Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В качестве жидкой промывочной среды при бурении сква­жин используют чистые жидкости (воду, керосин, беспарафин — ное дизельное топливо) и буровые растворы, являющиеся дис­персно-коллоидными системами (глинистые, стабилизированные шламовые растворы, эмульсии, растворы на нефтяной основе). Чистые жидкости и истинные растворы являются капельными, а буровые растворы, как правило,— структурными жидкостями. Истинный (химический) раствор прозрачен и при постоянстве внешних условий (температуры и давления) не выпадает в оса­док. Механическая взвесь в жидкости грубодисперсного мате­риала— суспензия — непрозрачна и с течением времени выпа­дает в осадок. Коллоидный раствор занимает промежуточное положение между раствором и суспензией — он не прозрачен, но не выпадает в осадок со временем.

Раствор состоит из жидкого растворителя и растворенного в нем твердого или жидкого вещества (веществ). Процесс рас­творения— не простое распределение одного вещества в дру­гом, он сопровождается сложными физико-химическими взаимо­действиями между молекулами и ионами этих веществ. Содер­жание вещества в растворе определяется его концентрацией.

Буровые промывочные жидкости могут быть одно-, двух — и многофазными физико-химическими системами. Однофазная си­стема может состоять из двух и более веществ (например, соле­вой раствор сложного состава), но между компонентами си­стемы отсутствует поверхность раздела. Такая система носит название гомогенной. Система двух — и многофазная характери­зуется наличием поверхности раздела между фазами и называ­
ется гетерогенной. К. гетерогенным системам относятся все дис­персные и дисперсно-коллоидные системы, т. е. большинство буровых растворов.

Наиболее важной характеристикой буровых растворов (структурных жидкостей), ответственной за их основные свой­ства, является дисперсность (степень измельченности) дисперс­ной фазы — твердого или жидкого вещества, равномерно рас­пределенного в другом веществе — дисперсионной среде. Опре­деляется дисперсность величиной, обратной поперечному размеру частицы:

(2.1)

И = Ш, см-1.

С увеличением дисперсности растет общая поверхность раз­дела фаз, определяемая удельной поверхностью:

(2.2)

50=—

V

Здесь 5 и V — соответственно поверхность и объем дисперс­ной фазы, к — коэффициент формы частиц. Удельная поверх­ность 5о также может служить мерой дисперсности, но с обя­зательным учетом формы частиц. Минимальную удельную по­верхность имеют частицы сферической формы.

В зависимости от характерного размера частиц с1 дисперсной фазы различают следующие разновидности дисперсных систем: ^<10_7 см — истинные растворы; (1= 10_7-ь 10~5 см — коллоид­ные растворы; 10~5-ч-10^3 см — суспензии и эмульсии; (1> > 10_3 см — грубые взвеси.

Буровые растворы относятся к полидисперсным системам с размерами основной массы частиц твердой или жидкой дис­персной фазы в пределах 10-5—10^3 см, т. е. к суспензиям и эмульсиям. Без специальной химической обработки поверхност — но-активными веществами эти грубодисперсные системы неус­тойчивы. При отсутствии движения с течением времени суспен­зии разрушаются под влиянием седиментации — оседания, рас­слаивания, выпадения в осадок, эмульсии — под влиянием коа — лесценции — укрупнения жидких частиц при слиянии их между собой.

Особое место занимают глинистые растворы, являясь ти­пичными дисперсно-коллоидными системами. Промежуточное положение коллоидного раствора между истинным раствором и суспензией объясняется чрезвычайно малыми размерами ча­стиц дисперсной фазы, в связи с чем суммарная поверхность раздела очень велика. На этой поверхности развиваются силы физико-химического взаимодействия между фазами, превосхо­дящие движущую силу массы твердых частиц в жидкой дис­персной среде, под ударами молекул которой коллоидные час­тицы находятся в хаотическом броуновском движении.

Акад. П. А. Ребиндер относит к коллоидным частицы раз­мером менее 0,1 мкм (10-5 см), не видимые в обычные микро­скопы. По классификации грунтов Н. А. Цытовича глины ха­рактеризуются частицами размером менее 5 мкм (5- 10~4 см). Ярко выраженные, вместе с тем, коллоидные свойства глини­стых растворов определяются не столько размерами частиц, сколько их плоской (пластинчатой) или реже продолговатой (игольчатой) формой. Природные глины обычно представляют собой беспорядочную смесь пачек пластинчатых кристаллов, напоминающих по строению слюду. На рис. 2.5 показаны план и изометрия одной из частиц каолинита, заснятой с помощью электронного микроскопа. Благодаря такой форме частицы имеют огромную суммарную поверхность, на которой развива-

\С?

Рис. 2.5. Пластинчатая форма частицы као — ‘—

линига

ется свободная поверхностная энергия в форме адсорбционных, электрокинетических, осмотических и других сил в области раз­дела фаз. У самой поверхности частиц электромолекулярные силы могут достигать очень больших величин.

Различают три основные группы глинистых минералов: 1) монтмориллонит, 2) иллит (гидрослюда), 3) каолинит. Ха­рактеристика размеров элементарных глинистых частиц и их удельная поверхность в зависимости от минералогического со­става приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Характеристика размеров и поверхности кристаллов глин Соотношение линейных размеров Диапазон соотношений Удельная поверхность. ма/г Минералы длина и ширина толщина Монтмориллонит 100X100X1 1—5 0,01—0,05 800 Иллит 20X20X1 1-5 0,05—0,5 80 Каолинит 10X10X1 ма* гч 1—20 0,1—1 10

Глины, как правило, имеют полимерный состав.

В каждой из групп минералов существуют разновидности, отличающиеся строением и химическим составом. Наилуч­шими для приготовления глинистых растворов являются бен­тонитовые глины, состоящие в основном из монтмориллонитов. Такие глины быстро набухают и очень хорошо распускаются в воде, обеспечивая высокие качества растворов. Из глин, в ко­торых главную роль играют каолиниты, без специальной хими­
ческой обработки не удается получить высококачественные ра­створы. Глины иллитового типа занимают промежуточное по­ложение.

Химический состав монтмориллонитов выражают формулой АЦЛ^, Ре](513[А1, Л^Югб) (0Н)12пН20. Элементы, указанные в квадратных скобках, могут в большей или меньшей степени замещать собой соответственно А1 или 51, чем определяется на­личие разновидностей минералов этой группы. Строение кри-

Рис. 2.6. Строение кристаллических решеток: а — каолинит; б — монтмориллонит

сталлических решеток монтмориллонита и каолинита, различно (рис. 2.6). В отличие от каолинита с кристаллической решеткой из пяти слоев атомов, пакеты которых прочно связаны между собой, монтмориллонит характеризуется семыо слоями атомов и ослабленной связью между их пакетами. Каждый пакет, пред­ставляющий собой крепко связанные силами химического срод­ства плоские слои атомов А1, 51, О и группы ОН, составляет элементарный кристалл-листочек. В природных глинах на сво­бодной поверхности кристаллов, имеющих отрицательный элек­трический заряд, или между соседними кристаллами в их агре­гатах находятся положительные ионы (катионы) водорода Н+ и большей частью замещающих его металлов Са++, М{*++, реже №+, К+ и др. Эти катионы связывают между собой отдельные кристаллы в плоскопараллельные пачки. Чем выше заряд (ва­лентность) катиоиа и меньше его размер, тем прочнее связь между кристаллами, тем меньше набухает и хуже распускается глина в воде. Исключение представляет ион калия К1, нмею-

щий малый заряд и большой радиус, но крепко связывающий кристаллы. Как видно из вывода Иои…………………………… Н и N3 •Мё А1 К Са Валентность………………….. — . +1 + 1 + 1 +2 +3 + 1 +2 Радиус иона, А. . . 1,54 0,78 0,98 0,78 0,57 1,33 1,06

наибольший размер при мини­мальном заряде (если исклю­чить водород, замещаемый металлами, и калий) имеет ион натрия. Поэтому натрие­вые глины являются наилуч­шими для приготовления гли­нистых растворов. Поверхностная активность глинистых частиц проявля­ется в полной мере при их соприкосновении с водой. Мо­лекулы воды являются поляр­ными, равные между собой положительный и отрицатель­ный заряды распределены не­равномерно. Молекулы — ди­поли жидкой воды находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, и только при ее замерзании и превра­щении в лед устанавливаются в строгом порядке — положи­тельные концы одних дипо­лей притягиваются к отрица­тельным концам других. При замачивании глины водой мо­лекулы последней окружают поверхность кристаллов-лис­точков, проникают между кристаллами в пачках и раздвигают их. При этом глина на­бухает, существенно увеличиваясь в объеме. Диполи воды своими отрицательно заряженными концами притягиваются к положительным ионам металлов или водорода. Чем меньше заряд и больше размер положительно заряженных ионов, тем быстрее и легче они отрываются диполями воды от по­верхности элементарных кристаллов, в результате чего нару­шается связь между листочками в пачках, и глина «распуска­ется» в воде. Отделившиеся ионы замещаются молекулами ‘воды, которые притягиваются к отрицательно заряженной по­верхности кристалла своими положительно заряженными кон­цами, пристраиваясь рядами друг к другу.

Щ11 /о/’Ж ^ ‘ / ‘ 1 4 Осмотическая Обязанной СвоШш

Рис. 2 7. Схема молекулярного взаи­модействия сил в системе твердая ча­стица — вода: а — ориентация диполей воды поверхно­стью твердой частицы; б — схема связан­ности воды в литосфере; в — эпюра из­менений величины молекулярных сил в зависимости от расстояния до поверх­ности минеральной частицы; /—диффузионная оболочка; 2 — слон связанной воды; 3 — минеральная ча­ стица; 4 — термодинамический потенци­ал; 5— электрокннетичсскнй потенциал

Электромолекулярные силы действуют на весьма небольших расстояниях, и величина их быстро уменьшается от максимума на поверхности частицы до нулевого значения при удалении на расстояние до 0,1 мкм. Несколько первых десятков рядов ори­ентированных молекул воды очень прочно связаны с поверх­ностью частицы и не отделяются даже при центрифугировании, создающем усилия, в тысячи раз превышающие силу тяжести (рис. 2.7). Этот слой связанной, или адсорбированной, воды по своей структуре напоминает лед, но не вполне аналогичен ему по свойствам. Молекулы связанной воды, составляющие так называемую граничную фазу, оказывают притягивающее и ори­ентирующее влияние на окружающие молекулы и ионы, что выражается в образовании диффузной оболочки. В пределах последней находятся отщепленные от поверхности частицы и окруженные диполями воды катионы, образующие «ионные об­лака». В отличие от адсорбированной воды граничной фазы воду в пределах диффузной оболочки называют лиосорбиро — ванной.

Электрический заряд поверхности кристалла глины частично погашается слоем связанной, или адсорбированной, воды, дру­гая часть этого заряда погашается в диффузном слое. Отрица­тельно заряженная поверхность кристалла и катионы в диффуз­ной оболочке совместно образуют двойной электрический слой. Падение напряжения на всем интервале между твердой по­верхностью кристалла и свободной жидкостью называется тер­модинамическим потенциалом, а на участке диффузной оболоч­ки — электрокинетическим потенциалом, или г-потенциалом.

Поверхностные слои элементарных кристаллов различных глин могут быть представлены гидроксильными группами ОН-, связь между О и Н в которых сильно полярна. В результате диссоциации молекул ионы Н+ могут отщепляться, и в этом случае глина ведет себя как кислота. Глины, в которых ионы Н+ замещены катионами металлов, можно рассматривать как соли соответствующих сложных кислот. В других условиях от поверхности частиц могут отщепляться целиком группы ОН-, замещаемые в этом случае только анионами. Природные алю­мосиликаты— глины являются амфотерными адсорбентами. Это означает, что в щелочной среде от них отщепляются водородные ионы Н+, а в кислой — гидроксильные группы ОН — и соответ­ственно на поверхности частиц могут адсорбироваться как ка­тионы, так и анионы. Изменяя кислотность среды, можно влиять на обменные реакции между дисперсными частицами и дис­персионной средой, добиваясь адсорбции на поверхности ча­стиц катионов или анионов.

Интенсивность электромолекулярного взаимодействия фаз в коллоидном растворе характеризуется величиной термодина­мического потенциала, которая зависит от общего числа адсор­бированных частицей ионов. На толщину двойного электриче­ского слоя влияет концентрация ионов электролита в жидкости. С ее уменьшением толщина двойного электрического слоя уве­личивается, поскольку часть ионов адсорбированного слоя пе­реходит в диффузный, величина г-потенциала возрастает, и кол­лоидные свойства системы улучшаются.

Адсорбированный и диффузный слои образуют вокруг гли­нистой частицы гидратную оболочку, которая препятствует сли­панию частиц между собой. Однако гидратная оболочка развита неравномерно. Наибольшая толщина ее—по плоским поверх­ностям частицы, наименьшая — на острых гранях и углах. В этих местах силы отталкивания ослаблены, и частицы могут слипаться между собой. Процесс слипания частиц в коллоидном растворе называется коагуляцией. Различают гидрофобную и гидрофильную коагуляции. Гидрофобная коагуляция с образо­ванием выпадающих из раствора хлопьев происходит в усло­виях, когда коллоидные частицы лишены защитных гидратных оболочек и могут необратимо слипаться в любых положениях. Гидрофильная коагуляция возникает, когда коллоидные частицы неравномерно защищены гидратными оболочками и могут сли­паться между собой в отдельных активных центрах коагуляции, образуя пространственную решетку (сетку, каркас), заполняю­щую весь объем. При этом свободная вода заключена в отдель­ных ячейках, как в сотах. Раствор теряет подвижность, застуд­невает, превращается в связно-дисперсную систему —гель. Такая коагуляция обратима. Механическое перемешивание на­рушает связи между частицами, раствор вновь приобретает те­кучесть, превращаясь в свободно-дисперсную систему —- золь. Явление обратимого изотермического образования и разрушения пространственной структуры называется структурообразова — нием, или тиксотропией.

Свойства глинистых растворов во многом определяются сложными реакциями ионного обмена, на протекание которых могут оказывать влияние даже ничтожные количества химиче­ских реагентов. Это дает возможность повышения качества гли­нистых растворов из местных глин и регулирования их свойств в желаемом направлении.

Определяющим в поведении двух — и многофазных дисперс­ных систем, в особенности, коллоидных систем, является ин­тенсивность электромолекул яр но го взаимодействия на границе раздела фаз, выражающаяся в физико-химическом сродстве между твердой и жидкой фазами, в смачиваемости. По сте­пени смачиваемости эти системы делятся на лиофильные и лиофобные (гидрофильные и гидрофобные, если дисперсионной средой является вода).

Замечательные свойства глинистых растворов, выражаю­щиеся, в первую очередь, в их стабильности, объясняются высо — коинтенсивным электромолекулярным взаимодействием между частицами глины и водой, высокой смачиваемостью, сильной природной гидрофильностыо этой дисперсно-коллоидной си­стемы.

Большинство шламовых (естественных) растворов, кроме со­левых (химических) и глинистых (коллоидных), характеризу­ются слабым электромолекулярпым взаимодействием между ди­сперсной фазой и дисперсионной средой, низкой смачивае­мостью и даже гидрофобностыо. Однако с помощью обработки химическими реагентами даже грубодисперсной гидрофобной суспензии можно придать определенные коллоидные свойства. В этих целях используются реагенты-электролиты, реагенты — защитные коллоиды и поверхностно-активные вещества.

Механизм действия электролитов, распадающихся в растворе на положительно и отрицательно заряженные ионы, заключа­ется, во-первых, в химическом изменении кислотности (или ще­лочности) дисперсионной среды, в замене одних ионов на по­верхности частицы другими, способствующими образованию слоя связанной (адсорбированной) воды 11, во-вторых, в изме­нении ионного давления в диффузном слое, влияющего на сте­пень развитости двойного электрического слоя вокруг частичек дисперсной фазы, на толщииу гидратной оболочки и коллоид­ные свойства системы.

Наличие электрического заряда у частиц дисперсно-коллоид­ной системы под воздействием разности потенциалов вызывает перемещение отрицательно заряженных частиц к положитель­ному полюсу (и наоборот)—явление электрофореза, а если между полюсами имеется проницаемая для дисперсионной среды и непроницаемая для частиц перегородка, частицы скап­ливаются и оказывают давление на одну из сторон этой пере­городки — явление электроосмоса. Оба эти явления важны для обеспечения закрепляющего действия буровых растворов на неустойчивые породы, слагающие стенки скважины.

Стабилизирующее действие реагентов — защитных коллоидов и ПАВ на неколлоидные шламовые растворы основано на явлениях адсорбции, которые связаны с наличием избыточной энергии на поверхности раздела фаз.

Внутри любого сплошного тела, например жидкости, силы взаимодействия между молекулами уравновешены. На поверх­ности раздела молекулярные силы притяжения не уравнове­шены (рис. 2.8). Молекулы, расположенные непосредственно на поверхности жидкости, за счет избытка сил притяжения со сто­роны последней сжимают ограничиваемый ими объем жидкости, что выражается в поверхностном натяжении, в стремлении по­верхности раздела к уменьшению. Поверхностное натяжение в о выражают как работу образования 1 см2 поверхности или как силу, отнесенную к единице длины контура, ограничиваю­щего поверхность жидкости, и действующую в плоскости, каса­тельной к этой поверхности в сторону ее сокращения. Измеря­ется а в Дж/см2 или Н/м.

За счет некомпенсированной поверхностной энергии на гра­нице раздела жидкой и твердой (или газообразной) фаз проис­ходит адсорбция, т. е. возникает повышенная в сравнении с рас­твором концентрация какого-либо растворенного в жидкости ве­щества (адсорбтива). В силу диффузии молекулы адсорбтива равномерно распределяются в объеме раствора, но, встречаясь с поверхностью твердой фазы (адсорбента), обладающей большими силами притяжения, накапливаются на ней. Адсорб­ция непрерывно сопровождается десорбцией — отрывом от по­верхности адсорбента и уходом в раствор части молекул адсорб­тива. Момент насыщения поверхности раздела молекулами ад­сорбтива наступает в условиях динами­ческого равновесия между адсорбцией и десорбцией.

б а Рис. 2.8. Схема действия молекулярных сил: а — на молекулу, находя« щуюся внутри жидкости; б — на молекулу, находя­щуюся в поверхностном слое

поверхности раздела

Молекулы защитных коллоидов и ПАВ, эффективных для обработки буро­вых растворов, имеют дифильное строе­ние, т. е. включают гидрофобную и Спо­собную гидратироваться — гидрофиль­ную группы. Адсорбируясь на границе раздела фаз, эти молекулы ориентиру­ются таким образом,, что имеющая. сродство с водой гидрофильная группа обращена к воде, а гидрофобная груп­па — к твердой фазе в растворе (к мас­лу в эмульсии, к воздуху в цепе). При обычно применяемой в практике кон­центрации эти молекулы образуют на плотно упакованный слой. Их концентрация в адсорбционном слое толщиной 10-7-М0~8 см может в десятки тысяч раз пре­вышать концентрацию в растворе.

Адсорбция измеряется количеством адсорбтива в молях или граммах на едииице поверхности или массы адсорбента. Адсорб­ция сопровождается изменением поверхностного натяжения. По­верхностно-активные вещества (ПАВ) имеют положительную адсорбцию, т. е. накапливаются на границе раздела фаз и при этом снижают поверхностное натяжение. Существуют поверх­ностно-активные вещества, обладающие отрицательной адсорб­цией. Сознательно введенные в буровой раствор или поступаю­щие в него в процессе бурения растворимые вещества могут оказывать различное влияние на поверхностное натяжение, на степень и направление электро-молекулярных взаимодействий на границе раздела фаз. С повышением температуры поверх­ностное натяжение снижается.

Высокомолекулярные гидрофильные (защитные) коллоиды и ПАВ, адсорбируясь на границе раздела поверхности частиц гидрофобной дисперсной фазы шламовых растворов и воды, изменяют свойства поверхности, придают ей высокое сродство
с водой, смачиваемость (гидрофильность). В результате обра­зуются мицеллы стабилизированного гидрофобного коллоида. Мицелла состоит из элементарной частицы гидрофобной фазы, адсорбированного на ней слоя защитного коллоида или ПАВ и гидратной оболочки, представленной слоями ориентированных молекул воды и диффузным слоем. Гидратные оболочки частиц стабилизируют буровой шламовый раствор, устраняя слипание частиц и выпадение их агрегатов из раствора в осадок.

Достигаемую с помощью стабилизации устойчивость буро­вого раствора подразделяют на седиментационную и агрега* тивную. Седиментациониая (или кинетическая) устойчивость является результатом совместного проявления противополож­ных процессов — оседания под действием движущей силы веса дисперсиых частиц в дисперсионной среде и хаотического тепло­вого (броуновского) движения, распределяющего частицы рав­номерно по объему раствора. Седиментациониая устойчивость возрастает с увеличением дисперсности и температуры. Агрега — тивная устойчивость, выражающаяся в способности мицелл не слипаться между собой в любых положениях, т. е. в способ­ности дисперсных частиц не объединяться в выпадающие из раствора агрегаты, также есть результат совместного прояв­ления противоположных процессов — слипания хаотически дви­жущихся частиц под действием ваандерваальсовых сил межмо — лекулярного притяжения и отталкивания мицелл друг от друга за счет электрических сил отталкивания между ионами одного заряда в диффузной оболочке мицелл. Агрегативная устойчи­вость тем выше, чем более развиты гидратные оболочки частиц, т. е. чем дисперснее твердая фаза и сильнее смачиваемость ее поверхности.

Различают свободно-дисперсные (бесструктурные) системы, не оказывающие сопротивления сдвигу, и связно-дисперсные (структурированные) системы, обладающие всеми признаками коллоидного раствора, прежде всего, тиксотропией, способ­ностью обратимого перехода из золя в гель и наоборот. Та и другая системы могут иметь одну природу, но отличаться кон­центрацией дисперсной фазы, которая для образования про­странственной структуры должна быть достаточно большой.

Особую пространственную структуру представляет собой пена. В основе получения пены заложено резкое снижение по­верхностного натяжения воды на границе раздела с воздухом (газом, паром) за счет адсорбции ПАВ. Поверхностное натя­жение водных растворов ПАВ обычно имеет значения в преде­лах а=28—36Х10-3 Н/м. Дисперсионной средой пены счита­ется вода, а дисперсной фазой — воздух. Структура пены оп­ределяется объемным соотношением жидкой и газовой фаз. Когда объем воздуха в десятки и сотни раз превышает объем воды, ячейки пены представляют собой многогранники, разде­ленные очень тонкими пленками, которые состоят из двух слоев

адсорбированных молекул ПАВ и прослойки воды (раствора) между ними. В местах стыков пленок образуются утолщения, называемые каналами. Совокупность пленок и каналов, прони­зывающая весь объем пены, образует пространственный каркас, обладающий определенной прочностью и определяющий собой свойства пены.

Адсорбция ПАВ на поверхностях раздела фаз играет весьма важную роль не только в процессах очистки забоя и транспор­тирования шлама при бурении скважин, ио и лежит в основе явления понижения прочности горных пород.

Комментарии запрещены.