Ключевые слова: набухание горных пород, эрозия, буровые растворы, полимерные добавки, глинистые минералы, стабилизация пород.
При бурении одной из сложных технологических проблем является взаимодействие буровых растворов с глинистыми горными породами, приводящее к двум взаимосвязанным процессам – набуханию и эрозии. Набухание характерно для смектитовых глин: гидратация катионов и осмотическое расклинивающее давление приводят к значительному увеличению межслоевого расстояния и общего объема минерала [1]. Эрозию горных пород под действием потока буровых растворов описывают тремя основными механизмами: механического вымывания, химического растворения и набухания с последующим разрушением.
Механическая эрозия возникает под действием потока бурового раствора, который создает знакопеременные давления на стенках скважины, приводя к отрыву и выносу частиц породы. Интенсивность механической эрозии усиливается при наличии в растворе абразивных частиц – таких как песок, твердые добавки или шлам.
Химическая эрозия реализует+ся, когда компоненты раствора вступают в химические реакции с минералами породы, происходит растворение цементирующих веществ (глинистых прослоек, карбонатных или солевых соединений), что в конечном итоге приводит к значительному снижению прочностных характеристик породного массива и его последующему вымыванию.
Эрозионный процесс, инициируемый набуханием глинистых минералов, развивается по следующему сценарию: при контакте с водосодержащими буровыми растворами слоистые силикаты активно адсорбируют молекулы воды в межпакетное пространство, что приводит к значительному увеличению объема минеральной фазы. Растут внутренние напряжения, вызывающие структурную перестройку породы – разрыв связей, увеличение межгранулярных расстояний и формирование разветвленной сети микротрещин. В результате массив теряет структурную целостность и становится крайне восприимчивым к гидродинамическому воздействию потока бурового раствора.
Для моделирования эрозии при набухании в западной практике принято пользоваться методикой обработки шлама во вращающихся автоклавах из стандарта API 13I. Этот метод применяется для ранжирования ингибирующих добавок, позволяет в некоторой степени моделировать комбинированное воздействие потока, температуры и химического состава. Однако при проектировании рецептур промывочных жидкостей, как правило, нет возможности иметь «обвальный» шлам в большом количестве. Поэтому указанный метод можно было бы несколько модифицировать, а именно, вместо шлама использовать прессованные таблетки, изготовленные из доступного немодифицированного глинопорошка, например, марки ПБН. Некоторыми производителями полимеров показано, что такие изменения не ухудшают воспроизводимость методики, модифицированный метод используют для контроля качества добавок [2, 3].
Для иллюстрации возможностей метода авторы статьи нашли интересным оценить использование этой методики для основных реагентов буровых растворов: ксантановой смолы, полианионной целлюлозы высокой вязкости (ПАЦ ВВ), полиакриламида (ЧГПАА) и эмульсии полиакриламида в масле (с содержанием основного вещества 40 %). Водные растворы полимерных реагентов в водопроводной воде готовили в концентрации 2 г/л.
Таблетки готовили из глинопорошка ПБН (фракция < 160 мкм), увлажненного над насыщенным раствором хлорида калия в течение 3–5 дней. В пресс-формы диаметром 25,4 мм помещали навеску глинопорошка массой 10,000 ± 0,005 г и прессовали под давлением 89,6 в течение 15 мин. В ячейку автоклава помещали по две таблетки с известной начальной массой m₁, заливали приготовленным раствором полимера. Ячейки помещали в предварительно нагретую до 60 °C вальцовую печь, где выдерживали в течение 18 ч при постоянном вращении. После завершения испытания содержимое ячеек фильтровали через сито 0,25 мм. Определяли конечную массу промытых и высушенных остатков m₂. Рассчитывали показатели диспергируемости Dp (%) и относительной диспергируемости RD [2]:
Результаты экспериментов приведены в табл. 1, характерные фотографии остатков на сите показаны на рис. 1.
Как видно из таблицы, лучшую стабилизацию глинистых таблеток обеспечивает раствор ЧГПАА. Полиакриламид ингибирует гидратацию глинистых минералов посредством комбинации адсорбционных и стерических механизмов. Адсорбция макромолекул на активных центрах глины формирует гидрофобный барьер, ограничивающий проникновение молекул воды, в то время как протяженные полимерные цепи создают пространственные ограничения, препятствующие агрегации частиц. В отличие от ЧГПАА, ксантановая смола образует лишь временные водородные связи с филосиликатами, а ПАЦ адсорбируется фрагментарно через катионные мостики, не создавая сплошного защитного слоя [4, 5]. Примечательно, что глинистые таблетки лучше сохраняются в вязком растворе полианионной целлюлозы по сравнению с менее вязким раствором ксантановой смолы, то есть методика позволяет отслеживать эрозионные факторы. Из результатов видно, что использование в рецептурах промывочных жидкостей эмульсионной формы ЧГПАА вместо сухой в той же концентрации не дает сравнимого ингибирования, по-видимому, из-за разной концентрации основного вещества.
По данным испытаний более 200 растворов полимеров, методика с использованием прессованных глинистых таблеток продемонстрировала удовлетворительную воспроизводимость в условиях повторяемости.
Литература
1. Федорин, Р.П. Набухание глин и фильтрация растворов в глинах / Р.П. Федорин, М.Г. Храмченков // Ученые записки Казанского государственного университета. Серия: Естественные науки. – 2010. – Т. 152, № 1. – С. 235–243. – EDN LRHYHX.
2. FLODRILL For the Drilling Industry / SNF Floerger booklet. – Saint Ouen (Fr.): Altavia St Etienne, September 2012. 12 p.
4. Синтез и свойства модифицированной ксантановой камеди / И.И. Осовская, А.М. Бородина, А.В. Курзин, В.И. Рощин // Химия растительного сырья. – 2021. – № 4. – С. 95–104. – DOI 10.14258/jcprm.2021049525. – EDN BGNKQU.
5. Микроструктура глинистых пород / В.И. Осипов, В.Н. Соколов, Н.А. Румянцева. – М.: Недра, 1989. – 210 с.
