Глава10. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глин

10.1. Глинистые неуплотненные породы. Осложнения при их бурении.

Глинистые неуплотненные породы представлены глинами, суглинками, супесями, в большой или меньшой мере насыщенными водой.

Приурочены такие породы либо к верхним горизонтам, либо к контактам с водоносными пластами, когда глинистые породы не имеют оттока воды (например, в складчатых, в тектонических трещинах и т. д.).

Глинистые породы, полностью насыщенные водой, называют грунтовой массой. Грунтовая масса при отсутствии оттока воды несжимаема вследствие несжимаемости воды и может выдерживать значительное горное давление. Бурение неуплотненных глин сопряжено с рядом наиболее тяжелых осложнений.

Слабонасыщенные глины - пластичны. При обнажении их стволом скважины под действием горного давления пластически деформируют внутрь скважины, сужая её диаметр, вызывая прихваты и обрывы бурового снаряда, повышая трение снаряда и расход энергии на вращение бурового снаряда, затрудняя циркуляцию промывочной жидкости и дохождение снаряда до забоя.

Сильнонасыщенные водой неуплотненные глинистые породы . переходят в текучее состояние. Особенно быстро в текучее состояние переходят легко подвижные пылеватые глинистые разности.

В процессе бурения таких пород образуются пробки, наблюдаются затяжки и прихваты бурового снаряда. После их перебуривания происходит заполнение скважины породой, что требует повторного перебуривания, ухудшаются технологические свойства промывочной жидкости, появляются трудности крепления скважин обсадными трубами.

Вопросами стабилизации стенок скважин в неустойчивых породах занимались О.К. Ангелопуло, С.М. Гамзатов Б.М. Хахаев, Н.А. Сидоров и многие другие исследователи.

Для анализа влияния буровых растворов различных типов на устойчивость пород была принята гипотеза О.К. Ангелопуло, С.М. Гамзатова, Б.М. Хахаева, о существовании в приствольной зоне трех концентрических слоев [15].

Первый слой, составляющий несколько сантиметров, представляет несовершенную полупроницаемую перегородку, пропускающую через себя не только воду, но и растворенные в ней электролиты. При минерализации поровой жидкости глины выше минерализации бурового раствора через эту перегородку происходит диффузия ионов из пор глины в буровой раствор. Во второй слой, расположенный глубже в стенках скважины, в основном поступает только пресная вода за счет капиллярного всасывания и осмоса. В результате увлажнения этого слоя происходит набухание и разупрочнение породы. Третий слой характеризуется естественной влажностью.

В зависимости от свойств первого слоя, как проницаемой мембраны между буровым раствором и поровой жидкостью может установиться осмотическое и диффузионное взаимодействие. Если степень минерализации бурового раствора ниже поровой жидкости, то результаты и диффузии и осмоса, в конечном счете, одинаковы - устойчивость пород, слагающих стенки скважины, уменьшается. При этом степень минерализации поровой жидкости (воды) снижается, что приводит к расширению гидратных оболочек частиц породы. В результате происходит либо увеличение объема породы во втором слое, либо рост в ней внутренних напряжений. Однако влажность породы практически не изменяется. Это обстоятельство, на которое ранее не обращали внимание. Для сохранения устойчивости породы необходимо, чтобы степень минерализации бурового раствора была равной или выше, чем поровой жидкости.

При выборе оптимальных рецептур буровых растворов необходимо исходить из условия упрочнения и кольматации первого слоя ингибиторами разупрочнения пород за счет органоминерального комплекса, представленного макромолекулами органических ингибиторов и солей поливалентных металлов. Макромолекулы органических ингибиторов и электролитов уменьшают подвижность молекул воды и образуют водостойкий слой. В сложных условиях предотвращения увлажнения второго слоя более существенно, чем упрочнение и кольматация первого слоя.

В этих рассуждениях также имеется ряд неточностей.

1. «Полунепроницаемая перегородка» не может пропускать через себя гидратированные ионы электролитов. Никаких особых мембран или перегородок, по нашему мнению, в горных породах нет.

2. Катионы электролитов нейтрализуют потенциал глинистых частиц, снижая объемную энергию породы. Поэтому при минерализации поровой жидкости глины выше минерализации бурового раствора не может происходить диффузия ионов из глины в буровой раствор, а при превышении минерализации (концентрации электролита) бурового раствора над минерализацией глины невозможен переток воды из глины в раствор, так как объемная энергия глины всегда выше объемной энергии раствора. В этом случае может повысится только диспергирование глинистой породы.

3. Ионы неглинофильных, в том числе и весьма гидрофильных электролитов проникают в неуплотненную глину, не на несколько сантиметров, а на значительно большую глубину. По исследованиям самого О.К. Ангелопуло [16] при пропитке растворами KCl слабоувлажненных глин максимальная концентрация ионов K⁺ оказалось в нижней части исследуемого слоя (толщиной 28 мм.). Высокая концентрация гидрофильных обменных катионов глины Ca²⁺ при пропитывании ее растворами KCl оказалась в фильтрате, просочившимся через слой 40 см. Следовательно, первый слой составляет значительно большую величину.

4. Увеличение объема горной породы второго слоя без изменения ее влажности невозможно.