu fie abrazive şi să poată fi măcinate la granulaţia dorită. După densitatea proprie, materialele de îngreuiere se împart în trei categorii. a. Materiale cu densitate redusă (sub 3500 kg/m3): argile slab coloidale, marne, calcar, cretă, dolomit. Cu ajutorul lor se pot prepara fluide cu densitatea până la 1500…1700 kg/m3 şi fiind solubile în acid clorhidric, turta de colmatare depusă în dreptul stratelor productive poate fi uşor îndepărtată prin acidizare. Mai folosite sunt creta şi calcarul (cu denumirea comercială Drill Carb sau Lo-Wate, poate fi măcinat la granulaţia dorită şi utilizat şi ca agent de podire temporară), iar pentru că sunt mai umectabile în petrol decât în apă se utilizează şi în fluidele emulsie inversă. b. Materiale cu densitatea medie (în domeniul 3500…5500 kg/m3): barita, oxizii de fier (magnetitul, hematitul), sideritul, ilmenitul (oxid de fier şi titan), granaţii (silicaţi). Cu ajutorul lor, densitatea fluidelor de foraj poate fi mărită până la 2200…2300 kg/m3, ceea ce acoperă toată gama utilizată în practică. Cea mai largă utilizare o are barita (densitatea maximă- 4400…4500 kg/m3), pentru că este stabilă termic şi la acţiunea agenţilor chimici. Cu celelalte materiale, fluidele de foraj îngreuiate sunt mai abrazive şi pot provoca diverse dificultăţi în timpul forajului. c. Materiale cu densitatea ridicată (peste 5500 kg/m3): galena, feromanganul, ferofosforul, ferosiliciul. S-a folosit doar galena, cu care se pot obţine densităţi ale fluidelor până la 2700…3000 kg/ m3. În mod practic, astfel de valori reprezintă cazuri de excepţie şi numai atunci când este necesară omorârea unei sonde scăpate. În fluidele de foraj îngreuiate, majoritatea particulelor trebuie să fie cuprinse între 10 şi 70 mµ ; particulele mai grosiere se pot depune, iar cele prea fine, mai ales cele coloidale (sub 2 mµ ) produc o creştere exagerată a viscozităţii. Densitatea maximă ce poate fi obţinută, numită şi limită de îngreuiere, corespunde unui conţinut de particule solide la care orice variaţie a concentraţiei de bentonită (prin diluare cu apă

44

Fluide de foraj

45

sau adaos de argilă prehidratată) sau adăugare de particule inerte destabilizează sistemul ori îl face greu pompabil. Limita de îngreuiere a unui fluid creşte când densitatea materialului de îngreuiere este mai mare, deoarece, la aceeaşi densitate a noroiului, conţinutul de particule solide adăugate scade. Un rol important îl are hidrofilitatea materialului (capacitatea de umectare) şi fineţea de măcinare. 5.2. Reactivi pentru reglarea viscozităţii (reactivi fluidizanţi) În funcţie de necesităţi, viscozitatea unui fluid de foraj trebuie mărită, dar de cele mai multe ori este necesar a fi micşorată. Pentru a mări viscozitatea fluidelor pe bază de apă se adaugă bentonită prehidratată, diverşi polimeri cu masă moleculară mare, sau chiar un electrolit contaminant (NaCl, Ca(OH)2). În fluidele pe bază de produse petroliere se utilizează argila organofilă, asfaltul, sau se măreşte conţinutul de apă. Este necesară o viscozitate mărită a fluidelor la forajul de suprafaţă, pentru a le mări capacitatea de transport, sau la traversarea unor formaţiuni permeabile sau fisurate, în care pot avea loc pierderi de circulaţie. Dar, de cele mai multe ori, este necesară reducerea viscozităţii fluidelor de foraj. Când noroiul este supraîncărcat cu particule argiloase, se diluează cu apă (controlând însă densitatea şi filtratul) şi se îndepărteză, pe cale mecanică, o parte dintre ele, iar fluidele emulsie inversă se diluează cu petrol. Aceste procedee au dezavantajul scăderii stabilităţii sistemului şi un consum mai mare de materiale pentru îngreuiere, iar la contaminările cu electroliţi devin ineficiente. Se folosesc, de aceea, diverşi reactivi chimici, care, în concentraţii reduse, micşorează viscozitatea fără a modifica nefavorabil alte proprietăţi. Aceştia se numesc fluidizanţi şi au o acţiune defloculantă asupra sistemului, protectoare sau de precipitare a ionilor floculanţi, deci exercită o acţiune multiplă. De regulă, ei se adsorb pe muchiile particulelor elementare de argilă împiedicând formarea unor structuri spaţiale, floculate. Reduc în acest fel tensiunea dinamică de forfecare, iar viscozitatea plastică rămâne neschimbată sau creşte uşor, datorită efectului dispersant şi a atmosferei ionice mărite. Pe seama reducerii tensiunii dinamice de forfecare are loc scăderea viscozităţii aparente a fluidelor şi, totodată, fluidizanţii micşorează rezistenţa de gel şi scad uşor viteza de filtrare. Pentru sistemele pe bază de apă- argilă, se folosesc ca fluidizanţi polifosfaţi, tananţi, lignosulfonaţi, humaţi, unele substanţe tensioactive, diverşi polimeri cu masa moleculară redusă şi uneori, cantităţi mici de electroliţi.

Polifosfaţii. Polifosfaţii sau fosfaţii complecşi se obţin prin deshidratarea moleculară a ortofosfaţilor naturali (care se găsesc în făina de oase, sub forma fosfatului monosodic sau disodic) sau sintetici, atomii de fosfor fiind legaţi între mai mulţi atomi de oxigen. În funcţie de compoziţia ortofosfatului de la care se porneşte şi de tehnologia aplicată (regimul termic şi durata procesului) se obţin polifosfaţi cristalizaţi (în treapta de temperatură 150…6200 C) sau sticloşi amorfi (temperaturi mai mari şi răcire rapidă). În controlul viscozităţii fluidelor de foraj se utilizează trei forme de fosfaţi complecşi: hexametafosfatul de sodiu (NaPO3)6 (cu pH-ul în soluţie apoasă 6,5…7), pirofosfatul acid de sodiu Na2H2P2O7 (cu pH-ul 4,2…4,8) şi tetrafosfatul de sodiu Na6P4O13 (cu pH-ul 7,5…8). Se folosesc de obicei în noroaiele dulci cu pH-ul 8…9 şi în cele slab mineralizate. Fosfaţii pot micşora viscozitatea prin adsorbţia lor pe muchiile

Fluide de foraj

46

foiţelor de argilă (previn astfel flocularea) sau prin precipitarea ionilor de calciu şi magneziu, sub formă de ortofosfaţi insolubili. În noroaiele mineralizate şi cu concentraţii peste 10 g NaCl/l, fosfaţii nu mai sunt eficienţi, datorită efectului floculant al ionilor de Na+, Ca2+, Mg2+. Cantităţile care se utilizează de obicei sunt reduse, 0,3…3,0 kg/m3, sub formă de soluţie apoasă: 50 kg/m3, doza optimă stabilindu-se prin încercări de laborator. Pentru că au eficienţă maximă la un pH de 8…9,5, se adaugă şi sodă caustică. Depăşirea dozei optime de polifosfaţi poate duce la creşterea viscozităţii aparente a noroiului şi a gelaţiei, deoarece, pe lângă efectul pozitiv de dispersare a argilelor floculate, creşterea concentraţiei de ioni de Na+ favorizează schimbul de bază, formarea de noi plăcuţe de argile sodice şi creşterea procentului de solide. Cel mai folosit la noi în ţară este hexametafosfatul de sodiu (HMF), sub forma unor solzi sticloşi, transparenţi şi subţiri, de culoare albă sau verde, solubili în apă caldă. La solubilizarea HMF nu trebuie să se depăşească 450 C temperatura de încălzire, pentru a nu provoca transformarea în ortofosfat inert, încă din faza de preparare; din acelaşi motiv nu se recomandă folosirea ca fluidizant a HMF în sonde mai adânci de 2000 m (cu temperaturi la talpă mai mari de 600 C). Tananţii. Sunt reactivi fluidizanţi, care se obţin din combinarea taninurilor cu soda caustică. Tananţii sunt derivaţi complecşi ai acizilor galic şi ellagic, solubili în soluţii bazice; pot fi extraşi din lemnul, coaja şi fructele unor arbori, sau sintetizaţi din polifenoli. Sunt termorezistenţi până la 1400 C. Ca mod de acţiune, tananţii se situează în categoria substanţelor superficial active, având o grupare nepolară (lanţul hidrocarburilor ciclice) şi grupări polare foarte active (OH-, COO-, Na+). Introduşi în fluidele de foraj, se adsorb pe muchiile şi colţurile plăcuţelor de bentonită, împiedicând unirea lor. Se reduc în acest fel tensiunea dinamică şi viscozitatea aparentă a fluidului (chiar dacă viscozitatea plastică se măreşte uşor). Tananţii sunt eficienţi în noroaie nemineralizate, cu pH-ul între 9…12, iar la concentraţii mari de calciu, magneziu, clorură de sodiu îşi reduc eficacitatea. Extractul de quebracho (obţinut dintr-un soi de stejar argentinian), un dispersant de natură organică alcătuit din substanţe active în procent de aproape 100 %, se utilizează în cantităţi reduse, 0,2…5,0 kg/m3, sau în soluţie de 50…100 kg quebracho şi în prezenţa sodei caustice (30 kg NaOH la un metru cub de apă), având eficienţă şi în noroaiele pe bază de var. La noi în ţară s-a preparat TAN-21, o pulbere de culoare brun-închisă, solubilă în apă şi cu eficienţă în fluidele cu clorură de potasiu, cu solide puţine şi cu apă de mare (5…25 kg/m3). Apariţia altor aditivi, de tipul lignosulfonaţilor, a restrâns mult aplicabilitatea tananţilor. Lignosulfonaţii. Sunt produşii fluidizanţi cu cea mai largă utilizare, cu eficienţă bună în noroaiele tratate, inhibitive, la temperaturi moderate, dar şi temperaturi mari. Se obţin din leşiile reziduale (conţin acid lignosulfonic, zaharuri, taninuri etc.) de la fabricarea celulozei şi hârtiei cu bisulfit de calciu sau amoniu. Leşia bisulfitică reziduală (cu un pH de 2,5) este supusă unui proces de purificare şi neutralizare, până la un pH de 7…8, după care se concentrează prin vaporizare până la concentraţia dorită. Dacă neutralizarea se face cu Na2CO3 se obţine lignosulfonatul de sodiu, care se utilizează ca fluidizant în noroaiele semisărate (până la 5 % NaCl), în cele cu var şi clorură de calciu. Se livrează pe piaţă sub formă de pulbere (cu denumirea comercială LIGNOSAN) sau sub formă de pastă (MOLIFTAN), cantităţile curent folosite fiind de

Fluide de foraj

47

aproximativ 1 %, în soluţii concentrate de 20…30 % şi în prezenţa sodei caustice (în raport de 3: 1). Dacă neutralizarea leşiei se face cu hidroxid de calciu până la un pH = 7, se obţine lignosulfonatul de calciu- LSC (o pulbere de culoare brun- închisă), un fluidizant mai activ decât cel de sodiu, eficient mai ales în fluidele inhibitive şi puternic mineralizate (la un pH peste 10). Înlocuirea cationilor divalenţi de calciu, cu cationi trivalenţi de crom, fier, fier şi crom, a permis formarea unor structuri tridimensionale şi obţinerea unor lignosulfonaţi cu o eficienţă şi termostabilitate superioară celor de sodiu şi calciu (cromlignosulfonatul şi ferocromlignosulfonatul sunt rezistenţi până la 150…1800 C, iar în combinaţie cu cromatul sau dicromatul de potasiu chiar până la 2000 C). Ferocromlignosulfonatul (FCLS) se livrează sub formă de praf de culoare maro, are eficienţă maximă la un pH între 8,5…9,5, se utilizează în cantităţi de 5…40 kg/m3, atât în noroaiele dulci, cât şi în cele mineralizate. Eficienţa mărită a FCLS nu se explică doar prin mecanismul adsorbţiei sale la marginile plăcuţelor de bentonită. Creşterea efectului fluidizant odată cu creşterea valenţei cationilor grupaţi la radicalul SO-

3 se datorează acţiunii cationilor polivalenţi asupra dublului strat electric şi a potenţialului electrocinetic. Prin legături puternice de hidrogen şi grupările polare hidrofile ale reactivului, se formează o membrană protectoare din mai multe strate, care împiedică flocularea particulelor de argilă, se imobilizează o parte din apă, refăcând învelişul de solvent al micelei de bentonită (filtratul fluidului se micşorează) şi creşte în acest fel rezistenţa fluidului la acţiunea contaminantă a temperaturilor ridicate şi a electroliţilor. Un produs relativ recent folosit şi la noi în ţară este Spersene, un cromlignosulfonat care se utilizează în toate fluidele pe bază de apă ca defloculant, inhibitor, reducător de gelaţie, stabilizator de temperatură şi agent de reducere a filtrării. Se prezintă ca o pulbere maronie, are eficienţă maximă la un pH=9,0…11,5 şi funcţie de proprietăţile care sunt necesar a fi controlate, se adaugă în cantităţi de 2,8 până la 33,6 kg/m3. Humaţii. Sunt reactivi cu efect mixt, fluidizant şi antifiltrant, reprezentând diferite săruri ale acizilor humici. Cărbunii inferiori de tipul lignit, turbă, au în compoziţia lor un conţinut ridicat de acizi humici (30…40 %), care însă sunt slab disociabili şi nu formează macroanioni capabili să împiedice asocierea plăcuţelor de argilă (în prezenţa cationilor floculanţi de Na+, Ca2+, Mg2+). În prezenţa unui mediu alcalin, cum ar fi soda caustică şi realizând pH-ul mai mare de 8, se pot obţine humaţii corespunzători pentru tratarea fluidelor de foraj. Dacă se tratează lignitul, la 70…800 C, cu o soluţie de sodă caustică, acizii humici se transformă în humaţi de sodiu (care poartă diverse denumiri: extract bazic de lignit, reactiv alcalin de lignit- RAL, lignit causticizat). Humaţii de sodiu se pot folosi în noroaiele dulci sau în cele slab mineralizate şi, funcţie de cantităţile cu care se tratează fluidul, pot reduce tensiunea dinamică de forfecare, rezistenţa de gel sau pot acţiona ca reducători de filtrare. Sunt stabili termic până la 1800 C. Soluţia de humat de sodiu, încălzită la 800 C în prezenţa hidroxidului de calciu se transformă în humatul de calciu. Acesta este de asemenea un aditiv cu acţiune multiplă, de fluidizant şi reducător de filtrare, dar şi cu efect inhibitiv la traversarea stratelor de argile hidratabile şi dispersabile. Humatul de calciu, tratat cu sulfat cromic- Cr2(SO4)3, permite obţinerea humatului de crom, denumit şi crom-lignit (CL), reactiv cu acţiune multiplă, folosit la

Fluide de foraj

48

temperaturi ridicate şi în noroaie puternic mineralizate. De altfel, din practica de şantier, se ştie că acest cuplu, FCLS + CL, este unul dintre cei mai eficienţi reactivi cu efect mixt. Un alt produs îl constituie humatul de potasiu (lignitul de potasiu), care, pe lângă rolul de fluidizant şi reducător de filtrare, este furnizor de ioni de K+ la traversarea rocilor sensibile la apă. De obicei, humaţii se adaugă în concentraţii de 5…50 kg/m3, sub formă de soluţie. Din categoria noilor aditivi (cei mai mulţi dintre aceştia sunt produşi de firma MI DRILLING FLUIDS) folosiţi la noi în ultimul timp, se pot aminti: TANNATHIN, lignit oxidat natural, se prezintă ca o pulbere neagră, este utilizat în toate fluidele de foraj pe bază de apă ca defloculant şi reducător de filtrat, conferă o turtă de colmatare subţire, netedă, cu permeabilitate scăzută şi are performanţe bune când se utilizează împreună cu lignosulfonaţii; XP-20, un cromlignit modificat, sub formă de pulbere de culoare neagră, folosit ca fluidizant, stabilizator, inhibitor şi reducător de filtrat, împreună cu lignosulfonaţii, pentru a avea efect cât mai bun datorită sinergiei celor doi compuşi; XP-20N, un cromlignit cu eficienţă ridicată pentru stabilizarea reologiei fluidelor, mai ales la temperaturi şi presiuni mari; K-17, tot un lignit modificat, utilizat în sistemele pe bază de apă şi în cele pe bază de potasiu, pentru a mări conţinutul în potasiu al acestora; TACKLE, un fluidizant cu masă moleculară mică, livrat sub formă de lichid concentrat, special proiectat pentru a deflocula o gamă largă de fluide de foraj pe bază de apă (mai ales cele nedispersate, sistemele POLY-PLUS şi cele cu KCl), cu termorezistenţă până la 2600 C, nu este degradabil bacterial, se utilizează în cantităţi reduse de 0,29…5,7 kg/m3 şi este compatibil cu ligniţii şi lignosulfonaţii. 5.3. Aditivi pentru reducerea filtratului (antifiltranţi) Evaluarea cantitativă a cumulativului de filtrat şi a grosimii turtei de colmatare, pentru fluidele de foraj care au la bază sistemul apă-argilă, se face în condiţii statice, în celulă standard API (presă-filtru), la o presiune de 7 bar, temperatură ambiantă şi într-un interval de 30 minute. Rezultatele obţinute prin aceste determinări depind de randamentul argilei folosite şi capacitatea ei de a se dispersa la nivel coloidal (după Gates şi Bowie, fluidul de foraj cu filtrare mică are 60 % din particule mai mici decât un micron), dar, în condiţiile de circulaţie a fluidului şi la temperaturi şi presiuni apropiate de cele din sondă, valorile sunt mult diferite. De altfel, multe din lucrările de specialitate subliniază diferenţele mari şi imposibilitatea găsirii unei corelări satisfăcătoare între filtrarea statică şi cea dinamică. Fluidele pe bază de apă, în prezenţa electroliţilor sau a temperaturilor ridicate, îşi modifică mult valoarea cumulativului de filtrat, ca urmare a coagulării electrolitice sau termice. Aceste valori mari ale filtratului nu pot fi micşorate în limite satisfăcătoare numai cu ados de argilă, mai ales că viscozitatea şi gelaţia noroiului s-ar înrăutăţi. Se apelează, de aceea, la substanţe macromoleculare (antifiltranţi), puternic hidrofile, care în concentraţii reduse (sub 30 kg/m3) redau stabilitatea sistemului şi creează structura mecanică necesară susţinerii particulelor solide inerte. Antifiltranţii au capacitatea de a imobiliza o mare cantitate de apă, protejează, prin adsorbţie, plăcuţele elementare de argilă de acţiunea ionilor din soluţie, blochează porii turtei de colmatare şi chiar se umflă, în apă dulce. Unii dintre ei au şi efect defloculant, anticoroziv şi sunt stabili la temperaturi mari.

Fluide de foraj

49

Printre cei mai folosiţi antifiltranţi sunt amidonul, derivaţi ai celulozei solubili în apă, diverse răşini, biopolimeri şi, în ultimul timp, polimeri şi copolimeri sintetici. Amidonul (C6H10O5)n este o polizaharidă, care se găseşte sub formă de granule, de dimensiuni diferite, în diverse plante (porumb, grâu, orez, cartofi etc.) şi a fost primul coloid organic, natural, folosit pentru reducerea vitezei de filtrare. Granula de amidon are un miez central (aproximativ 20 %) numit amiloză, cu o structură liniară, grad mic de polimerizare, care în apă caldă (70…800 C) se umflă şi se gelatinizează uşor, şi un înveliş exterior (coaja granulelor) numit amilopectină, cu o structură ramificată şi grad mare de polimerizare, care se dizolvă uşor, dar nu se gelatinizează. Hidrolizarea sau gelatinizarea amidonului se face prin încălzirea la 750 C a unui amestec format din 80…100 kg amidon, 1000 l apă şi 20…40 kg sodă caustică (89 părţi apă, 10 părţi amidon şi o parte sodă caustică). După răcire, se obţine o pastă vâscoasă, de culoare gălbuie, care se introduce ca antifiltrant în noroi, într-un număr întreg de circuite, în procent de 1…2 %. În urma progreselor mari, în ceea ce priveşte aditivii şi materialele folosite în prepararea şi condiţionarea fluidelor de foraj, în prezent, se utilizează un amidon pregelatinizat, sub formă de praf gălbui, care se adaugă direct în noroi. Pentru a se împiedica fermentarea, s-au preparat şi diverse variante de amidon modificat, esterificat şi chiar copolimerizat cu poliacrilamida (cu rol în stabilizarea rocilor argiloase). Amidonul este stabil până la 110…1300 C, dar în noroaiele dulci are dezavantajul că fermentează (se previne fermentarea cu aldehidă formică, fenoli, crezoli). În noroaiele sărate, datorită unui pH mai mare de 11,5, fermentarea este împiedicată, dar în prezenţa unor ioni divalenţi de calciu sau magneziu amidonul precipită. Amidonul se foloseşte ca antifiltrant în noroaiele sărate în concentraţii de 5…30 kg/m3. La noi în ţară se prepară un produs numit FOREX, un amidon modificat şi utilizat în concentraţii de 0,5…3 %, la prepararea şi condiţionarea fluidelor de foraj pe bază de apă, contaminate sau saturate cu sare şi a celor pe bază de calciu. MY-LO-JEL este un amidon pregelatinizat, sub formă de praf, utilizat pentru controlul filtrării în sistemele cu conţinut redus de solide, noroaiele pe bază de sare şi calciu. Este un produs al firmei MI DRILLING FLUIDS, cu eficienţă foarte bună în cazul noroaielor sărat-saturate şi care nu este afectat de contaminanţii uzuali întâlniţi în timpul forajului. Produsul este însă degradat de acţiunea bacteriilor, fiind necesari aditivi conservanţi. Carboximetilceluloza de sodiu (CMC) se obţine prin tratarea celulozei (o polizaharidă insolubilă) cu acid monocloracetic sau cu monocloracetat de sodiu, în prezenţa hidroxidului de sodiu. Rezultă un polimer anionic, semisintetic, sub formă de praf alb-gălbui, solubil în apă şi ca produs secundar, clorură de sodiu. CMC-ul tehnic, nepurificat, conţine până la 25…30 % clorură de sodiu, iar CMC-ul purificat are 96…99,5 % substanţă activă şi aproximativ 0,5…4 % clorură de sodiu. Eficienţa CMC-ului asupra filtrării şi viscozităţii este funcţie de gradul de polimerizare (200…2000) şi de gradul mediu de substituire a grupărilor OH- din molecula de glucoză anhidră (conţine trei grupe OH-) cu grupa – OCH2COONa (50…90 %). Cu cât gradul de polimerizare (lungimea lanţului polimeric) este mai mare, cu atât produsul este mai activ ca antifiltrant, iar viscozitatea fluidului creşte mult. Din acest punct de vedere se disting trei categorii: CMC de viscozitate redusă (soluţia 2 % are viscozitatea aparentă de 10 cP), CMC de viscozitate medie (soluţia 2 % are viscozitatea aparentă de 100 cP) şi CMC de viscozitate mare (soluţia 1 % are

Fluide de foraj

50

viscozitatea aparentă de 250 cP). Solubilitatea CMC-ului creşte când gradul de substituire creşte. Ca antifiltrant, CMC-ul se foloseşte în cantităţi de 5…25 kg/m3, are acţiune optimă la un pH de 6…9, este stabil termic până la 1500 C şi nu este degradat de acţiunea bacteriilor. Se utilizează în noroaiele dulci şi în cele cu salinitate moderată (eficienţa scade când salinitatea creşte, îndeosebi peste 100 kg NaCl/m3), iar dacă pH-ul este ridicat, ionii divalenţi îl pot precipita şi fluidul se diluează periculos. Fluidele îngreuiate trebuie tratate cu CMC cu grad de polimerizare mai redus (viscozitate mai mică), pentru a nu se învâscoşa prea mult, devenind greu pompabile. Hidroxietilceluloza (HEC) se obţine prin tratarea celulozei, în mediu alcalin, cu oxid de etilenă, în prezenţa alcoolului izopropilic. HEC-ul este un polimer neionic, solubil în apă şi acid clorhidric, care se livrează sub forma unui lichid semitransparent, galben-roşcat, în soluţie de aproximativ 10 %, cu termostabilitate până la 120…1300 C. Hidroxietilceluloza este compatibilă cu sărurile mono şi divalente, de aceea se foloseşte ca antifiltrant în noroaiele sărate (împreună cu oxidul de magneziu şi lignosulfonatul de calciu) şi în pastele de ciment (care au o cantitate mare de ioni de calciu), în concentraţii relativ mici: 0,5…5,0 kg/m3. HEC-ul mai poate fi utilizat ca agent de mărire a viscozităţii, ca material de blocare a pierderilor de circulaţie, în dopurile de separare pastă-noroi, la reparaţii de sonde. Din categoria derivaţilor celulozici, solubili în apă, se mai utilizează carboximetilhidroxietilceluloza (CMHEC), celuloza polianionică (PAC), care are diferite variante comerciale, cum ar fi: • POLYPAC, o pulbere fină, albă, rezistentă la bacterii, controlează filtratul în fluidele

pe bază de apă dulce, apă de mare, KCl şi sare, ajută la formarea unei turte cu permeabilitate scăzută, este eficient în concentraţii reduse de 0,7…2,85 kg/m3, lucrează în domenii largi de salinitate, duritate şi pH, este compatibil cu toţi aditivii pentru fluidele de foraj;

• POLYPAC UL, o pulbere solubilă, albă, de calitate ridicată, controlează filtratul în fluidele pe bază de apă dulce, sărată, apă de mare sau cu KCl, formează o turtă subţire, elastică, de permeabilitate scăzută, pentru că este un aditiv ultralow (UL) cauzează creşteri minime de viscozitate în fluidele pe bază de apă, este rezistent la degradarea bacterială, deci nu necesită tratamente bioacide, are eficienţă într-un domeniu larg de pH, încapsulează argilele traversate şi detritusul, reducând interacţiunea fluidului cu pereţii sondei, se foloseşte în cantităţi mici, pentru noroaiele sărate sau cele pe bază de polimeri, concentraţiile ajungând la 2,85…8,6 kg/m3.

• THERMPAC UL, o pulbere albă, solubilă, polimer polianionic de puritate ridicată, de fapt un amidon modificat, care controlează filtratul într-o mare varietate de fluide de foraj cu o creştere minimă de viscozitate, rezistent la degradarea bacterială, termorezistent până la 1350 C, este eficient în concentraţii scăzute de 0,71…4,28 kg/m3, formează o turtă subţire, elastică şi cu permeabilitate scăzută, poate fi folosit în conjuncţie cu alţi aditivi normali pentru controlul filtrării.

Poliacrilamida (PAA) este un polimer sintetic neionic, din grupa polimerilor acrilici (copolimer al poliacrilatului de sodiu şi poliacrilamidei). Se livrează sub formă de soluţie vâscoasă alb-gălbuie, cu concentraţie 8…10 %, mai rar sub formă de praf. Poate fi folosită ca antifiltrant în noroaiele dulci sau uşor mineralizate, la un pH de 10…12, în cantităţi de 5…30 kg/m3, este stabilă termic la peste 2000 C, iar în prezenţa

Fluide de foraj

51

ionilor de Ca2+ şi Mg2+este precipitată. Se mai poate utiliza ca învâscoşant, floculant selectiv, stabilizator pentru rocile argiloase, emulsionant. Prin tratarea poliacrilamidei cu NaOH sau KOH se obţine poliacrilamidă (parţial) hidrolizată (PAAH), care este dispersabilă în apă şi un polielectrolit mai activ decât PAA (nehidrolizată). Comportarea pe care o are PAA şi PAAH este determinată de gradul de polimerizare, gradul de hidrolizare, concentraţie, valoarea pH-ului, temperatură, salinitatea mediului. Dacă gradul de polimerizare este redus, polimerii se comportă ca defloculanţi, când este ceva mai mare joacă rol de antifiltranţi, iar la lungimi foarte mari ale lanţului polimeric au rol de floculanţi. Funcţie de cantităţile utilizate, s-a constatat că aceşti polimeri se comportă ca floculanţi, la concentraţii foarte mici şi ca antifiltranţi, la concentraţii medii. De asemenea, la grad redus de hidrolizare (aproximativ 10 %) au rol floculant, la 30 % devin stabilizatori ai rocilor argiloase, iar la 70 % grad de hidrolizare se comportă ca antifiltranţi. În apă dulce, polimerii se umflă şi sunt foarte eficienţi, iar în prezenţa ionilor de Ca2+ sau Mg2+ umflarea este mai redusă. Poliacrilonitrilul (PAN) este un polimer sintetic, solubil în apă, obţinut prin reacţia acetilenei cu acidul cianhidric, în prezenţa unor catalizatori, urmată de o polimerizare. Se poate face hidrolizarea (parţial) în prezenţa NaOH, forma obţinută fiind poliacrilat de sodiu (cu denumiri comerciale diverse, precum Cypan, Ghipan), cu aceleaşi întrebuinţări şi restricţii ca şi poliacrilamida. Se foloseşte în concentraţii de 5…20 kg/m3 şi are o termostabilitate mai mare decât PAA. La noi se foloseşte un polimer acrilic cu masa moleculară medie, numit POLIRED, în concentraţii de 1…5 kg/m3, dar pe piaţa aditivilor pentru fluidele de foraj se utilizează numeroşi alţi copolimeri, cum ar fi: acid acrilic-acrilamidă, acrilamidă-acrilat de sodiu, metaacrilat de sodiu-metaacrilamidă (metasol), metilmetaacrilat-acid metaacrilic (M-14), acid metaacrilic-metaacrilamidă (metas). Răşina de Xanthan este un biopolimer (o polizaharidă) obţinut prin fermentarea zaharurilor sub acţiunea bacteriei Xanthomonas campestris. Produsul astfel obţinut este stabil până la 135…1500 C, se foloseşte ca agent pentru a crea structură, adeseori în prezenţa ionului Cr3+, în noroaiele dulci, sărate, dar mai ales în fluidele cu conţinut redus de argilă şi polimeri. În România, pentru fluidele mineralizate inhibitive se utilizează o răşină sintetică, numită REDFIL (cu o masă moleculară medie), în concentraţii de 5…30 kg/m3. XCD este o polizaharidă cu lanţ polimeric lung, produs de bacterii patogene din plante. Se foloseşte în cantităţi mici şi are rolul de a conferi viscozitate. Sistemele în care se introduce XCD capătă o comportare reologică vâscoelastică, prezentând viscozităţi reduse la viteze de forfecare mari şi viscozitate mare la viteze de forfecare mici. Resinex este o răşină sintetică, sub forma unei pulberi închisă la culoare, solubilă în apă şi stabilă termic până la 2000 C. Este folosită ca antifiltrant în toate sistemele pe bază de apă (apă dulce, apă de mare, apă sărată, pe bază de var, gips, lignosulfonaţi), dar cu rezultate remarcabile în fluidele îngreuiate, unde controlul filtrării poate fi obţinut fără creşterea viscozităţii. Acţionează în acelaşi timp ca un bun dispersant şi defloculant, asigurând un mediu în care solidele argiloase lucrează foarte bine ca agent de control al filtrării. Funcţie de mediul în care este utilizat şi nivelul de filtrare dorit, tratamentele normale se înscriu în domeniul 5,66…16,98 kg/m3.

Fluide de foraj

52

5.4. 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. Majoritatea substanţelor anorganice solubile (clorura de sodiu, varul, oxidul de magneziu, soda calcinată, clorura de calciu etc.) au acţiune floculantă, dar mai utilizaţi în acest scop sunt polimerii anionici, cationici sau neionici, care se comportă ca nişte polielectroliţi. Ei pot avea în fluidul de foraj o acţiune complexă, atunci când sunt floculate toate solidele argiloase, bentonitice şi nebentonitice, din noroi şi detritus, sau o acţiune selectivă, când floculează doar argilele nebentonitice, pătrunse în noroi din detritus. 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. 5.5. Lubrifianţi Se ştie că fluidele de foraj au rolul de a prelua o parte din căldura degajată în timpul lucrului sapei pe talpă, răcind echipamentul existent în sondă. 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 106, un amestec de substanţe organice biodegradabile, care conferă fluidului

caracteristici hidro-dinamice deosebite fără a-i modifica proprietăţile, se adaugă în concentraţii de 0,1…0,5 % (procente de masă) şi pentru omogenizare, sistemul se agită puternic;

• LUBE 167, un lubrifiant eficient în toate tipurile de fluide pe bază de apă, cu toxicitate redusă şi la utilizarea căruia au scăzut ţinerile pe gaură şi torsiunea garniturii de prăjini;

Fluide de foraj

53

• STABIL HOLE, un material asfaltic sub formă de pulbere, care se amestecă cu ţiţei înainte de a fi adăugat în fluid, contribuie la creşterea stabilităţii pereţilor sondei, în special în zonele cu argile moi, reduce cumulativul de filtrat, torsiunea şi prinderile de garnitură prin lipire diferenţială;

• ASPHASOL (denumire pentru produsele vândute internaţional), un compus organic, parţial sulfonat, utilizabil în majoritatea fluidelor pe bază de apă, cu efecte de îmbunătăţire a calităţilor turtei şi controlul dispersiei solidelor;

• SALINEX, un compus chimic cu rol de emulgator, folosit în fluidele pe bază de apă de mare sau sare, chiar şi în prezenţa ionilor de calciu sau magneziu contribuie la scăderea tensiunii de suprafaţă şi la udarea preferenţială a metalului faţă de ţiţei, ceea ce duce la scăderea frecărilor, torsiunii şi manşonării sapei.

Firmele de specialitate au patentat, încă începând din anii 1957-1958, un număr destul de mare de lubrifianţi, unii dintre aceştia fiind destinaţi lucrului la presiuni şi temperaturi mari (lubrifianţi de mare presiune). Ei previn contactul direct dintre suprafeţele de frecare, chiar la presiuni foarte ridicate (până la 2000 bar), când, prin încălzire şi topire acţionează ca un film protector. Unii dintre aceştia sunt pe bază de extract de răşină de pin sulfurat şi alţii pe bază de acizi graşi fără sulfuri, conţinând mici cantităţi de oxizi de mangan sau de crom (cu denumirile comerciale pot fi amintiţi E.P.LUBE, HOLECOAT). 5.6. 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 (de exemplu, barita flotată) sau cu reactivi chimici care spumează (sarea, lignosulfonaţii). Se folosesc în cantităţi reduse, de 1…10 kg/m3, unii dintre antispumanţi fiind universali, iar alţii cu utilizare numai în anumite tipuri de fluide. Stearatul de aluminiu este un aditiv din categoria agenţilor tensioactivi de suprafaţă, utilizat la eliminarea spumării fluidelor în care s-au folosit lignosulfonaţi. De asemenea, este un antispumant eficient pentru sistemele pe bază de saramuri, unde se recomandă amestecarea cu mici cantităţi de ţiţei (0,12…0,24 kg/l) pentru a se obţine cele mai bune rezultate. Se mai folosesc: polietilena şi diverse varietăţi de cauciuc, gudroanele, alcoolii şi acizii graşi, glicolii, săpunuri naftenice, parafină oxidată, numeroase substanţe tensioactive. La noi, produsul CSF, fabricat la Câmpina, este un antispumant care acţionează prin dezlocuirea peliculei interfaciale şi/sau prin reducerea viscozităţii la interfaţa gaz-lichid. 5.7. 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.

Fluide de foraj

54

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. Altă modalitate practică o constituie folosirea consumatorilor sau precipitanţilor de substanţe corozive. Astfel: • pentru oxigen: sulfitul şi bisulfitul de sodiu sau amoniu (cu O2- trec în sulfaţi),

dioxidul de sulf, hidrazina (N2H4); • pentru hidrogen sulfurat: carbonatul, cromatul şi oxidul de zinc, magnetitul sintetic

spongios, oxidul de cupru; • pentru dioxidul de carbon: varul stins, soda caustică; • pentru diverşii electroliţi: cromaţii şi dicromaţii de sodiu şi potasiu, compuşii

organici ai fosforului. Fiecare dintre aceşti consumatori are un anumit domeniu de utilizare, iar concentraţiile optime sunt funcţie de concentraţiile agentului coroziv. Un alt tratament împotriva coroziunii constă fie în acoperirea prăjinilor de foraj, la interior, cu o peliculă protectoare, formată din substanţe care au la bază amine, săruri ale aminelor, diverşi polimeri sau răşini, fie adăugarea acestora în fluid. 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. 5.8. 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 două grupări, cu afinităţi diferite, una hidrofilă (polară) şi cealaltă hidrofobă (nepolară), orientarea lor la suprafaţa de separare a două fluide nemiscibile fiind potrivit afinităţii celor două grupări. După capacitatea de ionizare în apă a grupării hidrofile, substanţele tensioactive sunt ionice şi neionice. La rândul lor, cele ionice pot fi anionice, cationice sau amfoterice. Substanţele anionice se ionizează în apă şi rămân încărcate negativ, cum sunt sulfaţii [R-SO4

2-], sulfonaţii [R-SO32-], carboxilaţii [R-COO-], fosfaţii [R-PO4

3-], unde R reprezintă gruparea hidrofobă (oleofilă). Dintre acestea, cele mai folosite sunt săpunurile de sodiu şi calciu ale acizilor graşi şi alchil-fenolii.

Fluide de foraj

55

Substanţele cationice au gruparea solubilă în apă încărcată pozitiv, cum sunt clorura cuaternară de amoniu (ionul disociat este Cl-, iar restul moleculei rămâne pozitiv), diverse amine, diaminele. 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. Substanţele neionice sunt cele care nu se ionizează în apă, dar au grupări polare de eteri, esteri, amide, poliamide, alcooli graşi etc. Modul de comportare a substanţelor tensioactive depinde de natura electrică, afinitatea chimică, raportul dintre mărimea celor două grupări. Ele reduc tensiunea superficială a apei de la 72 N/m la 25…30 N/m, micşorează tensiunea interfacială apă-ulei şi modifică umectabilitatea particulelor solide. Astfel, substanţele tensioactive cationice se adsorb cu gruparea pozitivă, solubilă în apă, pe suprafaţa încărcată negativ a mineralelor silicioase (cuarţ, argilă), iar gruparea liofilă rămâne orientată spre exteriorul particulelor şi vor fi umectate de ulei. La substanţele anionice, gruparea hidrofilă negativă este respinsă de particule, adsorbţia este mai redusă şi sunt umectate de apă. Calcarele şi dolomitele încărcate pozitiv sunt umectate de ulei, la un pH mai mare de 9,5 dacă se folosesc substanţe tensioactive anionice şi de apă, dacă substanţele tensioactive sunt cationice. Substanţele tensioactive se utilizează atât în fluidele pe bază de apă, cât şi la cele pe bază de produse petroliere. Concentraţiile variază în limite foarte largi, între 0,1…30 kg/m3 şi adeseori în amestec, având 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). Se poate preciza că numeroşi polimeri, fluidizanţi şi chiar particulele solide au o oarecare activitate de suprafaţă. La noi, dintre substanţele tensioactive cele mai folosite se pot aminti: TENSROM, AAS-9, AAS-3, RAG-7, EMROM, UMECTOL, OFP-82. 5.9. Materiale de blocare Problema pierderilor de circulaţie se întâlneşte frecvent în procesul de foraj. Gradul de importanţă al problemei este proporţional cu debitul de pierdere, care poate varia de la o cantitate prea mică pentru a fi observată, până la pierderea totală a circulaţiei. 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.

Fluide de foraj

56

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 practice sunt necesar a fi 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 sau cu diverşi alţi aditivi. 5.10. 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 prezentate în continuare. Soda caustică (NaOH), este o substanţă solidă de culoare albă, higroscopică, solubilă în apă şi în alcool, se topeşte la 3280 C, are densitatea 2100 kg/m3, în soluţie apoasă are proprietăţile unei baze tari, atacă pielea şi este toxică. Se foloseşte pentru reglarea pH-ului, realizând domeniul optim de lucru pentru diverşi reactivi (creşte eficacitatea lignosulfonaţilor, tananţilor, poliacrilamidei etc.), limitează solubilitatea altora (de exemplu a varului), diminuează coroziunea, neutralizează într-o oarecare măsură hidrogenul sulfurat, serveşte la hidrolizarea unor polimeri (cum ar fi amidonul, poliacrilamida, poliacrilonitrilul). În fluidele de foraj pe bază de apă şi argilă, la concentraţii sub 0,5 kg/m3, soda caustică are o acţiune dispersantă asupra bentonitei, iar la concentraţii mai mari produce un efect de coagulare, respectiv, măreşte viteza de filtrare şi afectează stabilitatea fluidelor. Soda caustică are şi o acţiune bactericidă, iar concentraţiile în care se utilizează, funcţie de scopul urmărit, sunt între 0,5…5,0 kg/m3. Aceleaşi aplicaţii şi efecte le are şi hidroxidul de potasiu (KOH). Soda calcinată (Na2CO3) este un praf alb microcristalin, higroscopic, solubil în apă, cu densitatea 2500 kg/m3. Se poate folosi pentru a precipita ionii de calciu şi magneziu, când se traversează strate cu gips sau anhidrit, la frezarea dopurilor de ciment şi când se utilizează apă de mare. La concentraţii mici, soda calcinată îmbunătăţeşte proprietăţile noroaielor pe bază de apă-argilă, având un rol dispersant asupra bentonitei, iar la concentraţii mai mari inhibă umflarea marnelor şi argilelor, creşte uşor pH-ul, viscozitatea şi gelaţia fluidelor. Cantităţile uzuale sunt de 0,5…20 kg/m3. În practică, datorită proprietăţii de schimb de bază, soda calcinată folosită în cantitate suficient de mare (concentraţii de 2…4%) serveşte la transformarea argilelor calcice în argile sodice (schimb de bază în sens invers tendinţei naturale, procedeu

Fluide de foraj

57

numit activarea argilelor). În aceleaşi scopuri se poate utiliza bicarbonatul de sodiu (NaHCO3). Clorura de sodiu (NaCl) este o substanţă solidă, cristalină, de culoare sticloasă sau cenuşie, cu densitatea 2170 kg/m3. Este solubilă în apă, la 200 C având o solubilitate de 316 kg/m3 soluţie, densitatea acesteia fiind 1200 kg/m3. Se foloseşte la prepararea noroaielor sărate, la reglarea activităţii apei din fluidele pe bază de produse petroliere, la diverse reparaţii (sub formă de saramură) sau operaţii de perforare. Are acţiune inhibitivă asupra umflării argilelor, cu excepţia attapulgitului, iar ca rocă întâlnită în timpul forajului, sarea provoacă diverse probleme şi înrăutăţeşte proprietăţile fluidelor de foraj. Clorura de calciu (CaCl2) este un praf alb cristalin, puternic higroscopic, are densitatea 2512 kg/m3, solubilitatea în apă la 200 C este de 614 kg/m3 soluţie, densitatea acesteia fiind 1427 kg/m3. Se întrebuinţează mai ales la prepararea noroaielor inhibitive cu conţinut ridicat de Ca2+, a fluidelor pentru perforare şi reparaţii, la reglarea activităţii apei din fluidele pe bază de petrol, ca aditiv accelerator de priză în pastele de ciment. Concentraţiile de clorură de calciu pentru fluidele inhibitive sunt de 5…20 kg/m3. Clorura de potasiu (KCl) este o substanţă solidă, cristalină, de culoare albă, cu densitatea 1990 kg/m3, are solubilitatea în apă la 200 C de 299 kg/m3 soluţie, densitatea acesteia fiind 1173 kg/m3. Se foloseşte în fluidele inhibitive pe bază de potasiu, var şi potasiu, polimeri şi potasiu, asigurând concentraţia necesară de ioni de K+. Cantităţile de KCl folosite sunt de 10…200 kg/m3. Varul stins (Ca(OH)2) este sub formă de praf alb (sau suspensie apoasă, numită lapte de var), cristalin, cu densitatea 2240 kg/m3. Se utilizează la prepararea fluidelor inhibitive cu var, var şi potasiu, var şi bitum, reactiv de lignit şi var (humat de calciu), serveşte la precipitarea carbonaţilor solubili, la reglarea pH-ului în noroaiele cu gips sau clorură de calciu. Concentraţiile de var care se folosesc, după scopul urmărit, se stabilesc de obicei prin încercări de laborator şi pot ajunge până la 50 kg/m3. Gipsul (CaSO4.2H2O) este un praf alb, greu solubil în apă, cu densitatea 2320 kg/m3. Se foloseşte pentru asigurarea concentraţiei necesare de ioni de Ca2+ în noroaiele cu gips, destinate traversării unor strate argiloase instabile aflate la adâncimi mari şi ca reactiv întârzietor de priză în pastele de ciment. Atunci când este întâlnit în formaţiunile traversate prin foraj, gipsul provoacă modificări importante ale viscozităţii şi filtrării noroiului. Concentraţiile de gips folosite în fluidele de foraj sunt de 10…20 kg/m3. Cromatul de sodiu (Na2CrO4) şi dicromatul de sodiu (Na2Cr4O7.2H2O) sunt substanţe sub formă de cristale galbene, respectiv portocaliu-roşcate, ambele fiind toxice. Simpla lor adăugare în fluidele de foraj nu are nici un efect, dar în prezenţa lor, lignosulfonaţii, lignitul, poliacrilatul de sodiu şi alţi reactivi îşi măresc stabilitatea termică, care poate astfel ajunge până la 150…2000 C. De asemenea, la temperaturi peste 700 C, ei înşişi pot acţiona ca fluidizanţi. Se mai pot folosi ca inhibitori de

Fluide de foraj

58

coroziune în noroaiele mineralizate, deşi ionii de Ca2+ le reduc eficacitatea şi nu se recomandă în prezenţa CMC-ului şi a celorlalţi derivaţi celulozici, având loc o oxidare termică. Au rol de inhibare a umflării argilelor şi se folosesc în concentraţii de 0,1…50 kg/m3. Acţiune asemănătoare în fluidele de foraj au cromatul şi dicromatul de potasiu. Pentru diverse situaţii se mai pot folosi: clorura de zinc, bromura de zinc, bromura de calciu, ca materiale de îngreuiere solubile, chiar dacă sunt scumpe şi chiar toxice, fosfatul acid de amoniu, pentru a inhiba umflarea rocilor argiloase, oxidul şi hidroxidul de magneziu, pentru a ridica pH-ul în saramuri acide, hidroxidul şi carbonatul de potasiu, cu rol de inhibare a umflării argilelor etc.

Fluide de foraj

6. Sistemul apă-argilă

6.1. Mineralele argiloase Argilele 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, frecvent cu urme mecanoglife sau bioglife şi cu forme fosile şi microfosile, resturi de plante incarbonizate, rar cu conţinut ridicat de substanţe bituminoase, concreţiuni de carbonaţi, silice, oxizi şi hidroxizi de fier şi pirită. Culoarea este variată: albă, cenuşie, verde, albastră, brună sau neagră în diverse nuanţe.

Fig.6.1. Structura schematică a mineralelor argiloase.

Dintre proprietăţile fizice se pot aminti: porozitatea foarte mare, permeabilitatea foarte mică sau nulă, coeficient de adsorbţie foarte mare, capacitatea de umflare mare, capacitatea de schimb ionic ridicată, plasticitate mare.

59

Fluide de foraj

60

Indiferent de originea lor (argile detritice - derivate din sedimente preexistente care au fost transportate la locul de depunere sau argile antigene, care au precipitat din soluţie şi sunt crescute in-situ, în timpul diagenezei), din punct de vedere chimic, mineralele argiloase sunt aluminosilicaţi hidrataţi, dispuşi în reţele cristaline [4, 6, 8, 11, 12]. 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. Este unul din motivele ce determină şi dificultăţile de identificare şi de separare. 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 (fig 6.1). 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. 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. Prin prisma tuturor aspectelor prezentate, cei mai mulţi specialişti clasifică mineralele argiloase în următoarele grupe [6, 8, 11, 12]: a. Illite (mice hidratate), din care fac parte mineralele: illit, muscovit, celadonit, glauconit, fengit. 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.

Fluide de foraj

61

Când sunt întâlnite în timpul forajului, provoacă excavări ale găurii de sondă şi creşterea viscozităţii noroiului. 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. c. Cloritele cuprind specii minerale de aluminosilicaţi bogate în magneziu (ortoclorite: penninul, clinoclorul, procloritul) sau fier (leptoclorite: bertieritul, thuringitul). Sunt alcătuite dintr-o alternanţă de strate de tip mică (T-O-T) cu strate hidroxilice, substituţiile de atomi de siliciu tetraedrici cu aluminiu şi de magneziu octaedric cu mangan, aluminiu, fier, fiind însemnate. Ca urmare, unitatea elementară posedă un exces de sarcină negativă, care va fi echilibarată de sarcinile pozitive ale startului hidroxilic. Acestor legături electrostatice se adaugă cele dintre atomii de oxigen şi hidroxil din foiţe alăturate, împiedicând pătrunderea apei. Din aceste cauze ele sunt slab hidratate, 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. 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.

Fluide de foraj

62

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. 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. 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. 6.2. Proprietăţile mineralelor argiloase în apă 6.2.1. Capacitatea de schimb ionic După cum am arătat în paragraful anterior, prin 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:

Fluide de foraj

63

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. 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. Montmorillonitele, din componenţa bentonitelor, posedă o capacitate de schimb cationic mult mai mare (70 ... 150 meq/100g) comparativ cu celelalte minerale (illitele: 10 ... 40 meq/100g, cloritele: 10 ... 40 meq/100g; caolinitele: 3 ... 15 meq/100g, attapulgit: 10 ... 35 meq/100g). Deci, capacitatea totală de schimb cationic dă indicaţii asupra conţinutului de minerale active, faţă de restul mineralelor inactive din sistem [4, 8, 11, 12]. 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. Astfel, 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). 6.2.2. 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. Deoarece apa reţinută la reţeaua cristalină poate fi pierdută prin încălzire, funcţie de temperatura necesară îndepărtării ei, apar patru categorii [2]: a. Apa de cristalizare (de constituţie), care este legată relativ rigid la reţea, temperatura la care se poate pierde fiind peste 500oC. Prin pierderea ei, caracteristicile de bază ale mineralului se schimbă. b. Apa legăturilor rupte, fixată la periferia reţelei cristaline, începe să fie cedată la temperaturi mai mari de 300oC. c. Apa adsorbită, fixată la suprafaţa reţelei sau particulei elementare, este fixată mai slab şi se pierde la temperaturi sub 300oC , fiind predominantă la illite şi caolinite.

Fluide de foraj

d. Apa planară, legată prin forţe electrostatice între păturile de maximă densitate ale reţelei (în păturile tetraedrilor de siliciu). Cantitatea de apă reţinută este diferită funcţie de tipul de mineral şi cu cât raportul Si/Al este mai mare, cu atât apa reţinută prin forţe electrostatice este mai multă. La mineralele din grupa montmorillonitului grosimea stratului de apă poate fi de 60Å, de unde şi proprietatea lor de a se umfla şi dispersa mai bine decât celelalte argile. În cazul illitelor, cationii de K asigură o legătură suficient de strânsă pentru a împiedica pătrunderea apei, caolinitele adsorb cantităţi foarte mici de apă, iar la attapulgit, apa pătrunde cu uşurinţă în spaţiile dintre cristalele aciculare. Apa planară se pierde la temperaturi sub 200 ... 300oC.

Fig.6.2. Schema stratului dublu electric

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. 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 ((fig.6.2.), 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 [4, 6, 8, 11, 12]). 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 [4] mărimea lui fiind independentă de mineralizarea mediului.

64

Fluide de foraj

65

Căderea de potenţial din stratul difuz (între stratul Stern şi mediul neutru) se numeşte potenţial electrocinetic (potenţial zeta ζ ). 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 ζ al unei argile are valoarea maximă. Scăderea potenţialului electrocinetic sub o valoare critică (numită punct izoelectric), duce la pierderea stabilităţii sistemului apă-argilă. Asupra mecanismului de adsorbţie a moleculelor de apă de către argile sunt avansate mai multe explicaţii [4, 8, 11, 12]: • hidrogenul dipolilor de apă este atras de atomii de oxigen sau hidroxil ai reţelei

cristaline; • apa este antrenată odată cu ionii hidrataţi în procesul de schimb ionic; • moleculele de apă sunt atrase prin forţe masice de tipul van der Waals, create de

fluctuaţiile norilor electronici din cristalele de argilă; • apa difuzează spre suprafaţa argilei, unde concentraţia de cationi este mai mare -

fenomenul de osmoză; • foiţele de argilă joacă rolul unor "condensatori" care atrag moleculele de apă în

interiorul lor. 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) [2], iar hidratarea osmotică se referă la apa adsorbită ca urmare a diferenţei de concentraţie a cationilor, mai mare în apropierea suprafeţei şi influenţată direct de natura şi concentraţia cationilor din soluţie. Grosimea stratului de apă nelichidă, după natura argilei, este între 1... 4 strate monomoleculare de apă, în timp ce grosimea celuilalt strat de apă este mult mai mare. În cazul montmorillonitului de sodiu, hidratarea osmotică este predominantă - aproximativ 10g apă/1g argilă uscată, faţă de 0,5g apă/1g argilă uscată - la cea de suprafaţă. 6.2.3. Capacitatea de umflare şi dispersare Efectul 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

Fluide de foraj

mineralelor argiloase, cât şi de apa reţinută pelicular în jurul particulelor de argilă [2, 9]:

ii

iu V

V1V

VVk ∆∆+=

+= , (6.1)

unde: ∆V reprezintă creşterea de volum a probei de mineral argilos faţă de volumul iniţial al probei Vi. 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. Dintre factorii care influenţează procesul de umflare se vor prezenta cei mai importanţi. 1. Mediul de contact influenţează atât valoarea coeficientului final de umflare, cât şi dinamica acestuia. În apă dulce capacitatea de umflare este maximă şi stabilirea echilibrului are loc pe durate de timp mari. În cazul altor soluţii, funcţie de concentraţia de electrolit, timpul de atingere al echilibrului este cu atât mai scurt cu cât concentraţia este mai mare (lucru explicabil prin schimbul intens şi rapid de cationi). 2. Prezenţa ionilor de sodiu. Cu cât concentraţia soluţiei de NaCl este mai mică, cu atât umflarea este mai intensă. 3. Prezenţa ionilor de calciu. Concentraţii mari de CaCl2 (>10%) sau soluţii de CaSO4 în concentraţii mici, duc la reducerea umflării mineralelor cu conţinut moderat sau mai mare de montmorillonit. 4. Prezenţa ionilor de magneziu influenţează mai ales umflarea intercristalină, reducând-o în procente de până la 5...10%. 5. Prezenţa ionilor de potasiu (în soluţii de KCl sau K2SO4) duce la scăderea umflării mai mult decât prezenţa soluţiilor de Mg, Na, Mn, Fe, Ca, datorită acţiunii de legare a planelor reţelei, pe care o exercită odată cu fixarea lor în reţea. 6. Presiunea influenţează mai puţin umflarea. După unii cercetători, presiunea hidrostatică reduce umflarea, în timp ce alţi autori consideră că numai în cazul presiunilor orientate apare această variaţie. S-a constatat însă, că în timpul forajului, datorită reducerii tensiunilor în jurul găurii de sondă, argilele adsorb apa din fluidul de foraj, intensitatea fenomenului fiind proporţională cu scăderea de tensiune [8]. 7. Temperatura influenţează umflarea, dar în funcţie de mediul de contact. Cu cât temperatura creşte, viteza de umflare este mai mare, iar timpul de atingere al echilibrului se reduce. 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 1µm. 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. 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. 66

Fluide de foraj

67

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. 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. Ulterior, tratamentele 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. 6.2.4. Asocierea particulelor de argilă şi formarea de structuri Formarea 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). 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

Fluide de foraj

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. 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. 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.

Fig. 6.3. Forţele ce apar între plăcuţele de bentonită

Aşa cum rezultă din fig 6.3, 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.

68

Fluide de foraj

Modul de asociere faţă la faţă apare în sistemele coagulate sau în cele obţinute din argile de slabă calitate (de exemplu argilă calcică), 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.

Fig. 6.4 Modul de asociere a particulelor de argilă. 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 (fig. 6. 4.). 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.

69

Fluide de foraj

70

6.3. Fluide de foraj dispersate (clasice) 6.3.1. Noroaiele naturale Aceste fluide au la bază sistemul dispers apă-argilă (soluţie diluată de bentonită în apă, cu ρn = 1040 ... 1060kg/m3, un filtrat de aproximativ 15 cm3 şi viscozitatea aparentă la pâlnia Marsh între 40…45s) şi îndeplinesc cerinţele de stabilitate, colmatare şi gelificare, necesare forajului. Preparate la suprafaţă din argile bentonitice (adesea activate) cu bune proprietăţi coloidale şi de dispersie, 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. a. 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. În schimb, 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, deoarece, variaţiile de presiune create prin manevrarea garniturii de prăjini pot deveni excesive, sapa şi talpa sondei se manşonează, viteza de avansare scade. În astfel de situaţii, pentru reducerea viscozităţii şi păstrarea unui conţinut optim de argilă (la care capacitatea de suspendare este bună, iar viscozitatea aparentă în limite acceptabile) 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.

La aplicarea practică a oricăreia dintre metodele amintite există însă anumite limite. Fluidizanţii, prin modul lor de acţiune, pot ecrana sarcinile negative de la muchiile foiţelor de argilă, împiedicând unirea lor (flocularea). Se micşorează astfel tensiunea dinamică de forfecare, dar creşte uşor viscozitatea plastică, deoarece creşte numărul de particule din sistem. Se poate apela la utilizarea fluidizanţilor doar în noroaiele cu densităţi reduse (dacă au şi o acţiune dispersantă, efectul lor, în timp, poate fi contrar celui aşteptat). 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.

Fluide de foraj

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 (chiar şi a celor considerate inerte, cum sunt illitele şi caolinitele), ceea ce poate duce la o creştere nedorită a viscozităţii. Din aceste considerente, 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. Se recomandă utilizarea lor doar în dreptul unor pachete foarte groase de marne şi argile foarte hidratabile şi dispersabile, care altfel nu pot fi traversate prin foraj. La oricare dintre metodele amintite trebuie să se dispună şi de un echipament eficient de curăţire mecanică. b. Contaminarea cu sarea gemă 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). Efectul clorurii de sodiu asupra soluţiilor coloidale de bentonită este pus în evidenţă în fig 6.5., care prezintă influenţa sării asupra bentonitei prehidratate (curbele notate cu indicele 1) şi asupra bentonitei în stare uscată, introdusă în soluţii cu diverse concentraţii de sare (curbele notate cu indicele 2).

ηa2

ηa1

V f1

V f2

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30Concentratia, g NaCl / 100 cm3 apa

Vis

cozi

tate

a ap

aren

ta η

a, m

Pa.s

0

20

40

60

80

100

120

Vol

umul

de

filtra

t API

VF ,

cm

3

Bentonita uscata

Bentonita hid t t

Fig. 6.5. Influenţa concentraţiei de sare gemă asupra viscozităţii aparente Pentru prima situaţie, se remarcă la procentele mici de sare (între 1…3 g NaCl/100 cm3 apă) o creştere exagerată a viscozităţii şi gelaţiei. Acest lucru este

71

Fluide de foraj

72

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. La concentraţiile şi mai mari de sare (între 15…25 g NaCl/100 cm3), însuşi agregatele sunt floculate, ceea ce conduce din nou la creşterea viscozităţii aparente. Spre saturaţie (30 g/100 cm3), 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. Aceste modificări ale proprietăţilor s-au observat la suspensiile diluate de bentonită sodică (aproximativ 6 g bentonită la 100 cm3 apă). 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). 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.

Fluide de foraj

c. Contaminarea cu ioni de calciu

Ionii de Ca2+ pot proveni din stratele de gips şi anhidrit, care se întâlnesc în timpul forajului sub formă de pachete groase sau intercalaţii.

Gipsul (CaSO4.2H2O) şi anhidritul (CaSO4) sunt denumirile pentru sulfatul de calciu, cu şi respectiv fără apă de cristalizare, prezenţa lor în natură fiind destul de mare (sunt puţine zone în lume unde nu se forează în gips sau anhidrit). Severitatea contaminărilor pe care le produc gipsul şi anhidritul, a condus la proiectarea unor sisteme de fluide care pot tolera aceşti contaminanţi şi la apariţia unor reactivi fluidizanţi eficienţi.

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

Concentratia, g Ca+/100 cm3 apa

Vis

cozi

tate

a ap

aren

ta a

, mPa

.s

0

25

50

75

100

125

150

175

Vol

umul

de

filtra

t API

V f, c

m3

Bentonita prehidratata

Bentonita uscata

V f2

V f1

ηa1

ηa2

Fig.6.6. Efectul clorurii de calciu asupra sistemelor apă-bentonită

Comportarea în prezenţa ionilor contaminanţi de Ca2+ (provenit prin disocierea clorurii de calciu) a unei soluţii diluate de bentonită sodică prehidratată şi bentonită uscată introdusă în apă cu diferite concentraţii de clorură de calciu sunt prezentate în fig.6.6. 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 contaminării cu sarea gemă, viscozitatea rămâne la valori ridicate, ca urmare a apropierii particulelor şi

73

Fluide de foraj

74

interacţiunii dintre stratele dublu electrice. De asemenea, datorită schimbului cationic dintre Ca2+ şi H+, are loc şi o uşoară scădere a pH- ului.

Efectul clorurii de calciu asupra bentonitei în stare uscată este acelaşi cu cel al clorurii de sodiu. Bentonita nu se hidratează, viscozitatea rămâne redusă, iar viteza de filtrare este foarte mare (curbele notate cu indicele 2 în fig. 6.5).

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.

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-). Severitatea contaminării cu ciment depinde de tipul fluidului şi concentraţia solidelor din acesta, de tratamentele chimice anterior efectuate, de cantitatea de ciment frezată, de lungimea zonei de amestec dintre fluid şi pasta de ciment etc.

Efectul iniţial al contaminării cu ciment este de asemenea creşterea viscozităţii, gelaţiei şi a filtratului. Aceste modificări sunt rezultatul adsorbţiei ionului de calciu de către argila din noroi, şi, urmare a apariţiei în sistem a grupărilor de OH-, care menţin pH- ul ridicat, au loc procese pronunţate de floculare şi agregare.

Fluide de foraj

75

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.

Humaţii, lignosulfonaţii, fosfaţii (fosfatul monosodic NaH2PO4, pirofosfatul acid de sodiu Na2H2P2O7) au de asemenea un efect precipitant şi în acelaşi timp acţionează ca fluidizanţi (defloculanţi). Soda calcinată este mai puţin recomandabilă, deoarece, menţine pH- ul ridicat şi nu neutralizează nici o grupare de OH-. Pentru reducerea vitezei de filtrare se pot folosi amidonul, celuloza polianionică, humaţii.

d. Contaminarea provocată de gaze

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. Un alt aspect, negativ, legat de prezenţa într-un fluid a hidrogenului sulfurat, dioxidului de carbon şi oxigenului, îl constituie acţiunea corozivă a acestora. Pentru a diminua coroziunea, se adaugă în fluid substanţe de neutralizare specifice (aşa-numiţi consumatori de oxigen, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat), inhibitori de coroziune sau amine dizolvate în motorină (acoperă suprafeţele metalice cu un film protector). 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. d. Influenţa temperaturii

Efectul temperaturii asupra proprietăţilor unui fluid este relativ complex. Astfel, la creşterea temperaturii, se micşorează viscozitatea fazei lichide din noroi, dar se

Fluide de foraj

76

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…1500 C, 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 şi lignosulfonaţi, care reduc viteza de filtrare, precum şi poliacrilamidă, diverşi poliacrilaţi, stabilizatori termici de tipul cromaţi şi dicromaţi de sodiu sau potasiu. De asemenea, în locul bentonitei se recomandă folosirea sepiolitului sau azbestului.

Din modul de comportare a noroaielor naturale în prezenţa diferiţilor contaminanţi, se poate concluziona că acestea au o aplicabilitate restrânsă, pot fi folosite în condiţii geologice simple şi la adâncimi relativ reduse. La adâncimi mai mari şi în condiţii geologice complicate se impun limite mult mai severe pentru parametrii fluidului de foraj, lucru care a condus la utilizarea unor sisteme cu argilă foarte puţină sau chiar deloc.

6.4. Noroaie tratate

Când se traversează roci argiloase care se dispersează ori se umflă, roci solubile, strate productive sau când argila de preparare nu asigură proprietăţile structurale dorite, aceste noroaie se tratează cu cantităţi reduse de fluidizanţi (de tipul fosfaţilor complecşi şi humaţilor de sodiu în prezenţa sodei caustice), reducători de filtrare, stabilizatori ai proprietăţilor la temperaturi ridicate sau la acţiunea contaminanţilor, lubrifianţi, antispumanţi etc., devenind noroaie tratate (sunt noroaie dulci, dispersate, la care se corectează unele proprietăţi în sensul dorit). Dar, chiar şi în aceste condiţii, în contact cu faza apoasă a fluidului, are loc pierderea stabilităţii pereţilor argiloşi ai găurii de sondă sau contaminarea puternică a noroiului, ceea ce duce la tratamente frecvente, costisitoare şi peste anumite limite ineficiente, de aceea domeniul de aplicabilitate al acestora se reduce, ca şi la noroaiele naturale, la condiţii geologice simple. 6.4.1. 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).

Fluide de foraj

77

6.4.2. 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. Prin modul lor de acţiune, fluidizanţii neutralizează sau ecranează sarcinile electrice de ruptură de la marginile plăcuţelor elementare de bentonită, reducând tendinţa noroiului de a forma structuri şi, în acelaşi timp, viscozitatea aparentă şi gelaţia, chiar şi în cazul unor concentraţii mai mari de argilă pătrunsă în noroi. 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. În funcţie de condiţiile specifice din timpul forajului se face şi alegerea tipului de fluidizant şi a cantităţii de sodă caustică cu care se tratează noroiul. 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 2 000 m, ştiut fiind că la temperaturi mai mari de 600 C, 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. 6.4.3. 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.

Fluide de foraj

78

6.4.4 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.

Fluide de foraj

79

7. Fluide de foraj inhibitive Fluidele 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) [1, 6, 8, 10,11]. 7.1. Fluide inhibitive pe bază de ioni de K 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. 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. În Romania se utilizează o variantă de fluid cu clorură de potasiu şi fluidizanţi inhibitori, denumit INHIB-KCl. Acesta este un amestec de lignosulfonaţi, humaţi şi dicromaţi, care amplifică efectul inhibant al ionului de potasiu; rezultatele procesului sunt:

• prevenirea dispersării detritusului argilos (prin adsorbţie la suprafaţa acestuia);

• scăderea viscozităţii şi gelaţiei, datorită fixării pe particulele elementare de argilă, reducând forţele de atracţie dintre acestea;

• micşorarea filtratului fluidului de foraj prin impermeabilizarea turtei de colmatare;

• mărirea stabilităţii termice până la 180 ... 200oC .

Fluide de foraj

80

La prepararea unui astfel de fluid se pleacă de la o soluţie diluată de argilă bentonitică prehidratată (ρn =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 dek+ (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. O variantă a acestui tip de fluid se prepară cu amoniu, care poate fi furnizat de fosfatul acid de amoniu sau de clorura de amoniu. Cationul de amoniu inhibă, de asemenea, umflarea şi dispersarea argilelor, acţiunea fiind asemănătoare cu cea a potasiului şi se foloseşte împreună cu celuloza polianionică (5...20kg/m3). 7.2. 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 1g NaCl/100 cm3 filtrat şi ele pot lua naştere prin contaminarea noroaielor dulci cu sarea dizolvată din rocile traversate sau cu apa pătrunsă din strate în sondă, prin utilizarea apei de mare la prepararea acestora sau 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, în general, 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. 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.

7.2.1. Fluide sărate nesaturate

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

Fluide de foraj

81

bazic de lignit 10 … 25kg; NaOH 4 … 6kg, pentru a ridica pH–ul peste 9 şi a activa acţiunea FCLS. 7.2.2. Fluide preparate cu apă de mare

Acestea sunt folosite – din motive economice – la forajul în largul mării. Conţinutul de săruri în apa de mare este 30…35g/l şi constă în cloruri şi sulfaţi de

Mg sau Ca şi în NaCl. Ionii de Ca2+ pot fi eventual precipitaţi cu hidroxid de sodiu (1…3kg/m3), iar cei

de Mg2+ cu var (3…5kg/m3). 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. 7.2.3. 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.

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. 7.3. Fluidele inhibitive pe bază de calciu

Fluidele 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.

Fluide de foraj

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).

0

200

400

600

800

1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Continutul de NaOH, kg/m3

Con

tinut

ul d

e C

a++ în

solu

tie, m

g

70 oC

50 oC

20 oC

Fig. 6.7. Influenţa concentraţiei NaOH din soluţie asupra solubilităţii Ca(OH)2

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).

0

10

20

30

40

0 20 40 60 80 100

Concentratia Na+ în solutie, %

Con

cent

ratia

Na+ în

arg

ila, %

Fig.6.8. 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.

82

Fluide de foraj

Realizarea concomitentă a unei concentraţii mari de Ca2+ în apa liberă a

noroiului şi transformarea doar parţială a argilelor sodice (din noroiul de bază) în argile calcice se realizează cu ajutorul sodei caustice (NaOH) (fig. 6.7). În cantităţi diferite, funcţie de varianta de fluid, aceasta are rolul de a controla solubilitatea electrolitului (cu cât creşte concentraţia de NaOH din soluţie cu atât se reduce solubilitatea electrolitului), de a controla cantitatea de argilă sodică rămasă netransformată, iar prin reglarea pH-ului măreşte eficienţa fluidizantului. 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 (fig.6.8). În acest mod, noroiul îşi păstrează timp îndelungat proprietăţile reologice şi are capacitate de autoreglare. 7.3.1. 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.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 50 100 150 200 250 300 350Continutul de Ca++ în filtrat, mg/l

Vis

cozi

tate

a ap

aren

ta, c

P

Fig. 6.9. 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 în fig 6.9 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.

83

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

Fluide de foraj

84

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 fig. 6.8, 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. 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). Pentru deschiderea unor strate productive, noroiul inhibitiv cu var este superior noroaielor sărate cu NaCl, datorită reducerii blocajului cauzat de hidratarea, umflarea şi dispersarea mineralelor argiloase din strat. 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, care au o compoziţie asemănătoare celor cu var: soluţie diluată de bentonită (ρn=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. 7.3.2. Noroiul cu gips

Poate fi utilizat la deschiderea unor strate productive în condiţii mai severe de temperatură (150...160oC), precum şi la traversarea pachetelor groase de argile sodice şi zone salifere care nu justifică folosirea unui noroi sărat. O a treia variantă a noroaielor cu calciu este noroiul pe bază de clorură de calciu cu o concentraţie foarte mare de ioni de calciu în filtrat (800...4000 mg/l), cu un pH mai scăzut (pH=8) şi cu o temostabilitate ridicată (până la 175oC). Acestea se mai numesc şi noroaie pentru marne, au o mare capacitate de inhibare a argilelor hidratabile, asigurând în felul acesta stabilitatea pereţilor argiloşi ai găurii de sondă şi protejarea stratelor productive care conţin fracţiuni argiloase. O variantă a noroiului cu var, care se utilizează la noi, este fluidul cu humat de calciu (o sare solubilă a acizilor humici care imprimă sistemului un puternic caracter inhibitiv) şi care nu diferă în compoziţie de celelalte noroaie pe bază de ioni de calciu (la o soluţie diluată de bentonită se adaugă: 10...30kg/m3 humat de calciu, 1...3kg/m3 NaOH, 10...15kg/m3 CMC, 10...20kg/m3 FCLS.

Fluide de foraj

85

8. Fluide pe bază de polimeri

Din multele observaţii practice şi numeroasele studii de laborator s-a constatat că natura şi proprietăţile fluidelor de foraj afectează în mare măsură viteza de avansare a sapei şi metrajul realizat de sapă. Deşi efectele proprietăţilor fluidului sunt dificil de individualizat conţinutul şi mărimea particulelor solide şi mai ales a celor dispersabile la nivel coloidal, influenţeză în mod semnificativ performanţele sapelor. De aceea, utilizarea unor fluide cu conţinut redus de solide argiloase, precum şi a polimerilor cu efect floculant, au arătat practic superioritatea fluidelor inhibitive cu polmeri şi cu conţinut foarte scăzut de fază argiloasă (denumite şi fluide nedispersate), atât pentru realizarea unor viteze mecanice de avansare a sapei mai mari, precum şi la deschiderea în mai bune condiţii a stratelor productive. Aditivii floculanţi care se utilizează în aceste noroaie au capacitatea de a limita hidratarea şi dispersarea argilelor din detritus şi pereţii sondei, prin formarea unui film protector pe suprafaţa acestora şi, de asemenea, provoacă agregarea solidelor nedorite din fluid, care pot fi astfel mai uşor îndepărtate la suprafaţă [1, 6, 8, 10, 11]. În general, se folosesc polimeri - compuşi organici cu lanţul moleculei mare şi greutate moleculară ridicată, dar şi floculanţi anorganici (NaCl, var, gips). Polimerii pot fi de tip cationic, acţionând prin catena lor hidrofilă puternic încărcată pozitiv (se adsorb ireversibil pe feţele şi muchiile negative ale foiţelor de argilă) sau de tip anionic sau neionic, însoţiţi de un electrolit, care să neutralizeze sarcinile electrice ale plăcuţelor de argilă, polimerii adsorbindu-se la suprafaţa acestora cu gruparea hidrofilă. In sondă, efectul inhibant al polimerilor se datoreşte formării unei pelicule protectoare ce împiedică pătrunderea apei, umflarea şi dispersarea argilelor. După funcţiile pe care le realizează în fluid, polimerii pot fi clasificaţi astfel [1, 8, 11]:

• floculanţi complecşi- floculează atât particulele de bentonită cât şi pe cele de detritus; se folosesc la forajul cu apă, unde se urmăreşte îndepărtarea tuturor solidelor;

• floculanţi selectivi- floculează doar solidele forate; • floculanţi cu acţiune dublă- care floculează solidele forate, dar

îmbunătăţeşte şi randamentul bentonitei. Pentru fiecare tip de fluid cu polimeri, concentraţia în care ei se utilizează depinde de natura acestuia. Se disting două categorii de fluide cu polimeri:

• cu conţinut redus de argilă (20...50kg/m3 bentonită) şi un polimer macromolecular (0,2...5kg/m3), împreună contribuind la crearea structurii noroiului şi reglarea vitezei de filtrare;

• fără argilă la preparare, proprietăţile structurale şi de filtrare fiind asigurate numai de polimeri.

Fluide de foraj

86

8.1. Fluidul tip PARAN (cu polimeri si electroliţi)

La acest tip de fluid poliacrilamida nehidrolizată (neionică) este folosită în

concentraţie de 1...2%, cu rolul de a flocula solidele argiloase forate, de a contribui la realizarea suportului coloidal şi reducerea filtrării, iar ceilalţi aditivi utilizaţi la prepararea acestui noroi sunt: RAG–27, un produs tensioactiv, neionic, în cantităţi de 0,025...0,1%; CMC - purificat 0,5...1,5%; motorină 5...8%; AAS–9, produs tensioactiv neionic, solubil în apă şi în produse petroliere 0,25...0,5%; gips 1...2%. 8.2. Fluide cu anhidridă maleică-acetat de vinil

Acest tip de fluid se prepară atât cu apă dulce cât şi sărată. Apa dulce se

amestecă cu 0,15kg/m3 polimer, apoi se adaugă aproximativ 3% bentonită. Se ridică viscozitatea la 35...45s cu sodă calcinată în proporţie de 0,7...1,5kg/m3. Dacă fluidul este floculat, cu o viscozitate şi rezistenţă de gel prea mari, se adaugă mici cantităţi de fluidizant: 0,3kg/m3 lignosulfonat şi 0,15kg/m3 sodă caustică. În apă sărată se adaugă 0,2kg/m3 polimer şi bentonită prehidratată. 8.3. Fluidul tip polimer-calcar granular

Este utilizat în două variante: nemineralizat şi mineralizat cu clorură de potasiu,

fără bentonită sau cu un conţinut foarte redus (10...30kg/m3). Polimerii (poliacrilamida parţial hidrolizată, copolimeri acrilici, răşină de xanthan) în concentraţie de 0,5...3kg/m3, asigură capacitatea de suspendare a detritusului şi a baritei, iar împreună cu KCl formează un mediu inhibitiv (cantitatea de KCl se stabileşte funcţie de gradul de instabilitate a pereţilor, densitatea noroiului şi cantitatea de detritus). Filtrarea acestui fluid se controlează cu CMC, amidon sau celuloză polianionică. Fluidele astfel preparate pot fi şi emulsionate cu 5...10% motorină. 8.4. Fluidul tip TENSROM

Componentul principal TENSROMUL (realizat de ICPT-Câmpina), este un

amestec de produşi tensioactivi neionici de tip blocopolimeri, cu proprietăţi de control al hidratării şi dispersării argilelor forate, utilizat în cantităţi de 10...25kg/m3. Proprietăţile noroiului se îmbunătăţesc prin adăugarea de: 5...15kg/m3 CMC, 100...200l/m3 motorină în prezenţa unui emulgator de tip AAS-9 (2,5...5kg/m3), 10...25kg/m3 gips sau 1...5kg/m3 var, pentru realizarea unui conţinut de calciu în filtrat de 600...1200mg/l. Acest fluid asigură o bună protecţie stratelor productive, datorită volumului redus de filtrat, capacităţii de inhibare a hidratării argilelor (asigurată de produsul TENSROM şi gips) şi a unei tensiuni superficiale reduse.

8.5. Fluidul uşor tip AAS – 9

A fost realizat tot de ICPT- Câmpina, în gama densităţilor reduse 900...1100kg/m3, pentru deschiderea stratelor productive depletate. Produsul AAS-9

Fluide de foraj

87

este o substanţă tensioactivă neionică de tipul alchilfenoloxietilat, care reduce tensiunea interfacială ţiţei-apă, îmbunătăţeşte capacitatea inhibitivă a filtratului, spumează intens noroiul, reducând astfel şi densitatea şi asigură alături de CMC stabilitatea emulsiei de tipul ţiţei în apă. Se utilizează în cantităţi de 5...15l/m3, împreună cu 2,5...10kg/m3 CMC şi 50...300l/m3 motorină.

8.6. Fluide pe bază de Poly-Plus Poly-Plus este un copolimer acrilic (comercializat de firma M-I Drilling Fluids), cu caracter anionic, cu masă moleculară mare, rapid dispersabil, cu rol de a îmbrăca detritusul argilos, de a stabiliza argilele traversate în timpul forajului şi de a conferi viscozitate sistemului în care este utilizat. În fluidele fără bentonită (soluţii limpezi), Poly-Plus se comportă ca un floculant total, asigurând transportul detritusului la suprafaţă, viteze de avansare mărite şi o bună stabilitate găurii de sondă. În fluidele cu conţinut redus de solide, concentraţia de polimer activ se păstrează în domeniul 3...5,7kg/m3. La această concentraţie, suprafeţele anionice ale polimerului depăşesc valoric suprafeţele cationice libere ale bentonitei şi argilelor forate, ceea ce duce la încapsulare argilelor reactive în interiorul noroiului şi pe pereţii sondei. Îndeplinirea acestei condiţii de concentraţii este necesară pentru a menţine viscozitatea sistemului dincolo de vârful de maxim al acestuia. Stabilitatea acestui tip de fluid depinde şi de menţinerea procentului de solide uşoare sub 6%. În cazul în care concentraţia de polimer este prea mică sau conţinutul de solide prea ridicat va fi necesară adăugarea de dispersanţi anionici pentru stabilizarea reologiei fluidului. Folosirea dispersanţilor reduce însă efectul polimerului, deoarece suprafeţele puternic anionice ale dispersantului diminuează acţiunea polimerului şi fenomenul de încapsulare a argilelor. Acţiunea polimerului Poly-Plus este eficientă şi în fluidele dispersate, de tipul Spersene/XP-20. Utilizarea acestuia îmbunătăţeşte proprietăţile reologice ale sistemului, reduce filtratul şi grosimea turtei şi uşurează eliminarea solidelor forate (măreşte eficienţa sistemului de curăţire). Poly-Plus poate fi adăugat în orice fluid cu pH scăzut, pe bază de apă dulce sau tratat cu KCl, pentru a reduce umflarea argilelor. Datorită acţiunii pe care o are asupra detritusului şi capacităţii de a menţine în suspensie chiar şi particulele de dimensiuni mari, prin utilizarea polimerului Poly-Plus se realizează viteze de avansare mărite, se reduc ţinerile pe gaură şi manşonarea sapei şi stabilizatorilor. 8.7. Sisteme de fluide Flo-Pro Sistemele de fluide Flo-Pro (promovat de firma M-I Drilling Fluids) sunt noroaie pe bază de apă, cu caracteristici reologice deosebite, un filtrat redus şi comportament optim în sonde deviate, orizontale, cu gradientul presiunii din pori scăzut. Fluidele de tip Flo-Pro cuprind un număr minim de compuşi, fiecare dintre aceştia având funcţii bine definite. Proiectarea unui sistem Flo-Pro se face în funcţie de cerinţele specifice fiecărei sonde, aditivii utilizaţi dizolvându-se bine în apă dulce, apă

Fluide de foraj

88

de mare sau saramuri. În mod obişnuit se prepară cu densităţi până la 1400kg/m3 şi pot fi folosite până la temperaturi de 120oC. Reţetele speciale se pot extinde şi peste aceste limite. Cei mai uzuali componenţi dintr-un sistem Flo-Pro sunt: Flo-Vis, biopolimer (gumă xanthanică) care conferă fluidului proprietăţi reologice deosebite şi de suspendare a solidelor. Concentraţiile de Flo-Vis variază între 3...7,2kg/m3, iar în cazuri speciale, pentru crearea unor dopuri de fluid cu viscozitate ridicată, între 8,6...11,5kg/m3. Pentru a obţine performanţe optime, valoarea concentraţiei de Flo-Vis trebuie să fie mai mare decât concentraţia minimă de biopolimer necesară pentru a conferi capacitate de suspensie şi transport a solidelor (numită şi concentraţie critică de polimer, care este o funcţie relativă de valoarea viscozităţii la viteze de forfecare scăzute). NaCl şi/saukCl, conferă sistemului proprietăţi inhibitive şi măresc densitatea fără creşterea conţinutului de solide. În plus, prezenţa sărurilor contribuie la creşterea stabilităţii biopolimerului la temperaturi ridicate şi accentuează proprietăţile de viscozitate la viteze de forfecare reduse. Flo-Trol, un derivat al amidonului, utilizat pentru a reduce cumulativul de filtrat şi care contribuie la formarea unei turte de colmatare subţire şi elastică; de asemenea, prin acţiunea sinergetică cu Flo-Vis contribuie la accentuarea proprietăţii sistemului de a prezenta viscozitate la viteze de forfecare scăzute. Concentraţia recomandată este 3...11,5kg/m3. CaCO3 (Lo-wate), sub formă de particule de anumite dimensiuni, cu rolul de agent de podire, menţinând particulele coloidale în turta formată la suprafaţa formaţiunii forate. Particulele sunt solubile în acizi şi pot fi uşor îndepărtate în timpul operaţiilor de întreţinere sau reparaţii. Concentraţia de carbonat de calciu utilizat pentru controlul filtratului şi obţinerea unei turte de calitate poate varia între 28,5...85,6kg/m3, majorând în acest fel şi densitatea fluidului până la 1370kg/m3. Kla-Cure, compus chimic cu masă moleculară mică, solubil în apă, compatibil cu biopolimerul Flo-Vis căruia îi accentuează funcţiunile. Datorită caracterului amfoter produsul Kla-Cure se leagă de argile şi marne, împiedicând hidratarea acestora la contactul cu fluidul de foraj sau filtratul lui. Concentraţia optimă variază între 6...17kg/m3. NaOH, KOH sau MgO, conferă alcalinitate sistemului, asigurând un pH=8,5...9,5 şi contribuie la mărirea randamentului biopolimerului Flo-Vis. Sistemului i se pot adăuga şi alţi aditivi cum este Lube-167, un lubrifiant eficient. Caracteristica distinctivă a sistemelor Flo-Pro este comportamentul vâscoelastic: sunt caracterizate de viscozităţi ridicate la viteze de forfecare scăzute şi gelaţii constante, cu valori moderate, la viteze de forfecare ridicate. Acest comportament conferă o capacitate deosebită de curăţire a găurii de detritus, calitate esenţială mai ales în sondele cu înclinare mare, până la orizontală. Sistemele Flo-Pro sunt preferabile şi pentru că protejează stratele productive la traversarea acestora prin foraj. Alcătuite cu aditivii prezentaţi, din acest punct de vedere sunt de subliniat: lipsa solidelor chimic inerte (bentonită, barită etc), filtrat redus şi cu rază de pătrundere mică datorită viscozităţii, turtă uşor de îndepărtat cu soluţii acide sau cu soluţii de hipoclorit ce dizolvă biopolimerul.

Fluide de foraj

89

8.8. Sisteme Glydril Sistemul Glydril (promovat de firma M-I Drilling Fluids) este un sistem activat cu poliglicol pentru a obţine un fluid de foraj comparabil cu emulsiile inverse ca eficienţă a inhibării argilelor. Pentru realizarea unui astfel de sistem se utilizează următorii componenţi: XCD sau Flo-Vis pentru crearea de viscozitate, în cantităţi de 0…6,0 kg/m3; POLYPAC UL, pentru controlul suplimentar al viscozităţii, dar şi cu rol antifiltrant, în cantităţi de 8,0…14,0 kg/m3; POLY-PLUS, 2,0…5,0 kg/m3, cu rol de încapsulare a detritusului argilos; NaOH şi/sau KOH, 0,1…1,0 kg/m3, pentru reglarea pH- ului; NaCl şi/sau KCl, pentru inhibarea argilelor, în cantităţi necesare, putând ajunge până la saturaţie; Glydril, în proporţie de 3…5 % (volum/volum), în stare solubilă neutralizează sarcinile libere de pe suprafaţa argilelor, inhibă hidratarea şi dispersarea lor; după caz se folosesc şi alţi aditivi suplimentari pentru controlul filtrării şi a capacităţii de lubrifiere. Caracteristica esenţială a acestui sistem este temperatura la care poliglicolul se schimbă de la totala solubilitate în apă la insolubilitate (temperatura respectivă se numeşte Cloud-Point şi poate fi măsurată şi proiectată pentru condiţiile concrete ale fiecărei sonde). Prin schimbarea mediului chimic şi creşterea temperaturii, poliglicolul devine insolubil, blochează porii şi microfisurile formaţiunii traversate, împiedicând pătrunderea în profunzime a filtratului şi/sau a fluidului de foraj. Se obţin astfel performanţe mai bune de avansare a sapelor, creşte stabilitatea pereţilor sondei, creşte integritatea şi gradul de inhibare a detritusului, se reduce contaminarea formaţiunilor productive şi creşteri substanţiale ale productivităţii sondelor.

Fluide de foraj

90

9. Fluide pe bază de produse petroliere 9.1. Definire, utilizare, avantaje, dezavantaje

Aceste fluide sunt sisteme disperse a căror fază continuă este un produs petrolier, în care se află dispersaţi şi dizolvaţi aditivii necesari pentru crearea structurii şi a proprietăţilor colmatante, dar şi o cantitate de apă emulsionată, adăugată pentru a regla anumite proprietăţi. Cele două variante de fluide pe bază de produse petroliere sunt:

• cu conţinut redus de apă (pe bază de petrol şi asfalt) numite şi fluide negre (OIL FLUID) cu 3...10 % apă;

• emulsii inverse (10...60 % apă). Proprietăţile specifice ale acestor fluide sunt:

• filtrat redus şi constituit numai din petrol; • inerţie la contaminanţii de tipul marne, argile, sare, gips, anhidrit, ciment; • rezistenţă la temperaturi mari; • stabilitate sporită în condiţii de temperatură şi chiar la stocaj îndelungat; • capacitate ridicată de lubrifiere .

Datorită acestor însuşiri, fluidele pe bază de produse petroliere se pot utiliza la: • traversarea rocilor cu minerale argiloase sensibile la apă, a masivelor de

sare, gips, anhidrit, săruri potasice, formaţiuni cu hidrogen sulfurat şi bioxid de carbon;

• forajul unor sonde adânci şi fierbinţi; • deschiderea stratelor productive, mai ales a celor cu presiune scăzută, pentru

că filtratul lor este mic şi format din motorină şi permit, din punctul de vedere al densităţii, un foraj mai apropiat de echilibrul strat-sondă;

• forajul şi carotajul unor nisipuri neconsolidate şi a stratelor productive cu particule argiloase (murdare);,

• reactivarea unor sonde vechi; • degajarea unor garnituri prinse, ca fluide de paker şi de perforare.

Fluidele pe bază de produse petroliere au însă şi unele dezavantaje şi restricţii de utilizare:

• nu permit efectuarea carotajului electric standard şi a celui de potenţial spontan, petrolul fiind un electroizolant (se pot efectua alte tipuri de carotaj, cum sunt: sonic, radioactiv, inductiv, gama, neutronic etc.);

• sunt relativ scumpe, dificil de preparat, întreţinut şi curăţat; • contaminarea cu apă de ploaie are consecinţe nefavorabile asupra

viscozităţii, de aceea întreg sistemul de circulaţie exterioară trebuie acoperit; • degradează piesele de cauciuc;

Fluide de foraj

91

• îngreuiază munca personalului (sunt murdare, relativ toxice, iritante) şi necesită facilităţi speciale de spălare şi ventilaţie;

• prezintă în permanenţă pericol de incendiu; • afectează mediul înconjurător, iar îndepărtarea detritusului constituie o

problemă dificilă (trebuie evitate orice fel de scurgeri); • nu pot fi utilizate în zone cu pierderi de circulaţie datorită costului ridicat.

De regulă, fluidele pe bază de produse petroliere sunt recuperate, stocate şi folosite, după condiţionarea unor proprietăţi, la mai multe sonde. 9.2. Compoziţia generală a fluidelor pe bază de produse petroliere Faza continuă sau de dispersie, poate fi petrolul brut sau un produs rafinat (motorină, petrol lampant). Se foloseşte de regulă motorina, cu densitatea 840…850kg/m3, de viscozitate redusă, cu punct de anilină (conţinut de aromate) peste 600C, cu punct de inflamabilitate peste 800C şi punct de aprindere peste 900C. S-a încercat înlocuirea motorinei cu uleiuri minerale, mai puţin toxice şi poluante (care însă s-au dovedit periculoase pentru fauna marină), iar în ultimul timp, se încearcă prepararea unor emulsii inverse în care faza de dispersie o constituie unele hidrocarburi sintetice netoxice (polialfaolefinele, unii esteri complecşi degradabili, atât aerobic, cât şi anaerobic). Proprietăţile de lubrifiere, inhibitive şi anticorozive ale acestor emulsii sunt comparabile cu cele ale unui fluid preparat cu motorină. Faza apoasă se află sub formă de picături foarte fine, dispersată în produsul petrolier, formând o emulsie apă în ulei. Cantitatea de apă este limitată de pericolul spargerii emulsiei şi de creşterea exagerată a viscozităţii. În apă se dizolvă diverse cloruri (de calciu, sodiu, potasiu, magneziu etc.), pentru a avea activitatea chimică în concordanţă cu apa conţinută de formaţiunile traversate. Emulsionanţii sunt aditivi care stabilizează emulsia şi ajută la dispersarea apei pătrunse din formaţiunile traversate. Se folosesc săpunurile de calciu (sau sodiu) ale acizilor graşi, nesaturaţi şi cu masă moleculară mare, diverşi esteri, gudroane, amide şi poliamide, fosfolipide. De regulă, saponificarea acizilor are loc în timpul procesului de emulsionare; acizii graşi adăugaţi şi acizii naftenici din compoziţia petrolului reacţionează cu hidroxidul de calciu, sau de sodiu, obţinute prin dizolvarea varului, sau a sodei caustice, în apa de preparare. Naftenatul de calciu, solubil în petrol, stabilizează emulsia apă în ulei, iar săpunul de sodiu formează punţi de legătură între cele două faze. La temperaturi mai mari, unde stabilitatea emulsiei scade, şi la concentraţii ridicate de solide, care de regulă sunt hidrofile, pentru a nu se sparge emulsia (sau să se formeze emulsia ulei în apă), se adaugă emulsionanţi secundari, numiţi stabilizatori. Agenţi de umectare în ulei au rol de stabilizatori, reducători de viscozitate, inhibitori de umflare şi dispersare a detritusului argilos. Particulele solide, barita şi detritusul, sunt de obicei materiale hidrofile, care, prin umectarea cu apă, scad stabilitatea emulsiei şi îi măresc viscozitatea. Prin hidrofobizarea lor cu diverse substanţe tensioactive (sulfonaţi, amid-amine, fosfolipide, alchilfenoli), care se adsorb pe suprafaţa particulelor şi a pereţilor sondei, astfel încât gruparea nepolară (liofilă) să rămână spre exterior, se menţine caracterul inhibitiv al fluidului în dreptul rocilor argiloase.

Fluide de foraj

Faza solidă este cea care se dispersează la dimensiuni coloidale, asigură proprietăţi structurale (viscozitate şi gelaţie) şi reglează capacitatea de filtrare a fazei continue (acelaşi rol pe care îl are argila în noroaiele pe bază de apă). Se folosesc asfaltul oxidat sau suflat cu aer, argilele organofile, diverse substanţe tensioactive şi polimeri. Pentru a creşte densitatea fluidelor pe bază de produse petroliere se adaugă barită sau alte materiale similare, care pot fi măcinate şi nu modifică stabilitatea emulsiei sau alte proprietăţi. 9.3. Proprietăţi Fluidele pe bază de produse petroliere sunt emulsii de tipul apă în ulei. Proprietăţile lor sunt influenţate de gradienţii de temperatură şi presiune de-a lungul sondei şi se modifică între limite destul de largi în timpul circulaţiei din sondă, funcţie de intensitatea şi durata circulaţiei. Densitatea şi viscozitatea scad când temperatura creşte, dar se măresc când presiunea creşte (fig.9.1), efectul lor cumulativ asupra comportării acestora fiind determinat şi de natura şi concentraţia constituenţilor. Pentru stabilitatea fluidelor şi siguranţa forajului, este necesar ca acestea să fie preparate potrivit condiţiilor din sondă, iar temperatura şi presiunea la care sunt determinate proprietăţile să fie precizate. În condiţii de temperatură ambiantă, la aceeaşi densitate, viscozitatea fluidelor pe bază de produse petroliere este mai mare decât a celor pe bază de apă-argilă. De obicei, ea se determină la 450C sau la temperatura de ieşire din sondă.

0

8

16

24

32

40

0 40 80 120 160 200

Temperatura, oC

Vis

cozi

tate

a ap

aren

ta, m

Pa.

p=1000bar

p=800bar

p=600bar

p=0…30bar

p=200bar

p=400bar

Fig. 9.1. Viscozitatea fluidelor pe bază de petrol funcţie de temperatură şi presiune

Viscozitatea fluidelor pe bază de produse petroliere este influenţată şi de raportul apă-petrol. La concentraţii mari de apă, viscozitatea creşte exagerat de mult

92

Fluide de foraj

(apa acţionează precum particulele de solide în fluidele pe bază de apă-argilă, lucru pus în evidenţă în figura 9.2). Viteza de filtrare a fluidelor pe bază de petrol creşte cu temperatura şi scade uşor cu creşterea conţinutului de apă. Controlul filtrării se face la 1500C şi o diferenţă de presiune egală cu 35 bar, volumul de filtrat în aceste condiţii fiind 2…5cm3 şi constituit numai din produs petrolier; prezenţa apei în filtrat indică o emulsie instabilă (sau cantitate insuficientă de emulsionanţi). Valoarea mică a cumulativului de filtrat şi viteza de filtrare redusă a fluidelor pe bază de produse petroliere este atribuită podirii mediului poros de micelele asfaltice sau argiloase şi de particulele apoase înconjurate de moleculele emulsionantului.

Fig. 9.2 Viscozitatea fluidelor pe bază de petrol creşte cu conţinutul de apă.

Comportarea reologică a fluidelor pe bază de produse petroliere este mai apropiată de cea pseudoplastică decât de cea vâscoplastică (binghamiană), lucru care este pus în evidenţă în figura 9.3. (valorile parametrilor reologicik şi n sunt orientative, măsurate la 450C şi temperatură ambiantă).

0.1

0.2

0.3

900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500

Densitatea, kg/m3

Indi

cele

de

cons

iste

nta

K, N

.sn /m2

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Indi

cele

de

com

porta

re n

Emulsie inversaNoroi negru

n

n

K

K

t = 45 o C

Fig.9.3. Parametrii reologici medii ai fluidelor pe bază de produse petroliere

93

Fluide de foraj

94

Cu toate acestea, în practică, se măsoară viscozitatea plastică şi tensiunea

dinamică de forfecare (gelaţia este relativ redusă, o valoare de 1,5…2N/m2 este suficientă pentru menţinerea baritei şi detritusului în suspensie, la aceste fluide). Conţinutul de produs petrolier şi apă (sau raportul apă-petrol) se determină cu ajutorul retortei de distilare. În timpul forajului, şi mai ales la fluidele îngreuiate, se impune schimbarea raportului ulei-apă. Pentru a modifica acest raport, după determinarea cu retorta, se stabileşte corecţia ce trebuie efectuată pentru a mări sau micşora raportul M/A. Stabilitatea fluidelor pe bază de produse petroliere se apreciează prin tensiunea electrică de spargere a emulsiei. O emulsie este considerată stabilă dacă tensiunea de spargere este mai mare de 100…150 V. Se determină şi o toleranţă la pătrunderea particulelor hidrofile, aşa numita încărcare cu bentonită. Un litru de emulsie inversă trebuie să suporte 225 g bentonită, fără să devină foarte vâscoasă sau instabilă. Alcalinitatea emulsiilor inverse trebuie menţinută între 2,5…5 cm3 acid sulfuric 0,02 n, între aceste valori emulgatorii având eficienţă maximă. 9.4. Prepararea şi întreţinerea fluidelor pe bază de produse petroliere Modul de preparare şi ordinea constituenţilor pentru aceste tipuri de fluide sunt bine stabilite. Se dispersează mai întâi emulsionantul principal în produsul petrolier, printr-o agitare intensă. Se dispersează apoi aditivii coloidali (asfaltul oxidat sau argila organofilă) şi diverşii polimeri oleofili, adeseori concentraţi împreună. Dispersarea este mai eficientă dacă se încălzeşte produsul petrolier la 60…800C. Se adaugă, după aceea, eventualii aditivi suplimentari. În mod separat, se dizolvă electrolitul necesar pentru reglarea activităţii şi varul nestins în apa de preparare. Se adaugă treptat soluţia apoasă în produsul petrolier şi se agită până la omogenizarea şi stabilizarea proprietăţilor. Faza apoasă, datorită căldurii de dizolvare şi de stingere a varului, dacă se adaugă când este caldă, evită învâscoşarea fluidului şi accelerează emulsionarea. După stabilizarea emulsiei, pentru reglarea densităţii, se poate introduce materialul de îngreuiere. Sistemul de circulaţie exterioară al sondei trebuie să fie acoperit, ferit de sursele de apă şi să evite orice fel de pierderi. De altfel, fluidul scurs la manevrarea prăjinilor se colectează, iar detritusul toxic este stocat în containere şi transportat în locuri speciale. Pentru că în timpul forajului proprietăţile pot fi afectate de diverşi contaminanţi, ele se urmăresc sistematic şi se reglează corespunzător. Pentru separarea detritusului se folosesc în sistemul de curăţire site fine, adesea duble, desandere şi desiltere. 9.5. Fluidele negre

Au ca fază continuă motorina (dar poate fi şi petrol lampant sau petrol brut) în care se dispersează asfaltul oxidat sau suflat cu aer (120...250kg/m3) pentru a controla filtrarea şi viscozitatea sistemului; apa, prin emulsionare (3...10%) contribuie la îmbunătăţirea proprietăţilor reologice şi de filtrare şi, de obicei, este mineralizată cu

Fluide de foraj

95

diverse cloruri-de calciu, sodiu, potasiu, magneziu. Pentru stabilizarea emulsiei se folosesc ca emulsionanţi diverse săpunuri de calciu sau sodiu ale acizilor graşi, îndeosebi ale acizilor naftenici, precum şi unele săpunuri metalice. Adesea, saponificarea acizilor are loc în procesul de emulsionare: acizii graşi adăugaţi şi acizii naftenici din compoziţia petrolului reacţionează cu hidroxidul de calciu sau sodiu dizolvat în apa de preparare. Săpunul de calciu stabilizează emulsia apă în ulei, iar săpunul de sodiu formează legături între cele două faze. La temperaturi ridicate, unde stabilitatea acestui fluid scade considerabil şi la concentraţii ridicate de solide (de regulă hidrofile), se adaugă stabilizatori suplimentari (sulfonaţi de sodiu, lecitină, compuşi cuaternari de amoniu, amid-aminele etc.). La fluidele negre, apa reprezintă un component secundar; reacţionează cu aditivii chimici care reglează proprietăţile reologice şi coloidale, stinge varul, solubilizează anumiţi emulsionanţi. Conţinutul de apă este menţinut practic constant, independent de concentraţia de particule solide. Unul dintre fluidele negre, conceput de firma Magcobar, dar utilizat şi la noi în ţară, este fluidul negru OIL FAZE. Acesta este preparat din motorină, un concentrat Oil Faze, capabil să creeze viscozitate şi rezistenţă de gel suficient de mari, dar o capacitate de filtrare scăzută, apă cu diverse concentraţii de CaCl2 sau NaCl, barită pentru reglarea densităţii, diverşi aditivi suplimentari, cunoscuţi sub denumiri comerciale: VG-69 şi DG-55, agenţi de gelificare, DV-22 reducător de filtrare termorezistent, SE-11 un emulgator suplimentar, DV-33 agent de umectare cu petrol. 9.6. Emulsiile inverse Reprezintă sisteme disperse cu faza continuă un produs petrolier, iar apa, în procent de 10...60% se află dispersată sub formă de picături foarte fine. Spre deosebire de fluidele negre, la emulsiile inverse, apa contribuie direct la reglarea proprietăţilor structurale şi de filtrare; conţinutul de apă trebuie redus atunci când concentraţia de particule solide este mare, altfel, viscozitatea emulsiei creşte la valori exagerat de mari. Toţi ceilalţi aditivi utilizaţi la prepararea fluidelor negre sunt întâlniţi şi la emulsiile inverse (emulgatori, stabilizatori de emulsie), numai că proprietăţile reologice, structurale şi de filtrare sunt realizate cu ajutorul argilelor organofile care se dispersează uşor în petrol. Aceste argile se obţin din argile hidrofile (montmorillonit, hectorit, attapulgit), prin reacţia de schimb cationic:

Na+ [Argila]- + R+Cl- → R+[Argila]- + Na+Cl- , unde R+ reprezintă un radical organic, cu un conţinut de atomi de carbon mai mare de 15. Se folosesc săruri ale unor amine alifatice, compuşi cuaternari de amoniu, amine fosfolipide, în proporţie de 10...30kg/m3. Deoarece fluidele tip emulsie inversă se utilizează în scopul rezolvării unor probleme dificile legate de forajul şi punerea în producţie a stratelor productive, iar instabilitatea găurii de sondă este atribuită rocilor argiloase şi faptului că acestea îşi modifică proprietăţile în contact cu mediile apoase, emulsiile inverse sunt realizate cu activitate chimică controlată (activitate echilibrată), adică activitatea apei emulsionate

Fluide de foraj

96

este egală sau mai mică decât a apei din argilele traversate şi aceasta pentru a împiedica fenomenele de hidratare osmotică şi hidratare de suprafaţă. Prin hidratarea de suprafaţă se înţelege reţinerea apei de către argile (adsorbţia apei) cu o forţă egală cu cea care, în timpul procesului de compactizare, a provocat deshidratarea. Hidratarea osmotică se referă la apa adsorbită ca urmare a diferenţei de concentraţie a cationilor de la suprafaţa particulelor argiloase şi a celor din soluţie. Când roca argiloasă este în contact cu fluidul de foraj, dacă activitatea fazei apoase a fluidului este mai mare decât cea a apei din roca argiloasă, atunci apare hidratarea osmotică, apa deplasându-se din fluid în roca argiloasă (diferenţa de activitate chimică conduce la migrarea apei şi invers, adică din rocă, către fluid). În cazul în care diferenţa dintre activităţi este nulă, migrarea apei încetează. De aceea, reglând activitatea fazei apoase din emulsia inversă cu electroliţi, invazia apei în rocile argiloase poate fi împiedicată şi în acest fel se asigură o stabilitate mai bună găurii de sondă. În prezent s-au răspândit mai ales emulsiile inverse, deoarece sunt mai ieftine, mai uşor de întreţinut, s-au folosit în cele mai diverse condiţii geologice şi au condus la performanţe superioare. Dintre cele mai cunoscute emulsii inverse se pot aminti: INVERMUL, elaborată de firma Baroid, OIL-VERT, elaborată de firma Magcobar, dar şi emulsia inversă brevetată de I.C.P.T.Câmpina, cu următoarea compoziţie:

• motorină, faza continuă a sistemului; • EMROM, componentul principal care contribuie la emulsionarea fazei

apoase în produsul petrolier, este un amestec de săruri de sodiu şi calciu ale acizilor graşi, cu greutate moleculară mare (C > 20), într-un anumit raport, cu un amestec de polimeri cu proprietăţi hidrofil-hidrofobe şi cu sarea unui metal alcalino-pământos; se prezintă sub forma unei pulberi alb-gălbuie, insolubilă în apă, dar solubilă la cald (60…800 C) în motorină;

• ASAL, un produs asfaltic dispersabil în produsul petrolier, controlează filtrarea şi stabilitatea emulsiei, chiar la temperaturi ridicate;

• BENTONA-P, argilă organofilă obţinută prin reacţia de schimb cationic dintre o suspensie de bentonită şi amină, se prezintă ca o pulbere alb-gălbuie, este dispersabilă în produse petroliere şi contribuie la realizarea unui suport coloidal, suficient pentru a menţine barita în suspensie;

• OFP-82, un stabilizator de emulsie pentru temperaturi şi presiuni mari şi, în acelaşi timp, cu rol de hidrofobizare a solidelor din fluidul de foraj;

• AAS-3, un agent activ de suprafaţă cu solubilitate ridicată în produse petroliere, influenţează proprietăţile reologico-coloidale, fără a modifica stabilitatea emulsiei;

• apă cu CaCl2 (apă cu activitate echilibrată), pentru a preveni fenomenele de hidratare osmotică şi de suprafaţă;

• barită, pentru realizarea densităţii impuse.

Fluide de foraj

10. Aspecte privind deschiderea stratelor productive

Mecanismele prin care se produce deteriorarea stratelor productive în procesul de deschidere prin foraj sunt aceleaşi, fie că sonda este verticală, înclinată sau chiar orizontală.

Schimbarea echilibrului fizico-chimic existent în roca colectoare şi fluidele conţinute, stă, de cele mai multe ori, la baza acestor mecanisme şi deci a consecinţelor legate de productivitatea sondelor.

Dimensiunile zonei din jurul sondei, în care proprietăţile iniţiale pot fi afectate în această fază de lucrări, depind de tipul şi caracteristicile rocei colectoare, de tipul şi proprietăţile fluidelor de deschidere folosite, de diferenţa de presiune sondă-strat, de durata lucrărilor până la punerea acesteia în producţie.

10.1 Aprecierea gradului de blocare a zonei din jurul sondei

Estimarea valorii parametrilor fizico-hidrodinamici ai unui zăcământ, la un moment dat, se face pornind de la informaţiile geofizice măsurate cu metode fizico-chimice, în laborator, şi/sau din date de producţie corelate cu informaţiile obţinute în urma cercetării sondelor. Aprecierea gradului de blocare a unei formaţiuni productive se face prin raţia de productivitate şi coeficientul de skin-effect.

a. Raţia de productivitate, Rp, se exprimă ca raport între debitul (Qm) cu care produce sonda care are în jur zonă contaminată (permeabilitatea k1 <k0) şi debitul (Q0) cu care ar putea produce sonda, dacă zona nu ar fi contaminată (de permeabilitate k0):

0QQR m

p = , (10.1)

dar curgerea fiind radială, pierderea de presiune este proporţională cu sr

R1ln şi atunci

relaţia devine:

s

oc

s

c

p

rR

kk

RR

rR

R1

11

lnln

ln

+= (10.2)

Pentru ca raţia de productivitate să fie mare, trebuie ca raza pe care se

contaminează sonda să fie cât mai mică, iar permeabilitatea k1 să rămână cât mai apropiată de permeabilitatea iniţială k0 (fig.10.1).

Acest lucru înseamnă că Rp are valori subunitare pentru sonda cu blocaj şi supraunitare pentru sonda la care s-au efectuat tratamente de stimulare a productivităţii stratului.

97

Fluide de foraj

b. Coeficientul de skin-effect, Sk, indică suprapresiunea pe care trebuie să o realizăm pentru ca sonda cu blocaj în jurul său să producă la fel ca cea fără blocaj:

srR

kkcp 1

1

0 1 ln⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=∆ , sau kScp ⋅=∆ ,

relaţie din care se vede că expresia factorului de skin, Sk, este pozitivă, deci avem o contaminare a zonei din jurul sondei (k1 <k0).

Dacă factorul de skin-effect este nul (Sk = 0), înseamnă că nu există o zonă de permeabilitate modificată, iar dacă Sk < 0, permeabilitatea în zona din jurul sondei este mai mare decât cea din restul zăcământului, situaţie care este posibilă numai în urma unor tratamente de intensificare a afluxului de fluide din strat în sondă.

Înainte de terminarea forajului, orizonturile cu indicaţii de hidrocarburi, interceptate în sondele de cercetare geologică, sunt probate pentru a se stabili perspectivele economice şi viitoarea construcţie a sondei în dreptul orizonturilor respective. Prin probarea cu testerul, în afara informaţiilor privind variaţia presiunii în stratul respectiv, se obţin date referitoare la: Fig.10.1. Permeabilitatea în

jurul sondei -conţinutul în fluide al unui anumit orizont care se testează şi debitul în condiţiile din sondă;

-permeabilitatea medie efectivă a formaţiunii; -detectarea şi evaluarea blocajului.

10.2. Fenomene şi mecanisme de blocare a stratelor productive În ceea ce priveşte mecanismul blocării în jurul sondei, acesta se poate produce datorită diferenţei pozitive dintre presiunea fluidului din sondă şi cea a fluidelor din porii rocilor, cu faza liberă a noroiului (filtratul acestuia) şi cu particulele solide provenite din fluidele de deschidere, de completare, de echipare etc. a. Blocajul provocat de pătrunderea filtratului În timpul procesului de foraj, pătrunderea filtratului în formaţiunile poros-permeabile are loc în trei moduri:

• filtrarea prin talpa sondei, se produce tot timpul cât sapa lucrează şi este caracterizată prin lipsa turtei de colmatare, datorită curăţirii ei permanente de către elementele active ale sapei şi impactului jetului de fluid de foraj ce iese prin duzele sapei;

• filtrarea statică, care are loc când fluidul din sondă nu este circulat; • filtrarea dinamică, care se produce în timpul circulaţiei fluidului de foraj sau

când se efectuează în sondă alte operaţiuni cu circulaţie. În ipoteza că filtrarea se produce la o diferenţă de presiune constantă, fie în

cazul filtrării statice, fie în cazul celei dinamice, se disting următoarele perioade:

98

Fluide de foraj

• o primă perioadă, relativ scurtă, în care are loc pătrunderea bruscă a filtratului şi particulelor solide din acesta;

• de formare a unei turte interne (colmatajul intern) şi de iniţiere a turtei de colmataj externe;

• de formare a turtei externe (colmatajul propriu-zis pe pereţii sondei), în decursul căreia grosimea acesteia creşte.

În plus, în cazul filtrării dinamice fenomenul continuă cu alte două perioade: • cea în care grosimea turtei de colmatare atinge o valoare de echilibru, dar

viteza de filtrare continuă să scadă datorită compactizării turtei; • de filtrare cu viteză constantă, printr-o turtă de colmatare stabilizată. Filtratul fluidelor de foraj pe bază de apă modifică proprietăţile rocilor

colectoare, iar deteriorarea proprietăţilor de curgere a fluidelor conţinute către sondă este consecinţa mecanismului prin care se produce invazia filtratului şi a particulelor solide în aceste strate, mecanism cu atât mai accentuat cu cât presiunea din porii acestora este mai scăzută. Pe lângă factorii deja amintiţi (în paragraful 3.9), se mai pot menţiona:

• fenomenele de adsorbţie capilară; • fenomene de interfaţă la contactul dintre filtratul pătruns în rocă şi fluidele

conţinute în porii acesteia; • creşterea saturaţiei în apă mecanic ireductibilă etc. Se poate concluziona că blocajul provocat de filtrat este ireversibil şi se poate

întinde pe o zonă relativ mare în jurul sondei (până la câţiva metri), de aceea este mai uşor să previi contaminarea stratului productiv, decât să îndrepţi ulterior pagubele cauzate. b. Blocajul provocat de particulele solide Acest tip de blocaj se produce numai la invazia iniţială a fluidului din sondă în strat; grosimea colmatajului intern care se formează este funcţie de dimensiunile canalelor (dc - diametrul porilor rocilor) şi mărimea particulelor solide din fluid (cu diametrul ds). Dacă dc < 3ds, nu se formează colmataj intern, ci numai colmataj extern; este cazul rocilor cu permeabilitate mică, cum ar fi gresia de Kliwa. Dacă dc > 3 ds, solidele nu pătrund adânc în rocă (aproximativ 1…3cm), dar formează o turtă de colmatare chiar în porii rocilor; acest colmataj intern nu pune probleme deosebite, dacă la perforare se foloseşte un fluid neblocant. Dacă dc > 10 ds, colmatajul poate pătrunde pe distanţe de ordinul zecilor de centimetri; este necesară introducerea în fluidul de foraj a unor materiale de blocare, care să iniţieze rapid formarea turtei de colmatare externe, împiedicând intensitatea blocajului interior. Acest lucru se face în practică prin adăugarea în fluid a unei cantităţi însemnate de calcar poligranular, cu următoarea compoziţie: 50% particule cu dp<63 mµ , 40% particule cu dimensiunile între 63 şi 160 mµ şi 10 % particule cu dp>160 mµ . În acest fel, particulele fine de calcar (cele cu dp<63 mµ ) pătrund împreună cu particulele fine de argilă în zona de colmataj intern, dar cedează în proporţie de 90% la tratamentul cu acid clorhidric de concentraţie 15%. Tot pentru diminuarea blocajului intern se poate adăuga în fluid un procent de 2…3% argilă bentonitică. Odată cu pătrunderea acesteia în porii rocilor vor pătrunde şi 99

Fluide de foraj

100

substanţele macromoleculare introduse în fluid pentru controlul filtrării (CMC, HEC şi alţi antifiltranţi) şi ele provoacă doar o blocare temporară. Pentru a diminua toate aceste fenomene şi mecanisme de blocare a stratelor productive, trebuie să existe o compatibilitate cât mai bună cu caracteristicile stratului productiv, a fluidului ales pentru deschiderea şi traversarea orizonturilor productive. Înseamnă că fluidul ales trebuie să aibă o viteză de filtrare minimă, un cumulativ de filtrat redus şi în acelaşi timp inhibitiv: să nu umfle şi disperseze particulele argiloase din colectorul productiv, să poată fi uşor dezlocuit de petrol sau gaze. Aceste caracteristici se obţin prin mineralizare, respectiv cu substanţe tensioactive. 10.3. Fluide de foraj pentru traversarea formaţiunilor productive Fluidele de foraj pentru zona productivă sunt sisteme special proiectate pentru a traversa formaţiunile poros-permeabile în care sunt cantonate hidrocarburile. Aceste fluide sunt formulate pentru a maximiza performanţa procesului de foraj şi pentru a reduce la minimum contaminarea stratelor productive, păstrând astfel nealterat indicele de productivitate al sondei. În general, fluidele obişnuite de foraj nu pot fi convertite în fluide pentru zona productivă. De asemenea, trebuie precizat că la deschiderea stratelor productive, în afara rapidităţii în traversarea lor şi asigurării stabilităţii rocilor din peretele sondei, atenţia şi preocuparea practică se îndreaptă în două direcţii principale:

• neafectarea sau afectarea în cât mai mică măsură a permeabilităţii rocilor datorită fluidului de foraj sau mai exact a filtratului pătruns pe o anumită rază în jurul sondei;

• împiedicarea deplasărilor de fluide în strate (aflux de fluide din strat în sondă) şi influx de fluide de foraj în strat (pierderi de fluid în formaţiunea deschisă prin foraj), sau mai precis formulat, menţinerea cu ajutorul fluidului de foraj sau a metodei de foraj utilizate a unei contrapresiuni corespunzătoare.

Din toate aceste considerente, se pot formula următoarele caracteristici pe care trebuie să le prezinte un fluid de foraj destinat deschiderii stratelor productive [3, 5, 13]:

• nu trebuie să conţină argile sau alte materiale insolubile chimic (agenţi de învâscoşare, materiale de îngreuiere sau agenţi de podire) care pot migra în porii formaţiunilor productive;

• este necesar să fie preparat cu polimeri sau agenţi de învâscoşare care se pot îndepărta prin tratamente cu oxidanţi (hipoclorit de sodiu sau litiu); este esenţială proiectarea/alegerea dimensiunii agenţilor de podire pentru a optimiza procesul de formare a turtei de colmataj şi pentru a oferi metode de îndepărtare ulterioară a acesteia (prin operaţii de acidizare);

• filtratul/faza continuă a fluidului de foraj trebuie să prevină umflarea şi hidratarea argilelor din zona productivă, precum şi blocarea porilor rocii rezervor (fluidul de foraj trebuie inhibat cu polimeri amfoterici şi/sau soluţii de săruri);

• filtratul trebuie să fie compatibil cu formaţiunea traversată în aşa fel, încât, prin reacţii cu fluidele cantonate în porii rocilor să nu apară produse de reacţie insolubile (precipitate);

Fluide de foraj

101

• fluidul de foraj şi filtratul nu trebuie să schimbe umidibilitatea naturală a formaţiunii productive;

• filtratul nu trebuie să formeze micro-emulsii la contactul cu fluidele din porii fomaţiunilor productive, care pot conduce la contaminări severe;

• fluidul de foraj pentru zona productivă trebuie să asigure o bună curăţare a găurii de sondă, proprietăţi de lubrifiere şi inhibitive, deci stabilitatea sondei;

• fluidul trebuie să nu provoace excavarea găurii de sondă şi să asigure stabilitatea chimică şi mecanică a pereţilor sondei.

a. Fluide limpezi (soluţii de săruri) Fluidele limpezi sau soluţiile de săruri pot fi folosite în formaţiuni consolidate, care nu sunt afectate de pătrunderea unor volume mari de fluid în roca poros-permeabilă. Aceste fluide, neînvâscoşate, se mai pot utiliza în rocile calcaroase sau dolomitice fracturate, sau în formaţiuni provenite din acumulări de coral şi uneori, dar cu rezerve, în gresii fracturate fără argilă interstiţială. La folosirea acestor fluide, pentru îndepărtarea eficientă a detritusului din sondă, sunt necesare şi dopuri vâscoase. Ca agenţi de învâscoşare se pot folosi biopolimeri (gumă de xanthan) sau HEC (hidroxietilceluloză) şi în nici un caz adaos de bentonită. Aceştia au şi capacitatea control al filtrării, iar pentru îngreuiere se apelează la carbonatul de calciu. Floculanţii se pot folosi în sistemul de curăţire de la suprafaţă, pentru a păstra fluidul limpede şi a precipita solidele pătrunse ca detritus în timpul forajului. Sunt utilizate soluţii de NaCl (densitatea maximă: 1200kg/m3), KCl (1160kg/m3), CaCl2 (1410kg/m3), dar şi soluţii mixte: NaCl+Na2CO3 (1260kg/m3), NaCl+CaCl2 (1400kg/m3), CaCl2+ZnCl2 (1800kg/m3), CaCl2+CaBr2 (1820kg/m3), CaCl2+CaBr2+ZnBr2 (2300kg/m3). În general, toate aceste soluţii de săruri solubile sunt foarte corozive şi pentru prevenire sunt necesari şi inhibitori de coroziune, iar domeniul pH- ului trebuie să fie peste 11. Unele dintre săruri sunt scumpe (ZnCl2, ZnBr2, CaBr2), toxice şi necesită un echipament special de manipulare (ZnCl2). b. Fluide pe bază de biopolimeri şi materiale solide solubile

Aceste fluide de foraj sunt sisteme care au un conţinut minim de solide, au o reologie modificată, realizează o contaminare minimă asupra formaţiunilor poros-permeabile şi contribuie la optimizarea procesului de foraj. Au fost utilizate cu rezultate deosebite în sondele orizontale şi la forajul prin rezervoare neconsolidate. Pentru a se reduce contaminarea formaţiunii productive cu argile hidratate, la aceste fluide se folosesc numai polimeri biodegradabili pentru controlul reologiei şi filtrării. Fluidele pe bază de biopolimeri au viscozităţi ridicate la viteze mici de curgere (în comparaţie cu sistemele convenţionale), un regim de curgere vâscoelastic şi cu proprietăţi reologice independente de timp. Viscozităţile ridicate la viteze mici de curgere asigură un transport foarte bun al detritusului în sondele puternic înclinate sau orizontale şi reduc eroziunea pereţilor sondei. De asemenea, datorită acestui comportament reologic, cantităţile de filtrat/fluid pătrunse în zona productivă sunt reduse. Această reologie se realizează cu biopolimeri purificaţi (de tipul gumei de xanthan), care generează un mecanism de curgere vâscoelastic şi viscozităţi ridicate la

Fluide de foraj

102

viteze mici de forfecare. Se mai pot folosi ca polimeri în aceste fluide: amidon, HEC, care sunt solubile în acizi, CMC, poliacrilat de sodiu, care nu pot fi însă îndepărtaţi prin acidizare. Un accent deosebit, în cazul acestor fluide, se pune pe proprietăţile de podire şi pe calitatea agenţilor de podire aflaţi în sistemul de fluid de foraj [3, 13]. Solidele compresibile şi deformabile, aşa cum sunt argilele hidratate, sunt cele mai dificil, dacă nu imposibil, de îndepărtat din porii rocii rezervor. Pentru a preveni blocarea porilor cu solide argiloase, agenţii de podire adăugaţi în fluidul de foraj sunt granulaţi în funcţie de dimensiunea porilor rocii şi trebuie să fie solubili în soluţii acide. Pentru o podire optimă se recomandă o concentraţie de minim 2 % procente volum materiale de podire (solubile în soluţii acide). Materialul de podire, dar şi de creştere a densităţii, cel mai frecvent folosit este carbonatul de calciu. Pentru situaţii concrete, la deschiderea sratelor productive se pot folosi şi alte tipuri de fluide, cum ar fi: fluide cu răşini şi alte substanţe organice solubile în petrol, fluide cu substanţe tensioactive, îngreuiate eventual cu carbonat de calciu, fluide pe bază de biopolimeri şi polimeri amfoterici, emulsii de petrol în apă mineralizată şi chiar fluidele pe bază de produse petroliere. De asemenea, deşi nu constituie o categorie separată de fluide, se menţionează adeseori despre fluidul de packer şi fluidul de coloană. Între tubing şi coloana de exploatare, imediat deasupra stratelor productive, se fixează un packer, iar spaţiul inelar se umple cu un lichid, numit fluid de packer. Prezenţa lui reduce diferenţa de presiune dintre interiorul şi exteriorul coloanei şi cea dintre interiorul şi exteriorul tubingului. Deoarece acest fluid rămâne în sondă timp îndelungat (până la o reparaţie a sondei), trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

• să aibă bune proprietăţi structurale(să nu separe în fazele componente şi să depună faza solidă);

• să fie rezistent şi stabil termic în ceea ce priveşte viscozitatea şi gelaţia(pentru a putea fi ulterior uşor circulat);

• să nu fie coroziv; • să nu blocheze stratele productive, la punerea sondei în producţie sau în

timpul unor reparaţii; • din punct de vedere al densităţii, se alege astfel încât să fie echilibrate

presiunile de la capătul inferior al tubingului. În mod asemănător, se plasează uneori în spatele coloanelor de burlane, deasupra cimentului, un lichid numit fluid de coloană. Acesta protejează coloana de acţiunea corozivă a fluidelor din rocile adiacente şi trebuie să fie stabil, termorezistent, necoroziv şi să permită operaţiunea de detubare a coloanei pe porţiunea necimentată. În mod practic, funcţie de situaţia dată, se poate folosi oricare dintre fluidele prezentate (chiar şi cele cu care s-a forat intervalul respectiv), cu anumite corecţii asupra proprietăţilor de stabilitate termică şi în timp.

Fluide de foraj

103

11. Prepararea, tratarea şi întreţinerea fluidelor de foraj În fluidul de foraj sunt solide necesare, introduse la prepararea şi întreţinerea acestuia pentru a-i conferi proprietăţile necesare, dar sunt şi solide ce apar în procesul de dislocare. Prin acţiunea sapei, mai mult de jumătate din detritus se obţine ca fragmente grosiere, iar aproximativ 40 % sub formă de dispersie fină. De dorit ar fi ca detritusul să fie eliminat în totalitate sau cel puţin menţinut la un nivel minim, pentru că influenţează negativ performanţele de foraj şi creşte riscul de accidente tehnice. Acest deziderat este realizat pe două căi: -îndepărtare prin sistemul de curăţire de la suprafaţă, ce poate avea în compunere o gamă foarte largă de echipamente; -diluţie cu fluid de foraj proaspăt preparat, fără astfel de solide. Totdeauna se aplică ambele metode iar ponderea în care participă depinde de mulţi factori, între care natura rocilor dislocate nu este cel din urmă. O analiză prin prisma costului fluidului de foraj (incluzând chimicale, chirie echipamente de întreţinere, recuperare-depozitare-evacuare fluid de foraj şi detritus de la locaţie etc.) conduce la soluţia optimă pentru fiecare sondă. Volume mari de diluţii înseamnă costuri mari cu chimicalele, cu trasportul-depozitarea sau evacuarea volumelor suplimentare de fluid. Pe de altă parte orice echipament suplimentar de curăţire peste sitele vibratoare, ce nu lipsesc de la nici o sondă, însemnă costuri suplimentare cu închirierea; chiar şi plasele de site mai performante înseamnă costuri suplimentare. 11.1. Sistemul de curăţire de la suprafaţă Din punctul de vedere al densităţii particulele solide dintr-un fluid de foraj se împart în solide grele cu densitatea mai mare de 4000 kg/m3 şi solide uşoare cu densitatea în domeniul 2200...2700 kg/m3. Ca dimensiuni, buletinul API 13C propune următoarea clasificare:

Clasificarea particulelor Dimensiunea particulei (diametrul echivalent)

[µm]

Grad de mărunţire Material

Dimensiunea plasei sitei care reţine

[mesh]

Echipamentul mecanic indicat pentru reţinerea particulelor

> 2000 grosiere nisip grosier până la 10 site vibratoare 2000...250 intermediare 10...60 site vibratoare 250...74 medii

nisip fin -sand- 60...200 site vibratoare+denisipatoare

74...44 fine mâl 200...325 denisipatoare 44...2 ultrafine argile demâluitoare 2...0 coloidale coloizi centrifugă

Fluide de foraj

104

Se mai poatea adăuga că detritusul, la prima apariţie la suprafaţă, se constituie din particule cu dimensiunea mai mare de 700...800 µm, barita are dimensiuni între 6...74µm, iar argila (bentonita) este în domeniul 1...2 µm. Principalele echipamente ce pot fi incluse într-un sistem de curăţire sunt:

• sitele vibratoare cu plase de 18...60mesh, separă particule cu dimensiuni mai mari de 150µm;

• sitele vibratoare cu construcţie deosebită cu plase de 80...120mesh, separă solide cu dimensiuni mai mari 74µm;

• sitele vibratoare foarte fine, cu plase de 200...325mesh, separă particule cu dimensiuni cuprinse în domeniul 44...74µm;

• denisipatorul (hidrociclon) separă particule de nisip, dar şi barită, cu dimensiuni în domeniul 40...45µm;

• demâluitorul (hidrociclon) separă particule de nisip fin, barită şi mâl (silt) cu dimensiuni cuprinse în domeniul 20...25µm;

• “mud-cleaner”-ul este o combinaţie de site vibratoare fine (120...200mesh) cu hidrocicloane fine şi va separa particule solide cu dimensiuni în domeniul 6...10µm;

• centrifuga poate separa particule solide fine, cu dimensiuni mai mici de 5µm.

Funcţie de: • natura rocilor dislocate; • calităţile fluidului de foraj; • componenţa instalaţiei de curăţire etc.,

se poate realiza o anumită eficienţă de îndepărtare a solidelor e. Acest parametru cu valori între 20...90% exprimă cât din solidele dislocate sunt îndepărtate cu sistemul de curăţire de la suprafaţă. Cele rămase vor fi reduse sub limita acceptată da prin diluţii.

a. Sitele vibratoare Sunt dispozitive care îndepărtează particulele grosiere de detritus imediat după

ieşirea fluidului din sondă. Ca mod de construcţie, o sită vibratoare tipică este alcătuită dintr-o ramă dreptunghiulară pe care se află întinsă o plasă metalică sau o reţea din fibre artificiale cu diverse profile. Rama este suspandată prin intermediul unor amortizoare (arcuri spirale, cauciuc) şi are două lagăre în care se roteşte un ax cu masă excentrică, acţionat de un motor electric de 2…5 kW (fig. 11. 1). Odată cu rotirea axului, rama sitei vibrează, căpătând o mişcare oscilatorie într-un plan vertical, perpendicular pe axul vibratorului (amplitudinea vibraţiilor poate ajunge la 1…2 mm.). Motorul electric se amplasează pe suportul fix al sitei sau chiar pe rama vibratoare. Fluidul de foraj ieşit din sondă prin derivaţie cade pe sită, trece prin plasă şi este colectat într-o habă decantoare (de formă piramidală şi care se curăţă periodic printr-o gură laterală). De aici, pe jgheaburi, ajunge în diverse habe, până la cele de aspiraţie a pompelor de noroi. Particulele solide rămase pe sită sunt transportate de vibraţiile sitei spre capătul opus alimentării cu fluid, de unde sunt colectate şi evacuate. Prin îndepărtarea detritusului de pe sită se pierde şi o oarecare cantitate de fluid, precum şi particule mai fine. La sitele grosiere pierderile de lichid sunt nesmnificative, dar pot ajunge la 1…2 % din debitul de fluid la sitele fine (sau de trei-patru ori volumul solidelor îndepărtate).

Fluide de foraj

Fig. 11.1 Schema unei site vibratoare

Elementul caracteristic şi cel mai important al unei site vibratoare îl constituie plasa, care se alege astfel încât să separe particulele solide cu diametrul mai mare decât o anumită dimensiune stabilită. Plasa trebuie să posede o capacitate de prelucrare suficientă, cu pierderi minime de fluid, să nu manifeste tendinţe de înfundare, să fie rezistentă şi să aibă o durată de funcţionare (folosire) acceptabilă. Pentru fluidele de foraj se utilizează plase de sită cu ochiuri pătrate sau dreptunghiulare, din fire cu acceaşi grosime în ambele direcţii. Ele sunt caracterizate prin numărul de ochiuri (mesh) pe 1 inch liniar (25,4 mm) şi mărimea deschiderii ochiurilor pe cele două direcţii perpendiculare (de exemplu, o plasă cu 50 de ochiuri pe o direcţie şi 40 pe cealaltă, este specificată 50 × 40). Aria deschisă, liberă, depinde de grosimea firelor ; la acelaşi număr de mesh, plasele cu fire mai subţiri au aria deschisă mai mare, dar sunt mai puţin rezistente. O mărime ce caracterizează mai bine decât aria ochiurilor sitele vibratoare este conductanţa plaselor (mărime introdusă şi calculată de Hoberock), definită ca raport între permeabilitatea plasei (considerată ca un mediu poros) şi grosimea ei medie ; astfel, plasa 50 × 50 mesh are conductanţă dublă faţă de plasa cu 100 × 100 mesh, deşi ambele au aceeaşi arie deschisă. Prin reducerea grosimii sârmei utilizate pentru confecţionarea sitelor (fire mai subţiri) creşte aria deschisă şi conductanţa (pentru o plasă de 80 × 80 mesh, reducând grosimea sârmei de la 140 µm la 94 µm, deschiderea ochiurilor creşte de la 178 µm la 224 µm, aria deschisă de la 31,4 % la 49,6 %, iar conductanţa se dublează, de la 2,91 µm la 7,04 µm)[ 8]. Eficienţa de separare a unei site depinde de starea de umectare a particulelor, natura şi forma solidelor, viscozitatea fluidului, suprafaţa activă de cernere, debitul de alimentare cu fluid, înclinarea sitei, amplitudinea, frecvenţa şi forma vibraţiilor. Capacitatea unei site (debitul de alimentare) creşte cu lăţimea plasei, cu mărimea acceleraţiei normale pe sită, cu deschiderea ochiurilor, cu densitatea noroiului (dacă viscozitatea este constantă) şi atunci când sita este uşor ridicată spre evacuare (până la 50) şi se reduce când viscozitatea fluidului şi concentraţia de particule solide cresc (fig. 11. 2.). Debitul de alimentare se reglează astfel încât plasa sitei să fie acoperită de fluid pe 75…80 % din lungime (în anumite condiţii există o lungime de udare maximă), restul plasei fiind necesar pentru scuturarea particulelor evacuate de lichidul aderent.

105

Fluide de foraj

Fig. 11.2 Factori care influenţează capacitatea unei site.

Pentru a reduce pierderile de lichid şi în acelaşi timp preluarea unor debite mai mari se montează uneori în practică site etajate, cu două sau trei plase suprapuse sau site în trepte (fig. 11. 3.).

Fig. 11.3 Scheme constructive de site vibratoare

Viteza de înaintare spre capătul sitei a solidelor separate este o funcţie complexă de frecvenţa vibraţiilor, acceleraţia normală maximă, unghiul sitei cu orizontala, coeficienţii de frecare statică şi dinamică dintre particule şi plasa sitei. Forma vibraţiilor, care depinde de locul de plasare a axului vibrator, imprimă sitei diverse forme de mişcare: mişcare uniform circulară, mişcare eliptică neuniformă, mişcare liniară, fiecare dintre ele prezentând anumite avantaje şi dezavantaje. În ultima perioadă, oferta de site vibratoare cuprinde o variată gamă de modele, care diferă atât din punct de vedere constructiv cât şi al performanţelor pe care le realizează. b. Hidrocicloanele Hidrocicloanele sunt dispozitive utilizate pentru îndepărtarea particulelor solide care nu au fost separate de sitele vibratoare sau care nu s-au decantat: silt, nisip, dar şi barită. Se folosesc frecvent la curăţirea fluidelor de foraj neîngreuiate (forajul la adâncimi reduse), în care, la viteze mari de avansare, concentraţia de particule solide devine exagerat de mare.

106

Fluide de foraj

Fig. 11.4. Hidrociclon

Hidrociclonul este de formă cilindroconică şi nu are în compunere piese în mişcare (fig. 11. 4.). Fluidul de foraj, trimis de o pompă centrifugă, pătrunde tangenţial în porţiunea de alimentare, cu o viteză medie de 2…3 m/s, după care capătă o mişcare în spirală, fiind împins axial spre zona conică. În partea de jos, în apropierea vârfului conic, secţiunea de curgere se reduce, fluidul îşi schimbă sensul axial de mişcare şi, sub forma unui vârtej interior, iese printr-o ţeavă centrală, cu un diametru ceva mai mare decât al celei de alimentare. Mişcarea fiind elicoidală, apar forţe centrifuge mari care vor depune pe pereţii conului particulele solide cu dimensiuni mai mari şi masă mai ridicată, iar de-a lungul axei hidrociclonului se formează o coloană de fluid curăţat şi aer, care capătă o mişcare ascendentă. La o funcţionare corectă, particulele grosiere sunt îndepărtate sub formă pulverizată şi nu de curent continuu, caz în care pierderile de fluid ar fi excesive (fig. 11. 5). Eficacitatea sepărării cu hidrociclonul depinde de înălţimea şi diametrul orificiului de la vârful conului. Pentru o construcţie dată şi un anumit debit de alimentare, viteza şi capacitatea de separare scad când densitatea şi viscozitatea fluidului cresc. Dimensiunea unui hidrociclon o reprezintă diametrul interior al porţiunii cilindrice. Dacă este impus, celelalte dimensiuni pentru funcţionarea optimă a hidrociclonului se stabilesc experimental. Deoarece capacitatea de prelucrare a hidrocicloanelor trebuie să depăşească debitul de circulaţie, cu 25 % la desandere şi până la 50 % la desiltere, se folosesc baterii de hidrocicloane (2…20 bucăţi). Debitul de alimentare a unui hidrociclon scade când diametrul creşte. El va fi optim dacă presiunea de alimentare este 22…23 m coloană de noroi, indiferent de diametru. Acest lucru înseamnă a realiza o presiune de alimentare, în bar: ( ) nalp ρ3222 ,...,= , cu densitatea introdusă în kg/dm3.

107

Fluide de foraj

Fig. 11.5 Modul de eliminare a solidelor

Pe acest criteriu se alege pompa centrifugă şi motorul ei de acţionare. Pentru orificiul de jos al conului se aleg duze cu diametrul între 10 mm la hidrocicloanele de 4 in, până la 40 mm la cele de 12 in, funcţie de cât de încărcat cu particule solide este noroiul (dacă fluidul este relativ curat se alege o duză mică).

c. Separatoare centrifugale (centrifuge de curăţire) Separatoarele centrifugale sunt dispozitive cu ajutorul cărora se îndepărtează o

parte dintre particulele foarte fine, cele sub 10 µm, care măresc viscozitatea fluidelor de foraj şi consumul de aditivi, reduc viteza de avansare a sapei şi nu pot fi eliminate cu hidrocicloanele. Se evită astfel diluarea excesivă a noroiului şi pierderea unei cantităţi însemnate de barită. Centrifugele se utilizează şi pentru concentrarea baritei într-un noroi recuperat de la o sondă, eventual în cel de rezervă, iar la forajul marin cu fluide pe bază de petrol, ele servesc la recuperarea lichidului folosit pentru spălarea detritusului. Capacitatea de a separa particulele foarte fine este urmarea unor acceleraţii foarte mari create (500…3000)g şi chiar mai mari, faţă de (50…1000)g în hidrocicloane. Se montează după hidrocicloane şi prelucrează numai o parte din debitul de circulaţie, la fluidele îngreuiate maximum 13…15 %. Centrifuga cu şnec se utilizează atât la fluidele neîngreuiate (sunt îndepărtate particulele solide separate), cât şi la cele îngreuiate (se îndepărtează lichidul care conţine particule). Este formată dintr-o manta tronconică sau cilindroconică, un şnec interior şi o ţeavă de alimentare prin interiorul şnecului, tot ansamblul montat într-o carcasă exterioară (fig. 11. 6.). Mantaua, cu diametrul maxim de 0,3…0,6 m şi lungimea de 0,5…1,0 m, se roteşte cu 1600…3300 rot/min, iar şnecul cu 20…40 rot/min, în acelaşi sens şi de acelaşi motor, printr-un reductor.

108

Fluidul este pompat prin ţeava axială într-o cameră de alimentare, de unde iese prin nişte orificii ale şnecului şi pătrunde în spaţiul de separare dintre şnec şi manta. Aici, datorită forţelor centrifuge imprimate fluidului de rotirea mantalei, particulele solide se decantează pe pereţii acesteia (în ordinea masei proprii). Şnecul le răzuieşte şi

Fluide de foraj

le transportă încet spre orificiile de descărcare. Acest concentrat nu conţine decât lichidul de aderenţă şi pentru a uşura evacuarea lui se diluează la ieşire cu lichid, sau se înclină uşor centrifuga.

Fig. 11.6 Centrifugă cu şnec (decantoare)

Lichidul cu particule fine, formează un strat circular, cu grosime neuniformă, care nu ajunge la capătul de evacuare a concentratului (rămâne o zonă unde din solide se stoarce prin centrifugare toată faza lichidă). Faza lichidă curge de-a lungul şnecului spre capătul anterior unde este evacuat. Puterea de separare a centrifugei creşte cu turaţia, diametrul şi lungimea ei şi scade cu viscozitatea, densitatea şi debitul de alimentare. Pentru o bună curăţire, fluidul de alimentare se diluează, astfel încât viscozitatea lichidului ieşit din centrifugă să fie 38…40 s la pâlnia Marsh. Se îndepărtează 30…60 % din particulele uşoare. Fluidele pe bază de petrol îngreuiate sunt centrifugate în două etape: concentratul din prima etapă, în care este o cantitate însemnată de barită, se returnează în sistem, iar lichidul este centrifugat din nou pentru a îndepărta din el particulele foarte fine, inclusiv cele de barită coloidală. În prima etapă se reduce de fapt viscozitatea prin eliminarea particulelor de barită mai grosiere de 5…7 µm, iar apoi a lichidului (petrolului), prin îndepărtarea particulelor foarte fine. Centrifuga cu rotor perforat se utilizează mai ales pentru controlul viscozităţii fluidelor îngreuiate, eliminând particulele fine în faza lichidă separată. Este alcătuită dintr-o manta cilindrică staţionară, cu diametrul de 0,2 m, în care se roteşte cu 2000…2500 rot/min un rotor perforat de 1m lungime şi 0,15 m diametru (fig.11. 7). Fluidul de curăţat se diluează cu aproximativ 70 % lichid şi este introdus de o pompă elicoidală la un capăt al separatorului, în spaţiul inelar dintre cei doi cilindri. Particulele solide, datorită forţelor centrifuge imprimate de rotor, se concentrează pe suprafaţa mantalei şi sunt descărcate sub forma unui fluid concentrat, pe la capătul opus al separatorului. Pe conducta de ieşire se montează o restricţie, care să împiedice ieşirea odată cu solidele a fluidului pompat. De aceea se asigură o contrapresiune cu o duză reglabilă sau cu un motor elicoidal acţionat de concentratul respectiv.

109

Fluide de foraj

Prin prezenţa restricţiei, lichidul dinspre centru încărcat cu particule fine este obligat să pătrundă prin perforaturile rotorului şi este eliminat pe la capătul lui. Debitul de lichid evacuat este legat de restricţia amintită şi cu cât debitul de alimentare este mai redus, cu atât fluidul iese mai curat.

Fig. 11.7 Centrifuga cu rotor perforat. La o reglare adecvată şi turaţie corespunzătoare, concentratul descărcat trebuie să aibă densitatea cu 300…400 kg/m3 mai mare decât a fluidului de alimentare înainte de diluare. Prin rotor se vor elimina peste 50 % din particulele fine, iar conţinutul de barită în concentrat poate ajunge la 80…90 %. Puterea de separare scade cu debitul de alimentare, iar acesta se reduce cu densitatea fluidului de alimentare. Se constată că prin trecerea fluidului prin oricare dintre dispozitivele de curăţire au loc pierderi însemnate de volum. Sunt necesare, de aceea, să fie cunoscute cantităţile de fluid care iau naştere în procesul de foraj din rocile care pot forma noroi şi diluţiile necesare menţinerii unui conţinut minim (limită) de solide în fluidul de foraj. 11. 2. Diluţia necesară menţinerii conţinutului limită de solide în fluidul de foraj Evaluările se fac pentru un interval Hi...Hf de sondă cu lungimea L, realizat cu sape cu diametrul Ds şi faţă de care se acceptă un factor de lărgire (cavernare) k. Volumul de detritus rezultat în procesul de dislocare va fi

LDkV sr ⋅

⋅⋅=

4

2π . (11.1)

În condiţiile de fluid, rocă şi sistem de curăţire se realizează o eficienţă de îndepărtare a solidelor e, ceea ce înseamnă că în fluidul de foraj aflat în circulaţie se va îngloba un volum de rocă de

( ) rrn VeV ⋅−= 1 . (11.2)

110

Fluide de foraj

a.Intervalul Hi...Hf se forează cu un alt tip de fluid faţă de intervalele anterioare Volumul teoretic necesar pentru această fază, Vn, este volumul sondei Vni până la adânimea Hi , volumul de noroi ce va lua locul rocii dislocate Vnr=Vr , la care se adaugă volumul suplimentar din habe, VH.

Hnrnin VVVV ++= . (11.3) Conţinutul de detritus incorporat în acest volum teoretic de fluid aflat în circulaţie, di , exprimat procentual, este

( )Hnrni

r

n

rni VVV

VeVVd

++−== 1 . (11.4)

Dacă conţinutul de detritus incorporat di este mai mare decât cel maxim acceptat da , el va fi redus la valoarea acestuia din urmă adăugând un volum de diluţie Vd, respectiv

( )dHnrni

ra VVVV

Ved+++

⋅−= 1 , (11.5)

de unde rezultă:

Hninra

aHnrnir

ad VVV

ddeVVVV

deV −−⋅

−−=−−−⋅

−=

11 . (11.6)

Cu această diluţie, volumul total de fluid ce se va prepara pentru această fază, VnT, este:

dHnrnidnnT VVVVVVV +++=+= (11.7) Diluţia necesară se exprimă şi prin raportul dintre volum de diluţie şi volum de rocă dislocată

11−

+−

−==

r

Hni

ar

d

VVV

de

VVD , (11.8)

sau prin raportul dintre volumul de diluţie şi volumul teoretic necesar

Hnrni

d

n

d

VVVV

VVD

++==' . (11.9)

b.Intervalul Hi...Hf se forează cu acelaşi fluid folosit şi la intervalul anterioar Volumul teoretic necesar pentru această fază este volumul de noroi ce va lua locul rocii dislocate Vnr=Vr , la care se adaugă, eventual, un volum suplimentar în habe, VH’. La începutul intervalului, fluidul din sondă şi cel puţin parţial cel din habe are un conţinut de solide la nivelul acceptat da, ce va trebui menţinut şi în continuare. Se presupune că fără diluţii detritusul rezultat va fi incorporat în fluidul teoretic necesar, ceea ce va conduce la un conţinut de detritus

( )'Hnr

r

n

rni VV

VeVVd

+−== 1 . (11.10)

Dacă conţinutul de detritus incorporat di este mai mare decât cel maxim acceptat da , el va fi redus la valoarea acestuia din urmă adăugând un volum de diluţie Vd, respectiv

111

Fluide de foraj

( )dHnr

ra VVV

Ved++

⋅−='

1 , (11.11)

de unde rezultă

''11

Hnra

aHnrr

ad VV

ddeVVV

deV −⋅

−−=−−⋅

−= . (11.12)

Cu această diluţie, volumul total de fluid ce se va prepara pentru această fază, VnT, este:

dHnrdnnT VVVVVV ++=+= ' . (11.13) Diluţia necesară se exprimă şi prin raportul dintre volum de diluţie la volum de rocă dislocată

11−−

−==

r

H

ar

d

VV

de

VVD ' , (11.14)

sau prin raportul dintre volumul de diluţie şi volumul teoretic necesar

'

'Hnr

d

n

d

VVV

VVD

+== (11.15)

11.3. Costul preparării şi întreţinerii fluidului de foraj Pentru intervalul considerat costul fluidului de foraj are următoarele componente: -costul chimicalelor necesare prepararării fluidului de foraj; -costul transportului chimicalelor la sondă; -cheltuielile cu echipamentul de curăţire şi asistenţa tehnică; -costul transportului fluidului de foraj de la sondă la o staţie de preparare sau la locaţia de depozitare ca deşeu. Cheltuielile cu transportul chimicalelor la sondă depind de cantitatea însumată a componentelor conform reţetei de preparare şi volumului necesar, de tarifele de transport, de distanţă. Costul evacuării fluidului de foraj de la sondă la terminarea intervalului este determinat de volumul transportat şi, la fel, de tarifele de transport şi distanţă. Dacă se notează costul unui metru cub de fluid cu cf (dependent de reţetă), costul total al fluidului de foraj (al chimicalelor) pentru intervalul considerat este:

nTffluid VcC ⋅= (11.16) Funcţie de condiţiile sondei, pentru volumul total se poate accepta o majorare de până la 10% pentru a acoperi pierderile tehnologice de fluid (în echipamentele de curăţire, prin filtrare în sondă etc). În evaluarea cheltuielilor cu echipamentele de curăţire intervine durata estimată de utilizare (închiriere). Pentru fiecare echipament se percepe un tarif, de regulă, pe zi.

Aceste ultime două componente influenţează semnificativ costul total al fluidului de foraj pe intervalul considerat. Elementul ce trebuie atent analizat este eficienţa de îndepărtare a solidelor, e. Echipamente de curăţire mai multe ca tip şi mai performante măresc cheltuielile cu închirierea acestora dar, crescând eficienţa îndepărtării solidelor, vor determina reducerea semnificativă a volumului necesar de diluţie, deci a volumului total de fluid, deci a costului chimicalelor de preparare.

112

Fluide de foraj

113

11.4. Degazeificarea fluidelor de foraj În timpul forajului, gazele pot pătrunde în fluidul de circulaţie din roca dislocată

sau din pereţii sondei. Se modifică astfel proprietăţile fluidului: scade densitatea, creşte viscozitatea, se modifică pH-ul. Cea mai gravă situaţie se produce când densitatea scade periculos de mult, presiunea în sondă scade, iar afluxul de gaze se intensifică şi sonda poate manifesta eruptiv.

Prezenţa gazelor în fluidul de circulaţie poate fi şi un pericol de incendiu, iar dacă sunt nocive, lucrul la sondă devine primejdios pentru echipa de lucru. Orice gazeificare intensă este însoţită de creşterea nivelului de noroi la habe.

De asemenea, prin gazeificarea noroiului se înrăutăţesc condiţiile de funcţionare a pompelor şi echipamentului de curăţire.

Se poate deci concluziona că, atunci când se traversează strate gazeifere şi mai ales atunci când se forează la subechilibru, noroiul trebuie degazeificat la ieşirea din sondă.

Se montează în acest scop un separator de gaze pe derivaţie (uneori şi la ieşirea din manifoldul de erupţie) şi un degazeificator după trecerea noroiului prin site.

Separatorul are rolul de a elimina dopurile şi bulele mari de gaze. Este de fapt un vas cilindric vertical, în care fluidul pătrunde tangenţial pe la partea superioară şi curge în spirală, pe nişte şicane, în strate subţiri. Gazele ies pe la partea de sus şi sunt dirijate, eventual, la o faclă, iar lichidul deversează în conductele derivaţiei. Pentru a se împiedica ieşirea gazelor prin conducta de evacuare a lichidului există în interior un regulator cu plutitor, iar la partea de jos posibilitatea de curăţire a detritusulzui depus.

Degazeificatorul asigură eliminarea din fluid a bulelor mai fine de gaz. După modul de lucru sunt cunoscute în practică degazeificatoare cu vid şi atmosferice.

În degazeificatoarele cu vid, noroiul gazeificat este aspirat din habă în camera degazeificatorului creind în interiorul ei o depresiune, corespunzătoare înălţimii de ridicare şi densităţii noroiului, cu o pompă cu jet sau cu o pompă de vid. Noroiul degazeificat este apoi returnat în habe fie de ejectorul însuşi (pompa cu jet), fie de o pompă centrifugă, la cele cu pompă de vid.

Noroiul gazeificat este aspirat printr-o ţeavă centrală până la partea superioară a degazeificatorului. De aici, printr-o serie de perforaturi, noroiul cade în strate subţiri pe şicane înclinate sau pe suprafeţe conice, permiţând ieşirea bulelor de gaz din fluid. La degazeificatoarele cu ejector, gazele sunt antrenate cu fluidul curat într-un hidrociclon de separare, din care, gazele ies prin ţeava centrală, iar fluidul curăţat este refulat în habe. La cele cu pompă de vid, gazele sunt eliminate direct, printr-un vas tampon (un vas cu apă).

La degazeificatoarele atmosferice, o pompă centrifugă special construită pentru a nu fi blocată de gaze (autoventilatoare) este scufundată în habe de aspiraţie, de unde trimite fluidul în camera degazeificatorului, pe care îl împrăştie radial. După lovirea de peretele cilindric al camerei, lichidul se scurge într-un strat subţire şi turbulent pe pereţi, este colectat şi curge liber într-o habă. Gazele degajate ies în atmosferă sau sunt dirijate la distanţă printr-o conductă (cu ajutorul unui ventilator).

Fluide de foraj

12. Calculul căderilor de presiune în sistemul de circulaţie al sondei Un domeniul amplu al reologiei, ştiinţa care studiază curgerea corpurilor, se ocupă de curegerea în conducte şi în spaţii inelare circulare a suspensiilor fluide, fenomene ce se regăsesc la circulaţia fluidelor de foraj şi pastelor de ciment în sondă, în timpul forajului sau operaţiunii de consolidare. Din acest punct de vedere, cel mai important aspect ce interesează este relaţia dintre presiunea de curgere şi debitul de fluid, sub influenţa proprietăţilor acestuia. Alegerea şi regimul de funcţionare a pompelor, asigurarea condiţiilor hidraulice optime la talpa sondei, verificarea rezistenţei echipamentelor, siguranţa sondei, regimul de funcţionare al sculelor şi echipamentelor de la talpă etc., nu pot fi controlate de operator fără o evaluare cât mai exactă a acestei corelaţii. Astfel, această relaţie capătă două forme fundamental diferite: -regim de curgere laminară, evident la viteze scăzute, când curgerea este ordonată iar relaţia presiune-debit este determinată de parametrii de viscozitate ai fluidului; -regim de curgere turbulentă, prezent la viteze mari, când curgerea este dezordonată şi când importante devin caracteristicile inerţiale ale fluidului în mişcare; în acest caz ecuaţiile sunt empirice. Studiul curgerii laminare a fluidelor se bazează pe modele de curgere ce

exprimă relaţia dintre tensiunea de forfecare τ şi viteza de forfecare drdv . Aşa cum este

prezentat în capitolul 3.3., pentru fluidele circulate în sondă, chiar dacă nu le descriu totdeuna perfect curgerea, interesante sunt modelele Newton, Bingham şi Ostwald-de Waele (modelul ecuaţiei de putere).

Fig.12.1. Reprezentarea schematică a curgerii laminare într-o conductă.

114

Fluide de foraj Schematic, stratele ordonate ce caracterizează curgerea laminară în interiorul unei conducte circulare, la un moment dat, pot fi reprezentate ca o succesiune de cilindri coaxiali deplasaţi pentru a descrie profilul distribuţiei vitezei de curgere (fig.12. 1). Dacă se consideră un segment dintr-o conductă (fig.12.1) cu lungimea L şi raza R prin care un fluid curge laminar, forţa necesară deplasării stratului “cilindric” de fluid de raza r este diferenţa de presiune p∆ de la capetele segmentului de conductă considerat, înmulţită cu aria secţiunii cilindrului. Relaţia tensiunii de forfecare se scrie

L2pr

rL2pr

AF 2 ∆

π∆πτ === , (12.1)

iar la peretele conductei capătă forma:

L2pR

p∆τ = , (12.2)

Din ultimele două relaţii rezultă dependenţa liniară

Rr

pττ = , (12.3)

aceeaşi, indiferent de tipul reologic al fluidului. Pentru curgere laminară în interiorul unei conducte circulare, plecând de la definiţia debitului, după integrare prin părţi şi acceptând că la peretele conductei viteza fluidului este nulă ( ) 0Rv = , se scrie

( ) ∫∫∫ −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=⋅=

R

0

2R

0

2R0

2R

0dvrdvrrrvrdvr2Q πππ . (12.4)

Pentru fluide cu proprietăţi reologice staţionare, viteza de forfecare drdv este

funcţie doar de tensiunea de forfecare τ (de la centru către perete viteza scade, iar τ creşte) şi se poate scrie

( )τfdrdv

=− . (12.5)

Cu ultima relaţie şi folosind expresia (12.4) rezultă debitul de forma:

( ) ττττ

π τ

dfRQp

0

23p

3

∫ ⋅= . (12.6)

Fig.12.2. Reprezentarea schematică a curgerii laminare în spaţiul inelar

asimilat cu spaţiul dintre două plane paralele.

115

Fluide de foraj În cazul spaţiului inelar presupus concentric ( -diametrul interior, -diametrul exterior) se acceptă, pentru simplificare, asimilarea acestuia cu spaţiul dintre

două plane paralele (valabilă pentru

1D 2D

30DD

2

1 ,⟩ ), situate la distanţa 2

DDh2 12 −= .

Pentru un inel cilindric mediu (desfăşurat) de curgere, de lungime L şi grosime 2x (axa x ca în fig.12.2), care are lăţimea egală cu lungimea circumferinţei medii a

spaţiului inelar 2

DDl 12 += π , se poate scrie

τ∆ lL2pxl2 = , (12.7) de unde

Lxp∆τ = , iar la perete

Lhpp ∆τ = . (12.8)

Din aceste relaţii rezultă distribuţia tensiunilor

hx

pττ = . (12.9)

În aceleaşi condiţii simplificatoare, pentru debitul de fluid se scrie

( ) ∫∫∫ ⋅−=⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⋅−=⋅=

h

0

h

0

h0

h

0

dvxl2dvxvxl2dxxvl2Q , (12.10)

în care s-a ţinut seamă că la , hx = 0v = . Legea constitutivă (12.5) şi relaţia (12.10) permit să se scrie pentru debit următoarea relaţie:

( ) ( )∫∫ ⋅=⋅=p

02p

2h

0

dflh2dxxfl2Qτ

ττττ

τ . (12.11)

Tot pentru stabilirea corelaţiei dintre presiunea de curgere şi debitul de fluid se defineşte coeficientul lui Fanning - f , ca raport între tensiunea de forfecare la peretele spaţiului de curgere pτ şi energia cinetică pe unitatea de volum a fluidului în mişcare

2v2

mρ , în care, ρ este densitatea fluidului, iar este viteza medie de curgere. Mai

folosit este

mv

λ -coeficientul de rezistenţă hidraulică, .f4=λ Dacă se ţine seamă de (12.2) sau (12.8), rezultă

LvpD2

2v

4 2m

ec2m

p

ρ∆

ρ

τλ == , (12.12)

în care este diametrul echivalent de curgere, respectiv diametrul interior pentru curgerea în interiorul conductelor sau diferenţa diametrelor pentru curgere în spaţii inelare. Din această relaţie se obţine formula Darcy-Weissbach

ecD

ρλ∆ec

2m

DL

2vp = . (12.13)

116

Fluide de foraj 12.1. Fluide newtoniene Fluidele simple, omogene, cum sunt apa, gazele sau produsele petroliere, au viteza de forfecare proporţională cu tensiunea de forfecare şi sunt numite fluide newtoniene.

Modelul de curgere are forma

drdvητ −= , (12.14)

unde η este viscozitatea şi exprimă frecarea dintre stratele paralele de fluid (fig.12.1). Unitatea de măsură a viscozităţii în sistemul metric este [Pa.s], dar cel mai folosit este un submultiplu [mPa.s] egal cu o unitate tolerată centipoise [cP]. Natura curgerii acestor fluide este caracterizată cu ajutorul numărului Reynolds

ηρecm Dv

=Re . (12.15)

La (uneori se admite 2300) mişcarea este laminară. Peste această valoare se admite că mişcarea este turbulentă, deşi, complet turbulentă devine la

.

2100⟨Re

4000⟩Re Pentru curgere laminară în interiorul unei conducte circulare, din (5) şi (14)

rezultă ( )ηττ =f , cu η constant, iar din (6) şi (2) rezultă

L128pD

4R

dRQ4

p3

0

3

3p

3 p

η∆π

ητπ

τητ

τπ

τ

==⋅= ∫ . (12.16)

Din această relaţie (formula Hagen-Poiseuille) se obţine căderea de presiune necesară curgerii laminare în interiorul unei conducte circulare a unui fluid newtonian cu viscozitatea absolută η , pe lungimea L, cu debitul Q:

m24 vD

L32QD

L128p ηπ

η∆ == . (12.17)

Conform relaţiei Darcy-Weissbach

2mm

DLv32

DL

2vp η

ρλ∆ == (12.18)

şi ţinând seamă de expresia numărului Re, rezultă

Re64

Dv64

m==

ρηλ . (12.19)

În aceste relaţii, 2m DQ4v

π= este viteza medie de curgere.

Pentru curgere laminară într-un spaţiu inelar concentric, ştiind că ( )ηττ =f cu

η constant, din (12,8), (12.11) şi cu expresile ( )2

DDl 12 +=

π , 4

DDh 12 −= , se poate

scrie pentru debit, relaţia: 117

Fluide de foraj

( )( ) pL192

DDDD3

lh2dlh2Q

31212

0

p22

2p

2 p

∆η

πητ

τητ

τ

τ−+

==⋅= ∫ . (12.20)

Din inversarea acestei relaţii şi cu expresia vitezei medii hl2Qvm = se obţine

căderea de presiune

( )( ) ( )212

m3

1212 DDLv48

DDDDLQ192p

−=

−+=

ηπ

η∆ . (12.21)

Conform relaţiei Darcy-Weissbach,

( ) ( )212

m

12

m

DDLv48

DDL

2vp

−=

−=

ηρλ∆ (12.22)

şi ţinând seamă de expresia numărului Re, rezultă:

( ) Re96

DDv96

12m=

−=

ρηλ . (12.23)

Căderile de presiune la curgerea turbulentă în interiorul conductei circulare a unui fluid newtonian se calculează cu formula Darcy-Weissbach (12.13). Pentru coeficientul de rezistenţă hidraulică λ sunt propuse relaţii empirice, în care, pe lângă numărul Re şi diametru, apare şi rugozitatea relativă k/D (pentru prăjini, burlane, conducte din oţel, rugozitatea absolută mm040020k ,...,= ):

• formula lui Blasius, pentru conducte netede:

4

31640Re

,=λ , 1000003000 ≤≤ Re ;

• formula Colebrock-White, pentru conducte parţial rugoase:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=

D713k51221

,Re,lg

λλ ;

(12.24) • formula lui Nicuradze, pentru conducte rugoase (numere Re foarte mari):

141kD21 ,lg +=

λ.

Sunt folosite, de asemenea, grafice experimentale sau calculate cu formule de genul celor prezentate. În aceleaşi fel se calculează căderea de presiune şi la curgerea turbulentă în spaţiul inelar circular a unui fluid newtonian, cu deosebirea că, în locul diametrului D, se introduce diametrul echivalent 12ec DDD −= . 12.2. Fluide binghamiene Modelul Bingham descrie comportarea fluidelor care curg asemenea unui lichid vîscos pentru tensiuni mai mari decât o valoare critică 0τ numită tensiune dinamică de forfecare:

118

Fluide de foraj

0drdv

= dacă 0ττ ≤

drdv

p0 ηττ += pentru 0ττ ⟩

unde pη este viscozitatea plastică (structurală). Ecuaţiile constitutive au forma:

( ) 0f =τ dacă 0ττ ≤

( )p

0fη

τττ −= pentru 0ττ ⟩ .

(12.25) Natura curgerii acestor fluide este caracterizată de două numere adimensionale:

• numărul Reynolds, definit ca raport între forţele de inerţie şi forţele de frecare (viscozitate):

p

ecm Dvη

ρ=Re ; (12.26)

• numărul Bingham (numit şi coeficient de plasticitate):

pm

ec0

vDη

τ=Bi . (12.27)

La curgerea printr-o conductă tensiunile scad de la perete spre centrul acesteia şi există o rază , unde devin egale cu 0r 0τ şi apoi mai mici. Există deci un miez

concentric de rază , în interiorul căruia nu există forfecare, 0r 0drdv

= , iar viteza acestui

miez este . Din echilibrul de forţe relativ la acest miez cilindric,

, rezultă:

.constvv 0 ==

τπ∆π rL2pr 2 =

pL2r 0

0 ∆τ

= . (12.28)

Fluidul curge numai dacă Rr0 ⟨ , ceea ce se întâmplă când

RL2pp 0

0τ

∆∆ =⟩ , (12.29)

în care 0p∆ este presiunea minimă la care începe mişcarea fluidului. Dacă se înlocuieşte a doua relaţie (12.25) în expresia debitului (12.11)

.⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−=⋅

−= ∫ 4

p

40

p

0

p

p3

p

023p

3

31

341

R4

dRQp

0ττ

ττ

ητπτ

ηττ

ττ

πτ

τ

, (12.30)

şi dacă se ţine seamă de relaţiile (12.2) şi (12.29) se obţine formula Buckingham:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−= 4

400

p

4

pp

31

pp

341

L128pDQ

∆∆

∆∆

η∆π (12.31)

119

Fluide de foraj

01 2

310

1520 25

3040

5060

7080

90100

150200

250

400

300

500

600700900

8001000

1500

1000020002500

3000

9000

4000

8000

50006000 7000

0.01

0.10

1.00

10.00

1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06Numarul Reynolds, Re

Coe

ficie

ntul

de

rezi

sten

ta h

idra

ulic

a,

Fig.12. 3. Coeficientul de rezistenţă hidraulică λ la curgerea fluidelor binghamiene în conducte

Această ultimă relaţie nu poate fi rezolvată analitic pentru a determina căderea de presiune p∆ funcţie de debit Q . În expresia anterioară (12.30) se înlocuieşte raportul

p

0

ττ , exprimat cu ajutorul definiţiei coeficientului de rezistenţă hidraulică λ (12.12) şi a

expresiilor numerelor Re şi Bi (12.26), (12.27)

ReBi

λρη

ητ

λλρτ

ττ 8

DvvD8

v8

m

p

pm

02m

0

p

0 =⋅⋅== (12.32)

şi se obţine

44

4

364

66411

ReBi

ReBi

Re λλλ⋅+−= . (12.33)

Această ecuaţie, rezolvată numeric în raport cu λ şi Bi ca parametri, este reprezentată grafic în figura 12.3. Cu λ citit din această diagramă se determină căderea de presiune în condiţii date, cu ajutorul formulei Darcy-Weissbach (12.13).

120

Fluide de foraj

01 2

310

1520 25

3040

5060

7080

90100

150200

250300

400500

600700

800900 1000

10000

1500

20002500

9000

3000

8000

4000

50006000 7000

0,01

0,10

1,00

10,00

1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Numărul Reynolds, Re

Coe

ficie

ntul

de

rezi

stenţă

hid

raul

ică,

λ

Fig. 12.4. Coeficientul de rezistenţă hidraulică λ la curgerea fluidelor binghamiene în spaţiul inelar

Pentru curgerea laminară în spaţiul inelar concentric, simplificat pentru studiu sub formă desfăşurată, deci ca spaţiu între două plane paralele, lăţimea miezului de fluid neforfecat ce se deplasează cu viteză constantă este : 0h2

pL2h2 0

0 ∆τ

= . (12.34)

Curgerea are loc numai dacă hh0 ⟨ sau

12

000 DD

L4h

Lpp−

==⟩ττ

∆∆ . (12.35)

A doua ecuaţie (12.25) înlocuită în ecuaţia debitului (12.11) conduce, după integrare, la:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅−= 3

p

30

pp

p

2

21

231

3lh2Q

ττ

ττ

τη

. (12.36)

Dacă se înlocuieşte raportul p

0

ττ , care rămâne cu aceeaşi expresie (12.32), se

obţine:

121

Fluide de foraj

33

3

38

89611

ReBi

ReBi

Re λλλ+−= . (12.37)

În figura 12.4 este reprezentată grafic această relaţie. Pentru o situaţie dată, cu λ citit din această diagramă se determină căderea de presiune cu ajutorul formulei Darcy-Weissbach (12.13). Pentru cazul curgerii turbulente, în figura 12.3, ce se referă la interior conducte, şi în figura 12.4, privitoare la spaţiul inelar, este reprezentată şi curba experimentală ce limitează domeniul laminar. Dacă ordonata numărului Re calculat nu întâlneşte linia corespunzătoare numărului Bi calculat, deasupra acestei curbe experimentale, regimul de curgere se consideră turbulent, iar λ se citeşte corespunzător punctului în care ordonata numărului Re intersectează această curbă. Hanks propune modele matematice pentru determinarea tranziţiei de la regimul laminar la cel turbulent. Se defineşte numărul Hedstrom

2p

2ec0 D

ηρτ

=⋅= BiReHe , (12.38)

dependent numai de dimensiunile geometrice şi proprietăţile fluidului, pentru care se determină Recr până la care regimul de curgere este laminar.

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07

Numărul Hedstrom, He=Re.Bi

Num

ărul

Rey

nold

s cr

itic,

Rcr

Spaţiul inelar

Interior

Fig.12.5. Tranziţia de la curgerea laminară la cea turbulentă pentru fluide binghamiene

122

Fluide de foraj

Pentru interior conducte se elimină crα între relaţiile:

( )3cr

4crcr

cr 131

341

2100α

αα

−

+−=Re , în care

( ) 168001 3cr

cr He=

−αα , (12.39)

iar pentru spaţiul inelar:

( )3cr

3crcr

cr 121

231

2800α

αα

−

+−=Re , în care

( ) 336001 3cr

cr He=

−αα . (12.40)

Figura 12.5 prezintă grafic aceste diagrame. 12.3. Fluide pseudoplastice (modelul Ostwald-de Waele) Ecuaţia constitutivă este

n

drdvK ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−=τ (12.41)

în care K este indicele de consistenţă, iar n este indicele de comportare. Rezultă

( ) n1

Kf ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

ττ . (12.42)

Pentru cazul curgerii laminare în interiorul conducei, această expresie este introdusă în relaţia debitului (12.6) şi se obţine:

∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=⋅=

+p

0

3n1

p

n1

n1n2

3p

3R

K1n3nd

K

RQτ τπττ

τπ , (12.43)

sau, cu ajutorul relaţiei (12.2):

n1n3

n1

2D

LK2p

1n3nQ

+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=

∆π . (12.44)

Din această relaţie, expresia căderii de presiune p∆ , funcţie de debitul Q sau de viteza medie , este: mv

1n

nm

n2n3n

1n3

n2n3

DLKv

n41n32LQ

DK

n1n32p +

++

+ ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=π

∆ (12.45)

Dacă se defineşte numărul Reynolds, Re, cu expresia:

KDv

1n3n48

nn2m

nn1 ρ−

− ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=Re , (12.46)

rezultă că pentru Re64

=λ , căderea de presiune se poate calcula cu formula Darcy-

Weissbach (12.13).

123

Pentru cazul curgerii laminare în spaţiul inelar, expresia (12.42) este introdusă în relaţia debitului (12.11) şi, după integrare, se obţine:

Fluide de foraj

n1

p2

Klh

1n2n2Q ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=τ

, (12.47)

sau, cu relaţia (12.8):

n1n2

12n1

12

4DD

LKp

1n2DDnQ

+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

++

=∆π )( . (12.48)

Din această relaţie se obţine expresia căderii de presiune p∆ , funcţie de debitul sau de viteza medie , de forma: Q mv

( ) ( ) 12

n

12

mn

1n212

n12

nn1n2

DDKL4

DDv12

n31n2

DDDDKLQ

n1n24p

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=−+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

= ++

π∆ .

(12.49) Se defineşte numărul Reynolds, Re, cu expresia:

( )K

DDv1n2

n312n

12n2

mn

n1 ρ−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+=

−−Re , (12.50)

iar cu Re96

=λ , se calculează căderea de presiune cu formula Darcy-Weissbach

(12.13). Pentru curgere turbulentă se foloseşte aceeaşi formulă (12.13). Dodge şi Metzner, pentru conducte netede, au propus o ecuaţie semiempirică de determinare a coeficientului λ , acceptată atât pentru interiorul conductei cât şi pentru curgerea în spaţiul inelar, în care Re se determină cu expresiile (12.46), respectiv (12.50). Această ecuaţie implicită are forma

( )21750

2n1

750 n20

nn56020

n21

,,,,,Relg −

−−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛=

−λ

λ. (12.51)

0,001

0,010

0,100

1,E+03 1,E+04 1,E+05

Numărul Reynolds, Re

Coe

ficie

ntul

de

rezi

stenţă

hid

raul

ică

λ

n=2n=1,4n=1n=0,8n=0,6n=0,5n=0,4n=0,3n=0,2

λ=64/Re

λ=96/Re

124Fig.12. 6. Coeficientul de rezistenţă hidraulică pentru fluide Oswald de Waele

Fluide de foraj

Pentru tranziţia de la laminar la turbulenţă, estimată că se produce în domeniul [ ]n13704270n13703470 −−∈ .....Re ,

cu numărul Re calculat corespunzător spaţiului de curgere, poate fi folosită relaţia ( ) ( ltl 800

n13703470 λλλλ − )−−+=

Re (12.52)

în care Re/64l =λ , respectiv Re/96l =λ , pentru n13703470 −=Re , iar tλ se calculează cu (12.51) pentru n13704270 −=Re . Figura 12.6 prezintă grafic aceste relaţii cât şi curbele corespunzătoare regimului laminar pentru interior conductă şi spaţiu inelar. 12.4. Căderi de presiune locale Schimbarea diametrului de curgere sau a direcţiei de curgere într-un circuit determină căderi de presiune locale ce pot fi calculate cu formula lui Weissbach

ρξ∆2

vp2m

ll = , (12.53)

în care lξ este coeficientul de rezistenţă locală, este viteza de curgere calculată în condiţiile geometrice de la intrare, iar ρ este densitatea fluidului.

mv

Coeficientul de rezistenţă locală se determină experimental şi este propus în tabele pentru cele mai probabile situaţii. Pentru interiorul racordului prăjinii de foraj este propusă relaţia (formula Borda-Camot)

( )2

2ir

2ip

ir 1DD

6141 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= ,...,ξ , (12.54)

iar pentru spaţiul inelar în dreptul racordurilor

( )2

2er

2g

2ep

2g

ir 1DDDD

6141 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−

−= ,...,ξ , (12.55)

în care Dip este diametrul interior al prăjinii la corp, Dir -diametrul interior minim al racordului, Der -diametrul exterior al racordului, Dep -diametrul exterior al prăjinii la corp, Dg -diametrul găurii de sondă. Cădere de presiune locală poate fi considerată şi căderea de presiune din duzele sapei, osp∆ . Dacă sunt considerate ca nişte ajutaje, această cădere de presiune se poate calcula cu următoarea relaţie:

ρϕ

ρϕ

∆2

v1A2

Q1p20

220

2

2os ⋅=⋅= (12.56)

în care A0 este aria de curgere a duzelor, v0 este viteza jeturilor la ieşirea din duzele sapei, iar ϕ este coeficientul de debit, dependent de dimensiunile şi forma duzei, de debit şi de natura fluidului. Acest coeficient se determină experimental şi are valori de la 0,82, pentru duza cilindrică cu muchii drepte, şi până la 0,99 pentru duza cu muchii rotunjite şi profil îmbunătăţit. Pentru duzele obişnuit folosite la sape se acceptă ϕ=0,95.

125

Fluide de foraj 12.5. Coeficienţii căderilor de presiune Presiunea măsurată la pompa (pompele) instalaţiei de foraj este suma căderilor de presiune din întreg circuitul unei sonde. Pentru alcătuirea cea mai răspândită a sistemului de circulaţie se poate scrie

pp

∑= ip pp ∆ , (12.57) în care indicele i se referă la: is-instalaţia de suprafaţă (manifold, încărcător, furtun, cap hidraulic, prăjină de antrenare), ip-interiorul prăjinilor de foraj, ir-interiorul racordurilor, ig-interiorul prăjinilor grele, os-orificiile sapei, eg-spaţiul inelar al prăjinilor grele, ep-spaţiul inelar al prăjinilor de foraj, er-spaţiul inelar în dreptul racordurilor. Sunt cazuri când pot apare şi alte echipamente: motor, MWD etc. Pentru simplificarea expresiei (12.57) se introduc coeficienţii căderilor de presiune α :

• interiorul prăjinilor de foraj, al celor grele sau conductelor, 2

i2

52i

2i

ii LQLQD

8DL

2vp ραρ

πλ

ρλ∆ === , (12.58)

• spaţiul inelar,

( ) ( )

2e

22

123

122

e

12

2e

ee LQLQDDDD

8DD

L2

vp ραρπ

λρλ∆ =

+−=

−= , (12.59)

• interiorul racordurilor, 2

pir2

pp

42ir

p

p2i

irir QLQLlD

8lL

2vp ραρ

πξ

ρξ∆ === , (12.60)

• exteriorul racordurilor,

( )2

per2

p221

22

2er

p

p2e

erer QLQLDD

8lL

2vp ραρ

π

ξρξ∆ =

−== , (12.61)

• duzele sapei, 2

os2

4d

222

20

2os QQdn18

2v1p ραρ

ϕπρ

ϕ∆ =⋅=⋅= . (12.62)

În aceste relaţii mai apar: Lp -lungimea totală a prăjinilor de foraj (Lp=L-lg din lungimea totală a garniturii L se scade lungimea prăjinilor grele lg), lp-lungimea unei prăjini de foraj (uzual 8...9m), n-numărul de duze ale sapei, dd-diametrul duzei. Căderea de presiune în instalaţia de suprafaţă este la rândul ei o sumă de căderi de presiune în interiorul colectorului, încărcătorului, capului hidraulic, tijei de antrenare (12.58), dar şi căderi de presiune locale, în elementele de legătură: coturi, curbe, ramificaţii (12.60). Cu aceste ultime relaţii, expresia (12.57) capătă forma: ( ) ( )[ ] =+++++++= 2

egiggosis2

perepiripp QlQLp ρααααραααα

( ) 22p1 QL ραα += (12.63)

, 2Qαρ=

126

Fluide de foraj în care 1α este coeficientul căderilor de presiune ce depind de lungimea totală a prăjinilor de foraj, 2α -coeficientul căderilor de presiune care nu depind de adâncimea sondei, iar α este coeficientul global al căderilor de presiune.

Bibliografie

1- Ana, I.-Fluide de foraj şi cimenturi. Ministerul Petrolului, 1986.

2- Creţu, I., Beca, C., Babskow, Al., Manolescu, G., Soare, E.,Soare, Al., P[rcălăbescu, I., Popa, C. - Ingineria zăcămintelor de hidrocarburi (vol. I si II). Editura Tehnică, Bucureşti, 1981.

3- Friedheim, J. –Drilling fluids design to minimise formation damage. Offshore Oil & Gas Conference, Houston, sep. 1996.

4- Gray, R.G., Darley, H.C.H. - Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids, Gulf Publishing Company, Editia a IV-a, 1981.

5- Hands, N., Kowbel, K., ş.a. –Drill-in fluid reduces formation damage, increases production rates, O.G.J., iulie, 1998

6- Horhoianu, Gh., Macovei, N. - Fluide de foraj. I.P.G.Ploieşti, 1976.

7- Iordache, G., Avram, L. - Foraje speciale şi foraj marin. Editura Tehnică, Bucureşti,1996.

8- Macovei, N. - Fluide de foraj şi cimenturi de sondă. Editura Universităţii din Ploieşti, 1993.

9- Macovei, N. - Hidraulica Forajului. Editura Tehnică, Bucureşti, 1983.

10- Matthews, W.R., Kelly, G. - How to predict formation pressure and fracture gradient. In: O.G.J., februarie, 1967.

11- Popescu, V.S., Horhoianu, Gh. - Fluide de foraj şi cimenturi de sondă. Universitatea de petrol şi gaze Ploieşti, 1993.

12- Rogers, W.F. – Compoziţia şi proprietăţile fluidelor de foraj (trad. din limba engleză). Editura Tehnică, Bucureşti, 1969.

13- Stephens, M. –Selection of non-damaging drill-in fluids for horisontal wells., 3rd Annual North American Conference on Emerging Technologies, Calgary, mai, 1995.

127

Fluide de foraj

128

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

II. FLUIDE DE IZOLARE (CIMENTURI DE SONDĂ)

129

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

130

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

1. Introducere Cercetările efectuate de-a lungul timpului în legătură cu cimentarea coloanelor unei sonde de petrol sau gaze au pus în evidenţă atât factorii de natură tehnologică, care pot conduce la reuşita unei cimentări primare cât şi proprietăţile materialului liant, de ale cărui caracteristici fizico-chimice dar mai ales combinaţii cu alţi aditivi, depinde ca cimentarea să corespundă celor mai multe cerinţe de calitate [1, 2, 4, 5, 10, 11]. În practica cimentării sondelor, liantul mineral cu cea mai largă utilizare este cimentul Portland. În şantierele din Romania se întrebuinţează două tipuri de astfel de ciment: S1, în sonde cu adâncimi de până la 1 850m, şi S2-RS, în sonde până la 2 450...2 500m. Acest ultim tip, printr-o aditivare corespunzătoare, poate fi folosit şi la adâncimi mai mari, el permiţând obţinerea unei mari diversităţi de paste de ciment. Comparativ cu fluidul de foraj, pasta de ciment blocheză formaţiunea productivă mai puţin cu particule solide şi mai mult cu filtrat. Particulele solide din pastă au dimensiuni mai mari decât cele din noroi, iar filtratul este semnificativ mai mare, mai ales în condiţiile dinamice de desfăşurare a operaţiei de cimentare. În cazul pastei de ciment se poate produce şi o blocare specifică, rezultată din contactul ionului de calciu solubil din ciment, cedat de oxidul de calciu, cu fluidul de foraj apă-argilă bentonitică. Se formează astfel, în strat, în vecinătatea sondei, o zonă cu fluid de foraj contaminat, care are o tensiune mare de forfecare, barieră care va reclama, ulterior, presiuni mari pentru a o distruge. Prevenirea fenomenelor de blocare a formaţiunii productive la cimentarea coloanelor de exploatare, mai ales în cazul stratelor depletate, impune o atentă analiză a proprietăţilor pastelor de ciment, a factorilor care contribuie la reuşita cimentării şi a tehnologiilor de cimentare. O cimentare se consideră reuşită atunci când pasta de ciment înlocuieşte complet fluidul de foraj din spaţiul inelar şi formează, după prizare şi întărire, un inel uniform, rezistent, impermeabil, cu o bună aderenţă la coloană şi la rocile din pereţii sondei.

131

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

2. Factorii care determină reuşita unei cimentări Factorii care contribuie la reuşita sau nereuşita unei cimentări pot fi grupaţi în trei categorii: geologici, tehnici şi tehnologici. a. Factorii geologici sunt cei legaţi de prezenţa şi natura fluidelor cantonate în formaţiunile traversate, mineralizaţia apelor din aceste strate, litologia şi permeabilitatea rocilor, existenţa cavernelor şi fisurilor naturale, valoarea gradientului presiunii de fisurare şi a celui de temperatură. b. Factorii tehnici se referă la construcţia şi înclinarea sondei, mărimea jocului coloană-sondă, excentricitatea coloanei, prezenţa ocnirilor, a găurilor de cheie sau a schimbărilor de secţiune, prezenţa centrorilor, scarificatorilor, turbulizorilor şi a packerelor de coloană. Pentru a se forma un inel de ciment uniform în jurul coloanei de burlane trebuie ca noroiul să fie complet dezlocuit. Dimensional, cele mai bune condiţii de formare a inelului de ciment se realizează atunci când diametrul exterior al coloanei, D , şi diametrul sondei, Dg , se află în relaţia Dg = (1,3.... 1,4)D. În spaţiile inelare prea înguste sau prea largi rămâne, de cele mai multe ori, o cantitate de noroi gelificat; aceste zone devin căi de migrare pentru gaze sau lichide. În sondele înclinate, unde coloana este excentrică faţă de sondă, creşte posibilitatea de canalizare a pastei şi de formare a zonelor cu noroi rămas nedezlocuit. De asemenea, dacă pasta de ciment nu este stabilă, pe partea superioară a pereţilor sondei se formează un canal cu apă, care va fi o posibilă cale de migrare a fluidelor. Utilizarea centrorilor şi a scarificatorilor îmbunătăţeşte gradul de dezlocuire a noroiului şi contribuie la formarea unui inel de ciment mai uniform şi cu o aderenţă mai bună la pereţii sondei. Tot pentru creşterea gradului de antrenare a fluidului din vecinătatea pereţilor şi din zonele lărgite ale sondei, se recomandă montarea turbulizorilor alături de centrori, mai ales în dreptul intervalelor ce impun o bună izolare. c. Factorii tehnologici sunt: tipul şi proprietăţile fluidului de foraj dezlocuit şi ale pastei de ciment, prezenţa, volumul şi natura fluidelor de spălare şi separare (fluide tampon), regimul de curgere şi interacţiunea fizico- chimică a fluidelor ce vin în contact, durata de contact dinamic dintre ele, timpul cât fluidele de spălare şi pasta trec prin zona intervalelor ce trebuie izolate, manevrarea şi rotirea coloanei în timpul cimentării, rezistenţa mecanică, anticorozivă şi permeabilitatea pietrei de ciment etc. Numeroşi cercetători consideră drept cauză principală a slabei etanşări a spaţiului inelar cimentat, dezlocuirea incompletă a fluidului de foraj şi a turtei de colmatare. Acestea depind însă, la rândul lor, de caracteristicile fluidului de separare şi ale pastei de ciment, viteza de curgere ascensională şi timpul de contact între ele. În zonele în care noroiul nu a fost îndepărtat există posibilitatea de migrare a gazelor, iar

132

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

amestecul de pastă de ciment-noroi care se formează are o rezistenţă scăzută şi poate compromite în timp etanşeitatea spaţiului inelar cimentat. Prin utilizarea unor fluide de separare, cu proprietăţi compatibile cu ale celor pe care le separă (fluid de foraj şi pasta de ciment), se urmăreşte o mai bună dezlocuire a noroiului şi se evită formarea amestecului pastă de ciment-noroi, care în cele mai multe cazuri este de o viscozitate ridicată şi greu pompabil. De asemenea, o dezlocuire satisfăcătoare a fluidului de foraj este realizată prin asigurarea unui timp minim de contact, care reprezintă durata de trecere a fluidului dezlocuitor prin zona considerată [7]. Natura şi proprietăţile pastei de ciment au, de asemenea, un rol important în reuşita cimentării. Apa separată, măsură a stabilităţii pastei, formează canale verticale sau chiar pungi numai cu apă, ce se constituie în posibile căi de pătrundere şi migrare a gazelor. Timpul de prizare mare, determinat şi de o slabă stabilitate a pastei, permite dezvoltarea şi amplificarea fenomenelor de migrare a gazelor prin masa pastei. Proprietăţile pietrei de ciment trebuie să fie, de asemenea, corespunzătoare pentru a contribui la buna izolare a spaţiului inelar. Dacă rezistenţa mecanică a pietrei este scăzută, în urma solicitărilor mecanice prin lucrul în coloană, aceasta se poate fisura şi distruge, iar permeabilitatea prea mare conduce la pierderea etanşeităţii spaţiului inelar, lăsând gazele (şi/sau alte fluide din formaţiune) să migreze. Acest fenomen este agravat de diferenţele de presiune ce apar între stratele cu conţinut diferit de fluide, iniţial izolate cu presiunile proprii, iar, în timp, unele intens exploatate, altele nu. Se ştie că valoarea rezistenţei mecanice a pietrei de ciment creşte în timp, iar permeabilitatea scade, dar numai în condiţii de temperaturi până la 70...80oC, peste aceste valori putând apare fenomenul de retrogresie (scade rezistenţa mecanică şi creşte permeabilitatea). Calităţile pietrei de ciment sunt, însă, urmare a naturii şi proprietăţilor pastei de ciment utilizată la operaţia de cimentare. La sondele de petrol şi gaze se execută cimentări primare, secundare şi cu destinaţie specială. Cimentările primare se efectuează imediat după tubarea unei coloane şi constau în plasarea unui volum determinat de pastă de ciment în spaţiul inelar dintre coloană şi teren, de obicei prin circulaţie directă. Cimentările secundare se execută fie în cazul nereuşitei operaţiilor de cimentare primară, fie în cazul deteriorării inelului de ciment în timpul exploatării; se efectuează tot prin circulaţie directă, dar după o tehnologie mai complicată. Cimentările secundare sunt cunoscute şi sub numele de cimentări sub presiune, deoarece necesită, de cele mai multe ori, aplicarea unei presiuni pentru a forţa pasta de ciment să pătrundă într-o anumită zonă: în perforaturi, în canalele din spatele unei coloane, în fisuri etc. Sunt însă şi situaţii în care cimentările de remediere nu necesită presiuni suplimentare, pasta putând pătrunde sub greutatea proprie (cazul zonelor depletate). Cimentările speciale au un caracter ocazional şi se pot realiza în gaură liberă, netubată, cu scopul de a obtura formaţiunile de mare permeabilitate , fisurate sau cavernoase, în care se pierde fluidul de foraj; de asemenea, se execută dopuri compacte şi rezistente deasupra unor scule de foraj nerecuperabile, cu scopul de a fora o nouă gaură de sondă, de la nivelul dopului de ciment.

În practică, ponderea principală o au cimentările primare (aproximativ 90 %); de modul cum sunt realizate şi de calitatea lianţilor folosiţi depinde continuarea în

133

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) siguranţă a forajului (în cazul coloanelor de ancoraj şi intermediare), valoarea absolută a debitului şi exploatarea îndelungată, fără reparaţii a sondelor (pentru coloana de exploatare) şi nu în ultimul rând, costul total al sondei.

134

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

3. Definiţii şi clasificări ale cimenturilor şi pastelor de ciment

În operaţiile de cimentare la sondele de petrol şi gaze se folosesc în exclusivitate lianţi hidraulici anorganici, care, în amestec cu apă sau soluţii apoase, formează în faza iniţială o pastă de ciment, ce poate fi pompată pe înălţimea necesară de cimentare; la rămânerea în repaus, după un anumit timp, se transformă într-un corp solid, piatra de ciment, care îndeplineşte funcţiile deja amintite. Datorită condiţiilor foarte diverse de mediu, temperatură, presiune, tehnologie de cimentare, dar şi din considerente economice, s-a elaborat o mare varietate de cimenturi şi paste, de la cele preparate doar cu ciment obişnuit (portland) şi apă, până la amestecuri liante fără ciment sau transformarea fluidului de foraj în compoziţie de consolidare şi izolare. Pentru a obţine această diversitate de cimenturi şi paste, în mod practic există trei posibilităţi: -se modifică compoziţia mineralogică a produşilor care intră în procesul de calcinare sau regimul de ardere şi răcire; -se adaugă substanţe active în procesul de măcinare a produşilor de calcinare; -se adaugă substanţe de reglare a anumitor proprietăţi, fie în praful de ciment, fie în apa de preparare. Pentru cele două tipuri de cimenturi de sondă folosite la noi în ţară, în tabela 1 sunt prezentate câteva caracteristici chimice şi fizice. Atunci când este necesar, se mai pot fabrica, la scară redusă, cimenturi pentru temperaturi foarte mari (ciment termal) sau un ciment expandabil. Normele API (în SUA), recomandă nouă clase de ciment pentru sonde (notate de la A…J), unele cuprinzând două sau trei tipuri, dar practic se folosesc doar câteva şi anume, cu o pondere de 65 % cele de tip H, aproximativ 10 % tipurile A şi C şi 15 % de tip G. Există şi se folosesc şi unele cimenturi de sondă non-API. Dintre numeroasele criterii de clasificare existente, se vor prezenta cele mai semnificative [1, 2, 5, 10]: A. După compoziţia cimentului (sau a pastei) 1. Pe bază de ciment portland -fără adaosuri; -cu adaosuri minerale: nisip, zgură de furnal, cenuşă de termocentrală, tufuri vulcanice, var, cretă, clorură de sodiu, materiale de îngreuiere, materiale de blocare etc.; -cu adaosuri organice: gilsonit, asfalt oxidat, polimeri, răşini, latexuri.

135

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) Tabela 1. Caracteristici fizico-chimice ale cimenturilor de sondă

folosite în Romania Tipul cimentului

Caracteristici Unitatea de măsură S1 S2-RS

Domeniul de utilizare - Sub 1850m Sub 2 450m Mai jos, cu aditivi

Rezistenţa la sulfaţi - Scăzută Ridicată

1. Cerinţe chimice

MgO, max. % 5,0 4,0

SO3, max. % 2,5 3,0

Pierderi prin calcinare, max. % 3,0 3,0

Reziduu insolubil în HCl, max. % 1,0 0,75 Alcalii totale, exprimate în Na2O, max. % - 1,1

3 CaO⋅Al2O3, max. % 13,0 3,0 min. % - 48,0 3 CaO⋅SiO2, max. % - 65,0

2. Cerinţe fizice Fineţea de măcinare, min m2/kg 280 290 Cu factorul apă-ciment: - 0,50 0,44 Începutul prizei la 60oC min 95 - 140 - Sfârşitul prizei la 60oC min 140 - 185 - Timpul de îngroşare la 52oC, 363 bar min - 90 - 120

Apă separată, max % 5,0 1,4 Rezistenţa:

1 zi N/mm2 5 - -la încovoiere 60oC, presiune atmosferică 3 zile N/mm2 6 -

8h, 38oC N/mm2 - 2,1 -la compresiune

presiune atmosferică 24h,

60oC N/mm2 - 10,3

2. Fără bază de ciment -pe bază de zgură; -cu var şi materiale puzzolane (tufuri, diatomită, cenuşă); -cu var şi nisip, var, zgură şi nisip; -pe bază de silicaţi solubili, cu zgură, nisip; -pe bază de ipsos; -cu lianţi organici (răşini epoxidice) sau organominerali.

136

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

3. Pe bază de ciment aluminos -fără adaosuri; -cu adaosuri: var, gips, anhidrit, dolomit, magnezit, bauxită. B. După densitatea pastei -Paste foarte uşoare, sub 1 400 kg/m3; -Paste uşoare, 1 400…1 700 kg/m3; -Paste normale, 1 700…1 950 kg/m3; -Paste îngreuiate, 1 950…2 300 kg/m3; -Paste foarte grele, peste 2 300 kg/m3. C. După temperatura de aplicare -Temperaturi scăzute, sub 150 C; -Temperaturi normale, 15…500 C; -Temperaturi moderate, 50…1000 C; -Temperaturi mari, 100…1500 C; -Temperaturi înalte, 150…2500 C; -Temperaturi foarte mari, peste 2500 C; -Variaţii ciclice de temperatură. D. După rezistenţa la acţiunea agresivă -Normale (fără condiţii speciale, stabile în apă cu NaCl sau CaCl2); -Rezistente la ape sulfatice; -Rezistente la ape magneziale; -Rezistente la substanţe acide (H2S, CO2); -Rezistente în medii poliminerale. E. După deformaţia de volum -Fără condiţii speciale; -Fără contracţie: dilatarea liniară sub 0,1 % (la 3 zile, în apă); -Expandabile: dilatarea liniară peste 0,1 %. F. După timpii de prizare -Cimenturi cu prizare rapidă; -Cimenturi cu prizare normală; -Cimenturi cu prizare întârziată. La noi, aşa cum s-a menţionat, se utilizează în practică doar paste de ciment preparate cu ciment portland, cu şi fără adaosuri minerale, de aceea, vor fi prezentate cerinţele formulate prafului de ciment portland şi comportarea acestuia în timpul formării pietrei de ciment, precum şi proprietăţile impuse în faza iniţială de preparare pentru pasta de ciment (preparată, conform normelor în vigoare, cu raportul masic dintre apă şi ciment, m = 0,5).

137

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

4. Cimentul portland 4.1. Compoziţia chomico-mineralogică şi procesul de fabricare Cimentul portland este un amestec fin măcinat de materiale cu o compoziţie chimico-mineralogică bine stabilită. Materiile prime, respectiv calcarul şi argila, sunt concasate, amestecate, măcinate sub 100 mµ şi calcinate în cuptoare rotative înclinate, după un anumit regim, până la temperatura de vitrifiere (topire parţială), de 1 400… 1 5000 C. În acest amestec, calcarul este donatorul de oxid de calciu (bazic), iar argila cedează oxid de siliciu (SiO2), aluminiu (Al2O3) şi fier (Fe2O3). Se formează astfel o serie de minerale artificiale, rar întâlnite în natură (silicaţi, aluminaţi şi feriţi de calciu), care au activitate chimică ridicată şi capacitate liantă în amestec cu apa. Produsul rezultat în urma arderii se numeşte clincher şi după răcire este remăcinat împreună cu un procent de 3…7 % gips, adăugat pentru reglarea prizării. Se obţine astfel praful de ciment portland (pe scurt, ciment). Pentru un ciment portland normal, compoziţia chimică a clincherului trebuie să cuprindă oxizi între următoarele limite (procente masice): 63…68 % CaO, 19…24 % SiO2, 4…8 % Al2O3 şi 2…6 % Fe2O3, iar aceasta se obţine dacă materia primă folosită conţine 75…80 % calcar şi 25…20 % argilă. De regulă, compoziţia oxidică corespunzătoare clincherului se realizează adăugând diatomit, tufuri (pentru corecţia procentului de oxid de siliciu), bauxită (pentru oxidul de aluminiu) şi cenuşă de pirită sau zguri din metalurgia neferoasă (pentru oxizii de fier). În afara acestor cerinţe, pentru materia primă se impun restricţii la prezenţa altor oxizi, care, de regulă, sunt consideraţi dăunători fie în procesul de fabricaţie, fie în comportarea ulterioară a cimentului ( MgO < 5 %, SO3 < 3 %, Na2O + K2O < 1 % etc.). Mineralele care apar în urma procesului de ardere, poartă denumirea rezultată din însăşi compoziţia lor chimică şi câteva caracteristici ale lor sunt prezentate în continuare. Silicatul tricalcic, 3CaO⋅SiO2, (notat prescurtat C3S), este componentul principal şi se găseşte în proporţii de 40…65 %. Se prezintă sub formă de cristale mari (20…60 mµ ), prismatice sau hexagonale, incolore. El interacţionează intens cu apa, de aceea conferă pietrei de ciment rezistenţă mare în faza iniţială de întărire (primele 7…28 zile). Silicatul dicalcic, 2CaO⋅SiO2, (notat C2S), se găseşte în proporţie de 15…35 %. Se prezintă sub formă de cristale rotunjite, de culoare gălbuie, mai mici decât cele de C3S (10…20 mµ ), în mai multe stări polimorfe- α , α′ , β , γ (dintre acestea, doar modificaţia β -C2S prezintă proprietăţi liante). El interacţionează cu apa mai încet decât silicatul tricalcic, asigură rezistenţă mecanică pietrei de ciment în faza finală de întărire (la temperatură ambiantă, întărirea completă poate dura câţiva ani) şi stabilitate chimică la acţiunea sulfaţilor.

138

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Aluminatul tricalcic, 3CaO⋅Al2O3, (notat C3A), se găseşte în concentraţie de 3…15 %, se prezintă sub formă de cristale foarte mici, prismatice sau cubice, greu de identificat în masa fazei sticloase. Aluminatul tricalcic are cea mai mare viteză de hidratare, de aceea, controlează timpul de priză şi timpul de îngroşare ale unei paste de ciment. Are capacitatea de a reţine şi imobiliza cantităţi mari de apă, hidratarea lui fiind puternic exotermă. El influenţează şi rezistenţa pietrei de ciment la acţiunea sulfaţilor, de aceea, în cimenturile cu rezistenţă ridicată la sulfaţi, procentul de C3A se limitează la 3 %. Feritaluminatul tetracalcic, (aluminoferitul tetracalcic), 4CaO⋅Al2O3⋅Fe2O3, (notat C4AF), se găseşte în proporţie de 8…20 %, apare sub forma unor cristale foarte mici, de culoare maro-închis, dar în cea mai mare parte, rămâne necristalizat în faza sticloasă. Se hidratează mai lent decât C3A şi asigură rezistenţa la coroziune a pietrei de ciment. Faza sticoasă (masa vitroasă), reprezintă restul de topitură eutectică nedefinită, care nu a reuşit să cristalizeze datorită răcirii rapide a clincherului. În funcţie de viteza de răcire, concentraţia ei oscilează între 5…12 %. Masa sticloasă, în afara componenţilor deja amintiţi (ferită necristalizată, aluminaţi, oxizi de magneziu, sodiu, potasiu) conţine şi cristale de C3A, C4AF, MnO, CaO, care umplu spaţiul dintre cristalele de C3S şi C2S, având o acţiune liantă. Măcinată fin, faza sticloasă posedă un minim de proprietăţi hidraulice şi influenţează comportarea cimentului. Calcea liberă (CaO), care hidratează foarte lent, poate conduce la creşteri de volum, apariţia de tensiuni interne şi, în final, la fisurarea şi distrugerea mecanică a pietrei de ciment. De aceea, standardele limitează conţinutul de CaO liber din clincher la mai puţin de 1 %. Periclazul (MgO), la fel ca şi CaO, apare în stare liberă, numai atunci când este conţinut în materia primă într-un procent mai mare de 4 % şi răcirea se face lent, permiţând să cristalizeze. El se hidratează lent şi poate distruge piatra de ciment, de aceea se limitează conţinutul de MgO la 5 %. Compuşii alcalini (Na2O, K2O) se găsesc în cantităţi mici în clincher, fiind înglobaţi în masa sticloasă sau formând cristale mixte cu celelalte minerale. Dacă sunt în cantităţi mai mari, în special K2O, împiedică în timpul procesului de fabricaţie legarea completă a oxidului de calciu la C2S pentru a se forma silicatul tricalcic (C3S). Se va forma un ciment sărac în C3S şi cu un conţinut ridicat de CaO liber. De aceea, se impune prin standarde conţinutul de compuşi alcalini sub 1 %. Se poate concluziona că, proprietăţile cimentului portland sunt determinate în cea mai mare parte de mineralele importante care se formează în urma clincherizării. Un ciment bun trebuie să conţină suma mineralelor silicioase (C3S + C2S) în proporţie de 75…80 %, iar pe cea a mineralelor aluminoase (C3A + C4AF) de 20…25 %. 4.2. Comportarea cimenturilor portland pe baza compoziţiei chimico-mineralogice Comportarea cimenturilor portland în amestec cu apa este influenţată de modul în care se comportă fiecare dintre mineralele principale şi de raportul care se află între ele. • Silicatul tricalcic (C3S) interacţionează mai intens cu apa decât silicatul dicalcic (C2S), de aceea va influenţa rezistenţa mecanică iniţială a pietrei de ciment (în

139

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) primele zile sau săptămâni). Un ciment mai bogat în C3S va poseda o rezistenţă mecanică iniţială mare. • Silicatul dicalcic (C2S) interacţionează mai lent cu apa, de aceea va contribui la creşterea rezistenţei mecanice a pietrei, în faza finală de întărire. • Componenţii aluminoşi (C3A şi C4AF) influenţează în mod deosebit viteza de prizare a pastei şi rezistenţa la coroziunea sulfatică a pietrei de ciment. • Creşterea conţinutului de C3A în contul lui C4AF duce la creşterea vitezei de prizare a pastei, care devine greu pompabilă. • Creşterea conţinutului de minerale aluminoase în contul celor silicioase duce la acelaşi fenomen de accelerare a prizării pastei de ciment. Această dependenţă se remarcă şi în ceea ce priveşte rezistenţa la coroziunea sulfatică a pietrei de ciment. Deoarece mineralele silicioase rezistă mai bine, cimenturile rezistente la acţiunea corozivă a apelor de zăcământ (sulfatice) trebuie să aibă un conţinut foarte mic de aluminat tricalcic (C3A < 3…5 %). • Întărirea pastei de ciment este un proces exoterm şi cedarea de căldură va fi cu atât mai intensă cu cât este mai mare conţinutul în C3S şi C3A. La noi, cele două tipuri de ciment portland, S1 şi S2-RS, au compoziţia mineralogică prezentată în tabela 2.

Tabela 2. Compoziţia chimico-mineralogică a cimenturilor folosite în România Compoziţia mineralogică, % Tip ciment C3S C2S C3A C4AF

Ciment S1 56-65 15-20 10-13 10-13 Ciment S2-RS 35-40 35-40 3-8 12-18

Se poate constata că cimentul tip S1 este cu o rezistenţă redusă la coroziunea sulfatică (are procent mare de C3A), posedă o viteză mare de hidratare şi prizare (conţinut ridicat de C3S şi C3A) şi o rezistenţă mecanică iniţială mărită. Se foloseşte, datorită acestui mod de comportare, la cimentarea intervalelor cu temperaturi mici şi moderate (până în 1 800 m şi temperatură la talpă de maxim 600 C). Cel de-al doilea tip de ciment, S2-RS, are o priză mai lentă (conţinut mai mic de C3S şi C3A), rezistenţă iniţială mai scăzută, o bună rezistenţă la coroziunea sulfatică (procent redus de C3A), de aceea poate fi folosit pentru cimentări de coloane introduse la adâncimi mai mari de 2 000 m. 4.3. Proprietăţi fizice ale cimentului portland Spre deosebire de alte materiale de construcţie, proprietăţile cimentului praf se controlează măsurând anumite proprietăţi ale pastei şi pietrei de ciment, în anumite condiţii standard (prezentate în paragrafele 5 şi 6). Sunt însă şi câteva proprietăţi ce caracterizează direct cimentul praf. a. Densitatea. Cimentul portland are densitatea cuprinsă între 3 050… 3 200 kg/m3, dar, de regulă, valorile cele mai folosite în practică sunt 3 120…3 150 kg/m3. Pe baza acestor valori rezultă densitatea pastei de ciment şi se pot stabili cantităţile necesare de materiale pentru îngreuierea pastei sau scăderea densităţii ei.

140

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Se mai deosebeşte o densitate aparentă, în vrac (masa unui litru), a cimentului praf, care este mult mai mică. Ea variază între 800…1 200 kg/m3, în stare afânată şi între 1 400…1 900 kg/m3, dacă cimentul este tasat. b. Fineţea de măcinare. Aceasta este o proprietate importantă nu numai pentru cimentul praf, dar şi pentru cele cu destinaţie specială. Fineţea de măcinare se evaluează indirect, prin mărimea suprafeţei specifice – suprafaţa tuturor particulelor aflate într-o unitate de masă – şi se determină cu aparate speciale pe baza permeabilităţii la aer (metoda Blaine). Cimenturile portland au o suprafaţă specifică (Ssp) cuprinsă între 2 000 … 4 000 cm2/g. Fineţea de măcinare se mai poate aprecia pe baza reziduului de ciment, care nu trece printr-o sită dată (în urma cernerii). Diametrul particulelor de ciment este de ordinul micronilor sau zecilor de microni, iar particulele grosiere (fracţiile mai mari de 70…90 microni) nu trebuie să depăşească 10 % (procente masă/masă). Este evident că, cimentul se hidratează mai repede (are o viteză de prizare mai rapidă şi o rezistenţă iniţială mai mare) atunci când suprafaţa specifică a cimentului portland este mai mare (fineţe de măcinare ridicată), iar pasta obţinută este mai stabilă. Cimenturile destinate temperaturilor ridicate vor fi măcinate mai grosier, pentru a întârzia hidratarea şi prizarea. 4.4. Hidratarea cimentului La amestecarea prafului de ciment cu apa, iniţial, se dizolvă o mică parte din el, până la saturare, interacţionând chimic cu apa. Are loc apoi o dispersie înaintată a particulelor de ciment (perioada formării unor structuri coagulante, sau prizării propriu-zise), după care urmează perioada cristalizării pastei (întărirea propriu-zisă) şi trecerea dintr-o stare mai puţin stabilă într-alta mai stabilă. Tot acest proces are loc cu degajare de căldură. Prizarea şi întărirea pastei este însă un proces complex, de hidratare-hidroliză, în care se produc trei fenomene distincte: -de hidratare propriu-zisă: silicaţii, aluminaţii şi feriţii de calciu absorb apa şi se transformă în hidrosilicaţi, hidroaluminaţi şi hidroferiţi; -de hidroliză: prin reacţia apei cu silicaţii de calciu se eliberează în soluţie hidroxidul de calciu; -de sinteză: doi compuşi formează, împreună cu apa, un hidrocompus nou, mai stabil; fenomenul este mai accentuat la creşterea temperaturii (sinteza hidrotermală). Raportul în care se află oxizii sau mineralele într-un ciment se caracterizează cu diverşi moduli sau coeficienţi. Gradul de bazicitate (CaO/SiO2), numit şi raportul var-silice, definit molar, joacă un rol important în termostabilitate. Cimenturile cu gradul de bazicitate sub 1,2 sunt considerate cimenturi cu bazicitate redusă şi sunt mai termorezistente decât cele cu bazicitate ridicată. 4.4.1. Hidratarea mineralelor silicioase (C3S şi C2S) În cazul în care hidratarea are loc la temperaturi moderate (20…500 C), produşii finali sunt hidrosilicaţii de calciu (3CaO⋅2SiO2⋅3H2O sau, prescurtat, C3S2H3) şi hidroxidul de calciu (Ca(OH)2), conform reacţiilor: 2(3CaO⋅SiO2) + 6H2O = 3CaO⋅2SiO2⋅3H2O + 3Ca(OH)2

141

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) 2(2CaO⋅SiO2) + 2H2O = 3CaO⋅2SiO2⋅3H2O + Ca(OH)2

Din relaţii se poate observa că hidrosilicaţii ambelor minerale sunt identici, dar silicatul tricalcic formează o cantitate mai mare de hidroxid de calciu, comparativ cu silicatul dicalcic. Până la formarea hidrosilicaţilor stabili, pe care îi găsim în piatra de ciment, reacţiile se desfăşoară în mai multe etape, temperatura având un rol important în acest proces de hidratare-hidroliză. Astfel, la temperaturi moderate, iniţial are loc o hidroliză mai puternică a mineralelor silicioase, ceea ce conduce la suprasaturarea soluţiei cu hidroxid de calciu şi formarea unor hidrosilicaţi cu bazicitate redusă (cu un conţinut mai mic de CaO); continuarea proceselor de hidratare-hidroliză ale silicatului tricalcic şi dicalcic conduce la depunerea cristalelor de Ca(OH)2 şi la formarea hidrosilicaţilor stabili, cu bazicitate mai mare (respectiv CaO/SiO2 = 1,5), pe care îi întâlnim în piatra de ciment. La structura finală a produşilor de hidratare ai mineralelor silicioase din ciment se ajunge după anumite transformări. Hidroxidul de calciu cristalizează sub formă de plăcuţe hexagonale, mari, vizibile uneori cu ochiul liber. Hidrosilicaţii de calciu, în faza iniţială au o structură lamelară, de dimensiuni foarte mici, coloidale, asemănătoare cu structura unor hidrosilicaţi naturali de tip tobermoritic, de aceea se denumesc în acest stadiu, geluri tobermoritice. Ulterior, aceste geluri de tip tobermoritic suferă un proces de condensare, structura finală a hidrosilicaţilor stabili fiind microcristalină. La temperaturi mai ridicate (T > 500 C) se formează tot hidrosilicaţi de tip tobermoritic, dar cu un conţinut mai mare de CaO. Astfel, dacă hidratarea mineralelor siliciose are loc la 800 C, raportul de bazicitate atinge valoarea de 1,75; la 1000 C ajunge la 1,88, iar la 1200 C poate atinge chiar valoarea 2. La temperaturi mai mari de 1200 C, în prima fază se formează tot hidrosilicaţi de tip tobermoritic, dar au un conţinut mai redus de apă, iar structura se modifică de la lamelară la fibroasă. La hidratarea peste 2000 C, se formează hidrosilicaţi de foarte mare bazicitate cu structură granulară. Toate aceste modificări, care se înregistrează în compoziţia şi structura hidrosilicaţilor formaţi la temperaturi mai mari de 100…1200 C, conduc la apariţia de tensiuni interne în piatra de ciment şi creşterea porozităţii acesteia, cu implicaţii nefavorabile asupra rezistenţei mecanice, care scade şi asupra permeabilităţii pietrei, care se măreşte. 4.4.2. Hidratarea mineralelor aluminoase (C3A şi C4AF) Chiar dacă mineralele aluminoase sunt în cantităţi mai mici în cimentul portland (sub 25 %), comparativ cu mineralele silicioase, prin particularităţile pe care le prezintă, influenţează procesul global de hidratare a cimentului. La temperaturi moderate, se formează în prima fază o formă nestabilă de hidroaluminat tetracalcic (4CaO⋅Al2O3⋅19H2O), prescurtat scris C4AH19, care fixează mult hidroxid de calciu din soluţie şi multă apă, cristalizează în plăcuţe hexagonale şi conduce la o învâscoşare puternică a pastei (un aşa-zis început de priză). Trecerea la

142

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

forma finală are loc destul de lent, produsul stabil fiind hidroaluminatul tricalcic (3CaO⋅Al2O3⋅6H2O), prescurtat C3AH6, care cristalizează în sistemul cubic. La temperaturi mai ridicate, trecerea la forma stabilă este mult mai rapidă, uneori, putându-se obţine chiar de la început hidroaluminatul tricalcic (C3AH6). Celălalt mineral aluminos din cimentul praf, feritaluminatul tetracalcic (C4AF), în urma hidratării, conduce la apariţia unui amestec (denumit soluţie solidă), care conţine hidroaluminaţi şi hidroferiţi similari cu cei ce se obţin la hidratarea lui C3A; iniţial se formează soluţia nestabilă, alcătuită din plăcuţe hexagonale de C4AH19 şi C4FH19, care, treptat, trece în soluţia solidă stabilă C3AH6-C3FH6, care cristalizează în sistemul cubic. Trecerea la forma stabilă se face cu atât mai repede, cu cât temperatura este mai ridicată şi raportul apă/ciment mai mare. La temperaturile mari, în aceste soluţii solide poate fi inclusă şi silicea (SiO2), care înlocuieşte parţial apa, amestecurile formate numindu-se hidrogranaţi ( 3CaO⋅(1-x)Al2O3⋅xFe2O3⋅zSiO2⋅(6-z)H2O sau prescurtat C3A1-xFxSzH6-z). Hidratarea fazei aluminoase, în special a aluminatului tricalcic, este influenţată de prezenţa gipsului, introdus la măcinarea clincherului, pentru reglarea prizării. Se formează hidrosulfoaluminaţi, care pot fi de două forme: -cu conţinut ridicat de sulfat, 3CaO⋅Al2O3⋅3CaSO4⋅31H2O; -cu conţinut redus de sulfat, 3CaO⋅Al2O3⋅CaSO4⋅12H2O. Monosulfoaluminatul este asemănător ca structură cu hidroaluminatul hexagonal şi formează cu acesta soluţii solide. Deoarece gipsul se dizolvă imediat în apă, se formează, de regulă, hidrosulfoaluminat cu conţinut ridicat de sulfat, rămânând sub această formă timp îndelungat, dacă cimentul a avut un procent mai mare de gips, în comparaţie cu C3A. La cimenturile cu conţinut ridicat de C3A se formează iniţial hidrosulfoaluminat cu conţinut ridicat de sulfat, iar după consumarea completă a gipsului se trece la forma de monosulfoaluminat, care va intra în alcătuirea soluţiei solide. Temperatura influenţează comportarea hidrosulfoaluminaţilor. Astfel, la temperaturi mai mari de 700 C, hidrosulfoaluminatul cu conţinut ridicat de sulfat se descompune în gips şi monohidrosulfoaluminat. La rândul său, acesta, la temperaturi mai mari de 1000 C, se descompune în gips şi hidroaluminatul cubic- C3AH6. Toate aceste modificări de compoziţie şi structură, care au loc la temperaturi ridicate, vor contribui suplimentar la slăbirea rezistenţei pietrei de ciment şi la creşterea permeabilităţii acesteia. Deoarece hidrosulfoaluminaţii posedă slabe proprietăţi structurale, atât timp cât are loc formarea lor, pastele de ciment vor avea o viscozitate redusă. După consumarea gipsului existent în ciment, îşi fac apariţia hidroaluminaţii şi hidroferiţii sub forma nestabilă (hexagonală), care, fixând multă apă, marchează începutul de priză prin învâscoşarea pastei. Acest mod de comportare a viscozităţii pastelor de ciment pune în evidenţă rolul de întârzietor de priză, pe care îl are gipsul introdus la măcinarea clincherului. 4.4.3. Hidratarea cimentului praf şi formarea pietrei de ciment Datorită solubilităţii proprii a fiecărui mineral din compoziţia cimentului portland, hidratarea în condiţii reale (de pastă), este diferită de hidratarea separată a acestora şi apar o serie de particularităţi şi influenţe reciproce ale produşilor de

143

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) hidratare. Acestea se vor materializa, în timp, în modificarea proprietăţilor pastelor de ciment şi în formarea structurii de rezistenţă a pietrei. După amestecarea cimentului cu apa, particulele solide se dispersează sub forma unei suspensii. Vor trece în soluţie compuşii cei mai solubili, respectiv CaO provenit mai ales din C3S, aluminaţii de calciu şi gipsul. La suprafaţa particulelor apar primii compuşi de hidratare, de dimensiuni coloidale (0,1…100 nm), dar cu o structură cristalină (prisme alungite, ace, foiţe răsucite). Produşii de hidratare, în cea mai mare parte hidrosilicaţi de calciu, înconjoară particulele de ciment cu o peliculă gelatinoasă, fin poroasă, numită şi gel de ciment. Volumul acestor hidrocompuşi este de aproximativ două ori mai mare decât al compuşilor nehidrataţi şi creşte pe măsura hidratării lor. În masa acestui gel şi parţial în spaţiul intergranular se formează, încă din prima fază a hidratării, cristale mai mari, alungite, ale hidrosulfoaluminaţilor de calciu. După consumarea gipsului, monosulfoaluminatul de calciu formează soluţia solidă în forma nestabilă cu hidroaluminatul de calciu (C4AH19, marcând începutul prizei. În tot acest timp, ionii de Ca2+, OH-, SO4

2-, Mg2+, Na+, Cl- difuzează permanent prin stratul de gel, din faza apoasă către particula nehidratată şi invers. Când soluţia devine suprasaturată, se formează cristale de Ca(OH)2. Se vede din cele prezentate că faza aluminoasă din ciment (prin hidrosulfoaluminaţii, hidroaluminaţii şi hidroferiţii de calciu) are rol esenţial în perioada iniţială a hidratării cimentului, când pasta se menţine la o viscozitate acceptabilă. Pe măsură ce hidratarea avansează, între cristalele gelului apar contacte de concreştere, distanţa dintre particulele hidratate se micşorează şi, treptat, spaţiul dintre particule se umple cu gelul de ciment, iar contactele de concreştere se înmulţesc. Mobilitatea suspensiei apă-ciment scade brusc şi pasta începe să prizeze. În prima etapă de întărire a pastei, din gelurile tobermoritice se formează schelete structurale cristaline, alcătuite din hidrosilicaţi de calciu lamelari şi aciculari, orientaţi paralel şi sub formă de straturi. În timp, acestea se unesc sub formă de blocuri compacte, formând adevărate agregate care se repetă relativ ordonat în piatra de ciment, conferindu-i acesteia rezistenţă mecanică deosebită. În interiorul agregatelor cristaline de hidrosilicaţi se plasează restul hidrocompuşilor (hidroxidul de calciu, hidroaluminaţii, hidroferiţii etc.), care se orientează preferenţial, având ca rezultat formarea structurii compacte a pietrei de ciment. Aşa cum hidratarea separată a mineralelor este influenţată de temperatură şi hidratarea şi formarea pietrei de ciment este sub influenţa acesteia. La temperaturi moderate de întărire (20…500 C), după completa hidratare a cimentului, conţinutul aproximativ în produşi de hidratare al pietrei de ciment este: 40…60 % hidrosilicaţi, 20…25 % Ca(OH)2, 5…7 % hidroaluminaţi, 7…15 % hidroferiţi, 5…15 % hidrosulfoaluminaţi. La temperaturi ridicate de întărire (150…2000 C), mai apar hidrogranaţii şi soluţia solidă (C3AH6-C3FH6).

4.5. Factorii care influenţează viteza de hidratare şi întărire a cimentului portland Viteza cu care au loc procesele de hidratare a cimentului praf influenţează şi prizarea pastei, respectiv transformarea în piatră de ciment. Cunoaşterea factorilor care determină desfăşurarea proceselor de hidratare şi prizare permite controlul asupra acestora în diverse situaţii practice.

144

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

a. Compoziţia chimico-mineralogică are influenţă determinantă, deoarece mineralele au viteză de hidratare diferită, din acest punct de vedere situându-se în următoarea ordine: C3A > C3S > C4AF > C2S. Astfel, cimenturile cu un conţinut mai mare de C3A şi C3S prizează mai repede şi au o rezistenţă mecanică iniţială ridicată (cimenturile de tip S1). În schimb, cele care au un conţinut mai mare de C2S prizează mai lent, dar au o rezistenţă termică şi anticorozivă mai bună (cimentul tip S2).

Tabela 3. Variaţia în timp a gradului de hidratare a mineralelor din cimentul tip S1

Gradul de hidratare (%), după Faza

hidratabilă

2 or

e

6 or

e

1 zi

2 zi

le

3 zi

le

7 zi

le

14 z

ile

28 z

ile

3 lu

ni

6 lu

ni

C3S 0 22 42 58 66 78 85 89 96 98 C2S 4 6 13 24 24 42 47 47 87 92 C3A 22 43 64 70 77 83 88 99 99 100

C4AF - 10 10 45 46 1 75 78 90 90 Ciment 5 12 42 52 57 69 77 83 90 93

Viteza de hidratare a diferitelor minerale depinde şi de raportul cantitativ dintre ele. Unul şi acelaşi mineral va hidrata cu viteză mai mare în cimentul în care este conţinut în cantitate mai mică. Astfel, C3S este hidratat în proporţie de 66 % (după trei zile), în cimentul tip S1 (unde este în procent de 56…65 %) şi în proporţie de 80 %, în cimentul tip S2 (unde se află în procent de 35…40 %). De asemenea, C2S va hidrata mai repede în cimentul tip S1, în care se află în cantitate mai mică (după două zile este hidratat în proporţie de 24 % în cimentul tip S1 şi numai 14 % în cimentul tip S2). În tabelele 3 şi 4 sunt prezentate date asupra vitezelor cu care hidratează mineralele dintr-o pastă de portland-ciment, cât şi cimentul în totalitatea sa.

Tabela 4. Variaţia în timp a gradului de hidratare a mineralelor din cimentul tip S2-RS

Gradul de hidratare (%), după Faza

hidratabilă

2 or

e

6 or

e

1 zi

2 zi

le

3 zi

le

7 zi

le

14 z

ile

28 z

ile

3 lu

ni

6 lu

ni

C3S 3 26 60 96 80 84 88 90 98 98 C2S 4 8 12 14 19 24 37 55 65 71 C3A 10 30 70 70 - - 90 100 100 100

C4AF - - - 12 12 20 - 38 58 93 Ciment - 7 25 34 37 45 48 62 77 82

b. Temperatura, aşa cum s-a precizat şi în paragrafele anterioare, are un rol hotărâtor în procesele de hidratare şi formare a structurii pietrei de ciment. Prin creşterea temperaturii se intensifică agitaţia termică din sistemul apă-ciment, creşte viteza cu care difuzează produşii de hidratare în spaţiul intergranular şi apa către granulele de ciment nehidratate. Spre exemplu, un acelaşi tip de ciment, pentru a atinge

145

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) un grad de hidratare de 92 %, are nevoie de 9 zile la temperatură de 210 C şi de numai o zi, la temperatură de 1100 C.

De asemenea, temperatura influenţează natura şi morfologia compuşilor de hidratare formaţi, accelerează dezvoltarea compuşilor cristalini şi apariţia structurilor compacte, reducând timpul de prizare (o creştere a temperaturii de la 20 la 900 C atrage o reducere a timpului de prizare de la 7,4 ore la numai o oră), apar hidrogranaţii, cresc posibilităţile de legare a silicei în sistem, au loc sinteze hidrotermale. c. Presiunea, la fel ca şi temperatura, intensifică procesul de hidratare a cimentului portland şi reduce timpul de prizare. d. Fineţea de măcinare este legată prin suprafaţa specifică de viteza de hidratare. Particulele mai fin măcinate, a căror suprafaţă specifică însumată depăşeşte cu mult suprafaţa particulelor grosiere, se hidratează mult mai uşor. e. Factorul apă-ciment, în faza iniţială a hidratării, nu influenţează sensibil procesul de hidratare. În continuarea proceselor însă, viteza de hidratare se reduce cu atât mai intens, cu cât factorul apă-ciment este mai mic. Conţinutul de apă poate modifica şi natura chimico-morfologică a compuşilor de hidratare. Apa necesară hidratării, raportată la masa cimentului este de ordinul 0,20…0,25, dar, pentru ca pasta să fie pompabilă, factorul apă-ciment ajunge practic la 0,40…0,65. În piatra de ciment, apa se regăseşte sub formă liberă, adsorbită pe pereţii porilor şi legată chimic (apă de constituţie şi de cristalizare). f. Adaosurile sunt materiale care pot accelera sau încetini procesele de hidratare şi structurare, prin diverse mecanisme fizice sau chimice şi adăugarea lor este funcţie de condiţii concrete (se face în mod voit). Acţiunea lor este determinată de natură şi concentraţie, dar şi de compoziţia chimico-mineralogică a cimentului, de fineţea de măcinare, factorul apă-ciment etc. g. Agitarea intensă şi viguroasă a pastei de ciment în faza iniţială de preparare, accelerează procesul de hidratare. Se îndepărtează membrana protectoare de hidroproduşi din jurul particulelor, se distrug contactele de condensare-cristalizare nerezistente, apărute în prima fază de hidratare şi se îmbunătăţesc caracteristicile pietrei de ciment. h. Timpul de depozitare îndelungat atrage după sine o reducere a vitezei de hidratare a cimentului. Sub influenţa umidităţii are loc agregarea prafului de ciment în bulgări de diferite mărimi, iar dioxidul de carbon (CO2) conduce la formarea unei cruste cu solubilitate foarte mică, de CaCO3, la suprafaţa granulelor de ciment. Prin remăcinare, aceste neajunsuri pot fi remediate. 4.6. Fenomene secundare din timpul hidratării şi întăririi cimentului a. Căldura de hidratare. Aşa cum s-a mai precizat, hidratarea cimentului portland este un fenomen exoterm. Tabela 5 prezintă variaţia în timp a căldurii degajate la hidratarea componenţilor principali ai cimentului şi a unor cimenturi cu diverse compoziţii. Măsurând căldura de hidratare s-au pus în evidenţă patru faze ale cineticii de hidratare (fig. 1.). În primele minute are loc hidratarea intensă la suprafaţa particulelor de ciment. Urmează apoi, o perioadă îndelungată, formarea produşilor de hidratare, care, prin pelicula protectoare din jurul particulelor nehidratate, îngreuiază accesul apei către acestea. Procesul decurge relativ încet, dar durata acestei perioade scade cu fineţea de

146

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

măcinare, cu gradul de agitare, cu temperatura şi este influenţată şi de prezenţa electroliţilor.

Fig. 1. Cinetica hidratării particulelor de ciment

Într-o a treia fază, reacţiile de hidratare sunt accelerate şi are loc prizarea

efectivă a cimentului (când creşte semnificativ căldura de hidratare), iar în ultima fază, reacţiile sunt încetinite şi piatra de ciment se întăreşte treptat.

Tabela 5. Căldura degajată la hidratarea cimenturilor portland şi a mineralelor componente

Căldura, în kJ/kg, după diverse intervale de timp Mineralul

3 zile 7 zile 28 zile 3 luni 1 an 6 ani 13 ani

C3S 243 264 335 436 412 490 511

β-C2S 50 84 105 176 226 230 247

C3A 888 1 307 1 337 1 334 1 362 1 374 1 374

C4AF 289 494 494 494 502 507 511

Ciment cu 64 % C3S, 10 % C2S, 12 % C3A, 14% C4AF 318 381 427 448 478 503 -

54 % C3S, 21 % C2S, 12 % C3A, 13% C4AF 256 331 402 436 490 494 -

51 % C3S, 24 % C2S, 3 % C3A, 22% C4AF 172 209 277 310 339 356 -

Prin măsurători de temperatură, efectuate la sondă după întărirea pastei de ciment (primele 3…5 zile, care să corespundă cu cea de-a treia perioadă descrisă), se poate stabili înălţimea de ridicare a acesteia în spaţiul inelar.

147

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) În legătură cu căldura de hidratare, se mai pot face câteva precizări: -provoacă încălzirea fluidului de foraj din coloană, creşterea presiunii din interior şi deformarea radială a coloanei, în perioada de formare a pietrei de ciment; ulterior, la scurgerea presiunii din coloană, există riscul slăbirii aderenţei ciment-coloană; -dacă în compoziţia pastei de ciment au fost introduşi acceleratori de priză, aceştia vor mări viteza reacţiilor de hidratare, dar şi viteza de degajare a căldurii; -existenţa în pasta de ciment a întârzietorilor de priză sau adaosurilor inerte, reduce intensitatea degajării căldurii de hidratare; -la creşterea temperaturii mediului înconjurător are loc o creştere a vitezei de degajare a căldurii, dar şi o reducere a perioadei în care se înregistrează maximul acestei viteze; una şi aceaşi compoziţie de cimentare va avea viteze şi perioade de maximă cedare a căldurii, diferite, funcţie de adâncimea de plasare din spaţiul inelar (cu adâncimea creşte temperatura, iar măsurătorile de termometrie sunt mai puţin precise). b. Modificări de volum. În urma procesului de hidratare-hidroliză, în pasta de ciment apar produşi noi. Volumul produşilor de hidratare este mai mic decât suma volumelor celor două faze intrate în reacţie (mineralele din cimentul praf şi apa). Acest fenomen este cunoscut sub numele de contracţie chimică (interioară). Explicaţia care se dă ar fi aceea că apa de cristalizare, ca şi cea adsorbită pe suprafaţa noilor produşi, are densitatea mai mare decât a apei libere, la aceste modificări de densităţi (chiar şi ale produşilor iniţiali şi finali), contribuind fenomenele de recristalizare ale unor hidrocompuşi. La completa hidratare, cea mai pronunţată contracţie o prezintă hidroaluminatul de calciu (C3AH6), volumul final fiind cu 23,68 % mai mic decât suma volumelor intrate în reacţie şi hidroaluminoferitul de calciu (C4AFH19), cu 20,80 %. În exterior, contracţia se manifestă prin absorbţia fluidelor din jur, de aceea, fenomenul este numit şi contracţie de deshidratare. La completa hidratare a cimentului portland, contracţia poate ajunge la 5…7 cm3/100 g ciment (măsurată prin volumul de apă absorbit; la un factor apă-ciment de 0,50, aceasta înseamnă, în procent volumic, aproximativ 6…8 %). Fenomenul de contracţie interioară începe imediat după prepararea pastei, dar continuă şi după începerea prizării şi este influenţată de posibilităţile de cedare sau absorbţie a apei din mediul înconjurător. În condiţii reale de sondă, continuarea contracţiei interioare în perioada prizării, duce la slăbirea aderenţei ciment-coloană şi ciment-teren. De asemenea, contracţia poate fi cauza măririi porozităţii pietrei (se pot forma chiar şi fisuri), pătrunderii fluidelor din porii rocilor în masa pietrei în zone de vacuum şi chiar formării unor microcanale de migrare a gazelor. Pentru a diminua acest fenomen de contracţie se apelează în practică la clorura de calciu sau de sodiu, făină de silice şi chiar apă în exces. În faza iniţială a hidratării, contracţia interioară provoacă şi o reducere a volumului aparent al pietrei (care include şi porii), mai ales atunci când hidratarea se bazează doar pe apa introdusă la prepararea pastei. După formarea unei structuri rezistente, contracţia interioară nu mai are o influenţă directă; totuşi, dacă se pierde apă prin filtrare în rocile permeabile sau prin evaporare în atmosferă, este posibilă o reducere a volumului exterior, iar dacă absoarbe apă din mediul înconjurător, volumul aparent poate creşte uşor (piatra se dilată).

148

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

În sondă, în majoritatea cazurilor, piatra de ciment se întăreşte într-un mediu umed şi apos, la rezistenţa finală a pietrei ajungându-se în câţiva ani. Pentru cimentul normal de sondă, întărit în condiţii de saturare cu apă a mediului înconjurător, dilatarea înregistrată după 3 ani (în comparaţie cu volumul pietrei de ciment după o zi) este de 0,6…1,5 %, ceea ce va îmbunătăţi aderenţa inelului de ciment la teren şi coloană. Contracţia sau dilatarea exterioară se apreciează măsurând variaţiile liniare ale unor epruvete prismatice şi se exprimă în procente, faţă de lungimea iniţială. Efectul dilatant al pietrei de ciment se diminuează cu factorul apă-ciment şi depinde în mare măsură de compoziţia chimico-mineralogică a cimentului folosit. Clorura de sodiu, gipsul, oxidul de calciu şi de magneziu, zgura, materialele silicioase, introduse la prepararea pastelor de ciment, conferă pietrei de ciment proprietăţi dilatante.

c. Modificarea presiunii hidrostatice a coloanei de ciment. Pasta de ciment, plasată pe o anumită înălţime de cimentare ( ), exercită o presiune hidrostatică corespunzătoare densităţii sale (

cH

cpch gHp ρ= ), numai în perioada în care se află în mişcare. La rămânerea în repaus, după terminarea cimentării, presiunea hidrostatică exercitată de coloana de ciment din spaţiul inelar asupra fluidelor din formaţiunile permeabile traversate se reduce sensibil şi cu viteză destul de mare. După aproximativ două ore, o pastă de ciment cu factorul apă-ciment de 0,5, atinge o valoare egală cu cea corespunzătoare unei coloane de apă. Explicaţia care se dă acestui fenomen este aceea că, la rămânerea în repaus, în pasta de ciment încep să-şi facă apariţia primii produşi de hidratare, se dezvoltă contactele de concreştere în gelul de ciment şi sistemul dobândeşte rezistenţă mecanică, aderând totodată la teren şi coloană. Structura spaţială care se formează are o permeabilitate mare în faza iniţială şi, din acest moment, asupra fluidelor din formaţiunile traversate se exercită doar presiunea hidrostatică a lichidului care umple spaţiul poros al structurii pastei/pietrei de ciment. Ca urmare, presiunea hidrostatică scade către valoarea presiunii dată de apă, iar uneori, ca urmare a apariţiei efectului de vacuum, scade chiar sub această valoare. Pentru a se evita pătrunderea fluidelor din strat (mai ales a gazelor) în spaţiul inelar, respectiv în masa pastei de ciment, în perioada când rămâne în repaus şi au loc aceste modificări ale presiunii, se intervine asupra compoziţiei pastei de ciment (în scopul reducerii permeabilităţii şi creşterii vitezei de prizare) sau asupra tehnologiei de cimentare (cimentare etajată, cimentare întârziată etc.).

149

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

5. Proprietăţile pastei de ciment 5.1. Densitatea Din simplul amestec apă-ciment rezultă paste de ciment stabile cu densitatea între 1 750…1 950 kg/m3, corespunzătoare unui factor apă-ciment, m = A/C, cuprins între 0,58…0,40 (se consideră densitatea cimentului praf 3 100…3 150 kg/m3). La densităţi mai scăzute, pastele sunt instabile, iar la densităţi mai mari devin prea vâscoase (greu pompabile). Acest domeniu poate fi lărgit, dacă se folosesc diverse adaosuri, în mod practic, densitatea pastelor liante fiind între 1 100…2 500 kg/m3. Valoarea densităţii pastelor se alege în raport cu presiunea fluidelor din porii formaţiunilor, presiunea de fisurare şi stabilitatea pereţilor în zona cimentată. Pentru a realiza o bună dezlocuire a noroiului se recomandă ca pasta să aibă densitatea cu 100 până la 300 kg/m3 mai mare decât a noroiului. Pentru a măsura densitatea pastelor de ciment se folosesc aceleaşi aparate cu care se măsoară densitatea fluidelor: balanţe cu pârghie, cilindri gradaţi, picnometre. La sondă, se poate măsura continuu, cu gamadensimetre montate pe conducta de pompare, acceptând fluctuaţii de ± 30 kg/m3. 5.2. Stabilitatea Amestecurile liante sunt sisteme disperse, eterogene, cu diferenţe de densitate între fazele componente şi deci tendinţă de separare a acestora: particulele solide coboară iar apa se ridică în sus. Această instabilitate este accentuată la amestecurile cu un factor apă-ciment mare, când cimentul este măcinat grosier sau când sunt prezente particule solide inerte (nisip, barită). Separarea fazelor depinde de asemenea de hidrofilitatea particulelor solide, de prezenţa în amestec a unor adaosuri care îmbunătăţesc stabilitatea (substanţe coloidale cum sunt bentonita şi diverşi polimeri ) sau o pot înrăutăţi (numeroşi fluidizanţi). Stabilitatea pastelor de ciment se apreciează, în laborator, prin cantitatea de apă separată la suprafaţa unei probe, lăsată în repaus timp de două ore, într-un cilindru de 250 cm3. Se consideră stabile pastele care separă mai puţin de 1…2 % apă (volum/volum). Dacă pasta este instabilă, în spaţiul inelar al sondei, de la talpă spre suprafaţă, se modifică proprietăţile de densitate, rezistenţa mecanică a pietrei se reduce, timpul de priză şi permeabilitatea se măresc. Zonele superioare unde se formează canale de apă sunt posibile căi de pătrundere şi migrare a gazelor, iar în sondele înclinate, pe lângă peretele superior al sondei se poate forma chiar un canal continuu de apă, separată din pasta de ciment.

150

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

5.3. Capacitatea de filtrare Pierderea unei cantităţi de apă liberă din pasta de ciment, printr-un perete permeabil, ca urmare a diferenţei de presiune, se numeşte filtrare. Viteza de filtrare creşte cu permeabilitatea mediului filtrant, cu diferenţa de presiune, cu factorul apă-solide şi, în prima fază de hidratare, şi cu temperatura. Pe măsură ce hidratarea cimentului avansează şi apar hidroproduşii de reacţie, viteza de filtrare se reduce. Apa pierdută prin filtrare micşorează permeabilitatea stratelor faţă de ţiţei prin adsorbţia ei pe pereţii porilor şi în mai mică măsură, suprasaturată fiind în hidroxid de calciu, prin hidratarea şi umflarea argilelor existente în pori [1, 2, 4, 5, 10]. În acelaşi timp, presiunea din porii coloanei de ciment descreşte, datorită filtratului pierdut în formaţiile permeabile şi apei, intrată în reacţiile de hidratare chimică. În condiţii normale, reducerea presiunii iniţiale din pori, cauzată de pierderea filtratului în formaţie, este mai mare decât reducerea presiunii datorită procesului chimic de hidratare [13]. Pe măsură ce hidratarea chimică şi pierderea de filtrat în formaţie progresează, pasta de ciment devine, în cele din urmă, imobilă (suportul solid) şi este incapabilă să compenseze reducerea de volum cauzată prin pierderea apei. Rezultatul este că spaţiul intern al porilor din structura pietrei de ciment poate deveni, parţial, canal de scurgere a fluidului intern (apa şi dizolvanţii chimici). Când presiunea din porii cimentului scade sub presiunea formaţiei, gazele pot migra în spaţiile incomplete ale structurii de ciment, depresurizând porii şi, prin urmare, are loc o mai mare pierdere de filtrat din pasta de ciment, în zonele cu presiune scăzută. Dacă pasta de ciment este încă suficient de fluidă să permită formarea unui număr mare de bule de gaz, o parte din pastă şi noroi poate fi scoasă din spaţiul inelar. Ulterior, la interfaţa dintre ciment-turtă de colmatare-formaţie sau coloană de burlane-ciment, se formează posibile căi de migrare a gazelor şi izolarea/etanşarea este compromisă. Pentru a preîntâmpina aceste fenomene nedorite, trebuie făcută o pregătire bună a sondei înaintea operaţiei de cimentare, iar transformarea gelului de ciment în piatră să aibă loc cât mai repede, astfel încât porii să rămână închişi. În laborator, capacitatea de filtrare este evaluată la o diferenţă de presiune standard, 7 bar, în condiţii de temperatură ambiantă, cumulativul de filtrat, conform API fiind de ordinul a 600-1 000 cm3 (obţinut prin extrapolare). Dacă turta de colmatare de pe pereţii sondei a fost curăţată, pentru a evita deshidratarea pastei şi a asigura reuşita cimentării, volumul de filtrat al pastei de ciment trebuie redus la 50...100 cm3 şi, uneori, chiar la 20...25 cm3 [5], sau mai puţin. Chiar dacă în zonele cu presiuni scăzute se lucrează cu un diferenţial de presiune între sondă şi formaţiune cât mai mic (poate chiar la echilibru), odată cu creşterea adâncimii sondei, capacitatea şi viteza de filtrare a pastei de ciment se modifică în raport cu permeabilitatea mediului filtrant, cu diferenţialul de presiune amintit, cu factorul apă-solide. În prezenţa turtei de colmatare a noroiului, viteza de filtrare a pastei este relativ redusă, fiind limitată de permeabilitatea şi grosimea acesteia.

151

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) În zonele decolmatate, mobilitatea mare a apei din pasta de ciment face ca procesul de filtrare să fie intens, diminuat cel mult de colmatajul cu solide, intern, ce se poate găsi pe primii milimetri, uneori centimetri, de la peretele sondei, în formaţie. Prin pierderea unei părţi din apa de constituţie (prin filtrare), pasta de ciment se învâscoşează, ceea ce poate duce la complicaţii nedorite legate de pompabilitatea acesteia. Procesul de filtrare a pastei de ciment, mai intens atât ca viteză cât şi cantitativ faţă de noroi, când determină o invazie în zona productivă, va conduce la fenomene de blocare, cu toate consecinţele negative pentru punerea în producţie a sondei şi pentru exploatarea acesteia. Din acest punct de vedere este necesară o corelare atentă a reţetei de preparare a pastei cu condiţiile concrete ale sondei şi stratului productiv. 5.4. Proprietăţile reologice Amestecurile apă-ciment şi cele cu adaosuri de barită, nisip, cenuşă se comportă, din punct de vedere reologic, cel puţin în faza iniţială a preparării, după modelul Bingham. Pastele tratate cu reactivi chimici sau polimeri se înscriu în modelul Ostwald - de Waele. Valorile parametrilor reologici depind de compoziţia chimico-mineralogică, fineţea de măcinare şi chiar timpul de depozitare a cimentului, de temperatură şi presiune, natura şi concentraţia reactivilor şi altor adaosuri, durata şi gradul de agitare, modul de preparare etc. Caracteristica pastelor liante o constituie modificarea proprietăţilor reologice în timp, ca rezultat al reacţiilor fizico-chimice ce se petrec în sistem. În faza iniţială se formează structuri cu proprietăţi reversibile, a căror rezistenţă depinde de factorul apă- ciment, suprafaţa specifică a particulelor solide, durata şi gradul de agitare. Pe măsură ce reacţiile de hidratare-hidroliză avansează, apar compuşi de tipul hidrosilicaţi, hidroaluminaţi şi feroaluminaţi de calciu, ale căror caracteristici se apropie de cele ale unui solid şi distrugerea acestei structuri spaţiale cristaline este ireversibilă. În concluzie, în prima perioadă de timp (până la începutul prizării), valorile parametrilor reologici cresc uşor, după care creşterea este rapidă şi amestecul devine nepompabil. Parametrii reologici determinaţi cu un reometru adecvat (cât timp pasta rămâne fluidă) au caracter de constante şi sunt mărimi ce se pot utiliza în calculul căderilor de presiune şi în studierea mişcării amestecului liant respectiv. În mod obişnuit, pentru a estima viscozitatea iniţială (nu şi comportarea reologică ulterioară) a pastei se utilizează diametrul cercului de răspândire a 120cm3 pastă, dintr-un troncon standard (conul AzNII), pe o sticlă plană, orizontală. O împrăştiere de 170...200 mm, imediat după prepararea pastei, se consideră satisfăcătoare. 5.5. Timpul de pompabilitate Timpul de pompabilitate (de îngroşare), necesar pentru a stabili durata operaţiei de cimentare, se determină cu ajutorul unui consistometru. În celula lui se simulează condiţiile de distrugere a structurii din timpul pompării şi cele de temperatură şi

152

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

presiune existente de-a lungul sondei. Dintre cele mai folosite consistometre sunt cele tip Pan American şi Halliburton, care sunt capabile să lucreze până la 4000 C şi presiuni de 3 500 bar.

Durata de timp scursă de la aplicarea unui regim de presiune şi temperatură (maxim 5 minute de la preparare), în celula de testare a consistometrului, până când pasta atinge 100 UEC (unităţi echivalente de consistenţă) se numeşte timp de îngroşare (învâscoşare), după normele API. Totuşi, se consideră că pastele nu mai sunt pompabile peste 30…40 UEC, ceea ce defineşte o valoare limită sau un timp de pompabilitate. Dacă din timpul de pompabilitate se scade un timp de siguranţă, de aproximativ o oră, se poate stabili durata efectivă a operaţiei de cimentare. Timpul de pompabilitate este determinat de viteza de hidratare a mineralelor din ciment, scade cu fineţea de măcinare şi creşte cu mărirea factorului apă-ciment. Variaţiile de presiune sau întreruperea agitării, mai ales spre sfârşitul perioadei de testare, pot reduce timpul de pompabilitate (pasta capătă rezistenţe de gel exagerat de mari, fără ca prizarea să se modifice în mod esenţial). Reglarea timpului de pompabilitate se face cu ajutorul acceleratorilor sau întârzietorilor de priză. 5.6. Timpii de prizare (începutul şi sfârşitul de priză) Determinarea timpilor de prizare se face în condiţii statice şi la o temperatură de 600 C ± 20 C. Prima perioadă, în care pasta se comportă ca un fluid tixotrop (gelifică în repaus, dar redevine fluid la agitare), valoarea tăriei de gel nu se modifică simţitor. În a doua perioadă, când pasta îşi pierde fluiditatea şi începe să se comporte ca un corp solid, rezistenţa de gel creşte foarte mult. Prima perioadă, până la apariţia primelor structuri de cristalizare, care nu se mai pot distruge, se defineşte în mod convenţional timp de început de priză, iar a doua perioadă, când întreaga probă se transformă în piatră de ciment, se numeşte timp de sfârşit de priză. Determinarea acestora se face în laborator cu acul Vicat, un ac culisant, cu diametrul de 1,1 mm, lungime de 50 mm, pe care se află o masă de 300 g. Începutul prizei se consideră momentul când acul nu mai pătrunde complet într-o probă cu grosimea de 40 mm, aflată într-o formă tronconică, oprindu-se la 1..2 mm de baza probei. Sfârşitul prizei constituie momentul când acul Vicat nu mai pătrunde decât maxim un mm. Modul acesta de determinare este specific cimenturilor de construcţie, dar se foloseşte şi în stabilirea duratei operaţiilor de cimentare, la coloanele cu adâncimea de cimentare până în 2000 m.

Pastele de ciment cu un factor apă-ciment de 0,50, sunt considerate de bună calitate, atunci când timpul de început de priză este Tîp = 95…140 min, iar cel de sfârşit de priză, Tsp = Tîp + max. 45 min. Se alege durata operaţiei de cimentare, Tc = 0,75 Tîp. Timpii de prizare sunt influenţaţi de aceeaşi factori şi în acelaşi sens ca şi timpul de pompabilitate, dar, datorită condiţiilor total diferite de stabilire a lor, ei nu se pot corela.

153

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

6. Proprietăţile pietrei de ciment 6.1. Rezistenţa mecanică După plasarea pastei de ciment în spaţiul inelar, are loc transformarea acesteia în piatră de ciment, prizarea având loc în condiţiile unei compresiuni triaxiale, la temperatura şi presiunea din sondă. După 12…24 ore, rezistenţa pietrei ajunge la valori satisfăcătoare pentru majoritatea solicitărilor la care va fi supusă. Dacă se leagă valoarea rezistenţei pietrei de forţa necesară menţinerii în suspensie a coloanei (de consolidarea în teren), este suficient ca piatra să aibă o rezistenţă la tracţiune de 0,1…0,2 N/mm2, ceea ce înseamnă o rezistenţă la compresiune de 1…2 N/mm2. Etanşarea spaţiului inelar nu este determinată de rezistenţa pietrei, cu condiţia ca aceasta să fie cel puţin 0,5…1 N/mm2. Dacă inelul de ciment format în jurul coloanei de burlane este uniform, continuu şi rezistent, el măreşte simţitor presiunea de turtire a burlanelor subţiri şi cu limita de curgere scăzută. În schimb, neuniformitatea circulară a inelului, discontinuităţile longitudinale sau radiale fac inutilă prezenţa unei pietre de ciment cu rezistenţă mecanică ridicată. Valori mai mari ale rezistenţei pietrei de ciment sunt necesare în momentul frezării dopului de ciment din coloană (10…15 N/mm2) sau la perforarea coloanei, când se recomandă o rezistenţă la compresiune de 3…4 N/mm2. Pentru obţinerea acestor valori se pot folosi acceleratori de priză (clorura de calciu, de sodiu etc.), care sunt şi acceleratori de întărire, după 24 ore, piatra ajungând la rezistenţa necesară. Deoarece solicitările din sondă nu reclamă valori prea mari ale rezistenţei mecanice, s-au folosit de multe ori, cu rezultate bune, cimenturi cu adaosuri ieftine şi uşoare (care au o rezistenţă mecanică foarte scăzută), dar nu în zona şiului sau a perforaturilor. Rezistenţa mecanică a pietrei de ciment depinde în mare măsură de compoziţia chimico-mineralogică a cimentului, de natura şi concentraţia adaosurilor şi a reactivilor chimici, de fineţea de măcinare a cimentului, de presiune, factorul apă-ciment. Influenţa cea mai complexă o are însă temperatura. Aşa cum s-a mai arătat (în paragrafele 4.4. şi 4.5.), temperatura accelerează procesele de hidratare-hidroliză şi de structurare şi rezistenţa creşte, dar, în acelaşi timp, apar hidrocompuşi instabili termodinamic, care, prin modificările pe care le suportă (dizolvări, recristalizări, structură chimică), duc la o scădere în timp a rezistenţei pietrei de ciment. Cu cât hidratarea este mai intensă (factor apă-ciment mai mare şi temperaturi mai ridicate), cu atât mai repede începe să scadă durabilitatea pietrei de ciment. Acest fenomen de scădere, în timp, a rezistenţei cu temperatura este cunoscut sub numele de retrogresie. La temperaturi moderate, de 60…700 C, retrogresia poate să apară după 3…6 luni, mai repede la cimenturile bogate în silicat tricalcic, iar la temperaturi de peste 1000 C, poate începe chiar după câteva zile. Acceleratorii de priză măresc rezistenţa iniţială a pietrei, dar cea finală se poate reduce (modul de evitare a fenomenului de retrogresie este prezentat în paragraful 8.5). Din punctul de vedere al rezistenţei pietrei de ciment, pentru reuşita operaţiei de

154

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

cimentare, este necesar ca rezistenţa mecanică să crească în timp, sau, în cel mai rău caz, să rămână constantă pe toată perioada de exploatare a sondei. 6.2. Permeabilitatea Principalul obiectiv urmărit prin cimentare este etanşarea spaţiului inelar cimentat; acest lucru este posibil, numai dacă permeabilitatea pietrei de ciment este foarte mică, eventual nulă. Permeabilitatea este influenţată, în general, de aceeaşi factori care modifică în sens negativ rezistenţa mecanică a pietrei de ciment. Astfel, permeabilitatea pietrei creşte cu factorul apă-ciment, dar se reduce în timp, cel puţin în prima perioadă şi la temperaturi moderate. Până la 70…800 C, permeabilitatea scade, dar, la temperaturi mai mari (mai ales peste 1200 C), valorile ei cresc smnificativ. Dacă în piatra de ciment s-au format şi fisuri, permeabilitatea creşte cu câteva ordine de mărime. Măsurarea permeabilităţii pietrei de ciment este o operaţie dificilă, deoarece mărimea porilor se modifică în timp, apa din pori este legată, în mare parte electrostatic, iar gradul în care este antrenată depinde de gradientul presiunii de măsurare. De obicei, se determină permeabilitatea la aer şi este unanim acceptată, după 24 de ore de întărire, o permeabilitate de 1 milidarcy, pentru ca piatra de ciment să-şi îndeplinească funcţia de etanşare; în mod firesc, datorită avansării procesului de întărire a pietrei de ciment, această valoare trebuie să scadă în timp. 6.3. Constanţa volumului pietrei de ciment După cum s-a prezentat în paragraful 4.6.b, volumul aparent al pietrei de ciment nu rămâne constant. Dacă se produce o micşorare de volum există riscul slăbirii aderenţei pietrei de ciment la teren şi coloană sau apariţiei de fisuri în masa pietrei, izolarea spaţiului inelar fiind compromisă. Dacă se produce o mărire de volum, care însă, nu are loc cu apariţia de fisuri în masa pietrei de ciment, etanşarea se poate îmbunătăţi. Din punctul de vedere al volumului pietrei de ciment, se poate concluziona că, menţinerea constantă sau o uşoară mărire de volum (fără apariţia de fisuri) este o cerinţă tehnică necesară pentru piatra de ciment şi reuşita cimentării. 6. 4. Rezistenţa la coroziune Pasta şi piatra de ciment sunt în contact cu diferiţi agenţi agresivi încă din faza când mineralele au o activitate chimică intensă şi în decursul întregii perioade de lucru în sondă. Apele subterane mineralizate, gazele acide, rocile saline şi uneori chiar apa de preparare sunt agenţi care pot acţiona asupra pietrei de ciment, provocând pierderea etanşeităţii spaţiului cimentat. Dacă la început, cei mai mulţi dintre agenţii agresivi accelerează întărirea, măresc rezistenţa mecanică şi chiar micşorează permeabilitatea, în timp, au loc procese complexe de dizolvare şi spălare a constituenţilor lianţi; permeabilitatea pietrei creşte, iar rezistenţa mecanică scade treptat, ajungându-se chiar la distrugerea completă a pietrei de ciment. Viteza cu care se produce coroziunea pietrei de ciment depinde de tipul cimentului (cele mai sensibile fiind cele cu bazicitate mare şi conţinut ridicat de

155

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) aluminaţi), gradul de întărire din momentul contactului cu agenţii agresivi, natura, concentraţia şi simultaneitatea în acţiune a acestora, temperatură, presiune, pH, peremeabilitatea şi grosimea inelului de ciment, starea de solicitare mecanică etc. Coroziunea pietrei de ciment se poate produce prin trei mecanisme. a. Coroziunea prin dizolvarea produşilor de hidratare, în mod special a hidroxidului de calciu şi antrenarea produselor de dizolvare; hidrocompuşii cedează oxidul de calciu sub formă de hidroxid de calciu, producându-se o decalcifiere a pietrei de ciment. Fenomenul se produce chiar în apă dulce, dar în prezenţa unor ioni, alţii decât Ca2+ şi OH-, solubilitatea hidroxidului de calciu creşte şi coroziunea se intensifică (solubilizarea este fenomenul fizic fundamental în coroziunea pietrei de ciment). b. Prin reacţii chimice între componenţii mediului agresiv (ape cu H2S, CO2, HCl, ape magneziene) şi cei din masa pietrei de ciment, se formează produşi solubili (care sunt îndepărtaţi) sau insolubili, dar fără proprietăţi liante. c. În spaţiul poros al pietrei de ciment pătrund din mediul agresiv cantităţi mari de diferiţi ioni (în mod special SO4

2-); aceştia, împreună cu ionii de Ca2+, în urma unor reacţii chimice, formează produşi cu un volum mult mai mare decât al componenţilor iniţiali (se formează gipsul, CaSO4⋅2H2O, care are volumul dublu decât reactanţii iniţiali). Apar astfel tensiuni interne în piatra de ciment, care duc apoi la fisurarea şi distrugerea ei. În prezenţa apelor sulfatice, a hidrogenului sulfurat gazos, a soluţiilor concentrate de clorură de calciu se poate produce această distrugere mecanică a pietrei de ciment (coroziune de expansiune). În realitate, adeseori, aceste trei tipuri de coroziune pot fi simultane. Mecanismele coroziunii şi intensitatea lor sunt determinate de tipul agentului agresiv, de starea de existenţă a acestuia (gaz liber sau dizolvat, lichid) şi după natura agenţilor agresivi se disting: -coroziunea de dizolvare, produsă de apa dulce sau mineralizată (cu NaCl, KCl, Na2SO4); cimenturile cu bazicitate redusă şi cele cu permeabilitate mică sunt mai rezistente la acest gen de coroziune; -coroziunea acidă, datorată gazelor acide (H2S, CO2), acizilor (HCl, H2SO4, acizii humici) şi chiar sărurilor acizilor tari (CaCl2); acestea dizolvă hidroxidul de calciu şi produşii de hidratare, măresc solubilitatea oxidului de calciu; -coroziunea magneziană, este provocată de sărurile de magneziu (MgCl2, MgSO4) din apa de mare, folosită la preparare, dolomit, carnalit; acestea interacţionează cu hidroxidul de calciu liber sau cedat de hidrosilicaţii de calciu, formând hidroxidul de magneziu, insolubil şi fără proprietăţi liante; -coroziunea sulfatică, este produsă de sulfaţii de calciu sau magneziu, care, în urma reacţiilor cu hidroxidul de calciu, hidrosulfoaluminaţii şi hidrogranaţii provoacă, în afară de coroziunea prin dizolvare, coroziunea prin expansiune; la temperaturi mari şi în medii puternic mineralizate (cu cloruri) acest tip de coroziune nu se manifestă, iar cimenturile cu conţinut redus de aluminaţi şi cele cu bazicitate mică sunt mai rezistente la această coroziune sulfatică; -coroziunea alcalină, datorată soluţiilor de alcali (NaOH, KOH, Na2CO3), care solubilizează alumina şi silicea mai uşor decât hidroxidul de calciu, formând aluminaţi şi silicaţi uşor de antrenat; pot apare şi geluri silicioase care se umflă şi creează o coroziune de expansiune; cimenturile cu bazicitate mare, fără adaosuri silicioase şi cele carbonatice sunt mai stabile la coroziunea alcalină; -coroziunea în medii saline concentrate: clorura de sodiu, de potasiu, de magneziu, dizolvate în apa din porii pietrei de ciment, ajung la saturaţie, ca urmare a

156

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

consumării apei în procesele de hidratare-hidroliză; ele recristalizează cu mărire de volum şi provoacă coroziunea de expansiune. 6.5. Aderenţa la teren (rocă) şi coloana de burlane În timpul prizării şi întăririi pastei de ciment se formează legături intercristaline între ciment-rocă şi ciment-metal. Dacă această aderenţă nu este etanşă, prin inerspaţiile respective pot circula fluide sau gaze. Această aderenţă se poate evalua prin două metode: -mecanic, prin mărimea tensiunii de forfecare necesare lunecării pietrei de ciment faţă de metal sau rocă; -hidraulic, prin valoarea presiunii la care piatra de ciment îşi pierde etanşeitatea faţă de burlane sau roci. Aderenţa mecanică se corelează cu rezistenţa pietrei de ciment, este influenţată de aceeaşi factori, dar depinde şi de starea de rugozitate a suprafeţelor în contact, prezenţa mufelor, mărimea sarcinilor normale pe suprafeţe. Pelicula de noroi şi turta de colmatare micşorează aderenţa pietrei de ciment, mai ales la fluidele pe bază de produse petroliere. Se poate evita acest lucru, acoperind burlanele cu răşină şi nisip. Aderenţa hidraulică, măsurată cu apă sau azot, nu se corelează cu rezistenţa pietrei, dar depinde în mare măsură de natura suprafeţelor. Ea scade când suprafeţele sunt umectate cu produse petroliere, dar se îmbunătăţeşte dacă burlanele sunt acoperite cu răşină şi nisip. De asemenea, dacă în interiorul coloanei de burlane sunt variaţii mari de presiune, aderenţa hidraulică scade, dar se poate îmbunătăţi prin vibrarea coloanei în timpul dezlocuirii noroiului din sondă de către pasta de ciment.

157

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

7. Aditivi şi materiale de adaos

Prepararea pastelor de ciment într-o gamă de densităţi destul de largă (1 100… 2 500 kg/m3), nu poate fi făcută, în mod practic, numai prin modificarea factorului apă-ciment. De asemenea, pentru a corespunde condiţiilor geologo-tehnice, de presiune şi temperatură, este necesar să se apeleze la unele materiale suplimentare. Aditivii sunt substanţe care se introduc la prepararea pastei de ciment în cantităţi mici (câteva procente), pentru a regla unele proprietăţi ale acesteia sau ale pietrei de ciment. Aceste substanţe se adaugă, de obicei, în apa de preparare a pastei şi se exprimă în concentraţii masice, faţă de cantitatea de ciment praf (există o excepţie, la conţinutul de sare, care se exprimă în procente masice faţă de soluţia de preparare). Adaosurile sunt materiale care se folosesc în cantităţi mai mari, din diferite motive (economice, de reglare a densităţii sau proprietăţilor pietrei de ciment) şi care se amestecă cu praful de ciment înainte de prepararea pastei. Ele se exprimă în raport cu masa cimentului praf, sau, dacă sunt mai multe adaosuri, în raport cu masa amestecului total. Se pot folosi adaosuri inerte în raport cu cimentul (bentonită, nisip, calcar măcinat, materiale de scădere sau creştere a densităţii pastei, materiale de blocare), sau, adaosuri hidraulice (tufuri vulcanice, diatomită, cenuşă de termocentrală, deşeuri silicioase), care reacţionează cu hidroxidul de calciu în timpul întăririi pastei şi adaosuri cu întărire proprie (zgura de furnal, ipsosul, răşinile). În funcţie de concentraţia folosită şi de prezenţa altor substanţe sau de temperatură, acelaşi aditiv sau adaos poate avea acţiuni contrare. 7.1. Acceleratori de priză În practica cimentării coloanelor, se impune accelerarea prizării pastelor de ciment, în următoarele situaţii: -la cimentarea coloanelor de ancoraj şi a celorlalte coloane introduse la adâncimi mici, cu temperaturi la talpă scăzute; în general, pentru acestea se folosesc volume însemnate de pastă de ciment, şi, la rămânerea în repaus timp prea îndelungat, se poate produce sedimentarea, separarea de apă, gazeificarea sau alte fenomene nedorite; -la formarea dopurilor de ciment şi la combaterea pierderilor de circulaţie, în zonele fisurate sau de mare permeabilitate, situate la adâncimi relativ reduse; -la cimentarea sub presiune (cimentarea de reparaţie), pe intervale situate, de asemenea, la adâncimi scăzute şi cu temperaturi mici; -la folosirea pastelor cu densitate redusă (cu conţinut ridicat de adaos inert şi factor apă-ciment mare). În toate aceste cazuri, prin folosirea acceleratorilor de priză, se realizează o mărire a rezistenţei mecanice a pietrei de ciment în perioada iniţială de formare, permiţând începerea lucrărilor în sondă în maxim 24 ore după terminarea cimentării.

158

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Viteza de prizare a pastelor de ciment este în strânsă legătură cu procesele de hidratare-hidroliză a mineralelor din ciment şi viteza cu care se formează structurile rezistente în masa pastelor. Cimenturile mai bogate în minerale cu viteză mare de hidratare (C3A şi C3S) vor avea timpi de prizare mai mici, iar la conţinuturi identice de minerale aluminoase, vor priza mai rapid cimenturile cu un conţinut mai mare de C3S. Pentru acelaşi tip de ciment, mărirea fineţei de măcinare va accelera prizarea, deoarece creşte suprafaţa specifică de reacţie cu apa (practic însă, mărirea fineţei de măcinare reclamă mărirea factorului apă-ciment, pentru ca pasta să fie pompabilă, iar acest lucru anulează efectul accelerator şi afectează stabilitatea pastei şi rezistenţa mecanică). Se folosesc ca acceleratori de priză o serie de aditivi anorganici, solubili în apă, care modifică viteza de dizolvare a mineralelor din ciment şi viteza de coagulare şi cristalizare a compuşilor hidrataţi. De asemenea, ei pot interacţiona chimic cu hidrocompuşii, formând produşi noi, care influenţează viteza de structurare a pastei şi pietrei de ciment. Majoritatea acceleratorilor reduc rezistenţa finală a pietrei de ciment (după perioade mari de timp) şi au un efect coroziv. a. Clorura de calciu (CaCl2), reprezintă aditivul accelerator cel mai des folosit, doza optimă fiind 2…4 % (la temperaturi mai joase se folosesc concentraţii mai mari). La doze mai mici decât doza optimă, clorura de calciu poate acţiona ca un întârzietor de priză (asemănător gipsului), fixând aluminatul tricalcic într-un hidrocloroaluminat de calciu (3CaO⋅Al2O3⋅CaCl2⋅10H2O), insolubil. La temperaturi moderate are şi rol de accelerator de întărire, dar, peste 600 C şi la concentraţii mai mari decât doza optimă influenţează negativ rezistenţa finală a pietrei şi intensifică procesele de coroziune. b. Clorura de sodiu (NaCl), are o eficienţă mai redusă decât clorura de calciu, dar este mai ieftină ca aceasta. Acţionează ca accelerator numai la concentraţii mici (3…8 %, dizolvată în apa de preparare a pastei), iar la concentraţii mai mari (9…18 %) nu influenţează prizarea. Folosită în doze mai mari de 18 %, clorura de sodiu are efect de întârzietor de priză. La temperaturi negative, în zona îngheţurilor permanente din Siberia, folosirea unei soluţii concentrate de cloruri (12…17 g CaCl2/100 g apă şi 4…5 g NaCl/100 g apă) a făcut posibilă prizarea pastelor folosite la cimentarea unor sonde. c. Carbonaţii de potasiu şi sodiu ( K2CO3 şi Na2CO3) se folosesc frecvent ca acceleratori, în doze optime de până la 3 %. La concentraţii mai mari se obţine o prizare rapidă, dar scade mult rezistenţa mecanică a pietrei. d. Silicatul de sodiu (Na2SiO3) este unul dintre cei mai eficienţi acceleratori de priză, atât pentru cimenturile de sondă, cât şi pentru cele de construcţie. Este însă mai scump decât clorura de calciu, de aceea se foloseşte în cazuri mai deosebite. La temperaturi moderate, pastele preparate cu densitate mică (de exemplu, cele pe bază de diatomită), au un conţinut mare de apă (şi un antifiltrant, care acţionează ca întârzietor) şi prizează destul de greu, dar, prin folosirea silicatului de sodiu se realizează timpi de priză acceptabili. Atât carbonaţii de potasiu sau sodiu, cât şi silicatul de sodiu, în doze foarte mici, acţionează ca întârzietori de priză, de aceea se impune stabilirea dozelor optime prin încercări de laborator. 7.2. Întârzietori de priză Aditivii întârzietori de priză sunt substanţe organice sau anorganice, care se folosesc pentru a micşora viteza reacţiilor de hidratare-hidroliză şi prizarea pastelor de

159

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) ciment înainte de limita dorită, atunci când durata operaţiei este prea mare (volume mari pompate) sau când temperatura este ridicată. Ei nu influenţează negativ dezvoltarea ulterioară a structurilor de rezistenţă, majoritatea dintre întârzietori au şi o acţiune fluidizantă şi de reducere a vitezei de filtrare a pastelor de ciment. Modul în care aceşti aditivi preîntâmpină învâscoşarea pastei de ciment (uneori şi întărirea ei) se explică prin acţinea lor, care se face pe mai multe căi: -reduc solubilitatea aluminei din C3A, prin precipitarea acesteia într-un produs insolubil, de aceea se reduce viteza de hidratare a mineralelor din ciment; -micşorează viteza de cristalizare a produşilor de hidratare, în special a hidroxidului de calciu; -formează straturi protectoare la suprafaţa granulelor de ciment fie ca rezultat al adsorbţiei, fie prin precipitarea unor substanţe rezultate în urma reacţiilor chimice dintre aditiv şi produşii de hidratare ai cimentului; aceste straturi protectoare frânează accesul apei către granula de ciment nehidratată şi micşorează viteza de difuzie a hidroproduşilor în spaţiul intergranular. 7.2.1. Întârzietori de priză anorganici a. Gipsul (CaSO4⋅2H2O), ca întârzietor de priză, are un loc aparte, deoarece se introduce cu obligativitate în compoziţia cimentului, odată cu măcinarea clincherului. În lipsa gipsului, la amestecarea cu apa, aluminaţii de calciu din ciment trec în soluţie, formează hidroaluminaţii instabili, care cristalizează în plăcuţe hexagonale ce învâscoşează şi structurează pasta, atât datorită cantităţii mari de apă fixată, cât şi acţiunii coagulante pe care ionul trivalent de aluminiu o are asupra celorlalţi hidroproduşi. În prezenţa gipsului (aşa cum s-a precizat în paragraful 4.4.2.) , prin formarea hidrosulfoaluminaţilor, care sunt produşi insolubili şi fără proprietăţi structurale, se obţine o mărire semnificativă a timpului de început de priză şi se împiedică acţiunea coagulantă a ionului trivalent de aluminiu. De asemenea, mărirea concentraţiei de ioni de Ca2+ provenit de la gips, întârzie dizolvarea şi cristalizarea hidroxidului de calciu, ceea ce conduce la o lungire suplimentară a timpului de prizare. Doza optimă de gips, care asigură efectul dorit de întârziere a prizei şi menţinerea fluidităţii pastei la valori acceptabile o perioadă cât mai îndelungată, este în strânsă legătură cu compoziţia chimico-mineralogică a cimentului (mai precis cu conţinutul de C3A) şi fineţea de măcinare, fiind reglementată de standarde pentru fiecare tip de ciment. Depăşirea dozei optime de gips poate duce la apariţia efectului coagulant al ionului de Ca2+ şi accelerarea prizării, sau la continuarea procesului de formare a hidrosulfoaluminaţilor (proces însoţit de o mărire de volum) după întărirea pastei, ceea ce provoacă tensiuni sau chiar fisuri în masa pietrei de ciment. Acest mod de comportare conduce la concluzia că doza optimă de gips trebuie astfel aleasă încât să fie complet consumată încă în perioada în care pasta nu a început să se întărească. b. Acidul fosforic, acidul boric şi sărurile lor au un puternic efect de întârzietori de priză, urmare a formării sărurilor corespunzătoare de calciu, care sunt insolubile. Acestea precipită la suprafaţa granulelor de ciment şi formează straturi care, prin ecranare, întârzie difuzia apei către granulă şi a produşilor de hidratare către soluţie. Se folosesc în concentraţii reduse (0,08…0,25 %, faţă de ciment) şi măresc rezistenţa pietrei de ciment.

160

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

c. Clorura de sodiu (NaCl), în procente mai mari de 18 %, exercită o acţiune întârzietoare sensibilă. Astfel, la 200 C timpul de început de priză se dublează pentru o pastă preparată din apă saturată în sare, iar la 600 C se măreşte de 1,5 ori. La folosirea sării ca întârzietor s-au constatat câteva efecte secundare, cum sunt: o uşoară dilatare a pietrei de ciment, un puternic efect fluidizant al pastei, o uşoară mărire a densităţii pastei, cu aproximativ 0,12 g/cm3, faţă de pasta preparată cu apă dulce. Utilizarea sării ca întârzietor prezintă şi câteva dezavantaje: produce spumarea pastei (de aceea se amestecă cu cimentul praf), reduce rezistenţa mecanică şi rezistenţa la coroziune, are efect coroziv asupra burlanelor. 7.2.2. Întârzietori de priză organici a. Lignotartrinul concentrat (LC) este un lichid brun-închis, solubil în apă şi în soluţii de NaCl, cu densitatea 1220 kg/m3 şi pH = 9…10. Se foloseşte în concentraţii optime de 1,5…3,5 cm3/100 g ciment, dizolvat în apa de preparare a pastei, la temperaturi până în 150…1600 C. În doze prea mici acţionează ca accelerator, iar în doze prea mari provoacă pierderea stabilităţii pastei (chiar şi în domeniul dozelor optime se înregistrează o creştere a separării particulelor solide din pastă, de aceea, pentru prevenire, se adaugă bentonită prehidratată). b. Lignosulfonatul de amoniu (LSA) este sub formă de praf brun-roşcat, se utilizează în doze optime de 0,25…5,0 % faţă de cimentul praf, în domeniul de temperaturi 100…1500 C şi are ca efect secundar fluidizarea pastei de ciment. c. Lignoboritul se obţine din produşi lignosulfonici, acidul boric şi sărurile lui, se livrează în stare lichidă (are aceeaşi culoare, densitate şi pH ca şi lignotartrinul concentrat) şi este folosit pentru reglarea timpului de pompabilitate a pastelor de ciment în domeniul 100…1500 C. Doza optimă este 2,5…4,0 cm3/100g ciment, are ca efecte secundare acţiune de antifiltrant şi fluidizant şi necesită tratamente suplimentare cu bentonită prehidratată pentru a îmbunătăţi capacitatea structurală a pastei şi a preveni separarea particulelor grosiere. d. Acidul tartric este cunoscut ca unul dintre cei mai activi întârzietori de priză ai pastelor de ciment, care are eficienţă la temperaturi între 100…2000 C. Se găseşte în stare liberă sau sub formă de săruri în diverse plante (cea mai importantă sursă de acid tartric fiind reziduurile din industria viticolă), se livrează sub forma unui praf alb, iar concentraţia optimă faţă de ciment este de 0,05…1,0 %. Dintre derivaţii acidului tartric, mai folosit este tartratul acid de potasiu, cu efect de întârzietor de priză la temperaturi mai mari de 2000 C şi utilizat în doze optime de 2,5…3,0 % faţă de cimentul praf. Aceşti aditivi fac parte din categoria substanţelor superficial-active hidrofile care, se adsorb la interfaţa granulă-apă, întârzie procesele de hidratare-hidroliză şi difuzia hidroproduşilor în spaţiul intergranular. Dintre întârzietorii folosiţi şi la noi, dar mai ales în străinătate, se mai pot preciza: carboximetilhidroxietilceluloza de sodiu (CMHEC), lignosulfonatul de calciu, poliacrilonitrilul hidrolizat (ghipanul), boraxul şi alţii, cunoscuţi doar sub denumirile comerciale: HR-4, HR-7, HR-12, Ritarder 8, WR-1…WR-4 etc.

161

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) 7.3. Fluidizanţi În timpul operaţiei de cimentare, curgerea pastei în regim turbulent prin spaţiul inelar la debite moderate, duce la o mai bună dezlocuire a noroiului şi căderi de presiune reduse. Acest lucru este practic posibil, dacă se reduce viscozitatea cu aditivi fluidizanţi. Aceştia permit prepararea unor paste cu viscozitate redusă, pompabile, la factori apă-ciment scăzuţi, deci paste cu densitate mai mare, care formează piatra de ciment mai rezistentă şi cu permeabilitate foarte mică. Fluidizanţii pentru pastele de ciment sunt aditivi cu efect mixt întârzietori-fluidizanţi şi sunt de regulă substanţe tensioactive. În faza iniţială, fluidizarea pastei se realizează prin acţiunea dispersantă a aditivului. Acesta se adsoarbe pe suprafaţa granulelor de ciment şi ulterior a hidroproduşilor, se previne formarea unor structuri coagulante, vâscoase, fără să afecteze sensibil procesele de hidratare (se întârzie prizarea, se îmbunătăţeşte stabilitatea pastei şi structura pietrei de ciment). Mulţi fluidizanţi dispersanţi poartă numele de reducători de frecare pentru ciment (CFR-cement friction reducer), iar în construcţii se numesc plastifianţi. Se utilizează ca fluidizanţi pentru pastele de ciment: lignosulfonaţii de calciu, sodiu, magneziu, amoniu, lignotartrinul concentrat (LC), boraxul, CMC-ul, poliacrilaţii etc., termostabilitatea unora dintre aceştia putând fi ridicată cu dicromaţi de sodiu sau potasiu. La noi în ţară este folosit ca întârzietor de priză pentru cimenturile grele, tip S2, la temperaturi peste 1000 C, dar şi ca fluidizant şi antifiltrant, produsul cunoscut sub denumirea comercială RIFAAL (preparat de ICPT Câmpina).

Este un lichid maro-închis, cu densitatea 1 240…1 270 kg/m3 şi pH = 9…10,5, folosit în doză optimă de 2,5…4,0 cm3/100 g ciment. Deoarece influenţează stabilitatea pastei, la fel ca şi ceilalţi aditivi, necesită tratament suplimentar cu bentonită. În practica din SUA, firma Halliburton prepară o serie de fluidizanţi organici, foarte eficienţi, cunoscuţi sub denumirile comerciale CFR-1 şi CFR-2. CFR-1 este un reactiv complex, fluidizant şi întârzietor de priză, folosit la temperaturi mai mari de 1000 C. În doze de 0,5 % reduce la jumătate viteza necesară obţinerii unui regim turbulent de dezlocuire în spaţiul inelar. CFR-2 este folosit atât pentru paste uşoare cât şi pentru cele cu densitate mare, are eficienţă sporită ca fluidizant în domeniul de temperatură 16…1500 C şi se foloseşte în doze de maxim 0,75 %. Se mai folosesc aditivii: TIC al firmei Dowell, TF-3 şi TF-4 ai firmei Western şi Turbomix, D-30 şi D-31 ai firmei Byron Jackson. 7.4. Antifiltranţi Pasta de ciment cu factorul apă-ciment m = 0,5, introdusă într-o presă filtru standard (la 7 bar şi temperatura ambiantă), cedează într-un interval de timp foarte scurt (câteva minute) apa sa liberă, iar în celulă rămâne o masă sfărâmicioasă de ciment umezit. Conform normelor existente, valoarea cumulativului de filtrat (obţinută prin extrapolare) este între 600…1000 cm3, adică mai mult decât volumul pastei introdusă în celula de filtrare, iar colmatajul este inexistent. În condiţiile din sondă, în prezenţa unor medii filtrante şi a unei diferenţe de presiune, pastele de ciment cedează foarte repede apa liberă (nelegată fizic sau chimic)

162

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

şi devin astfel nepompabile. În masa pastei de ciment se pot forma canale de drenare prin care se pot strecura gazele, iar orizonturile productive sunt afectate în mod nefavorabil (vezi şi paragraful 5.3). Pentru a regla viteza de filtrare a pastelor de ciment se folosesc adaosuri similare cu cele folosite la fluidele de foraj, precum şi o serie de substanţe macromoleculare, puternic hidrofile. a. Adaosurile de bentonită au fost primii antifiltranţi ai pastelor de ciment. Prin formarea unei turte de colmatare pe pereţii permeabili ai sondei se reduce cantitatea de apă liberă din pasta de ciment. Determinări experimentale au arătat că un adaos de 12 % bentonită (faţă de masa de ciment din amestec) reduce de aproximativ 3 ori volumul de filtrat al pastei, iar la un adaos de 25 % bentonită, filtratul scade sub 100 cm3. Trebuie precizat că prin adaosul de bentonită este necesar să se suplimenteze conţinutul de apă, iar rezistenţa pietrei de ciment va fi mai mică. b. Amidonul modificat, livrat sub forma unui praf alb-gălbui, este folosit până la temperaturi de 100…1100 C, în procent de 0,2…1,5 % şi reduce filtratul până la un volum comparabil cu cel al noroaielor de foraj (aproximariv 15 cm3). Are ca efecte secundare creşterea viscozităţii pastelor de ciment, mărirea timpilor de prizare şi reducerea rezistenţei iniţiale a pietrei de ciment. c. Derivaţii celulozici reprezintă categoria de antifiltranţi cei mai eficienţi şi mai des utilizaţi pentru pastele de ciment. Dintre aceştia: metilceluloza (MC) se foloseşte în concentraţie de 0,1…1,0 % (concentraţie masică faţă de ciment), la temperaturi mai mici de 1000 C, hidroxietilceluloza (HEC) în concentraţie de 0,1…0,8 %, tot la temperaturi sub 1000 C, carboximetilceluloza (CMC) 0,5…2,0%, în domeniul de temperaturi 75…1600 C, iar cu cele mai bune rezultate carboximetilhidroxietilceluloza (CMHEC) în concentraţii de 0,1…0,7 %, până în 1300 C, având ca influenţe secundare creşterea viscozităţii pastelor, creşterea timpului de pompabilitate (de învâscoşare) şi reducerea rezistenţei iniţiale a pietrei de ciment. În România se foloseşte produsul ACIM-93, un amestec sinergetic de derivaţi din celuloză, lignosulfonat de amoniu şi carbonat de sodiu. Este dispersabil în apă şi soluţii de clorură de sodiu, nu este toxic sau inflamabil. Acest produs se foloseşte în concentraţii de 0,1…2,0 %, în funcţie de densitatea şi compoziţia pastei, atât la forajul pe uscat cât şi pe mare, determină unele efecte secundare, cum sunt: micşorează separarea de apă, creşte timpul de învâscoşare, măreşte rezistenţa pietrei de ciment. Un alt derivat celulozic, produs de Halliburton, este DYACEL LWL, care, în concentraţii foarte mici, în domeniul temperaturilor mari, acţionează atât ca reducător de filtrare cât şi ca un puternic întârzietor de priză.

Tot aditivi Halliburton, creaţi pentru un domeniu larg de temperaturi (15…1500 C şi chiar mai mari) şi compatibili cu toate clasele de ciment şi o mare varietate de alţi aditivi pentru paste, sunt reducătorii de filtrare cu denumirea comercială HALAD-9, HALAD-14…22A, 24, iar pentru paste de ciment sărate HALAD-361A, HALAD-374. La fel ca şi ceilalţi reactivi antifiltranţi, şi unii dintre aceştia au ca efecte secundare întârzierea prizării, dar şi o acţiune dispersantă în pastele de ciment, fără a învâscoşa pasta, ceea ce face posibilă utilizarea lor la sonde foarte adânci (acţionează în sinergism cu alţi aditivi şi îmbunătăţesc proprietăţile compoziţiilor de cimentare). d. Polimerii sintetici hidrofili sunt substanţe cu greutate moleculară mare, care se folosesc pentru reducerea filtrării pastelor de ciment, mai ales în domeniul temperaturilor ridicate (până la 250…3000 C). În această categorie intră poliacrilamida şi polimerii acrilici, care, în cantităţi de 1…1,5 %, în combinaţie cu bentonită şi

163

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) lignosulfonat de calciu, reduc filtratul foarte mult (30…40 cm3) şi nu influenţează timpul de învâscoşare. 7.5. Antispumanţi Pastele de ciment obişnuite nu spumează, în schimb, cele preparate pe bază de sare spumează intens în faza de preparare, ceea ce îngreuiează controlul proprietăţilor şi pomparea lor. Pentru spargerea spumei se folosesc antispumanţi, preparaţi din diverşi alcooli graşi, poliamide, săpunuri naftenice, stearat de aluminiu, concentraţiile uzuale fiind 0,2…1,0 %. La noi în ţară se utilizează antispumantul AS, un reziduu obţinut de la distilarea butanolului, CSF, un amestec de alcool hexilic şi alcooli graşi dispersaţi în motorină, în concentraţii de 0,2…0,4 %. 7.6. Adaosuri hidraulice Pentru reglarea densităţii pastelor de ciment sau a altor proprietăţi ale compoziţiilor de cimentare se pot folosi diverse materiale care, singure, nu prezintă proprietăţi liante, dar se pot combina cu hidroxidul de calciu, în prezenţa apei, formând compuşi cu proprietăţi de întărire. Procesul de transformare în compuşi cu rezistenţă mecanică este accelerat de creşterea temperaturii. O clasificare riguroasă a acestor materiale nu există, dar se disting două categorii de adaosuri hidraulice, unele naturale, iar altele artificiale. Cele naturale, la rândul lor, pot fi de natură vulcanică (tufurile vulcanice), sedimentară (diatomita) sau minerală (silicea hidratată, argilele coloidale), iar cele artificiale includ cenuşa de termocentrală, argilele şi bauxitele calcinate. a. Tufurile vulcanice reprezintă categoria cea mai cunoscută de adaosuri hidraulice, numite şi puzzolane (de la localitatea Puzzoli din apropierea Vezuviului, de unde s-au exploatat încă din antichitate), care s-au format din lavă vulcanică răcită brusc, cu o structură sticloasă, necristalină. Compoziţia lor chimică variază în limite largi, principalii compuşi chimici fiind: 50…70 % SiO2, 10…17 % Al2O3, 1…10 % Fe2O3, 3…12 % CaO, alţi oxizi în cantităţi mai mici şi o anumită cantitate de apă legată chimic. Tufurile îşi bazează activitatea, în principal, pe reactivitatea substanţelor necristaline, provenite din alterarea mineralelor sau deshidratarea compuşilor de bază. b. Diatomita este o rocă silicioasă, formată prin depunerea scheletelor de diatomee (alge unicelulare cu schelet silicios, dimensiuni microscopice şi o structură extrem de poroasă), activitatea hidraulică fiind conferită atât de dioxidul de siliciu amorf, cât şi de suprafaţa specifică foarte mare. c. Cenuşa de termocentrală este un reziduu provenit de la arderea cărbunilor sau a şisturilor bituminoase. În camerele de ardere, sterilul, foarte fin măcinat, suferă un proces de calcinare şi, antrenat de gazele de ardere (de unde şi numele de cenuşă zburătoare) este reţinut pe filtre de construcţie specială sau în perdele de apă. Compoziţia chimică este: 40…50 % SiO2, 20…30 % Al2O3, 8…15 % Fe2O3, 3…13 % CaO, dar conţine şi alte substanţe în cantităţi reduse, materiale cărbunoase sau bituminoase nearse; alcaliile se limitează la 1,5 %, iar SO3 la 5 %. La folosirea acestor adaosuri hidraulice este necesar să se stabilească, prin încercări de laborator, doza optimă ciment-adaos.

164

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

8. Paste de ciment

8.1. Metode de reducere a densităţii pastelor de ciment Pastele de ciment preparate cu un conţinut normal de apă (raportul masic între apă şi ciment, m = A/C, este de 0,5) au o densitate cuprinsă între 1 800...1 840 kg/m3. Faţă de acest nivel, pastele sunt caracterizate ca paste uşoare sau grele. Domeniul pastelor uşoare este un domeniu de mare interes pentru a răspunde situaţiilor destul de răspândite când trebuie izolate strate poroase, strate fisurate sau fisurabile, strate depletate. Pentru a evita pierderea de circulaţie, blocarea stratelor depletate etc., aceste strate sunt traversate cu noroaie uşoare şi, chiar dacă se recomandă ca pasta de ciment să aibă o densitate mai mare sau egală cu noroiul, domeniul de densităţi pentru pastă sub 1 800 kg/m3 rămâne încă larg. Prepararea unor paste de ciment cu densităţi sub 1 700 kg/m3 numai pe seama cantităţii de apă, în raport cu cimentul, nu este posibilă datorită instabilităţii acesteia; particulele de ciment se depun şi apa se separă la suprafaţă. Valoarea maximă a factorului apă-ciment, dincolo de care apare acest fenomen nedorit de instabilitate, este de 0,55...0,65. Este folosită o gamă largă de metode pentru a reduce densitatea pastei de ciment însă, mai mult sau mai puţin, acestea modifică şi proprietăţile pastei şi ale pietrei de ciment. În prezent se folosesc următoarele procedee de preparare a pastelor de ciment cu densitate redusă: -mărirea factorului apă-ciment simultan cu adăugarea unor substanţe stabilizatoare; -înlocuirea parţială a cimentului cu materiale cu densitate mai mică; -adăugarea unor substanţe care înglobează în structura lor o mare cantitate de aer sau azot; -spumarea pastelor cu aer sau azot; -înlocuirea cimentului cu adaosuri hidraulic active; -transformarea fluidului de foraj în compoziţie de consolidare şi izolare.

8.1.1. Creşterea factorului apă-ciment

Densitatea pastei de ciment este:

( )ca

capc m

mρρρρρ

⋅+⋅⋅+

=1 (8.1)

în care: ρa, ρc, ρpc sunt densităţile apei, cimentului şi respectiv pastei de ciment;

165

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) m- raportul masic dintre apă şi ciment. Pentru fineţea de măcinare standard a cimentului (cu suprafaţă specifică de 2 800...3 200 cm2/g), factorul apă ciment m , la care nu apar probleme de stabilitate, variază între 0,55...0,65, ceea ce conduce la o densitate a pastei de 1 750...1 700 kg/m3. O reducere a densităţii pastei sub aceste valori este posibilă prin creşterea fineţei de măcinare a cimentului. La o suprafaţă specifică de 5 000... 6 000 cm2/g, factorul apă-ciment poate fi crescut la 1...1,2, ceea ce conduce la o densitate a pastei de 1 500...1 400 kg/m3. Influenţa favorabilă a creşterii suprafeţei specifice prin măcinare este limitată de o valoare optimă care se situează între 4 000...4 500 cm2/g, dincolo de care unele proprietăţi ale pastei şi pietrei de ciment se înrăutăţesc. În plus, mărirea fineţei de măcinare creşte considerabil preţul de cost al cimentului. Practic, posibilităţile de reducere a densităţii pastelor de ciment curat, doar pe seama măririi factorului apă-ciment, sunt limitate. Unele substanţe macromoleculare, adăugate în cantităţi reduse, imobilizează o parte din apa de preparare, măresc stabilitatea pastei şi reduc viteza de filtrare, deci fac posibilă o creştere a factorului apă-ciment pentru a menţine pasta la o fluiditate impusă. Dintre materialele puternic hidrofile, cu care s-a redus densitatea pastei sub 1 700 kg/m3, cea mai largă aplicabilitate practică o au argilele bentonitice şi pământurile diatomitice. Densităţi ale pastei cât mai mici se obţin cu cantităţi cât mai mari de adaos în amestec şi mărind corespunzător cantitatea de apă. Există însă şi aici anumite restricţii, determinate de rezistenţa mecanică şi de permeabilitatea pietrei de ciment care se formează. Bentonita se adaugă în concentraţie de până la 15...20 % faţă de cimentul praf, ceea ce face posibilă creşterea factorului apă-ciment până la 1,1...1,2 şi reduce densitatea pastei până la 1 500 kg/m3. Astfel de paste, cu adaos de bentonită, se mai numesc gel-cimenturi şi au căpătat o largă răspândire datorită avantajelor pe care le au: densitate redusă, fluiditate uşor reglabilă, filtrat redus, comportare bună în timpul perforării, creşterea substanţială a volumului de pastă ce poate fi preparată dintr-o tonă de ciment. Bentonita poate fi introdusă în amestec fie în stare uscată (se amestecă cu cimentul praf iar tehnologia de preparare a pastei nu se modifică), fie prehidratată în apa de preparare. Când argila se va hidrata în apă, datorită capacităţii mari de dispersare se formează o structură de gel în care vor fi suspendate particulele de ciment. La aceasta contribuie şi ionul de calciu din ciment cu acţiunea lui coagulantă şi pentru ca pasta să devină pompabilă este necesară creşterea corespunzătoare a factorului apă-ciment (scade densitatea pastei de ciment până la 1 400 kg/m3). Rezistenţa mecanică a pietrei scade faţă de cea a pietrei de ciment curat, la temperaturi moderate se reduce şi rezistenţa la acţiunea corozivă a sărurilor de magneziu, permeabilitatea pietrei formate se reduce, cu excepţia temperaturilor ridicate unde permeabilitatea creşte [4, 5, 10].

166

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Tabel 6. Necesarul de apă pentru prepararea pastelor de ciment cu diverse adaosuri sau aditivi.

Necesarul de apă Substanţa m3/t

Ciment 0,38 - 0,68 Zgură de furnal 0,20 - 0,25 Bentonită 2 - 10 Cenuşă de termocentrală 0,70 - 0,80 Barită 0,20 - 0,26 Perlită 3 - 4 Gilsonit 0,25 Nisip (silice) 0 Făină de silice 0,25 - 0,50 Diatomită 1,3 - 6,4 Sferelite 0,70 - 0,75 Hematit, magnetit 0,30 - 0,36 Silicat de sodiu 30 Clorură de sodiu 0 Clorură de calciu 0

Diatomita, care este o rocă sedimentară silicioasă (vezi paragraful 7.6.b), caracterizată printr-o suprafaţă specifică foarte mare, are posibilitatea reţinerii unor cantităţi mari de apă şi implicit se va reduce densitatea pastei de ciment (practic, s-a reuşit scăderea densităţii până la 1 300 kg/m3). Reacţia dintre dioxidul de siliciu al diatomitei şi hidroxidul de calciu din pasta de ciment permite ca adaosurile de diatomită să fie până la 40% faţă de cimentul praf, iar factorul apă-ciment să crească până la 2,3...2,4 [2, 4, 5, 10].

Viscozitatea pastelor preparate cu diatomită este relativ mică, în schimb viteza lor de filtrare este ridicată, necesitând tratamente cu antifiltranţi. Efectul de întârzietor de priză al antifiltrantului duce la creşterea timpului de pompabilitate şi necesitatea utilizării şi a unui accelerator de priză. Folosirea acestor aditivi suplimentari necesari corectării unor proprietăţi duce la o scădere a permeabilităţii pietrei de ciment, dar la o rezistenţă mecanică mai mare decât a gel-cimenturilor. Pastele de ciment cu mai mulţi componenţi, cum ar fi cele uşoare (dar şi cele îngreuiate), sunt preparate cu adaosuri din materialele prezentate dar în proporţii care să conducă la o pastă stabilă, suficient de fluidă, cu viteză de filtrare redusă, ce va forma o piatră rezistentă şi impermeabilă. Încercările de laborator permit determinarea consumurilor specifice de apă (tabela 6) ale componenţilor principali, respectiv:

-factorul apă-ciment cc

aa

vvmρρ'

= ; (8.2)

-factorul apă-adaos xx

aa

vvmρρ"

=1. (8.3)

În aceste relaţii şi în cele ce urmează sunt folosite notaţiile: -volumul total de apă, volumul de apă fixat de

ciment, volumul de apă fixat de adaos, volumul de ciment, volumul de adaos; xcaaa vvvvv ,,,, "'

167

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

pcxca ρρρρ ,,, -densitatea apei, a cimentului, a adaosului şi a

pastei de ciment.

Dacă se noteză cu m0 factorul adaos-ciment, cc

xxo v

vmρρ

= şi ţinând seamă de

relaţiile: pcxca vvvv =++

pcpcxxccaa vvvv ρρρρ =++ (8.4)

,,,aaa vvv +=

rezultă că densitatea pastei va fi

x

ccc

a

cc

a

cc

cccccccc

xca

xxccaapc vmvvmmmv

vmvvmmmvvvv

vvv

ρρ

ρρ

ρρ

ρρρρρρρρ001

001

+++

+++=

++++

=

respectiv

( ) ( )[ ]( ) ( ) cxaxca

xcaopc mmm

mmmρρρρρρ

ρρρρ⋅⋅++⋅+

⋅⋅⋅+++=

01

111 . (8.5)

Pentru o densitate de pastă dată, din această relaţie se determină singura necunoscută, factorul adaos-ciment m0. Din expresia acestuia, pentru o cantitate unitară de ciment (de exemplu pentru 1 000 kg de ciment), se deternină cantitatea de adaos, apoi din relaţiile factorilor apă-ciment şi apă-adaos se determină cantitatea de apă, iar în final se calculează cantitatea de pastă ce rezultă. Ştiind volumul de pastă necesar, se determnină cantităţile de materiale, respectiv ciment, apă şi adaos.

8.1.2. Reducerea densităţii pastei prin înlocuirea parţială

a cimentului cu adaosuri uşoare

Înlocuirea unei părţi din cimentul praf, a cărui densitate este ρc= 3 050... 3 150 kg/m3, cu un material cu densitatea scăzută duce la micşorarea densităţii pastelor de ciment. Această reducere a densităţii va fi cu atât mai pronunţată cu cât densitatea adaosului este mai mică şi cantitatea în care se utilizează este mai mare. Presupunând constant conţinutul de apă, dependenţa densităţii pastei cu trei componenţi funcţie de valoarea densităţii adaosului ( ρx ) şi conţinutul relativ de adaos din amestec (m0) poate fi reprezentată ca în figura 2. Din curbele trasate se constată următoarele [2, 4]: -înlocuirea parţială a cimentului cu adaosuri cu densitatea mai mare de 2 000 kg/m3 (majoritatea rocilor sedimentare) nu conduce la o reducere semnificativă a densităţii pastei, chiar şi când se află într-un procent ridicat; -o reducere substanţială a densităţii pastei de ciment se obţine prin utilizarea adaosurilor foarte uşoare (ρadaos <1 600 kg/m3) cum ar fi hidrocarburile naturale sau artificiale de tipul: gilsonit, asfaltit, asfalt oxidat de rafinărie. -pentru prepararea unei paste de densitate impusă, când se poate alege între diferite adaosuri, este de preferat a se folosi cel cu densitatea cea mai mică, deoarece cantitatea este minimă şi influenţa negativă asupra rezistenţei mecanice a pietrei se

168

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

reduce (în tabela 7. sunt prezentate densităţile unor materiale folosite la prepararea pastelor de ciment).

Fig.2. Variaţia densităţii pastelor de ciment funcţie de densitatea adaosului şi de conţinutul relativ de adaos.

Tabela 7. Densitatea unor substanţe folosite la prepararea pastelor de ciment

Densitatea Substanţa kg/m3

I. Substanţe liante de bază Ciment portland 3 100 - 3 200 Ciment aluminos 3 230 Zgură de furnal 2 700 - 3 200 Gips semihidraulic 2 200 - 2 400 Ciment gipso-aluminos 2 600 - 2 800 II. Adaosuri minerale uşoare Bentonită 2 300 - 2 600 Diatomită 2 100 - 2 500 Cenuşă de termocentrală 1 700 - 2 400 Roci vulcanice (tuf, trass, perlită) 2 200 - 2 700 Calcar, cretă 2 200 - 2 800 Nisip (silice) 2 600 - 2 700 III. Adaosuri foarte uşoare Gilsonit 1 050 - 1 070 Perlită expandată 100 - 200 Bitum, asfalt 1 000 - 1 300 Gudrone din cărbune 1 200 - 1 300 Sferelite 400 - 1 000 IV. Adaosuri grele Barită 3 900 - 4 400 Hematit 5 000 - 5 300

169

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) Dintre adaosurile foarte uşoare s-a folosit gilsonitul (în SUA), o hidrocarbură solidă naturală, cu densitatea de 1 070kg/m3, casant la temperatură ambiantă şi inert faţă de produşii de hidratare ai cimentului. Se poate folosi în procent de până la 25 % faţă de ciment [4, 5, 10], rezultând paste cu densitatea 1 500...1 550 kg/m3. Dacă se foloseşte şi bentonita în procent de 4% pentru a preveni plutirea gilsonitului, densitatea mai poate fi redusă pe seama surplusului de apă cerut de bentonită, dar va scădea mult şi rezistenţa mecanică a pietrei. În România s-au preparat paste cu asfalt oxidat de rafinărie, care are o densitate de 1 073 kg/m3 şi poate fi măcinat la granulaţia dorită. În prezenţa unui procent de 4 % bentonită s-au obţinut densităţi ale pastei de 1 400...1 450 kg/m3. Un alt adaos relativ uşor şi care reclamă cantităţi suplimentare de apă este cenuşa de termocentrală (cea din România are densitatea 1 700...1 800 kg/m3 şi fixează 0,7...0,75 cm3 apă/g). La folosirea în proporţie masică cenuşă-ciment de 35...65 se obţin paste cu densitatea 1 600 kg/m3. La temperaturi până la 60oC, adaosul de cenuşă scade rezistenţa mecanică a pietrei şi prelungeşte timpul de pompabilitate, dar folosirea unor acceleratori de priză corectează aceste proprietăţi. La temperaturi mai mari, rezistenţa mecanică se îmbunătăţeşte datorită componentelor silicioase care devin active, iar peste 120oC ea este mai mare decât a pietrei din ciment curat.

8.1.3. Paste de ciment cu substanţe care înglobează gaze

Dintre primele materiale care conţin aer în structura lor poroasă-închisă şi au fost folosite la prepararea unor paste de ciment cu densităţi scăzute a fost perlita, naturală sau expandată. Perlita naturală este o rocă vulcanică silicioasă-poroasă, cu densitatea 2 200...2 500 kg/m3. Prin măcinare, încălzire la 1 000...1 200 oC şi răcire, se obţine un material granular cu aspect de perle, goale la interior şi cu o densitate aparentă foarte mică, respectiv 92...220 kg/m3. Prin înlocuirea parţială a cimentului cu perlita expandată, densitatea pastei se reduce, atât pe seama densităţii foarte mici a adosului, cât şi a cantităţii mari de apă (aproximativ 3...4 cm3/g). Adaosul de 2...6 % bentonită prehidratată, necesar pentru a preveni plutirea perlitei, suplimentează de asemenea cantitatea de apă, în condiţii atmosferice putând prepara paste cu densitatea de 1 300 kg/m3 şi rezistenţe satisfăcătoare. Dupa 1980 s-au folosit şi alte adaosuri artificiale sub formă de microsfere, numite şi sferlite, pline cu aer sau azot. Sunt fabricate din materiale silicioase, sticloase, ceramice sau plastice, cu dimensiuni de 10-100 µm, densitate aparentă de 400...1 000 kg/m3. S-au preparat paste cu densitatea până la 1 100 kg/m3, cu grad redus de compresibilitate, cu rezistenţa mecanică a pietrei suficient de mare, iar permeabilitatea redusă [4, 5]. 8.1.4. Paste de ciment spumate

Pastele de ciment curat sau cu adaosuri de cenuşă, bentonită, făină de silice pot fi spumate cu o concentraţie de gaze relativ mare, în prezenţa unui spumant şi a unui stabilizator de spumă. S-au obţinut astfel paste cu densitatea 700...1 300 kg/m3,

170

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

iar piatra de ciment cu rezistenţă mecanică satisfăcătoare, permeabilitate redusă şi o bună aderenţă la teren şi coloana de burlane. La utilizarea pastelor spumate cu azot se pompează înaintea pastei un dop de spălare din apă spumată cu azot. Se poate folosi în locul azotului aer comprimat, iar ca spumanţi, diverse săpunuri naftenice. Pastele de ciment cu densitate mică sunt folosite pentru cimentarea coloanelor în zone cu gradienţi de presiune extrem de scăzuţi sau cu presiune de strat sub cea normală, pentru izolarea rocilor foarte permeabile, la diferite cimentări secundare. Metoda a fost încercată în ultimii ani (mai ales în S.U.A.) şi permite reducerea densităţii pastelor la 700...1 300 kg/m3. Proprietăţile cimentului spumat depind atât de proprietăţile pastei de ciment de bază (densitate, compoziţie, calitatea cimentului praf, natura aditivilor), cât şi de parametrii care afectează distribuţia mărimii bulelor de gaz şi anume: calitatea şi stabilitatea spumei, procedura de amestec, presiune. Structura spumelor prezintă o dispersie ridicată a gazului, iar dimensiunile şi forma bulelor variază datorită procentului de gaz din sistem şi condiţiilor în care este supusă spuma. Stabilitatea spumelor este favorizată de o grosime mare a filmelor de lichid dintre bulele de gaz, de o viscozitate şi tensiune dinamică de forfecare ridicate, de o tensiune superficială mică, iar condiţiile de mediu (temperatura, pH-ul), diverşi factori chimici sau mecanici destabilizează spumele. Pasta de ciment spumată poate fi circulată, compresată şi depresată fără a-i afecta stabilitatea, atât timp cât procentul de gaz din sistem nu depăşeşte 0,80. După întărire, piatra de ciment care se obţine are o rezistenţă satisfăcătoare şi o permeabilitate redusă, deşi porozitatea este ridicată. În afară de faptul că este necesară automatizarea procesului de preparare a pastei spumate în scopul realizării unei densităţi constante pe întreaga înălţime de cimentare, metoda este sensibil mai scumpă decât cele care se practică uzual.

8.1.5. Paste de ciment pe bază de var şi adaosuri hidraulic active

Se numesc adaosuri hidraulic active acele materiale care în stare fin măcinată şi la temperatură normală fixează hidroxidul de calciu, în prezenţa apei, formând compuşi stabili, asemănători cu cei din piatra de ciment. La utilizarea unor astfel de lianţi trebuie stabilite, în prealabil, dozele optime (în condiţii cât mai apropiate de cele în care vor lucra), deoarece în amestecurile rezultate nu trebuie să apară în exces nici unul din componenţi; s-ar modifica necorespunzător rezistenţa mecanică, rezistenţa la coroziune, permeabiliatea. Capacitatea mare de a fixa apă a permis prepararea unor paste din var şi nisip silicios cu densitate redusă, dozele opime var-nisip situându-se în domeniul: 25 % var + 75 % nisip şi 30 % var + 70 % nisip. 8.1.6. Transformarea fluidului de foraj în compoziţie de consolidare şi izolare

Cercetările ultimilor ani în domeniu au avut în vedere realizarea cât mai reuşită a cimentărilor în sondele cu probleme, acolo unde gazele, gradienţii de fisurare mici etc. diminuau şansele îndeplinirii acestui obiectiv.

171

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) Obţinerea unor rezultate tehnice mai bune şi în acelaşi timp mai economice a fost posibilă prin utilizarea unui fluid universal ce conţine zgură de furnal măcinată. Firmele Shell Development Co. şi Bellaire Research Center au studiat şi patentat fluidul de foraj universal ce a fost aplicat în zona South Texas Stratton cu rezultate bune. Prin realizarea compoziţiilor de cimentare, mai corect consolidare, din fluidele de foraj se urmăreşte [8, 9]: -îmbunătăţirea aderenţei la teren, prin introducerea zgurii în sistemul de fluid, permiţându-i să impregneze turta de colmatare, să dezvolte rezistenţă mecanică la compresiune şi să adere la formaţie; -compatibilitatea între fluidele de foraj şi compoziţia de consolidare; -etanşeitatea mai bună a întregului spaţiu inelar. De asemenea, literatura de specialitate [3] precizează că alegerea incorectă a compoziţiilor de consolidare poate duce la diferenţe semnificative în ceea ce priveşte proprietăţile reologice, gradul de dezvoltare a rezistenţei mecanice la compresiune în faza iniţială şi rezistenţa finală, chiar pentru amestecuri cu aceeaşi densitate, timp de îngroşare şi concentraţie de zgură. Compoziţiile optime de consolidare realizate din fluidele de foraj şi zgură au o rezistenţă de gel scăzută până la începutul prizei şi o dezvoltare rapidă a acesteia şi a rezistenţei la compresiune după începutul de priză. Această tehnologie a fost experimentată cu succes la câteva sonde şi la noi în ţară. 8.2. Paste de ciment cu densitate mare (îngreuiate) În practica forajului, formaţiunile care au fost traversate cu fluide de foraj îngreuiate (cu densitatea peste 1 900 kg/m3) trebuie cimentate cu paste de ciment a căror densitate să fie mai mare cu 100…300 kg/m3 faţă de cea a noroiului. Procedeele cele mai folosite pentru a prepara paste îngreuiate sunt de reducere a factorului apă-ciment, înlocuirea parţială a cimentului cu adaosuri cu densitatea proprie mare şi combinarea celor două procedee. Pentru cimenturile cu fineţe medie de măcinare (Ssp = 2 800…3 200 cm2/g), cum sunt cimenturile S1 şi S2, prin reducerea factorului apă-ciment până la 0,40…0,45, se poate mări densitatea pastei la 1 900…1 950 kg/m3. Reducerea fineţei de măcinare (Ssp = 1 800…2 000 cm2/g) permite scăderea factorului apă-ciment la 0,35, ceea ce corespunde unei densităţi a pastei de 2 000…2 050 kg/m3, dar pastele obţinute sunt greu pompabile. Prin adăugarea de fluidizanţi şi cimenturi grosier măcinate, scăderea factorului apă-ciment la 0,30…0,27 permite obţinerea unor densităţi pentru pastele de ciment de 2 100…2 150 kg/m3. Acest procedeu este folosit în practică la formarea unor dopuri de ciment cu rezistenţă iniţială ridicată. Pentru cimentarea coloanelor cu astfel de paste grele şi tratate cu fluidizanţi se recomandă măsurarea timpului de pompabilitate în condiţiile de temperatură şi presiune existente în sondă, deoarece, la temperaturi mai mari de 60…800 C, efectul unora dintre fluidizanţi scade în timp. Densităţi mai mari se pot obţine prin înlocuirea unei părţi din cimentul praf cu materiale de îngreuiere (aceleaşi ca la fluidele de foraj). Acestea trebuie să aibă densitatea proprie mai mare decât a cimentului, pentru a realiza cu un minim de adaos densitate cât mai mare pastei de ciment, să fie inerte din punct de vedere chimic (să nu

172

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

conţină impurităţi argiloase, care ar necesita cantităţi suplimentare de apă şi ar reduce limita de îngreuiere) şi să poată fi grosier măcinate (la aceeaşi fluiditate a pastei este necesară mai puţină apă).

În practică, s-au preparat paste de ciment cu barită, densitatea crescând la 2 300 kg/m3 (la un factor apă-solide de 0,3 şi densitatea baritei 4 230 kg/m3), iar cu ilmenit şi hematită, până la 2 400 kg/m3. La folosirea materialelor de îngreuiere, rezistenţa pietrei de ciment scade pe măsura creşterii conţinutului de adaos (rămâne totuşi la valori satisfăcătoare), iar timpul de începere a prizei creşte uşor. Pentru temperaturi mai mari de 800 C, se recomandă înlocuirea treptată a cimentului cu zgură (peste 1600 C se foloseşte numai zgură), iar ca materiale de îngreuiere se apelează la oxizi de fier şi barită. Pe lângă fluidizanţi termostabili, se adaugă stabilizatori suplimentari, cum este dicromatul de sodiu (Na2Cr2O7) şi se obţin paste cu densitatea de 2 200…2 300 kg/m3, iar piatra de ciment formată are rezistenţă corespunzătoare. La temperaturi peste 1200 C, o parte din ciment se înlocuieşte cu nisip, care devine activ şi nu necesită supliment mare de apă. Cu 35 % nisip faţă de ciment s-au preparat paste de 2 050…2 100 kg/m3, iar un adaos şi de barită, de 30…35 %, permite creşterea densităţii pastelor la 2 200…2 300 kg/m3. Se fabrică şi lianţi cu densitate mărită, materialul de îngreuiere (oxizi de fier) fiind adăugat la măcinarea cimentului. Amestecurile obţinute se macină relativ grosier, se pot prepara paste cu un factor apă-liant 0,32…0,35, obţinând densităţi de 2 100 … 2 300 kg/m3, care se folosesc mai ales la temperaturi ridicate sau izolarea masivelor de sare. Cantităţile de materiale pentru prepararea unei paste cu adaosuri de îngreuiere se pot determina la fel ca şi în cazul pastelor cu adaosuri puternic hidrofile (vezi paragraful 8). De regulă sunt folosite adaosuri ce nu fixează cantităţi semnificative de apă, cum este barita, caz în care în relaţia 8.5 factorul apă-adaos m1 ia valoarea zero, iar participarea apei este exprimată prin factorul apă-solide ms. Relaţia densităţii ia forma:

( )( )( ) ( ) cxsaxcsa

xcaspc mmm

mmρρρρρρ

ρρρρ⋅⋅++⋅+

⋅⋅++=

0

011 . (8.6)

8.3. Paste de ciment sărate Traversarea prin foraj a unor pachete groase de săruri solubile (NaCl, KCl, MgCl2, KCl⋅MgCl2⋅6H2O), brecii şi intercalaţii de sare, reclamă utilizarea unor paste de ciment care să conţină în apa de preparare sarea respectivă, uneori chiar la saturaţie. Se evită astfel modificarea necorespunzătoare a proprietăţilor pastei şi pietrei de ciment, dizolvarea pereţilor sondei (ocnirea sondei), rămânerea de noroi gelificat nedezlocuit, nerealizarea înălţimii de cimentare etc. Cele mai folosite sunt pastele sărate cu clorură de sodiu, care se dizolvă în apa de preparare. Pentru a evita spumarea pastei se adaugă în soluţia de sare şi un antispumant (0,2…1,0 % faţă de ciment), iar pentru a scădea viteza de filtrare (care, în general se reduce pe măsură ce creşte concentraţia în săruri) se adaugă câteva procente de bentonită în soluţia de preparare.

173

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) Pastele sărate sunt mai fluide şi asigură o aderenţă mai bună în dreptul masivelor de sare, piatra formată fiind uşor expandabilă. Rezistenţa mecanică a pietrei la concentraţii mari de sare scade chiar şi după perioade îndelungate. Faţă de pastele de ciment obişnuite, piatra de ciment sărată este mai corodabilă, iar pentru creşterea rezistenţei la coroziune se pot adăuga substanţe silicioase. Introducerea de 5% silvină (KCl) accelerează procesul de formare a structurii şi creşterea caracteristicilor reologice ale pastei de ciment. Mărirea concentraţiei de silvină până la completa saturare a pastei duce la reducerea tensiunii dinamice de forfecare, dar la creşterea viscozităţii plastice a pastei. Bişofitul (MgCl2⋅6 H2O) produce o intensificare a proceselor de sructurare a pastei ca urmare a hidratării; la o concentraţie de 15% clorură de magneziu, după 30 minute de la preparare pasta devine nepompabilă, iar la completa saturare a pastei are loc învâscoşarea instantanee a acesteia. Carnalitul (KCl⋅MgCl2⋅6 H2O) are o acţiune complexă asupra pastelor, cele două cloruri având acţiuni contrare una faţă de cealaltă asupra structurării pastei. Dacă în compoziţia carnalitului predomină clorura de potasiu, sistemul se fluidizează şi se măreşte timpul de pompabilitate; dacă predomină clorura de magneziu are loc accelerarea procesului de prizare a pastei de ciment. Acţiunea opusă a acestora constă în capacitatea cationilor de K+ de a micşora activitatea de adsorbţie a Mg2+. 8.4. Amestecuri pentru izolarea zonelor cu pierderi de circulaţie Pierderile de circulaţie sunt provocate de rocile cu porozitate mare, cavernoase sau fisurate, de presiunile prea mari din timpul circulaţiei în sondă a fluidului de foraj sau pastei de ciment şi alte cauze de ordin tehnologic. Prevenirea şi combaterea pierderilor de circulaţie diferă de la caz la caz, deoarece şi cauzele care le provoacă sunt diferite. În timpul forajului, interesează posibilităţile de combatere a pierderilor prin obturarea canalelor de circulaţie cu ciment sau alte materiale de blocare, iar în timpul operaţiei de cimentare trebuie adoptate soluţii care să prevină pierderile de pastă de ciment în strate. Amestecurile care se folosesc pentru combaterea pierderilor de circulaţie trebuie să rămână pompabile pe toată perioada introducerii lor (cu garnitura de foraj) la locul pierderii şi apoi să prizeze rapid, transformându-se în piatră. Aceasta, la rândul ei, nu trebuie să se distrugă sub acţiunea apelor de zăcământ, a temperaturii şi presiunii. Cele mai utilizate amestecuri pentru combaterea pierderilor de circulaţie sunt:

• amestecuri liante cu priză rapidă sau paste din ciment obişnuit, tratate cu acceleratori de priză; • amestecuri care se întăresc în contact cu apa din zona pierderilor cum sunt cele din ciment-motorină, ciment-bentonită-motorină;

• răşini sintetice cu agenţi de solidificare, latex; • amestecuri foarte vâscoase, cum sunt cele din bentonită-motorină, noroi cu

hidroxietilceluloză, poliacrilaţi, poliacrilamidă, eventual cu ciment şi materiale uzuale de blocare (pentru zonele cavernoase cu pierderi intense). Proprietăţile acestor amestecuri se reglează cu ajutorul reactivilor chimici şi prin modificarea raportului apă-ciment, iar timpul de prizare sau de învâscoşare trebuie reglat astfel încât, la presiunea şi temperatura din sondă, să fie mai mare decât durata de efectuare a operaţiei, dar nu cu mai mult de 25…30 minute.

174

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Prevenirea pierderilor de pastă în timpul operaţiei de cimentare se face prin: • introducerea în pasta de ciment a unor materiale de blocare: gilsonit, perlită, microsfere, nisip, azbest, fulgi de mică, celofan etc.;

• folosirea unor paste de ciment uşoare, preparate (după caz) cu bentonită, diatomită, gilsonit, cenuşă de termocentrală;

• utilizarea pastelor de ciment spumate; • efectuarea operaţiei de cimentare etajată.

8.5. Cimenturi termorezistente Cimentarea sondelor cu temperaturi la talpă mai mari de 80…1000C ridică probleme în ceea ce priveşte folosirea pastelor de ciment preparate din cimenturile portland. Temperaturile şi presiunile ridicate (care se întâlnesc la adâncimi mari, în sonde exploatate prin combustie subterană, injecţie de abur sau apă caldă), apele de zăcământ puternic mineralizate, exercită o influenţă defavorabilă asupra principalelor proprietăţi ale pastei şi pietrei de ciment. Deoarece temperaturile mari afectează practic toate proprietăţile pastelor de ciment, compoziţiile de cimentare folosite în aceste situaţii se numesc termorezistente. Pastele de ciment, preparate din simplul amestec apă-ciment, nu pot fi folosite în condiţiile unor temperaturi mari, deoarece se reduce drastic timpul de pompabilitate, se micşorează timpii de prizare şi creşte rapid viscozitatea. Proprietăţile pietrei de ciment sunt şi ele afectate prin scăderea în timp a rezistenţei mecanice, creşterea permeabilităţii, reducerea rezistenţei la coroziune. 8.5.1. Reglarea timpului de pompabilitate Pentru cimentarea coloanelor introduse la adâncimi mari sunt necesare paste de ciment cu timpul de pompabilitate cât mai mare. Temperaturile ridicate reduc sensibil timpul de pompabilitate, ca rezultat al creşterii vitezei de hidratare.

Fig.3. Influenţa temperaturii şi presiunii asupra timpului de pompabilitate a unei

paste de ciment neaditivată

În faza iniţială, creşterea temperaturii duce la scăderea viscozităţii pastei, datorită creşterii fluidităţii apei şi intensi-ficării agitaţiei termice din sistem, care

175

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) distruge struc-tura tixotropică în curs de formare. În acelaşi timp însă, se măreşte solubili-tatea mineralelor din cimentul portland şi odată cu apariţia produşilor de hidratare în faza lichidă, pasta de ciment se învâscoşează şi consistenţa ei creşte rapid. Valoarea ridicată a presiunii contribuie suplimentar la reducerea timpului de pompabilitate, aşa cum se poate constata din figura 3. Se remarcă faptul că la temperaturi moderate (400C) şi presiuni mari (340bar), pasta de ciment are un timp de pompabilitate de peste 2 ore, în schimb, dublarea temperaturii (800C), la aceeaşi valoare a presiunii, reduce drastic timpul de pompabilitate (sub 40 minute), nepermiţând practic terminarea operaţiei de cimentare. Pentru a se depăşi aceste neajunsuri, se poate acţiona asupra următorilor factori: • compoziţia chimico-mineralogică a cimentului;

• fineţea de măcinare; • adaosuri de întârzietori de priză.

S-au realizat practic cimenturi destinate sondelor adânci, la care, conţinutul în minerale cu viteză mare de hidratare (C3A şi C3S) este redus în contul celor cu viteză mai mică de hidratare (C2S şi C4AF), iar fineţea de măcinare este de 1800…2000 cm2/g (cimenturile grosier măcinate sunt mai greu de fabricat, deci sunt mai scumpe). Numai cu aceste caracteristici nu se obţin însă timpi de pompabilitate necesari sondelor adânci, de aceea, se apelează şi la întârzietori de priză şi fluidizanţi rezistenţi la temperaturi ridicate (tartraţi, lignosulfonaţi, produşi celulozici sau poliacrilaţi cu masă moleculară scăzută). 8.5.2. Fenomenul de retrogresie Pentru cimentările efectuate la adâncimi mari, principala problemă este stabilitatea termică a pietrei de ciment, în timp.

Fig.4. Influenţa temperaturii asupra rezistenţei mecanice

a pietrei de ciment (în primele 10 zile)

Dacă la for-marea pietrei de ciment la tempera-turi între 20..900C, valoarea rezisten-ţei mecanice cre-şte în timp, la cele formate la tempe-raturi mai mari de 1000C

se constată valori ridicate ale rezistenţei meca-nice în primele ore şi zile de întărire, după care are loc o scădere bruscă a rezistenţei, cu atât mai intens, cu cât temperatura

176

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

este mai ridcată (în fig.4. sunt redate, după literatura americană de specialitate, rezistenţele mecanice în primele 10 zile de întărire, pentru diferite temperaturi).

Acest fenomen de înrăutăţire a rezistenţei mecanice a pietrei de ciment în timp, la temperaturi ridicate, poartă denumirea de retrogresie.

Fig. 5. Variaţia rezistenţei mecanice şi permeabilităţii pietrei de ciment (după 7 zile de întărire) funcţie de temperatură

Fenomenul de retrogresie este pus în evidenţă şi în figura 5, din care se constată

creşterea permeabilităţii pietrei de ciment (la temperaturi peste 1500C permeabilitatea pietrei de ciment ajunge la câteva zeci de milidarcy, apropiindu-se de permeabilitatea unor roci colectoare), odată cu scăderea rezistenţei mecanice şi creşterea temperaturii. Scăderea rezistenţei mecanice a pietrei de ciment la temperaturi ridicate se explică prin modificările de compoziţie şi structură care au loc la nivelul hidroproduşilor. Astfel, hidrosilicaţii de tip tobermoritic care se formează iniţial în piatra de ciment şi care au o rezistenţă mare se transformă în scurt timp în hidrosilicaţi de mare bazicitate, cu termorezistenţă mai redusă, iar structura lamelară a gelurilor tobermoritice devine fibroasă sau granulară, cu o stabilitate mai mică. Cele mai numeroase transformări, încă de la 25…300C, le cunosc hidroaluminaţii şi hidroferiţii, care au şi rezistenţa cea mai scăzută. Plăcuţele hexagonale instabile de hidroaluminaţi şi hidroferiţi trec în forme stabile, care cristalizează în sistem cubic şi pot forma soluţii solide din seria hidrogranaţilor. Toate aceste transformări de fază şi recristalizări conduc la scăderea rezistenţei mecanice şi creşterea permeabilităţii pietrei de ciment, deci la intensificarea fenomenului de retrogresie. Se impun ca măsuri de prevenire a retrogresiei, reducerea conţinutului de Al2O3 (chiar la temperaturi moderate) şi creşterea raportului SiO2/CaO. De asemenea, prin înlocuirea cimentului, parţial sau total, cu alte materiale, inerte în condiţii ambiante, dar active la temperaturi ridicate, se pot obţine pietre de ciment cu rezistenţă şi durabilitate mai mare decât cele preparate din ciment curat.

177

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) 8.5.3. Cimenturi cu nisip Prevenirea fenomenului de retrogresie se poate face prin adăugarea de nisip în pasta de ciment. Dacă la temperaturi normale silicea este practic insolubilă şi inertă (se leagă doar mecanic cu particulele de var sau ciment), la temperaturi ridicate, silicea interacţionează activ cu componenţii cimentului. Raţiunea folosirii nisipului silicios este aceea de a împiedica formarea în timp a hidrosilicaţilor de mare bazicitate şi rezistenţă scăzută de tipul C2SH sau C3SH2, prin adăugarea de materiale donatoare de SiO2. În cazul cimentului, la temperaturi ridicate, silicea se comportă ca un component acid, interacţionează nu numai cu hidroxidul de calciu (formând hidrosilicaţi de calciu), dar şi cu hidrosilicaţii de bazicitate ridicată şi cu hidroaluminaţii deja formaţi. Apar astfel hidrosilicaţi cu bazicitate mai scăzută (de tipul C3S2H3), respectiv hidrogranaţi, care conferă pietrei de ciment o rezistenţă mecanică mult mai mare decât a pietrei din ciment curat (la temperaturi ridicate). Doza optimă de nisip silicios care contribuie la combaterea fenomenului de retrogresie este între 25…50% faţă de ciment, în funcţie de compoziţia acestuia şi se stabileşte prin încercări de laborator; doza optimă creşte uşor cu temperatura. La concentraţii prea mici, numai o parte din hidroxidul de calciu este neutralizată, iar hidrosilicaţii formaţi au o bazicitate ridicată, ceea ce duce practic la o scădere a rezistenţei mecanice a pietrei, sub cea a unui ciment neaditivat (fig.6.). La concentraţii mai mari decât doza optimă, se evită retrogresia, dar în masa cimentului rămâne o cantitate de nisip inert şi rezistenţa mecanică a pietrei se reduce sub valoarea celei a cimentului aditivat la doza optimă (fig.6). Pentru cimenturile folosite la noi în ţară, doza optimă de aditivare cu nisip silicios este de 30…40% şi adaosul de nisip se foloseşte începând de la 100…1100C (compoziţiile de cimentare aditivate cu nisip silicios se cunosc sub denumirea comercială SICIM).

Fig.6. Combaterea fenomenului de retrogresie prin adaos de nisip silicios

178

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Nisipul silicios se poate folosi sub formă măcinată (făină de silice), când intră în reacţie mult mai repede şi permite creşterea factorului apă-ciment, asigurând o stabilitate mai bună la sedimentare, însă se consumă o cantitate mare de energie. La temperaturi ridicate se poate folosi un nisip mai grosier (nemăcinat), dar în cantitate mai mare, pentru a compensa activitatea mai redusă, caz în care se poate reduce factorul apă-ciment şi se prepară paste până la 2 050…2 100kg/m3. De obicei, nisipul se amestecă în ciment înainte de prepararea pastei şi după cerinţe se pot adăuga întârzietori, fluidizanţi, antifiltranţi, materiale de îngreuiere etc. Adaosul de nisip la cimenturile care hidratează la temperaturi ridicate contribuie nu numai la prevenirea fenomenului de retrogresie dar şi la creşterea sensibilă a rezistenţei la coroziune a pietrei de ciment (datorită fixării hidroxidului de calciu în hidrosilicaţi de calciu cu solubilitate redusă şi micşorării permeabilităţii pietrei de ciment). 8.5.4. Lianţi termorezistenţi pe bază de zgură Zgura de furnal este un produs nemetalic, compus în principal din silicaţi şi aluminaţi de calciu, care se obţine împreună cu fonta în cuptoarele de furnal sub formă de topitură, care apoi se răceşte. Prin răcire rapidă în apă, abur sau aer se formează zgura granulară, iar prin răcire lentă cea sub formă de bulgări. O zgură de furnal cu activitate hidraulică ridicată se obţine printr-o răcire rapidă şi granulare în apă.

Compoziţia chimico-mineralogică a zgurii şi procedeul de răcire al acesteia determină proprietăţile fizico-chimice ale compoziţiilor de cimentare pe bază de zgură: timpii de prizare, fluiditatea, rezistenţa mecanică etc., iar proprietăţile hidraulice sunt determinate de modulul activităţii zgurilor (raportul Al2O3/SiO2), care, pentru zgurile bazice trebuie să fie de cel puţin 0,17, iar pentru cele acide, de cel puţin 0,33.

0

40

80

120

160

200

240

280

320

0 10 20 30 40 50 60 70Conţinutul de nisip, %

Lim

ita d

e re

zist

enţă

, kgf

/cm

2

limite domeniuCompresiune

Încovoiere

Fig.7. Influenţa cantităţii de nisip asupra rezistenţei

mecanice a pietrei de zgură cu nisip

Compoziţia oxidică a zgurilor este aceeaşi ca a cimentului portland, dar în alte proporţii. În zgurile acide (considerate cele care au raportul SiO2+Al2O3/CaO+MgO>1),

179

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) procentul de SiO2 ajunge la 50…60% faţă de 20…25% în ciment, Al2O3 până la 20% faţă de 4…7% în ciment, MgO până la 20%, concentraţia lui în ciment fiind neglijabilă; în ceea ce priveşte CaO, conţinutul este mult mai scăzut, respectiv sub 30% în zgurile acide, faţă de 60…70% în ciment. În categoria compuşilor dăunători intră protoxidul de fosfor (P2O5), protoxidul de fier (FeO) şi oxidul de mangan (MnO), conţinutul admisibil al acestora fiind reglementat pentru fiecare sortiment de zgură, iar conţinutul în sulfuri este admis până la maxim 3,6%. La temperatură ambiantă, amestecul zgură-apă rămâne în stare fluidă (inertă), fără a-şi pierde stabilitatea, timp îndelungat. Activitatea hidraulică a zgurii începe să se manifeste de la 400C şi creşte cu temperatura, aceasta fiind şi raţiunea folosirii acesteia în amestecuri liante pentru cimentările la adâncimi mari. Datorită MgO, Al2O3 (care compensează în mare măsură rolul CaO) şi a compuşilor complecşi care iau naştere la răcirea zgurii, amestecul zgură-apă manifestă proprietăţi liante pe măsură ce creşte temperatura, la 750C timpul de prizare ajungând la 2…4 ore, iar la temperaturi mai ridicate sunt necesare adaosuri de întârzietori de priză. La temperaturi până la 100…1200C, zgura se activează cu 10…20 % ciment (var, gips).

Rezistenţa mecanică a pietrei obţinută din simplul amestec zgură-apă (la temperaturi de peste 120…1500C) este redusă, dar poate fi îmbunătăţită prin adaos de nisip silicios. Doza optimă de nisip, la care se obţin rezistenţe mecanice comparabile cu cele ale cimentului portland aditivat, este de 30…40% nisip, faţă de amestec (fig.7.). Adaosul de nisip contribuie la lungirea sensibilă a timpilor de prizare şi pompabilitate, împiedică fenomenul de retrogresie şi măreşte rezistenţa la coroziune a pietrei.

Pentru temperaturi mai mari de 2000C se recomandă folosirea zgurilor acide de furnal, în amestec cu nisip silicios (măcinat sau chiar nemăcinat), cele mai bune rezistenţe mecanice obţinându-se pentru amestecuri de 2:1 şi 1:1 (zgură : nisip). Pastele preparate pe bază de zgură pot fi aditivate cu întârzietori de priză, îngreuiate (cu barită sau alt material de îngreuiere) sau uşurate (cu diatomită sau alt material bogat în silice şi care fixează mai multă apă decât zgura), pietrele obţinute având rezistenţă mecanică mai bună decât a celor din ciment portland. 8.5.5. Amestecuri var-substanţe silicioase Pastele preparate din 30% var stins (mai rar, var nestins) şi 70% făină de silice sau alte materiale bogate în silice (diatomită, cenuşă de termocentrală, tufuri vulcanice) se păstrează vreme îndelungată în stare fluidă la temperaturi reduse, dar prizează şi se transformă în piatră la temperaturi ridicate (peste 1000C). La temperaturi ambiante, viteza de hidratare a amestecului cu apa este scăzută, deşi se formează hidrosilicaţi de calciu cu proprietăţi liante. Peste 600C, eventual în prezenţa unui activator chimic, viteza de formare a hidrosilicaţilor este accelerată, în 2…4 ore amestecurile prizează şi capătă rezistenţă mecanică satisfăcătoare chiar după 24 de ore. Creşterea temperaturii şi a presiunii conduce la o accelerare bruscă a timpilor de prizare, la temperaturi de peste 110…1300C fiind necesari întârzietori de priză (acidul tartric 1,25 %, în combinaţie cu acidul boric 0,25…0,50 %). Rezistenţa mecanică se măreşte cu temperatura, însă, peste 1200C, apare fenomenul de retrogresie, datorită recristalizării hidrosilicaţilor de calciu. Pastele de ciment preparate din var şi substanţe silicioase sunt cu densitate redusă (de regulă, între 1 600…1 700 kg/m3), dar prin creşterea concentraţiei de var pot

180

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

fi preparate şi paste îngreuiate; prin adaos de NaCl se prepară şi paste sărate, cu până la 18 % sare. În SUA se utilizează frecvent, pentru temperaturi cuprinse între 60…2000C, un amestec pe bază de var şi diatomită, numit Pozmix 140.

181

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

9. Paste şi cimenturi speciale 9.1. Cimenturi rezistente la coroziune Pentru a-şi îndeplini funcţia de izolare a spaţiului inelar pe toată durata exploatării unei sonde, piatra de ciment formată între teren şi coloana de burlane trebuie, pe lângă toate celelalte cerinţe formulate, să fie inertă din punct de vedere chimic faţă de toate substanţele naturale sau artificiale cu care aceasta vine în contact. Dintre acestea, acţiunea corozivă cea mai puternică asupra pietrei de ciment o exercită apele de zăcământ, bogate în diverşi electroliţi. Coroziunea de dizolvare poate fi redusă prin fixarea (imobilizarea) hidroxidului de calciu în hidrosilicaţi cu bazicitate scăzută, mai puţin activi; se pot folosi substanţe donatoare de silice din categoria puzzolane sau nisip. Coroziunea magneziană se limitează prin scăderea conţinutului de aluminat tricalcic şi substanţe silicioase, folosirea zgurelor de furnal măcinate grosier (la temperaturi mari şi concentraţii ridicate de Mg2+) şi a amestecurilor ciment-zgură-nisip. Coroziunea sulfatică se reduce prin micşorarea sub 8 % a procentului de C3A în cimenturile cu rezistenţă normală la sulfaţi şi sub 3 % în cele cu rezistenţă ridicată. De asemenea, trebuie limitat conţinutul de feroaluminat tetracalcic, C4AF + 2C3A < 22…24 %, imobilizat hidroxidul de calciu cu substanţe siliciose (de preferat cele cu consum mic de apă), trebuie evitată utilizarea oxizilor de fier pentru îngreuiere, iar dacă se folosesc cimenturi cu 40…50 % calcar măcinat, se formează carboaluminatul de calciu, mult mai stabil. Coroziunea provocată de hidrogenul sulfurat se previne prin micşorarea conţinutului de Fe2O3 sub 10 %, folosirea amestecurilor ciment-puzzolane, ciment-zgură, ciment-var-nisip, a celor pe bază de silicat de sodiu şi numai la temperaturi scăzute, a cimenturilor aluminoase. Coroziunea provocată de CO2 (carbonatică) se poate reduce folosind cimenturi cu zgură şi dacă se limitează adaosurile silicioase. Coroziunea volumică a pietrei de ciment se previne prin prepararea pastelor cu factori apă-ciment scăzuţi, utilizarea unor polimeri care să fixeze cât mai multă apă liberă din porii pietrei de ciment şi dacă se reduce la minim permeabilitatea pietrei. 9.2. Cimenturi expandabile (dilatante) În cimentările obişnuite se folosesc destul de rar astfel de cimenturi, dar pentru perioada de exploatare a unor rezervoare subterane sau la sondele de gaze se impune o foarte bună etanşare a spaţiului inelar. Reţetele de preparare a cimenturilor dilatante trebuie alese astfel încât creşterea cristalelor de hidrosulfoaluminat de calciu să dureze până la un moment bine stabilit din perioada de formare a structurii pietrei de ciment. În caz contrar, dacă mărirea de volum continuă după ce piatra a căpătat o rezistenţă ridicată, se poate produce distrugerea acesteia.

182

Fluide de izolare (cimenturi de sondă)

Se folosesc pentru astfel de compoziţii: magnezita (MgCO3), dolomita (MgCO3⋅CaCO3), varul nestins, gipsul, periclazul (MgO), toate substanţe care dau naştere, în urma reacţiilor cu ceilalţi componenţi, unor compuşi cu volum mărit. Mai posedă proprietăţi de expandare cimenturile sărate, cele cu zgură şi nisip sau cu diatomită. Pentru că au priza şi viteza de întărire mai rapide, pentru cimenturile expandabile sunt necesari întârzietori de priză. 9.3. Paste de ciment cu polimeri Prin utilizarea unor polimeri, naturali sau artificiali, în amestec cu lianţii minerali, se îmbunătăţesc anumite proprietăţi ale pastelor şi pietrelor de ciment: scade viteza de filtrare şi viscozitatea pastelor, se modifică timpii de prizare, creşte rezistenţa fizico-mecanică şi rezistenţa la coroziune, se măreşte aderenţa la burlane şi la roci, piatra devine mai elastică şi practic impermeabilă. Dintre polimerii naturali se folosesc cauciucul natural (latexul), bitumurile, asfalturile şi smoala, diverse proteine (cazeină), glucidele (amidonul, dextrina). Polimerii sintetici sunt într-o gamă mai largă: cauciucurile divinilice şi divinilstirenice, clorura de polivinil, polivinilacetat, polistiren, poliacrilaţi sau polimetacrilaţi, răşinile fenol-formaldehidice etc. De regulă, polimerii se introduc în ciment sub formă de pastă sau suspensie apoasă; formează astfel cu apa o emulsie care coagulează în porii pietrei de ciment sau în porii rocii, reducând permeabilitatea mediilor respective. 9.4. Cimenturi cu gips Gipsul sau sulfatul de calciu este cunoscut sub mai multe tipuri (modificaţii): sulfatul de calciu dihidratat (natural) – CaSO4⋅2H2O, sulfat de calciu semihidratat (ipsos de construcţie) – CaSO4⋅1/2 H2O şi gips deshidratat – CaSO4 sau anhidrit. Modul de obţinere a gipsului determină şi compoziţia sa: când încălzirea are loc în spaţiu deschis la 110…1700 C se obţine un produs fin cristalizat numit ipsos de construcţie; când gipsul este încălzit în autoclave la 115…2000 C, se obţine un produs cu cristale mult mai mari, numit ipsos de mare rezistenţă. Ambii produşi au proprietăţi liante, prizează rapid şi ating o rezistenţă mecanică ridicată încă din primele ore de întărire (5 N/mm2 ipsosul de construcţie şi 20 N/mm2 ipsosul de mare rezistenţă).

Prin hidratare, ipsosul se transformă din nou în gips, sub forma unei pietre cu structură microcristalină. Sulfatul de calciu este relativ solubil în apă, la temperatură de 200 C, de aceea, ipsosul se foloseşte în general ca liant aerian. Pentru a se folosi ca liant hidraulic, timpul de prizare se măreşte la 50…60 min., până la 60…700 C, cu întârzietori de priză (tripolifosfat de sodiu, HMF, borax, leşii sulfitice etc.). Se poate utiliza şi în amestec cu ciment sau zgură. Pastele cu gips au o capacitate mare de expandare în timpul prizării, eliberează aproape întreaga cantitate de căldură de hidratare în primele ore, formează o piatră cu permeabilitate scăzută şi uşor frezabilă. Se folosesc de aceea la combaterea pierderilor de circulaţie foarte severe, oprirea unor manifestări de gaze, repararea unor coloane sparte etc. Un amestec pe bază de gips şi răşini sub formă de praf (hidromitul), tot cu priză rapidă, impermeabil şi expandabil se foloseşte la izolarea apelor de talpă.

183

Fluide de izolare (cimenturi de sondă) 9.5. Paste de ciment cu petrol Amestecurile din ciment şi motorină (sau petrol lampant) sunt inactive până în momentul de contact cu apa. Prin plasarea în zone acvifere, ele absorb apa, care dezlocuieşte motorina, se învâscoşează rapid şi formează o piatră cu rezistenţă mecanică ridicată. Se folosesc la repararea coloanelor sparte, oprirea pierderilor de circulaţie, blocarea unor orizonturi cu apă înainte de fisurarea zonei productive etc. Pentru a mări fluiditatea pastelor şi cantitatea de petrol pe care să o poată tolera amestecul (100 kg ciment în amestec cu 40…50 l motorină), se utilizează diverse substanţe tensioactive dispersante (crezol, acid naftenic, naftenat de calciu etc.), uneori acceleratori de priză (fără apă, pastele ciment-petrol nu prizează chiar la temperaturi mai mari de 2000 C), iar pentru îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice şi de izolare se pot adăuga materiale de umplutură (nisip, bentonită).

Bibliografie

1- Ana, I.-Fluide de foraj şi cimenturi. Ministerul Petrolului, 1986.

2- Bulatov, A.I. - Materiale de izolare şi tehnologia cimentării sondelor. Editura Tehnică, Bucureşti, 1983.

3- Cowan, K.M. - Solidify mud to save cementing time and reduce waste. World Oil, Octombrie, 1993.

4- Horhoianu, Gh. - Fluide de circulaţie şi izolare. I.P.G.Ploieşti, 1984.

5- Macovei, N. - Fluide de foraj şi cimenturi de sondă. Editura Universităţii din Ploieşti, 1993.

6- Macovei, N. - Tubarea şi cimentarea sondelor. Editura Universităţii din Ploieşti, 1998.

7- Macovei, N. - Hidraulica Forajului. Editura Tehnică, Bucureşti, 1983.

8- McCarty, S.M., Daulton, D.J., Bosworth, S.J. - Blast furnance slog use reduces well completion cost. World Oil, Aprilie, 1995.

9- Nahm, J.J. - Universal fluid: A drilling fluid to reduce lost circulationand improve cementing. S.P.E., Februarie, 1994.

10- Popescu, V.S., Horhoianu, Gh. - Fluide de foraj şi cimenturi de sondă. Universitatea de petrol şi gaze Ploieşti, 1993.

11- Suman, G.O.jr., Snyder, R.E. - Primary Cementing: Why many conventional jobs fail. World Oil, Decembrie, 1982.

12- Williams, D., Cheung, R., Norman, M., Woodroof, R.A.jr. - Anular gas migration can be controlled. O.G.J., Ianuarie, 1983.

184