2.2 Структура глинистых пород

Другим важным фактором, определяющим свойства глинистых пород, является их структура. Под структурой понимают размер, форму, характер поверхности и количественное соотношение структурных элементов, их ориентацию в пространстве и тип структурных связей .

Изучение структуры горных пород проводится на макро- и микроуровнях. На первом выявляют все особенности строения породы визуально, а на втором - с помощью оптических и растровых электронных микроскопов (РЭМ). По отношению к тонкодисперсным глинистым породам изучение их микроструктуры приобретает особое значение.

Микроструктура глинистых пород - чуткий индикатор условий формирования породы, а различное сочетание ее признаков находится в тесной взаимосвязи со свойствами. В работах были подробно рассмотрены типы микроструктур глинистых пород и особенности их формирования в ходе истории геологического развития. Однако для объяснения многих свойств глинистых пород, и в первую очередь прочностных и деформационных свойств глин, помимо морфологических особенностей частиц и пор, слагающих породу, чрезвычайно большую роль играет характер структурных связей, то есть сил, действующих между минеральными частицами.

В зависимости от состава и структуры глинистой породы между частицами могут существовать такие виды взаимодействий, как гравитационные, магнитные, молекулярные, электростатические, ионно-электростатические, силы поверхностного натяжения и силы, обусловленные химическими связями. Эти силы действуют не по всей межфазной границе частиц, а только в местах их непосредственных контактов. Характер индивидуальных контактов, а также их количество являются важными показателями структуры породы, от которых зависят ее прочностные и деформационные свойства.

В глинах между минеральными частицами возможно формирование трех типов контактов: коагуляционных, переходных и фазовых. Коагуляционные контакты преобладают у молодых глинистых осадков и слабоуплотненных глин. Их характерной особенностью является наличие между частицами тонкой равновесной пленки жидкости (связанной воды), толщина которой зависит от физико-химических факторов, достигая нескольких десятков нанометров . Притяжение частиц в коагуляционном контакте обусловлено дальнодействующими молекулярными, магнитными и электростатическими взаимодействиями. Важными особенностями коагуляционных контактов являются малая прочность (10-11-10- 9 Н) и обратимый характер разрушения. После разрушения они могут быстро восстанавливаться. С этим связано явление тиксотропии молодых глинистых осадков, заключающееся в потере прочности при динамических воздействиях и ее восстановлении после снятия таких воздействий.

Переходные контакты распространены в водонасыщенных плотных глинистых породах, а также в не полностью водонасыщенных глинах, находящихся в сухом и слабовлажном состояниях. Они характеризуются небольшой (точечной) площадью соприкосновения и образованием между частицами относительно прочной связи (10- 8-10- 7 Н) за счет действия ионно-электростатических и химических (валентных) сил. Отличительной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воздействию воды, то есть способность переходить в коагуляционные контакты при увлажнении породы и восстанавливаться при высыхании.

Фазовые контакты развиты у сильно уплотненных сцементированных глин, аргиллитов, глинистых сланцев. Они характеризуются наличием непосредственного соприкосновения между минеральными частицами на значительной контактной площади или развитием на контакте новой фазы (кремнезема, гипса, карбонатов), цементирующей минеральные частицы и микроагрегаты. Первый тип фазовых контактов часто называют кристаллизационным , а второй - цементационным . Фазовые контакты образованы ионно-электростатическими и химическими силами, что обусловливает их высокую прочность ( 10 6 Н). Глинистые породы с фазовыми контактами слабо теряют свою прочность и не пластифицируются при увлажнении. глина порода грунт

В ходе геологического развития глинистых пород наблюдаются закономерная смена типов контактов и изменение их прочности. Так, при гравитационном уплотнении молодые глинистые осадки превращаются в пластичные глины. При этом происходит преобразование коагуляционных контактов в переходные. Дальнейшее уплотнение глин на больших глубинах при высоких давлениях и температурах приводит к трансформации переходных контактов в фазовые и формированию таких прочных глинистых пород, как аргиллиты и глинистые сланцы.

Как правило, глинистые породы, характеризующиеся присутствием того или иного типа контактов, обладают определенными свойствами. Таким образом, зная прочность этих контактов, можно оценить величину и тип структурных связей и дать прогноз прочностного поведения глинистой породы в различных условиях.

Несомненно, расчет прочности контактов между глинистыми частицами - чрезвычайно сложная задача. Ее решение затрудняется очень малым размером глинистых частиц и необходимостью иметь прецизионное оборудование для изучения слабых взаимодействий.

23. Приготовление, утяжеление и обработка буровых растворов, а также их очистка от выбуренной породы — важный процесс при бурении скважины. От качества бурового раствора в значительной мере зависит успех проводки скважины.

Приготовление буровых растворов может осуществляться в механических мешалках и гидравлических смесителях.

В настоящее время в отечественной практике для приготовления буровых растворов широко применяются порошкообразные материалы. Для приготовления буровых растворов из этих материалов используют следующее оборудование: блок приготовления раствора (БПР), выносной гидроэжекторный смеситель, гидравлический диспергатор, емкости ЦС, механические и гидравлические перемешиватели, поршневой насос.

При обработке глинистых растворов химическими реагентами, особенно содержащими щелочи и кислоты, рабочие должны работать в резиновых перчатках, очках, фартуках и сапогах, чтобы брызги щелочи и кислоты не повредили лицо, руки и одежду.

В механических глиномешалках можно приготовить растворы из сырых глин, глинобрикетов и глинопорошков.

Более эффективны, чем глиномешалки, фрезерно-струйные мельницы ФСМ-3 и ФСМ-7.

Фрезерно-струйная мельница может быть использована не только для приготовления растворов, но и для утяжеления бурового раствора, а также для добавки в него глины и глино-порошка. В этом случае в ФСМ вместо воды подается буровой раствор. Техническая характеристика ФСМ приведена ниже.

Очистка промывочной жидкости от обломков выбуренной породы (шлама). Буровой раствор, выходящий на поверхность из скважины, может быть вновь использован, но для этого он должен быть очищен от обломков выбуренной породы (шлама).

Поступающие в буровой раствор частицы выбуренной породы оказывают вредное влияние на его основные технологические свойства. Кроме того, наличие в растворе абразивных частиц существенно снижает показатели работы долот, гидравлических забойных двигателей, буровых насосов и другого оборудования. В связи с этим очистке буровых растворов должно уделяться особое внимание.

Для очистки бурового раствора от шлама используется комплекс различных механических устройств: вибрационные сита (рис. 6.16.), гидроциклонные шламоотделители (рис. 6.17.), сепараторы, центрифуги. В составе циркуляционной системы все эти механические устройства должны устанавливаться в строгой последовательности. При этом схема прохождения бурового раствора должна соответствовать следующей технологической цепочке: скважина — газовый сепаратор — блок грубой очистки от шлама (вибросита) дегазатор — блок тонкой очистки от шлама (песко- и илоотделители, сепаратор) — блок регулирования содержания и состава твердой фазы (центрифуга, гидроциклонный глиноотделитель) — буровые насосы — скважина.

При отсутствии газа в буровом растворе исключают ступени дегазации; при использовании неутяжеленного раствора, как правило, не применяют сепараторы, глиноотделители и центрифуги; при очистке утяжеленного бурового раствора обычно исключают гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотделители). Таким образом, выбор оборудования и технологии очистки бурового раствора от шлама должен основываться на конкретных условиях бурения.для очистки буровых растворов, как обязательная, принята трехступенчатая система.

Технология очистки не утяжеленного бурового раствора по этой системе представляет собой ряд последовательных операций, включающих грубую очистку на вибросите и тонкую очистку — пескоотделение и илоотделение — на гидроциклонах шламоотделителях. Буровой раствор после выхода из скважины подвергается на первой ступени грубой очистке на вибросите и собирается в емкости. Из емкости центробежным насосом раствор подается в батарею гидроциклонов пескоотделителя, где из раствора удаляются частицы песка. Очищенный от песка раствор поступает через верхний слив в емкость, а песок сбрасывается в шламовый амбар. Из емкости центробежным насосом раствор подается для окончательной очистки в батарею гидроциклонов илоотделителя. После отделения частиц ила очищенный раствор направляется в приемную емкость бурового насоса, а ил сбрасывается в шламовый амбар.

Дегазация промывочных жидкостей. Газирование бурового раствора препятствует ведению нормального процесса бурения. Во-первых, вследствие снижения эффективной гидравлической мощности уменьшается механическая скорость проходки, во-вторых, возникают осыпи и проявления пластовой жидкости и газа в результате снижения эффективной плотности бурового раствора, т. е. гидравлического давления на пласты, в-третьих, возникает опасность взрыва или отравления ядовитыми пластовыми газами (например сероводородом). Пузырьки газа препятствуют удалению шлама из раствора, поэтому оборудование для очистки от шлама работает неэффективно.

Газ в буровом растворе может находиться в свободном, жидком и растворенном состояниях. Свободный газ легко удаляется из бурового раствора в поверхностной циркуляционной системе путем перемешивания в желобах, на виброситах, в емкостях. При устойчивом газировании свободный газ из бурового раствора удаляют с помощью газового сепаратора.Очищенный от свободного газа буровой раствор обычно поступает на вибросито. Однако при наличии в буровом растворе жидкости токсичного газа, например сероводорода, поток из сепаратора по закрытому трубопроводу сразу подается на дегазатор для очистки от газа. Только после окончательной дегазации буровой раствор очищают от шлама. Наибольшее распространение в отечественной практике получили вакуумные дегазаторы. Они представляют собой двухкамерную герметичную емкость, вакуум в которой создается насосом. Камеры включаются в работу поочередно при помощи золотникового устройства. Производительность дегазатора при использовании глинистого раствора достигает 45 л/с; остаточное газосодержание в буровом растворе после обработки не превышает 2%.Регенерация утяжелителей. Утяжелители - дорогие и дефицитные материалы, поэтому их экономное и повторное использование - весьма важная задача работников бурения.Существуют следующие способы повторного использования утяжеленного раствора.

1. При близком расположении бурящихся скважин утяжеленный раствор перекачивают из одной буровой в другую по трубопроводу.

2. При отсутствии трубопровода утяжеленный раствор из буровой в буровую перевозится в автоцистернах.

3. Утяжелитель извлекают из раствора при помощи специальных устройств. Регенерацию утяжелителей из отработанных растворов производят осаждением в желобах, в гидроциклонных установках или в специальных регенерационных установках.

24. Биополимеры — это природные или биосинтетические (продуцируемые микробными штаммами) высокомолекулярные соединения, являющиеся основой всех живых организмов и растений. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и их производные. Известны такжесмешанные биополимеры, например липопротеиды (комплексы, содержащие белки и липиды), гликопротеиды (соединения, в молекулах которых олиго- или полисахаридные цепи ковалентно связаны с пептидными цепями белка), липоволисахариды (соединения, молекулы которых построены из липида, олиго-и полисахарида).