Успешное бурение в осложненных геологических условиях (слабосвязные рыхлые, нарушенные трещинами кристаллические, вспучивающиеся породы и др.) обеспечивается применением для промывки скважин качественного глинистого раствора нормальной концентрации.

Качество глинистых растворов, представляющих собой коллоидно-дисперсные системы, зависит от свойств основных составляющих их компонентов (глины и воды), а также от степени измельчения частиц глины.

Наилучшие для приготовления глинистых растворов — бентонитовые глины, состоящие в основном из монтмориллонитов. Они быстро набухают и легко распускаются в воде. Каолиновые глины плохо распускаются в воде, их растворы неустойчивы и быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Без специальной химической обработки получить высококачественные растворы из таких глин не удается. Глины иллито-вого (гидрослюдистые) типа дают растворы удовлетворительного качества.

Кроме того, следует иметь в виду, что глины содержат примеси окисей железа, натрия, кальция, магния, калия и др. Натровые глины являются лучшими. Глины с большим содержанием окисей кальция и магния непригодны.

Воду для раствора следует применять мягкую — речную или дождевую, а в случае использования жесткой воды подвергать ее химической обработке.

Тщательное перемешивание качественной глины с мягкой водой дает возможность получить стабильный (устойчивый) раствор, в котором частицы глины продолжительное время удерживаются во взвешенном состоянии.

Стабильность глинистого раствора обусловлена образованием вокруг каждого элементарного кристаллика глины, имеющего форму вытянутого лепестка, гидратационной оболочки из молекул воды и заряженного ионного облака, создающего электростатические силы отталкивания между частицами. Это пре-лятствует коагуляции (слипанию) частиц глины. Различают коагуляцию двух видов — гидрофобную и гидрофильную. Гидрофобная коагуляция происходит, когда частицы глины лишены защитных гидратных и ионных оболочек по всей их поверхности. Тогда они слипаются и выпадают из раствора в плотный осадок. При обработке глинистого раствора веществами, восстанавливающими у глинистых частиц электрические заряды, происходит пептизация — процесс распада слипшихся комочков глины на мелкие частицы, т. е. процесс, обратный коагуляции. В качестве пептизаторов применяют щелочи (каустическая, кальцинированная сода и др.). Гидрофильная коагуляция возникает в связи с тем что в качественных глинистых растворах защитные гидратные оболочки и электростатические силы ослаблены или отсутствуют лишь на торцевых поверхностях глинистых частиц. В состоянии покоя частицы по этим поверхностям слипаются. Образуется пространственная решетка, заполняющая весь объем раствора. Свободная вода при этом находится в ячейках решетки. Раствор теряет подвижность, становится прочным, похожим на студень.

Образование пространственной решетки в глинистом растворе, находящемся в состоянии покоя, и превращение его в студнеобразную массу (гель) называется структурообразова-нием.

Частицы породного шлама, находящиеся в растворе, при образовании структуры оказываются заключенными в ячейках каркаса пространственной решетки и удерживаются во взвешенном состоянии. Таким образом, наличие структуры препятствует оседанию частиц разбуренной породы и зашламованию бурового снаряда во время прекращения циркуляции промывочной жидкости в скважине. Кроме того, образование структуры в растворе способствует закупориванию трещин в стенках скважины и предупреждает потерю циркуляции промывочной жидкости.

Существенное значение при бурении слабосвязных пористых пород имеет способность глинистого раствора глинизировать стенки скважины, т. е. образовывать на них глинистую корку. Под давлением столба промывочной жидкости в скважине свободная вода из глинистого раствора фильтруется через пористые породы ее стенок. Частицы глины при этом задерживаются на поверхности стенок скважины и через некоторое время образуют глинистую корку.

При высокой степени дисперсности (измельчения) частиц глины в растворе на стенках скважины осаждается тонкая, но очень плотная и устойчивая корка, препятствующая поступлению воды в буримые породы и способствующая укреплению стенок скважины. Образование на стенках скважины тонкой, плотной глинистой корки позволяет бурить большие интервалы неустойчивых слабосвязных пород без крепления их обсадными колоннами, что дает возможность уменьшить расход обсадных труб и упростить конструкцию скважины.

Бурение в несложных условиях следует вести, применяя глинистый раствор вязкостью 18—22 с. Для борьбы с потерей циркуляции промывочной жидкости в трещиноватых породах вязкость раствора доводят до 40—50 с и более, вплоть до состояния «не течет». При бурении скважин на воду применяют растворы вязкостью от 18 до 35 с.

Содержание песка (П) в глинистом растворе характеризует качество глины, используемой для его приготовления, и степень загрязненности раствора частицами разбуренных пород. С увеличением содержания песка в растворе возрастает износ трущихся “частей бурового насоса и бурильных труб. Чрезмерно большое содержание песка в промывочной жидкости может привести к прихвату бурильного инструмента в скважине.

Содержание песка в глинистом растворе определяется отстойником металлическим ОМ-2, который представляет собой металлический цилиндр емкостью 500 см3, нижней частью соединенный со стеклянной бюреткой, на боковой поверхности которой нанесены деления через 0,1 см3. Сверху отстойник закрывается крышкой, имеющей форму стаканчика емкостью 50 см3.

Для определения содержания песка в отстойник заливают 50 см3 глинистого раствора (отмеряется крышкой) и 450 см3 воды (до уровня отверстия в верхней части отстойника). После энергичного взбалтывания содержимого отстойник устанавливают вертикально и оставляют в покое на 1 мин. Объем (в см3) осевшего за это время песка в бюретке умножают на два и получают содержание песка, выраженное в процентах к объему пробы промывочной жидкости.

Предельно допустимое содержание песка в промывочной жидкости 4%.

Стабильность (С) глинистого раствора определяют цилиндром стабильности ЦС-2, представляющим собой цилиндрический сосуд с отводящей трубочкой в средней части его боковой поверхности. Глинистым раствором наполняют прибор и оставляют в покое на 24 ч. После этого, пользуясь отводом на стенке прибора, отделяют верхнюю часть раствора от нижней и ареометром измеряют их плотность. Разность плотности нижней и верхней части раствора, характеризующая его стабильность, должна быть не более 20 кг/м3.

Водоотдача (В) характеризует способность глинистого раствора отдавать свободную воду пористым породам, в результате чего происходит глинизация стенок скважины. При высокой водоотдаче раствора снижается качество глинизации и ухудшается устойчивость стенок скважины. Для получения глинистого раствора с низкой водоотдачей необходимы высококачественная (бентонитовая) глина, мягкая вода и хорошее измельчение глины в растворе.

Показателем водоотдачи является количество воды (см3), отфильтровывающейся в течение 30 мин из 100 см3 глинистого раствора через бумажный фильтр диаметром 75 мм под избыточным давлением 0,1 МПа.

Применяемый для определения показателя водоотдачи глинистого раствора прибор ВМ-6 состоит из основания, фильтрационного стакана, напорного цилиндра и плунжера с грузом. На дно основания, имеющего водоотводные канавки, укладываются смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги и кольцевая уплотняющая прокладка. Затем в основание ввинчивается фильтровальный стакан, а отверстие, связанное с водоотводными канавками, закрывается пробкой. Тщательно перемешанным испытуемым раствором заполняют стакан прибора. На стакан навинчивают напорный цилиндр, в который заливают машинное масло. В цилиндр вводят плунжер с грузом, создающим через масло на буровой раствор избыточное давление 0,1 МПа. Пользуясь запорной иглой, приоткрывают отверстие в нижней части цилиндра, сливают через него масло в кольцевую емкость и добиваются совмещения нулевого деления прозрачной шкалы плунжера с меткой М на цилиндре. Вынимают пробку из отверстия основания и одновременно фиксируют время. В результате давления, создаваемого плунжером, свободная вода из глинистого раствора проходит через фильтровальную бумагу, водоотводные канавки и отверстие основания в его кольцевую емкость. Плунжер со шкалой при этом опускается. Отсчет водоотдачи снимают через 30 мин по шкале против метки напорного цилиндра.

Водоотдача глинистых растворов, применяемых при бурении в нормальных условиях, не должна превышать 20—,25 см3 за 30 мин. В осложненных условиях бурения по рыхлым, неустойчивым, а также пучащимся породам для предупреждения обвалов и прихватов снаряда водоотдачу фильтрации глинистого раствора посредством химической обработки снижают до 5—6 и даже 2—3 см3 за 30 мин.

Закончив определение водоотдачи прибор ВМ-6 разбирают, вынимают из стакана фильтровальную бумагу и миллиметровой линейкой измеряют толщину образовавшейся на ней глинистой корки. Величина ее прямо пропорциональна водоотдаче раствора. Нормальной считается толщина корки 2—3 мм.

Описанные свойства растворов определяются как при их приготовлении, так и в процессе применения для контроля за изменением качества и своевременной замены раствора, его очистки или обработки реагентами.

Названные приборы входят в комплект переносной лаборатории ЛБР-3.

Рассмотренные методы измерений применяют для определения свойств не только глинистых” растворов, но и любых промывочных жидкостей.

При централизованном приготовлении буровых растворов на глиностанциях измеряется также статическое напряжение сдвига (8), характеризующее прочность структуры глинистого раствора, т. е. его способность удерживать частицы шлама во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции. Повышение статического напряжения сдвига необходимо также для борьбы с потерей диркуляции при бурении в пористых или трещиноватых породах, а также при утяжелении глинистого раствора инертными наполнителями для создания противодавления на высоконапорные горизонты.

Вместе с тем высокое статическое напряжение сдвига осложняет очистку раствора от шлама и требует повышенного давления на насосе в момент его пуска.

Статическое напряжение сдвига измеряют ротационным пластометром СНС-2. В кольцевой зазор между цилиндром и стаканом заливают хорошо перемешанный глинистый раствор и оставляют в покое для образования структуры на 1 мин. Затем включают электродвигатель, который через ременную передачу приводит стакан во вращение с частотой 0,2 об/мин. По шкале наблюдают за вращением цилиндра, который, будучи связан с образовавшим структуру раствором, вовлекается во вращение. Цилиндр поворачивается до тех пор, пока усилие в закручиваемой стальной нити диаметром 0,3—0,5 мм, на которой подвешен цилиндр и градуированный лимб, не станет равным усилию сцепления раствора со стенками цилиндра. В этот момент структура раствора разрушается, и происходит сдвиг его у стенок цилиндра. Вращение цилиндра прекращается. Угол закручивания нити отмечают по шкале лимба. Второе измерение производят аналогично, но при выдержке залитого в прибор раствора в течение 10 мин.

Рис. 1. Схема глиностанции:
1 — кран для заполнения автоцистерны; 2 — емкость для глинистого раствора; 3 — насос; 4 — трубопровод; 5 — стол; 6 — емкости для раствора; 7 — желоб; 8 — склад для глины и химических реагентов; 9 — лаборатория; 10 — транспортер; 11 — глиномешалка; 12 — сетка; 13 — насос; 14 — емкость для воды 15 — гидроциклонный шламоотделитель; 16 — печь

За их пределами глинистый раствор коагулирует. Зная водородный показатель раствора, можно эффективно проводить его химическую обработку.

В полевых условиях водородный показатель определяется по изменению цвета индикаторной бумаги, погружаемой в от-фильтровавшуюся при определении водоотдачи раствора воду.

Приготовление глинистого раствора

Глинистый раствор можно приготовлять непосредственно на каждой буровой или на глиностанциях для централизованного снабжения раствором буровых установок с помощью автоцистерн. Выбор системы приготовления раствора зависит от объема буровых работ и густоты разведочной сети.

При централизованном приготовлении раствора повышается его качество, упрощается организация хранения исходных материалов в закрытых помещениях, сокращаются затраты труда.

Приготовление глинистого раствора непосредственно на буровых целесообразно в тех случаях, когда его транспортировка затруднена из-за большой удаленности скважин друг от друга или в связи с бездорожьем.

Рис. 2. Глиномешалка:
1 — шкивы (рабочий и холостой); 2 — редуктор; 3 — лопасти; 4 — вал; 5 — загрузочный люк; 6 — корпус; 7 — сливной патрубок

Для приготовления глинистого раствора используются местные глины или централизованно поставляемые глинопорошки.

Чтобы приготовить раствор, используют глиномешалки и фрезерно-струйные мельницы.

Глиномешалка представляет собой цилиндрический или овальной формы корпус, внутри которого помещается один или два параллельных вала с укрепленными на них лопастями для перемешивания глины с водой. В верхней части имеется люк для загрузки глины и заливки воды, а внизу — сливной кран. Загрузочный люк должен закрываться решеткой с ячейками размером 15X15 см.

Отечественная промышленность выпускает глиномешалки Г 1-0,25, П-0,30, ГМЭ-0,75, МГ1-0,80, ГКЛ-2М, МГ-2-4 с горизонтальным расположением валов вместимостью соответственно 0,25; 0,3; 0,75; 0,8; 2; 4 м3 и ОГХ-7А вместимостью 0,75 м3 с вертикальным валом. Привод глиномешалок осуществляется от индивидуальных электродвигателей или через трансмиссию от ДВС.

Рис. 3. Фрезерно-струйная мельница:
1 — корпус; 2 — ротор; 3 — диспергирующая плита; 4 — сливной лоток; 5 — сменные лопасти; 6— выходная решетка; 7 —крышка; 8 — выходное отверстие дегазационной трубы; 9 — отражательный щиток; 10 — шарнир крышки; 11 — насадки водоподающей трубы; 12 — бункер; 13 — шарнир; 14 — предохранительная плита; 15 — затвор крышки ловушки; 16 — упорная штанга; 17 — крышка ловушки; 18 — ловушка

При необходимости обработки раствора химическими реагентами их вводят в глиномешалку перед загрузкой глины.