глощение периодически перемежается с водопроявлением, чтотакже отрицательно сказывается на функциях промывочной жидкости.

Обеспечение равенства давлений в системе пласт — скважи­ на в процессе бурения позволит избежать нежелательных ос­ ложнений при вскрытии проницаемых горных пород.

Предохранение бурильного инструмента и оборудования от коррозии и абразивного износа

Коррозия бурильного инструмента и оборудования вызывает­ ся в основном действием солей, а также кислорода воздуха, растворенных в промывочной жидкости. Реже коррозия проис­ ходит под действием сероводорода, поступающего в промывоч­ ную жидкость из горных пород.

Абразивный износ вызывается твердыми частицами, попа­ дающими в промывочную жидкость либо при приготовлении^ либо в процессе бурения. Совместное действие абразивного из­ носа и коррозии усиливает процесс разрушения металла, при­ водит к преждевременному выходу из строя инструмента и обо­ рудования, поломкам и авариям. Поэтому при выборе промы­ вочной жидкости необходимо учитывать ее коррозионную и аб­ разивную активность. Коррозионную активность снижают вве­ дением специальных добавок — ингибиторов коррозии. Д ля уменьшения абразивного износа промывочные жидкости следу­ ет регулярно очищать на поверхности от твердых абразивных частиц.

Антивибрационные функции

При повышении частоты вращения бурильного инструмента наблюдается вибрация бурильных труб. Она приводит к полом­ кам труб и породоразрушающего инструмента, преждевремен­ ному износу буровых станков. Особенно актуально предупреж­ дение вибрации при алмазном бурении, где высокая частота вращения породоразрушающего инструмента — главный резерв повышения механической скорости бурения.

Один из наиболее прогрессивных методов предупреждения вибрации бурового снаряда — придание промывочным жидко­ стям виброгасящих свойств. Это достигается введением в них специальных органических или комбинированных добавок, в ре­ зультате чего образуется эмульсия, обладающая смазочными свойствами. Промывочные жидкости с антивибрационными свойствами обеспечивают ряд дополнительных положительных эффектов: увеличение механической скорости, повышение стой­ кости бурильных труб и породоразрушающего инструмента, снижение затрат мощности на вращение колонны бурильных, труб, снижение потерь напора при циркуляции.

Закупоривание каналов ухода

Промывочная жидкость должна обладать закупоривающи­ ми свойствами. Это достигается введением измельченных ве­ ществ, получивших название наполнителей. Отлагаясь в сужени­ ях трещин, частицы наполнителя создают каркас, на котором осаждается твердая фаза, формируя изоляционные тампоны. Постепенно такие тампоны смыкаются, образуя в поглощающем пласте вокруг скважины водонепроницаемую завесу.

Частицы наполнителя должны равномерно распределяться в жидкости, поэтому необходимо, чтобы жидкость обладала опре­ деленной структурой, препятствующей осаждению наполнителя. Размеры частиц наполнителя и его концентрация не должны су­ щественно ухудшать работу буровых насосов.

Перенос энергии от насосов к забойным механизмам

Для эффективной работы забойных механизмов (турбобу­ ров, гидроударников, винтовых двигателей) требуется опреде­ ленная энергия, которая переносится от бурового насоса, уста­ новленного на поверхности, к забою скважины. Количество этой энергии определяется техническими характеристиками за ­ бойных механизмов и условиями бурения. Энергия, затрачивае­ мая на привод бурового насоса, расходуется, кроме того, на преодоление гидравлических сопротивлений при циркуляции промывочной жидкости в скважине.

Технические возможности насосов ограничены, поэтому ко­ личество подведенной к забойному двигателю энергии будет за ­ висеть от потерь напора при циркуляции промывочной жидко­ сти. Потери зависят при прочих равных условиях от подачи на­ соса и реологических свойств жидкости. Так как на подачу на­ соса влияют геологические условия бурения и расход жидкости, требуемый для устойчивой работы забойного механизма в нуж­ ном режиме, главным регулирующим фактором энергетических затрат остаются реологические свойства промывочной жидко­ сти. Поэтому при использовании забойных механизмов стремят­ ся максимально уменьшать реологические параметры промывоч­ ных жидкостей, учитывая при этом и другие их функции.

Обеспечение проведения геофизических исследований

При бурении разведочных скважин и по достижении проект­ ной глубины обязательно проводится комплекс геофизических исследований, позволяющих уточнить геологический разрез и из­ мерить ряд важных характеристик пласта. Эффективность та­ ких исследований зависит от качества промывочной жидкости. Так, при повышенных реологических параметрах геофизические приборы могут зависать в скважине, в то время как бурильный инструмент опускается свободно. В отдельных случаях парамет-

ры промывочных жидкостей влияют и на показания приборов. Все эти обстоятельства должны учитываться при выборе качест­ ва промывочной жидкости.

Сохранение теплового режима скважин в многолетнемерзлых породах

При бурении скважин в слабосвязанных многолетнемерзлых породах чрезвычайно важно предотвратить нагрев пород в при­ скважинной зоне. Нарушение теплового режима (растепление) горных пород, слагающих стенки скважин, приводит к их обру­ шению, образованию просадочной воронки в приустьевой части скважины с потерей устойчивости наземных сооружений, в уже обсаженных скважинах могут деформироваться и полностью разрушиться обсадные трубы.

В многолетнемерзлых породах промывочная жидкость долж ­ на иметь минимальную теплоемкость и теплопроводность. Темпе­ ратура промывочной жидкости должна быть ниже температуры разбуриваемых пород, поэтому ее следует охлаждать, особенно в летнее время.

При бурении льдистых (насыщенных льдом) пород разру­ шение льда, цементирующего породы, происходит и в промывоч­ ных жидкостях, имеющих отрицательную температуру. В таких условиях особое значение приобретают режим промывки и мак­ симально возможное сокращение времени контакта промывоч­ ной жидкости с горными породами. Следует обеспечить режим течения промывочной жидкости, исключающий или уменьшаю­ щий перемешивание в скважине пристенной части потока жид­ кости со всем ее объемом. Это в свою очередь зависит от вида и свойств промывочной жидкости.

При выборе промывочной жидкости для бурения в многолет­ немерзлых породах следует иметь в виду, что при прекращении циркуляции возможно образование мерзлых пробок по стволу скважины, приводящее к прихватам бурильного инструмента.

Таким образом, функции, которые должна выполнять промы­ вочная жидкость, предъявляют к ней ряд требований, которые нередко оказываются прямо противоположными. Так, при по­ вышении гидростатического давления в скважине для предот­ вращения обвалов и водопритоков ухудшаются условия разру­ шения горных пород на забое скважины, снижается механиче­ ская скорость бурения, ухудшается работа насосов. При умень­ шении скорости движения промывочной жидкости в зазоре меж­ ду керном и колонковой трубой с целью повышения выхода кер­ на часто ухудшаются условия очистки забоя скважины от про­ дуктов разрушения и в итоге снижается механическая скорость бурения.

Конечно, далеко не всегда промывочная жидкость должна выполнять все перечисленные функции и удовлетворять всем требованиям. Чаще особенности геологического разреза и физи-

Все дисперсные системы с твердой фазой могут быть с ма­ лым (до 7% ), нормальным (до 20—22%) и повышенным содер­ жанием (более 20—22%) твердой фазы.

Промывочные жидкости в определенных условиях искусст­ венно насыщаются воздухом и переходят в категорию аэрирован­ ных. В воде и водных растворах воздух в зависимости от его содержания может выступать в качестве дисперсной фазы или дисперсионной среды. В последнем случае промывочные жидко­ сти называют пенами.

Промывочные жидкости с водной средой делятся по степени и составу минерализации. По степени минерализации промывоч­ ные жидкости могут быть: 1) слабоминерализованными (менее 3% ), 2) среднеминерализованными (3— 10%), 3) высокомине­ рализованными (более 10%). По составу минерализации они клас­ сифицируются в соответствии с названием соли, содержание ко­ торой является наибольшим — хлорнатриевая, хлоркальциевая, силикатная и т. д. Промывочные жидкости могут быть устойчи­ выми к действию солей и неустойчивыми. В первом случае их называют солеустойчивыми.

По особенностям поведения в условиях повышенных забой­ ных температур промывочные жидкости делятся на термоустой­ чивые и термонеустойчивые. Они могут быть термосолеустойчивыми.

Все промывочные жидкости делятся на обработанные хими­ ческими реагентами и необработанные.

По назначению промывочные жидкости подразделяются на: 1) жидкости для нормальных геологических условий бурения (вода, некоторые водные растворы, нормальные глинистые рас­ творы); 2) жидкости для осложненных геологических условий

кой, промывочные жидкости для осложненных условий буре­ ния можно подразделить на ингибированные, в которых структурообразование приостановлено на определенном уровне; соле­ стойкие; термостойкие.

По способу приготовления промывочные жидкости бывают: 1) естественные; 2) искусственно приготовленные. К первым от­ носятся вода, углеводородные жидкости и промывочные жидко­ сти, получаемые в процессе бурения за счет постепенного обра­ зования дисперсной фазы из разбуриваемых пород, ко вторым — все остальные.

Наибольшее распространение в качестве промывочных жид­ костей получили глинистые растворы. В целом их можно разде­ лить на две группы: 1) нормальные; 2) специальные. К нормаль­ ным относятся растворы, не обработанные реагентами. Глини­ стые растворы, обработанные реагентами с целью направленно­ го регулирования свойств применительно к конкретным геологи­ ческим и технологическим условиям, объединяются в специаль­ ные. Они получают название либо по наименованию основного

р 7 ------------------ --------------

генные (истинные) растворы

Jja

активного компонента (ингибированные растворы — хлоркальциевые, ферросульфатные и т. д.), либо по технологическому названию (утяжеленные, растворы с противоморозными добав­ ками и т. д.), либо по виду дисперсной системы (эмульсионные, аэрированные).

Часто в промывочную жидкость вводят добавки специально­ го назначения (смазывающие, пластифицирующие, эмульгирую­ щие и т. д.). Как правило, добавки имеют многофункциональ­ ное действие. Это приводит к тому, что промывочные жидкости одного и того же состава в зависимости от того, какая в данных геологических условиях функция является главной, могут по на­ значению относиться к различным типам, что еще более услож­ няет их классификацию.

Классификация промывочных жидкостей по составу приве­ дена на рис. 9.

Глава III

МЕТОДЫ ИЗМ ЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫВОЧНЫХ Ж ИДКОСТЕЙ

Пригодность промывочной жидкости для конкретных условий бурения определяется рядом свойств (параметров), требующих измерения как при ее приготовлении, так и в процессе бурения. Некоторые из этих параметров используются в расчетах, свя­ занных с применением промывочных жидкостей.

§ 1. ПЛОТНОСТЬ

Плотность промывочной жидкости р есть масса единицы объема. Измеряется в кг/м3 или г/см3.

Плотность промывочной жидкости определяет гидростатиче­ ское давление в скважине:

PrCT = Pg#, (III.I)

где Н — глубина скважины по вертикали, м; g — ускорение сво­ бодного падения, м/с2.

С увеличением плотности промывочной жидкости возрастают гидравлические сопротивления в циркуляционной системе сква­ жины, уменьшается подача насосов, ухудшается очистка забоя. Наряду с этим увеличение гидростатического давления приводит к снижению темпа разрушения породы на забое и в итоге к уменьшению механической скорости бурения. Д ля примера на рис. 10 приведена кривая, характеризующая падение скорости бурения в глинистом сланце средней крепости с ростом гидро­ статического давления.

Повышение плотности промывочной жидкости, особенно свя­ занное с ростом содержания активной твердой фазы, сопровож-

явлению целого комплекса факторов, снижающих механическую скорость бурения.

В нормальных условиях бурения увеличение плотности про­ мывочной жидкости нежелательно. Лишь при бурении в крепких, но неустойчивых вследствие трещиноватости породах стремятся увеличить плотность промывочной жидкости. За счет повышен­ ного гидростатического давления такой жидкости стенки сква­ жины становятся более устойчивыми. Д ля повышения плотно­ сти применяют специальные добавки — утяжелители.

При поглощениях промывочной жидкости или с целью умень­ шения ее отрицательного влияния на проницаемость пластов (например, при бурении гидрогеологических скважин) плот­ ность жидкости уменьшают. В отдельных случаях для резкого снижения плотности промывочные жидкости насыщают возду­ хом (аэрируют).

Плотность промывочных жидкостей в полевых условиях из­ меряют ареометрами АГ-ЗПП (рис. 11) или АБР-1. В комплект прибора входят собственно ареометр и удлиненный металличе­ ский футляр с крышкой в виде ведерка 9. Прибор состоит из следующих основных частей: мерного стакана 5, донышка б,

поплавка 7, стержня 8 и съемного груза 1. Мерный стакан име­ ет две полости: одну — для пробы замеряемого раствора и вто­ рую — компенсационную. В компенсационной камере помещает­ ся металлический балласт 4Унеобходимый для устойчивости по­ груженного в воду прибора, и компенсационный груз 3 для та­ рировки, представляющий собой обычно чугунную дробь. Ком­ пенсационная камера перекрывается полиэтиленовой заглуш ­ кой 2, которая крепится к стакану эпоксидным клеем. В верх­ ней части стакана расположены зерновидные прорези для слива излишков раствора.

Поплавок 7 перекрывается донышком б, которое, с одной стороны, обеспечивает герметичность поплавковой камеры, а с другой — постоянный объем раствора в мерном стакане 5.

Стержень 8 представляет собой дюралевую трубку с нане­ сенными на ней шкалами. Одна шкала с делениями от 0,9 до 1,7 г/см3, вторая (служащая для определения плотности утяже­ ленных растворов)— от 1,6 до 2,4 г/см3. Трубка закрывается сверху полиэтиленовой пробкой 10 на резьбе. Съемный груз 1, обеспечивающий два диапазона измерения ареометра, представ­ ляет собой стальную арматуру, залитую снаружи полиэтилено­ вой оболочкой. При соединении съемного груза с мерным ста­ каном 5 используется полиэтилен.

При измерении поплавок снимают со стакана, наполняют по­ следний жидкостью, вновь присоединяют поплавок и ареометр в вертикальном положении опускают в футляр, наполненный чистой пресной водой. Отсчет плотности ведут по шкале с мень­ шими значениями р. Перед измерением ареометр следует про­ верить путем определения плотности пресной воды. В этом слу­ чае ареометр должен показывать р = 1 г/см3. Точность измере­ ний ареометром составляет 0,01 г/см3. В лабораторной практике, если такая точность недостаточна, применяют пикнометры.

§ 2. ВЯЗКОСТЬ

Вязкость, как уже отмечалось, — один из важнейших пара­ метров промывочной жидкости. Она определяет не только вели­ чину гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе скважины, но и характер и величину проникновения промывоч­ ной жидкости в поры и трещины горных пород. С ростом вяз­ кости ухудшаются условия очистки скважины от шлама и резко падает механическая скорость буре'ния. На рис. 12 показан ха­ рактер уменьшения механической скорости бурения в осадочных породах (1 — алевролит, 2 — глина) с увеличением вязкости глинистого раствора.

Вязкость промывочной жидкости по возможности следует поддерживать минимальной. Лишь в породах, склонных к по­ глощению, ее необходимо повышать. В ряде случаев величина вязкости обусловливается ее связью с другими параметрами, например плотностью.

ки 2 объемом 700 см3 с сеткой 1 и мерной кружки 3 объемом Б00 см3.

Измерения выполняют следующим образом. Взяв в руку во­ ронку, устанавливают сетку на выступы, зажимают нижнее от­ верстие пальцем правой руки и заливают через сетку испытуе­ мую жидкость до верхней кромки вискозиметра. Подставив мерную кружку под трубку вискозиметра, убирают палец и од­ новременно включают левой рукой секундомер. Воронку необ­ ходимо держать вертикально (допустимое отклонение не выше 10°). Когда кружка наполнится до края, останавливают секун­ домер, а отверстие -воронки вновь закрывают пальцем. Время истечения 500 см3 промывочной жидкости в секундах характе­ ризует условную вязкость.

Так как в дисперсных коллоидных системах в состоянии по­ коя или медленного течения неконтролируемо образуется струк­ тура, это может привести к искажению результата. Поэтому для уверенности измерения выполняют 2—3 раза. После каждого измерения воронку, сетку и кружку надо тщательно промыть водой.

Воронка вискозиметра имеет в верхней части приспособле­ ние, позволяющее подвешивать ее на стойке в вертикальном по­ ложении. Периодически вискозиметр следует проверять путем

определения его постоянной: времени истечения 500 см3 чистой воды. Постоянная вискозиметра должна быть 15=F0,5 с.

Хотя условная вязкость зависит от величины структурной вязкости, динамического и статического напряжений сдвига, теоретически она достаточно строго не обоснована. Истечение из воронки вискозиметра происходит при переменном давлении столба жидкости, высота которого в процессе опыта уменьша­ ется. Условная вязкость дает самое общее представление о вяз­ костных свойствах промывочной жидкости, и лишь огромный опыт использования ВБР-5 и простота конструкции этого при­

сложной конструкции. Лабораторные вискозиметры могут быть капиллярными, ротационными или основанными на измерении силы сопротивления при перемещении твердого тела в испытуе­ мой жидкости. Наиболее распространены ротационные вискози­ метры.

Градиент скорости и напряжение сдвига — непостоянные ве­ личины в радиальном направлении. Неоднородное напряжен­ ное состояние несущественно при обработке результатов испы­ таний жидкости, подчиняющихся закону Ньютона, но играет большую роль для аномально-вязких материалов. Поэтому с целью получения однородного поля скоростей (и напряжений) при исследовании неньютоновских жидкостей стремятся исполь­ зовать вискозиметры с небольшими зазорами между измери-

у_

1 •sa

гкн

—

_____ 1

“ i — ■

Рис, 14. Принципиальная схема ротаци­ онных вискозиметров

Рис. 15. Прибор для измерения реологических параметров промывочных жид­ костей ВСН-3

Как правило, измерения производят при равновесных со­ стояниях дисперсных систем, для чего вращают цилиндр до получения не зависящего от времени крутящего момента. Час­ тоту вращения цилиндра изменяют от большей величины к мень­ шей. В практике исследовательских работ применяют вискози­ метры ВСН-2М и ВСН-3.

Прибор ВСН-3 (рис. 15) состоит из закрытого корпуса U измерительной системы привода и стакана 4 для испытуемой жидкости. В корпусе 1 прибора смонтированы все механизмы вискозиметра.

Измерительная система включает подвесной цилиндр 5, гильзу 6Ушкалу 7, пружину 9, крутильную головку 10. Испытуе­ мая среда заливается в стакан 4, который опирается на телеско­ пический столик 3. Гильза 6 приводится во вращение от двига­ теля 15 через редуктор 2, вал 11 и систему шестерен. Д ля изме­ рения статического напряжения сдвига прибор снабжен электро­ двигателем 139 который при соответствующем положении пере­ ключателя 14 редуктора вращает через шестерню 12 наружный цилиндр с частотой 0,2 об/мин. Конструкция прибора обеспе­ чивает предварительное разрушение структуры промывочной жидкости путем вращения цилиндра 6 с большой частотой.

Принцип действия ВСН-3 основан на измерении момента сил трения, возникающего в кольцевом зазоре при вращении гиль­ зы 6 и закручивающего подвесной цилиндр 5 на угол, пропор­ циональный возникающему моменту. Пружина 9 создает реак­ тивный момент, препятствующий вращению подвесного цилинд­ ра. Угол измеряется по отклонению «нуля» шкалы 7 от риски на смотровом окне 8. Привод вискозиметра обеспечивает четы­ ре частоты вращения (200, 300, 400, 600 об/мин) наружного ци­ линдра при определении динамического напряжения сдвига и структурной вязкости и одну (0,2 об/мин) при определении ста­ тического напряжения сдвига.

При измерении структурной вязкости и динамического на­ пряжения сдвига испытуемую жидкость перемешивают при час­ тоте вращения 600 об/мин с целью разрушения структуры, а за ­ тем снимают устойчивые показания углов закручивания шкалы прибора при 600, 400, 300 и 200 об/мин (за устойчивые показа­ ния углов закручивания принимаются углы, величины которых при вращении гильзы в течение 3 мин не меняются).

Рис. 16. Схема капиллярного виско­ зиметра ВНИИНГП

Рис. 17. Зависимость структурной н условной вязкостей от плотности глинистого раствора

ства для замера объемной скорости потока 6, регулятора давле­ ния 7, автоматического переключателя 8. Перепад давления в трубке измеряется с помощью образцовых манометров 9. Рабо­ чие цилиндры и вискозиметр ическая трубка заключены в ко­ жух 3, что позволяет термостатировать систему при атмосфер­ ном давлении.

Переключатель 8 обеспечивает распределение воздуха при заданном давлении поочередно в рабочие цилиндры с переме­ щающимися поршнями, благодаря чему создается движение жидкости в капиллярной трубке с периодическим изменением постоянной скорости по направлению. Это позволяет многократ­

но повторять измерения на ограниченном объеме испытуемой жидкости.

Таким образом, определение ц и То довольно трудоемко и сложно, но крайне необходимо. Без этих параметров невозмож­ но выполнить гидравлические расчеты.

Сложность непосредственного измерения структурной вяз­ кости привела к появлению попыток установления конкретной связи ее с условной вязкостью. На рис. 17 приведены зависимо­ сти структурной и условной вязкости от плотности раствора, приготовленного из кыновских глин. По таким сводным графи­ кам, зная условную вязкость, можно сразу же оценить и струк­ турную вязкость. Однако этот метод определения структурной вязкости требует большого объема предварительных исследова­ ний, правомерен для отдельных разновидностей глин лишь в оп­ ределенных пределах.

§ 3. СТАТИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА

Статическое напряжение сдвига 0, как уже указывалось, ха­ рактеризует прочность структуры и определяет способность про­ мывочной жидкости: удерживать во взвешенном состоянии час­ тицы разрушенной горной породы и пузырьки газа (воздуха); проникать в трещины и поры горных пород и удерживаться там под действием нагрузок.

Повышать 0 следует в случае, если интенсивность разруше­ ния горных пород при бурении достаточно велика и продукты разрушения имеют значительные размеры и плотность, если необходимо утяжелять промывочную жидкость специальными утяжелителями, а также в условиях возможных поглощений промывочных жидкостей в трещиноватых или пористых поро­ дах. При этом необходимо иметь в виду, что повышенное ста­ тическое напряжение сдвига ухудшает условия дегазации и очистки промывочных жидкостей от продуктов разрушения гор­ ных пород и посторонних включений.

Статическое напряжение сдвига измеряют пластометрами. В практике бурения наибольшее распространение получил ро­ тационный пластометр СНС-2 (рис. 18). Прибор состоит из ци­ линдра 6, подвешенного на упругой проволоке 2 к конусу, кронштейна 4 и стакана 7, установленного на вращающемся столике 8. Вращение с частотой 0,2 об/мин через редуктор 12 и шкив передается столику от электродвигателя 13. Во избежа­ ние скольжения испытуемой жидкости поверхность подвесного цилиндра сделана рифленой. На трубке 3, соединенной р ци­ линдром, укреплен лимб 14, разделенный на 360°. На уровне лимба на кронштейне находится указатель 5. Д ля установки станины 11 прибора на опорах 10 в горизонтальное положение имеются установочные винты 9.

Статическое напряжение сдвига 0 измеряют следующим об-

/

разом. Станину прибора с помощью установочных винтов при­ водят в горизонтальное положение, о чем будет свидетельство­ вать соосное положение цилиндра 6 в стакане 7. Затем поворо­ том конуса совмещают нуль лимба 14 с указателем 5, после че­ го конус 1 фиксируется легким нажатием сверху.

В зазор между цилиндром и стаканом заливается исследуе­ мая жидкость до тех пор, пока уровень ее не совпадает с верх­ ним основанием цилиндра 6. Испытуемую жидкость хорошо пе­ ремешивают путем вращательных движений (вручную) внут­ реннего цилиндра, после чего нуль лимба совмещается с указа­ телем и жидкость оставляют в покое до образования структу­ ры. Принято выдерживать жидкость в покое после установки внутреннего цилиндра 1 и 10 мин и соответствующие величины статического напряжения сдвига обозначать 0! и 01О. По исте­ чении 1 мин включают двигатель, столик 8 начинает вращаться, вращается стакан 7 и через структуру промывочной жидкости вращение передается внутреннему цилиндру. При этом проис­ ходит закручивание упругой проволоки 2.

Внутренний цилиндр в зависимости от особенностей испы­ туемой жидкости может вращаться с частотой, как равной час­ тоте вращения стакана 7, так и несколько меньшей за счет пластической деформации жидкости в зазоре прибора. По ме­ ре закручивания упругой проволоки сопротивление закручива­ нию возрастает и в конце концов превышает прочность струк­ туры испытуемой жидкости. Это сопровождается или остановкой внутреннего цилиндра, или его движением в обратную сторону. По лимбу 14 определяют максимальный угол закручивания проволоки.

Конструкция цилиндра предусматривает контакт с испытуе­ мой жидкостью только по боковой поверхности. Поэтому сила сопротивления испытуемой жидкости вращению цилиндра f\

равна произведению боковой поверхности цилиндра на статиче­ ское напряжение сдвига:

f± = 2nrhB±9 (IIIЛ 5)

где г — радиус цилиндра; h — высота цилиндра.

Сила сопротивления закручиванию нити f2 может быть оп­ ределена по величине наибольшего угла закручивания проволо­ ки при сдвиге Д<р! и моменту М, необходимому для закручива­

проволоки. Значение ее берется из паспорта прибора. Обозна­ чив ее k, получим

е, = М<р,. (III. 18)

Определив 0Ь выключают электродвигатель, промывочную жидкость в стакане вновь хорошо перемешивают, нуль шкалы совмещают с указателем и фиксируют время стабилизации структуры. По истечении 10 мин включают электродвигатель и измеряют угол Д<р2.

исследуемой жидкости; для промывочных жидкостей /гт= 1 -5-1,5. Продолжительность замера углов закручивания проволоки при исследовании промывочной жидкости не должна превышать 1 мин, так как в процессе измерения (во всяком случае, на на­ чальном этапе) происходит дальнейшее упрочение структуры. Поэтому для измерения статического напряжения сдвига про­ мывочных жидкостей в широком диапазоне значений применя­ ют проволоки различной упругости. Каждый прибор СНС-2

снабжен комплектом из шести сменных упругих проволок.

В капиллярных пластомерах 0 определяют по величине уси­ лия, обусловливающего сдвиг столбика испытуемой жидкости в

стинка 6, подвешенная на упругой металлической проволоке к коромыслу аналитических весов 3 с чашкой для нагрузки 2. Пластинка устанавливается в середине кюветы 7, в которую заливается испытуемая жидкость 8. На проволоке крепится ре­ пер 4, напротив которого на основании 1 установлен микро­ скоп 5.

Время структурирования составляет 24 ч. Наблюдения вы­ полняются при нескольких значениях нагрузки (не менее шес­ ти). Деформация отсчитывается по истечении 1; 5; 10; 15; 30; 45 с и 1; 2; 3; 5; 7; 10; 12; 15 мин. После каждой нагрузки про­ водится разгрузка с таким же порядком отсчета, как и при на­ гружении. Последовательные нагружения и разгрузки выпол­ няют до полного разрушения образца, что устанавливается по резкому увеличению скорости деформации и выдергиванию пла­

до пересечения с ординатой и получают величину е™. Быстрая эластическая деформация ео рассчитывается по первому секунд­ ному расчету, медленная эластическая деформация ег определя­

где F — нагрузка, Н; S — площадь пластинки, м2.

За статическое напряжение сдвига 0 можно принять значе­ ние Р, соответствующее разрушению образца жидкости (выдер­ гиванию пластинки). После построения графиков найденных значений деформации в функции от Р определяют структурно­ механические константы дисперсной системы.

Имеется прибор Вейлера — Ребиндера с автоматической за­ писью показаний.

§ 4. ВОДООТДАЧА И ТОЛЩИНА ФИЛЬТРАЦИОННОЙ КОРКИ

Под водоотдачей В (фильтрацией) понимается способность промывочной жидкости отфильтровывать жидкую фазу в поро­ ду под действием избыточного давления в скважине. Процесс

Вскрытие горных пород скважиной сопровождается проникно­ вением в поры и трещины промывочной жидкости. При этом частицы твердой фазы не проникают в глубь массива горных пород на большие расстояния, а отлагаются в устьях пор и тре­ щин и образуют сплошную пленку, пронизанную тончайшими капиллярами. Размеры этих капилляров таковы, что через них фильтруется только вода. Частицы твердой фазы группируются вокруг каналов фильтрации и постепенно уменьшают их сече­ ние. Так, на стенках скважины образуется фильтрационная корка. По мере ее утолщения сопротивление прохождению через нее жидкой фазы возрастает и скорость фильтрации сни­ жается. Величина водоотдачи определяется свойствами фильт­ рационной корки, образуемой данной промывочной жидкостью.

Скорость образования и толщина корки различны и зависят от ряда факторов, в том числе от качества промывочной жид­ кости. Высокодиспергированные растворы образуют, как пра­ вило, тонкие, но плотные корки, фильтрация воды через кото­ рые со временем приближается к нулю. Грубодисперсные, низ­ кокачественные нестабильные растворы образуют толстые, рых­ лые и неплотные корки с устойчивыми размерами капилляров, через которые продолжает протекать вода. Такие растворы ха­

костью. Толстая рыхлая корка уменьшает диаметр скважины, приводит при выполнении спуско-подъемных операций к обра­

инструмента, особенно при бурении глубоких наклонных сква­ жин. При нормальных условиях бурения толщина фильтраци­ онной корки не должна превышать 2 мм.

В процессе бурения вода в поры и трещины горных пород отфильтровывается при циркуляции раствора. Динамическая фильтрация воды из промывочной жидкости происходит в два этапа. На первом этапе наблюдается нарастание фильтрацион­ ной корки, на втором этапе прекращается рост толщины фильт­ рационной корки и скорость фильтрации стабилизируется в связи с наступлением динамического равновесия процесса.

Описанный механизм водоотдачи сопровождается физико­ химическим изменением горных пород в прискважинной зоне. Глубина и характер этих изменений определяются видом гор­ ных пород и химическим составом дисперсионной среды промы­ вочной жидкости. Поэтому ограничение водоотдачи имеет боль­ шое значение, особенно при бурении в пористых, рыхлых и на­ рушенных породах.

Повышение температуры приводит к росту водоотдачи и тол­ щины фильтрационной корки. Характер влияния температуры на водоотдачу глинистого раствора показан на рис. 21, Растворы с

температуры в меньшей степени.

При увеличении давления в скважине неоднозначно изменя­ ется водоотдача. Фильтрационные корки ряда промывочных жидкостей, например глинистых растворов, обработанных не­ которыми реагентами, при увеличении давления могут уплот­ няться, что приводит к уменьшению водоотдачи. Увеличение последней положительно сказывается на механической скорости бурения. При повышенной водоотдаче фильтрат быстрее прони­ кает в породу забоя, снижая ее прочность. Более интенсивно выравнивается поровое давление в породах до гидростатическо­ го в скважине. С ростом водоотдачи особенно эффективно уве­ личивается механическая скорость бурения в глинах. Влияние фильтрации промывочной жидкости на механическую скорость бурения приведено на рис. 22. Однако возможность приведен­ ных выше осложнений обусловливает необходимость уменьше­ ния водоотдачи.

Существующие приборы для измерения водоотдачи делятся на работающие под давлением и работающие под вакуумом. Первые подразделяются на приборы, измеряющие статическую водоотдачу, и приборы, измеряющие динамическую водоотдачу (в процессе циркуляции над фильтром). Последние сложны и

рения приборам относятся ВМ-6 и ВГ-1М, в которых водоотда­ ча измеряется в статическом состоянии при перепаде давления 0,1 МПа. За показатель фильтрации принимается количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр площадью 28 см2 за 30 мин.

Прибор ВМ-6 имеет две конструкции. Первая (рис. 23, а) состоит из трех основных узлов: напорного цилиндра с плун­ жером, фильтрационного стакана и плиты с кронштейном. В фильтрационном стакане между собственно стаканом 5 и его поддоном 9, соединенными на резьбе, в специальной кольцевой

В 9

Рис. 23. Прибор для измерения водоотдачи ВМ-6

выточке зажимается металлический корпус фильтра 7, на кото­ рый при измерении укладывают смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги 6. С помощью винта И клапан 10 с ре­ зиновой прокладкой 8 прижимают к нижней стороне корпуса фильтра, перекрывая таким образом каналы фильтрации.

Фильтрационный стакан в собранном виде устанавливают в кронштейн 18 и заливают в него испытуемую жидкость 14. На резьбу горловины стакана 5 навинчивают напорный цилиндр 8 с чашкой в нижней части и проверяют, перекрыт ли дроссель­ ный кран 4. После этого в цилиндр 8 заливают масло 15, уста­ навливают на цилиндр плунжер 1 с грузом 2 и, выпуская лиш­ нее масло с помощью дроссельного крана 4, совмещают нуле­ вое деление шкалы прибора с риской в верхней части цилинд­ ра. Затем открывают клапан 10 и включают секундомер.

Под действием давления от веса плунжера через фильтро­ вальную бумагу и постепенно образующуюся на ней фильтра­ ционную корку из промывочной жидкости отфильтровывается жидкость, стекая через отверстия в поддоне 9. По мере отде­

ления фильтрата объем раствора уменьшается — и плунжер с грузом медленно опускается вниз. Через 30 мин по шкале и риске на цилиндре 2 фиксируют объем отфильтрованной жид­

вычитают число, принятое за нуль.

После взятия отсчета открывают дроссельный кран 4, выпус­ кают остатки масла из цилиндра 3. Затем при открытой игле вынимают плунжер из цилиндра, отвинчивают цилиндр и сли­ вают масло из чашки в подготовленную емкость. Вынув из кронштейна фильтрационный стакан, выливают из него остатки жидкости и масла и разбирают, извлекая фильтр с образовав­ шейся фильтрационной коркой. Осторожно смыв с фильтраци­ онной корки промывочный раствор, измеряют ее толщину по­ гружением стальной линейки.

По окончании разборки все детали прибора тщательно про­ мывают, протирают и прибор собирают.

В комплект прибора входит баллончик для масла и ванноч­ ка 12 для сбора фильтрата. Последняя при измерении водоот­ дачи устанавливается под отверстиями поддона.

Модификация прибора ВМ-6 (рис. 23, б) отличается устрой­ ством нижней части. Изменена конструкция поддона 7, который приобретает функцию опорной части прибора. Поддон в нижней части имеет кольцевые канавки, соединенные сквозным отвер­ стием с чашей. Отверстие перекрывается пробкой 6, играющей роль запорного клапана.

При сборке фильтрационного стакана на поддон 7 уклады­ вается смоченный кружок фильтровальной бумаги 9, на кото­ рый укладывается кольцевая резиновая прокладка 8, после че­ го навинчивается до упора собственно стакан 5. Затем отвер­ стие перекрывается пробкой 6, и узел готов к работе. Осталь­

к прибору прилагаются бланки с двойной логарифмической сет­ кой (рис. 24). Зависимость водоотдачи от времени на такой сетке выражается прямой линией. Измерив водоотдачу через более короткие отрезки времени, например 2 и 5 мин, и отло­ жив соответствующие точки на графике, можно провести через эти точки прямую и продолжить ее до пересечения с ординатой, соответствующей 30 мин. Точка пересечения дает водоотдачу за 30 мин.

Толщина и качество фильтрационной корки при таком мето­ де определения не являются показательными. Этот метод ис­ пользуется и для ускорения измерения водоотдачи. При этом

/№

80

60 \

Ф

1 1

2 3 Ч S Ю I5Z030 Время мин

Рис. 24. Бланк с двойной логарифмической сеткой для определения водоотдачи

Рис. 25. Прибор ВГ-1М

Рис. 26. Схема вакуумной установки для опре­ деления водоотдачи

для большей надежности делают три-четыре измерения, напри­ мер через 1, 2, 3 и 5 мин.

Водоотдачу, лежащую за пределами шкалы измерений при­ бора, можно определить и расчетным путем. Решение уравнения фильтрации жидкости при переменной толщине фильтрацион­ ной корки приводит к выводу, что количество отфильтровав-

шейся жидкости V за время t определяется равенством

С помощью прибора ВМ-6 можно определять содержание га­ за (воздуха) в структурированной промывочной жидкости. Д ля этого плунжер прибора закрывается изнутри пробкой, отделяю­ щей воздух, находящийся в штоке, от исследуемой промывочной жидкости. На собранный для измерения водоотдачи прибор на­ кладывается груз массой G. В результате сжатия газа плунжер опускается на определенное число делений п. Содержание газа V2 (в %) в промывочной жидкости вычисляют по формуле

сравнению с прибором ВМ-6 плунжер и цилиндр, а также шка­ лу, разделенную на две части: нижнюю — для измерения содер­ жания газа, верхнюю — для измерения водоотдачи. Ш кала пе­ ремещается в вертикальном направлении с помощью винтов, что необходимо для установки на нуль по шкале «газ».

Сначала определяется содержание газа. Плунжер, сжимая пробу раствора с газом, опустится. Деление шкалы «Газ», оста­ новившееся против отсчетной риски на верхнем крае втулки ци­ линдра, укажет процентное содержание газа в исследуемом растворе. Отсчет по шкале надо брать сразу же после останов­ ки груза-шкалы.

После измерения количества газа в растворе определяют во­ доотдачу. Спуская избыток масла с помощью дроссельного кра­ на, совмещают нулевое деление на шкале «Водоотдача» с от­ счетной риской на втулке цилиндра, открывают клапан и через 30 мин берут отсчет.

Вакуумный способ измерения применяется в стационарных лабораториях. Преимущества его — более благоприятные усло­ вия измерения и возможность исследования стабильных аэри­ рованных жидкостей. Схема вакуумной установки показана на рис. 26. Установка состоит из вакуумного насоса 9, вакуумного манометра 8, колбы 1, соединенной с вакуумным насосом шлан­ гом 3 со стеклянным краном 4. Внутрь колбы помещается гра­ дуированная пробирка 2 для сбора фильтрата, в верхней части колбы с помощью резиновой пробки 5 с отверстием установлена воронка Бюхнера 7.

происходит при более высоких давлениях, чаще в динамических условиях. Приборы для опре­ деления водоотдачи в динамических условиях сложны и исполь­ зуются пока только в хорошо оснащенных лабораториях для научных исследований. Схема такого прибора (ПВД-8) пока­ зана на рис. 27.

Прибор работает следующим образом. Раствор из нагнета­ тельной линии через кран 1, фильтр 3 и открытую задвижку 2

ра 5 равна площади фильтра стандартного прибора ЁМ-6. От­ фильтрованная жидкость, преодолевая сопротивление пружины редукционного клапана 6, стекает в измерительный цилиндр 7. Циркулирующая жидкость через распределительную муфту 8 удаляется из системы. Давление контролируется манометром 5.

Прибор позволяет измерять водоотдачу при перепаде давле­ ния до 15 МПа и скорости циркуляции промывочной жидкости, равной скорости подъема раствора в кольцевом пространстве скважины.

§ 5. СТАБИЛЬНОСТЬ И СУТОЧНЫЙ ОТСТОЙ

Эти параметры используются в качестве технологических показателей устойчивости промывочной жидкости как дисперс­ ной системы.

Показатель стабильности С измеряется с помощью прибора ЦС-2, представляющего собой металлический цилиндр объемом 800 см3 со сливным отверстием в середине. При измерении от­ верстие перекрывают резиновой пробкой, цилиндр заливают ис­ пытываемым раствором, закрывают стеклом и оставляют в по­ кое на 24 ч. По истечении этого срока отверстие открывают и верхнюю половину раствора сливают в отдельную емкость. Ареометром определяют плотность верхней и нижней частей раствора. За меру стабильности принимают разность плотно­ стей раствора в нижней и верхней частях цилиндра. Чем мень­ ше значение С, тем стабильность раствора выше.

Суточный отстой измеряют с помощью стеклянного мерного цилиндра объемом 100 см3, обозначают буквой О. Испытывае­ мую жидкость осторожно наливают в мерный цилиндр до от­ метки 100 см3, закрывают стеклом и оставляют в покое на 24 ч, после чего визуально определяют величину слоя прозрачной во­ ды, выделившейся в верхней части цилиндра. Отстой выража­ ют в процентах выделившейся жидкости от объема пробы. Чем меньше суточный отстой, тем устойчивее, стабильнее промывоч­ ная жидкость.

Эти параметры следует измерять при температурах, соответ­ ствующих температуре раствора в скважине. Стабильным счи­ тается раствор, у которого С ^ 0 ,0 2 —0,03 г/см3, О ^ З —4%.

§ 6. СОДЕРЖАНИЕ ПЕСКА

Под песком понимается количество (объем) всех крупных частиц, имеющихся в промывочной жидкости. СюДа относятся собственно песок, грубодисперсные частицы выбуренной породы и исходной твердой фазы промывочной жидкости. Содержание песка обозначается обычно буквой 77, измеряется в %.

Таким образом, содержание песка характеризует устойчи­ вую загрязненность промывочной жидкости твердыми включе­ ниями. Чрезмерное содержание песка приводит к абразивному износу гидравлического оборудования и бурового снаряда, уменьшению механической скорости бурения. Д ля промывоч­ ных жидкостей нормальным считается содержание песка до 4% . Определение содержания песка основано на явлении седимен­ тации грубодисперсных частиц в разбавленной промывочной жидкости.

Основной прибор для определения содержания песка— ме­ таллический отстойник ОМ-2 (рис. 28), представляющий собой цилиндр 2 со стеклянной измерительной пробиркой 4 в нижней части. На боковой поверхности пробирки нанесены деления 8 через 0,1 см3. Пробирка крепится к нижней части цилиндра 2 с помощью винта 7, перекладины 6 и прокладок 3 и 5. Сверху отстойник закрывается крышкой 1 объемом 50 см3, которая ис­ пользуется как мерный сосуд. В верхней части цилиндра име­

сколько раз отстойник, перемешивая воду с испытываемой жид­ костью. После этого отстойник устанавливают в вертикальное положение и оставляют в покое на 1 мин. За это время из рас­ твора оседают частицы размером более 0,02 мм. По делениям на пробирке определяют объем осевших частиц в см3 и полу­ ченный результат умножают на два. Это будет содержание песка в %.

Для определения содержания коллоидных фракций твердой фазы пользуются ультрацентрифугированием.

§ 7. КОНЦЕНТРАЦИЯ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ pH

Наличие в промывочной жидкости водородных ионов связа­

роксидной группы ОН. Концентрацию диссоциированных моле­ кул Н20 в воде и разбавленных водных растворах можно считать величиной постоянной. Произведе­ ние концентраций водородных и гидроксидных ионов, так называе­ мое ионное произведение воды, так­ же постоянно. Численное значение его при 22 °С равно 1 • 10-14.

Если в водных растворах кон­ центрация водорода и гидроксидной

твора можно выражать либо через концентрацию ионов Н+, либо через концентрацию ионов ОН- . На прак­

отрицательных чисел, концентрацию водородных ионов принято выражать ее логарифмом с обратным знаком и называть водо­ родным показателем р Н = —lg[H +].

В нейтральных растворах p H = 7 , в кислых р Н < 7 и умень­ шается с ростом кислотности. В щелочных растворах p H > 7 и повышается с увеличением щелочности. Концентрация водород­ ных ионов pH — важный показатель, определяющий характер физико-химических процессов в промывочной жидкости и необ­ ходимость обработки ее реагентами. В каждой дисперсной си­ стеме при определенных значениях концентрации водородных ионов наступает максимум и минимум стабильности.

Д ля различных промывочных жидкостей существует своя оптимальная концентрация водородных ионов, при которой они наиболее полно удовлетворяют требованиям технологии буре­ ния в конкретных геолого-технических условиях. Контроль за величиной pH позволяет определить причины изменения свойств промывочной жидкости в процессе бурения и принять меры по восстановлению ее качества. Концентрацию водородных ионов промывочных жидкостей измеряют колориметрическим и элект­ рометрическим способами.

Колориметрический способ основан на применении индика­ торов. При этом способе используют наборы индикаторов и бу­ ферных растворов различных реактивов с определенными зна­ чениями pH. Фильтрат, полученный при измерении водоотдачи, наливают в пробирку, добавляют в нее раствор индикатора и сравнивают цвет жидкости в этой пробирке с цветом эталон­ ных буферных растворов с индикаторами или с эталонной цвет­ ной шкалой, на которой указаны значения pH, соответствующие той или иной окраске.

Более удобен колориметрический способ измерения pH с использованием набора индикаторной бумаги и эталонных цвет­ ных шкал. При измерении полоску индикаторной' бумаги осто­ рожно укладывают на поверхность промывочной жидкости. Когда полоска пропитывается жидкостью и цвет ее перестанет изменяться, прикладывают ее к эталонной шкале и по шкале определяют величину pH, соответствующую данной интенсив­ ности окраски. Если подобрать подходящий цвет по шкале не удается, это значит, что сорт бумаги был выбран неправильно, опыт нужно повторить, взяв соответствующую бумагу. Колори­

pH-метрах, например pH-262. Здесь для измерения величины pH используется система со стеклянным электродом, электро­ движущая сила которой зависит от активности ионов водорода в растворе.

Схема прибора для измерения pH приведена на рис. 29. Стеклянный электрод 2 представляет собой трубку с полым ша-

требляемый ток электродной системы при измерении. Электро­ движущая сила Е электродной системы сравнивается с падени­ ем напряжения на сопротивлении, через которое протекает ток конечного каскада усилителя pH-метра. Этот ток пропорциона­ лен эдс электродной системы, а следовательно, и величине pH контролируемого раствора.

Прибор позволяет выполнить измерения pH с точностью до 0,01 единицы.

§ 8. ПРОЧИЕ СВОЙСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Поверхностное натяжение промывочной жидкости необходи­ мо определять при использовании поверхностно-активных ве­ ществ для понижения твердости горных пород в процессе буре­ ния, а также в качестве компонентов промывочной жидкости, например эмульсионных растворов. Наиболее простой метод определения поверхностного натяжения — сталагмометрический (метод отрывающейся капли).

Сталагмометр представляет собой стеклянную трубку на штативе с капиллярным отверстием в нижней части, торец ко­ торой отшлифован перпендикулярно к ее оси. При медленном истечении жидкости из сталагмометра на его конце образуется капля. Непрерывно поступающая из сталагмометра жидкость увеличивает размер капли до тех пор, пока ее вес не превысит величину силы поверхностного натяжения жидкости, тогда кап­ ля отрывается. Чем меньше поверхностное натяжение жидко­

син), либо на границе жидкость — воздух. Последний метод не­

дартной жидкости; у и ув— удельные веса исследуемой и стан­ дартной жидкости.

Обычно по результатам предварительных исследований строится график зависимости о от концентрации ПАВ в рас­ творе. Тогда измерение концентрации ПАВ в промывочной жид­ кости сводится к определению количества капель и считыванию концентрации с графика.

Смазочные свойства промывочных жидкостей оцениваются коэффициентом трения.

свойства, которые обеспечат их выполнение. Задаче получения заданных свойств должны быть подчинены все работы по под­ бору рецептур (состава) промывочной жидкости их регулиро­ ванию. При этом необходимо сохранить на приемлемом уровне остальные параметры промывочного агента.

Заданные свойства жидкости получают, подбирая состав и вид компонентов. Наибольшую сложность представляет полу­ чение дисперсных промывочных жидкостей, так как здесь очень важное значение имеет степень дисперсности дисперсной фазы, характер ее взаимодействия с остальными компонентами. И з­ меняя степень дисперсности, можно при одном и том ж е со­ ставе промывочной жидкости в широких пределах варьировать некоторыми и в первую очередь реологическими свойствами промывочного агента.

Приготовление промывочной жидкости путем смешивания дисперсной фазы с дисперсионной средой в подавляющем боль­ шинстве случаев не обеспечивает требуемых свойств. Парамет­ ры такой дисперсной системы должны быть доведены до необ­ ходимых значений, что достигается применением средств регу­ лирования свойств промывочных жидкостей и в первую очередь добавок активно действующих веществ.

Впроцессе бурения промывочная жидкость взаимодействует

сразбуриваемыми породами, пластовыми водами, подвергается воздействию механических нагрузок, температуры, давления* атмосферного воздуха, осадков. В ней происходят внутренние процессы, связанные с ослаблением электрических зарядов на частицах и старением составляющих компонентов. Все это при­ водит к ухудшению свойств промывочной жидкости, она теряет способность выполнять необходимые функции. Поэтому в про­ цессе бурения требуется восстанавливать и поддерживать ее необходимые свойства.

Нередко чередование пород в геологическом разрезе вызы­ вает необходимость в изменении некоторых функций промывоч­ ной жидкости. Поэтому, если можно не заменять раствор, его свойства регулируют в процессе бурения на подходе к соответ­ ствующему интервалу.

Таким образом, необходимость в регулировании свойств про­ мывочной жидкости возникает в следующих случаях: 1) при

тов); физическими методами (разбавление, концентрирование* диспергация, утяжеление, введение наполнителей); физико-хи­ мическими методами (комбинация перечисленных методов).

Сущность химической обработки заключается в целенаправ­ ленном воздействии на свойства промывочных жидкостей путем введения новых компонентов, получивших название реагентов. Механизм процессов, происходящих в буровых растворах при химической обработке, хорошо описан Э. Г. Кистером.

Структурно-механические и фильтрационные свойства про­ мывочных жидкостей, как уже отмечалось, связаны с характе­ ром проявления коагуляционных процессов в дисперсной систе­ ме. Изменение этих свойств обусловлено при прочих равных условиях степенью и направлением воздействия на коагуляцию. Пептизация и разбавление дисперсных систем направлены на уменьшение коагуляции; стабилизация и коллоидная защита — на предотвращение; ингибирование — на замедление, регулиро­ вание; добавки солей и увеличение концентрации твердой фа­ зы — на усиление коагуляции.

При добавлении реагентов смещается равновесие в сторону усиления или ослабления связей между частицами твердой фа­ зы, изменяются гидрофильность, дисперсность. Флокулируя ча­ стицы определенных размеров, можно регулировать содержание твердой фазы в промывочной жидкости и размеры частиц. В ре­ зультате устанавливаются промежуточные равновесные состоя­ ния, которые и определяют свойства буровых растворов. Таким образом, все протекающие в растворе изменения — это различ­ ные формы единого коагуляционного процесса, управляемого общими закономерностями системы «дисперсная фаза — диспер­ сионная среда», его физико-химическим механизмом.

Физико-химическое взаимодействие раствора с пластовыми водами и частицами горных пород в процессе бурения, влияние температуры, атмосферных условий могут смещать равновесие системы в ту или иную сторону. Это приводит к изменению тех­ нологических параметров и может вызвать необходимость в по­ вторном воздействии на систему реагентов. В зависимости от характера смещения подбирают вид реагента, его состав, кон­ центрацию, порядок введения. Реагентами регулируется уро­ вень лиофильности системы. При этом действуют факторы, влия­ ющие на дисперсность, — набухание, пептизация или, наоборот, структурообразование и агрегирование.

Общий физико-химический механизм процессов, происходя­ щих в дисперсной системе, обусловливает тесную взаимосвязь различных, часто противоречивых воздействий на буровой рас­ твор. Такая связь, например, существует между противополож­ но направленными процессами пептизации и коагуляции. Пеп­ ти зац и я— процесс физико-химического диспергирования под влиянием среды — разрушает коагуляционные связи, но в то же время увеличивает число кинетически активных частиц и мцжет стать предпосылкой, подготавливающей коагуляцию. В свою очередь данный уровень дисперсности можно сохранить как

торможением пептизадии (ингибированием), так и предотвраще­ нием коагуляционного агрегирования (стабилизацией), а также сочетанием обоих методов. Различные факторы направляют процессы коагуляции в ту или иную сторону, но разграничить их по времени и в пространстве невозможно: они протекают одновременно и во всем объеме системы. Поэтому можно гово­ рить лишь о преимущественном направлении.

Практически химическая обработка буровых растворов сво­ дится к регулированию этих процессов, обеспечению должного баланса между ними. Обычно коагуляция и пептизация приво­ дят к резко различным консистенциям. Однако общность меха­ низма, управляющего этими процессами, часто может обусло­ вить одни и те ж е результаты. Так, причиной загустевания мо­ жет быть и коагуляция, и увеличение числа частиц в результа­ те пептизации. Соответственно разжижение может носить коа­ гуляционный характер или быть следствием пептизационного разрушения структур с последующей стабилизацией (стабили­ зационное разжижение).

Коллоидная защита в зависимости от условий также может приводить к загустеванию (в пресных средах) или разжижению (при засолении). Таким образом, изменения консистенции бу­ ровых растворов еще ничего не говорят о процессах, их обус­ ловивших. Д ля этого необходим более глубокий анализ, учиты­ вающий влияние различных взаимодействующих факторов.

На коагуляционные процессы активно влияет температура. Нагревание ослабляет защитное действие реагентов, но усили­ вает агрессию присутствующих электролитов, пептизацию твер­ дой фазы и общую кинетическую активность компонентов. В зависимости от содержания дисперсной фазы и ее природы, уровня минерализации, стабилизации и термообработки коагу­ ляционные процессы могут развиваться в направлении как за ­ густевания, так и разжижения. На различных стадиях нагрева­ ния и охлаждения результирующая этих процессов может из­ меняться по величине и знаку. Буровые растворы, резко увели­ чивающие показатель фильтрации и разжижающиеся от нагре­ вания, при охлаждении загустевают до нетекучести, но могут восстанавливать показатель фильтрации до исходной величины. В других случаях нагревание вызывает интенсивное загустевание растворов и рост показателя фильтрации при повышении температуры и при охлаждении.

Наиболее сложные взаимодействия происходят при химиче­ ской обработке промывочных жидкостей, содержащих глинис­ тую твердую фазу. Основные формы взаимодействия глин со средой, по Э. Г. Кистеру, сводятся к обменным реакциям (ион­ ный обмен), необменным или частично обменным реакциям замещения и реакциям присоединения. В реальных условиях эти реакции часто проходят одновременно, взаимно накладываясь. Все они происходят на поверхности глины под действием сил, обусловленных следующими причинами:

изоморфными замещениями в кристаллической решетке; наличием ненасыщенных, оборванных связей по краям и уг­

лам частиц, возникающих при диспергировании или поверхност­ ном растворении;

неоднородностью связей структуры глинистой частицы; замещениями и связями при наличии на поверхности актив­

ных гидроксильных групп.

Эти причины вызывают образование вокруг частиц поля сил значительной протяженности. Неоднородность его как вдоль по­ верхности, так и по мере удаления от нее обусловливает раз­ личную интенсивность связей. Ионообменные процессы характе­ ризуются сравнительно подвижными связями. Более прочные ковалентные, поляризованные координационные и водородные связи образуются непосредственно у поверхности и являются причиной необменных присоединений и замещений.

Обменные реакции замещения ограничены величиной обмен­ ной емкости. Наиболее важны катионные замещения, ведущие к существенному изменению глин и глинистых растворов. Дейст­ вие каждого катиона индивидуально и зависит от его размеров, активности, гидратации. В ряду обменных реакций глин боль­

ской обработке. Анионный обмен в глинах изучен слабо. Наряду с обменными процессами на поверхности глины про­

исходят и необратимые реакции. К ним относятся необратимые замещения неорганических и органических катионов и целых групп, фиксация фосфатов и др. Так у ионов Cu2+, К+, NH42+, M g2+ и других наблюдаются необратимые замещения с обра­ зованием поверхностных химических соединений. Большое зна­ чение имеют прочные, практически необменные замещения в глинах на органические катионы или соединения, обладающие свойствами оснований. По мере насыщения поверхности орга­ ническими катионами, блокирующими активные участки, пада­ ют гидрофильность глины и ее обменная способность. Подоб­ ный же эффект оказывают образующиеся на поверхности глины сернистые соединения.

Глины способны к реакциям присоединения органических радикалов и целых молекул с образованием поверхностных глиноорганических комплексов. Все они могут характеризовать­ ся как неорганические полимеры с «привитыми» органическими группами или полимерными цепями. Такого рода соединения возникают в результате химической обработки глинистых рас­ творов полимерами.

Стабилизация и коллоидная защита — основной метод сдер­ живания или регулирования коагуляции буровых растворов. Физический смысл стабилизации сводится к созданию таких условий, при которых не могут быть реализованы близкодейст­ вующие силы межчастичного притяжения. В ряду этих условий

решающее значение имеет механическая прочность высокост­ руктурированных стабилизационных слоев, которые являются барьером, предотвращающим сближение частиц. В условиях обычных температур эти слои образуются при взаимодействии реагента с обменными катионами и отчасти с поверхностными атомами кристаллической решетки. При повышении темпера­ туры эти слои разрушаются как из-за термической неустойчиво­ сти реагентов, так и вследствие недостаточно прочной связи обменных катионов с поверхностью (в этом случае необходимы термостойкие реагенты, прочно связанные с атомами на поверх­ ности глины, в том числе и хемосорбционно).

Практически важен и кинетический фактор — уменьшение концентрации твердой фазы. Но основным путем стабилизации буровых растворов все же остается повышение лиофильности путем введения реагентов, образующих на межфазных границах прочные молекулярные слои.

В зависимости от условий стабилизация приобретает различ­ ные формы. При отсутствии агрессии, когда надо защитить бу­ ровой раствор от концентрационного загустевания, наибольшее значение имеет обработка реагентами — понизителями вязкости. Стабилизация ими является процессом понижения прочности коагуляционных структур. В основе их действия лежит блокиро­ вание активных участков поверхности частиц твердой фазы с образованием мощных гелеобразных прослоев, нарушающих сплошность структуры. Этим облегчается передвижение отдель­ ных звеньев структуры при течении, снижаются вязкость рас­ творов, статическое напряжение сдвига и тиксотропия.

Действие реагентов-стабилизаторов сводится не только к предотвращению или сдерживанию коагуляционного структурообразования и разжижению растворов, но и к улучшению дру­ гих параметров, например показателя фильтрации вследствие образования более гидрофильных и малопроницаемых корок. Разжижающее действие реагентов, как правило, интенсивнее, чем гидрофилизация глинистой фазы, в связи с чем при чрез­ мерных обработках возникает опасность седиментационной не­ устойчивости. Оптимальны такие обработки, которые лишь ограничивают структурообразование, но не ликвидируют его.

Наряду со стабилизацией обычно применяемые реагенты — понизители вязкости оказывают и пептизирующее действие, расщепляя не только вторичные коагуляционные образования, но и основные элементы структуры. Увеличение числа кинетиче­ ски активных частиц усиливает загустевание и противодейству­ ет разжижению. Конечная консистенция является результирую­ щей этих процессов.

При агрессивных воздействиях на буровой раствор (элект­ ролитов, температуры) возрастает его коагуляционная уязви­ мость, тем более что при этом перерождаются адсорбционные слои обычно применяемых реагентов. В агрессивных средах за ­ щитные функции выполняют лишь водорастворимые полиэлект-

5» 6Т

ролиты, состоящие из гибких макромолекул линейного строения и большой протяженности. Здесь имеет большое значение кон­ формация макромолекул.

Конформация макромолекул водорастворимых полимеров и их отношение к твердой фазе определяют механизм защитного действия, по-разному реализующийся в пресных и соленых во­ дах. В пресных водах, как правило, основной фактор стабили­ зации— образование смешанных полимерглинистых структур. В результате резко снижаются частота и эффективность соуда­ рения частиц твердой фазы, вызывающих коагуляционное агре­ гирование. Сопряженные высокогидрофильные структуры, вхо­ дя в состав фильтрационных корок, снижают их проницаемость и показатель фильтрации.

При введении небольших количеств соли резко снижается объем связанной воды и начинается адсорбция полимера. Свер­ тывание макромолекул в соленых средах и осаждение их на частицах твердой фазы сопровождаются разрушением сопря­ женных структур и стабилизационным разжижением, изменени­ ем структуры фильтрационных корок и увеличением показате­ ля фильтрации. При повышенных температурах также происхо­ дит свертывание (глобулизация) макромолекул, сопровождае­ мое ростом показателя фильтрации.

Рассмотренный механизм взаимодействия глины с дисперси­ онной средой и ее компонентами наблюдается и при наличии иной твердой фазы, но его активность будет несоизмеримо сла­ бее.

В практике бурения результаты химической обработки оце­ ниваются внешними признаками—-изменением технологических свойств промывочной жидкости. Однако далеко не всегда изме­ ряемые свойства дают возможность предсказать, будет ли про­ мывочная жидкость выполнять функции, ради которых проводи­ лась химическая обработка. Сюда в первую очередь относятся крепящие свойства растворов. Оценить наличие ингибирующих свойств промывочной жидкости, устойчивость ее как дисперсной системы можно только с течением времени, часто по косвен­ ным признакам.

Очень важно, на каком этапе проявления нежелательных признаков в промывочной жидкости (или в породах, слагающих стенки скважины) проведена ее химическая обработка. При не­ обратимом развитии нежелательных процессов косвенные при­ знаки перестают служить показателями наличия в промывочной жидкости нужных свойств. Так как мы не располагаем опера­ тивными количественными методами контроля процессов, про­ исходящих в промывочной жидкости, выбор реагента и его кон­ центрации, оценка своевременности химической обработки ба­ зируются во многом на опыте, интуиции.

Зная, как действует реагент, какие свойства он придает про­ мывочной жидкости, каков характер изменения свойств в за­ висимости от концентрации реагента, можно предположить,

что химическая обработка даст определенный эффект. При этом необходимо учитывать факторы, определяющие особенно­ сти действия реагента в конкретных геологических условиях. Так как далеко не все факторы могут быть учтены и оценены при выборе того или иного реагента, при сохранении общего ха­ рактера действия он может недостаточно эффективно изменять требуемое свойство. В таких случаях приходится изменять кон­ центрацию реагента или добавлять другие вещества.

Введение реагентов узкоцелевого назначения может приве­ сти к нежелательному изменению других параметров. Д ля их регулирования и восстановления приходится добавлять соот­ ветствующие вещества или их комбинации. В результате полу­ чается многокомпонентная система, обладающая оптимальными для данных условий свойствами.

Различают первичную и вторичную обработки промывочных жидкостей. Первичная ставит целью создать промывочную жид­ кость заданного качества. Такая обработка выполняется либо в процессе приготовления жидкости, либо в процессе ее цирку­ ляции в скважине, когда необходимо изменить ее качество в со­ ответствии с ожидаемыми условиями бурения.

Часть реагентов оказывают наибольшее действие, когда их добавляют в воду, на которой приготовляется раствор. Другие не рекомендуется вводить таким образом, так как затягивается приготовление и недостаточно эффективно происходит диспергация твердой фазы. Поэтому порядок первичной химической обработки в процессе приготовления раствора определяется в основном видами реагентов и сложившейся технологией работ.

Первичная химическая обработка в процессе циркуляции раствора осуществляется равномерным введением в желобную систему (приустьевую часть) заранее заготовленного реагента с таким расчетом, чтобы провести обработку за два-три полных оборота промывочной жидкости в скважине.

Вторичная химическая обработка заключается в поддержа­ нии свойств жидкости, полученных при первичной обработке. Изменение ее свойств в процессе бурения, определяемое харак­ тером влияния на нее проходимых пород, степенью минерали­ зации подземных вод и рядом других факторов, может потре­ бовать многократную вторичную обработку. Интервал, через который необходимо проводить дополнительную вторичную об­ работку, обусловлен интенсивностью изменения свойств про­ мывочной жидкости.

Любому виду химической обработки должны предшествовать лабораторные исследования, в результате которых подбирается наиболее эффективный реагент и обосновывается его оптималь­ ная концентрация. Весьма важна своевременность химической обработки. Так, если первичная обработка выполняется с це­ лью предупреждения осложнений, типичных для определенного горизонта, она должна быть завершена до его вскрытия. Не­

своевременная вторичная обработка может оказаться бесполез­ ной, так как изменения свойств раствора могут стать необрати­ мыми.

§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

К физическим способам регулирования свойств промывоч­ ных жидкостей относятся: 1) изменение соотношения между содержанием активной твердой фазы и дисперсионной среды (разбавление, концентрация); 2) диспергация твердой фазы в растворе; 3) увеличение содержания твердой фазы (утяжеле­ ние); 4) насыщение промывочной жидкости воздухом (аэра­ ция); 5) введение инертных наполнителей для придания заку­ поривающих свойств.

Первые два способа используются для регулирования струк­ турно-механических и фильтрационных свойств, третий и чет­ вертый— для регулирования плотности; пятый — для регулиро­ вания закупоривающих свойств.

Нормальная концентрация дисперсной фазы обусловлена требованиями к совокупности свойств, определяемых ее содер­ жанием и дисперсностью. Увеличение концентрации дисперсной фазы вызывает рост структурно-механических свойств и плот­ ности промывочной жидкости, понижение показателя фильтра­ ции. Интенсивность изменения свойств зависит от вида твердой фазы. Так, если дисперсная фаза представлена высококачест­ венной глиной, то 7— 10% ее может считаться нормальным со­ держанием, в случае использования низкокачественных глин для получения тех же структурно-механических свойств может оказаться недостаточным и 30% твердой фазы. Характер из­ менения свойств промывочной жидкости в зависимости от кон­ центрации твердой фазы, например дружковской глины, приве­ ден на рис. 30.

Д ля оценки ожидаемых свойств промывочной жидкости при увеличении содержания дисперсной фазы необходимо экспери­ ментально получить зависимости, подобные приведенным выше, и, исходя из конкретных условий, выбирать ту или иную кон­ центрацию.

Увеличивать концентрацию дисперсной фазы в процессе бу­ рения можно путем приготовления более концентрированного раствора и последующего перемешивания в циркуляционной си­ стеме скважины с используемой промывочной жидкостью. Есте­ ственное увеличение концентрации дисперсной фазы происходит за счет поступления в промывочную жидкость наиболее мелких частиц разбуриваемых горных пород в качестве активного ком­ понента. Степень влияния этого фактора на структурно-меха­ нические и фильтрационные свойства промывочной жидкости обусловлена дисперсностью частиц, минеральным составом и степенью метаморфизма пород.

При одной и той же плотности растворов, приготовленных сме­ шиванием компонентов и полученных разбавлением более плот­ ного, структурно-механические свойства последнего будут ниже.

Лишь в процессе длительного перемешивания разбавленной промывочной жидкости ее структурно-механические параметры возрастут, но равными параметрами неразбавленного раствора той же плотности не будут долго. Это объясняется тем, что наи­ более активно вода связывается в процессе диспергации твердой фазы. Последующие добавки ее не приводят к быстрому суще­ ственному перераспределению объемов связанной и свободной воды. Поэтому пользоваться разбавлением водой нужно осто­ рожно, проведя предварительно соответствующие опыты в лабо­ раторных условиях и выполнив необходимые измерения.

При регулировании структурно-механических свойств про­ мывочной жидкости разбавлением в процессе бурения вследст­ вие резкого разжижения дисперсной системы будет интенсивно выпадать шлам в циркуляционной системе скважины. В широ­ ких пределах структурно-механические свойства, устойчивость дисперсных систем и в первую очередь глинистых растворов регулируются повышением степени дисперсности компонентов. При этом у промывочных жидкостей с твердой фазой снижается показатель фильтрации. С этой целью промывочную жидкость дополнительно обрабатывают в специальных устройствах — дис­ пергаторах.

При приготовлении промывочной жидкости происходит пер­ вичное измельчение дисперсной фазы. Дисперсность дисперги­ руемой фазы будет зависеть от ее вида и качества, исходных размеров частиц, способа и длительности измельчения и других факторов. Однако полной диспергации в процессе приготовле­ ния не происходит. Наиболее сложные процессы идут при до­ полнительном диспергировании твердой фазы. Их физико-меха-

Ническая сущность сводится к следующему. Значительная масса частиц твердой фазы в исходной дисперсной системе представ­ ляет собой агрегаты мелкодисперсных частиц размером до 100 мкм. Под воздействием нагрузок эти агрегаты разрушают­ ся, открывая доступ к сухим поверхностям. Вследствие адсорб­ ционного понижения твердости и расклинивающего давления происходит расщепление материала с образованием более мел­ ких частиц.

Разрушение агрегатов частиц приводит к освобождению ак­ тивных минералов, блокированных в более инертных массах, образованию ненасыщенных оборванных связей в местах изло­ мов частиц, к некомпенсированное™ их зарядов. Наличие в жидкой фазе поверхностно-активных веществ способствует пептизации. Последняя резко усиливается при напряженном со­ стоянии частиц твердой фазы, особенно если оно ведет к появ­ лению или раскрытию дефектов структур. Имеет значение и пе­ риодичность силовых воздействий.

Затраты энергии на измельчение зависят от конечной дис­ персности измельчаемого материала. Совокупное влияние фак­ торов, сопутствующих реальному процессу измельчения, на­ столько сложное, что нельзя определить оптимальную энергоем­ кость процесса дополнительного диспергирования только на ос­ нове физических свойств измельчаемого материала.

Как показывают данные многочисленных исследований, для каждого реального диспергирующего устройства существует оп­ ределенная длительность процесса, увеличение которой уже не приводит к дальнейшему диспергированию твердых частиц и изменению свойств дисперсной системы. Механические воздей­ ствия для этого слишком кратковременны, прилагаются лишь к сравнительно небольшой части твердой фазы и существенно обесцениваются защитным действием водной среды и гидратных слоев на частицах. На увеличение дисперсности частиц начина­ ет влиять и увеличение энергоемкости разрушения с уменьше­ нием размеров твердой фазы.

Таким образом, требования, обусловливающие максимальный эффект воздействия на дисперсную систему с твердой фазой при диспергировании, сводятся к следующему:

оптимальная частота воздействия на минерал, в результате чего раскрываются дефекты структуры и появляются новые трещины;

рациональная удельная интенсивность воздействия на твер­ дую фазу промывочной жидкости;

одновременное воздействие механического и пептизационного факторов;

оптимальное время контакта частиц с активной зоной разру­ шения (оптимальное время диспергирования).

Дополнительной диспергацией твердой фазы можно прн од­ ном и том ж е ее содержании в 2—3 раза увеличить структурную вязкость, в 6—9 р а з —-динамическое напряжение сдвига, в 1„5

раза уменьшить водоотдачу, кроме того уменьшается содержа­

Чем ниже качество глины, тем значительнее эффект дисперги­ рования.

Для повышения плотности промывочной жидкости в первую очередь стремятся увеличить содержание исходной твердой фа­ зы. Однако это сопровождается нежелательным увеличением структурно-механических свойств жидкости. Чем выше качест­ во твердой фазы, тем интенсивнее растут реологические харак­ теристики промывочной жидкости и при определенном содер­ жании твердой фазы возрастают до недопустимых значений. Так, увеличением содержания высококачественной глины мож­ но получить плотность около 1,2 г/см3, при использовании низ­ кокачественных глин — до 1,35 г/см3.

Промывочные жидкости утяжеляют специальными высокодиспергированными инертными материалами высокой плотно­ сти— утяжелителями. Это не просто наполнители, они сущест­ венно влияют на структурно-механические свойства промывоч­ ных жидкостей. Во-первых, для удержания частиц наполнителя жидкость должна иметь определенные структурно-механические свойства и в первую очередь статическое напряжение сдвига. Во-вторых, введение утяжелителя существенно увеличивает рео­ логические свойства, но в то же время ограничивает возможно­ сти их регулирования. Д аж е небольшое разжижение дисперсной системы может вызвать выпадение утяжелителя в осадок и при­ хват бурильного инструмента в скважине.

Утяжелители позволяют регулировать плотность промывоч­ ных жидкостей в широких пределах (до 2,2 г/см3 и даже более). Поэтому основной метод повышения плотности — введение утя­ желителей.

Плотность промывочной жидкости понижают двумя метода­ ми: 1) уменьшением содержания твердой фазы; 2) насыщением жидкости воздухом (аэрацией). Возможности первого метода ограничены наличием и концентрацией твердой фазы, а также необходимостью иметь определенные структурно-механические свойства дисперсной системы. Пределы изменения плотности здесь несущественны (0,05— 0,2 г/см3) в зависимости от каче­ ства твердой фазы.

Аэрация позволяет уменьшить плотность любых промывоч­ ных жидкостей в широких пределах (практически до величин, близких к плотности воздуха). При этом возрастают реологиче­ ские свойства промывочного агента, так как воздушные пузырь­ ки играют роль наполнителя — твердой фазы. Изменение вяз­ кости аэрированной жидкости с концентрацией воздуха от 0 до 54% можно оценить по следующей формуле:

l-la = h i(1+ 3»6Q> (IV-1)

Рис. 32. Зависимость плотности а и гидростатческого давления б аэрированной воды от глубины скважины:

йк —содержание воздуха в воде ка поверхности земли

Аэрация жидкости применяется чаще всего при бурении в условиях поглощения, когда требуется уравновесить пластовое давление в поглощающей зоне с давлением в скважине. Кон­ кретные условия определяют величину плотности аэрированной жидкости, которая может быть аналитически рассчитана как ис­ ходная на поверхности только в статике. В процессе бурения к гидростатическому давлению добавляется давление, обуслов­ ленное гидравлическими сопротивлениями при циркуляции про­ мывочной жидкости. Поэтому ее плотность должна быть мень­ ше расчетной. В определенных условиях повышение реологиче­ ских свойств при наличии воздушной фазы может свести эф­ фект аэрации к нулю. Для воды эта связь менее существенна, чем для дисперсных систем с твердой фазой.

Пределы регулирования плотности жидкости аэрацией оп­ ределяются геолого-техническими условиями бурения, видом исходной жидкости, способом аэрации.

Д ля придания промывочной жидкости способности закупо­ ривать поры и трещины в нее вводят инертные наполнители. Эффективность закупоривания определяется размером частиц и их формой, фракционным составом наполнителя, его концентра­ цией и видом исходного материала.

Наиболее важное значение имеет правильная сортировка частиц по размерам и выбор оптимального фракционного со­ става. Считается, что для надежного закупоривания каналов ухода максимальные размеры частиц наполнителя должны быть в 2 раза меньше величины раскрытия трещин. Вследствие разнообразия форм частиц наполнителя такие рекомендации носят слишком общий характер. Поэтому для оценки закупори­

вающей способности различных материалов в каналах различ­ ной формы и раскрытия широко используются эксперименталь­ ные методы. Раздельно оценивается закупоривающая способ­ ность в порах, трещинах с параллельными гранями и клиновид­

здают основу тампона в трещине, а мелкие уменьшают его про­ ницаемость, повышают устойчивость. Соотношение размеров можно получить только экспериментальным путем. Закупори­ вающая способность наполнителя изменяется лишь при малых концентрациях материала. С ростом концентрации ее влияние становится менее существенным и, наконец, перестает сказы­ ваться.

Ряд наполнителей, несмотря на то что в литературе они на­ зываются инертными, таковыми не являются. В первую оче­ редь это относится к закупоривающим материалам раститель­ ного происхождения. Непосредственно на реологические свой­ ства раствора они влияют несущественно. Однако, впитывая во­ ду, они уменьшают объем жидкой фазы раствора. Относитель­ ный объем твердой фазы увеличивается, что может привести к резкому росту вязкости и статического напряжения сдвига.

В последние годы начали интенсивно развиваться новые ме­ тоды физического воздействия на дисперсные промывочные жидкости с целью регулирования их свойств. Это — так назы­ ваемая активация промывочных жидкостей, с помощью которой регулируются главным образом реологические и фильтрацион­ ные параметры дисперсйых систем.

Наиболее перспективны: вибровоздействие, обработка элект­ рическим током, обработка магнитным полем. Вибровоздействие представляет собой обработку вибрационным полем в форме гидроударных импульсов определенной частоты. Эффект воз­ действия здесь реализуется за счет дополнительного дисперги­ рования твердой фазы. При обработке электрическим током за счет наложения на промывочную жидкость знакопеременных воздействий происходят электрофорез, электроосмос и другие явления, существенно влияющие на процессы коагуляции, дйспергации, физические свойства воды.

Обработка магнитным полем в основном связана с воздей­ ствием на воду как дисперсионную среду. Механизм влияния магнитного поля на вещества, содержащие воду, до конца не изучен. Считается, что он связан со структурными изменениями в веществе, возникающими в результате ориентирующего или поляризующего действия магнитного поля. Диапазон изменения свойств промывочных жидкостей при их обработке указанными методами пока ограничен.

Физико-химические методы регулирования свойств промы­ вочных жидкостей применяются чаще в комбинации с химиче­ ской обработкой. Так, разбавление дисперсной системы может потребовать ее стабилизации добавкой соответствующих ре­ агентов. Для повышения эффективности и снижения энергоем­ кости процесса диспергации в дисперсную систему могут вво­ диться поверхностно-активные вещества. Введение утяжелите­ лей возможно при наличии определенных исходных свойств рас­ твора. Нередко эти свойства получаются химической обработ­ кой. Последняя может потребоваться и после утяжеления.

Аэрация промывочных жидкостей проводится преимущест­ венно с добавками поверхностно-активных веществ, что способ­ ствует лучшей диспергации воздуха, стабилизирует дисперсную систему. Комбинированные методы регулирования свойств про­ мывочных жидкостей более эффективны, расширяют пределы изменения регулируемого параметра, сохраняя прочие свойства промывочной жидкости и повышая при этом стабильность дис­ персной системы в целом. Это не значит, что следует всегда стремиться к комбинированной обработке промывочных жидко­ стей. Если есть возможность обойтись одним видом регулиро­ вания свойств, ее нужно использовать.

Глава V

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ

§1. ГЛИНЫ

Природа глин, их структура и химический состав

Глины — главная, наиболее активная часть глинистых рас­ творов, поэтому свойства последних во многом определяются свойствами исходных глин.

Глины — широко распространенные осадочные горные поро­ ды, представляющие собой смесь различных минералов, глав­ ным образом глинистых. Наиболее важными свойствами глин являются набухаемость, пластичность, гидрофильность, ионный обмен и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички.

Глины образуются в процессах химического выветривания за счет разложения магматических и других пород. Глинистые минералы отличаются тонкодксперснестью. Существует ряд глинистых минералов, которые классифицируются либо по хи­ мическому составу, либо по особенности кристаллического строения. К основным породообразующим минералам глинистых

Рис. 34. Схематическое изображение кремнекислородного тетраэдра и сетки кремнекислородных тетраэдров, расположенных по гексагональному закону:

/ —аюмы кислорода; 2—атомы кремния

четырех атомов кислорода или гидроксилов на одинаковое рас­ стояние.

Например, решетка кристаллов монтмориллонита и гидро­ слю д— трехслойна, а решетка каолинита состоит из двух сло­ ев. Трехслойные решетки монтмориллонита связываются в пач­ ки прослоем воды, количество которой может увеличиваться и уменьшаться, в связи с чем толщина трехслойной пачки с про­ слоем воды не остается постоянной. Таким образом, решетка монтмориллонита обладает подвижностью и способностью рас­ тягиваться и сжиматься. У гидрослюд часть атомов кремния замещена атомами алюминия, а освобождающаяся валентность используется на присоединение атомов калия, что укрепляет связь с соседними пачками и делает кристаллы более прочными.

Отсутствие одного из двух слоев Si—О у каолина лишает слоистую пачку симметричности и делает ее связь с соседней пачкой сравнительно прочной. В связи с этим диспергация као­ линовых глин происходит хуже, чем монтмориллонитовых.

Кристаллы палыгорскита состоят из двойных цепочек (лент) кремнекислородных тетраэдров. Обе ленты соединяются между собой катионами: магнием, алюминием или железом. Палыгорскит имеет жесткую структурную решетку и поэтому может ад­ сорбировать воду, не увеличиваясь в объеме.

Емкость обмена и электрический заряд

Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими

валентности адсорбируют из водных растворов катионы. Меж­ ду глиной и раствором происходит обмен катионов. При этом скорость обмена почти мгновенна.

Каждая глина обладает определенным количеством обмен­ ных ионов, т. е. вполне определенной обменной емкостью (или емкостью обмена). Обменная емкость выражается количеством

слюд— 0,1—0,4, палыгорскита 0,2—0,3, каолинита 0,03—0,15.

В глинистых минералах обменными катионами являются: Са2+, M g2+, К+, Na+, Н+, NH42+. В природных глинах основные

натриевые или кальциевые глины в природе практически не су­ ществуют. Обычно глины смешанные, но влияние одного из ка­ тионов преобладает. По этому преобладающему влиянию глины относят к тому или иному типу. Тип глины во многом опреде­ ляет свойства глинистого раствора при взаимодействии с веще­ ствами, содержащимися в дисперсионной среде. Возможно ис­ кусственное превращение натриевых глин в кальциевые и об­ ратно.

При добавлении в дисперсионную среду глинистого раствора растворимых солей кальция, например хлористого кальция, по­ следний диссоциирует с образованием двух однозарядных анио­ нов хлора и одного двухзарядного катиона кальция. Катионы кальция притягиваются к натриевой глине значительно сильнее, чем однозарядные катионы натрия. Происходит обмен катио­ нами. Глина становится кальциевой, а в растворе образуется хлористый натрий.

Процесс замещения кальция натрием в глине происходит сложнее. Для этого нужно брать соль натрия, с анионом кото­ рой кальций образует нерастворимое соединение. Ионы кальция связываются, и их место занимает натрий. Чаще такой перевод кальциевой глины в натриевую осуществляют с помощью каль­ цинированной соды.

Частицы глины при замачивании в воде приобретают отри­ цательный электрический заряд, который обусловливает элект­ рокинетически е явления, происходящие на поверхности глини­ стых частиц.

Гндрофильность и набухание глин

Все глины в той или иной мере гидрофильны. Характер гидрофильности зависит от их типа и состава и во многом опреде­ ляет качество глинистого раствора.

При замачивании глины водой молекулы воды окружают по­ верхность" кристаллов глинистых минералов, проникают между кристаллами в пачках и раздвигают их. При этом глина набу­ хает. Набухание — предпосылка пептизации глинистых минера­ лов при приготовлении растворов. Оно протекает в два этапа: первый — всасывание воды, второй — развитие набухания. Н а­ бухание оценивается в см3/г, измеряется на порошках глин с размером частиц 0,25 мм и менее.

Всасывание — капиллярный процесс. Д ля глин среднего ка­ чества всасывание длится 20— 30 с, для весьма гидрофильных глин — больше. Процесс набухания зависит от типа глины: у минералов с неподвижной кристаллической решеткой набуха­ ние идет в основном за счет проникновения воды в межкри­

шается, и глина «распускается» в воде.

На набухании глин отрицательно сказываются снижение pH и солевая агрессия. Так, максимум набухания у бентонитовой глины аскангель в пресной воде 17,7 раза, а в соленой в 10 раз меньше. Лишь палыгорскит одинаково хорошо набухает в прес­ ной и соленой воде. Поэтому промывочные жидкости из палыгорскитовых глин солеустойчивы. Изотермы набухания некото­ рых глин в дистиллированной и соленой воде приведены на рис. 35.

Следует иметь в виду, что время протекания процессов вса­ сывания и набухания при приготовлении глинистых растворов различно (влияет перемешивание, размеры комков глины и ее исходная влажность, состав воды и др.), но характер их проте­ кания сохраняется. Это при прочих равных условиях определя­ ет время приготовления раствора из каждого типа глины. Чем выше качество глины, тем дольше идет приготовление глини­ стого раствора.

Процессы, происходящие при набухании глин, во многом объясняют поведение стенок скважины, сложенных глинистыми породами, при контакте с промывочной жидкостью.

Размеры и форма частиц

Размеры частиц природных глин значительно меньше 0,01 мм. Более крупные зерна, которые могут присутствовать в них,— посторонняя примесь. Наибольшее влияние на свойства глини­

стых растворов оказывает коллоидная фракция с размером ча­ стиц менее 1 мкм. Чем меньше размеры частиц, тем больше их качественное влияние на свойства глинистых растворов. В бен­ тонитовых глинах содержание коллоидных фракций значитель­ но больше, чем в каолиновых, и может достигать 40%.

Средний эффективный диаметр частиц бентонита 0,02— 0,1 мкм, каолина 0,1— 1 мкм.

Коллоидальные свойства глинистых растворов определяются не только размерами частиц, но их формой. Чаще всего частицы глины имеют вид плоских или лентовидных чешуйчатых плас­ тинок, реж е— продолговатую (игольчатую) форму. Благодаря такой форме частицы имеют большую суммарную поверхность, на которой развивается свободная поверхностная энергия. Удельная поверхность глинистых минералов колеблется от 800— 900 м2/г у монтмориллонита до 10—20 м2/г — каолинита.

Требования к качеству глины для приготовления растворов

Глины используются либо в комовом виде, либо в порошко­ вом. Размеры комков не должны превышать 150—200 мм. Гли­ нопорошки готовят на специальных заводах механическим или физико-химическим способами. Механический способ заключа­ ется в измельчении исходной глины до заданной тонкости помо­ ла по схеме дробление— сушка — помол. Качество порошков здесь определяется главным образом качеством исходного сырья. Как правило, глинопорошки готовят из высококачествен­ ных бентонитовых глин.

Физико-химические способы получения глинопорошков пока имеют подчиненное значение. Они более трудоемки, но позво­ ляют получать порошки из менее качественных глин. Одна из

нее неактивной части — удаление жидкой фазы.

Для повышения качества глинопорошков их модифицируют путем введения при помоле веществ, улучшающих их свойства: кальцинированной соды, алюминатов, полиакрилатов и др. Тон­ кость помола глинопорошков должна быть такой, чтобы оста­ ток на сите № 0071 был не более 10%. Д ля сохранения качест­ ва глинопорошки расфасовывают на заводе в плотные бумаж­ ные мешки.

Возможны три варианта применения порошкообразных глин.

1.Как коллоидной добавки к промывочному раствору, со­ держащему неглинистую твердую фазу.

2.Как добавки к глинистому раствору, приготовленному из местных низкокачественных глин, для увеличения в нем колло­ идной фракции.

3.Как единственной твердой фазы раствора, если в районе работ нет близко пригодных глин, а доставка их затруднена.

Глины характеризуются выходом раствора Qp — количеством кубических метров раствора заданной условной вязкости, — по­ лучаемого из 1 т массы. Чаще в качестве эталонной условной вязкости глинистого раствора принимают величину 25 с. Тогда

Выход раствора колеблется от 2—3 м3/т из каолиновых ко­ мовых глин до 19 м3/т из высококачественных модифицирован­ ных глинопорошков.

Качество (пригодность) глин для приготовления растворов оценивается несколькими методами. Простейшим является оценка путем приготовления и исследования раствора из пробы глины. Для этого готовят несколько образцов раствора одина­ ковой вязкости и измеряют остальные параметры. Дополни­ тельно оценивается возможность регулирования свойств приго­ товленных растворов. При этом основное внимание уделяется возможности получения главных, определяющих для данных условий параметров раствора.

И. Н. Резниченко предложил оценивать глины по содержа­

сини коллоидных частиц наиболее качественного саригюхского бентонита в дистиллированной воде, см3.

Величина К для бентонитовых глин должна быть более 0,6.

но при соблюдении следующих соотношений между коллоидной составляющей К и общим содержанием твердой фазы С: К ^ 3^0,4; 2 ,3 < С < 5 ,0 .

образом. По соотношению быстрых эластических ео', медленных эластических ег' и пластических е / / (при /=1000 с) деформа­ ций все глины делятся на шесть типов: нулевой —