§ 11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К БУРОВЫМ
РАСТВОРАМ ПРИ БУРЕНИИ В ГЛИНАХ
Ближайшей технологической задачей глубокого бурения является создание
таких буровых промывочных сред, которые обеспечили бы повышение
устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми сланцами, снижение
адгезионных, фрикционных и гидравлических сопротивлений, повышение
термостойкости
и солестойкости, улучшение и интенсификацию
буримости горных пород и т. д.
Неустойчивость стенок скважин, сложенных глинистыми сланцами, является
следствием их разупрочнения в условиях напряженного состояния
приствольной зоны, физико-химического взаимодействия и увлажнения
фильтратом бурового раствора. Поэтому для борьбы с этим видом осложнения
применяли методы снижения гидрофильностн глин на стенках скважины и
водоотдачи буровых растворов на водной основе или же для промывки в
глинах использовали неводные буровые растворы.
Гидрофильность глин определяется способностью к гидратации, набуханию и
разупрочнению при взаимодействии с водной средой бурового раствора при
всестороннем внешнем давлении и соответствующей температуре. Наиболее
гидрофилен щелочной монтмориллонит, диспергирование и набухание которою
вызывает сужение стволов, образование каверн, пластическое течение,
приводящее к осложнениям. Менее гидрофильны щелочноземельный
монтмориллонит, каолипитовые и гидрослюдистые глины, для которых
характерны хрупкие обвалы и осыпи стенок скважин.
В практике промывки глубоких скважин гидрофильиость глинистых пород
снижают ингибированием, в основе которого лежат ионный обмен и
хемосорбционная модификация, имеющая место при применении известковых,
хлоркальциевых, гипсовых, бариевых и калиевых буровых растворов 135, 70
I. В результате развития коагуляционных процессов и ионного обмена в
глинах минерализация буровых растворов приводит к ингибированию глин.
При этом возможно регулирование осмотических явлений, чтобы или отбирать
из глин воду, или., наоборот, увлажнять их. В увлажненных глинистых
породах, содержащих пресную воду, осмотическое обезвоживание наступает
при бурении с промывкой минерализованными растворами, сопровождающейся
некоторым упрочнением глин. При этом осмос прекращается тогда, когда
сравняются концентрации электролита в водных фазах бурового раствора и в
глинистой породе. В плотных глинистых сланцах, где свободной воды мало
или совсем нет, осмос может проходить только в обратном направлении.
Если минерализация поровой жидкости выше минерализации бурового
раствора, то осмотические процессы будут способствовать увлажнению
глины.
Засолонение бурового раствора хлористым натрием или кальцием значительно
снижает увлажнение глинистых сланцев вследствие осмоса, но не
предотвращает их гидратации и разупрочнения.
В настоящее время установлено, что практически почти все системы буровых
растворов на водной основе способствуют гидратации, набуханию и
разупрочнению глинистых сланцев, что вызывает нарушение их прочности и
потерю устойчивости на стенках скважины.
Для сохранения устойчивости стенок скважин наиболее
благоприятны растворы на углеводородной основе. Это обусловливает
широкое внедрение инвертных эмульсий, растворов на нефтяной основе (РНО,
ИБР и др.). При использовании инвертных эмульсий их водную фазу насыщают
хлористым кальцием или другим электролитом, понижая активность ее к
взаимодействию с глинами. Относительная влажность представляет собой
отношение паров воды к давлению насыщенных паров воды при одной и той же
температуре. Поскольку относительная влажность глин совпадает с их
активностью, то за эталон принимают чистую воду, активность которой
равна единице. Активность водной фазы к глине снижают увеличением
концентрации электролита в растворе. Активность насыщенного раствора
хлористого натрия составляет 0,75, а хлористого кальция 0,395;
активность обезвоженных глинистых сланцев обычно равна 0,5—0,6, тогда
как в более молодых глинистых отложениях 0,7 и выше.
Как правило, активность глин понижается с глубиной залегания. Для выбора
активности бурового раствора на углеводородной или водной основе
необходимо знать активность глинистого сланца. Если этот показатель
неизвестен, то следует помнить, что материал с низкой активностью
поглощает воду из материала с высокой активностью. В целях ограничения
этого явления активность бурового раствора следует поддерживать в
пределах активности глинистого сланца. Поэтому борьба с осложнениями в
глинистых сланцах в настоящее время сводится к применению растноров на
углеводородной основе, калиевых и полимерных систем буровых растворов.
Для разбуривания глинистых сланцев целесообразнее применять инвертные
эмульсии и растворы на нефтяной основе как среды, слабо увлажняющие и
разупрочняющие глинистые минералы (53, 96]. Однако и эти растворы
содержат в себе воду, хотя, например, в инвертных эмульсиях она
находится во внутренней фазе, однако вода может влиять на глинистые
породы. Для этого чтобы снизить влияние водной фазы эмульсий на
глинистые породы, в нее добавляют хлористый кальций, натрий, магний и
другие соли; чаще всего для этих целей используют хлористый кальций.
Добавки 10—40% СаС12 в водную фазу инвертных эмульсий позволяют снизить
активность раствора от 1,00 до 0,39. Ниже показано изменение активности
водной фазы эмульсий при различной концентрации в ней хлористого
кальция.
Высокая растворимость СаС12
в воде позволяет в широких пределах регулировать активность водной фазы
к глинистой породе и для большинства глин поддерживать равновесие между
активностью водной фазы раствора и глинистого
сланца. Так как растворимость СаС12
с температурой изменяется по мере циркуляции бурового раствора в стволе
скважины, то для поддержания активности водной фазы в пределах 0,52—0,46
его концентрация в растворе должна составлять 35—38%. Этого количества
хлористого кальция в водной фазе бурового раствора достаточно, чтобы
поддержать глинистые сланцы в устойчивом состоянии при промывке скважины
инвертной эмульсией.
Буровые растворы при бурении в глинистых породах должны удовлетворять
следующим требованиям:
1) должна снижаться лиофильность глин в результате ингибирования или
модифицирования состава фильтрата бурового раствора;
2) должны обладать низкой водоотдачей, удовлетворительной выносящей
способностью и образовывать на глинистой стенке скважины
полимерглинистую полупроницаемую мембрану, защищающую глину от
проникновения в нее воды или фильтрата бурового раствора;
3) водная фаза инвертных эмульсий и растворов на нефтяной основе должна
обладать такой активностью водной фазы, которая была бы близка или равна
активности разбуриваемых глинистых сланцев;
4) при промывке глины должны сохранять неизменной их естественную
влажность и прочность.