- •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
13. Промывочные жидкости для бурения соленосных отложений
13.1. Осложнения при бурении соленосных отложений
Соленосные отложения представляют собой комплекс легкоразмывающихся хемогенных и терригенных пород. После перебуривания соленосных отложений под воздействием нескомпенсированных напряжений горная порода стремится занять устойчивое положение, вследствие чего в приствольной зоне под воздействием горного давления наблюдаются пластические деформации (течение солей и пластичных пород), а при наличии хрупких непрочных горных пород возможны обрушения, обвалы, образование каверн. Наряду с естественными процессами дестабилизации стенок скважин наблюдается их дестабилизация под воздействием промывочных жидкостей на водной основе: растворение и размывание стенок скважин.
Растворенные соли, в свою очередь, приводят к коагуляции промывочных жидкостей, ухудшают их технологические свойства, требуют дополнительных затрат на стабилизацию раствора.
13.2. Растворение хемогенных горных пород Растворение горных пород в промывочной жидкости характерно для галлоидов и сульфатов, в меньшей степени карбонатов.
Эти горные породы представляют собой соли с ионной постройкой кристаллической решетки, образованные в результате кристаллизации солей из насыщенных растворов водоемов, чаще всего в прибрежных районах морей и океанов.
Связь между атомами - полярная, весьма слабая, осуществляется в основном за счет разноименных зарядов ионов.
Растворение солей обусловлено гидрофильностью ионов, слагающих кристаллическую решетку, а также химическим сродством ионов растворяющейся соли с молекулами воды.
Процесс растворения соли происходит по следующей схеме. Под воздействием электрического поля поверхности растворяющейся горной породы молекулы воды в контакте с породой ориентируются и образуют слой заряженной воды. Под воздействием поверхностной энергии образованного слоя (кулоновского взаимодействия) слабосвязанные между собой ионы отделяются от кристаллической решетки, гидратируются слоем молекул воды и диффундируют в объем раствора за счет разности концентраций ионов в контакте с солью и в объеме. На смену гидратированным молекулам воды вступают во взаимодействие с ионами кристаллов новые свободные молекулы воды. Процесс растворения происходит до тех пор, пока все молекулы воды не будут связаны ионами.
В объеме до насыщения раствора солью ионы распределяются равномерно. Как известно, вода - хороший диэлектрик. Ее диэлектрическая проницаемость, при Т = 20°С, равна 81. Противоположно заряженные ионы с раствора, благодаря наличию между ними слоя воды - диэлектрика, взаимодействуют слабо. И только при незначительной толщине слоя воды между ионами (при полном насыщении раствора солью) ионы-гидраты начинают взаимодействовать между собой с образованием кристаллов. Соль выпадает в осадок. При наличии гидрофильных ионов с большим зарядом из гидрата удаляются не все молекулы воды, кристаллическая решетка образуется не из отдельных ионов, а из гидратов. Так образуются кристаллогидраты (например, бишофит MgCl26H2O из раствора соли MgCl2 и др.)
Минимальное количество молекул воды в гидрате (в насыщенном растворе), меньше которого происходит кристаллизация соли, назовем координационным числом гидрата. Координационное число гидрата зависит от величины заряда иона. Чем сильнее заряд, тем больше координационное число. Для многих электролитов с относительно небольшими зарядами координационное число гидрата близко по величине числу молекул кристаллизационной воды в кристаллогидрате.
При растворении горной породы (соли) на отрыв ионов от кристалла затрачивается энергия. Эта энергия постоянно пополняется за счет тепловой энергии, выделяющейся в результате гидратирования ионов. Если при гидратировании выделяется тепловой энергии больше, чем расходуется на отрыв ионов, наблюдается нагревание раствора (например, при растворении солей гидрофильных полиосновных кислот-сульфатов). Если выделяемая при гидратации тепловая энергия (при малом координационном числе гидратов) окажется меньше энергии, расходуемой на отрыв ионов, наблюдается охлаж
дение раствора. В этом случае повышение температуры при подогревании раствора повысит растворимость солей. Причем чем меньше координационное число образующихся при растворении гидратов, тем при увеличении роста температуры раствора выше растворимость соли. На рис.13.1. показан характер зависимости растворимости от повышения температуры раствора солей с различными координационными числами гидратов. Критерием растворения горных пород могут служить два параметра: ее растворимость и скорость растворения.
Растворимость горной породы - это ее способность растворяться в воде. Количественно она характеризуется максимальным количеством породы, способным растворяться в единице емкости воды, т.е. концентрацией насыщенного раствора данной соли. Но так как плотность и объем ионов различных солей различны, их растворимость, лучше определять по координационному числу гидрата. Оно зависит в первую очередь от величины заряда ионов, слагающих кристаллическую решетку соли. Наибольшей растворимостью обладают соли со слабыми ионными связями (малым зарядом). Это соли одновалентных металлов и одновалентных кислот (например, нитраты и галогены).
Рис. 13.1. Зависимость растворимости С от температуры Т, °С: 1 - NH4NO3, 2 - АgNО3, 3- KСl, 4 –СаСl2, 5 - NH4Cl, 6 - NaCl, 7 – CuSO4 x 5H2O
Из горных пород - соединений поливалентных металлов с остатками полиосновных кислот, обладающими большим зарядом и, следовательно, имеющими более сильные ионные связи, растворяются лишь соли гидрофильной серной кислоты: сульфаты. Причем растворимость их значительно ниже, чем растворимость солей одновалентных кислот. Максимальное количество растворяющейся соли в 100мл воды можно рассчитать по формуле
, (13.1)
где m - максимальное количество соли в насыщенном растворе; mв - масса воды; mв = 100 г, Mв - молекулярный вес воды, Мв = 18; М - молекулярный вес соли; К - координационное число гидрата.
Подставляя значения mв и Мв в формулу и решая относительно К, получим
, (13.2)
Из данной формулы при известных значениях m и М можно определить координационное число гидрата (растворимость соли).
Однако определить точное количество соли практически довольно трудно, так как она, как правило, содержит некоторое количеством влаги и механических примесей. Наличие примесей в горной породе увеличивает ее растворимость. Растворимость соли (координационное число), как известно, зависит от интегральной теплоты растворения, которая в свою очередь; зависит от прочности связей ионов с молекулами воды.
Для примера можно взять соли КСl, NaCl, LiCl, в которых ионный радиус К равен 1,33 А°, Na - 0,98 А° , Li - 0,68 А°, а интегральная теплота растворения ΔН при температуре 25° и 0,01 н концентрации соли КС1 равна (+17,57) кДж/моль, NaCl - (+4,27) кДж/моль, LiCl - (-36.4) кДж/моль.
Координационное число, (рассчитанное по формуле (13.2), составляет для КСl
для NaCI
для LiCI
Занесем полученные данные на сетку с координатами ΔН (интегральная теплота растворения), К (координационное число) и полученные для LiCI, NaCl и КС1 точки соединим между собой (рис.13.2).
Из рис. 13.2 видно, что интегральная теплота с увеличением координационного числа возрастает; с увеличением ионного радиуса гидрофильность галогена понижается (понижается ΔН, увеличивается К);при К=8 интегральная теплота равна нулю.
Рис. 13.2. Зависимость координационного числа от интегральной теплоты растворения (при T=25оC)
Процесс растворения соли наблюдается и при насыщении раствора, так как одновременно с растворением наблюдается кристаллизация соли на стенках скважин и в объеме на частицах твердой фазы.
За критерий растворяемости горных пород можно принять ее скорость растворения в воде. Скорость растворения зависит от типа горной породы, ее пористости, трещиноватости, механических примесей и температуры раствора.
Растворение чистых солей в воде можно описать уравнением Фика:
, (13.3)
где С/t - градиент концентрации раствора во времени; СH • концентрация насыщения раствора растворяющейся солью (растворимость соли); D-коэффициент диффузии; Сx – концентрация соли в растворе.
При растворении солей с примесями следует делать поправку, учитывающую долю примеси (α).
Тогда формулу (5.3) можно переписать в виде (при Сx=0)
, (13.4)
где концентрация раствора
, (13.5)
здесь mc, m - масса соли и масса раствора; ρ - плотность соли; V объем растворяющейся соли; S - поверхность контакта соли с раствором; ΔR - увеличение радиуса скважины за счет размывания соли.
Подставив полученное выражение (13.5) в формулу (13.4), получим
, (13.6)
здесь ΔR /t = p или - скорость растворения соли.
Период устойчивости хемогенных пород может быть определен формулой
, (13.7)
где [ΔR] - допустимое значение увеличения диаметра скважины за счет растворения соли.
В формуле (13.6) неизвестен коэффициент D. Для его определения были приведены экспериментальные исследования по растворению образцов галита (керна диаметром 42,35 мм) в чистой воде.
Растворение галита оценивалось по потере веса и уменьшению линейных размеров образца. Измерение массы образцов через определенные промежутки времени проводилось на лабораторных весах, а измерение длины - штангенциркулем. Для возможности определения линейного растворения образца он с одного торца и боковой поверхности изолировался изоляционной лентой.
При растворении соли NaCI в чистой воде массой m = 1 кг, плотностью ρ=2200 кг/м3 , α=1, Сн=0,265 кг/л, получим D =
Результаты экспериментов сведены в таблицу 13.1.
Если константу скорости растворения поваренной соли
К0=Д*3600=5,5*10-6*3600=1,98*10-2
принять за стандарт, то константу скорости растворения других солей можно определить из соотношения
, (13.8)
здесь СН концентрация насыщения рассматриваемой соли.
Таблица 13.1