- •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
10.4. Полимерполисолевые промывочные жидкости, для бурения неуплотненных глин (общие понятия).
В природе упрочнение неуплотненных глин производится тремя путями:
1) путем пропитывания глины коллоидными растворами, переходящими в гель;
2) путем цементации растворами Са(НСО3)2, Мg(НСО3)2, Н2SiO3;
3) путем обезвоживания и перекристаллизации глины под воздействием высоких температур (при контактовом метаморфизме).
Коллоидные растворы представляют собой микрогетерогенные системы, чаще с кремнеземной фазой с размером частиц 0.1 мкм и менее. Под воздействием электрического поля глинистых частиц они через поры проникают в глину и в виде гелей адсорбируются на поверхности частиц. Кремнеземные гели содержат много воды (90-92%). В процессе диагенеза вода отжимается и испаряется. При содержании в геле 86% воды он становится упругим, при 73% - ломким, при 70% - его можно толочь, при 63% - совершенно сухой на ощупь гель измельчается в порошок. С течением времени гель подвергается перекристаллизации и, теряя воду, превращается в камнеподобное вещество, не размокающее в воде, а глина превращается в аргиллит.
Подобным же способом происходит и цементация глин. При цементации глин растворами Са(НСО3)2 образуется не размокающий в воде глинистый мергель, при цементации Са(НСО3)2, и Н2SiO3 - кремнистый мергель и т.д.
Механизм твердения глины при ее цементации рассмотрим на примере тампонажного цемента.
Тампонажный портландцемент - это искусственный мергель, получаемый путем обжига смеси глины с известняком, При обжиге известняк разлагается на углекислый газ и окись кальция:
СаСОз → СаО + СО2↑.
После обжига тампонажный портландцемент имеет следующий состав:
Окись кальция СаО 60-67%
Кремнезем SiO2 17-25%
Глинозем Al2O3 3-8%
Окись железа Fe2O3 0.3-0.6%
Окись магния MgO 0.1-1.5%
Сернистый ангидрит SO3 3-1.0%
Окись калия и натрия К2O+Na2O 0.5-1.5%
Гранулометрический состав частицы размером менее 10 мкм – 30 35%, остальные частицы размером 10-50 мкм. Удельная поверхность - 2500-4000 см2/г.
Процесс затвердевания цемента протекает в три стадии [22]. На первой стадии происходит гидратация силикатов и алюмосиликатов с образованием гидрокиси кальция
CaSiO3+H2O→ CaSiO3*H2O+Ca(OH)2
Во вторую стадию происходит схватывание цемента за счет связывания частиц силиката и алюмината кальция затвердевающим гидроксидом кальция.
На третьей стадии гидроксид кальция кристаллизуется, цемент превращается в камнеподобное тело.
Искусственное упрочнение неустойчивых пород в настоящее время проводят путем введения химических реагентов или приложения физических полей. Наиболее распространенные методы упрочнения пород в скважинах - битумизация, смолизация, селикатизация, цементация, термическая обработка (замораживание, обжиг), электрохимическое упрочнение.
Глинистые породы обладают весьма малыми поперечными размерами пор и проникнуть в эти поры вяжущий материал может чаще всего в виде ионов SiO32-, Ca2+, Mg2+.
Недостатком таких растворов является слабая подвижность поливалентных ионов, вследствие чего они проникают в горную породу на небольшую глубину. Увеличить подвижность ионов Ca2+ и Mg2+ можно путем добавления в раствор электролитов NaCl или КСl. В присутствии анионов S042-, Сl- растворимость даже труднорастворимых солей существенно увеличивается. Так по исследованиям Ф.Ф. Лаптева, при увеличении анионов S042- от 0,1н до 0,5н переход в раствор ионов Са2+ увеличился в 10 раз с 0,12 до 1,18мг-экв/л.
В присутствии NaCI растворимость труднорастворимого гипса возрастает в 2,8 раза. По исследованиям O.K. Ангелопуло [16, при пропитке глинистого образца раствором КС1 в жидкости, вытекающей из конца трубки, было обнаружено высокое содержание ионов Са2+ и Мg2+. Так, при высоте образца глины 40 см было обнаружено 83.6 г/л Са2+ и 9,7 г/л Мg2+.
Таким образом для радикального упрочнения неуплотненных глин буровой раствор должен иметь в своем составе: полимеры и электролиты одновалентных и поливалентных металлов. Катионы поливалентных металлов способны «сшивать» глинистые частицы породы и тем самым резко повышать прочность породы. Электролиты одновалентных металлов, содержат слабогидрофильные подвижные катионы К+ и Na+, которые способны проникать на значительную глубину в неуплотненную глину и гидрофобизировать глинистые частицы. Кроме того, они содержат активные анионы Cl- , SO4-, способствующие более активной диссоциации кальциевых солей и глин, что позволяет проникать катионам двухвалентных металлов на большую глубину.
Такие полисолиевые растворы для бурения неуплотненных глин являются весьма перспективными буровыми растворами.
На возможность крепления стенок скважин в неустойчивых терригенно-солевых отложениях полисолевыми растворами указывает O.K. Ангелопуло.[15]
Главной предпосылкой для постановки наших исследований - отмечает он, - был положительный опыт применения на буровых Уральской области в 1965 г. глинистого раствора, насыщенного галитом с добавкой 10-15% комплексной калийно-магниевой соли - карналита. Иными словами, объектом теоретических и экспериментальных работ стали буровые растворы, насыщенные не только одной, но и несколькими солями щелочных и щелочно-земельных металлов и названные полисолевыми растворами.
В результате было доказано, что буровые растворы, обработанные хлоридами натрия, калия, магния и защитными органическими реагентами, обеспечивают нормальное состояние ствола скважины в соленосных породах. Причем для сохранения устойчивости терригенной части разреза может быть использован этот же полисолевой раствор. Оптимальные добавки хлорида магния и защитных коллоидов в хлоркальциевый раствор способствуют повышению устойчивости перемятых глин за счет замедления их капиллярной пропитки.
Отдавая должное эффективности ингибиторов разупрочнения типа силикатов и алюминатов натрия, вызывающих глубокие и необратимые изменения структуры кальциевых глин и повышающих их водоустойчивость, необходимо учитывать целесообразность применения полисолевых растворов [15].
Следовательно, как в природе, так и на практике литификация глинистых пород производится растворами соединений двухвалентных металлов, чаще всего кальция. Однако транспортирование этих соединений в поры глины вызывает большие сложности. Абсорбировать соединения кальция из даже сильно разбавленных цементных растворов или известкового молока глине довольно сложно вследствие значительных размеров и невысокого заряда частиц. Слабо абсорбируются глиной ионы Са2+ из растворов Са2++2НСО3- (из-за высокой их гидрофильности и наличия анионов НСОз-).
Да и перевести нерастворимые соли кальция в растворимые:
CaCO3+H2O+CO2Ca2++2HCO3-
и наоборот:
Ca2++2HCO3- CaCO3+H2O+CO2
весьма трудно.
Вследствие высокой гидрофильности (особенно при наличии в растворе ионов хлора), ионы кальция слабо абсорбируются кальциевой глиной.
В природе в высокоминерализованных водах содержание ионов кальция резко возрастает, так как ионы кальция гидрофильны и уравновешиваются в этих водах большим содержанием хлора [42.
Менее гидрофильными и более глинофильными являются ионы магния. Воды с ионами магния встречаются реже, чем с ионами кальция - это объясняется высокой их глинофильностью.
В поисках эффективных промывочных жидкостей для бурения неуплотненных глинистых пород с высокими крепящими свойствами автором работы были проведены специальные исследования.