- •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
12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород.
12.1. Трещиноватые горные породы
К трещиноватым горным породам относят преобладающую часть скальных пород с широко развитой совокупной системой трещин. Исследования трещиноватости горных пород разреза имеет важное практическое значение. Трещиноватость в значительной мере определяет поведение горных пород в окрестностях скважины.
Выделяют трещины отдельности, трещины тектонического происхождения, трещины напластования и трещины выветривания.
Трещины отдельности возникают в результате остывания и раскристаллизации магматических расплавов в процессе образования магматических пород. Таковы, например, трещины, расчленяющие покровы базальтовых лав на столбчатые, призматические или шарообразные отдельности. В гранитах наблюдаются матрацевидная, параллелипипедная и другие формы отдельности.
В результате радиальных и тангенциальных усилий в земной коре наблюдаются тектонические деформации, сопровождающиеся образованием в слоистых и относительно пластичных породах пластовой (кливажной) трещиноватости появлением систем трещин разрыва, расположенных перпендикулярно кливажым трещинам, и трещин скола, расположенных под углом к кливажным трещинам по двум-трем сопряженным направлениям. Такие трещины характерны, например, для стреляющих аргиллитов. Число трещин зависит от динамических условий и внутренней структуры деформируемого массива. Микросмещения по плоскостям кливажной трещиноватости столь малы, что обычно не обнаруживаются невооруженным глазом. Они являются следами квазипластического деформирования горных пород. Густота развития трещин от долей сантиметра до десятков и даже сотен сантиметров. С увеличением расстояния между трещинами скола обычно возрастают амплитуды смещений. С увеличением амплитуды смещения возникает так называемая тектоническая трещиноватость. От кливажной трещиноватости она отличается лишь большей амплитудой смещения, видимой на глаз и нередко измеряемой сантиметрами. При значительных смещениях, измеряемых многими метрами, имеют место дизъюнктивные нарушения: сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги.
Тектоническая трещиноватость и дизъюнктивные нарушения развиты наиболее интенсивно и часто в жестких горных породах неоднородных массивов.
Трещины напластования образуются в результате динамического метаморфизма осадочных неоднородных по структуре горных пород.
Трещины выветривания возникают в результате дезинтеграции горной породы под воздействием температурных колебаний, изменений состояния влажности, периодического замерзания и оттаивания воды и других факторов. Трещины выветривания обычно усиливают первичную тектоническую трещиноватость.
В зависимости от величины раскрытия трещин выделяют микротрещины (до 0,15 мм), тонкие трещины (до 1 мм), мелкие (1 - 5 мм), средние (5 - 20 мм), крупные (20 - 100 мм), очень крупные (свыше 100мм).
Жесткие горные породы под воздействием тектонической деятельности в земной коре могут расчленяться системой трещин на отдельные блоки. Вертикальные трещины жестких пород, в отличие от трещин в пластических породах, под давлением горных пород не смыкаются. Образованные в результате геологической деятельности трещины могут заполняться циркулирующими подземными водами. Под воздействием циркулирующей в трещинах воды в зависимости от ее скорости течения и минерального состава происходит либо растворение и размывание трещин горных пород, либо заполнение их выпавшей из раствора солью.
Размытые подземными водами трещины называют кавернами.
Наиболее подвержены таким процессам осадочные и хемогенные горные породы: карбонаты (чаще всего известняки) и гипс.
Растворимость горных пород зависит от свойств самой породы, растворяющей способности циркулирующей минерализованной воды и ее скорости.
Воды, содержащие большое количество свободной углекислоты, обладают высокой растворяющей способностью известняков
СаСО3+СО2+Н2ОСа(НСО3)2
Малорастворимый известняк переходит в хорошо растворимый бикарбонат кальция. Повышенной растворяющей способностью обладают природные воды, почти всегда содержащие сульфоанионы SО42- и ионы Сl-. Известно, что в растворах хлоридов (например, NaCI) значительно интенсивнее растворяются гипс и известняк. То же можно сказать и о растворах, содержащих сульфат ионы.
При малой скорости циркуляции подземных вод, содержащих бикарбонаты, может происходить заполнение трещин кальцитом, выпадающим из раствора под воздействием высокой температуры:
Ca(HCO3)CaCO3+H2O+CO2
Легко растворимые соли (галит, сильвин, бишофит, карналит) являются пластичными породами, благодаря чему при деформации не образуют трещин, доступных для проникновения и циркуляции подземных вод. Поэтому, несмотря на их высокую растворимость, естественных каверн в этих породах не наблюдается, но зато быстро развиваются искусственные каверны в скважинах под воздействием бурового раствора. Естественные каверны образуются в течение длительного периода времени и могут достигать значительных размеров как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.
При бурении кавернозных пород наблюдается в большинстве случаев полное поглощение промывочной жидкости.
За критерий трещиноватости горной породы принимают скважность (степень трещиноватости).
Скважность (пустотность) - это общий объем пустот в горной породе-
Fср=lсрсрnуд (12.1)
где lср - средняя длина трещин в некотором объеме горной породы; ср - среднее раскрытие трещин; nуд - количество трещин на единицу площади.
По трещиноватости горные породы делят [10] на слаботрещиноватые с раскрытием трещин до 1мм., трещиноватые с раскрытием трещин 1-5мм., сильнотрещиноватые с раскрытием трещин более 5мм и весьма сильнотрещиноватые (дробленые).
Наличие трещиноватости, наличие каналов в горной породе приводит к разгерметизации скважины. Благодаря этому возможны, в зависимости от наличия пластовых вод и пластового давления, водопроявления или водопоглощения.
Анализ баланса времени при бурении глубоких скважин показывает, что затраты времени на ликвидацию осложнений составляют для различных экспедиций от 3 до 23%. Более того, 20% этого времени затрачивается на ликвидацию обвалов и каверн, 17% - на водопроявления и около 60% - на ликвидацию водопоглощений. 44% всех поглощений приурочено к поглощениям в интрузивных породах и контактам интрузивных пород (чаще всего дробленых долеритов) с осадочными породами. Эти зоны водопоглощений являются и зонами осыпания пород и обвалообразования.
Почти половина зон водопоглощений наблюдается на глубине до 100м.