Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема устойчивости глинистых пород при бурении скважин 7
1.1 О механизмах разупрочнения глинистых пород 10
1.2 Адсорбционные силы и их роль в сохранении устойчивости глинистых пород 16
1.3 Некоторые особенности и закономерности диффузионно осмотического массопереноса 18:
1.4. Диффузия и виды диффузионно-осмотического массопереноса в скважине 43
1.5 Влияние влажности глинистых пород на устойчивость стенок скважин 47
1.6. Существующие методики регулирования свойств буровых промывочных жидкостей с целью предотвращения осложнений при бурении глинистых пород 52
1.7. Цель и задачи исследований 60
2. Выбор методов исследований увлажнения глинистых пород в среде бурового раствора 62
2.1. Стандартные методы исследования устойчивости глинистых пород 62
2.1.1. Исследование ионообменной активности глин 62
2:1.2. Исследование структурных изменений глин под действием растворов 66
2.2 Специальные методы исследования скорости увлажнения глинистых пород 71
2.2.1. Подготовка образцов к лабораторным исследованиям. 71
2.2.2. Изучение скорости пропитки образца растворами различного состава за фиксированный промежуток времени 73
2.23. Изучение скорости пропитки образца до фиксированной глубины или окончательного разрушения .78
2.3. Выводы по главе 2 79
3. Влияние водных растворов на ионный и минералогический состав и сорбционные свойства глинистых пород 80
3.1. Исследование ионообменной активности глин 73
3.1.1. Влияние состава электролитов на водную вытяжку глинистых образцов 73
3.1.2. Изменение химического состава глинистых пород 79
3.1.3. Выводы по разделу 82
3.2. Исследование структурных изменений глин под действием растворов 84
3.2.1. Рентгенография хлорит-гидрослюдистых образцов 88
3.2.2. Рентгенография бентонитовой глины 98
4. Результаты исследования скорости увлажнения глинистых пород 109
4.1. Изучение скорости пропитки образца растворами различного состава за фиксированный промежуток времени 109
4.1.1. Влияние электролитов на скорость увлажнения образцов глины 109
4.1.2. Влияние дисперсных систем и буровых растворов на увлажнение образца глины 119
4.2. Изучение влияния состава раствора на динамику увлажнения образца до заданной глубины 122
4.3. Разработка рекомендаций по составу ингибирующих буровых растворов для вскрытия глинистых пород 135
Выводы 144
Список литературы 157
Приложение 168
- Некоторые особенности и закономерности диффузионно осмотического массопереноса
- Исследование структурных изменений глин под действием растворов
- Рентгенография хлорит-гидрослюдистых образцов
- Изучение влияния состава раствора на динамику увлажнения образца до заданной глубины
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение эффективности строительства скважин в значительной степени определяется сохранением устойчивости стенок скважины в процессе бурения. В наибольшей степени разрушению и деформации подвержены глиносодержащие породы, которые составляют существенную долю осадочного комплекса пород в нефтегазовых регионах.
Основным технологическим решением по предупреждению или, по крайней мере, замедлению процессов разрушения является использование специальных буровых растворов. В настоящее время существует большое количество рецептур буровых промывочных жидкостей, основанных на доминирующей роли того или иного вида массопереноса. При этом единого мнения и, следовательно, единого подхода к этой проблеме нет. Из-за отсутствия универсального системного подхода к данной проблеме используемые приемы регулирования химического состава бурового раствора далеко не всегда обеспечивают эффективность в сохранении устойчивости глинистых пород. В связи с этим актуальной является разработка методических основ к выбору ионного состава бурового раствора.
Цель работы
Повышение эффективности ингибирования глинистых пород за счет регулирования качественного и количественного состава минеральной составляющей буровых растворов.
Основные задачи исследований
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Анализ теоретических представлений и существующих экспериментальных исследований механизма разрушения глинистых пород.
2. Обоснование методики исследования поведения и свойств глинистых пород.
3. Экспериментальные исследования изменения свойств глинистых пород в зависимости от минерализации и ионного состава водных фильтратов.
4. Разработка рекомендаций по составу фильтратов буровых растворов, способствующих сохранению номинального диаметра скважин при вскрытии глинистых пород различной степени литификации.
Научная новизна
1. Установлено, что коэффициент увлажнения глинистых пород Кс находится в обратной зависимости от коэффициента активности неорганического электролита , который позволит обосновать концентрацию электролитов в ингибирующих буровых растворах.
2. Установлено, что гидратация литифицированных глинистых пород имеет ярко выраженный ступенчатый характер только в присутствии одновалентных катионов. При четко выраженном увеличении продолжительности периода релаксации с ростом концентрации скорость увлажнения меняется не линейно и имеет минимум при концентрации 6–8 % для хлорида калия и 5–7 % для хлорида натрия.
3. Выявлено влияние анионного состава электролита на интенсивность разрушения глинистых пород, определяемое природой анионов. В частности, понижение относительной скорости гидратации по сравнению с хлорид-ионами в присутстсвии сульфат-, фосфат- и ацетат-ионов составляет соответственно 40–50, 30–40 и 10–20 %.
Основные защищаемые положения
Структура и химическая активность глинистых пород в пристенной зоне скважины зависит от состава фильтрата бурового раствора, в частности от коэффициента активности электролита.
Полупроницаемые свойства глинистой породы, позволяющие регулировать осмотический массоперенос в системе «раствор-порода», проявляются лишь при формировании достаточно широкого увлажненного слоя породы.
Гидратация глинистых пород происходит неравномерно: период ускоренного увлажнения чередуется с периодом релаксации. При этом продолжительность периодов зависит от концентрации и ионного состава фильтрата.
Практическая значимость
* Коэффициент активности электролитов может быть использован для разработки составов буровых промывочных жидкостей, что позволит сократить время на составление технологических регламентов и может использоваться в технологических проектах строительства скважин.
* Методика оценки скорости увлажнения глинистых образцов на основе определения коэффициента скорости увлажнения Кс может быть использована в качестве экспресс-метода при исследовании воздействия на глины растворов различных составов, а также в учебном процессе. Разработаны методические указания по использованию данного экспресс-метода исследования интенсивности увлажнения глиносодержащих пород.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников УГТУ (г. Ухта, 2006 – 2009 гг.). По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе – две в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, и учебно-методическая разработка.
Структура и объем работы
Некоторые особенности и закономерности диффузионно осмотического массопереноса
Характер переноса определяется видом трансляционного потока вещества. Зная вид потока, можно установить и преимущественный характер переноса. Осмос не является единственной силой, обуславливающей потерю устойчивости пород в приствольной зоне; он действует наряду с другими факторами (капиллярные силы, силы поверхностной гидратации). При этом на первой стадии преобладают капиллярные и осмотические силы, а впоследствии - силы поверхностной гидратации [69].
Однако исследований, позволяющих дать количественную оценку тому или иному виду массопереноса во влагообменных процессах, приводящих к потере устойчивости пород, не проводилось.
Некоторые авторы [69, 71], основываясь на общей теории потоков и используя методы термодинамики и физико-химической гидродинамики, показали, что определение доминирующего вида массопереноса может быть проведено по числу Пекле (Ре): Pe = Pr.Re , (1.5) где Pr — число Прандтля; Re — число Рейнольдса; vo — скорость потока (фильтрационного, капиллярного и диффузионного); L - величина, характеризующая размер среды массопереноса, на которой происходит основное изменение химического потенциала растворителя, вызывающего поток; D — коэффициент молекулярной диффузии.
За величину L можно принимать, например, мощность (длину) зоны потока, проницаемость пористой стенки, средний эффективный диаметр канала проводимости, средний диаметр частиц пористой среды. Для глинистых пород в качестве величины L целесообразно использовать средний диаметр пор или проводящих каналов поверхностного гидратированного слоя, поскольку массообменные процессы протекают в граничных слоях.
На основании статистического анализа экспериментальных данных ряда исследователей установлены значения числа Пекле Ре, характеризующих вид потока. Так, при Ре 10 преобладающими являются фильтрационные и капиллярные потоки, при Ре 5-Ю"2 - диффузионные, а при 5-Ю"2 Ре 10 имеет место смешанный характер потоков.
Используя экспериментальные данные, придем к выводу преобладающей роли диффузионных потоков во влагообменных процессах в глинистых породах. Так, подставляя в формулу наиболее распространенные значения скорости потоков в глинистых средах (ро = 77-10"2 - пЛО"1 м/с, при 1 п 10), диаметра проводящих каналов гидратированного слоя глинистых пород (L = п-10 9 м, при п = 0,1-1,2) и коэффициента молекулярной диффузии (D = 0,5-10"8 - 2-Ю 7 м2/с) получаем: Ре или« 5-Ю"2, что свидетельствует о диффузионном характере массопереноса. Но осмотический массоперенос есть разновидность диффузионных процессов, а наличие у гидратированных пленок глинистых пород полупроницаемых свойств и разности минерализации водной фазы бурового раствора и поровых вод в стволе скважины создает предпосылки для возникновения осмотических перетоков. Таким образом, можно говорить о правомерности диффузионно-осмотической природы вла-гопереноса в системе «буровой раствор - скважина».
Авторы [60] для проведения исследований процесса осмоса получали фильтрационную корку из заранее приготовленного раствора и после этого приводили ее в контакт с раствором, имитирующим пластовый флюид. Эксперимент подтвердил наличие осмотического перетока через фильтрационную корку. Величина и направление осмотического течения в каждом конкретном случае обусловливались составом жидкостей «пласта» и «скважины», а также особенностями фильтрационной корки и возможностью ее модифицирования под воздействием контактирующих сред. Опыты показали, что в результате осмоса возможно частичное «засоление» фильтрационной корки и модельной жидкости «скважины». Увеличение минерализации фильтрационной корки и самой суспензии закономерно согласуется с ростом концентрации этого электролита в «пласте» и с изменением скорости осмоса.
Исследования авторов [27] позволяют утверждать, что деструкция глинистых пород является следствием диффузионно-осмотических процессов, происходящих при контакте их с водными растворами электролитов. Именно осмос, и только он, может быть движителем воды в глинах, а вернее, «насосом», способным создавать избыточное давление в поровом объеме глинистой породы и таким образом разрушать ее изнутри.
Направленность и интенсивность осмотических перетоков в скважине определяются известными законами Вант-Гоффа, Б.В. Дерягина, законами термоосмоса и обратного осмоса, что подтверждено как в лабораторных, так и в промысловых условиях.
Некоторые авторы [3], распространяя результаты опытов на условия скважины, считают, что с учетом осмотических явлений необходимо рассчитывать и перепад давления в приствольной зоне АР. ЛР= P,+P2-(P + PJ, (1.6) где Pj - гидростатическое давление; Р2 — потери давления в кольцевом пространстве; Рт — пластовое (поровое) давление, р — осмотическое давление.
Если минерализация водного компонента бурового раствора больше минерализации поровьгх вод, происходит «вытягивание» воды из пор глины, и тем интенсивнее, чем больше эта разность. Поэтому глины могут «усыхать», приобретая устойчивость. Нарушение устойчивого состояния пород стенок скважины происходит при направленности осмотических перетоков из скважины в пласт. При изотоническом равновесии поровой воды и водного компонента бурового раствора осмотические процессы на устойчивость пород влияния не оказывают.
Сделана даже попытка обобщения существующего материала по данному вопросу [61] и составлена классификационная таблица возможных осложнений, связанных с явлением осмоса (табл. 1.2) [70]. В работе [3] таблица была отредактирована с учетом того, что осмотические давления, развиваемые водным компонентом бурового раствора и пластовой водой, определяются не только общей минерализацией водорастворимых солей. Из таблицы 1.2 видно, что наиболее оптимальными с точки зрения сохранения устойчивости стенок скважин являются сочетания 2 и 5, когда осмос направлен из пласта в скважину. Такое сочетание давлений, как в варианте 1, в процессе проводки скважин нереально и маловероятно.
Исходя из представлений о течении химического осмоса в системе скважина - пласт, вытекает вывод о необходимости повышения минерализации промывочных жидкостей как средств предупреждения и борьбы с осыпями и обвалами. Однако практика применения высокоминерализованных промывочных жидкостей при бурении в потенциально неустойчивых глинистых породах показывает, что осыпи и обвалы в этом случае не всегда уменьшаются.
Почему не согласуется практика бурения с, казалось бы, обоснованными представлениями о роли осмоса в устойчивости глинистых пород?
По мнению автора, это объясняется возможностью течения так называемого обратного осмоса. Под обратным осмосом понимается отфильтро-вывание через полупроницаемую перегородку дисперсионной среды из рассолов под действием перепада давлений.
В соответствии с существующими представлениями, слой 1 может играть роль мембраны, и, следовательно, через него независимо от минерализации поровой воды при определенных условиях (перепаде давления) может просачиваться пресная или опресненная вода. Если обратный осмос будет иметь место, то это приведет к снижению минерализации поровых вод (разбавлению). Последнее обусловит новое равновесие: утолщение гидратных оболочек вокруг частиц глинистых минералов, ослабление естественных связей и, в конечном счете, снижение устойчивости стенок скважин. Видимо, явления химического и обратного осмоса, а также термоосмоса и электроосмоса могут играть значительную роль в устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми породами.
Исследование структурных изменений глин под действием растворов
Для наблюдения за структурными изменениями глинистого образца после его химической обработки применялся метод рентгенометрии, используемый для анализа глинистых пород с 1938 года и основанный на явлении дифракции рентгеновских лучей от кристаллического вещества.
Фазовый рентгеноструктурный анализ основан на том, что каждая фаза имеет свою специфическую кристаллическую решетку с определенными параметрами и ей соответствует на рентгенограмме своя система линий. Поэтому в общем случае при съемке вещества, представляющего собой смесь нескольких фаз, получается рентгенограмма, на которой присутствуют линии всех фаз, входящих в состав образца. Проводя расчет и индицирование линий рентгенограммы, получают данные о качественном составе исследуемого вещества. Интенсивность линий различных фаз на рентгенограмме зависит от многих факторов, в том числе от количества той или иной фазы. С увеличением содержания фазы в смеси интенсивность принадлежащих ей линий возрастает. Однако надежное определение наличия той или иной фазы в составе смеси возможно лишь при некоторых минимальных ее количествах. Чувствительность данного метода для различных фаз колеблется в широких пределах - от десятых долей процента до нескольких весовых процентов и зависит от многих факторов (от отражательной способности атомных плоскостей, а точнее - от рассеивающей способности атомов кристаллической решетки; соотношения коэффициентов поглощения всей смеси и определяемой фазы; величины искажений решетки искомой фазы, от величины кристаллов и др.).
При съемке методом порошка любое кристаллическое вещество дает дифракционную картину. В то же время аморфные вещества, лишенные закономерного кристаллического строения, не способны дать дифракционных линий на снимке. Принципиальная схема для получения снимков по методу порошка (Дебая) приведена на рис. 2.1.
Параллельный пучок РРг монохроматических лучей с длиной волны I направляется через центр цилиндрической камеры О перпендикулярно ее оси. В центре камеры помещается кювета с образцом. Часть первичных лучей будет дефрагироваться кристалликами порошка. При данном значении межплоскостного расстояния d плоская сетка тт в одном из кристалликов, попавших под излучение, будет давать отражение лишь в том случае, если она повернута к первичному пучку рентгеновских лучей РР{ под углом отблеска в, удовлетворяющим формуле Брегга - Вульфа: nX-ldSinO, (2.1) где п - порядок отражения, принимаемый за 1. Отраженные лучи дадут на пленке линию как результат пересечения конуса отраженных лучей с цилиндрической поверхностью пленки.
Естественно, что другая плоская сетка с другой величиной межплоскостного расстояния d\ будет давать отражение при другом угле отблеска 6 ь и ей соответствующая линия получится в другом месте пленки.
При пропускании рентгеновских лучей через образец кристаллического образца получают снимок, или дебаеграмму (рис. 2.2).
При данной длине волны испускаемых лучей в камере прибора с одним и тем же диаметром расположение линий на снимке будет зависеть исключительно от внутреннего строения исследуемого кристаллического вещества [44]. Два кристаллических вещества с различной кристаллической структурой будут давать два различных снимка. Дебаеграммы одинаковых веществ будут одинаковы как по положению, так и по интенсивности соответствующих линий. На рис. 2.3 приведены, к примеру, дебаеграммы кварца Si03 и каолинита АІ4[8І40ю][Н20]8 При сравнении дебаеграмм различных веществ видно, что различие состоит, во-первых, в расположении линий на снимке, во-вторых, в относительной интенсивности линий.
Дебаеграмма для данного кристаллического вещества изменяется только с изменением структуры самого вещества, поэтому может применяться для идентификации веществ. Целью рентгенофазового анализа и является идентификация вещества в смеси по набору его межплоскостных расстояний (d) и относительным интенсивностям (I) соответствующих линий на рентгенограмме. Для этого, согласно закону необходимо определение углов отражения 0. Зная угол 0 и воспользовавшись формулой Брегга - Вульфа, можно вычислить межплоскостное расстояние
Фазовый рентгеноструктурный анализ проводился на рефрактометре ДРОН-ЗМ. Для последующей обработки экспериментальных рентгенодиф-ракционных данных использовался персональный компьютер по программам, работающим в режиме диалога. Выше приведенная дебаеграмма автоматически переводится в рентгенограмму (рис. 2.4), на которой отмечаются пики различной интенсивности (/), соответствующие значениям двойного угла 0(20).
После математической обработки данных прибора с использованием формулы (2.2) и перевода значений 20 в значения межплоскостных расстояний d получают рентгенограмму, в которой пики активности / соответствуют определенным значениям с? (рис. 2.5).
Рентгенофазный анализ помогает идентифицировать вещества в смеси по набору межплоскостных расстояний (d) и относительным интенсивностям (1/10, где 10 - максимальная интенсивность) соответствующих пиков на ди-фрактограмме. Положение пика измеряют по углу под его максимумом, а интенсивность - его высотой или площадью. Рентгенофазный анализ может быть также использован для контроля структурных изменений глинистых минералов при тех или иных воздействиях, в частности при обработке растворами электролитов или буровыми растворами.
Для испытаний готовились образцы в виде порошковой фазы. Измельчение воздушно-сухой глины проводилось механически до прохождения порошковой фазы .через сито с ячейкой 1 мм. Один образец (эталон) - природная необработанная глина; второй образец — та же глина, подвергшаяся обработке раствором, высушенная и вновь измельченная. Образцы помещались в кюветы прибора и подвергались анализу (методика работы на приборе описана в работе [23]).
Рентгенография хлорит-гидрослюдистых образцов
В связи с тем, что основным способом предупреждения разрушения глинистых пород является увеличение концентрации растворимых электролитов, в ходе работы были исследованы сульфаты и хлориды калия, натрия, цинка и др.
Достаточно широко используемыми являются в настоящее время рас-творы с большим содержанием ионов калия. Поэтому достаточное внимание в исследованиях было уделено воздействию солей калия. На рис. 3.2 представлены рентгенограммы образцов глины до и после обработки его растворами хлорида исульфата калия в сравнении с исходным образцом.
Как можно заметить на выделенных участках рентгенограммы, наиболее сильные изменения глинистого образца произвел раствор сульфата калия. Отмечается, значительное увеличение интенсивности некоторых уже имеющихся пиков (участки 1, 2, 3) и даже смещение одного из пиков гидрослюды (участок 4). Заметно изменился профиль пика (участок 5), соответствующего монтмориллониту (см. рис. 3.1 в) (подробнее см. Приложение 1, рис. 1-6). Межплоскостное расстояние в монтмориллоните меняется вследствие изменения содержания в межпакетном пространстве ионов ионно-обменного комплекса и молекул воды. На рентгенограмме глины, обработанной раствором сульфата калия, пик монтмориллонита становится размытым и «расползается» в широких пределах (от 11,06 до 11,69 А). Действительно, как показал параллельно проводимый эксперимент, в растворах сульфатов данная глина быстро теряет устойчивость и разрушается.
В растворе же хлорида калия произошло некоторое увеличение интенсивности пиков в участках 1 и 2, (видимо, за счет адсорбции ионов калия)., Последний вывод подтверждается параллельно проведенными исследованиями по изучению ионно-обменного комплекса глин по традиционной методике [88], которые показали увеличение содержания ионов ионообменного комплекса (калия и натрия) при обработке глинистого образца соответствующими растворами. - і
На рис. 3.3 представлены сравнительные рентгенограммы для образцов глины до после обработки хлоридами калия и натрия.
Как видно, изменения происходят на участке 2: для хлорида калия — увеличение пика ближайшего к максимальному, как отмечалось выше, вследствие адсорбции ионов калия; в растворе хлорида натрия этот пик уменьшается —. ионы калия десорбируются глиной. После обработки хлоридом натрия на рентгенограмме глины наблюдается образование нового пика на участке 1, что, по-видимому, соответствует адсорбции ионов натрия глиной. И можно также заметить «размывание» пика, соответствующего мон 98 тмориллониту (участок 3) в меньшей степени в растворе хлорида калия (со смещением влево, что свидетельствует о частичном уменьшении межплоскостного расстояния в данной области) и в большей степени - для хлорида натрия, что, очевидно, является показателем набухания монтмориллонита в растворах, содержащих Na+.
Более подробно структурные изменения хлорит-гидрослюдистой глины после контакта с растворами электролитов разобраны в табл. 3.6, где также даны возможные объяснения отклонений в рентгенограммах по сравнению с эталоном (необработанной глиной). В таблице даны ссылки на рисунки из приложения 1.
Выводы по данным таблицы 3.6:
- раствор сульфата калия вызвал большие изменения глинистых минералов (монтмориллонит, каолинит) по сравнению с раствором хлорида калия; эти изменения обусловлены в основном адсорбцией ионов из раствора и образованием некоторого количества минерала иллита; кроме того, как показало исследование обменного комплекса данной глины, содержание «активных» обменных ионов после обработки сульфатом калия уменьшается;
- изменения, производимые хлоридом калия, выражены на рентгенограмме в меньшей степени и заключаются в основном в превращении некоторых исходных глинистых минералов в иллит; исследование обменного комплекса также показало уменьшение его ионообменной активности, что, видимо, характерно для всех солей калия;
- раствор хлорида натрия оказал воздействие как на некоторые глинистые минералы (гидрослюда, монтмориллонит), так и на другие минералы породы (кальцит), которые могут выполнять цементирующую роль; кроме того, исследование обменного комплекса показало преимущественное проникновение ионов натрия в глинистые минералы, тем самым соль натрия производит больший разрушительный эффект по сравнению с другими исследованными растворами;
- действие сульфата цинка отразилось на рентгенограмме наибольшим количеством изменений по сравнению с растворами других солей; в целом оно сходно с действием хлорида натрия с тем лишь отличием, что в ионообменную реакцию с солью цинка вступает только каолинит, и обмен проис 101 ходит лишь в области больших межплоскостных расстояний; видимо, это обусловлено большим зарядом и частичным гидролизом солей цинка; кроме того, в кислой среде раствора этой соли происходит частичное разрушение кальцита;
- можно также отметить, что каолинит в составе данной глины более «чувствителен» к присутствию сульфат-ионов, в то время как монтмориллонит - к присутствию хлорид-ионов.
Дальнейшие исследования связаны с испытанием действия водных буровых растворов, содержащих электролит, на образец хлорит-гидрослюдистой породы. За основу были приняты растворы, получившие в настоящее время большое распространение для вскрытия терригенных, в частности глинистых, пород - безглинистый биополимерный и малоглинистый полимерный. Для осуществления сравнительного анализа степени воздействия растворов на породу в зависимости от глубины увлажнения рентгенографические исследования были проведены как для поверхностных участков глинистых образцов, подвергшихся непосредственному воздействию раствора, так и для более глубоких участков образцов, контактировавших только с фильтратом раствора.
Результаты рентгенографии представлены в табл. 3.7 и в приложении 3.
Уменьшение интенсивности пиков, соответствующих глинистым минералам, при обработке их растворами различного состава объясняется уменьшением содержания кристаллических компонентов образца породы с соответствующими значениями межплоскостных расстояний; что, в свою очередь, объясняется проникновением, очевидно, более подвижных ионов растворов в пространство между плоскостями «пластинок» глинистых минералов. В: большей степени этому проникновению подвержены структуры с большими межплоскостными расстояниями — 7,34 и 10,27 А; поэтому падение этих пиков наиболее значительно после обработки глинистых образцов растворами. Причем проникновение ионов в структуру гидрослюды, хлорита и каолинита не вызывает увеличения межплоскостного расстояния, т.е. не приводит к набуханию. Поэтому на рентгенограммах не заметно смещение пиков гидрослюды, хлорита и каолинита в большую сторону. Напротив, в результате адсорбции молекул воды монтмориллонитом или изменения состава;. ионов в его обменном комплексе, происходит изменение межплоскостного расстояния между «пластинками». В этом случае возможно набухание - при адсорбции воды. Тогда на рентгенограмме будет наблюдаться как бы «размазывание» пика за счет частичного смещения его в большую сторону или же появление серии новых пиков с большим значением d/n. Или же набухания не наблюдается (в некоторых случаях происходит уменьшение межплоскостного расстояния); т.к. наличие в межпакетных пространствах адсорбированных катионов (за исключением Na+) снижает способность монтмориллонита к набуханию...
В биополимерном растворе исследованы различные слои образца глины, подвергшейся действию раствора. Как Показала, рентгенография (табл. 3.7), в наибольшей степени деструкции подверглись не поверхностные.слои глинистого образца, непосредственно контактировавшие с буровым раствором, а глубже лежащие участки, к которым осуществлялся доступ фильтрата бурового раствора. По-видимому, полимеры, входящие в состав раствора по 105 зволяют в большей мере предотвращать модификацию глинистых минералов, в то время как на большей глубине, куда доступ полимеров ограничен, эта защитная роль полимеров не сказывается. Это подтверждают и исследования обменного комплекса данной глины, которые показали, что изменения кати-онного состава глины в большей мере происходят в поверхностных слоях глины, следовательно, эти слои подвержены химической деструкции больше, чем глубже лежащие слои. Этот факт подтверждает крепящую роль полимеров, компенсирующих химическое воздействие раствора на поверхностные слои глинистого образца.
Изучение влияния состава раствора на динамику увлажнения образца до заданной глубины
Как было сказано выше, уменьшение коэффициента активности может быть связано с комплексообразованием в растворе, для которого, судя по имеющимся и отраженным в графиках закономерностям, можно выделить оптимальные концентрации (участок «перегиба» для раствора КС1 на рис. 3.7, соответствующий концентрации 5-8 %, или минимальные значения коэффициентов активности для других солей). В отсутствии других ли-гандов катионы могут образовывать аквакомплексы с молекулами воды. Однако известно, что анионы, особенно многовалентные, в роли лигандов способствуют образованию более прочных комплексов по сравнению с нейтральными молекулами (например, молекулами воды). Поэтому в системе «глина-раствор» термодинамически предпочтительнее образование комплексов с сульфат- и карбонат-ионами, которые содержатся в исследуемых образцах глины. Извлечение из глины анионов способствует более скорому ее разрушению, чем, видимо, и объясняется найденная закономерность.
Установленная связь между коэффициентом активности электролита и его способностью к гидратации глин позволила бы в определенной мере упростить выбор типа и концентрации электролитов, используемых в различных рецептурах буровых промывочных жидкостей.
Другим возможным фактором, определяющим увлажняющую способность растворов электролитов по отношению к глинам, является осмотическое давление. О вероятной роли осмотических процессов при взаимодействии глинистых пород с фильтратом бурового раствора говорилось в гл.1. Попробуем экспериментально проследить за проявлением осмотических свойств раствора хлорида калия - наиболее популярного реагента в составе ингибирующих растворов, - не прибегая к точным измерениям осмотического давления, а используя лишь описанную в данной работе методику. Учитывая, что скорость разрушения образца будет зависеть от концентрации раствора, можно сказать, что, если действие осмотических сил действительно имеет место, то с увеличением концентрации должно происходить замедление процесса гидратации.
Для сравнения возьмем растворы различных концентраций в диапазоне от 1 до 10 %. Установим, как быстро пропитается образец глины до 2, 4, или 12 мм в каждом из растворов. По результатам измерений построен график зависимости времени увлажнения глинистого образца от концентрации раствора (рис. 4.14).
На графиках видно, что с увеличением глубины пропитки разность концентраций растворов сказывается все в большей мере. Для отметок «2 мм» и «4 мм» графики имеют более сглаженный характер, то есть на небольшой глубине от поверхности концентрация раствора электролита не оказывает заметного влияния на скорость проникновения воды в систему капилляров и пор глины. Очевидно, что на этой глубине осмотические силы практически отсутствуют (в случае малой и средней степени увлажненности глинистых пород).
Однако с увеличением глубины пропитки образуется достаточно широкий увлажненный слой, в пределах которого возможно возникновение осмотических сил, некоторое время предатствующих дальнейшему прохожде 134 нию воды в глубокие слои. Уже на глубине 10-12 мм от поверхности образца эта закономерность становится заметной.
Дальнейшее продвижение воды в породу обусловлено, видимо, разрушением порово-капиллярной системы на данном участке — ситуации, в которой осмотическое торможение дальнейшего продвижения воды вглубь неосуществимо. То есть продолжительность времени действия увлажненного слоя глины в роли полупроницаемой перегородки будет ограничена интенсивностью деструктивных изменений в кристаллической структуры глинистых минералов, а также подвижностью ионов, создающих градиент концентраций на разных сторонах капилляров.
Подобные данные были получены и для растворов других солей (рис. 4.15-4.16).
Значения коэффициентов активности одновалентных ионов калил И на-трия при концентрации 0,6-0,7 % сопоставимы по значению с коэффизХИ " тами активности двухвалентного иона кальция только в его 18 %-м растворе.
Соответственно разрушающее действие этих катионов на глинистую породу (их ионообменная активность) будет примерно одинаковой. Однако осмотическая активность их будет в значительной мере отличаться.
В таблице также приведены данные для раствора соли сульфата- алюминия. При достаточно высоких концентрациях коэффициенты актитзїїоСТИ этих растворов, как видно из таблицы, очень малы. Однако их осмотихїе;СКая активность велика, так же по причине высокой концентрации.
Осмотические и электрокинетические свойства растворов электроЛ1ГГОВ взаимосвязаны между собой, и трудно их рассматривать в изоляции ДЗРУ1, от друга. Тем не менее при взаимодействии с глинистыми минералами о З по-разному проявляют себя: активность иона характеризует его подвижнасТЬ и способность образовывать в растворе соединения, например, за счет кс?РДи" национных связей; осмотические свойства раствора характеризуют ет о спо собность «вытягивать» воду из глины или, напротив, способствовать- ее за качке. Коэффициент активности растворенного вещества связан с ослі: гиче" ским коэффициентом Ф и моляльностью Ст, (моль/кг) раствора электтролита соотношением Бьеррума:
Итак, для эффективной защиты глинистой породы от гидратации необходимо оптимальное сочетание активности (то есть ионы должны обладать как можно меньшим сродством к глинистому минералу) и осмотического давления (как можно больше).
Одновалентные катионы не способны дать такого сочетания, так как их осмотическая активность при высоких концентрациях полностью нивелируется их электролитической активностью, а при низких концентрациях их осмотическая сила минимальна.
Что касается многовалентных ионов, то такое сочетание возможно. Действительно, как показал эксперимент, многовалентные ионы в значительной мере предотвращают гидратацию глины при больших концентрациях (более 18 % для хлорида кальция, и более 15 % для сульфата алюминия).
Установлено, что присутствие в буровом растворе солей поливалентных металлов способствует снижению капиллярного влагопереноса и усилению взаимодействия в литифициорванной глинистой породе [18].
Отметим также, что в растворах солей, гидролизующихся по катиону (например, соли алюминия, магния, железа), дополнительным разрушительным фактором при низких концентрациях является еще и кислая среда раствора. Кислая среда в растворе сульфата алюминия (при концентрациях меньше 15 %) способствует более быстрому разрушению образца глины по сравнению со всеми другими катионами.
