§ 10. ВЛИЯНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ БУРОВОГО РАСТВОРА И
ОСМОТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК СКВАЖИН
Применение глинистых буровых растворов, обработанных щелочными
реагентами, как правило, вызывает осложнения ствола скважины, сложенного
глинистыми сланцами. Известно, что большинство глинистых растворов
содержит около 26—27% свободной воды; этого количества достаточно, чтобы
увлажнить глины, слагающие разрез скважин, и вызвать обвалы, осыпи и
образование каверн. Несмотря на то, что при бурении в глинах
поддерживают водоотдачу растворов в пределах 2—5 мл, обвалы и осыпи при
этом не уменьшаются, а часто даже увеличиваются из-за насыщения раствора
щелочными реагентами.
Щелочная среда раствора и его фильтрат интенсивно диспергируют глинистые
породы на стенках скважины, увлажняют их и разупрочняют. Использование
сильно щелочных расторов с высокой и низкой водоотдачей приводило к
интенсивному набуханию глин, их диспергированию, гидратации и нарушению
естественной прочности и устойчивости стенок скважины.
С целью сохранения устойчивости стенок скважин в
глинистых отложениях создавались специальные системы буровых растворов
(известковые, хлоркальциевые, гипсовые, соленасыщенные, полимер глин
истые, калиевые, бариевые, аммонийные и др.), суть которых сводилась к
повышению в фильтрате буровых растворов ионов кальция, калия, бария,
аммония и других, действующих на глинистую породу как ингибиторы. В
известковых растворах добавки 2—2,5% извести при содержании 0,007—0,15%
в фильтрате ионов кальция были явно недостаточными для глубокого
ингибирования глин, поэтому в качестве носителя ионов кальция в раствор
добавляли хлористый кальций, гипс и другие электролиты.
Такие системы растворов (хлоркальциевый, гипсовый) позволяли увеличивать
содержание ионов кальция в растворе от 800 до 5000 мг/л. Этого
количества ионов кальция в фильтрате было достаточно для глубокого
ингибирования глин и перевода их из натриевой формы в кальциевую.
Эти буровые растворы широко применяются при бурении в глинистых сланцах
Нижнего Поволжья, Украины, Казахстана, Туркмении и других районов.
Замедляя гидратацию глии во времени, такие растворы снизили
осложненность стволов бурящихся скважин и позволяли вывести из аварийных
ситуаций многие скважины глубиной 2500 3500 м.
При высокой концентрации ионов кальция гакие растворы нельзя
обрабатывать КМЦ, гипаном, метасом и многими другими
реагептами-стабилиза горами, не стойкими к кальциевой агрессии. Поэтому
понижение водоотдачи таких буровых растворов осуществлялось обработкой
ССБ, КССБ, окзилом или комбинацией этих реагентов с КМЦ и крахмалом.
Большие добавки ССБ, КССБ, КМЦ в такие растворы наряду со снижением
водоотдачи резко повышали их щелочность. Высокая щелочность фильтрата,
несмотря на ингибирование глин ионами кальция, все-таки увлажняла и
диспергировала глины, вызывая хрупкое обрушение пород в скважину, а
устойчивость стенок скважин со временем нарушалась из-за увлажнения и
разупрочнения глин.
По этой причине использование ингибированных растворов не решило в целом
проблемы обвалов и осыпей в стволе скважин, сложенных глинистыми
сланцами, хотя значительно увеличило период до начала этих осложнений за
счет ингибирующего эффекта. Однако большинство систем буровых растворов
на водной основе, в том числе и ингибированных, не предупреждают
процесса увлажнения глин. При этом лишь уменьшаются скорость гидратации
и разупрочнение глинистой породы во времени, что объясняется в основном
физико-химической активностью фильтрата бурового раствора к глинистой
породе.
Взаимодействие и проникновение фильтрата или водной фазы бурового
раствора в глинистую породу вызвано не только фильтрацией под действием
градиента гидростатического давления, то также и наличием физических и
физико-химических факторов: градиента постоянного электрического поля —
электроосмоса, градиента концентрации растворенных электролитов —
хемоосмоса, температурного поля — термоосмоса и т. д.
Следует заметить, что проникновение воды в глины
при элек-тро-, термо- и хемоосмосе подчиняется одним и тем же
закономерностям. При этом в отличие от фильтрационных процессов
осмотическое проникновение воды в глины происходит в виде скольжения
жидкости по поверхности глинистых частиц и слоям связанной воды. Поэтому
чем дисперснее глина, тем большее количество осмотической воды может в
нее поступить. Таким образом, можно утверждать, что развитие
осмотических явлений в глинах обязано прежде всего развитию
поверхностных сил: чем больше развиты поверхностные силы, тем отчетливее
проявляется роль осмотических эффектов в глинах [24].
В отличие от песчаных и пористых пород поступление воды в глины за счет
осмоса может значительно превосходить фильтрацию. В связи с тем, что
механизм перемещения воды при электро-, хемо- и термоосмосе существенно
отличен от фильтрационных процессов в пористых породах, влияние пор
(размера, количества, формы) оказывается также иным, нежели для твердых,
проницаемых, гранулярных коллекторов. Коэффициент фильтрации с
уменьшением размера пор уменьшается, однако величина коэффициента
диффузии при этом проходит через максимум, который соответствует
оптимальному соотношению между толщиной диффузного слоя или слоя
связанной воды и поровой свободной жидкостью в глинах. В плотных глинах,
где диффузный слой воды в значительной мере комформирован, коэффициент
диффузии уменьшается, приближаясь к нулю [24].
Электроосмос в глинах представляет собой движение воды или фильтрата
бурового раствора под действием внешнего электрического поля. В
большинстве случаев этот процесс направлен от анода (положительного
электрода) к катоду (отрицательному электроду). Электрофорезные процессы
вызывают движение взвешенных в буровом растворе частиц к одному из
электродов в зависимости от их заряда. Отрицательные глинистые частицы
чаще всего движутся к аноду. В силу этого движение жидкости относительно
глинистых частиц вызывает электрический потенциал. Известно, например,
что при осаждении глинистых частиц возникает потенциал оседания, а при
движении жидкости через поры и трещины — потенциал течения [24].
Электроосмотические процессы могут быть
использованы для различных практических целей, например осушения глин,
увеличения их устойчивости и т. д.
Объяснение механизма этого явления основывается на классических
представлениях о двойном электрическом слое, возникающем на границе
раздела фаз твердое тело — жидкость, открытых впервые Гельмгольцем и
позднее развитых другими исследователями [24, 71 ].
Электроосмотического движения воды в глинах, поровый раствор в которых
представлен водным раствором того или иного электролита, не происходит
или же проявляется оно весьма слабо, поскольку при этом диффузный слой
ионов подавлен и катионы равномерно распределены по сечению пор.
Особенно это характерно для высококонцентрированных растворов
электролитов. Следует отметить, что электроосмотические процессы в
глинах могут возникать, если существует неравномерное распределение
ионов в сечении пор и трещин породы. Избыток ионов одного знака на
поверхности глинистых частиц создает электрические силы, которые
приводят к перемещению жидкости, отличному от фильтрационных процессов
под действием перепада давления в скважине. В этом случае поверхности
частиц, их заряд, дисперсность служат источниками движения жидкости. При
обычных фильтрационных процессах поверхностные свойства частиц,
наоборот, препятствуют движению жидкости в порах, создавая определенное
сопротивление фильтрационному течению воды [24 ].
Электрокинетический потенциал представляет собой разность потенциалов
между адсорбционным и диффузным слоями ионов. Величина Е-потенциала
является физико-химической характеристикой поверхностных свойств твердых
тел и находится в равновесии с поровым раствором. Поскольку Е-потенциал
определяется толщиной диффузного слоя, то все факторы, влияющие на
структуру этого слоя, сказываются на этом показателе. Так, повышение
концентрации электролита способствует уменьшению Е-потенциала;
аналогично влияет и температура среды.
При достижении концентрации электролита 0,5—1 н.
электро-кинетический потенциал становится равным нулю. Для
Na-монт-мориллонита величина потенциала обычно составляет 80 мВ, а для
каолинита — 30—40 мВ. Большинство глин имеют отрицательный знак
1-потенциала, положительный ^-потенциал имеют только кальцит, арагонит,
доломит, сидерит, известняки, мраморы и некоторые другие породы [241.
Таким образом, при наличии смеси минералов, состоящих из противоположно
заряженных частиц, возникают поля напряженности. Однако равенство
^-потенциала нулю вовсе не означает отсутствия электрических зарядов на
поверхности стенок скважины и может быть только результатом их
компенсации.
Для большинства глин пластичной консистенции величина коэффициента
осмоса составляет примерно (2 -^3) • 10 5 см2/В-с [71].
В процессе электроосмоса в глинах развивается отрицательное поровое
давление, вызывающее их уплотнение, величина которого может достигать 3
кгс/см2.
Осушение глинистых отложений электроосмосом и повышение, таким образом,
их устойчивости в скважине не всегда возможно, поскольку при этом
одновременно возникают электрохимические явления (электролиз, катионный
обмен, физико-химическое изменение свойств глинистых пород), вызывающие
затухание процесса электроосмоса, и его роль в упрочнении и уплотнении
пород становится незначительной.
Диффузия в глинах — процесс самопроизвольного выравнивания концентрации
воды или фильтрата бурового раствора в системе глина—среда бурового
раствора. Диффузия ионов и молекул воды — весьма замедленный процесс,
подчиняющийся первому закону Фика. В водонасыщенных глинах диффузия
ионов зависит от размера и количества пор: чем меньше радиус и
количество пор, тем медленнее протекают диффузионные процессы.
Под осмосом в глинах понимается диффузия растворителя (фильтрата, воды)
через полупроницаемую перегородку, разделяющую два раствора различной
концентрации. Диффузия растворителя в глинах обычно продолжается до тех
пор, пока не установится химическое равновесие в системе в результате
выравнивания концентраций по обе стороны перегородки, что вызывает
возникновение осмотического давления.
Даже высокодисперсные глины не являются идеальными полупроницаемыми
перегородками, поэтому в них происходят как диффузия ионов растворенных
электролитов, так и движение растворителя — молекул воды. В зависимости
от пористости и структурного строения глин наблюдается преобладание того
или иного процесса диффузии воды.
В глинах осмос, вызывающий соответственно и осмотические давления,
проявляется в двух случаях.
Первый из них заключается во взаимодействии воды с
глиной и протекании катионного обмена. При этом обменные катионы
раствора притягиваются поверхностью глинистых частиц, одновременно
взаимодействуя с молекулами воды или фильтрата бурового раствора,
которые стремятся отчленить их от глинистой поверхности. Это отжимающее
усилие в сущности и является величиной осмотического давления.
В глинах с неравномерной засолоненностью также возникает осмос. При этом
наблюдается не только диффузия растворенных солей из прослоек большей
концентрации в слои с меньшим содержанием солей, но также диффузия
молекул воды в обратном направлении.
Наиболее обстоятельные исследования осмоса в глинах были выполнены Б. Ф.
Рельтовым и др.
Осмотическое давление для разбавленных растворов электролитов прямо
пропорционально их концентрации.
Существует также понятие аномального осмоса,
заключающееся в том, что при этом происходит передвижение жидкости в
направлении, совпадающем с диффузией от более концентрированного
раствора к менее насыщенному электролитом. Б. Ф. Рельтовым было
установлено, что при концентрации СаС12
в пределах 1—10% происходит аномальный осмос, а при концентрации свыше
20% протекает нормальный осмос Г24].
Осмос в глинах может вызвать два вида деформации ее структуры: набухание
и усадку, при этом скорость осмотического движения жидкости в глины
может быть выше скорости фильтрации. Если засолоненные глины
разбуриваются пресными буровыми растворами на водной основе, то
происходят осмотическое всасывание воды и набухание глин. Если же
свободному набуханию глин препятствует гидростатическое давление, то
возникает осмотическое давление, величина которого может достигать 3—200
кгс/см2.
При повышенной концентрации электролита в буровом растворе по сравнению
с глиной возникает обратный процесс — осушение и обезвоживание глин.
Однако глубинные глины (алевролиты, аргиллиты и др.) могут содержать до
20—30% песка, карбонатов и т. д., что повышает открытую пористость глин.
В результате такие глинистые породы наряду с осмотическим увлажнением
под действием перепада между гидростатическим и пластовым давлениями
могут дополнительно фильтровать через себя воду. Другой причиной
проникновения воды или фильтрата бурового раствора в глины может служить
их трещиноватость, перемятость тектоническими подвижками, сбросами и
взбросами пород в естественных условиях залегания. Следует учитывать не
только пористость и пустотность глинистых пород, но и их трещиноватость.
Многие глинистые породы при весьма низкой пористости (1—5%) часто имеют
трещиноватость, достигающую 10—20%. Поэтому проницаемость, механические
свойства трещиноватых пород будут определяться не столько их собственной
пористостью, сколько их трещиноватостью. В табл. 5 приведена
классификация трещиноватости горных пород.
При изучении таких пород трудно выделить трещинную и поровую пустотность,
поскольку трещиноватость в этом случае может рассматриваться как некая
линейная пористость и чаще всего ее определяют как общую пористость. В
случае вскрытия бурением трещиноватых или перемятых тектоническими
подвижками глин необходимо наряду с регулированием физико-
химической активности водной фазы к разбуриваемой глине поддерживать
низкие фильтрационные показатели бурового раствора. В противном случае
под действием перепада давления могут возникнуть фильтрационные процессы
по трещинам (линейная пористость), которые вызовут увлажнение глин и их
разупрочнение и, следовательно, осыпи и нарушение устойчивости стенок
скважин.
Физико-химическая обработка буровых растворов на водной основе с целью
уменьшения влияния их фильтратов и водной фазы на устойчивость стенок
скважин заключается в ингибировании и модифицировании глинистых пород
разреза скважин различными электролитами, понижающими лиофильность глин,
их набухаемость и увлажнение, а также в применении растворов на
углеводородной основе с регулируемой активностью водной фазы, внешняя
фаза которых представлена углеводородной жидкостью, не диспергирующей
глинистые породы. Для повышения устойчивости глин на стенках скважины в
последнее время применяют полимерные и полимерглинистые растворы,
образующие на поверхности глинистой стенки скважины полимерглинистые
мембраны, которые защищают глины от проникновения в них водной фазы
бурового раствора или его фильтрата. К таким растворам относятся
калиевые, аммонийные растворы, обработанные биополимерными реагентами
или же полимерным флокулянтами.