Солевые растворы готовят на глинистых станциях, реже на скважине в процессе циркуляции.

С и л и к а т н о - г у м и н о в ы е р а с т в о р ы относятся к ком­ бинированным солевым растворам. Они широко используются при разбуривании осыпающихся аргиллитов и глинистых слан­ цев. Углегумииовые комплексы УЩР также не образуют види­ мой поверхности раздела, придают жидкости темно-серый цвет, значительно снижают фильтрацию. Крепящее действие сили- катно-гуминовых растворов обусловлено взаимодействием ка­ тионов натрия жидкого стекла, содержащихся в фильтрате раствора, с катионами кальция глинистых пород. Освободив­ шиеся при этом катионы кальция соединяются с анионами жид­

3,5 ммоль/л; если жесткость воды выше 3,5 ммоль/л, ее пони­ жают введением необходимого количества кальцинированной соды. Свежеприготовленные силикатно-гуминовые растворы ха­

но-гуминового раствора: сначала заливается расчетное количе­

время приготовления раствора составляет 20—30 мин.

Если применением силикатно-гуминового раствора устойчи­

5 массовых частей-жидкого стекла.

Недостатки солевых растворов — их повышенная коррозион­ ная активность и раздражающее действие на глаза, кожу рук и лица.

Растворы полимеров

Полимерный раствор как промывочная жидкость представ­ ляет собой слабоконцентрированный раствор полимера в воде, который, не имея четко выраженной поверхности раздела меж­ ду компонентами, обладает рядом свойств, присущих коллоид­ ным системам. Обеспечивая устойчивость стенок скважины, сложенных глинистыми и глиносодержащими породами, такие

но

растворы обладают и рядом других положительных свойств: повышают скорость бурения, сохраняют коллекторские свойства проницаемых горных пород, снижают гидравлические сопротив­ ления, оказывают смазывающее действие, имеют несколько по­ вышенную несущую способность по сравнению с водой.

Полимерные растворы используются как ингибирующие, но чаще их применяют в качестве маловязкой структурной основы других промывочных жидкостей. Прочие положительные свой­ ства полимерных растворов обусловливают их применение в качестве целевых добавок в другие промывочные жидкости.

Механизм действия полимеров как ингибиторов очень сло­ жен и до сих пор недостаточно изучен. Предполагается, что между свободными валентностями решетки глинистых минера­ лов и молекулами полимеров возникает электростатическое взаимодействие и это препятствует гидратации глины.

Вид полимера и его концентрация зависят от степени мине­ рализованное™ и pH водной основы и пластовой жидкости. По­ лимеры коагулируют в концентрированных растворах хлори­ стого кальция и других поливалентных солях, но в различной степени. Наиболее устойчив полиакриламид, менее устойчивы гипан, метас, К-4, К-9, поэтому их применяют с кальцинирован­ ной содой или фосфатами. Концентрация полимеров в поли­

пород применяют комбинации полимеров, причем общая Их кон­

с горными породами. Концентрацию полимеров в растворе в полевых условиях не определяют, ее оценивают по характеру изменения вязкостных свойств раствора. Порошкообразные по­ лимеры можно вводить в холодную воду.

Ингибирующее действие полимерных растворов усиливают введением солей-ингибиторов. Область применения растворов в таком случае расширяется и они переходят в группу комбини­ рованных. Сюда следует отнести в первую очередь соли алюми­ ния, железа, а также жидкое стекло в концентрациях 0,1— 1,5%. Полимерные растворы на основе акриловых полимеров назы­ вают акриловыми. Например, полимерный алюмоакриловый раствор.

В полимерные растворы добавляют также хромлигносульфонат, феррохромлигносульфонат, УГЦР и их комбинации, что повышает стабильность растворов, расширяет область их при­ менения. Для придания ряда новых технологических свойств в полимерные растворы можно также добавлять поверхностно­ активные вещества.

Водные растворы поверхностно-активных веществ

Водные растворы ПАВ применяют при ■бурении в твердых породах. Впервые ПАВ стали использовать для понижения твер­ дости горных пород, позже — для повышения стойкости поро­ доразрушающего инструмента.

Большинство ПАВ хорошо растворяются в воде. Процесс введения их сводится к заливке расчетного количества ПАВ в приемную емкость с легким перемешиванием вручную. Д аль­ нейшее перемешивание происходит в процессе циркуляции раст­ вора в скважине. Растворы ПАВ являются простейшими, но эффективными промывочными жидкостями.

В последние годы все большее распространение получают водные растворы ПАВ комплексного действия, так называемые поверхностно-активные антифрикционные добавки ПААД. Сюда относятся высшие жирные спирты, соапсток, сульфонол, суль­ фатное мыло и ряд других. Антифрикционные свойства таких растворов позволяют значительно увеличить частоту вращения бурильного инструмента, что вместе с эффектом понижения прочности горных пород приводит к существенному росту тех­ нико-экономических показателей: механическая скорость увели­ чивается в 1,26— 1,65 раза, проходка на коронку — в 1,15— 1,86 раза, себестоимость бурения снижается на 24—32%. Кон­ центрация ПААД в растворах составляет 0,05—3% .

ПАВ обладают избирательным действием, поэтому вид ве­ щества и его концентрацию подбирают применительно к кон­ кретным условиям с учетом его эффективности и устойчивости. В процессе бурения поверхностно-активные вещества адсорби­ руются на стенках скважины и частицах выбуренной породы и концентрация их постепенно уменьшается. В связи с этим ПАВ вводят с некоторым запасом и в последующем периодически добавляют их.

Рабочую концентрацию поверхностно-активного вещества выбирают по его изотерме поверхностного натяжения. Необхо­ димо выбирать интервал концентраций, примыкающий к обла­ сти незначительного изменения поверхностного натяжения. На рис. 38 для примера приведена изотерма поверхностного натя­ жения сульфонола с рабочей зоной концентрации.

Концентрация ПАВ контролируется методом счета капель, вытекающих из трубки сталагмометра. Сущность его заклю ­ чается в том, что для каждого ПАВ имеется своя зависимость числа капель, получающихся из 1 см3 раствора, от величины поверхностного натяжения. В то же время каждому ПАВ свой­ ственна и своя зависимость изменения поверхностного натяже­ ния от концентрации. Таким образом, число капель характери­ зует концентрацию ПАВ.

В растворы ПАВ можно добавлять небольшие количества электролитов-ингибиторов и полимеров. В результате получа­

ются комбинированные гомо­ генные системы, обладающие оптимальными для конкрет­ ных условий свойствами. Ком­ бинированные растворы и рас­ творы ПАВ часто используют­ ся как основа для получения естественных промывочных жидкостей (на базе выбурен­ ных пород), а также для дру­ гих дисперсных промывочных систем.

Растворы некоторых по­ Рис. 38. Изотерма поверхностного верхностно-активных веществ натяжения сульфонола

трудно определенным образом отнести к тому или иному типу промывочной жидкости. Их

можно назвать и истинными растворами ПАВ и эмульсионны­ ми жидкостями.

Гомогенные промывочные жидкости на водной основе мож­ но аэрировать. Тогда они переходят в группу дисперсных си­ стем (аэрированных жидкостей и пен).

§2. УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ЖИДКОСТИ

Вкачестве промывочной жидкости применяется дизельное топливо, реже керосин и нефть. Эти жидкости используют при бурении нефтяных и газовых скважин для вскрытия слабона­ порных, легко кольматирующихся продуктивных горизонтов или при перебуривании пород, исключающих контакт с водосодер­ жащими породами.

Вязкостные свойства дизельного топлива и керосина можно регулировать. Д ля этого жидкости обрабатывают натровыми мылами высокомолекулярных жирных кислот или окисленным битумом. В результате чего углеводородные жидкости могут переходить в категорию эмульсионных. Углеводородные жидко­ сти применяют редко, в исключительных случаях. Они пожаро­ опасны, разрушают резиновые элементы циркуляционной систе­

мы (сальники, шланги и д р .).

§ 3. СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Сжатый воздух как промывочный агент применяется глав­ ным образом при бурении в сухих устойчивых многолетнемерз­ лых породах, в районах, где затруднено обеспечение промывоч­ ной жидкостью (пустынные районы Средней Азии, гористая местность), реже в водонасыщенных и неустойчивых породах, так как технология и организация продувки при этом значитель­ но усложняются. Воздух сжимается в специальных, обычно пе­ редвижных компрессорных установках, которые располагаются недалеко от скважины. Перед использованием воздух должен

выть соответствующим образом подготовлен: охлажден, очищен от капелек масла и воды.

Применение сжатого воздуха позволяет за счет резкого сни­ жения давления на породы забоя скважины, улучшения очистки и выноса выбуренной породы повысить механическую скорость бурения в 2—2,5 раза.

В сжатый воздух при бурении в осложненных условиях (водопроявления, липкие глины и т. д.) с помощью специальных устройств можно вводить в небольших количествах в виде мель­ чайших капелек воду или водные растворы ПАВ. Такой воздух является уже дисперсной системой с водной дисперсной фазой. При введении повышенных количеств воды образуется пена.

Сжатый воздух можно вводить в качестве составного компо­ нента в плотные промывочные жидкости. При этом получаются аэрированные промывочные жидкости, также являющиеся дис­ персными системами. При повышенном содержании воздуха аэрированные жидкости переходят в пены.

Глава VII

ГЕТЕРОГЕННЫ Е ПРОМЫВОЧНЫЕ Ж ИДКОСТИ (ДИ СП ЕРСН Ы Е СИСТЕМЫ)

§ 1. ЭМУЛЬСИОННЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ

Ряд ПАВ, как уже указывалось, представляют собой ком­ позиции различных веществ, одним из компонентов которых яв­ ляется гидрофобная составляющая — минеральное масло или органические жиры. При ввёдении в воду таких составов обра­ зуются водомасляные эмульсии, которые широко применяются при алмазном бурении. По сравнению с водными растворами ПАВ эти эмульсии обладают повышенными смазочными и ан­ тивибрационными свойствами, активно воздействуют на процесс разрушения горных пород и обеспечивают более высокие тех­ нико-экономические показатели бурения. Для получения эмуль­ сионной промывочной жидкости реже используется нефть и не­ которые нефтепродукты (масла), которые не являются поверх­

типа вода в масле, в которой дисперсионная среда — нефть или нефтепродукт, а вода диспергирована и равномерно распреде­ лена по объему раствора; эмульсии II рода называются также инвертными эмульсиями.

Эмульсии I рода по многим свойствам, особенно по гидрофильности, напоминают воду, эмульсии II рода — нефть, поэто­ му последнюю дисперсную систему называют также гидрофоб­ ной эмульсией.

Эмульсии образуются при перемешивании двух взаимно не­ растворимых жидкостей. При этом жидкости с более высоким поверхностным натяжением диспергируются в другой жидкости. Так как на поверхности раздела двух фаз существует высокое поверхностное натяжение, а степень дисперсности дисперсной фазы очень большая, свободная поверхностная энергия диспер­ гированных глобул весьма значительна. Всякая система стре­ мится к уменьшению свободной поверхностной энергии, поэтому эмульсия в состоянии покоя будет разрушаться; входя в кон­ такт друг с другом, глобулы будут сливаться, образовывать крупные капли, и система расслоится.

Д ля стабилизации эмульсии вводят еще один компонент — эмульгатор.

В большинстве случаев эмульгатор — это поверхностно-ак­ тивное вещество. Концентрируясь на поверхности раздела фаз, оно уменьшает поверхностное натяжение на этой границе, пре­ пятствует слиянию глобул. Вокруг каждой глобулы образуется тонкая плотная пленка, стабилизирующая глобулу. Стабилиза­ ция глобул возможна также за счет адсорбции на их поверхно­ сти ионов из дисперсионной среды.

Выбор эмульгатора во многом определяет тип эмульсии. Если

находясь в меньшем количестве, чем нефтепродукт, является дисперсионной средой. В то же время некоторые эмульгаторы (сульфонатровые смолы, кальциевые мыла жирных кислот и др.) стабилизируют эмульсию воды в нефти при содержании воды 80% и даже больше. Эти эмульсии называют обращен­ ными, так как они получаются при замене (обращении) фаз в обычных гидрофильных эмульсиях, когда среда вместо гидро­ фильной становится гидрофобной, а дисперсная фаза из гидро­ фобной превращается в гидрофильную. Инвертные эмульсии об­ ладают инертностью к неустойчивым глинам, исключают раз­ мыв стенок скважин в солях.

Простейшая эмульсионная промывочная жидкость — смесь воды и эмульгирующего концентрата, содержащего масляную фазу. Получение таких эмульсионных промывочных жидкостей в большинстве случаев сводится к добавке к воде эмульгирую­ щего состава с последующим механическим перемешиванием. При использовании составов с повышенными гидрофобными свойствами (мылонафт, нефть, масла) высококачественную эмульсию получают в установках с ультразвуковыми устройст­ вами.

Эмульсионные растворы могут иметь и более сложную ре­ цептуру. Так, при бурении с КССК в сложных геологических условиях применяется, например, раствор такого состава: 0,05—0,06% ПАА, 2% ФХЛС, 1,5—2% СМАД-1, 10% УЩ Р, ос­ тальное вода. Порядок перемешивания: вода — ФХЛС — СМ АД-1— раствор ПАА—УЩР. Такой раствор имеет высокие ингибирующие свойства и пониженные гидравлические сопро­ тивления, что чрезвычайно важно при бурении с КССК. П ара­ метры раствора: р = 1,02 г/см3, Г=17-ь18 с, В = 6^-8 см3.

Основной показатель качества эмульсий — их устойчивость. Стабильность эмульсии определяется на пробе, отбираемой в стеклянный цилиндр из бесцветного стекла диаметром 25— 30 мм объемом 100 мл. Пробу выдерживают при температуре- 18—20 °С в течение времени, предусмотренного техническими ус­ ловиями, но не менее 2 ч. Стабильной является эмульсия, сохра­ нившая однородность и равномерную окраску во всем объеме и не выделившая масла.

Поступление в эмульсионную промывочную жидкость в про­ цессе бурения высокодиспергированной твердой фазы, особенно глинистой, повышает устойчивость эмульсии. Введением эмуль­ гирующих концентратов можно любую промывочную жидкость на водной основе перевести в категорию эмульсионных.

§ 2. ГЛИНИСТЫЕ РАСТВОРЫ Состав глинистых растворов

Простейший глинистый раствор представляет собой взвесь диспергированной глины в воде. Состав и качество его опреде­ ляются составом и качеством дисперсной фазы и дисперсион­ ной среды. В качестве основной дисперсионной среды использу­ ется вода.

В дисперсной фазе глинистого раствора по степени дисперс­ ности различают следующие частицы:

элементарные глинистые пластинки — «большие молекулы»; первичные глинистые частицы, представляющие собой пачки

элементарных пластинок; агрегаты из первичных глинистых частиц;

высокодисперсные частицы минералов, находящиеся в гли­ не в качестве механических примесей;

песок, состоящий из частиц кварца и других инертных по­ род, а также из крупных нериспустившихся комочков глины.

Первые три группы составляют коллоидную, наиболее актив­ ную фракцию в глинистом растворе. Частицы четвертой группы можно считать активными наполнителями глинистого раствора, так как они способствуют увеличению его структурно-механиче­ ских свойств и могут быть центрами структурообразования для коллоидных фракций. Частицы пятой группы относятся к кате­ гории механических нежелательных примесей.

В процессе бурения состав дисперсионной среды во многом обусловливается:

солями минерализованных пластовых вод, попадающих в раствор при бурении скважины;

ионами из обломков разбуриваемых пород, растворяющихся в жидкой фазе раствора;

интенсивностью взаимодействия химических веществ, нахо­

глинистой фазы (в % или кг/м3), при котором буровой раствоп сохраняет заданную консистенцию. Этот показатель характери­ зует коллоидальность глины и эффективность химической обра­ ботки, является одним из важнейших критериев разжижения глинистого раствора.

Глииоемкость — функция нескольких факторов: гидрофиль­ ное™ твердой фазы; содержания электролитов, реагентов-по­ низителей вязкости и защитных коллоидов; температуры и до. Высокая глииоемкость характеризует низкую коллоидальность твердой фазы. Определяющий фактор течения растворов с низ­

Здесь уже небольшие добавки воды резко снижают эффектив­ ную вязкость.

М алая глииоемкость свойственна растворам с коллоидноактивной фазой. Главный фактор, определяющий их консистен­ цию, — прочность возникающих структур. В этом случае раз­ жижение достигается путем уменьшения числа коагуляционных контактов в единице объема в результате разбавления водой