9.4. Основные направления выбора промывочной жидкости для бурения глинистых пород

Как отмечено выше, основной причиной осложнений при бурении глинистых пород водой является их гидрофильность и абсорбция ими воды (в результате взаимодействия (полярной) поверхности глинистых частиц с полярными гидрофильными молекулами воды). Интенсивность абсорбции зависит от объемной энергии глины (гидрофильности) и дисперсности глинистых частиц, а также пористости пород.

Понизить абсорбцию воды глиной можно тремя путями:

1- повышением объемной энергии компонентов бурового раствора;

2-гидрофобизацией стенок скважины неполярными жидкостями и полимерами;

3-нейтрализацией поверхности глинистых частиц катионоактивными электролитами.

Буровой раствор является дисперсной системой с водной дисперсионной средой и гидрофильной дисперсной фазой, представленной различными компонентами. Благодаря гидрофильности компонентов раствора, молекулы воды взаимодействуют с ними и образуют сложные структуры. С повышением объемной энергии гидрофильных компонентов (их концентрации и гидрофильности) повышается вязкость и СНС раствора, понижается водоотдача (количество свободных молекул воды), а значит, понижается количество воды, абсорбируемой породой, понижается количество глинистых частиц, диспергирующих в буровой раствор.

При равенстве объемных энергий глинистой породы и компонентов бурового раствора абсорбция воды породой прекратится.

Второй путь - снижение абсорбции глиной воды - не менее (a может быть, более) важный, особенно для уплотненных глин. Для гидрофобизации стенок скважин можно применять как различного рода полимерные растворы (ингибиторы диспергирования) так и специальные смазки. В результате гидрофобизации поверхности стенок скважин резко понижается набухание и разупрочнение глин, а главное, предотвращается их диспергирование.

Третий путь предупреждения гидратации глинистых пород - нейтрализация поверхностного заряда частиц катионактивными электролитами (ингибиторами разупрочнения). Буровые растворы, содержащие электролиты, получили название ингибирующих.

Вследствие того, что при наличии в растворе катионоактивных электролитов (особенно с большим зарядом) возрастает диспергирование глины, поэтому в ингибирующие растворы совместно с электролитами вводят полимеры.

9.5. Анализ эффективности применяющихся глинистых растворов для бурения уплотненных глин.

Необработанные глинистые растворы. Эти растворы представляют собой суспензии глин. приготовленные из комовой глины и глинопорошков или суспензии, образованные в процессе бурения путем "самозамеса" из разбуриваемых глин. В недалеком прошлом эти растворы находили широкое применение, а в некоторых геологоразведочных партиях используются и до настоящего времени.

С позиции современных представлений о происходящих процессах в контакте раствора и уплотненных глин, добавление глины в буровой раствор является наиболее простым способом повышения объемной энергии раствора, которая позволяет, с одной стороны, повысить ее плотность и прочность структуры, понизить водоотдачу, с другой - уменьшить разность объемной энергии породы (глины) и компонентов бурового раствора, а следовательно, и абсорбцию глиной молекул воды, ее набухание и разупрочнение.

Вследствие того, что объемная энергия глины значительно выше объемной энергии раствора, уравновесить их невозможно. Поэтому даже при высокой концентрации глины в растворе наблюдается диффундирование глинистых частиц из глины в раствор и, наоборот, молекул воды из раствора в горную породу.

Кроме того, в интервалах проницаемых пород в результате высокой абсорбции воды породой на стенках скважины образуется толстая глинистая корка, уменьшающая диаметр скважины, что приводит к затяжкам и прихватам бурильной колонны.

В связи с вышеизложенным необработанные глинистые растворы для промывки скважин рекомендуется использовать только в твердых (устойчивых) глинистых породах.

Гуматные глинистые растворы. Это глинистые растворы, активированные углещелочными реагентами (УЩР). В результате активации глинистых частиц щелочью увеличивается объемная анергия твердой фазы, снижается водоотдача бурового раствора (до 4-10 см³ /30 мин), что ранее считалось основным условием предупреждения набухания и разупрочнения глинистых пород. Однако щелочь (при применяемой концентрации УЩР 3-5 % она составляет 0,4-0,65 %) активирует не только глинистые частицы раствора, но и глинистые частицы породы, в результате чего ее гидратация не только не понижается, а напротив, повышается. Повышается при этом диспергирование глины и ее разупрочнение. Поэтому для бурения глин обработка глинистых растворов реагентами УЩР не рекомендуется.

Лигносульфонатные глинистые растворы. Это глинистые растворы, активированные лигносульфонатными реагентами. Главная функция лигносульфонатных реагентов - снижение вязкости раствора при высокой концентрации глины, поступившей в раствор при бурении глинистых пород. Как известно [9], молекулы ССБ в соответствии с правилом уравнения полярностей Ребиндера своей полярной частью поворачиваются в сторону полярной жидкости (воды), а водородной частью (за счет водородной связи) адсорбируются на поверхности частиц. В результате активации частиц толщина их гидратной пленки возрастает, а с увеличением толщины пленки ее прочность понижается, понижается водоотдача, СНС и вязкость раствора в целом. Наиболее эффективными для бурения глин являются кальциевые ССБ, поскольку ионы кальция способствуют нейтрализации отрицательного заряда глинистых частиц, а следовательно, способствуют снижению их гидратации.

Хромлигносульфонаты (окзил, ФХЛС, КССБ-4) отличаются наличием хрома в реагентах. Эти реагенты используют для обработки глинистых растворов, применяемых при высоких забойных температурах. Хром и железо, кроме того, ингибиторы гидратации и хорошие разжижители, но, по мнению некоторых исследователей [10], - экологически опасны.

Однако лигносульфонаты способны активировать и глинистые частицы пород, поэтому применение этих растворов не исключает диспергирования глинистых пород.

Исследователи США (11] установили, что из всех буровых растворов, применяющихся для бурения глинистых пород, наименьшим ИУС (индексом устойчивости сланцев - образцов, спрессованных из монтморилонита, каолинита и известняка) обладают лигносульфонатные растворы (ИУС даже феррохромглиносульфонатных растворов равен всего 53).