|
путем лабораторных опытов установили, что глины и аргиллиты подвергаются разрушению и осыпанию в минерализованной пластовой воде позже, чем в пресной воде в 1,8-3,2 раза [4]. Следовательно, использование промывочной жидкости, близкой по своему солевому составу к пластовым глинам, позволит значительно уменьшить действие осмотического давления и сохранить целостность породы на стенках скважины. При бурении скважины наряду с хемоосмосом может наблюдаться и электроосмос. Электроосмос в глинах представляет собой движение воды или фильтрата бурового раствора под действием внешнего электрического поля. В большинстве случаев процесс направлен от анода (положительного электрода) к катоду (отрицательному электроду) [31]. Электрофорезные процессы вызывают движение взвешенных в буровом растворе частиц к одному их электродов в зависимости от их заряда. Отрицательные глинистые частицы чаще всего движутся в аноду. В силу этого, движение жидкости относительно глинистых частиц вызывает электрический потенциал. Известно, что при осаждении глинистых частиц возникает потенциал оседания, а при движении жидкости через поры и тещины потенциал течения. В целом, электроосмотические процессы могут быть использованы для различных целей, например, для осушения глин и увеличения их устойчивости. На основе анализа возможных причин нарушения устойчивости стенок скважины их можно разделить по трем основным группам (Рис. 1.3). При этом была установлена недооценка роли капиллярно-адгезионных взаимодействий в массиве горных пород. Причины нарушении устойчивости стенок скважины I 1 1ГОРНОФИЗИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИЕ плотность бурового влажность смачиваемость породы раствора пластичность минерализация поровой водоотдача бурового текстура жидкости и бурового раствора тектонические раствора рейсовая скорость бурения нарушения углы залегания пластов состав дисперсной фазы гидро динамические колебания в скважине Рисунок 1.3 Причины нарушения устойчивости стенок скважины 33 |
действие которого в глинистых породах и определяет эффект осмотического давления, а также направление течения жидкости при этом процессе. Ясно, что если концентрация жидкости, заполняющей поры полупроницаемой породы, будет выше концентрации промывочной жидкости, то проникновение жидкости из скважины в породу за счет осмотического давления реально. Известно, что вызванное осмосом давление в порах породы может достигать значительных величин: у морской воды оно составляет около 28 МПа, а у рассолов соленых озер 200 МПа и выше. В промысловой практике при создании таких давлений часто наблюдается разрушение горной породы в скважине (гидроразрыв пласта). Реальность проявления осмотического давления в горных породах была экспериментально доказана О.М. Печориным и Ф.Я. Синельниковым на опытах с аргиллитоподобной глиной [4]. Эксперимент позволил объяснить возможность разрушения образцов глин в пресной воде за счет осмоса и их устойчивость в сильно минерализованной воде. На возможное влияние осмоса, как на одну из причин обвала пород, ранее указывал В.Ф. Роджерс. П.М. Люкшин, М.О. Канаренштейн и В.П. Смирнов путем лабораторных опытов установили, что глины и аргиллиты подвергаются разрушению и осыпанию в минерализованной пластовой воде позже, чем в пресной воде в 1,8-3,2 раза [4]. Следовательно, использование промывочной жидкости, близкой по своему солевому составу к пластовым глинам, позволит значительно уменьшить действие осмотического давления и сохранить целостность породы на стенках скважины. При бурении скважины наряду с хемоосмосом может наблюдаться и электроосмос. Электроосмос в глинах представляет собой движение воды или фильтрата бурового раствора под действием внешнего электрического поля. В большинстве случаев процесс направлен от анода (положительного электрода) к катоду (отрицательному электроду) [31]. Электрофорезные процессы вызывают движение взвешенных в буровом растворе частиц к 34 одному их электродов в зависимости от их заряда. Отрицательные глинистые частицы чаще всего движутся в аноду. В силу этого, движение жидкости относительно глинистых частиц вызывает электрический потенциал. Известно, что при осаждении глинистых частиц возникает потенциал оседания, а при движении жидкости через поры и тещины потенциал течения. В целом, электроосмотнческие процессы могут быть использованы для различных целей, например, для осушения глин и увеличения их устойчивости. Адсорбция и катионный обмен. Твердые тела всегда обладают способностью в той или другой степени поглощать (адсорбировать) из окружающей среды на своей поверхности молекулы, атомы или ионы. При этом на поверхности адсорбента концентрируются вещества, понижающие его поверхностное натяжение относительно окружающей среды. Как отмечалось ранее, в процессе бурения кроме естественной пористости породы в поверхностном слое забоя и стенок скважины образуется большое количество трещин разных размеров и направлений, особенно при усталостном разрушении. При этом слои жидкости, покрывающие за счет адсорбции и смачивания видимую поверхность горной породы, проникают вглубь по местам контактов зерен и поверхностям трещин, главным образом микротрещин, до тех пор, пока размер адсорбирующихся атомов или молекул будет меньше толщины трещины. Как показано ранее, катионы глинистых частиц находятся в динамическом равновесии с катионами окружающего порового пространства, и между ними ведется непрерывный обмен катионный обмен. Если меняется состав и концентрация порового раствора, немедленно меняется состав и концентрация обменных катионов, после чего устанавливается новое состояние динамического равновесия. Эксперименты показали, что катионный обмен подчиняется следующим основным закономерностям [28]: 35 разрушению. И, наоборот, если в фильтрате в основном содержатся ионы Са2+, то устойчивость глины на стенках скважины будет стабильной. Состояние глинистых пород на стенках скважины также будет зависеть от соотношения степени набухания и величины сил связи и пластичности породы. При значительном набухании и довольно жесткой структуре глинистых пород может быть растрескивание, расслоение и осыпание пород с образованием каверн, а при достаточных силах связи и высоких пластических свойствах при той же набухаемости возможно выпучивание породы и сужение ствола. Большое значение имеет скорость ионообмена. Его движущей силой является диффузия, за счет которой и происходит взаимный процесс перемещения ионов с поверхности породы в окружающую жидкую среду и наоборот. Процесс, идущий между ионами активных групп и электролитом, совершается быстро. Однако в большинстве случаев равновесие устанавливается в течение нескольких минут, часов, а иногда и суток. Этим можно объяснить некоторую устойчивость по времени обваливающихся пород при бурении. Таким образом, катионный обмен во многом определяет свойства глинистых минералов. С его помощью можно управлять как свойствами глинистых пород, слагающих стенки скважины, так и физико-химическими процессами при взаимодействии бурового раствора с горными породами. На основе анализа возможных причин нарушения устойчивости стенок скважины их можно разделить по трем основным группам (Рис. 1.3). При этом была установлена недооценка роли капиллярно-адгезионных взаимодействий в массиве горных пород. 38 |