Исследование механизма разрушения глинистых пород. Изменения свойств глинистых пород в зависимости ионного состава водных фильтратов. Разработка рекомендаций по составу фильтратов буровых растворов, способствующих сохранению номинального диаметра скважин.
Аннотация к работе
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Повышение эффективности ингибирования глинистых пород путем управления минерализацией буровых растворов Диссертация выполнена на кафедре бурения нефтяных и газовых скважин Ухтинского государственного технического университета. Научный руководитель: кандидат технических наук, профессорПовышение эффективности строительства скважин в значительной степени определяется сохранением устойчивости стенок скважины в процессе бурения. В наибольшей степени разрушению и деформации подвержены глиносодержащие породы, которые составляют существенную долю осадочного комплекса пород в нефтегазовых регионах. Изза отсутствия универсального системного подхода к данной проблеме используемые приемы регулирования химического состава бурового раствора далеко не всегда обеспечивают эффективность в сохранении устойчивости глинистых пород. Установлено, что коэффициент увлажнения глинистых пород Кс находится в обратной зависимости от коэффициента активности неорганического электролита ?, который позволит обосновать концентрацию электролитов в ингибирующих буровых растворах. · Структура и химическая активность глинистых пород в пристенной зоне скважины зависит от состава фильтрата бурового раствора, в частности от коэффициента активности электролита.Для оценки интенсивности увлажнения образца был введен коэффициент скорости увлажнения образца раствором по сравнению с водой Кс при : , (1) где , , , - соответственно глубина увлажнения образца и время увлажнения образца в дистиллированной воде и в растворе. Наблюдения за ионообменными процессами между глиной и раствором показали, что в дистиллированной воде практически не экстрагируются ионы из глины, а размокание образца обусловлено капиллярным смачиванием поверхности микропор и микротрещин породы с последующим возникновением расклинивающих капиллярных сил. происходит активная адсорбция глиной ионов Al3 и Cl-; практически не адсорбируются ионы NH4 и Mg2 ; видимо, это обусловлено химическим сродством и величиной радиусов ионов (для катионов, например, радиусы для Al3 , Mg2 , NH4 соответственно равны 0,72; 0,82; 1,42 ?); радиус Cl-относительно велик (1,81 ?), но ионы хлора могут удерживаться на поверхности пор и микротрещин породы за счет избыточного положительного заряда катионов на «сколах» структурных элементов глинистых минералов; Исследование структурных изменений глин под действием растворов позволило изучить один из механизмов разрушающего действия ионов - дестабилизацию кристаллической структуры глины. Однако в действии данных растворов есть определенные закономерности: - практически во всех растворах, содержащих Na , происходит интенсивная гидратация монтмориллонитовой глины с последующим сильным ее набуханием; однако в растворах гидроортофосфата и сульфата натрия этот процесс имеет свои особенности в связи с тем, что ионы HPO42-и SO42-, обладая большим зарядом и малой подвижностью, по-видимому, ингибируют гидратацию данного минерала, но только в области малых межплоскостных расстояний, поэтому набухание с последующей пептизацией происходит только за счет увеличения межпакетного расстояния более 10 ангстрем;Установлено, что объективным критерием интенсивности увлажнения глинистых пород при взаимодействии их с водными растворами может служить определяемый экспериментально коэффициент скорости увлажнения Кс. Экспериментально установлено, что в случае обратимости ионообменных процессов в системе «глинистая порода-раствор» с ростом концентрации наблюдается обратная связь между коэффициентом активности электролита ? и коэффициентом скорости увлажнения Кс. Установлено, что в случае необратимости ионообменных процессов в системе «буровой раствор-глинистая порода», т.е. при химической реакции, приводящей к образованию новых соединений, идет однонаправленный не поддающийся регулированию процесс кольматации породы за счет образования плохо растворимых соединений либо разрушения неглинистых минералов. Установлено, что растворы некоторых электролитов стабилизируют структуру глин за счет снижения интенсивности ионообменных процессов в глинистых минералах. Установлено, что возникновение осмотических сил, противодействующих продвижению воды в породу, возможно при образовании увлажненного слоя глины не менее 10-12 мм.
План
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ
1. Уляшева, Н.М. К вопросу увлажнения глинистых пород в водных растворах электролитов [Текст] / Н.М. Уляшева, И.В. Ивенина // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2010. - № 4. - С. 24-27.
2. Уляшева, Н.М. Влияние ионной силы раствора на скорость увлажнения глинистых пород [Текст] / Н.М. Уляшева, И.В. Ивенина // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2010. - № 4. - С. 28-30.
3. Ивенина, И.В. Регулирование состава и свойств буровых промывочных жидкостей для сохранения устойчивости стенок скважин, сложенных глинистыми породами [Текст] / И.В. Ивенина // Сб. науч. трудов: материалы научно-технич. конференции (18-21 апреля 2006 г.): в 3 ч.; ч.1/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2006. - С. 293-297.
4. Ивенина, И.В. Учет осмотической составляющей массопереноса в системе скважина-пласт» при разбуривании глинистых пород [Текст] / И.В. Ивенина // Сб. науч. трудов: материалы научно-технич. конференции (17-20 апреля 2007 г.): в 2 ч.; ч.1/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2008. - С. 195-199.
5. Ивенина, И.В. Исследование воздействия различных минерализованных составов на интенсивность гидратации глин [Текст] / И.В. Ивенина // Сб. науч. трудов: материалы научно-технич. конференции (15-18 апреля 2008 г.): в 2 ч.; ч.1/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2008. - С. 326-327.
6. Ивенина, И.В. Возможная взаимосвязь между величиной коэффициента активности электролита и интенсивностью гидратации глин в растворах электролита различной концентрации [Текст] / И.В. Ивенина // Сб. науч. трудов: материалы научно-технич. конференции (14-17 апреля 2009 г.): в 2 ч.; ч.1/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2009. - С. 232-234.
7. Ивенина, И.В. К вопросу о взаимодействии глинистых пород с электролит-содержащей фазой бурового раствора при бурении скважин [Текст] / И.В. Ивенина // Сб. науч. трудов: материалы научно-технич. конференции (13-15 апреля 2010 г.): в 3 ч.; ч.1/ под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2010. - С. 174-178.
Размещено на .ru
Вывод
1. Установлено, что объективным критерием интенсивности увлажнения глинистых пород при взаимодействии их с водными растворами может служить определяемый экспериментально коэффициент скорости увлажнения Кс.
2. Экспериментально установлено, что в случае обратимости ионообменных процессов в системе «глинистая порода-раствор» с ростом концентрации наблюдается обратная связь между коэффициентом активности электролита ? и коэффициентом скорости увлажнения Кс.
3. Установлено, что в случае необратимости ионообменных процессов в системе «буровой раствор-глинистая порода», т.е. при химической реакции, приводящей к образованию новых соединений, идет однонаправленный не поддающийся регулированию процесс кольматации породы за счет образования плохо растворимых соединений либо разрушения неглинистых минералов.
4. Установлено, что растворы некоторых электролитов стабилизируют структуру глин за счет снижения интенсивности ионообменных процессов в глинистых минералах. По убыванию этой способности электролиты ранжируются в следующий ряд (при равных эквивалентных концентрациях): MGSO4 > KOH > MGCL2 > CACL2 > KCL
5. Подтверждено, что добавление гипса, кольматирующего породу и являющегося источником ионов кальция, обеспечивает ингибирование гидратации литифицированных глин и повышает эффективность буровых растворов.
6. Установлено, что возникновение осмотических сил, противодействующих продвижению воды в породу, возможно при образовании увлажненного слоя глины не менее 10-12 мм. При меньшей толщине действие осмотических сил практически не сказывается. Таким образом, повышение минерализации раствора для поддержания высокого осмотического давления целесообразно лишь в том случае, когда состав фильтрата на длительное время способен обеспечить стабильность капиллярной системы увлажненной глинистой породы.
7. Установлено, что при использовании солей одновалентных металлов наблюдается ступенчатый характер гидратации литифицированных глинистых пород, обусловленный высокой подвижностью и адсорбционной способностью ионов калия и натрия. Продолжительность периодов релаксации растет с увеличением концентрации соли. Периоды релаксации чередуются с интенсивным разрушением породы, обусловленным диспергированием (пептизацией) глинистого минерала.
8. Доказано, что наличие в растворе анионов: сульфатов, фостатов и ацетатов - повышает ингибирующие свойства электролитов. Присутствие хлорид-ионов при прочих равных условиях, напротив, облегчает процессы разрушения глинистых пород.
9. Разработаны рекомендации по минерализации фильтрата и компонентному составу буровых растворов для вскрытия литифицированных глин.
10. Разработана методика оценки скорости увлажнения глинистых пород, которая в настоящее время используется в учебном процессе по дисциплине «Физико-химические методы борьбы с осложнениями».