Технология приготовления раствора

К воде затворения добавляются каустическа и кальцинированная сода, и через воронку вводится бентонит, через 1 час перемешивания вводятся КМЦ, ИКЛИГ-2, ИКДЕФОМ. Через 1 час перемешивания раствор готов.

При бурении для пополнения объема к циркулирующему раствору до­бавляют КР следующего состава, кг/м³:

Nа₂СО₃ 1

NaOH 1

ИКЛИГ-2 10-20

КМЦ LV 3-5

ИКДЕФОМ 0,3

Остальные реагенты, по мере необходимости, могут быть добавлены в буровой раствор, который потом вводится в циркулирующий раствор при бурении или промывках.

§1. Ингибирующие буровые растворы

Такие системы созданы для предупреждения аварий и осложнений, связанных с осыпями и обвалами неустойчивых глин. Этот вид осложнений при бурении вызывает наибольшие потери, которые нередко заканчиваются ликвидацией скважин, поэтому трудно переоценить роль буровых растворов в решении этой нелегкой задачи.

В настоящее время уровень знаний и практических достижений в этой области таков, что проблема бурения в неустойчивых глинах практически не существует. Успех предупреждения осыпей и обвалов глинистых пород в различных геологических условиях полностью зависит от правильного выбо­ра типа бурового раствора, его состава и свойств.

Поведение потенциально неустойчивых глин определяется двумя ос­новными факторами - физико-химическим и физическим.

Первый фактор является основным, и его сущность заключается в ха­рактере (механизме) физико-химического взаимодействия бурового раствора и его фильтрата с разбуриваемыми глинами.

Проявление так называемого физического фактора заключается в вы­пучивании глин в скважину под действием аномально высоких поровых дав­лений в глинах или горного давления в зонах тектонических нарушений, ко­гда глинистые породы «перемяты» при больших углах падения пород.

Рассмотрим последовательно действие обоих факторов.

Физико-химическое взаимодействие глин с буровыми растворами (фильтратом) начинается с процессов их гидратации кристаллов глинистых минералов и набухания в микротрещинах. Расклинивающее давление кри­сталлического набухания проявляется на расстоянии , соизмеримом с толщи­ной гидратной оболочки и, чем ближе к поверхности, тем выше давление на­бухания, величина которого достигает тысяч атмосфер. Физическое противо­стояние таким силам (повышение плотности раствора) практически не реаль­но.

Однако, подавить процесс набухания глин можно физико-химическими методами, именно этот процесс и называется ингибированием. Это достига­ется с применением в растворах электролитов (солей) в определенных кон­центрациях, превышающих порог коагуляции. Из числа известных растворов этого типа (гипсовый, хлоркальциевый) наиболее эффективным является ка­лиевый раствор. Уникальность этого раствора заключается в том, что ион ка­лия, в сравнении с другими катионами, обладает особым ингибирующим действием. Во-первых, он подавляет процесс набухания глин, адсорбируясь в достаточном количестве на б.азальных плоскостях, и полностью нейтрализует заряд поверхности. Ион калия является практически негидратируемым ка­тионом, за счет чего достигается надежная коагуляция плоскостей глины. Во-вторых, малый размер гидратированного катиона калия позволяет ему про­никать в особые места кристаллической решетки глин и необратимо нейтра­лизовать отрицательный заряд поверхности глины. В результате такого хи­мического взаимодействия происходят изменения минералогической приро­ды глин, которые превращаются в водонечувствительный минерал - до­вольно хорошо окристаллизованную гидрослюду. Этот процесс практически необратим. Интенсивность такого процесса насыщения глины ионами калия зависит от концентрации данных ионов, примесей других солей, температу­ры и величины рН. Дешевым и доступным источником ионов калия является хлористый калий. Оптимальная концентрация этого ингибитора в растворе колеблется от 5 до 12% и зависит от физико-химических свойств разбури­ваемых глин и концентрации других солей (неизбежные примеси), которые замедляют действие ионов калия. Для эффективного ингибирования необхо­димо, чтобы концентрация хлорида калия не менее чем в 3 раза превышала концентрацию других солей (NaCI, Na₂SО₄, CaSО₄). Так, если калиевый рас­твор готовится на морской воде (концентрация солей 3-3,5%), содержание хлористого калия в растворе должно быть 10-12%. Важным условием являет­ся величина рН, которую необходимо поддерживать на уровне 9-10. Интен­сивность ингибирования возрастает с повышением температуры.

Все указанные условия выполнимы в процессе бурения, поэтому ка­лиевые растворы широко и успешно применяются.

В последние годы разработан ряд дополнительных органических инги­биторов, усиливающих действие калиевого раствора.

Эго - полиакриламид низкого и высокого молекулярного веса (ИКСТАБ), сульфированный асфальт (ИКМАК) и гликоли различного строения и молекулярного веса (ИКГЛИК). Из их числа наиболее эффективно усилива­ют ингибирующую способность калиевого раствора гликоли за счет даль­нейшего и более глубокого снижения степени гидратации глин. Благодаря применению таких систем полностью удается избежать осыпей неустойчи­вых глин даже в особо сложных геологических условиях.

Для приготовления и регулирования свойств калиевых растворов ис­пользуются стандартные солестойкие реагенты, наиболее эффективными из них являются полисахариды семейства ПАК.

Аналогичные явления и физико-химические процессы происходят так­же при взаимодействии неустойчивых глин с растворами на углеводородной основе (РУО). В полевых условиях безводных РУО не бывает, минимальное содержание воды в них составляет 5-8%. Прямого контакта проэмульгированных в РУО капелек воды нет, однако в этой среде достаточно активно может проходить процесс увлажнения глин, вплоть до и их осыпей. Перенос влаги из раствора в стенку скважины идет через пары воды, давление кото­рых над раствором и глиной с естественной влажностью (3-5%) не одинако­вы и, как правило, последнее оказывается ниже.

В этих условиях для преду­преждения увлажнения неустойчивых глин и их осыпей, необходимо сбалан­сировать давление паров воды над раствором и pазбуриваемой глинистой по­родой. Для этого в водную фазу раствора на утлеводородной основе вводят электролиты такие, как NaCI и СаСl₂, в больших количествах, вплоть до насыщения. Это приводит к требуемому снижению давления паров воды над РУО (в 1,5-2 раза), предупреждению увлажнения с набуханием глин и их осыпей за счет физико-химического взаимодействия.

Не менее важным в проблеме устойчивости глин является и так назы­ваемый физический фактор.

Действие этого фактора проявляется при бурении в условиях АВПД и нарушенных, перемятых зонах, когда осыпи горных пород происходят под воздейсгвием физических сил, а гидростатического столба жидкости недос­таточно для сдерживания этого процесса. Интенсивность этих осложнений может быть различной в зависимости от геологических условий.

Предупредить осыпи в этих случаях удается путем ступенчатого по­вышения плотности бурового раствора (по 0,05-0,1 г/см³). Как правило, горно-геологические условия бурения бывают известны, и требуемая плотность раствора регламентируется в программе по буровым растворам или в про­грамме на бурение скважины.

Однако, очень важно распознавать причину осложнений. Физико-химическое взаимодействие глин с буровым раствором происходит постоян­но, а проявление физических сил наблюдается только в особых геологиче­ских условиях. В большинстве случаев нормальной плотности бурового раствора(1,12-1,2г/см³ ) бывает достаточно для достижения физического баланса в скважине.

Вот почему, на основе имеющейся геологической информации о по­тенциально неустойчивых глинах в разрезе скважины необходимо правильно выбрать тип бурового раствора, ингибирующая активность которого должна быть достаточна для данной породы. Если при бурении с промывкой таким раствором происходят осложнения из-за осыпей и обвалов глин, необходимо ступенчато повышать плотность раствора.

Далее, рассмотрим несколько составов и свойства ингибирующих ка­лиевых растворов.