- •Назначение и свойства промывочной жидкости для бурения осложненных зон.
- •Часть 1. Теоретические основы структурирования промывочных жидкостей
- •Структура промывочных жидкостей
- •Гидрофобные (коагуляционные) структуры
- •Толщина диффузионного слоя с увеличением концентрации ионов и их заряда снижается в соответствии с уравнением
- •Гидрофильные структуры
- •1.2.1 Структура воды
- •1.2.2 Поверхностная энергия твердых тел.
- •Поверхностные натяжения твердых тел
- •1.2.3. Взаимодействие воды с поверхностью твердых тел.
- •2. Структура глинистого раствора.
- •2.1 Структурообразователи
- •2.2 Механизм гидрофильного структурообразования глинистых растворов
- •2.3. Объёмная электрическая энергия промывочной жидкости
- •Среднее значение
- •2.4. Приборы для определения прочности структуры промывочных жидкостей
- •3. Структурирование глинистых растворов
- •3.1. Способы структурирования
- •3.2. Структурирование промывочной жидкости за счет повышения концентрации дисперсной фазы
- •3.3. Структурирование буровых растворов путем диспергирования твердой фазы
- •Влияние числа импульсов генератора на свойства растворов
- •3.4. Влияние температуры на прочность структуры глинистых растворов
- •4. Роль электролитов в структурировании промывочных жидкостей.
- •4.1. Общие сведения об электролитах, применяемых при бурении скважин.
- •Зависимость рН растворов солей от их концентрации
- •Теплота растворения электролитов
- •4.2. Электролиты в роли структурообразователя
- •4.3. Активация твердой фазы электролитами.
- •4.4. Дезактивация дисперсной фазы электролитами
- •5. Роль полимеров в структурировании промывочных жидкостей.
- •5.1. Полимеры – структурообразователи.
- •5.1.2. Синтетические структурообразователи
- •5.2. Активность полимеров
- •Расчетные значения энергии поляризации
- •5.3. Другие функции полимеров.
- •5.4. Активация полимеров.
- •5.5. Активация дисперсионной среды полимерных растворов.
- •5.6. Активация твердой фазы полимерами
- •5.7. Дезактивация дисперсной фазы гидрофобными веществами (пав, полимерами, маслами)
- •5.8 Стабильность (седиментационная и агрегативная устойчивость) раствора.
- •5.9 Стабилизация буровых растворов полимерами.
- •Устойчивость реагентов к агрессии солей
- •6. Деструктурирование промывочных жидкостей
- •6.1. Искусственное деструктурирование (разжижение) промывочных жидкостей путем снижения концентрации твердой фазы
- •6.2. Деструктурирование промывочных жидкостей путём активации твёрдой фазы. Понизители вязкости.
- •6.3. Деструктурирование минерализованных промывочных жидкостей
- •7. Структурная вязкость и коэффициент трения промывочных жидкостей
- •7.1.Вязкость ньютоновских жидкостей
- •Силу трения можно выразить формулой
- •Тогда касательное напряжение составит
- •Коэффициент кинематической вязкости будет
- •7.2. Вязкость структурированных жидкостей
- •7.2.1. Анализ существующих теорий
- •7.2.2. Влияние скорости течения, диаметра труб и концентрации твердой фазы на вязкость и коэффициент трения структурированных жидкостей
- •Влияние вязкости полимерного раствора и скорости
- •Зависимость показания раствора от концентрации кельцана
- •7.2.3. Влияние активации и дезактивации твёрдой фазы на коэффициент трения (вязкость) структурированных жидкостей.
- •7.3. Деструктурирование промывочных жидкостей при циркуляции.
- •7.3.1. Влияние длительности циркуляции структурированной жидкости на её вязкость
- •7.3.2. Влияние температуры на вязкость промывочных жидкостей.
- •7.4. Определение вязкости (касательных напряжений) промывочных жидкостей.
- •Значения вязкости различных буровых растворов
- •7.5. Влияние прочности структуры и вязкости промывочных жидкостей на процесс бурения
- •7.6. Тиксотропия промывочных жидкостей
- •Выводы:
- •7.7.Плотность промывочной жидкости.
- •Плотность аэрированной жидкости определяется по формуле
- •Часть II. Стабилизация неустойчивых стенок скважин. Задачами второй части исследований являются:
- •8.Общие сведения о структуре горных пород.
- •8.1 Химические связи в минералах
- •8.2. Межмолекулярные связи в горных породах.
- •8.3 Поверхностная энергия горных пород.
- •8.4 Устойчивость горных пород стенок скважин.
- •9. Промывочные жидкости для бурения уплотненных глин.
- •9.1. Уплотненные глины
- •Значения коэффициента для различной плотности глины
- •9.2. Осложнения при бурении уплотненных глин.
- •9.2.1. Механизм увлажнения и набухания глин.
- •9.2.2. Фильтрация воды в горные породы.
- •9.2.3. Разупрочнение уплотненных глин.
- •9.2.4. Диспергирование и размывание глин.
- •9.2.5. Влияние гидравлического давления на увлажнение глины.
- •9.2.6. Влияние горного давления на увлажнение глины.
- •9.3. Промывочные жидкости, применяемые для профилактики осложнений в уплотненных глинах
- •9.4. Основные направления выбора промывочной жидкости для бурения глинистых пород
- •9.5. Анализ эффективности применяющихся глинистых растворов для бурения уплотненных глин.
- •9.6. Анализ эффективности полимерных и полимерглинистых растворов.
- •9.7. Анализ эффективности ингибирующих растворов
- •10. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глин
- •10.1. Глинистые неуплотненные породы. Осложнения при их бурении.
- •10.2. Анализ влияния электролитов на увлажнение и прочность неуплотненной глины.
- •Зависимость пластической прочности образца глины от влажности к2
- •10.3. Влияние полимеров и полимерсолевых растворов на увлажнение и прочность неуплотненных глин.
- •10.4. Полимерполисолевые промывочные жидкости, для бурения неуплотненных глин (общие понятия).
- •10.5. Исследование крепящих свойств полимерполисолевых растворов.
- •10.5.1. Теоретические рассуждения.
- •10.5.2. Экспериментальные исследования.
- •11. Промывочные жидкости для бурения микротрещиноватых глинистых пород.
- •11.1. Микротрещиноватые глинистые породы. Осложнения при бурении
- •11.2. Влияние технологических параметров бурения на раскрытие трещин
- •11.3. Влияние гидродинамического давления на раскрытие трещин
- •11.4. Промывочные жидкости. Механизм их действия. Анализ эффективности.
- •12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород.
- •12.1. Трещиноватые горные породы
- •12.2. Поглощение промывочной жидкости в трещиноватых породах
- •12.3. Мероприятия по предупреждению поглощения промывочных жидкостей
- •12.4. Анализ эффективности различных наполнителей для кольматации трещин
- •Закупоривающая способность глинистых паст
- •Определение закупоривающей способности вол
- •Закупоривающая способность вус
- •Зависимость объема тампонажной смеси от состава ее компонентов
- •12.5. Применение пен при бурении трещиноватых пород
- •13. Промывочные жидкости для бурения соленосных отложений
- •13.1. Осложнения при бурении соленосных отложений
- •13.2. Растворение хемогенных горных пород Растворение горных пород в промывочной жидкости характерно для галлоидов и сульфатов, в меньшей степени карбонатов.
- •Измерение массы и длины образцов соли при растворении в воде
- •13.3. Размывание хемогенных пород
- •Зависимость скорости и константы растворения соли от скорости потока
- •13.4. Анализ влияния различных компонентов промывочной жидкости на растворяющую способность раствора
- •Скорость растворения галита в перемешиваемом растворе, м/с10-7 (емкость 10л)
- •Из анализа результатов следует:
- •13.5. Промывочные жидкости, применяемые для бурения соленосных отложений
- •Промывочные жидкости, применяемые в России при бурении соленосных отложений
- •Продолжение таблицы 13.7
- •13.6. Анализ качества применяющихся промывочных жидкостей для бурения соленосных отложений
- •Скорость растворения галита в циркулирующих растворах
- •13.7. Силикатные растворы
- •Состав и свойства сульфатосиликатных и карбонатосиликатных растворов
- •13.8. Лигниноглинистые растворы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •3. Структурирование глинистых растворов 42
- •4. Роль электролитов в структурировании промывочных жидкостей. 55
- •5. Роль полимеров в структурировании промывочных жидкостей. 78
- •6. Деструктурирование промывочных жидкостей 116
- •7. Структурная вязкость и коэффициент трения промывочных жидкостей 131
- •9. Промывочные жидкости для бурения 188
- •10. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глин 222
- •11. Промывочные жидкости для бурения микротрещиноватых глинистых пород. 264
- •12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород. 279
- •13. Промывочные жидкости для бурения соленосных отложений 304
Плотность аэрированной жидкости определяется по формуле
где ρ0, ρ – плотность аэрированной и исходной жидкостей, α – количество воздуха в единице объёма аэрированной жидкости, р0,р – атмосферное и заданное давление.
Гидростатическое давление аэрированной жидкости р на глубине h – ста- тических условий определяют из соотношения
Для придания промывочной жидкости закупоривающей способности в неё вводят наполнители. Для надёжного закупоривания трещин размеры частиц наполнителя должны быть в 2 раза меньше величины раскрытия трещин.
Для аэрации промывочных жидкостей – применяют специальные аэраторы, а для стабилизации аэрированных растворов пенообразователи.
Плотность бурового раствора чаще всего определяют с помощью аэрометра АБР–1, состоящего из поплавка с двумя рабочими одной поправочной шкалами, мерного стакана с балластом и съёмного груза.
Перед измерением плотность раствора проверяют правильность его показаний . Для этого в стакан заливают пресную воду, подсоединяют его к поплавку и опускают вместе с поплавком в ведёрко с водой. Если по шкале 0,8–1,7 уровень воды мерка окажется выше или ниже 1.0, нужно определить причину (наличие засохшей глины в стакане, его деформация, попадание воды в поплавок и устранить её. При невозможности этого сделать по поправочной шкале определить поправку.
После определения поправки стакан заполняют исследуемым раствором и отпускают его вместе с поплавком в ведёрко с водой, по шкале 1,6-2,6 определяют плотность раствора; к этому показанию добавляют величину поправки. Если поплавок не погружается в воду, к стакану подсоединяют груз и отсчёт ведется по шкале 0,8-1,7.
Для измерения плотности могут быть использованы также рычажные весы – плотномер ВРП–1. Плотномер состоит из стойки и рычага со стаканом. На рычаге имеются две призмы с помочью которых рычаг устанавливают на стойке, и две шкалы, соответствующие этим призмам. Для определения плотности стакан заполняют раствором до отверстия и закрывают крышкой, рычаг устанавливают на правую призму, с помощью подвижного груза стакан с раствором уравновешивают и снимают показания по верхней шкале. Если плотность окажется больше предела измерения, рычаг устанавливают на левую призму и показания снимают по нижней шкале.
Для более точного, измерения плотности раствора используют пикнометр, представляющий собой стеклянный сосуд с притёртой пробкой и меткой на шейке.
Для определения плотности раствора вначале взвешивают пустой пикнометр Р1,заполняют его до метки исследуемым раствором, закрывают пробкой и вновь взвешивают Р2.
Плотность бурового раствора рассчитывают по формуле
,
где V- объём пикнометра.
Часть II. Стабилизация неустойчивых стенок скважин. Задачами второй части исследований являются:
1. На основании рассмотренной выше теории научно обосновать причинно-следственные связи протекающих процессов в неустойчивых горных породах при бурении.
2. В соответствии с этим провести анализ эффективности применяющихся промывочных жидкостей.
3.Рекомендовать к применению наиболее эффективные промывочные жидкости.
Разработкой эффективных промывочных жидкостей для бурения осложненных горных пород занимаются многие институты, видные ученые (особенно по бурению скважин на нефть и газ) К.Ф. Паус, Я.А. Рязанов, В. Городнов, В.Л. Михеев, И.Н. Резниченко, А.И.Булатов, М.И. Липкес, Э.Г. Агабальянс, Э.Г. Кистер, Н.Н. Круглицкий, Л.М.Ивачев, Б.Б. Кудряшов и многие другие. Ими написано ряд монографий, пособий и справочников для инженерно-технических работников, занятых при бурении скважин, учебников и учебных пособий для студентов.
В настоящее время накоплен огромный экспериментальный материал. Большинство исследований, посвященных разработке промывочных жидкостей для бурения глинистых пород проводилось без учета особенностей их структуры, учёта геологических условий залегания пород, их свойств. Совершенно различные глинистые породы объединялись в одну группу под названием «породы с псевдоконденсационными связями» (по Ангелопуло). К ним отнесены „глины, аргиллиты, сланцы, мергели, а также песчаники и конгломераты с глинистыми цементами”. Такие породы О.К. Ангелопуло предложил называть глинистыми породами или глинами.
В данной работе в качестве иллюстраций рассматриваемых проблем использованы экспериментальные материалы известных ученых. При исследовании уплотненных глин – экспериментальные данные В.Л. Михеева, М.И. Липкеса, В.И. Козлова, Л.Г, Даниловой [7].
Для оценки устойчивости спрессованных под давлением 370-750 кгс/см2 образцов бентонитов и гидрослюдистых глин плотностью 2,12-2,23 г/см3 они провели исследования на стенде УИГС-600М, позволяющем имитировать условия опытов, близких к скважинным. Величина всестороннего нагружения на образец поддерживалась постоянной (200 кгс/см2). В качестве исследуемых растворов использовались растворы электролитов: КCl, CaCl2, полимеров (метаса, КМЦ, кельцана) и комбинаций: 4% КCl с 0,4% кельцана.
При исследовании неуплотненных глин были использованы экспериментальные материалы В.Д. Городнова [18] который изучал влияние электролитов, полимеров и их комбинаций на влажность и пластическую прочность глинистых паст в приборе Жигача-Ярова. Прибор представляет собой цилиндр с перфорированными днищем и крышкой. В цилиндр помещалась глинистая проба, устанавливался индикатор часового типа с перфорированными поршнем. Затем цилиндр в сборе помещался на специальной скобе в стакан с исследуемым раствором и проба выдерживалась длительное время.
Недостаток исследований: отсутствовала возможность диспергирования пробы под воздействием растворов, что снижает ценность полученных результатов. Однако качественную оценку влияния различных растворов на влажность и пластическую прочность сделать можно.