- •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. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глин
10.1. Глинистые неуплотненные породы. Осложнения при их бурении.
Глинистые неуплотненные породы представлены глинами, суглинками, супесями, в большой или меньшой мере насыщенными водой.
Приурочены такие породы либо к верхним горизонтам, либо к контактам с водоносными пластами, когда глинистые породы не имеют оттока воды (например, в складчатых, в тектонических трещинах и т. д.).
Глинистые породы, полностью насыщенные водой, называют грунтовой массой. Грунтовая масса при отсутствии оттока воды несжимаема вследствие несжимаемости воды и может выдерживать значительное горное давление. Бурение неуплотненных глин сопряжено с рядом наиболее тяжелых осложнений.
Слабонасыщенные глины - пластичны. При обнажении их стволом скважины под действием горного давления пластически деформируют внутрь скважины, сужая её диаметр, вызывая прихваты и обрывы бурового снаряда, повышая трение снаряда и расход энергии на вращение бурового снаряда, затрудняя циркуляцию промывочной жидкости и дохождение снаряда до забоя.
Сильнонасыщенные водой неуплотненные глинистые породы . переходят в текучее состояние. Особенно быстро в текучее состояние переходят легко подвижные пылеватые глинистые разности.
В процессе бурения таких пород образуются пробки, наблюдаются затяжки и прихваты бурового снаряда. После их перебуривания происходит заполнение скважины породой, что требует повторного перебуривания, ухудшаются технологические свойства промывочной жидкости, появляются трудности крепления скважин обсадными трубами.
Вопросами стабилизации стенок скважин в неустойчивых породах занимались О.К. Ангелопуло, С.М. Гамзатов Б.М. Хахаев, Н.А. Сидоров и многие другие исследователи.
Для анализа влияния буровых растворов различных типов на устойчивость пород была принята гипотеза О.К. Ангелопуло, С.М. Гамзатова, Б.М. Хахаева, о существовании в приствольной зоне трех концентрических слоев [15].
Первый слой, составляющий несколько сантиметров, представляет несовершенную полупроницаемую перегородку, пропускающую через себя не только воду, но и растворенные в ней электролиты. При минерализации поровой жидкости глины выше минерализации бурового раствора через эту перегородку происходит диффузия ионов из пор глины в буровой раствор. Во второй слой, расположенный глубже в стенках скважины, в основном поступает только пресная вода за счет капиллярного всасывания и осмоса. В результате увлажнения этого слоя происходит набухание и разупрочнение породы. Третий слой характеризуется естественной влажностью.
В зависимости от свойств первого слоя, как проницаемой мембраны между буровым раствором и поровой жидкостью может установиться осмотическое и диффузионное взаимодействие. Если степень минерализации бурового раствора ниже поровой жидкости, то результаты и диффузии и осмоса в конечном счете одинаковы - устойчивость пород, слагающих стенки скважины, уменьшается. При этом степень минерализации поровой жидкости (воды) снижается, что приводит к расширению гидратных оболочек частиц породы. В результате происходит либо увеличение объема породы во втором слое, либо рост в ней внутренних напряжений. Однако влажность породы практически не изменяется. Это обстоятельство на которое ранее не обращали внимание. Для сохранения устойчивости породы необходимо, чтобы степень минерализации бурового раствора была равной или выше, чем поровой жидкости.
При выборе оптимальных рецептур буровых растворов необходимо исходить из условия упрочнения и кольматации первого слоя ингибиторами разупрочнения пород за счет органоминерального комплекса, представленного макромолекулами органических ингибиторов и солей поливалентных металлов. Макромолекулы органических ингибиторов и электролитов уменьшают подвижность молекул воды и образуют водостойкий слой. В сложных условиях предотвращения увлажнения второго слоя более существенно, чем упрочнение и кольматация первого слоя.
В этих рассуждениях также имеется ряд неточностей.
1. «Полунепроницаемая перегородка» не может пропускать через себя гидратированные ионы электролитов. Никаких особых мембран или перегородок, по нашему мнению, в горных породах нет.
2. Катионы электролитов нейтрализуют потенциал глинистых частиц, снижая объемную энергию породы. Поэтому при минерализации поровой жидкости глины выше минерализации бурового раствора не может происходить диффузия ионов из глины в буровой раствор, а при превышении минерализации (концентрации электролита) бурового раствора над минерализацией глины невозможен переток воды из глины в раствор, так как объемная энергия глины всегда выше объемной энергии раствора. В этом случае может повысится только диспергирование глинистой породы.
Ионы неглинофильных в том числе и весьма гидрофильных электролитов проникают в неуплотненную глину, не на несколько сантиметров, а на значительно большую глубину. По исследованиям самого О.К. Ангелопуло [16] при пропитке растворами KCl слабоувлажненных глин максимальная концентрация ионов K+ оказалось в нижней части исследуемого слоя (толщиной 28 мм.). Высокая концентрация гидрофильных обменных катионов глины Ca2+ при пропитывании ее растворами KCl оказалась в фильтрате, просочившимся через слой 40 см. Следовательно, первый слой составляет значительно большую величину.
Увеличение объема горной породы второго слоя без изменения ее влажности невозможно.