В. И. Зварыгин

Промывочные жидкости

для бурения

осложненных пород.

Красноярск 2005

ВВЕДЕНИЕ

Сооружение скважин - трудоёмкий инженерно-технологический процесс, нередко связанный с различного рода осложнениями и авариями, борьба с которыми, особенно при бурении глубоких скважин, является важнейшей и трудно решаемой проблемой. От её решения во многом зависит технический прогресс, повышение производительности труда и снижение себестоимости одного погонного метра.

Для борьбы с осложнениями необходимо знать местоположение, мощность, проницаемость, скважность, пластовое давление и ряд других показателей осложненной зоны, дающих возможность объективно оценить её с точки зрения предстоящих буровых работ.

Успех буровых работ во многом зависит от своевременных исследований скважины и своевременного принятия мер профилактики. Эффективность выбора методов профилактики и их реализация связаны с правильным трактованием процессов в скважине, как в ходе, бурения, так и в ходе тампонирования.

Способы решения проблемы определяются многообразием горнотехнических условий, которые практически исключают универсальность какого-то одного решения. Однако общий подход должен включать в себя комплекс обязательных операций: изучение зоны осложнения, её оценка, выбор способа борьбы с осложнениями и авариями, реализация принятого способа, контроль результатов работ.

Осложнениями при бурении скважин называют нарушение целостности и герметичности скважин. Нарушение целостности скважин при бурении обусловлено, с одной стороны, наличием неустойчивых горных пород в разрезе (объективный фактор), с другой - воздействием на них горного давления (естественный геологический фактор), промывочной жидкости и вращающегося бурового снаряда (технический фактор).

К неустойчивым горным породам относят породы со слабыми химическими связями в слагающих их минералах (хемогенные горные породы) и слабыми связями между минеральными зёрнами (терригенные породы). К хемогенным породам относят легко растворимые осадочные галогенно-сульфатные породы: галенит, сильвин, карналлит, бишофит, гипс, ангидрит и т.д. К терригенным - раздельнозернистые и глинистые горные породы. К этим породам можно отнести и мёрзлые породы.

Нарушение целостности стенок скважин под воздействием естественного фактора (горного давления) называют естественной дестабилизацией скважины, а под воздействием технического фактора (промывочной жидкости, вращающейся бурильной колонны) - искусственной дестабилизацией скважины. В результате естественной дестабилизации скважин в пластических породах (галоидных, глинистых) возникают пластические деформации - пучение стенок скважин, а в хрупких и раздельно-зернистых - осыпи и обвалы. В первом случае диаметр скважин уменьшается, во втором - образуются каверны.

В чистом виде естественная дестабилизация при сооружении скважин наблюдается редко. Обычно она сопровождается воздействием бурильной колонны и промывочной жидкости, т.е. искусственной дестабилизацией скважин.

Под воздействием искусственной дестабилизации скважин в глинистых породах происходит набухание горных пород с последующим их размягчением и обрушением, в хрупких и трещиноватых породах - ослабление связей между кусками породы с последующим осыпанием и обвалом. При набухании диаметр скважины уменьшается, в остальных случаях образуются каверны. Набухание глин обусловлено капиллярным и осмотическим всасыванием горной породой воды. Капиллярное всасывание происходит благодаря высокой пористости глины, высокого поверхностного потенциала капилляров, а осмотическое - высокой объёмной электрической энергии отрицательно заряженных глинистых частиц. Такие же явления имеют место и в микротрещиноватых глинистых породах: аргиллитах, алевролитах, глинистых сланцах. В результате проникновения воды по микротрещинам связи между кусками породы ослабляются, и под воздействием горного давления происходит осыпание стенок скважин или даже "выстреливание" кусков породы в скважину ("стреляющие" аргиллиты). Наряду с размягчением породы промывочная жидкость способна дестабилизировать стенки скважин и за счёт растворения хемогенных горных пород и диспергирования ("растворения") глинистых пород, а так же за счёт размывания хемогенных и терригенных горных пород циркулирующим потоком.

Набухание горных пород, осыпи, обвалы, как правило, приводят к затруднениям при спуске и подъёме снаряда, "прессовке" насоса, "недохождению" снаряда до забоя, прихватам, затяжкам бурового снаряда. В кавернах часто наблюдаются поломки бурильных труб. Все эти осложнения и аварии требуют дополнительных затрат труда, времени, средств, снижают производительность труда, ухудшают качество опробования. Поэтому требуют пристального изучения и разработки специальной технологии бурения.

Классические учебники по бурению скважин рассматривают процессы бурения преимущественно устойчивых горных пород, не вызывающих больших трудностей и осложнений. Однако около 70 % всех перебуриваемых в нашей стране горных пород относятся к неустойчивым, требующим специальной весьма трудоёмкой технологии бурения. Важнейшим элементом этой технологии является правильный выбор качества промывочной жидкости, её рецептуры.

Многие исследователи считают, что правильный выбор рецептуры промывочной жидкости для бурения неустойчивых горных пород является решающим фактором в предупреждении осложнений, в повышении производительности бурения и своевременного выполнения геологического задания. В связи с этим разработке новых рецептур промывочных жидкостей, технологии промывки скважин уделяется огромное внимание, ведутся поиски новых материалов, новых промывочных жидкостей.

Для студентов составляются новые учебные пособия. Большая работа в этом плане проделана Л.М. Ивачёвым. Им написан ряд монографий и учебных пособий по разработке рецептур промывочных жидкостей для трещиноватых горных пород. Значительное внимание вопросам выбора промывочных жидкостей при бурении мёрзлых пород уделено Б.Б. Кудряшовым и А.М.Яковлевым. Написанные ими монографии и учебное пособие "Бурение скважин в осложненных условиях" посвящены преимущественно технологии бурения в мёрзлых породах. Кратко рассматриваются в пособии и применяемые для бурения глинистых и раздельно-зернистых пород современные промывочные жидкости.

Более глубокие исследования по предупреждению осложнений при бурении скважин в неустойчивых породах (хемогенных и терригенных) проведены В.Д. Городновым. Для инженерно-технических работников буровых предприятий нефтяной и газовой промышленности и геологической службы им написана работа, представляющая большой практический и теоретический интерес - "Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении".

Существует целый ряд работ М.И. Липкеса, O.K. Ангелопуло, Н.Н. Круглицкого и их школ. Однако все эти работы базируются на экспериментальных исследованиях без привлечения фундаментальных современных наук. При разработке и выборе эффективной рецептуры промывочной жидкости будущий специалист должен уметь определять причины осложнений и способы их устранения. Для этого он должен знать механизм взаимодействия промывочных жидкостей с горными породами, чётко представлять все процессы, происходящие в промывочной жидкости.

Характер взаимодействия жидкостей с твёрдыми телами изучает физикохимия и коллоидная химия. За последние годы в связи с практическим использованием в различных областях народного хозяйства эти науки достигли значительных успехов, особенно в области дисперсных систем и адсорбции жидкостей на поверхности твёрдых тел.

Фундаментальные положения физикохимии могут быть использованы и при разработке теории о структуре промывочных жидкостей и стабилизации неустойчивых зон в скважинах при помощи промывочных жидкостей. Однако незавершённость ряда теоретических положений сдерживает их применение при разработке новых рецептур промывочных жидкостей. Большинство исследователей по-прежнему ориентируются только на экспериментальные методы.

Современная физикохимия и коллоидная химия рассматривают взаимодействие жидкой и твердой фаз только в непосредственном их контакте, толщиной в несколько слоев молекул (от нескольких нанометров до сотни нанометров).

Однако, как показывает практика и многочисленные эксперименты учёных, влияние поверхности твёрдого тела на свойства жидкостей распространяется на существенно большие расстояния. Поэтому ряд положений теории взаимодействия жидкости с твёрдым телом требует дальнейшей доработки, что позволит в более широком масштабе использовать науку для решения проблем теории промывочных жидкостей. В данной работе делается попытка привлечь внимание буровиков к более глубокому изучению механизма воздействия промывочных жидкостей на горные гюроды, наметить пути решения актуальных задач по предупреждению осложнений при бурении скважин с помощью промывочных жидкостей, научить будущих специалистов на основе фундаментальных наук решать проблемы, связанные с выбором и разработкой новых рецептур промывочных жидкостей. В работе обобщен и систематизирован имеющийся в печати материал по взаимодействию воды с твёрдым телом, на основе современной фундаментальной науки разработана теория структурирования и стабилизации промывочных жидкостей, теория взаимодействия промывочных жидкостей с горными породами, теория стабилизации стенок скважины. Теоретические выводы проверялись на экспериментальных материалах известных учёных, в первую очередь, М.И. Липкеса и его - школы, Б.д. Городнова и его школы, О.К. Ангелопуло и его школы, Н.Н. Круглицкого и его школы и др.

Назначение и свойства промывочной жидкости для бурения осложненных зон.

В процессе бурения скважин промывочные жидкости выполняют следующие основные функции:

1. транспортирование разрушенного материала с забоя на поверхность ;

1. стабилизацию стенок скважин ( кольматация пор и трещин , компенсация пластового давления предотвращение набухания породы);

2. смазку, стенок скважин, бурильной колонны и породоразрушающего инструмента и снижение их износа;

3. охлаждение породоразрушающего инструмента;

В соответствии с указанными функциями промывочные жидкости для бурения в осложненных условиях должны иметь следующие свойства:

1. для выноса шлама, удержание его во взвешенном состоянии, кольматации пор и трещин в стенках скважин иметь необходимую структуру ( статическое напряжение сдвигу ) и вязкость;

2. для предотвращения насыщения горных пород водой - высокую стабильность и малую водоотдачу;

3. для компенсации пластового давления, предотвращения водопроявлений, водопоглощений и обвалов скважин в регулируемую плотность, соответствующую пластовому давлению;

4. для модификации ( упрочнения) неустойчивых горных пород стенок скважин область крепящими свойствами;

5. для снижения трения и износа бурового снаряда, нагревания породоразрушающего инструмента - смазывающими свойствами.

Все эти свойства подробно рассматриваются в последующих главах монографии.

Часть 1. Теоретические основы структурирования промывочных жидкостей

1. Структура промывочных жидкостей

   1. Гидрофобные (коагуляционные) структуры

Структура промывочных жидкостей определяет все ее основные свойства (СНС, вязкость, водоотдачу и т.д.), поэтому начнем с изучения структуры.

„Структура, (от латинского Structura - строение, расположение, порядок) это совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях” [45].

В коллоидной химии понятию структуры придаётся более широкий смысл. По классификации П.А. Ребиндера для дисперсных систем в зависимости от вида взаимодействия частиц выделяют два типа структур: кристаллизационный (конденсационный) и коагуляционный (тиксотропный). Первый тип структур соответствует вышеописанному определению, т.е. представляет собой совокупность устойчивых связей твёрдых частиц с образованием жёсткого каркаса. Второй тип структур представляет собой совокупность неустойчивых связей твёрдых частиц, не обеспечивающих целостности каркаса при различных внешних и внутренних изменениях (например, при течениях). Это временные структуры, существующие только в покое. За критерий прочности таких структур принимают статическое напряжение сдвигу.

Таким образом, в настоящее время в коллоидной химии под структурой дисперсных систем понимают совокупность межмолекулярных связей твёрдых частиц (как устойчивых, так и не устойчивых).

Далее будет показано, что прочность связей в дисперсных системах определяется не только межмолекулярным взаимодействием твёрдой фазы, но и межмолекулярным взаимодействием молекул воды между собой и межмолекулярным взаимодействием молекул воды с молекулами (частицами) твердой фазы и других компонентов промывочной жидкости.

В соответствии с типом твёрдой фазы дисперсной системы (гидрофильной и гидрофобной) структуры промывочных жидкостей разделим на гидрофобные и гидрофильные.

Гидрофобные структуры (гели) возникают в процессе коагуляции за счёт сцепления частиц вандерваальсовыми силами через весьма тонкие прослойки воды или при полном их отсутствии. Коагуляции способствует неоднородность поверхности частиц и наличие гидрофобных участков, на которых и возникают контакты частиц. В результате межмолекулярного и электростатического взаимодействия частиц образуются временные пространственные каркасы. Получают такие структуры путём частичной дегидратации поверхности частиц электролитами невысокой концентрации. При высоких концентрациях электролита дегидратация происходит по всей поверхности частиц и в результате полной коагуляции происходит агрегатирование частиц и образование осадка.

Впервые теория коагуляции дисперсных систем была разработана академиками Б.В. Дерягиным и Л.Д. Ландау. Несколько позже теоретическая разработка, почти аналогичная, была осуществлена Г. Фервеем и Т.Г. Овербеком. Поэтому теория носит имя четырёх учёных, сокращённо теория ДЛФО.

В соответствии с этой теорией процесс коагуляции есть результат одновременного действия ван-дер-ваальсовых сил притяжения и расклинивающего давления за счёт электростатических сил отталкивания. В зависимости от баланса этих сил между частицами твёрдой фазы возникает либо положительное расклинивающее давление (отталкивание частиц), либо отрицательное, приводящее к утончению прослойки воды между частицами и образованию контакта между частицами.

Для определения электростатических сил отталкивания была использована теория двойного электрического слоя.

По этой теории на границе твёрдой фазы с жидкой или газообразной фазой образуется двойной электрический слой (ДЭС). В коллоидной химии рассматривается три механизма образования ДЭС. Согласно первому механизму образование ДЭС происходит за счёт перехода ионов из твердого тела в раствор. В результате перехода, положительно заряженных ионов из твёрдой фазы в жидкую (газообразную) поверхность твёрдой фазы заряжается отрицательно, а положительно заряженные ионы адсорбируются на этой поверхности под действием электростатических сил, например для глин:

SiOH   SiO^ + H⁺

Согласно второму механизму образования ДЭС происходит благодаря избирательной адсорбции ионов из раствора на поверхности твёрдого тела. Например, в контакте металла с раствором поваренной соли на поверхности металла будут адсорбироваться ионы Cl^ Поверхность металла становится отрицательно заряженной. Под воздействием электростатических сил в контакте с этим слоем появляется второй положительно заряженный электрический слой ионов Na⁺.

Третий механизм образования ДЭС наблюдается, если межфазная поверхность образована веществами, не способными обмениваться зарядами. В этом случае ДЭС может образоваться благодаря ориентированию полярных молекул сопряжённых фаз: SiOH.

Согласно современной теории Штерна второй слой ДЭС состоит из двух частей плотного (адсорбированного) слоя толщиной  и диффузного слоя толщиной . В области адсорбированного слоя поверхностный потенциал, в соответствии с теорией плоского конденсатора, определяется по формуле

, (1.1)

где q_s - поверхностный заряд первого слоя ДЭС;  - толщина второго адсорбированного слоя ДЭС; ₀- электрическая постоянная;  - диэлектрическая проницаемость.

В области диффузионного слоя поверхностный потенциал

, (1.2)

где х - расстояние от адсорбированного слоя ДЭС, а суммарный заряд диффузионного слоя, равный заряду поверхности адсорбированного слоя

(1.3)

где ρ - объёмная, плотность заряда диффузионного слоя; F - число Фарадея;

z-заряд ионов; С - концентрация ионов.