ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РАСТВОРОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК СКВАЖИН

  Главная        Учебники - Техника         Технологические свойства буровых растворов (Михеев В. Л)

 поиск по сайту     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  ..

 

 

§ 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РАСТВОРОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК СКВАЖИН

При вскрытии горных пород скважиной они подвергаются воздействию бурового раствора. Механизм влияния промывочной среды на разрушение горных пород изучал П. А. Ребиндер [711. Им было установлено, что изменение прочности горных пород под действием промывочной среды обусловлено физико-химическими явлениями, протекающими на поверхности раздела порода—среда.

Буровой раствор влияет на разрушение горных пород, слагающих стенки скважины, вызывая их смачивание, увлажнение, адсорбционные явления и растворение компонентов породы.
По характеру смачиваемости все горные породы делятся на две группы: гидрофильные и гидрофобные. Гидрофильные породы хорошо смачиваются водой и хуже — углеводородными жидкостями. Гидрофобные разновидности пород, наоборот, склонны к смачиванию углеводородными жидкостями и плохо смачиваются водой. Однако почти весь осадочный комплекс горных пород относится к гидрофильному типу.

Скорость адсорбции веществ из раствора на поверхность глинистых частиц обусловлена скоростью диффузии жидкости. Очевидно, что при адсорбции пористой и трещиноватой поверхностью горной породы перемешивание раствора будет играть малую роль. Однако смачивание и пропитка породы водой (увлажнение) вызывают разкое уменьшение их прочности. Смоченные и увлажненные глины ослабляют силы сцепления по границам зерен и частиц, вследствие чего понижается их структурная прочность и перераспределяется характер их структуры. Это в какой-то мере характерно и для слабогидрофильных пород, например для известняков и песчаников. Прочность на сжатие, например, наиболее пористых горных пород (песчаников и известняков) после их насыщения водой уменьшается на 25— 45% [77]

Добавки ПАВ повышают активность воды. Исследования П. А. Ребиндера, Л. А. Шрейнера, К. Ф. Жигача показали,что жидкость и особенно адсорбируемые поверхностно-активные вещества при проникновении в поры и трещины породы, помимо уменьшения свободной энергии твердого тела, создают расклинивающий эффект и уменьшают внутреннее трение в твердом теле при деформировании, что приводит к уменьшению прочности, известному под названием эффекта Ребиндера.

Многие разрезы южных месторождений, а также на территории Русской платформы содержат осыпающиеся глинистые породы, легко гидратирующиеся и увлажняющиеся водной средой буровых растворов.

В зависимости от природы и состава глинистых сланцев одни из них могут интенсивно набухать в воде (монтмориллонитовые глины) или проявлять слабое набухание (каолинитовые глины). Вода или фильтрат бурового раствора, проникая в глины, увлажняет их, резко снижая их устойчивость на стенках скважины. Пульсация давления раствора и механическое воздействие бурильного инструмента на стенки скважины вызывают осыпи породы, осложняя бурение. Долгое время считали, что основным фактором проникновения воды в глины является перепад давления между скважиной и пластом, вызывающий фильтрацию водной фазы бурового раствора в глину. Последнее время все большее внимание привлекают явления осмоса, диффузии в глинах, являющиеся причинами увлажнения глинистых пород.

Наличие осмоса обусловлено движением растворителя (воды) из области низкой концентрации растворенного вещества в область

с высокой концентрацией. Концентрация ионов в диффузном слое глинистых частиц велика и обусловлена отжатием свободной поды в процессе уплотнения глинистых пород. Разгрузка пород при вскрытии скважиной и контакт ее с промывочной жидкостью создают благоприятные условия для активного всасывания воды глинистой породой и разупрочнения ее при увлажнении.

В силу недостаточной изученности механизма разуплотнения глин при взаимодействии с различными буровыми растворами часто предупреждают обвалы и осыпи в глинах путем создания гидростатического противодавления на стенки скважины, повышая плотность бурового раствора.

Б. В. Байдюк и Л. А. Шрейнер на основе экспериментальных исследований определили критические величины плотности буровых растворов, при которых глины различной влажности могут удерживаться в устойчивом состоянии при заданной глубине залегания. Эти данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Глина

(месторождение)

Влаж­

ность,

%

Критическая плотность бурового раствора в г/см* и а глубине, м

1000

2000

3000

4000

5000

Кыновская (Ро-

2—3

0,00

0,30

0,72

1,12

1,52

машкинское)

3—5

1 08

1 26

1,62

1,85

2,05

 

8—9

2 20

2,35

2,40

2,44

2,47

Понтическая

4

0,00

0,06

0,50

0,94

1,39

(Азербайджанская

8

1,32

1,39

1,53

1,75

1,96

ССР)

11

1,56

1,87

1,98

2,10

2,21

 

13

2,25

2,38

2,42

2,45

2,48

 

 

Из табл. 2 видно, что если глины слабо увлажнены или их влажность составляет 2-3%, то они оказываются достаточно устойчивыми к обвалам и осыпям на стенках скважины и не требуется слишком высокого гидростатического давления в стволе скважины, чтобы предупредить это осложнение. Однако увеличение влажности глин в 2-4 раза вызывает резкое их разуплотнение и понижение устойчивости ствола скважины. В этом случае требуется повысить плотность бурового раствора до 2,2— 2,48 г/см3. Предупреждение обвалов и осыпей глин только созданием противодавления бурового раствора на стенки скважины не решает полностью проблемы осложнений при бурении в глинах и часто не только не уменьшает обвалообразования, но и может ускорить их проявление в проницаемых пропластках, где действие высокого перепада давления вызывает увеличение скорости фильтрации водной фазы раствора в пласт глины по ее трещинам.

Для обработки буровых растворов чаще всего используют не более 20—25 разновидностей химических реагентов.
 

Наиболее часто используют кальцинированную соду (Na2C03) как диспергирующий агент для гидратации глин, повышения pH дисперсионной среды бурового раствора и связывания ионов Са2+ в растворах, например, при разбуривании цементных мостов, водопроявлениях кальциевых вод и т. д. Поскольку кальцини­рованная сода обладает щелочной реакцией и является диспер- гатором глин, то обработка ею растворов в глинистых отложениях может вызвать поверхностное их гидратирование и разупрочнение на стенках скважины. При концентрациях 0,75—1,5% кальци­нированная сода вызывает лиофилизацию глин, их пептизацию, усиливая поверхностное и объемное диспергирование, что может вызвать разрушение стенок скважин, сложенных глинистыми сланцами.

Для повышения щелочности водной фазы бурового раствора или растворимости химических реагентов в буровые растворы часто вводят каустическую соду (NaOH) совместно с другими реагентами. Высокое содержание каустической соды в буровом растворе повышает активность фильтрата к диспергированию глин, их увлажнению и разупрочнению на стенках скважины.

Иногда для повышения вязкости и статического напряжения сдвига бурового раствора в него вводят силикаты натрия и калия (Na2О) SiO2). В зависимости от концентрации твердой фазы в буровом растворе добавляют от 0,25 до 5% жидкого стекла. На основе жидкого стекла получают силикатные системы буро­вых растворов, которые В. Д. Городнов рекомендует для бурения в глинистых отложениях. По мнению В. Д. Городнова, эти рас­творы укрепляют стенки скважины. В частности, малосиликатные буровые растворы, содержащие 3—5% жидкого стекла, стабили­зированные КМЦ-500, крахмалом, гидролизовапным полиакрил- нитрилом, модифицированным крахмалом, применяли на многих скважинах. При их использовании в качестве промывочных сред в процессе бурения в глинах было отмечено замедление гидратации глин во времени. Механизм крепящего действия глин объ­ясняется образованием гидросиликата кальция на глине, в ре­зультате чего поверхность глинистых частиц модифицируется, находясь некоторое время в устойчивом состоянии. Однако труд­ность регулирования показателей таких систем растворов и осо­бенно водоотдачи часто приводила к увлажнению глинистых сланцев и дальнейшему их разупрочнению.

Механизм понижения гидратации глин при взаимодействии с малосиликатными растворами объясняется образованием новых форм глинистых минералов, обладающих меньшей гидрофильностью и активностью к взаимодействию с дисперсионной средой бурового раствора. Опыт бурения скважин с промывкой сили­катными и малосиликатными буровыми растворами показал, что они способны ингибировать поверхность глин, замедлять во времени гидратацию, однако не позволяют полностью преду­преждать осыпи и обвалы.

 

С целью повышения устойчивости глинистых пород буровые растворы обрабатывают известью, хлористым кальцием (кальци­евые и высококальциевые растворы) которые вследствие наличия в растворе ионов Са2+ способствуют кальцинированию глин. Кальцинирование глинами разреза скважины снижает чувстви­тельность к гидратации и увлажнению фильтратом бурового раствора. Опыт бурения скважин с промывкой на известковых и высококальциевых растворах показал, что при этом уменьшались осложнения в скважинах, снижались затраты времени на про­мывку и проработки ствола скважины, повышалась глиноем- кость системы таких растворов.

Однако ингибированные системы буровых растворов на основе извести и хлористого кальция не позволили полностью предупре­дить обвалы и осыпи стенок скважин, сложенных глинистыми сланцами. Подавления гидратации глин в этих системах раство­ров недостаточно, чтобы сохранить ствол скважины устойчивым длительное время.

Увлажнение глинистых сланцев фильтратами буровых раство­ров, содержащими ионы Са2+, по истечении определенного вре­мени разупрочняло глинистую породу, и в скважине происхо­дили обвалы и осыпи стенок, однако при этом характер обвалов и осыпей значительно отличался от осложнений, которые воз­никали при бурении глин с промывкой растворами на водной ос­нове, обработанными УЩР, лигносульфонатами, КМЦ, гипаном, метасом и другими полимерными защитными реагентами.

При промывке ингибированными растворами ствол скважины находился в устойчивом состоянии в течение 3—4 мес, затем возникали его обвалы и осыпи. При этом из ствола скважины вы­носился крупноблочный шлам, часто пластинчатой формы, что свидетельствовало о том, что нарушение стенок скважин проис­ходило по плоскостям наслоения породы, где связи в породе наиболее слабы и содержат, как правило, коллоидные фракции бентонитового типа. Глинистые сланцы, залегающие на глубинах 2500—3500 м и более, часто представляют собой трещиноватые разновидности глин, перемятые тектоническими подвижками. Перемятость глин и их макро- и микротрещиноватость служат каналами проникновения фильтрата бурового раствора в массив породы. Это вызывает увлажнение глинистой породы по плоско­стям наслоения, нарушение ее связанности и естественной проч­ности, что приводит к обвалам и осыпям ствола скважины.

Практика бурения скважин в глинистых отложениях в раз­личных районах страны показала, что использование буровых растворов на водной основе не предупреждает осложнений, выз­ванных гидратацией и увлажнением глин. Многократные попытки снижения водоотдачи буровых растворов до 5—2 мл путем об­работки растворов высокомолекулярными защитными реагентами (КМЦ, гипаном, метасом, крахмалом и др.) не обеспечили дли­тельной устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми сланцами. Хотя снижение фильтрации (водоотдачи) бурового раствора улучшало состояние ствола и период гидратации глин до их критического разупрочнения несколько увеличивался, однако при длительной промывке открытого ствола скважины происходили обвалы и осыпи. При этом период возникновения обвалов и осыпей не зависел от величины водоотдачи буровых растворов. Это свидетельствует о том, что показатель водоотдачи, измеряемый на стандартном прогибе ВМ-6, не является критерием оценки качества бурового раствора, обусловливающий совместимость промывочной среды с разбуриваемой глинистой породой.

Опыт промывки скважин полимерглинистыми растворами на основе биополимеров и высокомолекулярных соединений показал, что для сохранения устойчивости стенок скважин, сложенных глинами, необходимо, чтобы на стенках скважины образовывались полимерглинистые полупроницаемые мембраны, которые препятствовали бы проникновению фильтрата в породу. Применение таких растворов на основе биополимеров—кельцана (США), ксантана (ВНР) в сочетании с электролитами КС1, СаС12 и аммонийных солей позволило в значительной мере сохранить устойчивость стенок скважин и обеспечить их длительную прочность во времени. Опыт применения таких систем растворов еще невелик из-за дефицитности используемых реагентов.

Другим направлением повышения устойчивости стенок скважин является промывка скважин растворами на углеводородной основе (ИБР и инвертными эмульсиями) с регулируемой активностью водной фазы, которые широко применяются в нашей стране и за рубежом.