- •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
9.2.6. Влияние горного давления на увлажнение глины.
В естественном состоянии глины в зависимости от горного давления и возможности оттока воды могут иметь различную степень уплотнения. При наличии возможности оттока воды с увеличением горного давления при одинаковых условиях увлажнение и набухание глины понижается. В контакте глины с раствором степень ее увлажнения и набухания определяется разностью объемных энергий глины и компонентов бурового раствора. Выражая объемную энергию через осмотические давления, эту разность можно записать в виде
, (9.18)
где pr0 - осмотическое давление глины, рp0 - осмотическое давление компонентов бурового раствора.
С удалением от стенок скважины вглубь массива горной породы р понижается вследствие действия горного давления pr:
, (9.19)
С увеличением горного давления влажность глины понижается (рис.9.2)
Рис.9.2 Влияние внешнего давления на влажность К2 глинистых образцов в дистиллированной воде.
Однако понижение давления р, и понижение влажности, будут ограничиваться некоторыми пределами.
Глинистые частицы, как мы отмечали, адсорбируют вокруг себя воду в виде тонких (расклинивающих по Дерягину) пленок. Прочность связей воды с частицами (пленок адсорбированной воды) достигает сотен и даже тысяч мегапаскалей. Поэтому даже при значительном горном давлении влажность глин остается довольно высокой.
Рис. 9.3. Зависимость влажности глинистых образцов в растворе УЩР при различном внешнем давлении от концентрации УЩР: 1 - при давлении 0.01 МПа, 2 - при ., давлении 0,16 МПа, 3 - при давлении 3 МПа
По исследованиям В.Л. Михеева и В.И. Козлова [7], при внешнем давлении 25-30 МПа спрессованный образец биклянской глины в воде увлажнился до 32 % (К2 = 0,32 см3/г) уже в течение первых 6 часов (рис.9.1).
По исследованиям В.Д. Городнова [18], при внешнем давлении 16 МПа полное увлажнение бентонита составило 50 % (К2 = 0,5 см3 / г. рис.9.2).
Увлажнение образцов глины в растворах щелочных (рис.9.3) и нещелочных (рис.9.4) электролитов в закрытой емкости (при отсутствии возможности диспергирования глины) с увеличением давления (до некоторого предела) понижается.
Рис. 9.4. Зависимость влажности глинистых образцов в растворе CaCI2 ; при различном внешнем давлении от концентрации СаС12 : 1 -при давлении 0,01 МПа, 2 - при давлении 0.03 МПа, 3 - при давлении 0,16 МПа. 4 при давлении 3 МПа
9.3. Промывочные жидкости, применяемые для профилактики осложнений в уплотненных глинах
Наиболее эффективными буровыми растворами для промывки скважин в глинистых набухающих и диспергирующихся горных породах являются растворы на нефтяной основе (РНО).
Нефть и ее производные - неполярные жидкости нейтральны по отношению к полярным глинистым частицам и поэтому, не способны вызывать их набухание и диспергирование.
Однако буровые растворы на нефтяной основа при бурения скважин на твердые полезные ископаемые не применяют, весьма редко их применяют и при бурении на нефть и газ (в большинстве случаев по продуктивным пластам). Объясняется это рядом причин, в первую очередь, токсичностью.
Вследствие высокой токсичности буровые растворы на нефтяной основе относятся к экологически вредным веществам, попадая через скважину в водоносные пласты, растворы могут заражать грунтовые воды. Отходы буровых растворов при неправильной их утилизации могут губительно сказываться на растительности и животном мире.
Нефть и ее производные пожароопасны.
Буровые растворы на нефтяной основе создают антисанитарные условия на рабочем месте, вредно влияют на человека, создают опасные условия работы.
РНО существенно снижают механическую скорость и производительность бурения и т.д.
В связи с вышеизложенным, несмотря на недостатки (в частности, способности насыщать горную породу водой) широкое распространение в практике бурения получили растворы на водной основе.
Рецептура применяемых растворов на водной основе изменялась в соответствии с эволюцией взглядов на их роль и функции в процессе бурения.
До тридцатых годов в осложненных условиях применялись преимущественно необработанные глинистые растворы. Появились работы по стабилизации стенок скважин. Однако для неустойчивых глинистых пород растворы оказались малоэффективными. Основной причиной набухания, размокания и обрушения пород исследователи считали высокую водоотдачу буровых растворов [10]. Поэтому основное внимание при приготовлении буровых растворов для промывки скважин в глинистых породах уделяли их малой водоотдаче и высокой вязкости. Термины "сохранение устойчивости" и "снижение водоотдачи" считали синонимами (Г.Ф. Паус). В 1934-36 гг. B.C. Барановым и З.П. Буксом для снижения водоотдачи глинистый раствор предложено обрабатывать препаратами типа УЩР (ТЩР) (табл.9.2).
Таблица 9.2
Промывочные жидкости, применяющиеся при бурении глинистых пород
Вид Глинис-той породы |
Название промы-вочной жидкости |
Струк-туро-образо-ватель, % |
Ингиби-тор диспер-гирова-ния горной породы, % |
Разжи- житель, % |
Активатор твердой фазы, % |
Добавки (смазываю-щие пеногаси-тель), % |
Твердые (устой-чивые) глинис-тые породы |
Глинис-тый |
Глина 10-20 |
- |
Вода |
- |
Нефть-10 + графит-1 + смад-3 |
Гуммат-ный |
Глина 8-10 |
- |
УЩР |
УЩР - 3-5 Na2О3-0.3-0.5 |
- |
|
Лигно-сульфо-натный |
Глина 8-20 |
- |
ССБ 3-4 |
УЩР-0,5-1 NaOH-0.5-1 |
ПГ-0,5-1 |
В пятидесятых годах, начиная с работ А.Н. Динника, появилось новое физико-механическое направление. Основной причиной осложнений в глинистых породах считалась невысокая прочность горных пород. Под воздействием горного давления и напряжений в приствольной зоне, вследствие недостаточной прочности пород, происходит их обрушение. Для поддержания устойчивости стенок рекомендовалось использовать глинистые растворы повышенной плотности с высоким содержанием твердой фазы. Для снижения вязкости стали применять лигносульфонаты (табл. 9.2).
В семидесятых годах исследователями США доказано, что для бурения глинистых пород более эффективными являются буровые растворы с малым
содержанием твердой фазы. Для бурения устойчивых глинистых пород предложен ряд рецептур полимерглинистых и полимерных растворов (табл.9.3).
Таблица 9.3
Промывочные жидкости, применяющиеся при бурении глинистых пород
Вид глинистой породы |
Название промывочной жидкости |
Структу рообразователь, % |
Ингибитор диспергирования горной породы, % |
Разжи житель,% |
Активатор твердой фазы, % |
Добавки (смазыва ющие пеногаси тель), % |
Уплот- ненные низко-коллои-дальные глины
|
Полимерная |
- |
ПАА-0,2 |
- |
- |
- |
Полимер глинистая |
Глина 4-5 |
КМЦ (М-14, метас) – 0,4-0,5 ПАА-0,0125 -0,025 |
- |
- |
Нефть 10 |
|
Полимер глинистая хромлигно сульфанатная |
Глина 4-10 |
КМЦ (М-14, метас) – 0,3-0,5 |
Окзил- 0,3-0,5 Na2Cr2O7- 0,05-0,1 |
Na2CO3- 0,3-0,5 |
|
В это же время развивается физико-химическое направление. Разрабатывается серия ингибирующих растворов (табл. 9.4).
Таблица 9.4
Промывочные жидкости, применяющиеся при бурении высококоллоидальных уплотненных глин (ингибирующие промывочные жидкости)
Промывоч- ный раствор |
Структу рообра зователь, % |
Ингибитор диспергирования горной породы, % |
Ингибитор разупрочне ния |
Разжи житель, % |
Активатор твердой фазы, % |
Добав ка пенога сителя |
Хлор- калиевый |
Глина 5-10 |
КМЦ (М-14, метас, крахмал) 0,5-1 КССБ-3-5 |
KCl-3-5 |
- |
KOH- 0.5-1 |
ПГ- 0,2-0,3 |
Известко вый |
Глина 8-10 |
КМЦ-0,1-0,3 КССБ-4-2-3 |
Ca(OH)2- 0.3-0.5
|
ССБ-3-5 |
УЩР- 0,5-1 NaOH- 0,3-0,5 |
ПГ- 0,2-0,3 |
Гипсово-известко вый |
Глина 8-20 |
КМЦ-0,3-0,5 |
Ca(OH)2- 0.2-0.3 Гипс-1,5-2 |
Окзил (ОССБ)- 0,5-1 Na2Cr2O7 -0,05-0,1 |
КОН- 0,2-0,3 |
ПГ- 0,3-0,5 |
Калиево-гипсовый |
Глина 6-15 |
КМЦ-0,5-1 |
KCl-1-3 Гипс-1-1,5 |
Окзил (КССБ-4) 3-5 |
КОН- 0,5-1 |
ПГ- 0,2-0,3 |
Калиево-известко вый |
Глина 6-10 |
КМЦ-0,3-0,5 |
Ca(OH)2-0,2-0,3 КСl-2-3 |
Окзил (КССБ-4) 3-5 |
КОН- 0,1-0,2 |
ПГ- 0,2-0,3 |