- •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
8.Общие сведения о структуре горных пород.
Структура, как отмечено выше, это совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
Эта совокупность устойчивых связей в горных породах представлена химическими связями и межмолекулярным взаимодействием.
8.1 Химические связи в минералах
К химическим связям относят ковалентные и ионные связи, возникшие между атомами при сближении их на достаточно близкое расстояние (порядка 0,1 - 0,5 нм). При этом возможны два случая. Первый случай, когда из неспаренных электронов (наружного электронного облака) различных атомов образуются электронные пары (валентные орбитали) с разными спинами, принадлежащими одновременно обоим атомам. При этом электронные облака атомов частично перекрываются, вследствие чего плотность отрицательного заряда в перекрываемой зоне между ядрами атомов возрастает. Возрастает и сила взаимодействия (притяжения) ядер (с положительным зарядом) к этой зоне. Образуется весьма прочная связь между атомами. Эта связь, как известно, носит название ковалентной.
Во втором случае при взаимодействии двух атомов один из них отдаёт, а другой принимает электроны. При этом первый атом превращается в катион, второй в анион, в результате чего возникает их взаимное притяжение. Эта связь носит название ионной.
Прочность ковалентной связи зависит от межъядерного расстояния. Чем оно меньше, тем прочнее связь между атомами. Межъядерные расстояния примерно равны сумме атомных радиусов взаимодействующих атомов. В табл. 9.1 показаны атомные радиусы наиболее распространенных элементов. Для сравнения здесь же приведены их ионные радиусы.[М.Х.Карапетьянс, С.И.Дракин]
Таблица 8.1
Атомные и ионные радиусы химических элементов
Период элемента |
Элемент |
Атомный радиус,пм |
Ионный радиус, пм |
2 |
Li+ Be2+ B3+ C4+ N5+ O2- F- |
155 113 80 55 72 60 71 |
68 35 23 16 13 132 133 |
3 |
Na+ Mg2+ Al3+ Si4+ P5+ S2- Cl- |
189 160 143 118 95 102 99 |
97 66 51 42 35 174 181 |
4 |
K+ Ca2+ Fe2+ Fe3+ Ti4+ V6 Se2- Br- |
236 197 125 125 146 134 116 114 |
133 99 72 63 68 59 191 196 |
5:6 |
Cs+ Ba2+ Zr4+ Ta5+ W6+ - I- - |
268 221 160 145 140 - 113 - |
167 134 87 69 62 - 220 - |
Однако энергия связи между атомами определяется не только межъядерным расстоянием, но и электроотрицательностью взаимодействующих атомов. Если взаимодействующие атомы имеют различную электроотрицательность, то под воздействием электрического поля атома с большей электроотрицательностью в его сторону смещается электронное облако другого атома. Это смещение облака ведет к поляризации атома и дальнейшему увеличению прочности связи. Такие связи называются ионоковалентными. Для атомов с небольшими межядерным расстояниями и различной электроотрицательностью) энергию связи можно вычислить по формуле Полинга
, (1)
где E1 и Е2 - энергии связи взаимодействующих атомов в простых молекулах; Э - разность электроотрицательностей.
Наименьшими атомными радиусами обладают атомы второго периода периодической таблица Менделеева. Поливалентные атомы этого периода способны образовывать не одну, а несколько общих валентных орбиталей кратных связей: двойных, тройных (табл. 2).
Таблица 8.2
Прочность химических связей соединений элементов второго периода
Химичес- кий элемент |
Соединения |
||||
С кислородом (оксиды) |
С азотом (нитриды) |
С углеродом (карбиды) |
С бором (бориды) |
С водородом (гидриды) |
|
O |
147 493 (650) |
222 607 |
358 803 |
- 80010 |
428 268197 |
N |
222 607 - |
164 419 946 |
- 761 701 |
385 - - |
310 - - |
C |
358 803 1072 |
- 890 - |
346 611 837 |
448 81240 - |
- - - |
B |
- 800100 - |
385 - 830 |
448 81240 - |
27621 - - |
338 (452) - - |
H |
428 |
310 |
333 |
368 |
432 (255) |
Cl |
265 |
- |
39329 |
548 |
428 |
S |
550 (521) |
46021 |
710 |
582 |
3498 |
P |
59410 |
7303 |
- |
- |
34330 |
Si |
803 |
- |
43021 |
- |
30221 |
Al |
75013 |
360 |
- |
- |
290 |
Из табл. 2 видно, что наибольшей прочностью обладают ионоковалентные и ковалентные тройные связи, затем ионоковалентные двойные связи второго периода:
C+O- (1072 кДж/моль) B+N- (830 кДж/моль)
N N ( 946 кДж/моль) B+C- (812 кДж/моль)
C C ( 837 кДж/моль) B O- (800 кДж/моль)
Такие же связи, но менее прочные вследствие увеличения атомных радиусов образуют аналоги элементов третьего периода:
Si+O- (803 кДж/моль)
Al+O- (750 кДж/моль)
P+ O- (800 кДж/моль)
Из перечисленных соединений нитриды, карбиды, бориды и гидриды в природе встречаются редко, т.к. при образовании минералов (в период остывания магмы) атомы азота, обладающие сильными связями (до 946 кДж/моль), объединялись в молекулы азота и выделялись в атмосферу, атомы углерода соединились с атомами кислорода (их прочность связей достигает 1072 кДж/моль) и тоже выделялись в атмосферу в виде углекислого газа. Относительно невысокое содержание углекислого газа в атмосфере объясняется тем, что он поглощается растениями и вступает в соединения с металлами, образуя карбонаты. При отсутствии углерода и азота бор образует прочные связи с кислородом воздуха - оксиды бора, которые являются структурными элементами боритов. Водород так же имеет наиболее прочные связи с кислородом, что приводит к образованию воды (гидросферы).
Широко распространены в природе только оксиды. Кислород является связующим элементом почти всех (за небольшим исключением) соединений неорганического мира. Кислород в неорганическом мире имеет такое же значение, как углерод в органической.
Много кислорода содержится в воздухе (21 %), а в виде соединений ОН находится в земной коре (около 50 %) и воде. Кислород образует прочные связи со всеми элементами. Наиболее прочны связи кислорода с углеродом, азотом, бором, серой, фосфором, вольфрамом, ниобием, титаном, танталом, с которыми он образует классы окислов, карбидов, нитратов, боритов, сульфатов, вольфрамов, титано-тантало-ниобатов и других минералов.
Из окислов наиболее прочные соединения кислорода с углеродом (СО) - 1076 кДж/моль, с кремнием SiO (803 кДж/моль), алюминием AlO (750 кДж/моль), поэтому около 90 % земной коры представлено силикатами и алюмосиликатами. По прочности связь близка к прочности алмаза (873 кДж/моль), но поскольку атомный радиус обладает большим размером, то прочность кварца почти в 10 раз меньше прочности алмаза. Кроме того, на прочность минерала оказывает влияние и плотность упаковки атомов.
Плотность упаковки корунда значительно выше, чем у кварца, поэтомy,несмотря на меньшую прочность химических связей, он ближе по твердости к алмазу.
Но не только химические связи определяют прочность минерала и породы в целом. Большое влияние на нее оказывает тип структуры минерала. При координационной структуре и плотной упаковке кристаллов связь равномерная, а прочность связей максимальная. При островной и кольцевой структуре твердость минерала зависит от катиона, связывавшего полиэдры (чаще всего тетраэдры). Для железисто-магнезиальных островных силикатов она равна около 7. Для кольцевых минералов с ионными типами связей малой крепости - 3-4 (ангидрид, апатит и др.).
Каркасные силикаты в связи с пористой структурой имеют, несколько меньшую твердость (около 6). Листовые силикаты имеют прочные связи в листах, но между листами химические (межатомные) связи отсутствуют. Здесь действуют только слабые межмолекулярные связи. Твердость таких минералов низка (1-3).
Тип структуры, плотность упаковки минералов, а, следовательно, прочность межатомных связей зависят от давления и температуры их кристаллизации. Координационная и островная структуры с плотной упаковкой атомов (алмаз, гранаты и др.) характерны для минералов, образованных при высоком давлении и температуре. Каркасные силикаты с неплотной упаковкой образуются при относительно небольших давлениях и температуре.
Как видно из формулы (1), поляризация атомов под воздействием сильно электроотрицательных соседних атомов-партнеров резко повышает прочность связей. При сильном воздействии электроотрицателъности соседнего атома (или электрического поля группы атомов) за счет сильной поляризации даже одновалентные атомы (например, водород) могут приобрести вторую координационную (донорно-акцепторную) связь. Частным случаем такой связи является водородная связь.