Полимерполисолевые промывочные жидкости, для бурения неуплотненных глин (общие понятия).

В природе упрочнение неуплотненных глин производится тремя путями:

1) путем пропитывания глины коллоидными растворами, переходящими в гель;

2) путем цементации растворами Са(НСО₃)₂, Мg(НСО₃)₂, Н₂SiO₃;

3) путем обезвоживания и перекристаллизации глины под воздействием высоких температур (при контактовом метаморфизме).

Коллоидные растворы представляют собой микрогетерогенные системы, чаще с кремнеземной фазой с размером частиц 0.1 мкм и менее. Под воздействием электрического поля глинистых частиц они через поры проникают в глину и в виде гелей адсорбируются на поверхности частиц. Кремнеземные гели содержат много воды (90-92%). В процессе диагенеза вода отжимается и испаряется. При содержании в геле 86% воды он становится упругим, при 73% - ломким, при 70% - его можно толочь, при 63% - совершенно сухой на ощупь гель измельчается в порошок. С течением времени гель подвергается перекристаллизации и, теряя воду, превращается в камнеподобное вещество, не размокающее в воде, а глина превращается в аргиллит.

Подобным же способом происходит и цементация глин. При цементации глин растворами Са(НСО₃)₂ образуется не размокающий в воде глинистый мергель, при цементации Са(НСО₃)₂, и Н₂SiO₃ - кремнистый мергель и т.д.

Механизм твердения глины при ее цементации рассмотрим на примере тампонажного цемента.

Тампонажный портландцемент - это искусственный мергель, получаемый путем обжига смеси глины с известняком, При обжиге известняк разлагается на углекислый газ и окись кальция:

СаСОз → СаО + СО₂↑.

После обжига тампонажный портландцемент имеет следующий состав:

Окись кальция СаО 60-67%

Кремнезем SiO₂ 17-25%

Глинозем Al₂O₃ 3-8%

Окись железа Fe₂O₃ 0.3-0.6%

Окись магния MgO 0.1-1.5%

Сернистый ангидрит SO₃ 3-1.0%

Окись калия и натрия К₂O+Na₂O 0.5-1.5%

Гранулометрический состав частицы размером менее 10 мкм – 30 35%, остальные частицы размером 10-50 мкм. Удельная поверхность - 2500-4000 см²/г.

Процесс затвердевания цемента протекает в три стадии [22]. На первой стадии происходит гидратация силикатов и алюмосиликатов с образованием гидрокиси кальция

CaSiO₃+H₂O→ CaSiO₃*H₂O+Ca(OH)₂

Во вторую стадию происходит схватывание цемента за счет связывания частиц силиката и алюмината кальция затвердевающим гидроксидом кальция.

На третьей стадии гидроксид кальция кристаллизуется, цемент превращается в камнеподобное тело.

Искусственное упрочнение неустойчивых пород в настоящее время проводят путем введения химических реагентов или приложения физических полей. Наиболее распространенные методы упрочнения пород в скважинах - битумизация, смолизация, силикатизация, цементация, термическая обработка (замораживание, обжиг), электрохимическое упрочнение.

Глинистые породы обладают весьма малыми поперечными размерами пор, и проникнуть в эти поры вяжущий материал может чаще всего в виде ионов SiO₃^2-, Ca²⁺, Mg²⁺.

Недостатком таких растворов является слабая подвижность поливалентных ионов, вследствие чего они проникают в горную породу на небольшую глубину. Увеличить подвижность ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ можно путем добавления в раствор электролитов NaCl или КСl. В присутствии анионов S0₄^2-, Сl^- растворимость даже труднорастворимых солей существенно увеличивается. Так по исследованиям Ф.Ф. Лаптева, при увеличении анионов S0₄^2- от 0,1н до 0,5н переход в раствор ионов Са²⁺ увеличился в 10 раз с 0,12 до 1,18мг-экв/л.

В присутствии NaCI растворимость труднорастворимого гипса возрастает в 2,8 раза. По исследованиям O.K. Ангелопуло [16], при пропитке глинистого образца раствором КС1 в жидкости, вытекающей из конца трубки, было обнаружено высокое содержание ионов Са²⁺ и Мg²⁺. Так, при высоте образца глины 40 см было обнаружено 83.6 г/л Са²⁺ и 9,7 г/л Мg²⁺.

Таким образом ,для радикального упрочнения неуплотненных глин буровой раствор должен иметь в своем составе: полимеры и электролиты одновалентных и поливалентных металлов. Катионы поливалентных металлов способны «сшивать» глинистые частицы породы и тем самым резко повышать прочность породы. Электролиты одновалентных металлов, содержат слабогидрофильные подвижные катионы К⁺ и Na⁺, которые способны проникать на значительную глубину в неуплотненную глину и гидрофобизировать глинистые частицы. Кроме того, они содержат активные анионы Cl^- , SO₄^-, способствующие более активной диссоциации кальциевых солей и глин, что позволяет проникать катионам двухвалентных металлов на большую глубину.

Такие полисолиевые растворы для бурения неуплотненных глин являются весьма перспективными буровыми растворами.

На возможность крепления стенок скважин в неустойчивых терригенно-солевых отложениях полисолевыми растворами указывает O.K. Ангелопуло.[15]

Главной предпосылкой для постановки наших исследований - отмечает он, - был положительный опыт применения на буровых Уральской области в 1965 г. глинистого раствора, насыщенного галитом с добавкой 10-15% комплексной калийно-магниевой соли - карналита. Иными словами, объектом теоретических и экспериментальных работ стали буровые растворы, насыщенные не только одной, но и несколькими солями щелочных и щелочно-земельных металлов и названные полисолевыми растворами.

В результате было доказано, что буровые растворы, обработанные хлоридами натрия, калия, магния и защитными органическими реагентами, обеспечивают нормальное состояние ствола скважины в соленосных породах. Причем для сохранения устойчивости терригенной части разреза может быть использован этот же полисолевой раствор. Оптимальные добавки хлорида магния и защитных коллоидов в хлоркальциевый раствор способствуют повышению устойчивости перемятых глин за счет замедления их капиллярной пропитки.

Отдавая должное эффективности ингибиторов разупрочнения типа силикатов и алюминатов натрия, вызывающих глубокие и необратимые изменения структуры кальциевых глин и повышающих их водоустойчивость, необходимо учитывать целесообразность применения полисолевых растворов [15].

Следовательно, как в природе, так и на практике литификация глинистых пород производится растворами соединений двухвалентных металлов, чаще всего кальция. Однако транспортирование этих соединений в поры глины вызывает большие сложности. Абсорбировать соединения кальция из даже сильно разбавленных цементных растворов или известкового молока глине довольно сложно вследствие значительных размеров и невысокого заряда частиц. Слабо абсорбируются глиной ионы Са²⁺ из растворов Са²⁺+2НСО₃^- (из-за высокой их гидрофильности и наличия анионов НСОз^-).

Да и перевести нерастворимые соли кальция в растворимые:

CaCO₃+H₂O+CO₂®Ca²⁺+2HCO₃^-

и наоборот:

Ca²⁺+2HCO₃^-® CaCO₃+H₂O+CO₂

весьма трудно.

Вследствие высокой гидрофильности (особенно при наличии в растворе ионов хлора), ионы кальция слабо абсорбируются кальциевой глиной.

В природе в высокоминерализованных водах содержание ионов кальция резко возрастает, так как ионы кальция гидрофильны и уравновешиваются в этих водах большим содержанием хлора [42].

Менее гидрофильными и более глинофильными являются ионы магния. Воды с ионами магния встречаются реже, чем с ионами кальция - это объясняется высокой их глинофильностью.

В поисках эффективных промывочных жидкостей для бурения неуплотненных глинистых пород с высокими крепящими свойствами автором работы были проведены специальные исследования.