Ингибирующие буровые растворы

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение	3
Глава 1. Причины возникновения осложнений при бурении надсолевых отложений. Характеристика термина «наработка бурового раствора»	4
Глава 2. Пути снижения осложненности бурения надсолевых отложений. Значение термина «ингибирующий буровой раствор»	7
Глава 3. Роль ионов калия в процессе ингибирования глинистых пород	9
Глава 4. Применяемые в мировой  практике типы ингибированных буровых  растворов	10
Заключение	17
Список использованных источников	18

 

 

Введение

 

Для обеспечения качественного строительства  скважин и выполнения своих функций буровой раствор должен обладать универсальными свойствами. Однако, несмотря на технический и технологический уровень буровых работ, в том числе и в области буровых растворов, создать систему, которая бы отвечала всем требованиям, пока не удается. Как правило, выбирается такой компонентный состав системы бурового раствора, который позволяет решить наиболее важную проблему на данном интервале бурения. При прохождении неустойчивых глинистых пород часто применяют ингибирующие растворы.

 

Глава 1. Причины возникновения осложнений при бурении надсолевых отложений. Характеристика термина «наработка бурового раствора»

 

Основными породами, находящимися в надсолевых отложениях являются глины, известняки и песчаники.  Именно в этих породах наиболее часто наблюдается разрушение скважин.

К разрушению стенок скважины относятся:

• осыпи и обвалы незакрепленных горных пород, приводящие к чрезмерному загрязнению ствола скважины;
• набухание горных пород, приводящее к сужению ствола скважины;
• оползни, приводящие к частичному или полному перекрытию ствола скважины;
• желобообразование в местах резкого искривления ствола, приводящее к возникновению затяжек и посадок при спуске или подъеме колонны труб;
• растворение соленосных отложений, приводящее к образованию каверн;
• растепление многолетнемерзлых пород, приводящее к их деградации и потере устойчивости.

Осыпи и обвалы происходят при прохождении  уплотненных глин, аргиллитов или глинистых сланцев. В результате увлажнения циркулирующей жидкостью или ее фильтратом снижается предел прочности уплотненной глины, аргиллита или глинистого сланца, что ведет к их обрушению (осыпям). Осыпям и обвалам может способствовать набухание. Проникновение свободной воды, которая содержится в больших количествах в растворах, в пласты, сложенные уплотненными глинами, аргиллитами или глинистыми сланцами, приводит к их набуханию, выпучиванию в ствол скважины и в конечном счете к обрушению (осыпанию). Осыпи могут происходить из-за механического воздействия бурильного инструмента на стенки скважины. Осыпи и обвалы могут произойти также в результате действия тектонических сил, обусловливаюших сжатие пород. Значение горного давления при этом значительно превышает давление со стороны столба промывочной жидкости.

Характерными  признаками осыпей и обвалов являются: резкое повышение давления на выкиде буровых насосов, обильный вынос кусков породы, интенсивное кавернообразование и недохождение бурильной колонны до забоя без промывки и проработки, затяжки и прихват бурильной колонны, иногда выделение газа. Интенсивное кавернообразование существенно затрудняет вынос выбуренной породы на дневную поверхность, так как уменьшается скорость восходящего потока и его подъемная сила, возрастает аварийность с бурильными трубами, особенно при роторном бурении. Из-за опасности поломки бурильных труб приходится уменьшать нагрузку на долото, а это ведет к снижению скорости бурения.

Набухание происходит при прохождении глин, уплотненных глин, в отдельных случаях аргиллитов (при значительном содержании минералов типа монтмориллонита). В результате действия промывочной жидкости и ее фильтрата глина, уплотненная глина и аргиллиты набухают, сужая ствол скважины. Это приводит к затяжкам, посадкам, недохождениям до забоя бурового инструмента.

 

Поведение потенциально неустойчивых глин определяется двумя основными факторами - физико-химическим и физическим.

Первый  фактор является основным, и его  сущность заключается в характере (механизме) физико-химического взаимодействия бурового раствора и его фильтрата с разбуриваемыми глинами.

Проявление  так называемого физического  фактора заключается в выпучивании глин в скважину под действием аномально высоких поровых давлений в глинах или горного давления в зонах тектонических нарушений, когда глинистые породы «перемяты» при больших углах падения пород.

Физико-химическое взаимодействие глин с буровыми растворами (фильтратом) начинается с процессов  их гидратации кристаллов глинистых  минералов и набухания в микротрещинах. Расклинивающее давление кристаллического набухания проявляется на расстоянии, соизмеримом с толщиной гидратной оболочки и, чем ближе к поверхности, тем выше давление набухания, величина которого достигает тысяч атмосфер. Физическое противостояние таким силам (повышение плотности раствора) практически не реально.

Однако, подавить процесс набухания глин можно  физико-химическими методами, именно этот процесс и называется ингибированием. Он достигается применением в  растворах электролитов (солей) в  определенных концентрациях, превышающих порог коагуляции. Из числа известных растворов этого типа (гипсовый, хлоркальциевый) наиболее эффективным является калиевый раствор. Уникальность этого раствора заключается в том, что ион калия, в сравнение с другими катионами, обладает особым ингибирующим действием. Он, имея малый размер, подавляет процесс набухания глин, адсорбируясь в достаточном количестве на базальных плоскостях, и полностью нейтрализует заряд поверхности. В результате такого химического взаимодействия происходят изменения минералогической природы глин, которые превращаются в водонечувствительный минерал – довольно хорошо окристаллизованную гидрослюду. Процесс практически необратим. Интенсивность процесса насыщения глины ионами калия зависит от концентрации данных ионов, примесей других солей, температуры и величины рН. Дешевым и доступным источником ионов калия является хлористый калий. Оптимальная концентрация этого ингибитора в растворе колеблется от 5 до 12% и зависит от физико-химических свойств разбуриваемых глин и концентрации других солей (неизбежные примеси), которые замедляют действие ионов калия. Для эффективного ингибирования необходимо, чтобы концентрация хлорида калия не менее, чем в 3 раза превышала концентрацию других солей (NaCl, Na₂SO₄, CaSO₄). Так, если калиевый раствор готовится на морской воде (концентрация солей 3-3,5%), содержание хлористого калия в растворе должно быть 10-12%. Важным условием является величина рН, которую необходимо поддерживать на уровне 9-10. Интенсивность ингибирования возрастает с повышением температуры.

Все указанные  условия выполнимы в процессе бурения, поэтому калиевые растворы широко и успешно применяются.

В последние  годы разработан ряд дополнительных органических ингибиторов, усиливающих действие калиевого раствора.

 

Не менее  важным в проблеме устойчивости глин является и так называемый физический фактор.

Действие  этого фактора проявляется при  бурении в условиях АВПД и нарушенных, перемятых зонах, когда осыпи  горных пород происходят под воздействием физических сил, а гидростатического  столба жидкости недостаточно для сдерживания этого процесса. Интенсивность этих осложнений может быть различной в зависимости от геологических условий.

Предупредить  осыпи в этих случаях удается  путем ступенчатого повышения плотности бурового раствора (по 0,05-0,1 г/см³). Как правило, горно-геологические условия бурения бывают, известны, и требуемая плотность раствора регламентируется в программе по буровым растворам или в программе на бурение скважины.

 

Наработка бурового раствора - загустевший осадок бурового раствора, который остается и загрязняет грунт.

 

Глава 2. Пути снижения осложненности бурения  надсолевых отложений.

Значение  термина «ингибирующий буровой  раствор»

 

Основными путями снижения осложнённости в интервале надсолевых отложений являются:

• бурение в зоне возможных осыпей и обвалов с промывкой химически обработанным буровым раствором, имеющим минимальную водоотдачу  и  максимально  возможно  высокую плотность;
• правильная организация работ, обеспечивающая высокие скорости бурения;
• спуск бурильной колонны плавно, без резких торможений;
• недопущение значительных колебаний плотности бурового раствора;
• утяжеление перед подъемом бурильной колонны раствора, доводя его плотность до необходимой, если в процессе бурения произошло ее снижение;
• недопущение длительного пребывания бурильной колонны без движения.
• бурение в зоне возможных сужений с промывкой утяжеленными буровыми растворами, в фильтре которых содержатся химические вещества, способствующие увеличению предельного напряжения сдвига и уменьшению структурно-адсорбционных деформаций, а также степени и давления набухания;
• правильная организация работ, обеспечивающая высокие скорости бурения.

К ингибирующим буровым растворам  относятся системы на водной основе, в которых содержатся вещества для предупреждения гидратации глинистых пород (ингибиторы гидратации глин).

К ингибиторам гидратации относятся  неорганические и органические вещества, такие как: известь, хлориды калия, кальция, магния, гипс, аммонийные соли, натриевые и калиевые соли поликремниевой кислоты (жидкое стекло), полигликоли, некоторые лигносульфонаты, анионоактивные ПАВ, которые являются носителями ионов кальция, калия, аммония и других. При введении в буровой раствор ингибирующего компонента происходит физико-химическое взаимодействие глины и электролита, приводящее к модификации ее поверхности. При этом гидрофильность глины поддерживается на таком уровне, чтобы обеспечить агрегативную и седиментационную устойчивость системы бурового раствора.

Основные  разновидности ингибирующих буровых  растворов: известковые, гипсоизвестковые, хлоркалиевые, гипсокалиевые, хлоркальциевые, малосиликатные, алюмокалиевые.

Обязательный  компонент – реагенты-ингибиторы, замедляющие гидратацию, набухание и диспергирование глин. Общими компонентами для всех перечисленных выше видов ингибированных буровых растворов являются следующие: глина,  вода,  смазочные добавки,  пеногасители (кроме малосиликатного).

Для приготовления  и регулирования свойств калиевых растворов используются стандартные солестойкие реагенты, наиболее эффективными из них являются полисахариды семейства ПАЦ –полианионные целлюлозы (ВВ-высоковязкие, СВ, НВ – средне, низковязкие). Также это - полиакриламид низкого и высокого молекулярного веса (Праестол, Сайдрилл и т.д.), сульфированный асфальт и гликоли различного строения и молекулярного веса (Гликойл, Ск-полиэфирный, АДН и т.д.). Из их числа наиболее эффективно усиливают ингибирующую способность калиевого раствора гликоли за счет дальнейшего и более глубокого снижения степени гидратации глин. Благодаря применению таких систем полностью удается избежать осыпей неустойчивых глин даже в особо сложных геологических условиях.

 

 

 

Глава 3. Роль ионов калия в процессе ингибирования  глинистых пород

 

Подавить  процесс набухания глин можно  физико-химическими методами, именно этот процесс и называется ингибированием. Это достигается с применением в растворах электролитов (солей) в определенных концентрациях, превышающих порог коагуляции. Из числа известных растворов этого типа (гипсовый, хлоркальциевый) наиболее эффективным является калиевый раствор. Уникальность этого раствора заключается в том, что ион калия, в сравнение с другими катионами, обладает особым ингибирующим действием. Во-первых, он подавляет процесс набухания глин, адсорбируясь в достаточном количестве на базальных плоскостях, и полностью нейтрализует заряд поверхности. Ион калия является практически негидратируемым катионом, за счет чего достигается надежная коагуляция плоскостей глины. Во-вторых, малый размер гидратированного катиона калия позволяет ему проникать в особые места кристаллической решетки глин и необратимо нейтрализовать отрицательный заряд поверхности глины.

В результате такого химического взаимодействия происходят изменения минералогической природы глин, которые превращаются в водонечувствитель-ный минерал – довольно хорошо окристаллизованную гидрослюду. Этот процесс практически необратим. Интенсивность такого процесса насыщения глины ионами калия зависит от концентрации данных ионов, примесей других солей, температуры и величины рН. Дешевым и доступным источником ионов калия является хлористый калий. Оптимальная концентрация этого ингибитора в растворе колеблется от 5 до 12% и зависит от физико-химических свойств разбуриваемых глин и концентрации других солей (неизбежные примеси), которые замедляют действие ионов калия. Для эффективного ингибирования необходимо, чтобы концентрация хлорида калия не менее, чем в 3 раза превышала концентрацию других солей (NaCl, Na₂SO₄, CaSO₄). Так, если калиевый раствор готовится на морской воде (концентрация солей 3-3,5%), содержание хлористого калия в растворе должно быть 10-12%. Важным условием является величина рН, которую необходимо поддерживать на уровне 9-10.