Получение модифицированного барита на основе баритовой руды месторождения «Сарибулак» Республики Узбекистан



В статье приводятся результаты лабораторных исследований по получению модифицированного барита с применением нового флотореагента, предназначенного для удаления примесей из состава баритовой руды.

Представлены результаты исследовательских работ по изучению технологических свойств полученного модифицированного барита, а также данные сравнительного анализа его утяжеляющей способности для различных буровых растворов по сравнению с применяемым баритовым концентратом.

Ключевые слова: баритовая руда, баритовый концентрат, флотация, гравитация, флотореагент, флотационная машина, шаровая мельница, гидроциклон, вибромельница, модифицированный барит

В процессе строительства нефтяных и газовых скважин для сохранения устойчивости стенок скважин, предотвращения течения солей, и предупреждения проникновения в скважину пластовых флюидов возникает необходимость увеличения плотности бурового раствора, что может быть осуществлена введением компонентов с повышенной плотностью.

Сравнительно небольшое увеличение плотности (1150–1250 кг/м³) возможно путем добавления глин (монтмориллонитовая или гидрослюдистая), как это часто делают на практике [1]. Однако такое решение нельзя считать правильным, т. к. для небольшого повышения плотности приходится увеличить концентрацию твердой фазы. Растворы плотностью до 1600–1800 кг/м³ получают из шлама карбонатных и сульфатных пород. Шлам размалывают на шаровых или вибрационных мельницах и вводят в раствор вместе с реагентами — стабилизаторами карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ), гипаном, конденсированной сульфит-спиртовой бардой (КССБ) и др. [2]. Однако при этом увеличивается концентрация твердой фазы, толщина глинистой корки, резко проявляется отрицательное влияние дифференциального давления. В этих случаях, а также для большего повышения плотности используют специальные утяжелители. К этим утяжелителям относятся барит (BaSO₄), гематит (Fe₂SO₃) магнетит (Fe₂SO₄), шлаки медных и свинцовых руд [3]. В табл. 1 приводятся характеристики утяжеляющих добавок, которые широко применяются для приготовления утяжеленных буровых растворов.

Железистые утяжелители получают путем помола гематитовых и магнетитовых руд. Существенным недостатком железистых утяжелителей, является их высокая абразивность по отношению к бурильным трубам, наличие магнитных свойств, повышающих прихватоопасность при нахождении труб в скважине. Лучшим утяжелителем для доведения плотности раствора до 1800–2200 кг/м³ является барит, относительно менее твердый по сравнению с железистыми утяжелителями, малоабразивный, инертный, с достаточно мелкими размерами частиц. При утяжелении баритом абразивность раствора примерно в 3–4 раза ниже, чем при утяжелении его железистыми утяжелителями.

Баритовый утяжелитель получают при помоле природного минерала — тяжелого шпата (сульфат бария) плотность которого достигает до 4600 кг/м³. Утяжеленный раствор не должен содержать избытка глины, фильтрация по ВМ-6 должна быть не более 10 см³ за 30 мин, вязкость по СПВ-5 не более 50 с. Перед введением в раствор утяжелитель слегка увлажняют для удаления из него воздуха.

Таблица 1

Характеристика утяжеляющих добавок

Минералы	Плотность, кг/м3
Окись железа Барит Целестит Доломит Известняк Кальцит Полевой шпат Кварц Глина Бентонит	4600–5100 4300–4600 3800–4000 2800–3000 2700–2900 2700 2600–2700 2600–2660 2500–2700 2300–2400

В Республике Узбекистан (РУз) в качестве утяжелителя используются, в основном, баритовые концентраты. На протяжении последних лет промышленные потребности буровых предприятий АК «Узгеобурнефтегаз» покрываются за счет завоза баритового утяжелителя из горно-обогатительных комбинатов Республики Казахстан. В 2009 году при АК «Узгеобурнефтегаз» создано дочернее предприятие «Нефтегазминерал», которое выпускает баритовый концентрат на основе баритовых руд РУз. В данный момент на месторождении «Сарибулак» выпускается баритовый концентрат без обогащения баритовой руды, поэтому с помощью данного утяжелителя невозможно приготовит буровые растворы с плотностью более 1800–1900 кг/м³. В связи с этим при приготовлении буровых растворов с показателем величины плотности более 1900 кг/м³ применяются баритовые утяжелители зарубежного производства.

Из практики строительства нефтяных и газовых скважин известно, что баритовый утяжелитель невозможно производить без обогащения природной баритовой руды. Поэтому предприятия Республики Казахстан баритовый утяжелитель производят двумя способами обогащения баритовой руды: флотационным и гравитационным.

В закрытом акционерном обществе «Салаирский химический комбинат» (Россия) выпускается баритовый концентрат со следующими показателями (табл. 2)

Таблица 2

Технологические показатели баритового концентрата ЗАО «Салаирский химический комбинат»

Наименование показателя	Значение
Внешний вид	Мелкодисперсный порошок белого цвета с желтым оттенком
Плотность, кг/м3	4400
Массовая доля BaSO4, %	94
рH 10 % ной водной вытяжки	7,8
Массовая доля водорастворимых солей, %	0,01
Массовая доля пирита, FeS2, %	0,1
Массовая доля остатка после просева на сите 0,071, %	3,2
Массовая доля фракции менее 6 мм, %	7

Приведенные показатели являются достаточно высокими для баритового утяжелителя, и они соответствуют показателям барита сортности КБ-3. В то же время технологическая линия производства баритового утяжелителя на этом комбинате основана на флотационном способе извлечения утяжелителя после выделения полиметаллов.

Качество утяжелителя, изготовленного из флотационного баритового концентрата, как правило, далеко от совершенства и не удовлетворяет требованиям технологии бурения скважин. При производстве баритовых утяжелителей путем флотационного обогащения используются различные флотационные реагенты, роль которых заключается в селективном воздействии на поверхность частиц барита, в результате которого она гидрофобиизируется, и барит, захваченный пузырьками воздуха, отделяется на флотационных машинах.

Из практики известно, что при вводе в буровой раствор утяжелителей, полученных флотационным способом, происходит значительная аэрация раствора. Вследствие этого наблюдается интенсивный рост его структурно-механических и реологических свойств. Несмотря на высокую плотность исходного минерального концентрата, это существенно снижает утяжеляющую способность в целом.

Известно, что термическая обработка является наиболее простым способом удаления остаточной реагентики с поверхности баритовых частиц. Под воздействием высоких температур органические соединения расщепляются и улетучиваются. Однако баритовые концентраты содержат в своем составе примеси нетермостойких минералов (сульфидные минералы, карбонаты, содержащие ионы Мg⁺⁺, Са⁺⁺ и др.), которые при температурах 350–450°С переходят в водорастворимые соединения MgSO₄, CaO, CaSO₄ и оказывают вредное воздействие на технологические свойства буровых растворов. Второй способ повышения гидрофильности баритовых утяжелителей, используемый на практике, заключается в обработке баритового концентрата гидрофилизирующими реагентами.

Известен способ обработки триполифосфатом (ТПФ) в процессе сушки [3]. Модификация поверхности флотационного баритового концентрата после обработки водным раствором триполифосфата обусловлена гидрофилизирующим действием ионов РО^-3 образующих труднорастворимый фосфат барита. Взаимодействие иона триполифосфата с имеющимися на поверхности частиц барита катионами кальция приводит к образованию нерастворимого фосфата кальция в коллоидном состоянии, закрепляющегося на поверхности частиц барита в виде гидрофильного покрытия. Однако модификация вышеперечисленными реагентами не обеспечивает необходимого снижения отрицательного влияния остаточных флотореагентов на технологические свойства буровых растворов, которое в результате чрезмерной гидрофилизации поверхности проявляется в потере седиментационной устойчивости раствора, утяжеленного баритом, модифицированным фосфатами.

В ЗАО «Салаирский химический комбинат» [4] была разработана и внедрена оригинальная технология модификации баритового концентрата, обеспечивающая оптимальный гидрофильно-гидрофобный баланс поверхности частиц барита, что полностью устраняет отрицательное влияние остаточной флотореагентики на технологические свойства утяжеляемого бурового раствора (табл.2). Новым в технологии является то, что модификацию поверхности частиц барита проводят еще на стадии сгущения флотационного баритового концентрата (с содержанием BaSO₄ не менее 92–97 %) путем обработки, специально разработанным углефосфатным реагентом (УФР), относящимся к классу высокомолекулярных алифатических соединений. В результате обеспечивается полное взаимодействие поверхности барита с гидрофобизирующим реагентом и устраняется вероятность нахождения в утяжелителе УФР в свободном виде.

Известно, что существенное влияние на предел утяжеления буровых растворов оказывает и дисперсность утяжелителей. Использование утяжелителей крупного помола обусловливает уменьшение седиментационной устойчивости растворов, усиление абразивного износа бурового оборудования, понижение стойкости буровых долот и как следствие уменьшение скорости бурения.

Учитывая вышеизложенное, авторами были проведены лабораторные исследования по получению высококачественного баритового утяжелителя на основе баритовой руды площади «Сарибулак». Для этой цели использовался метод флотации баритовой руды с применением нового флотационного реагента местного производства. Лабораторные исследования начались с измельчения баритовой руды вместе с чужими примесями с размером частиц от 1мм до 5–10мм. После чего смесь измельченной руды погружали в водный раствор флотационного реагента с различной концентрации и перемешивали течение 15–20 минут. Далее с помощью сита диаметром 1мм просеяли водную смесь баритовой руды. Остаток частиц твердой фазы промыли водой и сушили его в открытом воздухе и произвели измельчение очищенной руды до требуемого размера.

В производственных условиях для получения очищенного барита требуется дробилка, в котором производится измельчения баритовой руды вместе с чужими примесями. Далее измельченная руда поступает в бетономешалку, в котором предварительная готовиться приготавливается водный раствор флотационного реагента. В течение 15–20 минут производится перемешивание измельченной баритовой руды в водном растворе флотационного реагента. После чего готовый раствор поступает в вибросито, в котором отделяется твердые частицы от водного раствора с коллоидными частицами. На вибросите промывается с водой твердые частицы баритовой руды и производится сушка. Полученная очищенная баритовая руда с помощью мельницы измельчается до требуемого размера и упаковывается в мешки.

Проводились лабораторные исследования по определению утяжеляющей способности полученного модифицированного барита. Для этой цели сначала приготавливались глинистые буровые растворы с применением химических реагентов и материалов широко используемые в процессе бурения нефтяных и газовых скважин в АК «Узгеобурнефтегаз». После чего в полученные глинистые буровые растворы вводился модифицированный барит, и измерялись их технологические параметры. Для сравнения технологических параметров полученных утяжеленных глинистых буровых растворов на основе модифицированного барита в качестве эталона авторами взяты утяжеленные глинистые буровые растворы на основе барита производства ДП «Нефтегазминерал». Результаты проведенных лабораторных исследований приводится в табл.3

Таблица 3

Влияние модифицированного барита на технологические свойства буровых растворов

№	Состав бурового раствора	ρ, кг/м3	Т500, с	Ф, см3/30 мин	Тк, мм	рН
1.	1000мл вода+3 гр. NaOH+ 3 гр. Na2CO3 +50 гр. бентонитовая глина марки ПБГ+5гр. КМЦ (Наманган)+10 гр. КССБ	1040	17	5,0	1,0	11,0
2.	Исх. р-р № 1+200 % барит ДП «Нефтегазминерал»	1920	140	5,0	1,0	11,0
3.	Исх. р-р № 1+250 % барит ДП «Нефтегазминерал»	2030	240	5,0	1,0	11,0
4.	Исх. р-р № 1+250 % модифицированный барит	2230	40	5,0	1,0	11,0
5.	Исх. р-р № 1+300 % модифицированный барит	2350	80	5,0	1,0	11,0
6.	900 мл вода+15 гр. ПАА (негидролизованный)+100 мл нефть+300 гр. NaCl+500 гр. мраморная пудра (Нурота) +1500 гр модифицированный барит	2030	130	4,0	1,0	6,0
7.	900 мл вода+15 гр. ПАА (негидролизованный)+100 мл нефть+300 гр. NaCl+500 гр. мраморная пудра (Нурота)+2000 гр. модифицированный барит	2250	240	4,0	1,0	6,0

Как видно из данных таблицы с помощью модифицированного барита полученного на основе баритовой руды месторождения «Сарибулак» можно приготовить утяжеленные глинистые буровые растворы с плотностью до 2350 кг/м³ и безглинистые соленасыщенные буровые растворы с плотностью до 2250 кг/м³.

Таким образом, результаты проведенных лабораторных исследований показывают, что с помощью нового флотационного реагента и разработанной технологии очистки баритовой руды, можно производить качественный барит, обеспечивающий приготовление утяжеленных буровых растворов со стабильными технологическими параметрами.

Литература:

1. Булатов А. И., Проселков Ю. М., Шаманов С. А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. — М.: Недра, 2003. — 620 с.
2. Рязанов Я. А. Энциклопедия по буровым растворам. — Оренбург, Летопись, 2004. — 664 с.
3. Рахимов А. К., Аминов А. М., Рахимов А. А. Пармаловчи мухандислар учун маълумотнома. — Ташкент, 2007. — 198 с.
4. Рахимов А. К. Практическое руководство по ликвидации аварий и осложнений при бурении скважин. — Ташкент, 2008. — 103 с.