10.4. Полимерполисолевые промывочные жидкости, для бурения неуплотненных глин .

Искусственное упрочнение неустойчивых пород в настоящее время проводят путем введения химических реагентов или приложения физических полей. Наиболее распространенные методы упрочнения пород в скважинах - битумизация, смолизация, силикатизация, цементация, термическая обработка (замораживание, обжиг), электрохимическое упрочнение.

Глинистые породы обладают весьма малыми поперечными размерами пор, и проникнуть в эти поры вяжущий материал может чаще всего в виде ионов SiO₃^2-, Ca²⁺, Mg²⁺.

Недостатком таких растворов является слабая подвижность поливалентных ионов, вследствие чего они проникают в горную породу на небольшую глубину. Увеличить подвижность ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ можно путем добавления в раствор электролитов NaCl или КСl. В присутствии анионов S0₄^2-, Сl^- растворимость даже труднорастворимых солей существенно увеличивается. Так по исследованиям Ф.Ф. Лаптева, при увеличении анионов S0₄^2- от 0,1н до 0,5н переход в раствор ионов Са²⁺ увеличился в 10 раз с 0,12 до 1,18мг-экв/л.

В присутствии NaCI растворимость труднорастворимого гипса возрастает в 2,8 раза. По исследованиям O.K. Ангелопуло [16, при пропитке глинистого образца раствором КС1 в жидкости, вытекающей из конца трубки, было обнаружено высокое содержание ионов Са²⁺ и Мg²⁺. Так, при высоте образца глины 40 см было обнаружено 83.6 г/л Са²⁺ и 9,7 г/л Мg²⁺.

Таким образом ,для радикального упрочнения неуплотненных глин буровой раствор должен иметь в своем составе: полимеры и электролиты одновалентных и поливалентных металлов. Катионы поливалентных металлов способны «сшивать» глинистые частицы породы и тем самым резко повышать прочность породы. Электролиты одновалентных металлов, содержат слабогидрофильные подвижные катионы К⁺ и Na⁺, которые способны проникать на значительную глубину в неуплотненную глину и гидрофобизировать глинистые частицы. Кроме того, они содержат активные анионы Cl^- , SO₄^-, способствующие более активной диссоциации кальциевых солей и глин, что позволяет проникать катионам двухвалентных металлов на большую глубину.

Такие полисолиевые растворы для бурения неуплотненных глин являются весьма перспективными буровыми растворами.

На возможность крепления стенок скважин в неустойчивых терригенно-солевых отложениях полисолевыми растворами указывает O.K. Ангелопуло.[15]

Главной предпосылкой для постановки наших исследований - отмечает он, - был положительный опыт применения на буровых Уральской области в 1965 г. глинистого раствора, насыщенного галитом с добавкой 10-15% комплексной калийно-магниевой соли - карналита. Иными словами, объектом теоретических и экспериментальных работ стали буровые растворы, насыщенные не только одной, но и несколькими солями щелочных и щелочно-земельных металлов и названные полисолевыми растворами.

В результате было доказано, что буровые растворы, обработанные хлоридами натрия, калия, магния и защитными органическими реагентами, обеспечивают нормальное состояние ствола скважины в соленосных породах. Причем для сохранения устойчивости терригенной части разреза может быть использован этот же полисолевой раствор. Оптимальные добавки хлорида магния и защитных коллоидов в хлоркальциевый раствор способствуют повышению устойчивости перемятых глин за счет замедления их капиллярной пропитки.

Отдавая должное эффективности ингибиторов разупрочнения типа силикатов и алюминатов натрия, вызывающих глубокие и необратимые изменения структуры кальциевых глин и повышающих их водоустойчивость, необходимо учитывать целесообразность применения полисолевых растворов [15].

Следовательно, как в природе, так и на практике литификация глинистых пород производится растворами соединений двухвалентных металлов, чаще всего кальция. Однако транспортирование этих соединений в поры глины вызывает большие сложности. Абсорбировать соединения кальция из даже сильно разбавленных цементных растворов или известкового молока глине довольно сложно вследствие значительных размеров и невысокого заряда частиц. Слабо абсорбируются глиной ионы Са²⁺ из растворов Са²⁺+2НСО₃^- (из-за высокой их гидрофильности и наличия анионов НСОз^-).

Да и перевести нерастворимые соли кальция в растворимые:

CaCO₃+H₂O+CO₂Ca²⁺+2HCO₃^-

и наоборот:

Ca²⁺+2HCO₃^- CaCO₃+H₂O+CO₂

весьма трудно.

Вследствие высокой гидрофильности (особенно при наличии в растворе ионов хлора), ионы кальция слабо абсорбируются кальциевой глиной.

В природе в высокоминерализованных водах содержание ионов кальция резко возрастает, так как ионы кальция гидрофильны и уравновешиваются в этих водах большим содержанием хлора [42.

Менее гидрофильными и более глинофильными являются ионы магния. Воды с ионами магния встречаются реже, чем с ионами кальция - это объясняется высокой их глинофильностью.

В поисках эффективных промывочных жидкостей для бурения неуплотненных глинистых пород с высокими крепящими свойствами автором работы были проведены специальные исследования. (см.раздел 3.4) и рекомендован ряд эффективных полимерполисолевых растворов.

Глава11

ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ БУРЕНИЯ МИКРОТРЕЩИНОВАТЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД.

11.1. Микротрещиноватые глинистые породы.

Осложнения при бурении

К твердым скальным глинистым породам относят сцементированные (аргиллит) или метаморфизированные (глинистый сланец) глинистые породы.

Прочность глинистых пород зависит от толщины пленки воды между глинистыми частицами. При уплотнении глины с уменьшением толщины пленки прочность быстро возрастает, порода становится твердой. При дальнейшем уплотнении глины на поздних стадиях диагенеза осадка появляются цементационные связи и соответствующее им сцепление упрочнения. Рост сцепления происходит по мере отложения цементирующего вещества на контактах минеральных зерен. Еще на ранних стадиях диагенеза проявляется клеящая способность коллоидальных пленок кремнекислоты. В результате обезвоживания эти пленки становятся все более и более жесткими и, в конечном счете, приобретают цементационный характер (Н.Я. Денисов, П.А. Ребиндер).

С усилением цементационных связей глинистая порода теряет свойства высокодисперсных систем и постепенно превращается в твердую (скальную) горную породу (аргиллит).

При погружении глинистых пород на глубину в результате высокого давления и температуры глины обезвоживаются, уплотняются, изменяют минеральный состав, возрастает прочность породы. Такие метаморфизованные глинистые породы носят название глинистых сланцев.

Как сцементированные, так и метаморфизованные глинистые породы теряют свойства высокодисперсных систем, слабо адсорбируют воду, не набухают, не размягчаются, ведут себя, как и все скальные породы.

В результате тектонических подвижек в земной коре, вследствие относительно невысокой прочности и жестких связей между минеральными зернами, многие аргиллиты (особенно на больших глубинах) пронизываются системой микротрещин. Образец (керн) такой породы, извлеченный из скважины и погруженный в воду, разваливается на отдельные куски и кусочки.

Разложение горной породы в воде на отдельные кусочки различных размеров (от пылевидных до крупных кусков) в инженерной геологии носит название размокания. Оно характерно для грубообломочных глинистых пород с малым числом пластичности, а также перемятых и дробленых скальных глинистых пород с наличием микротрещиноватости и зеркалами скольжения.

Процесс размокания аналогичен процессу диспергирования. Молекулы воды всасываются трещинами породы, толщина пленок воды между отдельными кусочками возрастает, а прочность связей между ними понижается. В процессе бурения в результате обнажения породы, насыщения трещин водой, ослабления связей между частицами, под воздействием горного давления происходит выдавливание и обрушение их в скважину;

При высоком горном давлении и большом диаметре скважины часто наблюдаются "выстрелы" кусков в скважину. Такие аргиллиты называют "стреляющими".

При бурении обрушения и осыпания стенок скважин также приводят к тяжелым последствиям: заклиниванию, прихвату и обрыву бурового снаряда, завалу скважины, кавернообразованию. Каверны в свою очередь приводят к ряду нежелательных явлений: изгибу бурильной колонны, знакопеременным нагрузкам бурильных труб, их поломкам.

Шлам, который накапливается в кавернах, является потенциальным источником прихвата бурового снаряда.