книги из ГПНТБ / Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник

промывка не применима, если происходит поглощение промывочной жидкости. В настоящее время при бурении применяется в основном прямая промывка.

Промывочная жидкость выбирается в зависимости от свойств бу­ римых пород. При бурении скважин в устойчивых породах приме­ няется техническая вода. При бурении в малоустойчивых породах проходка скважин проводится с промывкой глинистыми растворами.

Глубокое бурение по мощным толщам слабых

ипучащихся пород требует применения утяжеленных

ихимически обработанных растворов.

Бурение в крепких и очень крепких породах наиболее эффективно при промывке скважины рас­ творами понизителей твер­ дости.

Проходка скважин в, толще минеральных солей производится с промывкой насыщенными растворами этих солей.

При бурении в безвод­ ных скважинах и в мерз­ лых льдистых породах наибольший эффект дает продувка скважин охлаж­ денным сжатым воздухом.

§2. ПОНЯТИЕ

ОГЛИНИСТЫХ РАСТВОРАХ

ИИХ ПРИГОТОВЛЕНИИ

готовления глинистых растворов являются бентонитовые глины, содержащие большое количество минерала монтмориллонита.

чивы и довольно быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Натриевые глины дают более стабильные растворы, чем кальцие­

вые и магниевые.

Качество глинистых растворов зависит прежде всего от явлений, происходящих на разделе частиц глины с водой.

1.Большое значение имеет размер глинистых частиц. Чем меньше размер частиц и больше частиц, имеющих форму тонких лепестков, тем стабильнее глинистый раствор.

2.Для устойчивости глинистых растворов важно, чтобы слои

воды, прилегающие к частицам, обладали повышенной вязкостью и упругостью и образовывали вокруг частиц глины гидратационные оболочки.

3. Наконец, для устойчивости растворов необходимо наличие заряженного ионного облака вокруг глинистых частиц, создающего электростатические силы отталкивания между частицами. При нали­ чии этих сил частицы не могут слипаться друг с другом, и суспензия будет устойчивой.

При уменьшении ионного облака и гидратациопного слоя вокруг частиц суспензия начнет коагулировать.

Коагуляция бывает двух видов: гидрофобная и гидрофильная. Коагуляция первого вида происходит, когда частицы глины лишены защитных гидратационных и ионных оболочек по всей поверхности. При этом частицы слипаются и оседают, образуя плотный осадок сравнительно небольшой влажности. Гидрофобная коагуляция не­ обратима.

Если поверхности глинистых частиц защищены гидратационными оболочками, но имеются поверхности, где эти оболочки отсутствуют, то происходит гидрофильная коагуляция. В этом случае осадок не выпадает, а образуется пространственная сетчатая структура. При этом сплошная сетчатая структура пронизывает весь раствор. Жид­ кая фаза раствора с частицами породы закупоривается в ячейках пространственной сетки, и вся система становится подобной твер­ дому телу.

При перемешивании связи между частицами разрушаются и си­ стема становится жидкой. Такое явление называется тиксотропией.

Сетчатая структура, образующаяся в глинистых растворах при их стоянии, имеет большое значение.

1. Наличие этой структуры препятствует оседанию шлама на за­ бой в случае прекращения циркуляции.

2. Способствует закупориванию пор и трещин в стенках скважины при вскрытии скважиной пористых пород. .

§ 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ

Для бурения в породах, не дающих осложнений, применяют нормальные глинистые растворы, обладающие следующими свой ствами:

Удельный вес определяет величину гидростатического давления промывочной жидкости на стенки и забой

Для измерения удельного веса глинистых растворов применяют ареометр АГ-2 (рис. 29, а). Он состоит из поплавка 2 со шкалой 1, стакана 3 и груза 4.

Стакан наполняют глинистым раствором, после чего в стакан вставляют поплавок. Затем смывают снаружи следы раствора и погружают прибор в сосуд с чистой водой. Отметка на шкале 1 глубины погружения поплавка покажет удельный вес раствора. Имеются две шкалы, из которых одна служит для измерения удель­ ных весов от 0,9 до 1,7, а вторая — от 1,6 до 2,4. В последнем случае

стью понимается внутреннее трение, существующее между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга с различной скоростью.

На буровых скважинах условная вязкость определяется при помощи стандартного полевого вискозиметра (СПВ-5). Прибор (рис. 29, б) состоит из воронки 1 с латунной трубкой с внутренним диаметром 5 мм и длиной 100 мм, кружки 2 с глухой перегородкой, разделяющей ее на две емкости 200 и 500 см3, и сетки 3. Перед опре­ делением вязкости раствор взбалтывают и пропускают через сетку. Воронку промывают водой и затем в нее наливают 700 см3 раствора, закрыв при этом снизу трубку пальцем. После этого в отделение кружки емкостью 500 см3 выцеживают раствор. Время истечения 500 см3 замеряют секундомером.

Время истечения 500 см3 воды равно 15 с. Чаще применяются растворы, 500 см3 которых вытекают за 18—24 с (вязкость 18— 24 с). Для борьбы с поглощением применяются растворы повышен­ ной вязкости (40—60 с и более).

С о д е р ж а н и е п е с к а в г л и н и с т о м р а с т в о р е . При значительном содержании песка в растворе происходит бы­ стрый износ деталей насоса, бурового сальника (вертлюга) и другого оборудования. Во время остановки циркуляции песок оседает на забой скважины и может прихватить колонковый снаряд.

Под «песком» понимается содержание твердых частиц разбу­ ренных пород и комочков глины. Содержание песка определяется разбавлением раствора водой в отношении 1 : 9 и отстоем в течение 1 мин. За это время в осадок выпадают фракции песка крупнее 0,1 мм. Для более полного осаждения всех фракций песка, в том числе и тонкодисперсных, оставляют прибор в покое в течение 3 мин.

Для определения содержания песка применяется отстойник ОМ-2 (рис. 29, в), который представляет собой цилиндрический

металлический сосуд 2 с плотной крышкой 1, в нижней части которого укреплена сменная стеклянная бюретка 3, защищенная чехлом. В верхней части цилиндра 2 на уровне объема 500 см3 сделано отвер­ стие диаметром 3 мм. Крышка 1 имеет емкость 50 см3.

Отстойник промывают и вытирают. Из крышки 1 вливают 50 см3 раствора в отстойник. Затем кружкой 4 наполняют отстойник водой

Рис. 29. Приборы для контроля глинистого раствора:

а — ареометр АГ-2; б — ви­

скозиметр СПВ-5; в — от­ стойник ОМ-2; г — прибор для определения стабильно­ сти ЦС-2; ö — прибор ВМ-6 для определения водоотда­ чи; е — пластометр СНС-2.

(450 см3) до уровня отверстия, через которое сливается избыток воды. Устанавливают отстойник вертикально. Через 1 мин смотрят по шкале бюретки 3 количество осадка (песка). В нормальном глини­ стом растворе содержание песка должно быть менее 4 %.

С у т о ч н ы й о т с т о й характеризует стабильность гли­ нистого раствора, т. е. способность в течение длительного времени не расслаиваться на твердую и жидкую фазы. Нормальные глинистые растворы не должны за сутки давать отстой более 3—4%.

Стабильность глинистого раствора определяется с помощью при­ бора ПС-2 (рис. 29, г). Раствор заливают в цилиндр 1 и оставляют

на сутки в покое. Затем берут пробы раствора через краны 2 и 3 и из­ меряют удельный вес каждой пробы. Чем меньше разница удельных весов, тем стабильнее раствор. У нормальных растворов эта разница не должна превышать 0,02 гс/см3.

В о д о т д а ч а характеризует способность глинистого раствора отфильтровывать воду в пористые породы. Показатель водоотдачи характеризуется объемом воды в см3, отфильтровывающейся в тече­ ние 30 мин из глинистого раствора через бумажный фильтр диаме­ тром 75 мм под избыточным давлением.

Водоотдача имеет большое значение при бурении в пористых по­ родах. Глинистые растворы с большой водоотдачей образуют рых­ лую корку, сужающую ствол скважины и вызывающую затяжки бурового инструмента при подъеме. Проникновение воды в гли­ нистые породы вызывает их набухание и выпучивание в ствол сква­ жины.

Снижение водоотдачи глинистого раствора способствует устра­ нению этих явлений.

Величина водоотдачи зависит:

1)от качества глины;

2)от качества воды: жесткая и засолоненная вода повышает водо­ отдачу;

3)от способа приготовления раствора: недостаточное размеши­ вание глины приводит к повышению водоотдачи;

4)надлежащая химическая обработка раствора приводит к сниже­ нию водоотдачи.

Водоотдачу глинистого раствора определяют на приборе ВМ-6 (рис. 29, д). Между фильтрационным стаканом 5 и поддоном 6 за­ кладывают решетку 7, накрытую кружком смоченной фильтроваль­ ной бумаги, и закрывают клапан 8 с помощью винта 9. В стакан 5 заливают 120 см3 глинистого раствора. Поверх раствора в цилиндр 2 заливают машинное масло и опускают в цилиндр плунжер 3. При­

открывают вентиль 10, спускают избыток масла с тем, чтобы нуле­ вое деление на шкале совпало с меткой на цилиндре 2.

При помощи винта 9 открывают клапан 8 и одновременно фик­ сируют время.

Давление на глинистый раствор, находящийся в стакане 5, пере­ дается через масло весом груза, состоящего из массивного кольца 4, цилиндрического корпуса 1 и плунжера 3. Величина давления равна 1 кгс/см2. Отсчет результатов измерения ведется по шкале. Через 30 мин по шкале отсчитывают величину водоотдачи. Для преодоления трения плунжера в цилиндре во время испытания периодически вращают плунжер рукой за накатку кольца 4. Закон­ чив испытание, открывают спускную иглу, удаляют масло из ци­ линдра и опускают плунжер с грузом. Затем разбирают прибор, вынимают из стакана фильтр с глинистой коркой и измеряют ее толщину. Все детали тщательно промывают и вновь собирают прибор.

Нормальной для глинистых растворов считается водоотдача не более 25 см3 за 30 мин. Для борьбы с прихватами и обвалами

снижают водоотдачу посредством химической обработки до 5—6 и даже 2—3 см3 за 30 минГлинистые растворы, имеющие водоотдачу свыше 25 см3 за 30 мин, могут создавать осложнения при бурении в пори­ стых породах.

Растворы с большой водоотдачай откладывают на фильтре тол­ стую рыхлую корку. Наоборот, растворы с малой водоотдачей обра­ зуют на фильтре тонкую длотную корку.

В о д о р о д н ы й п о к а з а т е л ь . Для суждения о физико­ химических процессах, происходящих в глинистом растворе, важ­ ным критерием является водородный показатель (pH).

Для каждой глины существует определенная область значений pH, в которой суспензии этой глины более устойчивы; за пределами этой области наблюдается коагуляция и разделение суспензии на глину и воду.

В табл. 11 приведены некоторые данные о величине pH для гли­ нистых суспензий.

зует способность глинистых растворов удерживать во взвешенном состоянии частицы породы. Измеряется Ѳ в мгс/см2.

Так как связи между частицами глины в тиксотропном растворе устанавливаются постепенно, то величина Ѳ зависит от времени стояния раствора в покое. Вначале Ѳбыстро растет, а затем медленно повышается до определенного предела.

Измеряется Ѳ в приборах, называемых пластометрами. Приме­ няются пластометры трех типов: ротационные, капиллярные и с по­ ступательным движением пластинки или цилиндра.

помещенным в кожухе 6; скорость вращения стакана составляет

всего —0,2 об/мин. Для измерения напряжения служит упругая нить 4 диаметром 0,3—0,5 мм, на которой подвешен цилиндр 1 и гра­ дуированный лимб 3. К штативу прибора прикреплен указатель 5.

Глинистый раствор заливают после перемешивания в кольцевой зазор между деталями 1 и 2, оставляют в покое для образования структуры за 1 или 10 мин. Соответствующие величины статического напряжения сдвига обозначают и ѲІ0. Затем включают электро­ мотор. Вначале внутренний цилиндр вращается вместе со стаканом, так как вращение передается ему через структуру глинистого рас­ твора. При этом внутренний цилиндр может несколько отставать от стакана за счет пластических деформаций раствора. По мере закручивания стальной нити 4 сопротивление закручиванию возрас­ тает и, наконец, превышает прочность структуры раствора. В этот момент внутренний цилиндр останавливается, а наружный стакан продолжает вращаться. С помощью лимба 3 определяют угол наи­ большего поворота Лф цилиндра от его начального положения и вы­ числяют статическое напряжение сдвига по формуле

где Дф — угол поворота цилиндра в градус. ;р — постоянная вели­ чина для данного прибора и данной нити, называемая константой прибора.

В других ротационных пластометрах наружный стакан неподви­ жен, а вращается внутренний цилиндр.

§ 4. ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ

Глинистые растворы для придания им необходимых свойств под­ вергаются химической обработке.

Реагенты, применяемые для обработки глинистых растворов, по характеру действия можно разделить на две основные группы: 1) электролиты и 2) защитные коллоиды.

Д е й с т в и е э л е к т р о л и т о в связано и ионными обо­ лочками, окружающими частицы глины в растворе. Толщина оболо­ чек и их заряд зависят от концентрации ионов в жидкой фазе гли­ нистого раствора и от свойств этих ионов. Это и дает возможность изменять свойства глинистого раствора путем обработки его теми или иными электролитами.

Наиболее часто для обработки глинистого раствора применяют следующие электролиты:

1)кальцинированную соду Na2C03;

2)каустическую соду (едкий натр) NaOH;

3)фосфаты, особенно тринатрий фосфат Na2P 03;

4)жидкое стекло, представляющее собой растворенный в воде силикат натрия, Na20 -n S i0 2;

5)известь Са(ОН)2.

В разведочном бурении к а л ь ц и н и р о в а н н а я с о д а применяется как непосредственный реагент или для приготовления углещелочного реагента.

Небольшие добавки Na2C03 к глинистому раствору снижают водоотдачу и статическое напряжение сдвига. При избытке Na2C03 водоотдача раствора резко возрастает.

Кроме того, кальцинированную соду применяют для смягчения жесткой воды перед приготовлением глинистого раствора.

Необходимое количество реагента указывают в процентах по весу от объема исходного глинистого раствора (1 % по весу от объема составляет 10 кг/м3).

К а у с т и ч е с к а я с о д а действует на глинистые растворы подобно кальцинированной, но она более дефицитна и дороже послед­ ней. Поэтому каустическая сода редко применяется как самостоя­ тельный реагент, но употребляется как составная часть реагентов — защитных коллоидов, а также быстросхватывающихся смесей для

к снижению вязкости и улучшению фильтрационных характеристик

кость и статическое напряжение сдвига раствора. Поэтому жидкое стекло применяют при борьбе с поглощением.

И з в е с т ь . При добавлении 3—5% извести по весу от объема глинистого раствора происходит сильное повышение вязкости, водо­ отдачи и увеличение толщины и рыхлости глинистой корки. Через некоторое время из раствора выпадает осадок глины. Поэтому, при­ меняя добавки извести, надо соблюдать большую осторожность, чтобы избежать прихвата инструмента.

Добавки извести (известкового молока) применяются для борьбы с поглощением. После ликвидации поглощения глинистый раствор обработанный известью, полностью должен быть удален из скважины

изаменен нормальным раствором.

За щ и т н ы е к о л л о и д ы содержат в водном растворе час­ тицы некоторых веществ сложного химического состава, которые представляют собой крупные многоатомные молекулы. При добав­ лении защитных коллоидов в растворы эти вещества покрывают по­ верхности глинистых частиц и создают защитный слой, придающий глинистым растворам большую устойчивость и предохраняющий частицы глины от слипания. Защитные слои, как правило, увели­ чивают плотность и уменьшают проницаемость фильтрационных корок; поэтому водоотдача глинистых растворов, обработанных за­ щитными коллоидами, уменьшается.

Из защитных коллоидов в колонковом бурении применяют угле­ щелочной реагент (УЩР), торфощелочной реагент (ТЩР), реагент из сульфит-спиртовой барды (ССБ) и, редко, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ).

У г л е щ е л о ч н о й р е а г е н т (УЩР) применяется для снижения водоотдачи глинистых растворов, повышения их стабиль­ ности, снижения вязкости. Углещелочной реагент изготовляется из бурого угля и каустической соды. В буром угле содержатся гуминовые вещества, не растворимые в воде, но растворяющиеся в рас­ творах щелочей. Гуминовые вещества и создают защитные слои на поверхностях частиц глин. Для приготовления углещелочного реа­ гента дробленый и просеянный бурый уголь перемешивают в глино­ мешалке с водным раствором каустической соды. На 1 м3 воды за­ гружают 120—180 кг бурого угля влажностью 20—40% и 15—30 кг каустической соды. Для более полного извлечения гуминовых ве­ ществ необходимо выдерживать реагент перед добавлением в гли­ нистый раствор не менее суток, ибо выдержанный углещелочной реагент содержит 4—6% гуминовых веществ, а в реагенте, получен­ ном сразу же после перемешивания, количество гуминовых веществ не превышает 1,2—1,5%.

Наряду с достоинствами, углещелочной реагент имеет и недо­ статки. При попадании в растворы, обработанные УЩР, минерали­ зованных вод, а также при бурении в пластах растворимых солей происходит резкое повышение водоотдачи и выпадение глины из раствора. Вторым недостатком является способность глинистого рас­ твора, обработанного УЩР, при бурении в глинистых породах сильно повышать липкость глины, в результате чего наблюдается налипание на бурильных трубах глины и образование «сальников».

Т о р ф о щ е л о ч н о й р е а г е н т (ТЩР), активными компонентами которого также являются гуминовые вещества, во многом походит на углещелочной реагент. Обработанные им глинистые растворы имеют повышенную вязкость. Для приготовления торфощелочного реа­ гента на 1 м3 воды берут до 100—120 кг торфа (в расчете на сухой вес) и до 20 кг сухого едкого натра. Обработка глинистого раствора торфяным реагентом дает хорошие результаты при борьбе с поглоще­ ниями, так как получаемые растворы имеют достаточно высокую вязкость и малый удельный вес, а имеющиеся в растворе волокна торфа способствуют закупорке каналов в породе.

С у л ь ф и т - с п и р т о в а я б а р д а (ССБ) — густая темнокоричневая жидкость с уд. весом 1,25. Действие ССБ на глинистые растворы обусловлено наличием в ней лигно-сульфоновых кислот. Кроме лигно-сульфоновых кислот, в ССБ содержатся смолы, белки и другие вещества, в том числе растворимые соли, образующие ионы кальция и магния. Лигно-сульфоновые кислоты хорошо раство­ ряются в воде, но так как ССБ имеет кислую реакцию (рН?=«5,6), то при изготовлении реагента в него также добавляют щелочь.

В состав реагента входит от 20 до 40% ССБ (при расчете на сухой вес) и от 3 до 6% сухого едкого натра по весу от объема реагента.