§ 3. Промывочные жидкости на водной основе

Вода. Во многих районах наиболее доступной и дешевой природ­ной жидкостью является пресная или минерализованная вода. Поэтому именно вода была использована для промывки скважин еще на первом этапе развития вращательного бурения.

Вода лучше, чем другие жидкости, охлаждает долото и трущиеся поверхности бурильного вала. При достаточно высокой скорости течения она может вполне успешно удалять выбуренные частицы породы с забоя и из ствола скважины. От обломков выбуренной породы вода удовлетворительно очищается даже в сравнительно простых очистных устройствах, так как она не обладает тиксотропными свойствами. Когда коэффициенты аномальности пластовых давлений

k_а < 1 (см. § 7), гидростатическое давление столба воды в скважине достаточно для предотвращения притока пластовых жидкостей и газов.

Как наиболее легкая из жидкостей рассматриваемой группы, вода оказывает меньшее давление на забой. Молекулы ее свободно проникают в поры и микротрещины породы, препятствуя смыканию последних и, таким образом, облегчая разрушение забоя долотом. Поэтому скорость разрушения породы долотом при промывке водой всегда выше, чем при промывке другими жидкостями рассматри­ваемой группы.

Поскольку вода имеет небольшие вязкость и плотность, за­траты мощности на промывку скважины меньше, чем при примене­нии других жидкостей данной группы. Это позволяет значительно большую часть мощности использовать для механического разруше­ния породы. Благодаря малой вязкости воды режим течения ее всегда турбулентный, что способствует лучшему удалению облом­ков из скважины и уменьшает возможность образования рыхлой корки из выбуренных частиц на проницаемых участках стенок скважины. Кроме того, при использовании воды улучшаются усло­вия труда буровой бригады, так как нет необходимости готовить многие сотни кубометров промывочной жидкости.

Но вода не универсальная промывочная жидкость. Ряд суще­ственных недостатков ограничивает область ее применения. Известно, что устойчивость некоторых горных пород при увлажнении заметно уменьшается; они приобретают способность к пластическому тече­нию при значительно меньших напряжениях, чем в неувлажненном состоянии. Вода не только не может препятствовать такому течению, но и способствует ему. Небольшая вязкость воды облегчает проник­новение ее даже в самые тонкие поры неустойчивых пород и ускоряет процесс деформирования и обваливания последних. Например, аргиллиты кыновского горизонта на месторождениях Татарии на­чинают обваливаться спустя 20—40 ч после их вскрытия с промывкой водой, но сохраняют устойчивость, если в качестве промывочной жидкости используются хорошие глинистые растворы.

При промывке водой на проницаемых стенках скважины не образуется плотная корка из тонких частиц твердой фазы, способ­ная создавать большое сопротивление фильтрации промывочной жидкости в окружающие породы. Даже при небольшом перепаде давлений вода легко фильтруется через мелкие поры пород. При разбуривании же сильнопористых и особенно трещиноватых пород с коэффициентом аномальности меньше единицы вода может погло­ щаться с большой скоростью. Опыт показывает, что в среднем объ­емный расход воды в 6—8 раз превышает расход других жидкостей рассматриваемой группы. Это, несомненно, должно учитываться при выборе промывочной жидкости, так как увеличение расхода может привести к росту стоимости скважины. Интенсивное погло­щение воды приводит также к ухудшению очистки скважины от обломков выбуренных пород.

Вода не обладает тиксотропными свойствами и потому не может удерживать твердые частицы во взвешенном состоянии в покое. После прекращения промывки выбуренные обломки частично за­висают на выступах стенок скважины, а частично осаждаются на забой. Скопившийся вблизи забоя осадок из выбуренных обломков, уплотняясь, способен прихватить бурильную колонну, особенно если среди этих обломков имеются глинистые частицы. При спуске нового долота и перед подъемом с забоя изношенного приходится более тщательно промывать скважину, иначе долото и забойный двигатель могут быть зашламлены осадком.

Вода легко растворяет многие хемогенные породы и насыщается солями. Поэтому ее коррозионное воздействие на бурильные трубы и оборудование может быть весьма серьезным фактором. Для за­щиты оборудования от коррозии к воде приходится добавлять инги­биторы (вещества, которые замедляют или предотвращают окисли­тельные химические реакции). Она, как правило, неблагоприятно влияет на коллекторские свойства продуктивных горизонтов (см. лек. XII).

Таким образом, в качестве промывочной жидкости воду целе­сообразно использовать при разбуривании устойчивых, достаточно прочных пород непродуктивных горизонтов, механические свойства которых практически не изменяются при увлажнении, а водный рассол NaCl — для разбуривания отложений галита при наличии обильных источников водоснабжения, т. е. когда недостатки воды и рассола не могут существенно повлиять на успешность и стоимость проходки скважины, а использование других промывочных жидко­стей может вызвать снижение эффективности бурения.

Глинистые растворы. Требования, которые предъявляются к про­мывочным жидкостям в сложных геологических условиях, могут быть удовлетворены лишь при применении многокомпонентной си­стемы с регулируемыми составом и свойствами. В геологических условиях, когда требуется промывочная жидкость с плотностью 1000 кг/м³ и более, такая система должна состоять из следующих компонентов:

а) недефицитной и возможно более дешевой жидкой среды — основы;

б) небольшой массы коллоидных частиц, достаточной для обеспе­чения седиментационной устойчивости системы в покое при превра­щении ее в гель и способности к закупорке пор и тонких трещин в породах;

в) минимального количества тонкомолотых тяжелых минералов для обеспечения заданной плотности системы;

г) небольшого количества химических реагентов для регулирова­ния физико-механических и химических свойств системы и защиты последней от неблагоприятного воздействия внешней среды (пласто­вых жидкостей и газов, выбуренной породы, температуры и др.).

Такие многокомпонентные системы в бурении принято называть растворами.

В природе наиболее распространенным и дешевым источником получения коллоидного материала являются некоторые сорта глин. Многокомпонентные промывочные жидкости, в которых в качестве коллоидной фракции используются такие глины, получили название глинистых растворов.

В земной коре существует большое количество глинистых мине­ралов, имеющих за редким исключением кристаллическое строение. Эти минералы различаются как химическим составом, так и строе­нием кристаллической решетки. По своему составу глинистые мине­ралы являются алюмосиликатами.

Кристаллические глинистые минералы подразделяются на двух­слойные, трехслойные, правильные смешаннослоистые и с цепочеч­ной структурой. Важнейшими для приготовления промывочных растворов являются трехслойные минералы группы монтморилло­нита и с цепочечной структурой группы палыгорскита. Основным структурным элементом кристаллической решетки минералов монт- мориллонитовой группы является пирофиллит — водный алюмо­силикат, химический состав которого Al₂0₃·4Si0₂·Н₂0. Элемен­тарная ячейка кристаллической решетки его имеет очень малую толщину (10^-6 мм) и состоит из трех слоев. Верхний и нижний слои образованы тетраэдрами Si0₂, а средний слой, связывающий внеш­ние, — алюмокислородно-гидроксильными октаэдрами А1₂0₃·nН₂0.

Эта ячейка, состоящая из двух молекул пиро­филлита. При подобном соединении большого числа молекул обра­зуется чешуйка, обладающая значительной прочностью во всех направлениях. Площадь такой чешуйки могла бы расти неограни­ченно, если бы не было механического разрушения кристаллической решетки.

Элементарные чешуйки могут соединяться между собой вдоль кристаллографической оси С (вертикальной) при помощи ненасыщенных кислородных валентностей на гранях и в вершинах кристаллической решетки. Соединяясь, такие чешуйки образуют многослойный агрегат. Так как связи между чешуйками слабые, такой агрегат при перемешивании в жидкости легко раз­деляется по плоскостям напластования на элементарные чешуйки. Наружные слои чешуйки пирофиллита эквипотенциальны, поэтому сама чешуйка электрически нейтральна, кроме мест разлома кристал­лической решетки, где могут быть положительные или отрицатель­ные заряды.

Минералы монтмориллонитовой группы отличаются от пирофил­лита тем, что в состав кристаллической решетки их входят атомы магния, железа, хрома и других элементов. Эти атомы как бы за­местили часть атомов алюминия и кремния, причем замещение, как правило, было эквивалентным. Однако часть трехвалентных атомов алюминия была замещена неэквивалентно, например двух­валентными атомами магния или железа, а часть четырехвалентных атомов кремния — трехвалентными атомами алюминия или других элементов. При таком неэквивалентном замещении чешуйка приобре тает избыточные отрицательные заряды. Эти заряды компенсируются одно- или поливалентными катионами (натрия, калия, кальция и т. д.), которые, однако, не входят в состав кристаллической ре­шетки, а располагаются у внешней поверхности силикатных слоев, но остаются связанными с ней силой электриче­ского взаимодействия.

Если комочек монтмориллонита поместить в водный раствор, содержащий, например, катионы кальция, реакция замещения между Са" и атомами, входящими в кристаллическую решетку монт­мориллонита, невозможна. Но возможна реакция замещения между Са" и теми катионами, которые располагаются у внешней поверхности силикатных слоев и компенсируют избыточные заряды глинистой частицы. Поэтому такие катионы называются обменными, они составляют обменную емкость глинистых минералов и глин. Обменную емкость обычно характеризуют количеством миллиграмм- эквивалентов катионов, адсорбируемых поверхностью 100 г воз­душно-сухого глинистого минерала или глины.

Наличие обменных ионов делает глинистый минерал активым, предопределяет его многие важные свойства: способность к обменным реакциям, ионизации, гидратации и др.

Другим представителем трехслойных глинистых минералов являются гидрослюды. В состав кристаллической решетки их, помимо атомов алюминия и кремния, входят атомы железа и магния. Часть четырехвалентных атомов кремния неэквивалентно замещена трехвалентными атомами алюминия; образовавшийся при этом из­быточный отрицательный заряд компенсируется катионами калия, а'также других элементой. Катионы калия расположены на поверх­ности кристаллической решетки и прочно связаны с ней неэкви­валентным замещением атомов в кристаллической решетке обусло­влена обменная емкость гидрослюд. По обменной способности неко­торые гидрослюды приближаются к минералам группы монтморил­лонита, другие — к минералам каолинитовой группы. Гидрослюды характеризуются высокой степенью дисперсности.

Типичным представителем двухслойных минералов является каолинит Al₂0₃·2Si0₂·2H₂0. Элементарная чешуйка его состоит из одного силикатного и одного алюминатного слоев. Неэквивалент­ное замещение атомов алюминия или кремния почти невозможно. Поэтому чешуйки каолинита нейтральны или имеют весьма малый заряд; обменная емкость такого минерала очень мала. Между со­седними чешуйками вдоль кристаллографической оси С существует прочная водородная связь типа ОН—О. Если комочек каолинита опустить в воду, то, в отличие от монтмориллонита, он при переме­шивании не расщепляется до элементарных чешуек.

К группе минералов с цепочечной структурой относится палыгорскит. Он представляет собой водный алюмосиликат магния. Элементарная ячейка палыгорскита состоит из сдвоенных кремне-кислородных цепей. Смежные кремнекислородные тетраэдры такой цепи обращены вершинами в противоположные стороны, что придает цепи вид рубчатого слоя. Две смежные цепи располагаются так, что вершины последовательных слоев обращены друг к другу, а сами слои связаны между собой через алюмокислородпые октаэдры. Часть атомов алюминия в этих октаэдрах замещена атомами магния и железа. Вследствие не вполне эквивалентного замещения частицы палыгорскита имеют избыточный отрицательный заряд.

Обменные емкости глинистых минералов существенно различны и находятся в пределах (в мг-экв/100 г):

Монтмориллонит 80-150

Палыгорскит 20-30

Гидрослюды . . 10-40

Каолинит . . . 3-15

В природе глинистые минералы в чистом виде встречаются редко. Обычно они входят в состав горных пород, именуемых глинами Природная глина состоит из смеси нескольких глинистых минералов и неглинистых примесей, например кварца, коллоидного кремнезема и других. Глины, в состав которых входят в основном монтморил­лониты, называются бентонитовыми. Если в глине помимо монт­мориллонитов содержится значительное количество гидрослюд или каолинитов, ее называют суббентонитовой. Глины, в которых пре­обладают каолиниты, называются каолиновыми.

Рис. 95. Двойной электри­ческий слой и падение в нем потенциала:

А В — граница скольжения; φ — потенциал частицы; δ₁ — толщина слоя Гельмгольца;

δ₂ — толщина слоя Гуи; ζ — дзета-потенциал; r — расстоя­ние от частицы

Помимо коллоидных фракций в природной глине содержатся крупные частицы, которые, конечно, влияют на плотность глинистой суспензии, но не способны придать ей седиментационную устойчивость. Поэтому расход глины разных сортов для пригото­вления 1 м³ стабильной глинистой су­спензии может колебаться в довольно широком диапазоне. Например, если асканского бентонита требуется примерно 100 кг, то хабльской глины — свыше 800 кг.

При выборе сорта глины для пригото­вления глинистого раствора существенное значение имеют минерализация воды затворения и состав разбуриваемых пород. Если нет опасности значительной минера­лизации промывочной жидкости под влия­нием обломков выбуренных пород и пла­стовых жидкостей и газов, попадающих в нее в процессе бурения, лучшим источ­ником коллоидной фракции является бен­тонитовая глина. Вследствие небольшой прочности кислородных связей между чешуйками монтмориллонита и высокой степени дисперсности бентонитовая глина способна в прес­ной воде распускаться на элементарные чешуйки, набухать и связы­вать физически большое количество воды. Особенно сильно набухают натровые бентониты: комочек такой глины, распускаясь в пресной воде, может увеличиться в объеме до 8—14 раз. Гораздо меньше набухают кальциевые и магниевые бентониты. С уменьшением содержания монтмориллонита в глине степень ее набухания уменьшается, и для приготовления стабильной суспензии требуется значительно боль­шее количество глинистого материала.

В пресной воде происходит поверхностная диссоциация бенто­нита: адсорбированные катионы Na*, Са", Mg" и других элементов от­рываются от поверхности частицы, и последняя оказывается отри­цательно заряженной. Большая часть этих катионов силой электри­ческого поля глинистой частицы и силами адсорбции удерживается вблизи ее поверхности на расстоянии одной-двух молекул, образуя как бы плоский конденсатор с двумя обкладками, так называемый двойной электрический слой Гельмгольца: на одной сосредоточен отрицательный заряд глинистой частицы, на другой — положитель­ный заряд противоионов (рис. 95). Часть же катионов под влиянием теплового движения удаляется на большее расстояние от частицы и образует диффузную часть двойного электрического слоя, или диффузный слой Гуи. Между ионами слоя Гельмгольца и диффуз­ного слоя Гуи идет непрерывный равновесный обмен. В пределах слоя Гельмгольца наблюдается резкое падение электрического по­тенциала, тогда как в диффузном слое Гуи падение потенциала бо­лее плавное.

Для стабильности глинистых растворов важное значение имеет величина потенциала на границе АВ скольжения при перемещении жидкой фазы относительно твердой (рис. 95), которую обычно назы­вают дзета-потенциалом.

В результате поверхностной диссоциации вокруг каждой гли­нистой чешуйки образуется ионное облако. Так как молекулы воды представляют собой диполи, они ориентируются в электрическом поле чешуйки и притягиваются к ней своими положительными зарядами. К отрицательным же зарядам диполей притягиваются новые молекулы воды, ориентирующиеся подобно первым. Одновре­менно гидратируются катионы, оторвавшиеся от поверхности че­шуйки; вокруг них также ориентируются диполи воды.

Таким образом, вокруг глинистой чешуйки образуется свое­образное облако ориентированно расположенных молекул воды, включающее и гидратированные катионы. Такое облако ориентиро­ванно расположенных молекул воды называют гидратной оболоч­кой, совокупность же глинистой частицы, двойного электрического слоя и гидратной оболочки представляет собой мицеллу. Последняя электрически нейтральна.

Вода в гидратных оболочках является физически связанной. Во внутренних слоях оболочки эта вода имеет структуру и свойства льда: она обладает упругостью, повышенной вязкостью и механи­ческой прочностью. С удалением от поверхности чешуйки силы связи ослабевают, ориентирование молекул воды становится более слабым, прочность гидратной оболочки уменьшается, а свойства ее прибли­жаются к свойствам обычной воды. Толщина гидратной оболочки существенно зависит от величины заряда глинистой частицы и валент­ности противоионов. Чем больше заряд частицы и меньше валент­ность противоионов, тем сильнее развито ионное облако, сильнее гидратация глинистой чешуйки.

Рис. 96. Потенциальная кривая для частиц в обыч­ном золе:

1 — изменение энергии молекулярного притяжения;

2 — изме­нение энергии электрического отталкивания;

3 — результиру­ющая кривая потенциала;

r — расстояние между частицами

Между соседними гидратировапными глинистыми чешуйками существуют силы молекулярного притяжения, убывающие с увели­чением расстояния между чешуйками по степенному закону (кри­вая 1 на рис. 96), и силы электрического отталкивания между двой­ными электрическими слоями, также убывающие с увеличением расстояния, но по экспоненциальному закону (кривая 2). Геоме­трическое сложение энергий притяжения и отталкивания показывает, что на больших расстояниях между чешуйками энергия молекуляр­ного притяжений несколько превышает энергию электрического отталкивания (кривая 3). При средних расстояниях примерно 10"⁵ см перевес имеют силы электрического отталкивания; при небольших расстояниях — около 10"⁷ см — вновь начинают преобладать силы притяжения. Следовательно, чтобы две чешуйки могли слипнуться, им необходимо извне сообщить энергию, которая бы превышала энергию отталкивания при средних расстояниях, т. е. превышала бы энергетический барьер, изображенный положительным максимумом кривой 3 на рис. 96. Если сообщенная чешуйкам извне энергия меньше этого энергетического барьера, сближение их до полного слипания невозможно. Чем выше дзета-потенциал и энергетический барьер, тем более устойчива глинистая суспен­зия. Это, по-видимому, главный фактор устой­чивости глинистых суспензий.

Толщина гидратных оболочек на поверх­ности глинистых чешуек неодинакова: она мак­симальна на плоских гранях и минимальна на ребрах и в вершинах чешуек. При беспоря­дочном тепловом движении молекулы воды, ударяясь о чешуйки, сообщают им энергию и заставляют перемещаться. Перемещаясь, гидратированные чешуйки сталкиваются друг с другом. Очевидно, разрыв гидратных оболочек при столкновении более вероятен там, где оболочки наиболее тонкие и где, следовательно, для разрыва их требуется затрата меньшей энергии. Таким образом, гидратные оболочки являются вторым фактором, способствующим устойчивости глинистых суспензий.

При механическом размалывании глины кристаллическая ре­шетка ее может быть разрушена так, что в вершинах и на ребрах чешуек будут сосредоточены довольно мощные не только отрицатель­ные, но и положительные заряды. При столкновении чешуек вер­шинами и ребрами разрыв гидратных оболочек и частичное сли­пание происходят прежде всего под влиянием сил притяжения между противоположными зарядами. В покое число сцепившихся друг с другом вершинами или ребрами глинистых чешуек постепенно возрастает. Со временем они образуют своеобразную сотовую струк­туру, которая пронизывает весь объем раствора. Прочность струк­туры постепенно увеличивается вследствие слипания все новых глинистых чешуек и асимптотически приближается к некоторому пределу. Благодаря такой структуре глинистый раствор способен удерживать во взвешенном состоянии весьма крупные частицы твердой фазы, в том числе обломки выбуренных пород.

При перемешивании глинистого раствора структура разру­шается, и он вновь становится текучим. Способность растворов загустевать в покое в результате образования структуры и вновь становиться подвижным при перемешивании или встряхивании на­зывается тиксотропией.

Слипание частиц может происходить двояким образом. Во-пер­вых, частицы могут слипаться при столкновении вершинами и реб­рами и образовывать сотовую структуру, в ячейках которой заклю­чены свободная вода и инертные частицы твердой фазы; при этом на большей части поверхности частиц (и прежде всего, на гранях) сохраняются гидратные оболочки. Это явление называют гидрофиль­ной коагуляцией.

Во-вторых, частицы под влиянием некоторых факторов могут потерять заряд и лишиться гидратных оболочек. В этом случае при столкновении даже гранями они будут слипаться и образовывать более крупные агрегаты, которые под действием силы тяя^ести оса­ждаются из раствора. Раствор расслаивается на две фазы. Такая коагуляция называется гидрофобной.

С увеличением степени минерализации промывочной жидкости коагуляционные явления усиливаются, стабильность ее ухудшается. Для поддержания заданных свойств глинистого раствора его обра­батывают химическими реагентами. Чем выше степень минерализа­ции, тем труднее поддерживать свойства раствора стабильными, тем сложнее обработка, больше расход реагентов и, следовательно, дороже сама промывочная жидкость.

В связи с этим при опасности сильной минерализации промы­вочной жидкости целесообразно для приготовления ее в качестве источника коллоидной фракции использовать солестойкую палыгор- скитовую глину. Растворы из палыгорскита приготовляют на прес­ной воде, так как в этом случае глина лучше распускается на эле­ментарные чешуйки, а затем насыщают солью.

Промывочная жидкость на базе гидрогеля магния. При разбуривании хемогенных отложений в промывочную жидкость поступают водорастворимые частицы хлоридов натрия, калия, магния (галита, карналлита, бишофита, сильвина и др.), а также сульфатов кальция (гипс, ангидрит). Исследования показали, что концентрированные многосолевые рассолы с высоким содержанием магния можно пре­вратить в седиментационно устойчивые системы, способные в покое удерживать частицы выбуренных пород во взвешенном состоянии. При обработке такого рассола щелочью NaOH или Са (ОН)₂ обра­зуется структурированная система, условно называемая гидрогелем магния, содержащая коллоидные частицы оксихлоридов магния, а также сульфатов и карбонатов кальция и другие соединения и об­ладающая тиксотропией. Такая промывочная жидкость с успехом может использоваться при разбуривании хемогенных толщ, меж­солевых, а иногда и подсолевых отложений.

Естественные водные суспензии. При разбуривании неглинистых пород (карбонатных, сульфатных, алевролитов) и аргиллитов в про­мывочную жидкость поступает некоторое количество тонкодиспергированных твердых частиц и очень мало коллоидных частиц. Если в качестве промывочной жидкости используется вода, образующаяся водная суспензия выбуренных частиц оказывается седиментационно нестабильной; она не способна удерживать выбуренные частицы во взвешенном состоянии в покое. Положительным качеством такой суспензии является малая чувствительность дисперсной фазы к ко­агулирующему воздействию солей. Поэтому в ряде случаев стре­мятся стабилизировать естественно образующуюся водную суспен­зию тонкодисперсных частиц разбуриваемых пород введением в ее состав некоторых структурообразующих химических реагентов (крахмал, карбоксиметилцеллюлоза, углещелочной реагент, суль- фатцеллюлоза и др.), а иногда также небольшого количества высоко­качественной монтмориллонитовой глины.