Анализ эффективности применяющихся глинистых растворов для бурения уплотненных глин.

Необработанные глинистые растворы. Эти растворы представляют собой суспензии глин. приготовленные из комовой глины и глинопорошков или суспензии, образованные в процессе бурения путем "самозамеса" из разбуриваемых глин. В недалеком прошлом эти растворы находили широкое применение, а в некоторых геологоразведочных партиях используются и до настоящего времени.

С позиции современных представлений о происходящих процессах в контакте раствора и уплотненных глин, добавление глины в буровой раствор является наиболее простым способом повышения объемной энергии раствора, которая позволяет, с одной стороны, повысить ее плотность и прочность структуры, понизить водоотдачу, с другой - уменьшить разность объемной энергии породы (глины) и компонентов бурового раствора, а следовательно, и абсорбцию глиной молекул воды, ее набухание и разупрочнение.

Вследствие того, что объемная энергия глины значительно выше объемной энергии раствора, уравновесить их невозможно. Поэтому даже при высокой концентрации глины в растворе наблюдается диффундирование глинистых частиц из глины в раствор и, наоборот, молекул воды из раствора в горную породу.

Кроме того, в интервалах проницаемых пород в результате высокой абсорбции воды породой на стенках скважины образуется толстая глинистая корка, уменьшающая диаметр скважины, что приводит к затяжкам и прихватам бурильной колонны.

В связи с вышеизложенным необработанные глинистые растворы для промывки скважин рекомендуется использовать только в твердых (устойчивых) глинистых породах.

Гуматные глинистые растворы. Это глинистые растворы, активированные углещелочными реагентами (УЩР). В результате активации глинистых частиц щелочью увеличивается объемная анергия твердой фазы, снижается водоотдача бурового раствора (до 4-10 см³ /30 мин), что ранее считалось основным условием предупреждения набухания и разупрочнения глинистых пород. Однако щелочь (при применяемой концентрации УЩР 3-5 % она составляет 0,4-0,65 %) активирует не только глинистые частицы раствора, но и глинистые частицы породы, в результате чего ее гидратация не только не понижается, а напротив, повышается. Повышается при этом диспергирование глины и ее разупрочнение. Поэтому для бурения глин обработка глинистых растворов реагентами УЩР не рекомендуется.

Лигносульфонатные глинистые растворы. Это глинистые растворы, активированные лигносульфонатными реагентами. Главная функция лигносульфонатных реагентов - снижение вязкости раствора при высокой концентрации глины, поступившей в раствор при бурении глинистых пород. Как известно [9], молекулы ССБ в соответствии с правилом уравнения полярностей Ребиндера своей полярной частью поворачиваются в сторону полярной жидкости (воды), а водородной частью (за счет водородной связи) адсорбируются на поверхности частиц. В результате активации частиц толщина их гидратной пленки возрастает, а с увеличением толщины пленки ее прочность понижается, понижается водоотдача, СНС и вязкость раствора в целом. Наиболее эффективными для бурения глин являются кальциевые ССБ, поскольку ионы кальция способствуют нейтрализации отрицательного заряда глинистых частиц, а следовательно, способствуют снижению их гидратации.

Хромлигносульфонаты (окзил, ФХЛС, КССБ-4) отличаются наличием хрома в реагентах. Эти реагенты используют для обработки глинистых растворов, применяемых при высоких забойных температурах. Хром и железо, кроме того, ингибиторы гидратации и хорошие разжижители, но, по мнению некоторых исследователей [10], - экологически опасны.

Однако лигносульфонаты способны активировать и глинистые частицы пород, поэтому применение этих растворов не исключает диспергирования глинистых пород.

Исследователи США (11] установили, что из всех буровых растворов, применяющихся для бурения глинистых пород, наименьшим ИУС (индексом устойчивости сланцев - образцов, спрессованных из монтморилонита, каолинита и известняка) обладают лигносульфонатные растворы (ИУС даже феррохромглиносульфонатных растворов равен всего 53).

Анализ эффективности полимерных и полимерглинистых

Растворов.

Вторым способом снижения абсорбции глиной молекул воды, ее набухания является гидрофобизация стенок скважин.

Наиболее радикальным способом предотвращения набухания глины является использование неполярных жидкостей или растворов на нефтяной основе (РНО). Однако в силу ряда недостатков, указанных выше, при бурении геологоразведочных скважин их не используют.

Для гидрофобизации стенок скважин и снижения энергозатрат на вращение бурового снаряда допускается вводить в промывочную жидкость небольшое количество нефти, графита или смазывающих добавок (смад).

Чаще всего роль гидрофобизаторов выполняют полимеры полимерных растворов. Как было отмечено выше (см. часть 1. раздел 6.2.) полимеры способны активно адсорбироваться на поверхности стенок скважин полярной частью функциональных групп в сторону весьма полярной глины, а гидрофобной в сторону промывочной жидкости. Таким образом, на стенках скважины образуется гидрофобная пленка, которая с одной стороны связывает все глинистые частицы и предотвращает поступление воды в глинистую породу.

Полимеры обладают высокой активностью (гидрофильностью) значительно выше, чем глинистые частицы, поэтому для повышения СНС и вязкости требуется намного меньше структурообразователя для создания гидрогелей. Вследствие этого плотность полимерных растворов невелика, что позволяет повысить механическую скорость бурения. Полимерные растворы обладают рядом других достоинств, рассмотренных выше.

Экспериментальные исследования [7] показывают высокую эффективность полимерных и полимерглинистых растворов для предупреждения увлажнения и разупрочнения как низко- так и высококоллоидальных уплотненных глин (рис. 9.5 и 9.6)

Эффективность действия растворов наблюдается при невысокой (оптимальной) концентрации полимера (при адсорбции в один слой) при которой достигается максимальная гидрофобизация (минимальное поверхностное натяжение s, см. часть 1, 6.2). Так для метаса по данным исследований оптимальная концентрация составила 0,5%. При концентрации как выше, так и ниже этого показателя раствор метаса оказался менее эффективным.

 

Рис.9.5. Зависимость влажности биклянского суббентонита в полимерных растворах от времени: 1 - в 0,2 % растворе метаса, 2 - в 0,5 % растворе метаса, 3 - в 1 % растворе метаса, 4 - в 0,2 % растворе КМЦ, 5- в 0,4 % растворе кельцана

 

Рис.9.6. Зависимость коэффициента разупрочнения биклянского суббентонита в полимерных растворах от времени: 1 - в 0,2 % растворе метаса, 2 - в 0,5 % растворе метаса, 3 - в 1 % растворе метаса, 4 - в 0,2 % растворе КМЦ. 5 - в 0,4 % растворе кельцана