ВВЕДЕНИЕ

ВОсновных направлениях экономического и социального

развития СССР на 1986— 1990 годы и на период до 2000 года предусматривается обеспечить дальнейшее укрепление и рас­ ширение минерально-сырьевой базы страны, повышение эффек­ тивности и качества подготовки к освоению разведанных запасов полезных ископаемых.

Выполнение задач, стоящих перед геологоразведочной служ­ бой нашей страны, невозможно без дальнейшего развития буро­ вых работ, совершенствования техники и технологии бурения разведочных скважин. Технико-экономические показатели бу­ рения во многом определяются правильным выбором промы­ вочной жидкости.

Первые скважины с промывкой бурили с применением воды. В процессе бурения вода нередко насыщалась мельчайшими частццами выбуриваемых горных пород, которые, оставаясь в жидкости во взвешенном состоянии, придавали ей новые свой­ ства, и в частности, способствовали укреплению стенок сква­ жин, снижению фильтрующей способности и др. При разбури­ вании глин образовывались высококачественные промывочные жидкости со стабильной структурой. Со временем промывочные жидкости, содержащие глину (они получили название глини­ стых растворов), начали приготовлять искусственно. Д ля регули­ рования их качества стали добавлять различные вещества, что существенно расширило область применения глинистых раство­ ров.

Однако наряду с положительными свойствами глинистые рас­ творы имеют ряд недостатков. При промывке не всегда сохра­ няется устойчивость стенок скважин, уменьшается механическая скорость бурения, увеличиваются энергетические затраты на про­ мывку скважин и т. д. Поэтому в последние годы появились и все более широко применяются жидкости, не содержащие глини­ стой составляющей. Это — вода с небольшими добавками раз­ личных активных веществ, приобретающая либо свойства, при­ сущие глинистым растворам, либо новые свойства, меняющие характер взаимодействия с породами. Применяются и промы­ вочные жидкости с менее активной неглинистой твердой средой.

Происходит постепенное вытеснение глинистых растворов. С другой стороны, в безглинистые промывочные жидкости при­ ходится вводить небольшое количество высококоллоидальных глин, которые, существенно не влияя на механическую скорость бурения, сохраняют ряд положительных свойств глинистых рас­ творов. Многообразие геолого-технических условий бурения скважин, развитие техники и технологии бурения, химии и хи­ мических производств, повышение требований к экономике бу­

ровых работ и охране окружающей среды — все это ведет к совершенствованию качества промывочных жидкостей.

Одновременно с распространением промывки скважин разви­ валось и их тампонирование. Сначала оно ограничивалось при­ менением цементных растворов и цементированием обсадных труб. Затем появились и более сложные тампонажные составы, которые со временем совершенствовались. Необходимость охра­ ны окружающей среды обусловила повышение требований к ка­ честву материалов для приготовления промывочных жидкостей и тампонажных составов, к качеству тампонирования скважин на всех этапах работ.

В разработку рецептур промывочных жидкостей и тампонаж­ ных смесей большой вклад внесли советские ученые и инжене­ ры. Теоретические основы дисперсных и коллоидных систем* применения понизителей твердости горных пород в бурении бы­ ли разработаны в АН СССР академиком П. А. Ребиндером, Н. Н. Серб-Сербиной, Н. В. Михайловым и др., ряд важных во­ просов исследования и использования глинистых растворов ре­ шен в Институте коллоидной химии и химии воды АН УССР.

нефти, ВНИИБТ, ВИТР, ИМР, БелНИГРИ, УкрНИГРИ, УфНИИ и др. Необходимо отметить работы В. С. Баранова, А. И. Булатова, С. Ю. Жуховицкого, В. И. Крылова, А. X. Мирзаджанзаде, В. И. Рябченко, Р. И. Шищенко и др.

Специфика бурения разведочных скважин во многом опреде­ ляет возможности и особенности использования тех или иных промывочных жидкостей и тампонажных смесей, пути совершен­ ствования их рецептур. У истоков исследований по разработке и применению промывочных жидкостей и тампонажных смесей в разведочном колонковом бурении стоят Б. И. Воздвиженский, С. А. Волков, А. В. Марамзин, Ф. А. Шамшев. В настоящее время такие работы проводятся практически на всех кафедрах, выпускающих инженеров по специальности «Технология и техни­ ка разведки полезных ископаемых». Теоретические и приклад­ ные исследования Б. Б. Кудряшова, Е. Л. Лиманова, С. С. Су­ лакшина, Л. В. М акарова, И. И. Рафиенко, Н. Т. Туякбаева, А. М. Яковлева и других специалистов направлены на решение актуальных задач промывки и тампонирования скважин в раз­ ведочном бурении.

Большой вклад в разработку прикладных вопросов примене­ ния промывочных жидкостей и тампонажных смесей вносят кол­ лективы опытно-методических партий геологических объедине­ ний.

Знание методов приготовления и применения, принципов под­ бора рецептур, регулирования свойств промывочных жидкостей крайне необходимо инженеру по специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» в его повседневной деятельности.

Р а з д е л п ервы й О сн овн ы е свед ен и я о д и сп ер сн ы х си стем ах

Глава I

ОСНОВЫ ФИЗИКОХИМИИ ПРОМЫВОЧНЫХ Ж ИДКОСТЕЙ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

§ 1. РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Промывочные жидкости представляют собой физико-химиче­ ские системы, состоящие из одной или нескольких фаз. Одно­ фазные системы из двух или более веществ, не имеющие между компонентами поверхности раздела, называются г о м о г е н н ы ­

.равномерно распределены растворенные вещества. Растворитель содержится в системе в относительно большем количестве.

Процесс растворения в общем случае не представляет собой простого распределения молекул или ионов одного вещества сре­ ди молекул или ионов другого, но большей частью связан с раз­ личными взаимодействиями между ними физического и химиче­ ского характера. Растворы характеризуются концентрацией, т. е. количеством растворенного вещества в определенном объ­ еме раствора. Концентрация выражается в массовых долях, мас­ совых частях, молях растворенного вещества.

В бурении истинные растворы применяются либо для обра­ ботки промывочных жидкостей, либо (реже) в качестве само­ стоятельной промывочной среды, например растворы солей при бурении в зонах многолетнемерзлых пород.

Системы, состоящие из двух или большего числа фаз, между которыми существуют реальные поверхности раздела, называют­

щество, мелко раздробленное и равномерно расцределенное в другом, получившем название д и с п е р с и о н н о й среды. И дис­ персионная среда, и дисперсная фаза могут быть твердыми, жид­ кими и газообразными. Если частицы дисперсной фазы имеют

и количества дисперсной фазы дисперсные системы относятся к жидкостям или твердым (твердообразным) телам. Промывочные жидкости и тампонажные смеси относятся в основном к полидисперсным системам.

Дисперсная фаза промывочной жидкости может быть пред­

Чем выше степень дисперсности, тем больше общая поверх­ ность раздела фаз. Мерой дисперсности системы может также служить у д е л ь н а я п о в е р х н о с т ь S ', под которой понима­ ют отношение общей поверхности 5 дисперсной фазы к ее об­ щему объему V:

где k — коэффициент формы частиц.

Так, для шарообразной формы частиц дисперсной фазы при уменьшении размера частиц дисперсной фазы удельная поверх­ ность возрастает. Например, при круглой форме частиц поверх­ ность 1 см3 дисперсной фазы при диаметре частиц 1 мм составит 60 см2, при диаметре частиц 0,1 мм — 600 см2, а при диаметре частиц 0,01 мм — 6000 см2. Общая поверхность твердой фазы в промывочной жидкости и тампонажных смесях может достигать десятков и сотен квадратных метров на 1 г массы.

Дисперсность определяет многие свойства дисперсных си­ стем, в частности водоотдачу и структурно-механические свой­ ства промывочных жидкостей. По степени дисперсности системы делятся на высокодисперсные или коллоидные, если поперечный размер частиц находится в пределах Ы О -5— М О -8 см, и гру­ бодисперсные, если размер частиц больше. Дисперсность систе­ мы характеризует ее устойчивость.

Как правило, размер частиц дисперсной фазы неодинаковый. В системе всегда встречаются более крупные и более мелкие частицы, но большинство частиц имеют размеры, близкие по ве­ личине. Эти размеры частиц обусловливают в большинстве слу­ чаев свойства системы и отнесение ее к той или иной группе. В то же время свойства дисперсной системы во многом зависят от содержания наиболее мелких, коллоидных частиц. Вид и объем твердой фазы определяют консистенцию (густоту) си­ стемы.

Из грубодисперсных систем в качестве промывочной жидко­ сти применяются суспензии, эмульсии и аэрированные жидко­ сти (пены).

С у с п е н з и и представляют собой мутные жидкости с на­ ходящимися в них во взвешенном состоянии частицами твердо­ го вещества. Суспензии характеризуются неустойчивостью ком­ понентов во времени. Частицы твердой фазы при прекращении движения под влиянием силы тяжести довольно быстро оседа­ ют (седиментируют), система расслаивается.

Э м у л ь с и я м и называются многофазные жидкие системы, в которых в одной жидкости находятся во взвешенном состоя­ нии мельчайшие капельки другой жидкости. Эмульсии — также неустойчивые системы и могут существовать только при наличии

система, содержащая дисперсную фазу в виде пузырьков возду­ ха. При высоком содержании воздуха, когда последний играет роль дисперсионной среды, такие жидкости называются п е ­ н а м и .

§ 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Из всех дисперсных систем наиболее полно отвечают требо­ ваниям, предъявляемым к промывочным жидкостям, коллоид­ ные системы. Своеобразие физико-химических свойств коллоид­ ных систем (или коллоидных растворов) определяется их разви­ той поверхностью раздела на границе твердая фаза — дисперси­ онная среда.

По молекулярно-кинетической теории внутреннее сцепление тел обусловлено силами взаимодействия молекул. Внутри тела, например жидкости, эти силы уравновешены: каждая молекула притягивает к себе соседние с такой же силой, с какой сама к ним притягивается. Силы ж е притяжения поверхностных моле­ кул, например расположенных на поверхности раздела жид­ кость — воздух, не уравновешены (рис. 1). В результате избытка сил притяжения со стороны жидкости молекулы с границы раз­ дела стремятся втянуться внутрь жидкости, поэтому поверхность раздела стремится к уменьшению.

Рис. 1. Схема действия моле­ кулярных сил:

а —на молекулу, находящуюся внутри жидкости; б—на молекулу, расположенную в поверхностном слое

Аналогичное явление происходит в любых дисперсных систе­ мах. В связи с этим поверхностные молекулы на разделе фаз обладают некоторой некомпенсированной избыточной энергией, называемой п о в е р х н о с т н о й э н е р г и е й . Некомпенсированность молекулярных сил в поверхностном слое жидкостей и твердых тел определяет все виды их молекулярного взаимо­ действия.

Избыточная поверхностная энергия, приходящаяся на 1 м2 поверхности, т. е. удельная поверхностная энергия, представляет поверхностное (межфазное) натяжение на границе раздела фаз.

П о в е р х н о с т н о е н а т я ж е н и е а можно представить как работу образования 1 м2 поверхности, а также как силу, отне­ сенную к единице длины контура, ограничивающего поверхность жидкости, и действующую в плоскости, касательной к этой по­ верхности в сторону ее сокращения. Поэтому поверхностное на­ тяжение измеряется в Д ж /м2 или Н/м.

С повышением температуры поверхностное натяжение умень­ шается. Поверхностная энергия может изменяться вследствие изменения удельной поверхности и поверхностного натяжения.

ного вещества на границе раздела фаз по сравнению с концен­ трацией этого вещества во всем объеме дисперсной системы.

Вещество, на поверхности которого адсорбируются и удер­ живаются молекулы другого вещества, называется а д с о р б е н ­ то м , а вещество, которое удерживается на поверхности адсор­ бента,— а д с о р б т и в о м . Находящийся в дисперсионной сре­ де адсорбтив в результате диффузии стремится равномерно рас­ пределиться в объеме жидкости. При этом отдельные молекулы растворенного вещества сталкиваются с поверхностью твердой фазы, и, испытывая с ее стороны большое притяжение, адсорби­ руются на ней. Оставшееся в жидкости растворенное вещество снова равномерно распределяется в объеме дисперсионной сре­ ды. Происходит накопление вещества на поверхности адсор­ бента.

Некоторые молекулы недостаточно прочно удерживаются по­ верхностью твердого тела и отрываются от него, происходит яв­ ление д е с о р б ц и и . Так происходит до тех пор, пока поверх­ ность адсорбента насытится адсорбтивом и между адсорбцией и десорбцией наступит динамическое равновесие. Чем выше кон­ центрация адсорбтива, тем выше адсорбция.

При адсорбции молекулы адсорбтива и среды являются кон­ курентами. Следовательно, чем хуже адсорбируется среда на адсорбенте, тем лучше будет происходить адсорбция растворен­ ного вещества на поверхности твердого тела. В первом прибли­ жении можно считать, что чем выше поверхностное натяжение чистой среды, тем меньше способность ее молекул к адсорбции

на твердом теле и тем лучше на ней будет адсорбироваться рас­ творенное вещество.

Измеряется адсорбция количеством вещества в молях, ад­ сорбировавшегося на 1 см2 поверхности, или количеством ад­ сорбировавшегося вещества на 1 г адсорбента. Адсорбция со­ провождается выделением тепла. Она вызывает изменение по­ верхностного. натяжения. Установлено, что в коллоидных систе­ мах различные растворенные вещества по-разному действуют на поверхностное натяжение.

Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называют­ ся п о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы м и (ПАВ). Они играют боль­ шую роль в формировании свойств промывочных жидкостей и тампонажных смесей.

В ряде случаев физический процесс адсорбции сопровожда­

Частицы дисперсной фазы в коллоидных системах в резуль­ тате отчасти адсорбции, а отчасти прямого перехода ионов од­ ной фазы дисперсной системы в другую заряжаются электриче­ ством. Вследствие этого под воздействием разности потенциалов электрического поля в коллоидных системах возникает ряд электрокинетических явлений.

Если приложить разность потенциалов к двум точкам внутри какого-либо объема дисперсной системы, то между этими точ­ ками возникнет движение коллоидных частиц и дисперсионной среды. Отрицательно заряженные частицы будут перемещаться к положительному полюсу, а положительно заряженные— к от­ рицательному. Происходит явление э л е к т р о ф о р е з а .

Когда пространство между электродами разделено перего­ родкой, проницаемой для среды и непроницаемой для частиц, под действием электрического тока среда будет перемещаться в направлении одного из электродов, в то время как дисперсные частицы будут скапливаться и давить на перегородку с противо­

в усилении закрепляющего действия на стенки скважин некото­ рых промывочных жидкостей и тампонажных смесей.

Большое значение в характеристике дисперсных систем (осо­ бенно коллоидных) имеет интенсивность молекулярного взаимо­ действия между дисперсионной средой и дисперсной фазой на границе раздела фаз, что определяет явление с м а ч и в а е м о ­ с ти . Смачивание жидкостью твердого тела можно рассматри­ вать как результат действия сил поверхностного натяжения. По интенсивности граничных молекулярных взаимодействий колло­ идные дисперсные системы делятся на л и о ф и л ь н ы е и л и о -

Гидрофильные коллоидные системы характеризуются относи­ тельной устойчивостью — стабильностью во времени. Частицы дисперсной фазы системы прочно связывают молекулы раство­ рителя и также прочно их удерживают, т. е. гидрофильным кол­ лоидным системам свойственно высокоинтенсивное молекуляр­ ное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дис­ персионной средой.

Частицы твердой фазы, например глины, в гидрофильной коллоидной системе сравнительно легко диспергируются, т. е. распадаются на элементарные частицы. В результате наруше­ ния молекулярных связей поверхность частицы дисперсной фа­ зы оказывается заряженной отрицательно. Молекулы воды, яв­ ляясь диполями, притягиваются своимц положительно заря­ женными концами к отрицательно заряженной поверхности твердой частицы. Эта вода прочно связана с поверхностью час­ тицы, обладает повышенной плотностью и вязкостью и не отде­ ляется от нее даже при центрифугировании, создающем усилия, в тысячу раз превышающие силу тяжести. Так как электромолекулярные силы действуют на весьма небольшом расстоянии, толщина пленки не превышает 6-10-6 мм.

Молекулы связанной или адсорбированной воды, составляю­ щие так называемую граничную фазу, оказывают притягиваю­ щее и ориентирующее влияние на окружающие молекулы и ионы, в результате чего образуется диффузная оболочка (рис. 2). В пределах последней находятся отщепленные от твер­ дой частицы и окруженные диполями воды катионы, образую­ щие ионные «облака». В отличие от адсорбированной воды гра­ ничной фазы воду в пределах диффузной оболочки называют лиосорбированной.

Вода в дисперсной системе, не связанная молекулярными си­ лами взаимодействия с твердой поверхностью, называется с в о ­ б о д н о й в о д о й . Чем интенсивнее диспергирована твердая фа­ за, тем относительно большее количество связанной воды в си­ стеме. Величина диффузного слоя зависит от концентрации со­ лей (электролитов), всегда в каком-то количестве находящихся в дисперсионной среде. Если концентрация электролитов мала, то диффузный слой достигает значительной величины. С ростом концентрации электролитов диффузный слой сжимается, прибли­ жаясь к границам адсорбционного слоя (граничной фазы).

Электрический заряд поверхности твердой частицы погаша­ ется как в слое связанной (адсорбированной) воды, так и в диффузном слое. Отрицательно заряженная поверхность части­ цы и катионы в диффузной оболочке совместно образуют двой­ ной электрический слой. Падение напряжения на всем интервале между твердой поверхностью частицы и свободной водой назы­

Рис. 2. Схема молекулярного взаимодействия сил в системе твердая частица — вода:

ния до поверхности минеральной частицы

характеризуется величиной термодинамического потенциала, ко­ торая зависит от общего числа адсорбированных частицей ионов.

Адсорбированный и диффузный слои образуют вокруг твер­ дой частицы г и д р а т н у ю о б о л о ч к у , которая препятствует слипанию частиц между собой. В общем случае дисперсионной средой может быть и не вода. Тогда оболочка вокруг твердой частицы называется с о л ь в а т н о й . Частица дисперсной фазы с оболочкой получила название м и ц е л л ы .

Гидратная оболочка развита неравномерно. Наибольшая ее толщина по плоским поверхностям частицы, наименьшая — на острых гранях и углах. Гидратные оболочки характеризуют ста­ бильность дисперсной системы, они предохраняют частицы твер­ дой фазы от агрегирования и выпадения из раствора.

Гидрофобные коллоидные системы характеризуются слабым молекулярным взаимодействием частиц дисперсной фазы с дис­ персионной средой. Частица дисперсной фазы не имеет сродства с растворителем (не обволакивается прочной гидратной оболоч­

кой), поэтому гидрофобные дисперсные системы неустойчивы. Они могут быть стабилизированы путем создания на частицах дисперсной фазы адсорбционных слоев некоторых поверхностно­ активных веществ. Такие вещества получили название с т а б и ­ л и з а т о р о в .

Адсорбция ПАВ — стабилизатора вызывает изменение свойств поверхности раздела фаз, усиление интенсивности мо­ лекулярного взаимодействия между дисперсной фазой и дис­ персионной средой. Мицелла стабилизированной гидрофобной системы представляет собой элементарную частицу, состоящую из частицы дисперсной фазы, адсорбционного слоя стабилизато­ ра и многослойной гидратной оболочки с ориентированными мо­ лекулами дисперсионной среды.

Гидрофобные коллоидные системы стабилизируют и добав­ ками к ним некоторых гидрофильных коллоидов, получивших название защитных. Механизм защитного действия сводится к образованию вокруг коллоидной частицы адсорбционной обо­ лочки из высокомолекулярного вещества. Защитное действие гидрофильные коллоиды могут оказывать и на грубодисперсные системы — суспензии.

Стабилизированные гидрофобные дисперсные системы объ­ единяют большую группу промывочных жидкостей, дисперсная фаза которых представлена продуктами разрушения горных пород. Наряду с адсорбцией на поверхности частиц твердой фазы, главным образом глинистых, происходят следующие явле­ ния: 1) ионный обмен (реакции замещения), когда в кристалли­ ческой решетке минерала катионы замещаются катионами дис­ персионной среды, 2) необменные замещения органических и неорганических катионов и целых групп; 3) присоединения, ког­ да образуются новые химические соединения. Все эти процессы происходят одновременно, взаимно накладываясь. Они опреде­ ляют механизмы ингибирования (снижения гидрофильности), стабилизации и коллоидной защиты в промывочных жидко­ стях— дисперсных системах. Интенсивность всех явлений на по­ верхности частичек твердой фазы возрастает с ростом дисперс­ ности.

Эффективность применения промывочных жидкостей и тампо­ нажных смесей как дисперсных коллоидных систем связана с их

нием частиц под действием силы тяжести и броуновским движе­ нием, при котором частицы равномерно распределяются по объ­ ему. Чем выше степень дисперсности и температура, тем более кинетически устойчива такая система.

А г р е г а т и в н а я у с т о й ч и в о с т ь определяет способность частиц дисперсной фазы не слипаться. Она является результа­ том действия между коллоидными частицами двух противопо­

ложно направленных сил. С одной стороны действуют силы при­ тяжения, под влиянием которых частицы слипаются, с другой стороны проявляются силы отталкивания, препятствующие сближению частиц и их соединению. Силы притяжения носят характер молекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовых сил). Силы отталкивания определяются электрическим взаимо­ действием между ионами двойных электрических слоев, окру­ жающих каждую частицу. Результирующая этих двух сил и обусловливает большую или меньшую агрегативную устойчи­ вость коллоидной системы. Таким образом, агрегативная устой­ чивость дисперсных систем определяется наличием, величиной и характером распределения гидратных оболочек на частицах твердой фазы.

Агрегативная устойчивость может быть также обеспечена на­ личием на частицах дисперсной фазы адсорбционного слоя по­

ляет наличие поверхностей раздела в дисперсных системах. Дисперсные промывочные жидкости и тампонажные растворы вследствие сильно развитой межфазной поверхности агрегативно неустойчивы и стремятся к равновесному состоянию с мини­ мумом свободной энергии. Это практически приводит к разде­ лению системы на две сплошные фазы. Устойчивость таких си­ стем тем меньше, чем больше запас энергии на межфазной по­ верхности. При наличии в системе стабилизаторов, способных адсорбироваться и понижать межфазное натяжение, свободная энергия уменьшается, а устойчивость системы возрастает.

По агрегативному состоянию и механическим свойствам дис­ персные системы делятся на две группы: свободно-дисперсные (или бесструктурные) и связно-дисперсные (или структуриро­

чается наличием сплошной пространственной структуры. Связ­ но-дисперсная система обладает вязкостью, пластичностью, прочностью, упругостью и рядом других физико-механических характеристик, зависящих от свойств компонентов, ее состав­ ляющих, и их количественного соотношения.

Д ля получения структуры в дисперсной системе наряду с другими условиями требуется определенная концентрация твер­ дой дисперсной фазы. Последняя зависит при прочих равных ус­ ловиях от формы частиц дисперсной фазы. Наиболее благопри­ ятной для образования структуры дисперсной системы является лнизодиаметрическая форма частиц.

Пространственная структура связно-дисперсных систем при механическом воздействии (перемешивании) разрушается. Гель переходит в золь. В состоянии покоя структура восстанавлива­

ется. Золь переходит в гель. Процесс, связанный с созданием и

дисперсных систем обеспечивают следующие факторы: 1) доста­ точно большое число частиц дисперсной фазы, что облегчает по­ строение пространственной структуры; 2) наличие коллоидной фракции частиц дисперсной фазы, играющей роль клея для гру­ бодисперсных частиц; 3) не слишком высокая прочность струк­ туры и ее способность к остаточным деформациям.

Т и к с о т р о п н о с т ь — одна из важнейших характеристик промывочных жидкостей.

Из процессов, протекающих в дисперсных системах и харак­ теризующих устойчивость систем, следует назвать к о а г у л я ­ ц и ю — укрупнение (слипание, слияние) частиц дисперсной фа­ зы под действием молекулярных сил сцепления или сил тяже­ сти. Образование геля обусловлено явлением коагуляции. Р аз­ личают коагуляцию гидрофильную и гидрофобную. К образова­ нию пространственной структуры дисперсной системы приводит гидрофильная коагуляция. Гидрофобная коагуляция характери­ зуется полным расслоением дисперсной системы на твердую и жидкую фазы, причем частицы твердой фазы, лишенные гидратных оболочек, соединяясь, образуют хлопья, которые выпадают в довольно плотный осадок. Слипание гидрофобных минераль­ ных частиц в хлопья называют ф л о к у л я ц и е й .

По характеру связей между отдельными элементами все структуры делятся на обратимые — коагуляционно-тиксотропные и необратимые ^конденсационно-кристаллизационные. Первые обладают низкой прочностью и легко восстанавливаются во вре­ мени под действием ван-дер-ваальсовых сил. Вторые обусловле­ ны прочными химическими связями при непосредственном сцеп­ лении частиц и разрушаются необратимо. Эти структуры харак­ терны для большинства твердеющих тампонажных растворов.

Коагуляция вызывается различными причинами: старением, изменением концентрации дисперсной системы, температуры, ме­ ханических воздействий, введением различных веществ. В разве­ дочном бурении наибольшее значение имеет коагуляция, возни­ кающая при поступлении в промывочную жидкость электроли­ тов. При этом концентрация их в системе должна быть доста­ точной для сжатия двойного электрического слоя и понижения энергетического барьера, препятствующего слипанию частиц при их столкновении. Минимальная концентрация электролита, при повышении которой начинается коагуляция, называется п о р о ­ го м к о а г у л я ц и и .

Процесс коагуляции дисперсных систем делится на скрытую и явную стадии. При скрытой коагуляции частицы постепенно теряют свою устойчивость, невооруженным глазом это явление не обнаруживается. Явная коагуляция характеризуется слипа­

нием и агрегированием частиц под действием молекулярных сил притяжения вплоть до выпадения в осадок.

Дисперсность скоагулированной коллоидной системы можно восстановить, добавляя специальные адсорбирующие вещест­ ва — пептизаторы. Процесс восстановления дисперсности в этом случае носит название п е п т и з а ц и и . При этом повышается заряд частиц твердой фазы и происходит их диспергирование за счет электростатического отталкивания (ионные пептизаторы). Другие пептизаторы, сольватируя частицы, расклинивают их по трещинам на более мелкие. Пептизатор, адсорбируясь на по­ верхности частиц дисперсной фазы, действует как стабилизатор. Вновь образовавшиеся на поверхности частиц твердой фазы ад- сорбционно-гидратные оболочки и пространственные двойные электрические слои начинают препятствовать сближению твер­ дых частиц.

Охлаждение дисперсных систем затормаживает развитие процессов, способствующих пептизации и диспергированию. Очень сильное охлаждение, сопровождающееся замораживани­ ем, часто приводит к коагуляции: Причиной ее при заморажива­ нии является разрушение гидратной оболочки. При умеренном охлаждении и достаточно высоком содержании минеральных со­ лей в жидкой фазе замораживания и коагуляции не происходит

идисперсная система нормально выполняет свои функции.

§3. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

ИТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

Дисперсные системы обладают вязкостью, пластичностью, упругостью и прочностью — свойствами, которые. получили на­ звание структурно-механических. Эти свойства во многом опре­ деляют эксплуатационные характеристики промывочных жидко­ стей и тампонажных растворов.

Законы течения и деформации любого тела — предмет изу­ чения реологии. Цель реологии — составить такую систему уравнений, которая бы связывала напряжения, деформации, ско­ рости деформации и была применима для любых тел.

Любое тело изменяется, деформируется под действием внешних сил. Если деформация тела исчезает при устранении

первоначальную форму, то это свидетельствует, что наряду с упругой деформацией существует и п л а с т и ч е с к а я д е ф о р ­ м а ц и я . Тело называется пластическим, если оно способно без разрушения переносить значительные пластические деформации, намного превосходящие упругие.

Поведение любого тела под воздействием внешних сил опре­ деляется его внутренней структурой, величиной и скоростью воз­ никновения напряжений, характером их изменения.

рости и и обратно пропорциональна расстоянию между плоско­ стями п:

Если расстояние между двумя частицами рассматриваемого слоя жидкости бесконечно мало,

Если силу F отнести к единице площади, то получится зна­ чение так называемого касательного напряжения (закон жид­ костного трения Ньютона)

ской (абсолютной) вязкости; dufdn — градиент скорости сдвига. Чаще р называется просто динамической или абсолютной

вязкостью; размерность р — П а-с.

Графически (рис. 4) закон Ньютона выразится прямой лини­ ей ОС, проходящей через начало координат с угловым коэффи­ циентом а. Величина, обратная tg a, есть р.

Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона, называются ньютоновскими. К ним можно отнести воду, истинные растворы, некоторые естественные промывочные жидкости и др. В систе­ ме прямоугольных координат ньютоновские жидкости всегда ха­ рактеризуются одним постоянным параметром — абсолютной вязкостью р. Наряду с понятием абсолютной вязкости пользуют­ ся и понятием кинематической вязкости v (в м2/с). Абсолютная

где р — плотность промывочной жидкости.

Жидкости, течение которых отклоняется от закона Ньютона, получили название неньютоновских.

При введении дисперсной фазы в ньютоновскую жидкость до определенной величины объема вязкость будет увеличиваться и линейная зависимость между т и dufdn не будет нарушаться. По А. Эйнштейну, вязкость такой дисперсной системы рд в зависи­

где а — постоянный коэффициент, зависящий от формы частиц, для частиц круглой формы а= 2,5; Cv — объемная концентрация дисперсной фазы.

Формула (1.7) получена в предположении, что раствор очень разбавленный, т. е. настолько, что расстояния между частицами весьма велики цо сравнению с их размерами.

Однако при достижении определенного объема заполнения твердой фазы такая линейная зависимость нарушается, что вос­ принимается как аномалия вязкости. В зависимости от вида дисперсной фазы и ее концентрации такие системы, часто назы­ ваемые пластичными или вязко-пластичными, могут прибли­ жаться по свойствам к жидким или твердым телам.

Благодаря возможности непрерывно восстанавливать разру­ шенные контакты, дисперсные системы с коагуляционно-тиксо­ тропной структурой способны при малых скоростях сдвига течь с высокой, но вполне измеримой вязкостью без заметного разру­ шения внутренней структуры (ползучесть). С увеличением ско­ рости сдвига не все разорванные связи успевают восстанавли­ ваться, и тиксотропная система при каждом режиме течения ха­ рактеризуется определенным динамическим равновесием между процессами разрушения и восстановления структуры. Зависи­ мость прочности динамической структуры дисперсных систем от скорости сдвига и обусловливает непостоянство их вязкости, или аномалию вязкости.

Для того чтобы вывести тиксотропную промывочную жид­ кость из состояния равновесия, требуется приложить определен­ ное усилие. Поэтому на графиках (рис. 4) реологическая кривая таких жидкостей не проходит через начало координат и проч­ ностные характеристики дисперсной системы можно оценивать количественно.

По Максвеллу, все реальные тела можно расположить в ряд между упруго-твердыми и маловязкими жидкостями по периоду релаксации. Под р е л а к с а ц и е й понимают постепенное само­ произвольное «рассасывание» упругих напряжений при постоян­ ной деформации. Природа этого явления-обусловлена непрерыв­ ным хаотическим тепловым движением частиц тела, в результа­ те которого рассеивается, переходя в тепло, запасенная при де­ формировании упругая энергия. Период релаксации определяет время (в с), необходимое для уменьшения упругих напряжений в е раз (е — основание натуральных логарифмов). Период ре­

где Е — модуль Юнга.

Отношение времени действия силы к периоду релаксации оп­ ределяет поведение данного тела, как твердого, так и жидкого. При этом любая жидкость может рассматриваться как упругое тело, если время действия силы намного меньше периода ре­ лаксации. Напротив, твердое тело обнаруживает способность течь, если время действия силы больше периода релаксации.

Можно было бы, например, ходить по воде, не погружаясь в нее, если бы время каждого шага не превышало периода ре­ лаксации для воды, т. е. ничтожно малой величины по сравне­ нию с измеримыми (для воды р=0,001 П а-с, £ = М 0 10 Па, %=

нажных растворов в трещинах горных пород при борьбе с по­ глощениями.

Все дисперсные структурированные системы в реальных ус­ ловиях обладают различными упругими, вязкими, пластически­ ми свойствами. Ж елая подчеркнуть преобладание одних свойств над другими, вводят соответствующие названия тел (систем): уп­ ругое, упруго-вязкое, упруго-вязко-пластичное, вязко-пластичное и т. д.

Судить о характере деформационных процессов, протекаю­ щих в системе, позволяют механические модели, которыми ус­ ловно представляют реальные жидкости или тела. Модели отра­ жают наиболее существенные свойства реальных тел. Упругое тело изображается пружиной, мгновенно изменяющей длину в за­ висимости от величины приложенной силы (рис. 5 ,а), вязкое тело моделируется невесомым поршнем, свободно двигающимся

комбинацией приведенных моделей, например, вязко-пластичное тело состоит из параллельно соединенных поршня и ползуйа (рис. 5 ,г). Каждое тело (модель) получило название по имени первого исследователя.

Количественную оценку деформационного и релаксационного процессов дисперсных систем, объединяющих все промывочные жидкости и тампонажные растворы, дают константы обобщенно­

Здесь Е 1— условно-мгновенный модуль упругости, соответст­ вует быстрой эластической деформации е'о, развивающейся под действием нагрузки Р и исчезающей после разгрузки; Е% — эла­ стический модуль, характеризующий способность системы к мед­ ленным эластическим деформациям ег', развивающимся

после завершенной условно-мгновенной деформации; Pki~— ус­ ловно-статический предел текучести, при напряжениях ниже пре­ дела текучести наблюдается упругость, упругое последействие и весьма замедленное течение с максимальной вязкостью; тр — наибольшая пластическая вязкость; т)2— вязкость упругого пос­ ледействия, определяющая интенсивность развития эластической деформации.

Согласно уравнению (1.9), относительная суммарная дефор­ мация состоит из быстрой эластической eq '= P /E 1, медленной эластической Ег' = Р/Е2 и пластической деформации e t=

= ( P - P ^ / m t -

Используя приведенные константы физико-химической меха­ ники дисперсных систем, можно для любого технологического процесса получить величины основных структурно-механических характеристик: эластичности 9 = E i/(E i+ E 2 ), пластичности Р„,/гц и периода истинной релаксации X.

По соотношению величин деформаций «о, 82 и eit можно на научной основе оценить устойчивость дисперсной системы и ее пригодность для нужд бурения. Однако получение такой инфор­ мации довольно сложно и требует высокой квалификации ис­ следователя. Поэтому в прикладных исследованиях описание деформационных процессов, происходящих в дисперсных систе­ мах, упрощают.

Считается, что все структурированные промывочные жидко­ сти и тампонажные растворы относятся либо к пластичным (телу Бингама), либо к вязко-пластичным (телу Шведова) жид­ костям. Реологическая зависимость этих систем на графиках (см. рис. 4) не проходит через начало координат. Величина ка­ сательного напряжения, при котором структурированная дис­ персная система выходит из состояния равновесия и начинает двигаться, получила название предельного статического напря­ жения сдвига 0 (в П а). Поскольку структура жидкости после перемешивания восстанавливается не мгновенно, величина 0 может значительно изменяться в зависимости от продолжитель­ ности пребывания жидкости в покое. Как правило, в большин­ стве структурированных промывочных жидкостей структура полностью стабилизируется в течение 10— 15 мин. В тампонаж­ ных растворах прочность структуры растет до окончания твер­ дения (упрочнения) так как этот процесс сопровождается хими­ ческим взаимодействием компонентов.

Правильное описание напряжений сдвига для структуриро­ ванных систем имеет важное значение как для оценки гидрав­ лических сопротивлений, так и для обеспечения нормальных ус­

где т —*приложенное касательное напряжение, Па; 6 — предель­ ное статическое напряжение сдвига (для краткости его принято называть статическим напряжением сдвига); т] — коэффициент структурной вязкости (или структурная вязкость), П а-с.

Зависимость (1.10) означает, что сопротивление сдвигу смеж­ ных слоев структурированной дисперсной системы следует рас­ сматривать как сумму двух величин:

1)напряжений, не зависящих от скорости сдвига;

2)напряжений, пропорциональных градиенту скорости сдви­ га и подобных вязкостным напряжениям в обычных жидкостях.

Таким образом, жидкость, подчиняющаяся закону трения Бингама, характеризуется двумя параметрами: 6 и щ.

Зависимость ВС2 (см. рис. 4) представляет собой форму рео­ логической кривой жидкостей, относящихся к телу Шведова. Она состоит из двух участков: криволинейного и прямолинейно­ го. Размеры и форма криволинейного и угол наклона прямоли­ нейного участка реологической кривой могут быть различны, и,

строго говоря, для каждой жидкости должна быть найдена своя характерная зависимость:

Без существенного ущерба для практики сложную зависи­ мость ВС2 представляют прямой линией DC2, полученной про­ должением прямолинейного участка до пересечения с осью каса­ тельных напряжений. Прямая DC2 выражает обобщенный закон трения Шведова — Бингама:

(1.11)

Здесь то — динамическое напряжение сдвига.

Динамическое напряжение сдвига — понятие условное, так как эту величину измерить непосредственно на каком-либо при­ боре невозможно. Она может быть определена либо графиче­ ским (отрезок OD), либо расчетным путем.

В большинстве случаев динамическое напряжение сдвига больше статического 6, однако бывает и наоборот. Это свиде­ тельствует о более сложном характере поведения дисперсных си­ стем. Наибольшее расхождение между т0 и 0 в дисперсных си­ стемах с значительным содержанием высококоллоидных фрак­ ций.

Таким образом, уравнение (1.11) дает упрощенное описание зависимости градиента скорости течения от напряжения сдвига для вязко-пластичной жидкости. Д ля более полной характери­ стики реологической кривой необходимо знать три постоянных параметра 0, т0, тр

Имеется обобщенная характеристика вязкостных свойств структурированных дисперсных систем, которая учитывает пластические свойства этих систем в соответствии с законом

Шведова — Бингама. Если (согласно закону Ньютона) опреде­ лить вязкость как отношение величины приложенного касатель­ ного напряжения к величине градиента скорости сдвига, то уравнение (1.10) можно представить в следующем виде:

где г]0 — эффективная вязкость.

Графически (см. рис. 4) rj0 выражается величиной, обратной коэффициенту наклона прямой, проведенной из начала коорди­ нат к любой точке (например, Mi, М2) реологических кривых {АС\ и ВС2) ■В отличие от величины t], которая остается посто­ янной навеем протяжении участка АС\ и DC%величина Добудет меняться в каждой новой точке.

Соответственно для кривой, характеризующейся зависи­

Эффективная вязкость с ростом градиента скорости сдвига изменяется от вязкости практически не разрушенной структуры до вязкости предельно разрушенной структуры, которая опреде­ ляется главным образом вязкостью дисперсионной среды. Н а­ пример, для глинистых растворов вязкость практически не раз­ рушенной структуры составляет миллионы Па-с, а вязкость пре­ дельно разрушенной структуры — сотые и десятые доли Па-с, т. е. теоретический диапазон изменения эффективной вязкости чрезвычайно широк.

Практически значимый диапазон изменения эффективной вяз­ кости гораздо меньше, так как стадия изменения ее от практиче­ ски не разрушенной структуры до какого-то промежуточного со­ стояния разрушения проходит в момент начала течения дисперс­

глинистого раствора с ростом градиента скорости сдвига пока­ зан на рис. 6.

Эти упрощенные представления о характере деформации в дисперсных системах позволяют более оперативно получать про­ стые параметры, которые можно использовать при оценке техно­ логических свойств промывочных жидкостей и тампонажных смесей, а также при гидравлических расчетах.

За рубежом реологическую зависимость для промывочных жидкостей представляют в степенном виде. Так, по Р. И. Уол­ керу,

о - 1*»

где т и г — константы изучаемой промывочной жидкости, опре­ деляемые опытным путем.

Коэффициент т характеризует консистенцию раствора и по­ зволяет интерпретировать его вязкость. Показатель степени г характеризует отклонение поведения жидкости от ньютоновской. Д ля воды и других ньютоновских жидкостей г= 1.

Коэффициенты т и г определяются графическим методом, для чего строится график т = f(d u /d n ). Для определенных значе­ ний градиента скорости сдвига находятся т , а г определяют по углу наклона кривой.

И. Н. Гуднин предлагает использовать обобщенное уравне­

которое, по его мнению, более точно отражает действительную взаимосвязь напряжений сдвига и других параметров структури­ рованных систем.

Все это свидетельствует о том, что в описании поведения структурированных систем ученые не пришли пока к единому мнению. В бурении до сих пор пользуются наиболее простым описанием — законом Шведова — Бингама и вытекающими из него зависимостями. Это, конечно, не исключает использования других закономерностей.

В заключение необходимо отметить, что термин «неньютонов­ ская жидкость» охватывает целую группу жидкостей, реологиче­ ские зависимости которых отклоняются от прямолинейной, вы­ ходящей из начала координат. На рис. 7 приведены реологиче­ ские зависимости некоторых неньютоновских жидкостей, свиде­ тельствующие о сложности явлений, происходящих в промывоч­ ных и тампонажных системах при деформации, и о приближен­ ности их описания.

Р а з д е л вто р о й

П ром ы вочн ы е ж и д к о сти

Глава II

ФУНКЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ж и д к о с т е й . КЛАССИФИКАЦИЯ

§ 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Очистка забоя скважины от продуктов разрушения горных пород и вынос их на поверхность

В процессе бурения горные \породы на забое скважины раз­ рушаются с образованием частиц различных размеров. Эти час­ тицы называют также шламом. Размер частиц зависит от спо­ соба бурения, вида породоразрушающего инструмента, твердо­ сти породы, количества и качества промывочной жидкости.

Вся выбуренная порода сразу же должна удаляться с забоя и из ствола скважины. Д аж е небольшое количество частиц, ос­ тавшихся на забое, снижает скорость бурения, так как происхо­ дит дополнительное измельчение уже выбуренной породы и, кроме того, излишне изнашивается породоразрушающий инстру­ мент. Мелкие частицы переходят в промывочную жидкость в ка­ честве активной твердой фазы, увеличивая плотность и вязкость жидкости, ухудшая ее качество.

Качество очистки забоя скважины зависит от степени турбулизации жидкости в призабойной зоне, что, в свою очередь, за­ висит от вида, свойств и количества промывочной жидкости. Чем выше степень турбулизации, тем лучше и быстрее очищает­ ся забой скважины от выбуренной породы. На характер течения жидкости в призабойной зоне скважины существенно влияет вращение бурового снаряда, а также конструкция и расположе­ ние промывочных окон в породоразрушающем инструменте. Влияние каждого фактора можно оценить, выполнив соответст­ вующие гидравлические расчеты.

После удаления с забоя скважины выбуренная порода долж ­ на быть вынесена на поверхность. Накопление ее в стволе сква­ жины приводит к повышенному износу бурильного инструмента и может вызвать сальникообразование (осаждение частиц поро­ ды на соединениях бурильных труб в виде массивных хлопьев) и прихват труб.

Полный вынос частиц обеспечивается при условии, что их скорость падения в жидкости под действием силы тяжести мень­

ше, чем скорость подъема жидкости. Скорость падения частиц уменьшается с ростом вязкостных свойств и плотности промы­ вочной жидкости. Однако увеличение указанных параметров приводит к ухудшению условий очистки забоя, росту гидравли­ ческих сопротивлений"в циркуляционной системе скважины. Ско­ рость падения частиц зависит и от их формы. Частицы плоской формы падают медленнее, чем шарообразные. Так как форма частиц выбуренной породы не регулируется, полный вынос час­ тиц достигается в основном регулированием скорости восходя­ щего потока промывочной жидкости.

Охлаждение породоразрушающего инструмента

ибурильных труб

Впроцессе бурения происходит нагрев породоразрушающего инструмента за счет совершаемой на забое механической рабо­ ты. По данным Л. А. Шрейнера, физический к. п. д. разруше­ ния породы при бурении не превышает 0,01%, поэтому основной объем механической энергии переходит в тепловую. Промывоч­ ная жидкость, омывая породоразрушающий инструмент, в ре­ зультате конвективного обмена отводит тепло. Эффективность охлаждения зависит от расхода промывочной жидкости, ее теп­ лофизических свойств и начальной температуры, а также от размеров и конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента.

Промывочная жидкость охлаждает и бурильные трубы, на­ гревающиеся вследствие трения о стенки скважины, а также уменьшает их износ.

Промывочные жидкости обладают относительно высокой теплоемкостью, поэтому функция охлаждения выполняется даэйе при небольших расходах их.

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном со­ стоянии в промывочной жидкости, находящейся в скважине, не­ обходимо для предотвращения прихватов бурильного инструмен­ та при прекращении циркуляции. Для выполнения этой функции промывочная жидкость должна обладать тиксотропными свойст­ вами, превращаться при отсутствии движения в гель с образо­ ванием структуры, обладающей некоторой прочностью. Проч­ ность структуры ее оценивается величиной статического напря­ жения сдвига.

Удельный вес породы уп больше удельного веса промывочной жидкости уж. В силу этого частица стремится падать вниз, и в жидкости, окружающей частицу, возникают касательные напря­ жения:

где G — вес частицы в растворе; S — площадь поверхности час­ тицы.

Сила сопротивления промывочной жидкости движению части­ цы вниз, приходящаяся на единицу площади, есть не что иное, как статическое напряжение сдвига 0.

Для упрощения рассуждений примем частицу шарообразной формы с диаметром шара d. Тогда вес частицы в промывочной жидкости

В реальных условиях для предупреждения осаждения частиц напряжения на поверхности частицы при ее движении должны превосходить 0, что учитывается коэффициентом т . По экспе­ риментальным данным АзНИИ, значение т зависит от размера частиц и с ростом их диаметра увеличивается. При диаметре частицы до 2 мм т = 2,5 -5-3.

Частицы выбуренной породы могут иметь самую различную форму, но с точки зрения удержания их во взвешенном состоя­ нии круглая форма — самая неблагоприятная.

Из уравнения (II.5) можно определить требуемую величину статического напряжения сдвига, которая обеспечит удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии.

Физико-химическое воздействие на разрушаемые горные породы

Промывочная жидкость должна облегчать процесс разруше­ ния горных пород на забое скважины. Активное воздействие ее обусловлено главным образом размывающим действием и пони­ жением твердости горных пород в присутствии поверхностно­ активных веществ, находящихся в растворе. Размыв горных по­ род происходит за счет кинетической энергии потока промывоч-

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

Зона предразрушения (рис. 8) в результате влияния понизи­ телей твердости развивается весьма существенно, трещинова­ тость в ней возрастает, микротрещины становятся глубже, чис­ ло их в единице объема увеличивается. Адсорбция ПАВ на по­ верхностях микротрещин приводит к снижению свободной по­ верхностной энергии тела и, как следствие, уменьшению необхо­ димой для разрушения работы, повышению скорости бурения.

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

Сохранение устройчивости стенок скважины

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

Нежелательное изменение свойств пород устраняется подбо­ ром рецептуры промывочной жидкости. В частности, в нее вво­ дят 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, обла­ дая определенной механической прочностью, связывает слабосцементированные частицы горных пород, замедляет или пол­ ностью 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 промывоч­ ной 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 так­ же пород и минералов, обладающих свойством медленно выдав­ ливаться 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.

Сохранение проницаемости продуктивных горизонтов

Эта функция промывочной жидкости важна при разведоч­ ном бурении скважин на жидкие и газообразные полезные ис­ копаемые. В таких скважинах обязательно проводятся исследо­ вания по оценке запасов и возможных дебитов скважин. Часть скважин может впоследствии использоваться в качестве экс­ плуатационных.

Так как в процессе фильтрации промывочных жидкостей на поверхности горных пород и в устьевых частях пор и трещин откладывается корка из частиц твердой фазы, продуктивность пласта в прискважинной зоне уменьшается. Это приводит к сни­ жению дебита скважин, искажению подсчетов запасов, непра­ вильной оценке проницаемости горных пород. Причем уменьше­ ние проницаемости прискважинной зоны может оказаться не­ обратимым. Во избежание отрицательного воздействия жидко­ сти на продуктивный пласт корка должна легко разрушаться, а твердые частицы вымываться из каналов фильтрации. Это достигается подбором вида твердой фазы промывочной жидко­ сти и введением специальных компонентов.

Создание гидростатического равновесия в системе пласт — скважина

В процессе бурения скважина и вскрытый пласт образуют систему пласт — скважина. Промывочная жидкость давит на стенки скважины. Жидкости или газ, находящиеся в пласте, такж е давят на стенки скважины, но со стороны пласта. По­ скольку жидкости соприкасаются друг с другом через каналы фильтрации, пронизывающие стенки скважины, пласт и сква­ жина представляют собой сообщающиеся сосуды.

Если в процессе бурения давление в скважине больше плас­ тового, будет наблюдаться уход промывочной жидкости в пласт — поглощение. Это приводит к различного рода осложне­ ниям в процессе бурения: снижается уровень жидкости в сква­

сом промывки; загрязняются подземные воды.

Если пластовое давление больше гидростатического давления промывочной жидкости, возникает водопроявление — жидкость из скважины поступает на поверхность. Это также приводит к нежелательным последствиям: загрязняется прилегающая к скважине территория, резко ухудшается качество промывочной жидкости, что вызывает обрушение (или пучение) стенок сква­ жин.

В процессе бурения давление жидкости в скважине изменя­ ется: к гидростатическому добавляется давление, величина ко­ торого зависит от .выполняемых в скважине технологических операций. Поэтому возможны условия, когда при бурении по­