4.4.8. Ингибирующая способность

Практика показывает, что осложнения и аварии, обусловленные нарушениями устойчивости стенок скважин, приурочены, главным образом, к интервалам залегания глинистых пород. При этом степень влияния на устойчивость таких пород гидростатического противодавления, гидродинамического воздействия потока промывочной жидкости и ее физико-химического воздействия, характеризуется соотношением 8 : 18 : 74.

Физико-химическое воздействие промывочной жидкости на глинистые породы, как ее неотъемлемое свойство, принято называть ингибирующей способностью. Ингибирующая способность – это способность промывочной жидкости предупреждать или замедлять деформационные процессы в околоствольном пространстве скважин (кавернообразование, сужение ствола и т.п.), представленном легкогидратирующимися, набухающими и размокающими глинистыми породами. При этом под глинистыми породами понимаются не только собственно глины, но и глинистые сланцы, аргиллиты, породы на глинистом цементе (глинистый песчаник, мергель, алевролит и др.).

Согласно современным представлениям основные причины потери устойчивости глинистых и глиносодержащих пород, связаны с нарушением их естественного влажностного равновесия при взаимодействии с дисперсионной средой промывочных жидкостей и обусловленным этим ростом дополнительных внутренних напряжений в поровом пространстве.

Производственный опыт убедительно свидетельствует о том, что предупредить нарушения устойчивости глинистых пород в околоствольном пространстве скважин только путем снижения до минимума показателя фильтрации промывочной жидкости в большинстве случаев не удается. Объясняется это тем, что глинистые породы обладают целым рядом специфических свойств, в частности, высокой гидрофильностью, способностью к адсорбции, набуханию и ионному обмену, в силу чего они способны впитывать в себя несвязанную жидкую фазу промывочной жидкости даже при отсутствии перепада давления в системе «ствол скважины – пласт» (отсутствии гравитационной фильтрации). Известно, что влагоперенос в этой системе, т.е. проникновение дисперсионной среды промывочной жидкости в глинистую породу, происходит главным образом за счет адсорбционно-осмотических процессов. Несмотря на существенные различия в механизме действия этих процессов, общим для них является то, что в результате вокруг структурных элементов глинистых пород образуются гидратные оболочки, т.е. происходит их дополнительное увлажнение.

При достижении критической влажности (для аргиллитов критической считается влажность порядка 8–9 %), т.е. при максимальном развитии и перекрытии гидратных оболочек, которые обладают значительной упругостью и прочностью на сдвиг, в глинистой породе возникают гидратационные напряжения, величина которых в околоствольной зоне скважины по разным источникам может достигать от 40 до 1000 МПа, вследствие чего породы в этой зоне претерпевают весь спектр деформаций от вязкопластического течения до хрупкого разрушения.

Поскольку при одинаковой степени увлажнения толщина гидратных оболочек, и следовательно, величина гидратационных напряжений выше у глинистых пород с малой удельной поверхностью, в частности, у аргиллитов и глинистых сланцев, то деформационные процессы протекают в них интенсивнее, чем в породах, представленных преимущественно глинистыми минералами (монтмориллонитом, гидрослюдой, хлоритом, каолинитом), и завершаются хрупким разрушением этих пород, т.е. их осыпями и обвалами (кавернообразованием). Для типичных глинистых пород с высокой удельной поверхностью характерны пластические деформации, следствием которых является сужение ствола скважины.

В том и другом случаях полное экранирование жидкостью связей между отдельными частицами приводит к дезинтеграции глинистой породы с последующим ее диспергированием.

Набухание и диспергирование глинистого базиса пород-коллекторов, а также миграция диспергированных глинистых частиц в их поровом пространстве являются одной из главных причин снижения естественной проницаемости продуктивных водонефтегазоносных пластов. Кроме этого, диспергирование шлама и осыпающихся в ствол скважины глинистых и глиносодержащих пород ведет к аккумуляции глинистых частиц в самой промывочной жидкости. В результате этого происходит интенсивное изменение ее функциональных свойств, регенерация которых требует разбавления промывочной жидкости водой, дополнительной обработки ее химическими реагентами и применения многоступенчатых систем очистки. Очевидно, что регенерация свойств промывочных жидкостей неизбежно связана с увеличением их общего объема и объема потребления химических реагентов, что влечет за собой не только увеличение затрат на бурение скважин, но и техногенной нагрузки на окружающую среду.

Для предупреждения или максимального снижения интенсивности проявления всех перечисленных выше процессов, обусловливающих нарушение устойчивости стенок скважин в породах глинистого комплекса и диспергирование этих пород, промывочная жидкость должна обладать высокой ингибирующей способностью.

В связи со сложностью процессов влагопереноса в системе «ствол скважины – глинистые породы» единый показатель оценки ингибирующей способности промывочной жидкости до сих пор отсутствует. По этой причине в исследовательской и инженерной практике ингибирующую способность характеризуют достаточно большим числом различных показателей. Однако все эти показатели в принципе могут быть объединены в три группы: показатели набухания, показатели влажности и показатели деформации естественных и искусственных образцов глинистых пород, контактирующих с исследуемой средой.

Показатели набухания. В нашей стране в группе показателей набухания наиболее широко используемым является обобщенный показатель устойчивости глинистых пород, который предложен в качестве критерия оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей В.Д. Городновым и определяется по следующей формуле

С = (Р_mф / Р_mв) (К_2в / К_2ф) (t_ф / t_в) (_ср.в / _ср.ф ) = (Р_mф / Р_mв) (_ср.в / _ср.ф)²,

(4.72)

где Р_m – пластическая прочность набухшего до равновесного состояния образца глинистой породы, Па; K₂ – показатель набухания, равный отношению объема связанной образцом жидкости набухания к исходной массе образца, см³ / г; t – период набухания (время от момента контакта образца с исследуемой жидкостью до момента достижения равновесного состояния набухания), ч; _ср – средняя скорость набухания (К₂ / t), см³ / (гч); индексы «в» и «ф» означают, что исследуемой средой является соответственно дистиллированная вода и фильтрат (фугат) промывочной жидкости.

Для определения величин набухания (К₂, t, _ср) глинистой породы в исследуемой среде используют одновременно два прибора конструкции К.Ф. Жигача–А.Н. Ярова (рис. 4.19). Основной частью прибора является цилиндр 1 с перфорированными днищем 2, поршнем 3 и крышкой 4. Днище цилиндра и шток 5 поршня снабжены коническими центрами, обеспечивающими точность установки цилиндра в мерное устройство.

Мерное устройство состоит из стакана 6, помещенной в него скобы 7, фиксируемой в требуемом положении винтом 8, а также индикатора часового типа 9, закрепленного в крышке прибора 10 с помощью винта 11.

Пластическую прочность Р_m набухших до равновесного состояния образцов глинистых пород определяют с помощью конического пластометра (рис. 4.20), основными частями которого являются основание 1 со стойкой 2, на которой закреплены индикатор часового типа 3 с плексигласовым конусом 4 вместо ножки и плексигласовой площадкой 5 для установки разновесов, и подвижный столик 6 с установочным винтом 7.

Рис. 4.20. Схема конического пластометра

Рис. 4.19. Схема прибора К.Ф.Жигача–А.Н.Ярова

Принцип действия конического пластометра заключается в измерении глубины погружения конуса под действием определенной нагрузки в набухший до равновесного состояния образец.

Величину пластической прочности образца вычисляют по формуле

Р_m = К_ F / h², (4.73)

где F – нагрузка, действующая на конус, Н; h – глубина погружения конуса в образец, м; К_ – коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса 

К_ = 1/  cos²  /2  сtg /2, (4.74)

где  – угол при вершине конуса, град.

В конических пластометрах чаще всего используют конусы с углами при вершине, равными 45 и 60 градусам.

Выполнение опыта. Исследуемую глину высушить, измельчить и просеять через сито с диаметром отверстий не более 0,25 мм. Подготовить к работе два прибора конструкции К.Ф. Жигача–А.Н. Ярова (рис.4.19). Для этого индикатор часового типа каждого прибора установить в нулевое положение передвижением скобы или поворотом диска. На днище цилиндра уложить два кружка фильтровальной бумаги, выровнять поршнем и измерить их толщину. Затем верхний кружок фильтровальной бумаги извлечь из цилиндра, а на нижний поместить навеску глинопорошка (для одного прибора масса навески должна составлять 2 г, для другого – 4 г). Легким постукиванием по цилиндру глинопорошок равномерно распределить по всей поверхности, после чего в цилиндр плавно опустить верхний кружок фильтровальной бумаги и поршень. Произвести уплотнение пробы глинопорошка сначала силой пальцев руки при встряхивании прибора, а затем с помощью пресса. После уплотнения глинопорошка удостовериться в свободном движении поршня.

Собранный цилиндр установить между центрами скобы и ножки индикатора часового типа, а затем поместить в стакан с фильтратом или фугатом (получают центрифугированием) исследуемой промывочной жидкости, уровень которого должен быть на 1–1,5 см выше поршня. Начало смачивания глинопорошка, определяемое по рывку стрелки индикатора, является начальным моментом отсчета времени опыта.

Произведение высоты глинистого образца, определяемой по показаниям индикатора часового типа до и после набухания, на площадь поперечного сечения цилиндра (последняя постоянна для партии приборов) дает величины V_нач и V_наб, из которых вычитается объем, занимаемый двумя кружками фильтровальной бумаги соответственно до и после набухания (в процессе набухания объем фильтровальной бумаги увеличивается примерно на 25–30 %).

По мере набухания глины объем образца увеличивается, пока не достигнет некоторой постоянной величины. В процессе опыта производят измерения объемов образца, соответствующие различным моментам времени.

Опыт считают законченным, если приращение показаний индикатора не превышает 0,02 мм в сутки.

По полученным в результате опыта значениям V_нач1, V_наб1 (на приборе с навеской глинопорошка массой 2 г) и V_нач2, V_наб2 (на приборе с навеской массой 4 г) рассчитывают tg  – коэффициент, показывающий какая доля от объема пор в сухой пробе глины сохраняется в набухшей пробе

tg  = (V_наб2 – V_наб1) / (V_нач2 – V_нач1) . (4.75)

Определив значение tg , по показаниям V_нач1 и V_наб1 или V_нач2 и V_наб2 находят объем жидкости набухания V_ж в см³ по формуле

V_ж = V_наб – V_о – (V_нач – V_о) tg , (4.76)

где V_о – объем сухих частиц глинистой породы, равный отношению массы навески глины к ее плотности, см³.

Величину показателя набухания K₂ в см³/г определяют путем деления найденного значения V_ж на исходную массу навески глинопорошка, а среднюю скорость набухания _ср в см³ /(г ч) – делением К₂ на период набухания t в ч.

Найдя величины набухания, приступают к определению пластической прочности образца, при помощи конического пластомера (рис.4.20). Для этого из цилиндра извлекают шток с поршнем и верхний кружок фильтровальной бумаги. Цилиндр помещают на подвижный столик конического пластометра и поднимают его так, чтобы конус, зафиксированный в крайнем верхнем положении, не доходил до поверхности образца на 1–2 мм. Поворотом диска индикатора стрелку устанавливают на нуль, на площадку для разновесов ставят груз массой 30–50 г и вращением установочного винта вершину конуса подводят непосредственно к поверхности образца. После погружения конуса в образец и достижения равновесного состояния (остановка конуса) берут отсчет.

Нагрузку на конус увеличивают до получения достаточного количества измерений (6–8) для построения графика зависимости h² = f (F), представляющего собой прямую линию, проходящую через начало координат F и h². На этом графике выбирают одно из измерений F и h², точка которого лежит на прямой, и по этим данным по формуле (4.73) рассчитывают Р_m.

Значение обобщенного показателя устойчивости глинистой породы в исследуемой среде находят по формуле (4.72), определив заранее по вышеописанной методике величины набухания и пластической прочности образца той же глины в дистиллированной воде.

Современным прибором для оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей по показателям набухания является линейный тестер набухаемости OFITE. Конструкция тестера набухаемости OFITE позволяет одновременно испытывать до четырех (восьми) промывочных жидкостей на представительных образцах глинистых сланцев при температурах до 80°С в динамических условиях, т.е. в условиях циркуляции испытуемых промывочных жидкостей.

Показатели влажности. Показатели влажности используются для оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей преимущественно в нашей стране. Наиболее широко используемым в этой группе показателей является показатель увлажняющей способности.

Суть методики оценки этого показателя заключается в следующем. Путем прессования получают модельные образцы глинистой породы с заданной исходной влажностью, взвешивают их и помещают на определенное время в исследуемую среду, а затем производят повторное взвешивание образцов. Ингибирующую способность оценивают по отношению приращения массы образцов, вызванного их дополнительным увлажнением, ко времени нахождения их в исследуемой среде.

Для определения показателя увлажняющей способности используются образцы диаметром 20 мм и высотой 32 мм, получаемые прессованием саригюхского бентонита (принят за эталон) или любой другой однородной глинистой породы.

Изготовление искусственных образцов глинистых пород производится следующим образом. Глина измельчается и просеивается через сито с диаметром отверстий не более 0,25 мм. Далее методом термической сушки определяется исходная весовая влажность полученного глинопорошка. Для этого навеску глинопорошка массой примерно 10 г помещают в бюкс, предварительно взвешенный на аналитических весах с точностью до 0,01 г. Затем определяют массу бюкса с навеской глинопорошка и помещают его с открытой крышкой на полку сушильного шкафа. В течение 1–2 ч температуру в сушильном шкафу доводят до 100–105 С и выдерживают бюкс с глинопорошком при этой температуре еще 5–6 ч.

По истечении этого времени бюкс извлекают из сушильного шкафа; закрывают крышкой; помещают в эксикатор, на дно которого насыпан хлористый кальций, поглощающий пары воды, и дают остыть в течение 30–40 мин. Охлажденный бюкс с глинопорошком взвешивают, а затем вновь ставят в сушильный шкаф на 2 ч для дополнительной сушки.

Операции «сушка–охлаждение–взвешивание» повторяют до тех пор, пока разность между результатами двух последних взвешиваний не будет превышать 0,02 г.

Влажность глинопорошка вычисляют по формуле

W = (q₁ – q₂) ^. 100 /(q₂ – q_о), (4.77)

где q₁ – масса бюкса с глинопорошком до высушивания, г; q₂ – масса бюкса с глинопорошком после высушивания до постоянной массы, г; q_о – масса пустого бюкса, г.

Определив исходную влажность глинопорошка, рассчитывают массу дистиллированной воды, необходимой для доведения содержания влаги во всей подготавливаемой к испытаниям пробе глинопорошка до 20 %. Дополнительное увлажнение проводят путем разбрызгивания воды при тщательном перемешивании глинопорошка. После контрольного определения влажности увлажненного глинопорошка его хранят в закрытом эксикаторе.

Для получения образца требуемых размеров навеску увлажненного глинопорошка массой 20 г засыпают в пресс-форму (pиc. 4.21), предварительно смазав внутреннюю часть цилиндра небольшим количеством солидола.

Прессование производят при давлении 40 МПа в течение 5 мин. Продолжительность набора рабочего давления с момента начала движения поршня пресс-формы должна составлять 30–40 с.

Выпрессовав образец из пресс - формы, парафинируют его торцы погружением их в расплавленный парафин на глубину 2 мм.

Для выполнения одного опыта готовят пять образцов. Подготовленные образцы хранят в эксикаторе.

В качестве исследуемой среды при проведении опытов в лабораторных условиях используют водные растворы химических реагентов в композициях и концентрациях, аналогичных проектируемым для химической обработки промывочной жидкости, т.е. по-сути используют модель ее дисперсионной среды. Если ингибирующую способность необходимо контролировать в процессе бурения, то исследуемой средой служит непосредственно промывочная жидкость.

Объем исследуемой среды на проведение одного опыта в том и другом случаях должен быть равным 1 дм³. Сам опыт выполняется в следующем порядке. Образцы нужно установить на специальные подставки (pиc. 4.22) и взвешиванием на аналитических или квадрантных весах с точностью до 0,1 г определить массу каждого образца вместе с подставкой (массу каждой из подставок определяют заранее).

Образцы на подставках опустить в кристаллизатор и залить в него исследуемую среду так, чтобы ее уровень был выше верхнего торца образцов. Выдержать образцы в исследуемой среде 4 часа.

По истечении этого времени образцы вместе с подставками извлечь из кристаллизатора и после удаления капель жидкости на поверхности образцов и подставок фильтровальной бумагой, вновь взвесить их.

Рис. 4.21. Пресс-форма Рис. 4.22. Подставка для образцов

По результатам взвешивания образцов до и после опыта рассчитать процент увлажнения образца, А

_n

А = { [(m – m_o) / m_o]} 100 / n, (4.78)

¹ где m_o – исходная масса образца, г; m – масса увлажненного образца, г; n – число исследованных образцов.

Если во всех сериях опытов используются образцы из одной и той же глины, то для сравнительной оценки ингибирующей способности исследуемых промывочных жидкостей достаточно пользоваться величиной текущей (начальной) скорости увлажнения _t, которая определяется по следующей формуле

_t = А / t, (4.79)

где t – продолжительность контакта образцов с исследуемой средой, ч.

Для возможности сопоставления результатов оценки ингибирующей способности, полученных на образцах из разных глин, в качестве основного оценочного критерия используется показатель увлажняющей способности (П, % / ч), величина которого рассчитывается по формуле

П = _t / t ^{К - 0,85} = _t exp [(0,85 – K) lnt], (4.80)

где К – коэффициент коллоидальности глины, использованной на получение модельных образцов, определяемый методом метиленовой сини.

Экспериментально установлено, что значения показателя увлажняющей способности закономерно увеличиваются с ростом температуры, при этом связь между ними описывается следующей зависимостью

П_т = П + 0,11 (Т_т – Т), (4.81)

где П_т, П – значения показателя увлажняющей способности соответственно при интересующей исследователя температуре в скважине (Т_т, С) и температуре проведения опытов по его оценке (Т, С ), % / ч.

Показатели деформации. Ингибирующую способность промывочных жидкостей (Ис) по деформированию в них модельных образцов глинистых пород при постоянной нагрузке на образцы предложено оценивать следующим образом

Ис = _ф / _в, (4.82)

где _ф, _в – время воздействия на модельные образцы до их разрушения соответственно фильтрата испытуемой промывочной жидкости и дистиллированной воды, с.

Рис. 4.23. Прибор для оценки ингибирующей

способности промывочных жидкостей

Для оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей в ТПУ разработан прибор, схема которого приведена на рис. 4.23. Прибор состоит из камеры 1, установленной на основании 2, в котором закреплены две стойки с направляющей обоймой 4. Внутри обоймы 4 размещен шток 5, снабженный в верхней части подставкой для грузов 6, а в нижней – опорой для передачи осевой нагрузки на модельный образец 7. На направляющей обойме 4 размещены концевой выключатель 8 и тумблер 9, входящие в электрическую цепь 10 электронно-механических часов 11 с секундной стрелкой. Камера 1 заполняется исследуемой жидкостью 3.

Принцип работы прибора заключается в следующем. При поднятом в крайнее верхнее положение штоке модельный образец глинистой породы помещают в камеру прибора, плавно опускают шток вниз до контакта его опоры с верхним торцом образца и осторожно устанавливают на подставку грузы, не вызывающие разрушения образца в воздушной среде. После этого в камеру вровень с верхним торцом образца заливают испытуемую жидкость и одновременно тумблером включают электронно-механические часы. В момент разрушения образца шток и жестко связанная с ним подставка с грузами практически мгновенно перемещаются вниз, утапливая кнопку концевого выключателя и останавливая часы. Тем самым фиксируется время воздействия на образец до его разрушения испытуемой среды. Испытаниям подвергают фильтрат промывочной жидкости и в качестве эталона – дистиллированную воду.

Основные технические характеристики прибора:

– объем испытуемой жидкости, см³ 50;

– величина осевого усилия на модельный образец, Н до 70;

– способ регистрации измеряемой величины автоматический;

– габаритные размеры прибора, мм 100х130х110;

– масса без грузов, кг 3;

Оценка ингибирующей способности промывочных жидкостей проводится на модельных образцах, изготовленных из частиц одинакового фракционного состава одной и той же глинистой породы, при одинаковых их геометрических размерах, условиях прессования и исходной влажности, а также при одной и той же нагрузке на образцы.

Рис. 4.24. Пресс для формирования модельных образцов пород

Для получения модельных образцов пород разработан специальный пресс, схема которого приведена на рис. 4.24. Он включает в себя основание 1 со стойкой 2, в верхней части которой на оси 3 закреплены эксцентричный диск 4 и рычаг 5. При формировании образцов на основании 1 с обеих сторон стойки 2 устанавливаются парные разъемные камеры 6, а при выпрессовывании образцов – парные разъемные камеры 7.

Формирование и выпрессовывание образцов производится с помощью размещенных в камерах штоков 8. На верхних частях штоков помещается общий для пары камер толкатель 9.

Пресс работает следующим образом. Внутрь каждой из разъемных камер 6 засыпают одинаковые навески подготовленной к испытаниям породы.

Камеры 6 со штоками устанавливают на основание и на верхние части штоков помещают толкатель. С помощью рычага поворачивают эксцентричный диск вокруг оси в ту или другую сторону, передавая усилие через толкатель штокам и задавливая их до упора в камеры, что обеспечивает формирование модельных образцов заданной высоты. После этого освобождают толкатель, вынимают штоки из камер 6, частично разбирают их, а затем, перевернув и вставив в них направляющие и приемные полости, образуют камеры 7 для выпрессовки образцов, которая производится в той же последовательности, что и формирование образцов.

Основные технические характеристики пресса:

– габаритные размеры формируемых модельных образцов, мм:

– диаметр 16

– длина 25

– число одновременно формируемых образцов 2;

– способ создания усилия вручную;

– габаритные размеры, мм 420х140х250;

– масса, кг 12;

По сравнению с прессом аналогичного назначения фирмы Parr Instrument (США) данный пресс обеспечивает одновременное формирование двух образцов, одинаковые и строго заданные геометрические размеры образцов и легко осуществляемую их выпрессовку.

Описанная методика оценки ингибирующей способости отличается простотой осуществления, экспрессностью, высокой надежностью и достоверностью прогнозирования возможностей промывочных жидкостей обеспечивать максимально эффективное бурение скважин в глинистых и глиносодержащих породах, что делает ее пригодной для использования не только в научно-исследовательской, но и в инженерной практике.