Дисперсные системы и промывочные жидкости - Физико-химическое воздействие на разрушаемые горные породы

Физико-химическое воздействие на разрушаемые горные породы

 

Промывочная жидкость должна облегчать процесс разруше­ния горных пород на забое скважины. Активное воздействие ее обусловлено главным образом размывающим действием и пони­жением твердости горных пород в присутствии поверхностно-активных веществ, находящихся в растворе. Размыв горных по­род происходит за счет кинетической энергии потока промывочной жидкости на выходе из бурового снаряда. Эффект усиливается путем подбора площади сечения и мест расположения каналов, через которые жидкость выходит на забой скважины. Эта функция промывочной жидкости наиболее эффективна в породах рыхлого комплекса.

 clip_image041


Рис. 8. Развитие зон предразрушения при воздействии различных промы­вочных жидкостей:1 — малоактивная жидкость; 2 — активная жидкость; 3 — зоны предразрушения

 

Вследствие некоторых осо­бенностей строения горных по­род при использовании промы­вочных жидкостей в процессе бурения уменьшается проч­ность пород на забое скважи­ны. Общеизвестно, что проч­ность породы рыхлого комп­лекса при смачивании умень­шается. При бурении крепких пород с промывкой также сни­жается их прочность, но сущ­ность явления здесь иная.

Все реальные твердые тела, как отдельные кристаллы, так и поликристаллические агрегаты, содержат множество неоднородностей, начиная от дефектов или слабых мест в структуре кри­сталла и кончая микротрещинами различных размеров как в са­мих кристаллах, так и на их контактах. В процессе механиче­ского разрушения горных пород это приводит к образованию так называемой зоны предразрушения — зоны повышенной трещиноватости. Большая часть микротрещин при снятии нагруз­ки смыкается. В наиболее крупные трещины этой зоны прони­кает промывочная жидкость, препятствуя их смыканию. Однако в целом твердость горной породы, ее буримость в зоне предраз­рушения практически изменяются несущественно.

Активность промывочной жидкости может быть повышена путем небольших добавок к ней специальных веществ — пони­зителей твердости. Дисперсионная среда промывочной жидкости с понизителями твердости более интенсивно проникает по заро­дышевым микротрещинам в зоны предразрушеиия, образуя на поверхностях трещин адсорбционные пленки.

Можно выделить три основных действия, лежащие в основе механизма понижения твердости горных пород.

1.   Экранирование сил сцепления, действующих между проти­воположными поверхностями зародышевых микрощелей посред­ством прослоек, образованных адсорбционными слоями.

2.    Активное раздвигающее действие  самих  адсорбционных прослоек во всех тех наиболее узких    участках    клиновидных микрощелей, куда только эти прослойки могут проникать.

3. Затруднение смыкания зародышевых участков микроще­лей под влиянием адсорбционных слоев и сольватных пленок жидкости после снятия внешних усилий.

Зона предразрушения (рис. 8) в результате влияния понизи­телей твердости развивается весьма существенно, трещиноватость в ней возрастает, микротрещины становятся глубже, чис­ло их в единице объема увеличивается. Адсорбция ПАВ на по­верхностях микротрещин приводит к снижению свободной по­верхностной энергии тела и, как следствие, уменьшению необхо­димой для разрушения работы, повышению скорости бурения.

Эффективность действия понизителей твердости зависит от их химической природы и концентрации, от механических усло­вий разрушения и физико-химических свойств горных пород.

 

Сохранение устойчивости стенок скважины

 

Сохранение устойчивости стенок скважины — непременное условие нормального процесса бурения. Причина обрушения сте­нок— действие горного давления. Смачивание горных пород рыхлого комплекса в процессе бурения с промывкой резко уменьшает прочность стенок скважины и, следовательно, их ус­тойчивость. Чем дальше распространяется зона смачивания, тем интенсивнее идет процесс разрушения стенок. Этот процесс уси­ливается вследствие размывающего действия промывочной жид­кости, наличия в ней веществ, способствующих разрушению гор­ных пород.

Нежелательное изменение свойств пород устраняется подбо­ром рецептуры промывочной жидкости. В частности, в нее вво­дят компоненты, придающие ей крепящие свойства. Кроме того, ряд промывочных жидкостей содержит твердую фазу, которая, отлагаясь при фильтрации в порах и тонких трещинах, образует малопроницаемую для жидкой фазы корку. Такая корка, обла­дая определенной механической прочностью, связывает слабосцементированные частицы горных пород, замедляет или пол­ностью останавливает процесс дальнейшего распространения смоченной зоны вокруг ствола скважины.

Сохранению устойчивости стенок скважины способствует гидростатическое давление промывочной жидкости. Однако с его ростом увеличивается интенсивность проникновения промывоч­ной жидкости в горные породы, падает механическая скорость бурения. В этих условиях еще более повышается изолирующая и закрепляющая роль фильтрационной корки.

Большее значение гидростатическое давление промывочной жидкости приобретает при бурении трещиноватых пород, а так­же пород и минералов, обладающих свойством медленно выдав­ливаться в скважину под действием горного давления (например, соли: галит, карналлит и др.). Создание достаточно высокого гидростатического давления позволит сохранить устойчивость стенок скважины в таких условиях.