Материал: Бурение глинистых пород

Содержание воды и прочность глины в свою очередь зависит от степени ее уплотнения. В инженерной геологии глинистые породы делят на твердые породы и глины. Глины В.А. Приклонский предлагает делить на пять групп: рыхлые (супеси, суглинки), слабоуплотненные, среднеуплотненные, уплотненные, переуплотненные,

В.Д. Ломтадзе выделяет глинистые породы малой, средней и высокой степени уплотнения Глинистые породы высокой степени уплотнения - это полутвердые породы, занимающие промежуточное положение между твердыми (окаменевшими) и пластичными глинистыми породами. Свободная вода полностью отжата, содержится только связанная вода - вода гидратных оболочек. При взаимодействии с водой порода набухает и размягчается.

Глинистые породы средней плотности - пластичны, при высыхании переходят в твердое состояние, при взаимодействии с водой набухают.

Глинистые породы малой степени уплотнения находятся в текучем или скрытнотекучем состоянии, содержат значительное количество свободной воды.

В буровой научной литературе классификации глин по степени уплотнения посвящена работа ВНИИКрНефти, в частности работа Н.Г. Аветисяна. С увеличением количества воды в глине плотность глины понижается, по этому показателю можно судить о степени уплотнения, влажности и прочности глины. По плотности (точнее объемной массе) все глины Н.Г. Аветисян разделил на три группы:

)Р = 2100-2200 кг/м³;

)Р = 2200-2500 кг/м³;

)Р>2500 кг/м³. В первой группе глины содержат все виды воды (свободную, рыхло- и прочносвязанную), во второй группе - только связанную (рыхло- и прочно связанную), в третьей группе - только прочно связанную воду.

Таким образом, уплотненные глины обладают достаточно высокой прочностью, но при взаимодействии с водой способны размягчаться и создавать аварийную ситуацию. Чтобы избежать осложнений, необходимо предотвратить абсорбцию глиной воды. Это можно достичь тремя путями:

·        уравновешиванием объемной энергии горной породы и компонентов бурового раствора;

·        гидрофобизацией стенок скважин неполярными жидкостями и полимерами;

·        нейтрализацией потенциала и сшиванием глинистых частиц катионами.

По первому варианту для уравновешивания объемной энергии (потенциала) глинистой породы в промывочную жидкость вводят 10-20 % глины (необработанный глинистый раствор), а для активации (повышения потенциала) глинистых частиц 3-5 % УЩР, 0,3-0,5.% Nа₂СО, гуматный раствор) или 0,5-1% УЩР, 0,5-1 NаОН и 3-4 % ССБ (лигносулфанатный раствор).

При введении глины в буровой раствор одновременно с увеличением объемной энергии, а следовательно снижением водоотдачи повышается плотность, вязкость и СНС бурового раствора, что резко снижает механическую скорость бурения. Кроме того, вследствие более высокой объемной энергии (потенциала) глинистой породы по сравнению с объемной энергией компонентов раствора плотностью уравновесить их невозможно даже при высокой концентрации глины в промывочной жидкости. Поэтому глинистые частицы породы постоянно диффундируют в буровой раствор, а молекулы воды из раствора в породу, в результате горная порода размягчается на стенках скважины образуется рыхлая набухшая масса, способствующая прихватам снаряда, а буровой раствор еще больше загущается.

В связи с вышеизложенным глинистые растворы для бурения глинистых пород использовать не рекомендуется.

При добавлении в глинистый раствор щелочь, УЩР, лигносульфатов происходит активизация не только глинистых частиц раствора, но и глинистых частиц горной породы, а последняя приводит к повышению гидратации, размягчению и диспергированию горной породы.

Исследователи США установили, что такие промывочные жидкости обладают весьма низким индексом устойчивости, и поэтому они также не рекомендуются для бурения глинистых пород.

По второму варианту дня нейтрализации потенциала и сшивания глинистых частиц в буровой раствор вводят катионоактивные электролиты КС1, NаС1, СаС1₂, Са₂SO₄, Са(ОН)₂, КС1(SO₄)₂ или жидкое стекло - Nа₂ SiO_ЗН₂O

Оценку гидратации и размягчения спрессованных бентонитов и глины различных электролитов в условиях, приближенных к скважинным при всестороннем давлении провели В.Л. Михеев, М.И. Липкес и другие на стенде УИГС - 600М.

Полученные результаты показывают, что для уплотненных глин влияние электролитов на влажность (гидратацию частиц) и разупрочнение глины незначительно и близко к повышению влажности и снижению прочности в чистой воде.

Дело в том, что в уплотненной глине размеры пор весьма малы, и гидратированные катионы проникают в них в незначительном количестве. В тоже время объемная энергия бурового раствора за счет ионов электролитов резко возрастает, что приводит к диспергированию и размягчению глины.

Поэтому в чистом виде растворы электролитов для бурения глин применять не рекомендуется.

Полимеры представляют собой цепи, состоящие из большого количества звеньев. Звенья способны вращаться вокруг оси молекулы. Под воздействием полярной, поверхности стенки скважины звенья поворачиваются в сторону стенки своей полярной частью (функциональной группой звена), а неполярной - в сторону воды. В результате этого стенки скважин становятся гидрофобными, нейтральными по отношению к воде. Предотвращается гидратация и диспергирование глины.

Роль полимеров не ограничивается только функциями ингибитора абсорбции глиной воды и ингибитора ее диспергирования. Они выполняют целый ряд функций: структурообразователя (а при малой концентрации - разжижителя), флокулянта, понизителя водоотдачи и фильтрации, стабилизатора, гидрофобизатора бурильной колонны и другие.

Оценку устойчивости к набуханию, увлажнению и размягчению высококоллоидальных уплотненных глин в полимерных растворах на стенде УИГС - 600М провели В.Л. Михеев, М.И. Липкес и др.

Проведенные исследования доказывают высокую эффективность полимерных и полимербентонитовых растворов для бурения этих пород. Эффективность действия полимеров определяется невысокой оптимальной их концентрацией, при которой достигается гидрофобизация глины. Коэффициент разупрочнения за 72 ч наблюдений в 0,2% растворе КМЦ - 600 составил 0,9, а в 0,4 % растворе кельцана - 0,9 %, при введении в полимерный раствор электролитов эффективность еще больше возросла. Так при концентрации кельцана 0,4 % и электролита КС1 - 4 % коэффициент разупрочнения глины составил К=0,9-85, а прирост увлажнения глины не превысил 0,2 %.

Следовательно, электролиты оказываются эффективными только в сочетании с полимерами. Поливалентные электролиты в этом случае менее эффективны чем КС1, так как повышают диспергирование породы (образуют рыхлую массу на стенках скважин), вязкость раствора.

3. Ингибирующая способность

Ингибирующая способность - это способность бурового раствора предупреждать или замедлять деформационные процессы в околоствольном пространстве скважины (кавернообразование, сужение ствола и т.п.), представленном легкогидратирующимися, набухающими и размокающими глинистыми породами.

При этом под глинистыми породами понимаются не только собственно глины, но и глинистые сланцы, аргиллиты, породы на глинистом цементе (глинистый песчаник, мергель, алевролит и др.).

Согласно современным представлениям основные причины потери устойчивости глинистых пород связаны с нарушением их естественного влажностного равновесия при взаимодействии с дисперсионной средой буровых растворов и обусловленным этим ростом дополнительных внутренних напряжений в поровом пространстве.

Влагоперенос, т.е. проникновение дисперсионной среды бурового раствора в глинистую породу, происходит главным образом за счет адсорбционно - осмотических процессов.

Общим для этих процессов является то, что в результате вокруг структурных элементов глинистых пород образуются гидратные оболочки, т.е. происходит их дополнительное увлажнение.

При достижении критической влажности (для аргиллитов критической считается влажность порядка 8-9%), т.е. при максимальном развитии и перекрытии гидратных оболочек, которые обладают значительной упругостью и прочностью на сдвиг, в глинистой породе возникают гидратационные напряжения, величина которых в околоствольной зоне скважины может достигать от 40 до 1000 МПа, вследствие чего породы в этой зоне претерпевают весь спектр деформаций от вязкопластического течения до хрупкого разрушения.

В аргиллитах и глинистых сланцах деформационные процессы завершаются хрупким разрушением (кавернообразованием). Для типичных глинистых пород характерны пластические деформации, следствием которых является сужение ствола скважины.

Набухание и диспергирование глинистого базиса пород-коллекторов, а также миграция диспергированных глинистых частиц в их поровом пространстве являются одной из главных причин снижения естественной проницаемости продуктивных пластов.

Диспергирование выбуренных глинистых частиц ведет к аккумуляции их в самом буровом растворе. В результате этого происходит интенсивное изменение его функциональных свойств, регенерация которых требует разбавления бурового раствора водой, дополнительной обработки его химическими реагентами и применения многоступенчатых систем очистки.

В связи со сложностью процессов влагопереноса в системе «ствол скважины - глинистые породы» единый показатель оценки ингибирующей способности буровых растворов до сих пор отсутствует.

Существующие показатели оценки ингибирующей способности могут быть объединены в три группы:

ü  показатели набухания;

ü  показатели влажности;

ü  показатели деформации естественных и искусственных образцов глинистых пород, контактирующих с исследуемой средой.

Рис. 1 Схемы приборов для определения показателей набухания глинистых пород

Рис.2 Схемы приборов для определения показателя увлажняющей способности буровых растворов

Рис. 3 Пресс для формирования модельных образцов глинистых пород

Принципиальные отличия между методиками оценки ингибирующей и консолидирующей способности буровых растворов:

ü  при оценке ингибирующей способности испытывают модельные образцы глинистых пород с влажностью, близкой к естественной, которые помещают в фильтрат бурового раствора (в сравнительных испытаниях - в дистиллированную воду);

ü  при оценке консолидирующей способности испытаниям подвергаются модельные образцы из потенциально неустойчивых пород, сконсолидированные буровым раствором и погружаемые в него на весь период испытаний.

Для кондиционирования, т.е. придания буровым растворам требуемых свойств на этапе их приготовления, регулирования (регенерации) свойств буровых растворов в процессе бурения, а также для защиты их от возмущающих воздействий (высоких и низких температур, полиминеральной агрессии, воздействия выбуренных глинистых частиц, бактерий и др.) применяют различные химические реагенты.

Основной объем буровых работ, как в нашей стране, так и за рубежом, выполняется с промывкой скважин суспензиями, в которых активной твердой фазой являются высокодисперсные разности глин.

Главными признаками глин являются высокодисперсное состояние, характеризующееся коллоидными и близкими к ним размерами частиц, гидрофильность (активное взаимодействие с водой), способность к адсорбции, ионному обмену, набуханию и проявлению упруго-вязко-пластичных и тиксотропных свойств в концентрированных и разбавленных суспензиях.

Перечисленные признаки глин определяют химический состав, тип кристаллической решетки, её несовершенство и дефекты, а также размеры и форму частиц глинистых минералов.

Глинистые минералы по химическому составу представляют собой водные (содержащие кристаллизационную воду) алюмосиликаты.

Суммарное содержание глинозема (Al2O3), кремнезема (SiO2) и воды достигает в глинах 75 - 90 %.

Остальное приходится на долю других элементов периодической системы, среди которых явно преобладают Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и Fe2+.

Каолинит имеет двухслойную кристаллическую решетку без зарядов на базальных поверхностях, что объясняется отсутствием изоморфных замещений.

В алюмокислородном слое значительная часть атомов кислорода замещена группами ОН-.

Атомы кислорода и гидроксил ионы смежных соприкасающихся пакетов находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью типа О - Н, которая препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки.

Рис. 4 Схема кристаллической решетки каолинита

. Приготовление и очистка буровых растворов

Приготовление БР

Приготовление - это процесс получения бурового раствора с требуемыми свойствами в результате переработки исходных материалов и их химического взаимодействия.