Контракционный эффект бурового (глинистого) раствора

Рассмотрим кратко механизм взаимодействия глины и во­

ды, т.е. процесс набухания глин.

В основе явления набухания - увеличения исходного объе­ ма вещества благодаря засасыванию и частичному присоеди­ нению жидкой среды - лежит действие адсорбционных, ос­ мотических и капиллярных сил. Существуют различные ме­ тоды изучения причин возникновения процесса набухания веществ: по весовому количеству поглощенной жидкости, увеличению объема исходного вещества, количеству тепла, выделенного при набухании и др. Набухание существенно зависит от природы глин, а также от природы дисперсион­ ной среды, ее полярности. С ростом температуры период и степень набухания глинистых пород уменьшаются, но ско­ рость этого процесса увеличивается.

В результате набухания исходного вещества вследствие увеличения его объема развивается большое давление. Зависимость изменения давления набухания единицы массы глин с течением времени выражается кривой, сходной с изотермой адсорбции. И это закономерно, так как в процес­ се набухания в основном действуют адсорбционные силы. При поглощении глиной воды или водного раствора эле­ ктролитов к давлению, вызываемому увеличением объема глины в результате сольватации, добавляется давление возду­ ха, вытесненного из капилляров. Кроме того, в системе глина - вода происходит внутрикристаллическое набухание, которое является вторичным процессом капиллярного набу­ хания.

Изучение форм связи воды с глинистыми минералами по­ казало, что целесообразно различать: химически связанную, адсорбционно- и капиллярно-связанную воду, а также сво­ бодную воду, механически захваченную дисперсионной структурой.

Явление контракции в системе глина - вода в основном определяется свойствами адсорбционно-связанной воды, удерживаемой молекулярными силами на поверхности глини­ стых частиц.

При сопоставлении явления набухания, которое также обусловлено адсорбцией жидкости, с контракцией следует учитывать, что если исходное вещество (глина) и увеличивает свой объем, то приращение его меньше, ЧеМ объем всасыва­ емой жидкости. Давление набухания создается расширяю­ щимся веществом при изменении объема и случае свободного поглощения жидкости из окружающего пространства. Одна­ ко если в замкнутом объеме соединить глину и воДУ. то, не-

272

Микроскопические исследования глинистой суспензии, пе­ ремешанной в стандартной глиномешалке в течение несколь­ ких часов и выдержанной затем в продолжение двух недель, показали, что в ее дисперсной фазе присутствуют своеобраз­ ные ассоциации глинистых частиц. Ядро ассоциации состоит из "сухих" глинистых частиц, а оболочка размыта к перифе­ рии гелеобразной пленкой.

Эффект контракции можно было непосредственно наблю­ дать на примере только что приготовленных растворов и растворов, выдержанных некоторое время. Для опыта ис­ пользовался водяной U-образный манометр, одно колено ко ­ торого герметично подсоединяли к сосуду с исследуемой промывочной жидкостью. Изменения температуры и атмо­ сферного давления учитывались специальными поправками или с помощью присоединенного ко второму колену маноме­ тра сосуда с водой объемом, равным объему бурового рас­ твора.

Как и следовало ожидать, контракционный эфф ект в сус­ пензиях составляет только долю того эффекта, который мо­ жет быть получен при соединении воздушносухой глины и воды. Значение этой доли зависит от типа глин, характера подготовки суспензии и длительности ее предварительной выдержки. Однако в сопоставимых условиях бентонитовые суспензии характеризуются большим контракционным эф ­ фектом, чем суспензии малоколлоидной хабльской глины. В каждом случае уменьшение содержания глины, например, при утяжелении соответственно уменьшает контракционный эф ­ фект.

Присутствие распускающегося шлама в растворе также может являться причиной контракционного уменьшения объ­ ема. Если считать, что выбуренная за 1 ч порода при изло­ женных условиях равномерно распределяется по прокачивае­ мому за это время раствору, то 1 м3 раствора будет содер­ жать 1,7 кг шлама. Такая добавка шлама из глины плотно­ стью 2,6 г/см3 увеличивает плотность раствора менее чем на 0,001 г/см 3. На практике часто встречается и большее насы­ щение раствора шламом.

При определении проходящего контракционного эффекта необходимо учитывать, что породы уже до разбуривания со­ держали некоторое количество связанной воды, соответство­ вавшее условиям их залегания, а также впитали определенное количество жидкости в процессе циркуляции. Однако доста­ точное количество свободной воды и наличие пептизаторов значительно увеличивают количество связанной воды по

276

сравнению с начальным. Загустевание раствора вследствие распускания в нем шлама неоднократно отмечалось на прак­ тике; это указывает на значительное (дополнительное) связы ­ вание воды разбуриваемой породой при попадании ее в рас­ твор. Если принять, что количество связанной воды увеличи­ вается только в 2 раза, то при разбуривании легко распуска­ ющихся бентонитовых глин в освободившемся объеме в ре­ зультате контракции 1 м3 раствора может содержаться около 12,5 л газа, приведенного к атмосферным условиям.

Значительный контракционный эффект может происхо­ дить в непосредственной близости от забоя вследствие до­ полнительной адсорбции воды вновь образованной стенкой скважины. Это явление сопровождается фильтрацией диспер­ сионной среды в пласт.

При прекращении циркуляции на смачивание стенок скважины в основном используется вода из близлежащего объема раствора. Если считать, что стенки скважины пропи­ таются водой1 только на 0,1 см, значит, к 1 м3 раствора доба­ вилось 20,4 кг глины (при глубине пропитывания 0,5-98 кг). В результате контракционного изменения объема (при учете 50 % исходной связанной воды) 1 м3 глинистого раствора на забое может поглотить на глубине 3000 м такую массу газа, которая при атмосферном давлении займет объем порядка 140 л при разбуривании глин типа бентонитовых и 17,5 л для глин типа хабльских. При большой глубине проникновения в пласт воды указанный эффект увеличивается.

Рассмотрим возможные последствия контракции, если предположить, что структура раствора позволяет ему "зависнуть".

1. Стенки скважины непроницаемы.

Уменьшение объема бурового раствора приводит к сни­ жению давления в рассматриваемом элементе.

Образовавшееся пространство может заполняться за счет: деформации стенок скважины; отфильтровывания из верхних слоев глинистого раствора

свободной воды; смещения вниз всего столба бурового раствора.

В общем случае все процессы могут происходить одно­ временно и при определенных условиях приводить к ослож ­ нениям. Однако надо полагать, что наиболее частым является третий случай. При смещении столба раствора вниз вследст-

4-fe учитывая капиллярной и свободной воды, прошедшей в пласт на указанную глубину.

вие его неоднородности и наличия структуры возможны ме­ стные изменения противодавления по стволу, также приво­ дящие к осыпям и газоводопроявлениям.

Деформация стенок может привести к сужению ствола, обвалам и прихвату бурового инструмента. Следует отметить, что даже частичное уменьшение противодавления на стенку скважины вследствие контракционного эффекта во время остановки циркуляции и создания прежнего значения проти­ водавления при промывке, т.е. пульсации давления, отрица­ тельно влияет на устойчивость стенок скважины.

2. Стенки скважины проницаемы.

"Зависание" раствора в скважине (хотя бы частичное) и уменьшение объема бурового раствора в результате контрак­ ции приведут к изменению перепада давления между скважи­ ной и пластом. В наиболее сложных случаях давление в скважине может стать меньше пластового. В результате во­ доотдача раствора в пласт может вначале уменьшиться до ну­ ля, а затем возникнут условия для проникновения в скважину пластовых вод и газа. В этих условиях, как было описано выше, на стенках скважины не сможет образоваться новая глинистая корка, имеющая важное значение для укрепления стенок и предотвращения межпластовых перетоков. Кроме того, в результате проникновения в скважину минерализо­ ванных пластовых вод может быть нарушена вследствие коа­ гуляции ранее сформированная глинистая корка.

Считая проблему весьма далекой от окончательного реш е­ ния, можно рекомендовать наиболее общие профилактичес­ кие мероприятия.

1. Использовать растворы с незначительным предельным статическим напряжением сдвига и небольшим коэффициен­ том тиксотропии. Параметры раствора должны мало изме­ няться с увеличением температур и давлений.

2.Производить длительную циркуляцию раствора без ос­ тановок при добавлении глинопорошка, особенно в сухом виде.

3.Применять буровые растворы, в которых процессы диспергирования глин весьма замедлены или полностью за ­ вершены.

4.Применять химические обработки буровых растворов, препятствующие загустеванию растворов. Например, не допу­ скать известкования растворов при высоких температурах,

если имеется опасность их резкого термического загустевания.

5. Тщательно промывать скважину после разбуривания*

278