- •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
Зависимость пластической прочности образца глины от влажности к2
Показатели опытов |
Время набухания |
|||||||
0,25 |
0,50 |
1,0 |
3,0 |
24,0 |
120,0 |
192,0 |
300,0 |
|
Влажность К, см3/г |
0,174 |
0,222 |
0,273 |
0,340 |
0,418 |
0,484 |
0,648 |
0,700 |
Пластическая прочность fi, МПа |
0,3806 |
0,1830 |
0,1016 |
0,0409 |
0,0285 |
0,0196 |
0,0168 |
0,0140 |
Расчетное значение fi, МПа |
0,3806 |
0,1832 |
0,0985 |
0,0510 |
0,0275 |
0,0177 |
0,0074 |
0,0058 |
Рис. 10.5. Зависимость пластической КПа дашгильской
глины от количества жидкости набухания К2
Таким образом, для повышения прочности глины следует снижать ее влажность. Понизить влажность глины можно путем снижения гидрофильности частиц за счет нейтрализации их поверхности катионоактивными электролитами.
Однако судя по рис.10.5. существенно повысить прочность глины за счет дегидратации можно лишь при влажности К2=0,2 см3/г и меньше, чего как мы видели достичь не возможно даже при большом горном давлении (см.9.2).
Значительное повышение прочности глины достигается за счет «сшивания» глинистых частиц катионами электролитов. В результате действия электростатических (кулоновских) сил, которые действуют на значительно большем расстоянии, чем межмолекулярные.
Прочность связей катионов с глинистыми частицами зависит от их заряда (валентности), гидрофильности и активности анионов (рис.10.6).
Рис. 10.6. Зависимость пластической прочности натриевых бентонитов в растворах нещелоччых электролитов от их концентрации: 1 - в растворе NaCI; 2 - в растворе KCI; 3 - в растворе СаС12 (кальциевых бентонитов); 4 - в растворе СаSО4; 5 - в растворе ВаСl2; 6 - в растворе KАl(SO4)2
Повышать прочность глины могут не только катионы, но и родственные глине (по химическому составу) анионы SiO-, AlOН-. Прочность глины в таких растворах даже при высокой влажности глины с увеличением концентрации электролита быстро возрастает (рис.10.7).
Все рассмотренные выше процессы увлажнения и упрочнения глин не учитывают влияния растворов электролитов на их диспергирование, которое существенно влияет на все процессы.
В необсаженной скважине глинистые породы непосредственно контактируют с циркулирующим буровым раствором и подвергаются его механическому воздействию. При высокой объемной энергии буровых растворов (в частности, растворов электролитов) возможно не только проникновение раствора в поры горной породы, но и диффундирование глинистых частиц в раствор, что приводит к диспергированию и разупрочнению глины.
Рис.10.7. Зависимость влажности образцов бентонита, выдержанных в растворах полимеров, от их концентрации: 1-в растворе крахмала. 2-в растворе КМЦ-600, 3-в растворе гипана.
Для определения влияния концентрации раствора различных электролитов на интенсивность диспергирования и разупрочнения глины были проведены экспериментальные исследования.
В качестве исследуемых пород использовалась глина, приготовленная из черногорского глинопорошка. Образцы глины выдерживались а течение двух суток в растворах соляной, серной кислот и электролитов-солей: NaCI, KCl, MgCl2, CaCl2, CuS04, AlNH4(SO4)2, Al2(SO4)3 различной концентрации. Результаты исследований показали, что все образцы в растворах электролитов различной концентрации (за исключением растворов HCl, NaCl, KCl) диспергировали и размокали уже в первые же сутки. В концентрированных растворах NaCl образцы в первые сутки несколько повышали свою прочность, но затем с увеличением времени выдержки наблюдалось понижение прочности до и ниже первоначальной.
Образцы глины, помещенные в одно- и двухпроцентные растворы жидкого стекла, потрескались в первый же час, а в 5%-м растворе, несмотря на достаточно прочную корочку образцы потрескались и развалились через четверо суток. Такое явление можно объяснить следующими причинами. Силикат - ионы вследствие их активного взаимодействия с глиной проникают в образец на небольшую глубину, предотвращают поступление очередных порций SiO3-, и упрочнение глины происходит только на поверхности образца. Но жидкое стекло весьма гидрофильно и пропускает через себя воду, образец набухает и упрочненный поверхностный слой растрескивается. Этим можно объяснить и осыпание глинистых стенок скважин при промывке силикатными растворами.
Подобным образом вели образцы глины в растворе бишофита (MgCl2 и MgO) в связи с высокой гидрофильностью катионов Mg2+.
Образцы глины в растворах NaCl и KCl несколько повышали свою прочность видимо, в основном за счет частичной дегидратации глинистых частиц по всему объему образцов. Гидрофильность К+ и Na+ весьма низка, катионы подвижны и под воздействием отрицательно заряженных глинистых частиц они легко проникают в горную породу на значительную глубину (о чем свидетельствуют экспериментальные данные, см. раздел 10.1). Однако, под воздействием электролитов раствора происходило диспергирование образцов глины все увеличивающееся с течением времени, которое в конечном счете и привело к разрушению образцов.
Для предотвращения разрушения образцов глины, следовательно, одновременно с введением электролитов, ингибиторов набухания и сшивающих агентов в раствор следует вводить и ингибиторы диспергирования, функцию которых могут хорошо выполнять полимеры.