Характеристика осадочных пород

Породы	Прочность	Характеристики
Сланцы	Мягкие (эластичные)	Обычно встречаются на небольших глубинах (< 3000 м); мягкий и гибкий благодаря высокому содержанию воды; давление нагнетания и давление гидроразрыва пласта приблизительно одинаковы; гибкая структура породы позволяет трещинам быстро «заживать»; при бурении в данной породе наблюдаются поршневание, потеря циркуляции, эрозия ствола, закупорка ствола
Твердые (ломкие)	Обычно встречаются на больших глубинах (>3000 м); твердые и ломкие из-за низкого содержания воды; давление гидроразрыва выше, чем давление нагнетания; ломкая структура не дает трещинам «заживать»; при бурении наблюдается закупорка ствола
Песчаник	Неконсоли-дированный	Обычно встречается на небольших глубинах (< 1500 м); обладает высокой пористостью (25 % +); высокопроницаем (2 дарси +); наблюдаются потеря циркуляции, эрозия и закупорка ствола
Консоли-дированный	Встречается на средних и больших глубинах (1200 и > м); диапазон пористости – 1–25 %; диапазон проницаемости – до 2 дарси; может иметь место дифференциальный прихват, сужение ствола скважины
Известняк-доломит	Мягкий (мел)	Низкий предел прочности при сжатии; высокая пористость (+/- 40%); диапазон проницаемости – до 2 дарси; растворяется в растворах на пресной воде; возможна эрозия ствола, загрязнение раствора
Твердый (ломкий)	Высокий предел прочности при сжатии, обычно трещиноватый; высокая пористость (20–40%); высокая проницаемость; возможна закупорка ствола, потеря циркуляции, дифференциальный прихват

Пласты с неуплотненной породой. В качестве неуплотненной породы могут выступать песчаник или гравий (обычно при бурении под кондуктор).

Причинами обвалов могут быть:

1) отсутствие или незначительное количество цементирующего материала в матрице породы (рис. 5.7);

2) поглощение БР в связи с недостаточностью глинистой корки;

3) недостаточная плотность БР для уравновешивания нагрузки в приствольной зоне при вскрытии данных пород.

Признаками обвалов служат:

• повышение сопротивления, за которым следует остановка вращения;

• скопление частиц горных пород в местах соединений;

• закупорка затрубного пространства;

• противоток в местах соединений;

• сила прихвата ослабляется при циркуляции.

Меры по предупреждению обвалов:

- увеличение по возможности скорости бурения;

- регулирование скорость восходящего потока.

Для ликвидации обвалов необходимо выбить по направлению вверх при низком давлении на выкиде насоса. Использовать крутящий момент, чтобы попытаться восстановить циркуляцию. Когда циркуляция восстановлена необходимо увеличить скорость бурения для отчистки скважины от шламов пород.

Трещиноватые породы (кавернозные доломиты, известняки, песчаники с известковистым цементом) могут расслаиваться (рис. 5.8).

Трещины в них могут раскрываться при большой плотности бурового раствора, высоких давлениях на устье, повышении забойного давления в процессе испытания пластов. Породы этой группы теряют устойчивость, обваливаются, осыпаются, обрушиваются в случае их тектонической нарушенности.

Механизм обвала: к огда долото проникает в такие пласты, происходит ослабление напряжения и осколки породы проникают в ствол скважины, блокируя колонну.

Признаки:

· колебания величины крутящего момента;

· резкое увеличение силы трения/сопротивления при движении вверх и вниз;

· повышение мощности на вращение колонны;

· большие осколки породы на вибросите;

· потери бурового раствора;

· циркуляция не помогает преодолеть силу сопротивления/трения.

Предупреждение. Проанализировать возможные интервалы разлома по известной геологической и геофизической информации. Разработать составы высокоструктурированных растворов.

Ликвидация: выбить в противоположном направлении. Применить кислотные ванны.

Слабосцементированные породы. Менее прочные породы (пески, слабосцементированные песчаники, глинистые сланцы, аргиллиты), силы связи между зернами которых не намного выше давления бокового распора, могут разрушаться при циклическом изменении гидродинамического давления при СПО, пуске насосов, восстановлении циркуляции, поглощениях, проявлениях, пакеровках. При поглощении фильтрата раствора сланцами происходит интенсивное обрушение. Проникновение воды в систему микротрещин вызывает расширение, достаточное для того, чтобы заставить массы частиц сланца отделиться от стенок скважины. Неодинаковое разбухание расширяющихся и нерасширяющихся сланцев вынуждает хрупкие слои разрушаться и падать в скважину.

Особенно быстро обваливаются породы, силы связи между зернами которых существенно ослабляются или практически исчезают при воздействии БР или его фильтрата. Поступление фильтрата в породу обусловливается рядом физико-химических факторов: перепадом давления между скважиной и пластом, осмотическим, диффузионным, термодиффузионным проникновением через глинистую корку, капиллярными эффектами.

Характерные признаки обвалов (осыпей) - резкое повышение давления на выкиде буровых насосов, обильный вынос кусков породы, интенсивное кавернообразование и недохождение бурильной колонны до забоя без промывки и проработки, затяжки и прихват бурильной колонны, иногда – выделение газа. Интенсивное кавернообразование существенно затрудняет вынос выбуренной породы на дневную поверхность, так как уменьшается скорость восходящего потока и его подъемная сила, возрастает аварийность с бурильными трубами, особенно при роторном бурении. Из-за опасности поломки бурильных труб приходится уменьшать нагрузку на долото, а это ведет к снижению механической скорости проходки.

Из анализа важнейших причин обвалообразований следует, что они усиливаются по мере увеличения продолжительности бурения и глубины скважин.

В зависимости от стадии развития обвалообразований и их вида меняются определяющие признаки. Так, при проходке малоустойчивых высокопроницаемых легко набухающих пород вначале наблюдаются сужения ствола скважины по кавернограмме, небольшие затяжки бурильной колонны, сальникообразования, повышение давления в нагнетательной линии насосов. В последующем возможно увеличение диаметра ствола и кавернообразование.

При течении пластичных пород и оползнях также отчетливо наблюдается сужение ствола по кавернограмме, однако оно может быть очень длительным или даже непрекращающимся, если не принять специальных мер. Такое сужение сопровождается затяжками и заклиниванием, прихватами бурильной колонны. При длительных остановках затрудняется дохождение до забоя, проработка ствола при спуске колонны почти не отличается от бурения нового ствола. В скважине образуются пробки.

Осыпи проявляются вначале как увеличение выноса шлама и вынос его из ранее пройденных интервалов, накопление осадка на забое. Затем обнаруживаются каверны, ухудшение выноса шлама с забоя вследствие расширения ствола, снижения скорости восходящего потока и накопления разбуриваемой породы в кавернах и на забое. Куски обваливающихся и осыпающихся пород отличаются от шлама разбуриваемых пород не только принадлежностью к другому интервалу и литологией, но и большими размерами и формой.

Основные меры предупреждения и прекращения обвалообразований. Вероятность обвалообразований, сочетание и взаимообусловленность с другими видами осложнений должны учитываться еще в стадии проектирования, при выборе конструкции скважины, диаметров, числа и глубины спуска обсадных колонн, при выборе БР, долот и режимов бурения.

Конкретные меры предупреждения и прекращения развития обвалов зависят от вида обвалообразований, их интенсивности и технических возможностей, имеющихся химических реагентов, диаметров труб и УБТ.

Важнейшее условие предупреждения и прекращения обвалообразований - правильный выбор вида, состава и параметров буровых растворов - и их физико-химической активности.

При обвалообразованиях, обусловленных или усиленных высокой водоотдачей раствора, активным воздействием фильтрата на неустойчивую породу, необходимо добиваться снижения водоотдачи, изменения состава фильтрата путем химической обработки или переходить на промывку другим раствором.

Хорошие результаты дает введение в раствор калийных, полимеркалиевых реагентов, применение пластовых вод и других минерализованных растворов (и их фильтратов), в которых многие глинистые породы и минералы не растворяются, не набухают, не теряют или даже повышают природную прочность и устойчивость. В ряде районов успешно используют полимерхлоркалиевые, известково-калиевые, содержащие кремнийорганические добавки растворы.

Имеется положительный опыт применения силикатных и силикатосолевых растворов со значительной концентрацией жидкого стекла. Чем отрицательнее действуют на породы фильтраты растворов, тем меньшей должна быть и водоотдача. Успешно бурили скважины в толще малоустойчивых пород при промывке пресными глинистыми растворами с использованием растворов на нефтяной основе, прямых и обратных эмульсий, а также эмульсий, приготовленных из предварительно насыщенных нефтью глинопорошков.

Положительные результаты получены при применении алюмокалиевых растворов для вскрытия неустойчивых глинистых отложений в зоне АВПД, а в условиях невысоких пластовых давлений растворов - на основе алюминиевых мыл жирных кислот.

При повышении плотности растворов увеличивается противодавление со стороны скважины, предупреждается обвалообразование при вскрытии водонасыщенных пород, плывунов, вязкопластичных глин и текучих солей. Важный фактор - ускорение проводки всей скважины или хотя бы осложненного интервала для закрепления его обсадной колонной.

Для предупреждения сужений стволов в высокопроницаемых породах необходимо снижать а при возможности и плотность растворов, тем самым улучшать очистку раствора от шлама, сокращать перерывы в промывке, поддерживать достаточно высокую скорость восходящего потока, способствующего размыву рыхлых поверхностных слоев корки и препятствующего налипанию шлама.

Целесообразно снижать колебания бурильной колонны, уменьшать прогиб бурильных труб установкой амортизаторов, центраторов, калибраторов, УБТ квадратного сечения и со спиральными канавками, имеющих при достаточно большом сечении каналов для промывки небольшие зазоры и площадь контакта со стенками.

На возникновение прихватов в значительной степени влияют структурно-механические свойства фильтрационных пород (адгезионная способность, сопротивление сдвигу, прочность), зависящие от содержания твердой фазы в БР и ее состава, вида химической обработки и смазочной способности раствора.

Фрикционные свойства фильтрационных корок снижают применением высококачественных глинопорошков и утяжелителей, улучшением очистки раствора. Фильтрационные корки должны быть тонкими, эластичными, мало- или непроницаемыми, с минимальными силами адгезии и коэффициентом трения.

При практически неизбежных обвалообразованиях в трещиноватых скальных породах целесообразно постепенное вскрытие пласта с периодической заливкой под давлением цементным или полимерцементным (имеющим большую проникающую способность) раствором только что пройденных небольших интервалов (от нескольких метров до десятков), а также предварительное укрепление зоны ниже забоя. Имеется положительный опыт цементирования уже образовавшихся каверн небольшой мощности (10-15 м) в аргиллитах.

Заливкой цементным раствором приходится укреплять своды обрушения под башмаками обсадных колонн во избежание ударов и смятия их при подъеме бурильной колонны.

Для обеспечения полной очистки скважины от выбуренной и осыпавшейся породы (шлама) перед подъемом инструмента скважину необходимо промыть до полной очистки с максимально допустимой производительностью буровых насосов, а СПО вести с ограничением скорости. Скорость спуска бурильного инструмента ограничить до 0,5 м/с, а подъем осуществлять на первой скорости.

При появлении осложнений, вызванных интенсивным осыпанием пород (затяжки, проработки, скопление шлама в кавернах и др.), для качественной очистки ствола скважины возможно применение загущенных буровых растворов или ВУРов. В случае использования типового БР необходимо спустить трехшарошечное долото на бурильных трубах (без турбобура и УБТ) и при максимальной производительности насосов промыть скважину до полной ее очистки.

Не оставлять бурильную колонну без движения в открытом стволе скважины более 5 мин. Перед вынужденной остановкой бурильная колонна должна быть поднята в башмак обсадной колонны, а в случае невозможности подъема обеспечить периодичное ее расхаживание.

Запрещается углубление скважины при наличии затяжек, посадок, подклиниваний до полной их ликвидации и выявления причин, вызвавших данные осложнения.

Для размыва скопления шлама в кавернах осуществить специальный спуск переводника с боковыми гидромониторными насадками.

Для предупреждения вибрационного воздействия колонны бурильных труб на стенки скважины в компоновку ее низа целесообразно включать наддолотные амортизаторы в упругие стабилизаторы.

Для предупреждения прихватов в интервалах, где породы (глины, аргиллиты) неустойчивы, выпучиваясь и осыпаясь, прихватывают находящуюся в скважине колонну труб, необходимо осуществлять следующие работы:

· создать условия для бурения неустойчивых интервалов с максимально возможными скоростями, не допуская остановок из-за отсутствия труб, материалов и т. д.;

· применяемый БР должен поддерживать ствол в хорошем состоянии, исключать затяжки, посадки, прихваты и образование больших каверн;

· для предупреждения вибрационного воздействия колонны бурильных труб на стенки скважины в компоновку ее низа рекомендуется включать наддолотные амортизаторы;

· при непрекращающихся явлениях сужения ствола выпучиваемыми породами необходимо утяжелить БР на 10-15 % по сравнению с требуемым ГТН или пересмотреть соответствие типа БР геолого-техническим условиям бурения;

· спускать бурильные трубы следует с промежуточными промывками для снижения давления при продавке БР, особенно при больших значениях СНС;

· следует предусматривать периодическую промывку ствола скважины порциями вязкого БР.

Прекрасными противоприхватными свойствами обладают БР на углеводородной основе и обращенные эмульсии. Применение таких растворов благоприятствует улучшению буримости пород. Однако высокая стоимость, сложность регулирования их свойств в условиях высоких температур и давлений при агрессивной среде, дефицитность некоторых компонентов, повышенная пожароопасность и дополнительные затраты, связанные с утилизацией как шлама горных пород, так и самих эмульсий, сдерживают широкое использование этих буровых систем.

Одна из наиболее сложных проблем при бурении – предотвращение коагуляции БР под действием высоких температур, сопровождающейся ростом водоотдачи и интенсивным структурообразованием, что повышает прихватоопасность.

Осложнения в скважинах, вызываемые термоокислительной деструкцией БР и являющиеся потенциально возможными причинами прихватов, удается предотвратить обработкой БР специальными термостойкими защитными реагентами. Считается, что УГЦР и КССБ термостойки при отсутствии солевой агрессии. Крахмал и КМЦ термостойки до температуры соответственно 100 и 120 - 150 °С (КМЦ - в зависимости от степени полимеризации). Акриловые сополимеры термостойки при более высоких температурах, что позволяет иметь низкую водоотдачу солевых растворов при температуре 180 - 200 °С, пресных - до 250 °С (гипан, метас).

Первая мера при прихвате - недопущение его распространения, для чего необходимо расхаживать бурильную колонну с усилием в пределах технически допустимых норм, проворачивать ее ротором, а если вращения нет, то периодически создавать допустимый крутящий момент (отбивка pотором). Если циркуляция восстановлена, то надо продолжать промывку, усиливая ее и улучшая качество раствора введением смазывающих добавок, удалением шлама, облегчением раствора до допустимого значения плотности. При отсутствии промывки возрастает опасность ее полного прекращения вследствие забивания шламом кольцевого сечения, насадок долот и турбобура, обратного клапана, поглощений при восстановлении циркуляции. Циркуляция необходима для установки нефтяных кислотных ванн.

Набухание глинистых пород

Водная фаза из бурового растворас высокой реакционной способностью входит в реакцию с глинами в пласте, вызывая набухание (рис. 5.9). Обломки взаимодействуют с водой в буровом растворе по пути к поверхности, образуя «глиняные пробки».

Возможные породы: глины или сланцы (обычно малоглубинные пласты).

Признаки:

· постепенно усиливающееся трение (сила сопротивления) / крутящий момент;

· повышение давления циркуляции;

· увеличение реологических свойств раствора;

· образование глинистых пробок.

Предупреждение:

- использовать ингибированные буровые растворы и растворы на нефтяной основе;

- не останавливать вращение колонны;

- очищать БР после разбуривания цемента.

Ликвидация производится вращением и спуском трубы, установлением циркуляции, поднятием колонны с обратной проработкой.

Из общего объема осадочных пород на долю глинистых приходится около 70 %. Глинистые породы составляют значительную часть разреза бурящихся скважин. Но даже в тех районах, где мощность глинистых пород невелика, они оказывают большое влияние на условия бурения. К их числу относятся глины, лессы, суглинки, аргиллиты и др.

Глинистые породы представляют собой совокупность минеральных обломков различного состава и различных фракций, связанных между собой пленками воды (в глинах), или кремнекислоты (в аргиллитах). Поэтому глинистые породы называют связными. Составными частицами, определяющими основные свойства глинистых пород, являются глинистые (размером в 1мк и менее) и пылеватые (размером 25 мк) частицы – продукты механического и химического выветривания магматических пород. По минеральному составу глинистые частицы могут быть представлены различными минералами. Преобладающими из них являются листовые силикаты: монтмориллонит, гидрослюда (чаще всего иллит или каолинит). Реже встречаются палыгорскит, вермикулит и другие листовые силикаты.

Плотные метаморфизованные породы (например, глинистые сланцы, роговики) с непосредственным межмолекулярным взаимодействием глинистых частиц весьма устойчивы. Трещиноватые при насыщении их водой распадаются на кусочки (по трещиноватости). Глины с неустойчивыми и слабоуплотненными частицами тоже насыщаются водой, набухают, теряют свою прочность и разрушаются.

Глинистые минералы по химическому составу представляют собой водные (содержащие кристаллизационную воду) алюмосиликаты. Суммарное содержание глинозема (Al₂O₃), кремнезема (SiO₂) и воды достигает в глинах 75-90 %. Остальное приходится на долю других элементов периодической системы, среди которых явно преобладают Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺.

В глинах содержатся в различных количествах окислы железа (например, Fе₂О₃), щелочных металлов (Nа₂О, К₂О), щелочноземельных металлов (СаО, МgО). Присутствие в глинах окислов во многом определяет их свойства. Окислы металлов связаны с глинистыми минералами различно: часть их может входить в состав минералов, замещая окислы А1₃; часть же связана с глинистым веществом слабее и представляет собой обменные основания. Одним из определяющих признаков является отношение SiO₂ : R₂О₃ (где R - А1, Fе). Это отношение колеблется для минералов монтмориллонитовой группы от 4 до 7, каолинитовой - от 2 до 3, гидрослюдистой – от 3 до 4, палыгорскитовой - от 2,1 до 2,5.

Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы, т. е. происходит обмен катионов. Каждая глина обладает определенным количеством обменных катионов, т. е. вполне определенной обменной емкостью.

В глинистых минералах обменными катионами являются Са²⁺, Мg²⁺, К⁺, Nа⁺, Н⁺, NН₄⁺. В природных глинах к основным обменным катионам относится Na и Ca, поэтому глины получили название соответственно Na илиСа.

Независимо от состава обменного комплекса все глины в той или иной степени являются гидрофильными. При замачивании глины водой глинистые частицы покрываются гидратной оболочкой. Молекулы воды, проникая между кристаллами, раздвигают их, и глина набухает. Характер набухания зависит от типа глины: чем меньше поливалентных катионов содержится в обменном комплексе минерала, тем сильнее разобщаются слои и больше набухает глина. Так, натриевые бентонитовые глины, имея подвижную кристаллическую решетку, могут при замачивании увеличиваться в объеме в 8–10 раз и легко распускаться в воде. Каолиновые глины набухают и распускаются в воде плохо. Гидрослюдистые глины и палыгорскит занимают промежуточное положение.

Кристаллическая решетка монтмориллонита представляет собой пакет их двух слоев кремнекислородных тетраэдров Si₂05, связанных гидроаргиллитовым слоем Аl(ОН)₃+. Пакеты между собой связаны обменными катионами: К⁺, Nа , Mg²⁺, Са²⁺. С увеличением заряда катиона прочность связи повышается, поэтому кальциевые монтмориллониты значительно труднее набухают и диспергируют в воде, по сравнению с натриевыми.

Кристаллическая решетка иллита сходна с кристаллической решеткой монтмориллонита, отличается лишь тем, что в поверхностном слое пакета часть атомов кремния замещена атомами алюминия, в результате чего нескомпенсированный заряд поверхности пакетов активнее взаимодействует с катионами (в частности, с катионами калия), и связь между пакетами оказывается значительно выше, чем в пакетах монтмориллонита. Иллиты значительно слабее набухают и труднее диспергируют в воде.

Кристаллическая решетка каолинита имеет только два слоя: слой кремнекислородных тетраэдров и гидроаргиллитовый слой. Пакеты каолинита за счет большого количества гидроксильных групп оказываются прочно связанными между собой. Глина весьма слабо набухает и диспергирует в воде.

К микротрещиноватым глинистым породам относят твердые (скальные), сцементированные (аргиллит) или метаморфизованные (сланцы) глинистые породы, разбитые микротрещинами под воздействием тектонических подвижек. Микротрещины простым глазом в ряде случаев обнаружить не удается, но образцы породы, погруженные в воду, разваливаются на отдельные кусочки.

Процесс размокания подобен процессу диспергирования: молекулы воды всасываются трещинами, и по мере увеличения пленки воды прочность связей понижается, и образец размокает. В скважине под влиянием высокого горного давления часто наблюдаются «выстрелы» кусков такой породы («стреляющие аргиллиты»). Под воздействием горного давления, бурильной колонны, БР породы обваливаются и осыпаются, что приводит к тяжелым последствиям: заклиниванию, прихвату и обрыву бурового снаряда, завалу скважины, кавернообразованию. Каверны, в свою очередь, приводят к ряду нежелательных явлений: изгибу бурильной колонны, знакопеременным нагрузкам и их поломкам. Шлам, скапливаемый в кавернах, - потенциальный источник прихвата бурового снаряда.

Молекулы воды состоят из атомов кислорода и двух атомов водорода, обладающих разной электроотрицательностью, поэтому орбитами кислорода подвергаются гибридизации (вытягиваются). Молекула воды принимает форму тетраэдра и поляризуется (образует диполь). В двух вершинах тетраэдра (в вершинах орбиталей кислорода с непоселенными электронными парами) возникает отрицательный заряд, а в двух других вершинах (с атомом водорода) - положительный заряд.

В результате такой поляризации молекул воды осуществляется межмолекулярная связь. Помимо межмолекулярных сил между молекулами воды и поверхностью твердого тела возможна и водородная связь, обусловленная способностью атома водорода воды взаимодействовать с высокоотрицательными атомами твердого тела. Водородная связь прочнее межмолекулярной в 5 - 6 раз, но в 15 - 20 раз слабее химической.

В результате взаимодействия отрицательного заряда глинистых частиц (обусловленного наличием на их поверхности огромного количества высокоотрицательного кислорода) и положительных полюсов молекул (диполей) воды (за счет межмолекулярных и водородных связей) вокруг частиц образуется плотный адсорбированный гидратный слой, прочно связывающий глинистые частицы друг с другом.

Прочность глинистой породы зависит от толщины пленки воды между глинистыми частицами.

У самой поверхности глинистых частиц силы взаимодействия молекул воды с частицами достигают тысяч мегапаскалей. С удалением от поверхности межмолекулярные силы быстро убывают обратно пропорционально седьмой степени расстояния (от молекул до частиц). Таким образом, чем тоньше пленка воды, тем выше прочность породы.

Суммарную поверхностную энергию всех частиц горной породы называют объемной электрической энергией. Плотность объемной электрической энергии определяют, главным образом, дисперсностью и гидрофильностью (зарядом) частиц. С увеличением толщины пленок воды между частицами эта плотность понижается.

Под воздействием объемной электрической энергии горная порода насыщается водой и набухает. Глина насыщается водой до тех пор, пока толщина гидратного слоя не достигнет некоторого критического значения, при котором сила взаимодействия молекул воды с частицами будет меньше силы давления извне, или когда межмолекулярные силы снизятся до нуля.

Степень набухания обусловлена структурой кристаллов горной породы, дисперсностью и гидрофильностью глинистых частиц. С увеличением дисперсности частиц (увеличением их суммарной поверхности) и гидрофильности (заряда частиц, обусловленного количеством гидрофильных функциональных групп SiO , SiOH на их поверхности) степень набухания возрастает.

Особенности поведения системы «глина – вода» зависят также от соотношения свободной и связанной воды, ее минерализации и щелочности. Чем больше связанной воды, тем меньше набухают глины. Кроме того, связанная вода теряет растворяющую способность. Вода, содержащая различные соли, резко снижает гидрофильность глин и количество связанной воды. Так, у 3%-ных суспензий аскангеля при добавке 0,1 % NаС1 содержание связанной воды снижается до 7,4 %, а при добавке 0,5 % соли - до 3,4 %, при 10 % соли в связанном виде находится лишь 1,72 % всей воды системы.

В кислых и сильнощелочных средах содержание связанной воды также незначительно, при этом глины очень плохо набухают и распускаются. При повышении температуры количество связанной воды уменьшается в 1,5 раза, а процесс набухания возрастает в несколько раз. Увеличения количества связанной воды, снижения набухаемости и повышения прочности можно достичь путем специальных добавок некоторых электролитов.

Физико-химические свойства глинистых суспензий во многом определяются протекающими в них ионно-обменными и адсорбционными процессами.

Первая причина катионного обмена пород, представленных глинистыми минералами, – нарушение связей их краев, что обусловливает возникновение некомпенсированных зарядов, которые уравновешиваются адсорбированными катионами. По мере диспергирования глинистых частиц увеличивается емкость обмена.

Вторая причина, которая обусловливает катионный обмен, - замещение внутрикристаллической решетки кремния алюминием, а алюминия – магнием или другим ионом низшей валентности. Это приводит к возникновению заряда в структурной ячейке, который и уравновешивается зарядом адсорбированного обменного катиона.

Третья причина катионного обмена - замещение водорода наружного гидроксила на соответствующий катион.

Кальциевые глины прочнее связывают воду, чем натриевые, и обладают большей величиной энергии связи. Однако диффузный слой ионов кальциевых глин меньше, чем натриевых, поэтому у них не наблюдается пептизации частиц, что характерно для натриевых глин.

Установлено, что ионная замещаемость зависит от температуры - относительные количества К⁺, Са²⁺ и Н⁺, способные к замещению, уменьшаются при нагревании, а количества Са⁺ и Мg²⁺ увеличиваются.

На величину обменной способности глин влияет рН среды. Истинная причина различных значений рН суспензий глинистых минералов заключается не в количестве окислов, входящих в состав кристаллической решетки того или иного материала, а в природе поглощения иона и наличии в суспензии растворимых солей. Причем свойства глин и поведение их в водной среде в значительной степени зависят от несовершенств и дефектов кристаллической решетки глинистых минералов.

Обменная способность катионов тем выше, чем больше их валентность, а в пределах ионов одной валентности она тем выше, чем больше атомный вес. Таким образом, по способности вхождения в поглощающий комплекс катионы можно расположить в следующий ряд:

Al³⁺ > Са²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ > Li⁺.

Это объясняется тем, что с увеличением объема иона возрастает его поляризуемость, которая позволяет иону ближе подойти к электрически заряженной поверхности глины, а с увеличением радиуса иона уменьшается степень его гидратации, что способствует вхождению его в адсорбционный слой поглощающего комплекса.

Исследованиями установлен ряд поглощения катионов из водных растворов:

Pb²⁺ > Cu²⁺ > Ca²⁺ > Ba²⁺ > Mg²⁺ > Кд²⁺.

Ионный обмен относится к обменной адсорбции, так как поглощение какого-либо иона обязательно сопровождается вытеснением из адсорбента одноименно заряженного иона в эквивалентных количествах.

В области буровых растворов изучение ионного обмена имеет важное значение для выяснения специфического влияния обменных ионов на процессы набухания пород, представленных глинистыми образованиями.

При бурении уплотненных глин основными осложнениями являются осложнения, связанные с нарушениями устойчивости стенок скважин под воздействием воды. В результате насыщения водой глины размягчаются, разбухают и пластически деформируются, сужая ствол скважины. Устойчивость и прочность глин определяют количеством адсорбционной воды, толщиной ее пленки между глинистыми частицами.

Водонасыщенные (среднеуплотненные) глины пластичны. При вскрытии их стволом скважины под действием горного давления они пластически деформируют внутрь скважины, сужая ее диаметр, вызывая прихваты бурового снаряда, повышая трение снаряда, расход энергии на его вращение, затрудняя циркуляцию промывочной жидкости и достижение снарядом забоя.

Сильно насыщенные водой неуплотненные глины переходят в текучее состояние. Особенно быстро переходят в текучее состояние легкоподвижные пылеватые глинистые породы. В процессе бурения таких пород образуются пробки, наблюдаются затяжки и прихваты бурового снаряда. После их разбуривания происходит заполнение скважины породой, что требует повторного перебуривания.

Прочность глинистых пород находится в зависимости от их влажности, причем в отличие от прочности уплотненной глины прочность неуплотненной глины (вследствие значительного расстояния между глинистыми частицами и отсутствия молекулярного взаимодействия между ними) обратно пропорциональна ее влажности в кубе:

,

где f -начальная прочность глины;

К - начальная влажность;

К₁ - влажность насыщенного водой образца.

Таким образом, разупрочнение неуплотненной глины происходит значительно интенсивнее, чем уплотненной. Главной задачей в борьбе с осложнениями при бурении неуплотненных глин является отсасывание из них воды и повышение связей между частицами.

Отсасывание воды из пор глины осуществляют двумя путями: повышением объемной энергии компонентов промывочной жидкости и нейтрализацией заряда глинистых частиц. Как повышение объемной энергии бурового раствора, так и нейтрализацию заряда частиц можно проводить катионоактивными электролитами. Наличие в неуплотненных глинах пор значительных размеров позволяет проникать катионам вместе с водой на большие расстояния.

Эффективность упрочнения глин электролитами зависит от следующих их качеств: валентности (заряда) и ионного радиуса катионов; гидрофильности катионов; активности анионов; концентрации электролитов.

Интенсивность взаимодействия катионов с частицами пород повышается пропорционально увеличению их заряда (валентности) и обратно пропорционально квадрату расстояния от центра гидратирования иона до центра силанольного аниона частицы SiO :

Особое место среди катионов занимает катион водорода . Он имеет ничтожно малые размеры (представлен только протоном), поэтому весьма подвижен, способен приближаться к глинистым частицам на малые расстояния и активно взаимодействовать с анионами. Поэтому, несмотря на низкую валентность, ион водорода способен вытеснять все вышеперечисленные катионы.

Ионы водорода подвижны, активно нейтрализуют отрицательный заряд частиц. Сами ионы слабо взаимодействуют с молекулами воды, поэтому с помощью электролитов – кислот, при незначительных концентрациях, удается понизить влажность до К =0,3 см /г и ниже, чего нельзя добиться при нейтрализации другими электролитами.

Существенное влияние не интенсивность взаимодействия и нейтрализацию заряда частиц имеет гидрофильность катионов. Гидрофильность электролитов определяют по теплоте их растворения. Теплота растворения электролитов представляет собой энергию взаимодействия катионов и анионов и энергию взаимодействия катионов и анионов с молекулами воды. Наибольшую теплоту растворения имеют электролиты со слабыми связями анионов и катионов (это обычно одновалентные ионы) и с высокой энергией их взаимодействия с молекулами воды (т. е. с высокой электроотрицательностью ионов, таких как Р⁺, С1⁺, Вr⁺, SО₄^-, ОН^-). Гидрофильность катионов с увеличением их влажности (заряда) возрастает. Одновалентные катионы Nа , К слабогидрофильны («гидрофобны»), с высоко электроотрицательными анионами они имеют более прочные связи, чем с молекулами воды, поэтому при их растворении в воде температура воды понижается (теплота растворения NаСl равна 5,1 кДж/моль; КС1 -17,6 кДж/моль; К₂SО₄ - 24,7 кДж/моль).

Поливалентные катионы обладают значительно большей гидрофильностью (например, СаСl₂ имеет теплоту растворения +74,5 кДж/моль, FеС1₃ - 132,4 кДж/моль). Вследствие боле