В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 
УДК 622.02

Исследование процесса набухания глинистых пород


Нго Тхань Тхао, студент 4-го курса,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия

Рассматриваются исследования по изучению процесса набухания глинистых пород с фильтратом промывочной жидкости на водной основе.

Гидратация глинистых пород является сложным физико-химическим процессом, приводящим к деформации и разрушению структур и свойств глин, в конечном этапе возможно происходить диспергирование гидрофильных пород в фильтрате бурового раствора. Также со временем данное явление распространяется в глубь пластовых горизонтов за счёт системы открытых капиллярных пор и трещин в породах, так и с помощью диффузионно-осмотического процесса.

1. Механизм набухания

Результат взаимодействия глины с водой бурового раствора, проявляющееся в росте влажности, объёма частиц, давления, также приводит к распаду структуры глинистых частиц, обобщенно называется понятием "набухание глинистых пород".

Процесс набухания глинистых пород разделяют на две стадии: адсорбционного (или внутрикристаллического) и макроскопического (или осмотического) набухания.

Первая стадия набухания глинистых пород связана с поглощением влаги в результате действия адсорбционных сил и заканчивается в основном при влажности, близкой к максимальной гигроскопической. Эта стадия мало влияет на изменение объёма пород в целом, поскольку объём влаги при этом в значительной степени соизмерим с объёмом её пор.

Вторая стадия набухания глинистых пород обусловлена процессами поглощения влаги вследствие осмотических сил или осмотического давления, возникающего вблизи поверхности глинистых частиц и создаваемого избыточной активной концентрацией отдиссоцированных с поверхности частиц обменных ионов (катионов). Существенное приращение объёма грунта происходит именно на этой макроскопической стадии набухания. Приращение объёма при набухании глинистых пород зависит от сочетания адсорбционных, осмотических и капиллярных сил.

Набухание наиболее выражено в слабосцементированных переуплотненных глинистых породах, содержащих глинистые минералы с эластичной кристаллической решеткой (типа монтмориллонита). Все факторы, от которых зависит набухание глин, можно подразделить на четыре типа:

  • состав и структура твердой части глинистых пород (гранулометрический состав, минеральный состав, структурно-текстурные особенности, состав обменных катионов, влажность и др.);
  • химический состав взаимодействующего с глиной раствора;
  • температура, при которой идёт набухание;
  • величина давления, под которым находится грунт.

Состав глинистых пород оказывает влияние на процесс их набухания в зависимости, главным образом, от величины их удельной поверхности, а также от количества и вида обменных ионов, то есть от величин их ионной и поверхностной активности. Глинистые минералы, характеризующиеся высокой сорбционной активностью в отношении молекул воды, играют значительную роль в процессе.

С ростом удельной поверхности глинистых минералов и их ёмкости обмена и степени диссоциации обменных ионов (катион), то набухаемость таких пород возрастает. Следовательно, можно расположить глинистые минералы по следующий ряд по их собственности к набуханию:

монтмориллонитовые > гидрослюдистые > каолинитовые

Набухаемость глинистых грунтов также определяется валентность обменных катионов и их радиусом. С уменьшением валентности катиона или радиуса катиона при одинаковой валентности, то значительно понижается взаимодействие катиона с поверхностью глинистых частиц, в силу чего величина набухаемости растёт. Роль обменных катионов возрастает при набухании минералов с раздвижной кристаллической решеткой (типа монтмориллонита), обладающих внутрикристаллическим набуханием и большой емкостью обмена[2, с. 60]. Для второй стадии набухания характерен следующий ряд ионов по влиянию на набухаемость глин:

Li+ > Na+ >NH4+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Al3+ > Fe3+

На набухание глинистых пород немалое влияние оказывают структурно-текстурные особенности глинистых пород: тип структуры, структурные связи, плотность, ориентированность и сложность их текстуры. При нарушении природных структурных связей, величина набухания в глинистых отложениях увеличивается. Ученые доказали, что глинистые породы имеют деформацию набухания в 1,3-1,8 раза в перпендикулярном направлении слоистости больше, чем в параллельном направлении слоистости.

Состав и концентрация электролитов в буровом растворе получают признание для обобщенного определения набухаемости глинистых частиц при изменении гидрохимических условий. В общем случае повышение концентрации раствора электролита вызывает подавление процесса набухания глинистых пород.

Кроме вышесказанных факторов, от которых зависит величина набухаемости, причём необходимо учесть влияние температуры и осмотического давления, при которых идёт процесс набухания. Следует из экспериментальных данных ученых, относительная величина набухания глинистых пород изменяется в зависимости от давления по экспоненциальному закону. Характер набухания глинистых пород, как установлено, зависит от температуры. Чем больше нагрета порода, тем важнее этот эффект [2, с. 62] .

2. Влияние набухания глинистых отложений на устойчивость ствола скважины

Взаимодействие водной фазы бурового раствора с разбуриваемыми горными породами является главным фактором влияния на устойчивость стенок скважины при вскрытии глинистым отложениям. В основном потеря устойчивости горной породы на глинистых отложениях связана с разрушением их естественного влажностного равновесия, следовательно вызывает рост дополнительных внутренних напряжений в поровом пространстве.

Набухание глинистых грунтов может приводить к распаду структуры разбуриваемых горизонтов, осыпям и обвалам с образованием каверн, и так же изменению диаметра ствола скважины, вследствие того, возникает осложнение. Как уже описывалось ранее, эти явления проявляются в виде пластического течения, когда процесс бурения ведёт на глинистых отложениях. Диспергирование набухшей глинистой породы ведёт также к отклонению параметров бурового раствора от заданных значений и снижению эффективности работы породоразрушающего инструмента на забое скважины [3].

При вскрытии глинистого сланца горизонтальные напряжения в породе на стенке скважины снимаются и обезвоженный сланец начинает адсорбировать воду из бурового раствора. Если развивающееся при этом давление набухания вызывает увеличение центробежного растягивающего напряжения до уровня, превышающего предел текучести, ствол скважины дестабилизируется. Поэтому, при проектировании скважины и приготовлении бурового раствора нужно учитывать способность возникнуть набухание глинистых пород в ходе бурения.

Согласно производственным опытам нельзя предупредить нарушение устойчивости стенок скважины и уменьшить уровень набухания глинистых пород в приствольном пространстве путем снижения показателя фильтрации бурового раствора. В связи с обладанием высокой гидрофильностью и способностью к ионному обмену, адсорбции, набуханию, глинистые породы могут впитывать в себя жидкую фазу бурового раствора.

3. Анализ использования ингибирующих растворов

Успех бурения скважин в значительной степени зависит от состава и свойств буровых растворов, которые должны обеспечивать безопасность и безаварийность ведения работ при высокой скорости бурения и качественном вскрытии продуктивного пласта. Применение буровых растворов с регулируемыми свойствами оправданно требует значительных средств с целью экономии затрат времени на работы, связанные с авариями, осложнениями, проработками и промывками, длительностью и результатами освоения.

В современных условиях для безаварийной проводки скважин и предупреждения осложнений задача управления качеством буровых растворов состоит в том, чтобы в сочетании с горно-геологическими условиями и гидравлической программой бурения поддерживать их требуемые структурно-реологические, фильтрационные и антиприхватные свойства при минимальном содержании твёрдой фазы и заданном уровне ингибирования, термосолестойкости и осмотической активности.

Выбор рецептуры буровых растворов для бурения в конкретных геолого-технических условиях сопровождается концентрацией внимания исследователей и производственников на обеспечении: максимальной скорости, максимальной устойчивости ствола скважины, минимального загрязнения продуктивного пласта.

Одна из главных причин недостаточной эффективности применения ингибирующих буровых растворов в осложненных условиях при проходке вязких набухающих формирований глинистых пород, особенно в наклонно направленных скважинах - отсутствие надежного бурового раствора с улучшенными структурно-реологическими и антифильтрационными свойствами.

Вывод: Изучить физико-химические процессы взаимодействия глинистых отложений с буровом раствором в процессе бурения, в том числе выяснить явление набухания можно целенаправленно воздействовать на свойства и управлять устойчивостью глинистых пород на стенках скважины.

Библиографический список

  1. Овчинников В.П., Аксенова Н.А. Буровые промывочные жидкости: Учебное пособие для вузов. - Тюмень: Изд-во Экспресс, 2008. - 309с.
  2. Рязанов Я. А.. Энциклопедия по буровым растворам. - Оренбург: издательство "Летопись", 2005г. - 664 с.
  3. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин: учебник для вузов. - 3-е изд. - М.: ИД Альянс, 2011. - 456с.
  4. Чубик П.С. Квалиметрия буровых промывочных жидкостей. - Томск: Изд-во НТЛ, 1999. - 300с.


 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ


 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.