СТАДИИ И МЕХАНИЗМ НАБУХАНИЯ ГЛИН ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

В процессе взаимодействия глинистых пород с водой происходит процесс набухания глин, выражающийся в изменении объема, влажности и росте давления набухания. Сам процесс набухание происходит в несколько стадий. Первоначально в следствии адсорбционных сил происходит микронабухание глин. Во время данного процесса на микрочастичках глины образуются слои с водой, под действием сил межмолекулярного взаимодействия. Из-за малой пористости на этой стадии не происходит существенного изменения объема породы. Данный процесс может продолжаться, пока глина не достигнет влажности приближенной гигроскопической, характеризующейся полным перекрытием оболочек частиц глины. Во второй стадии процесс набухания происходит под действие осмотических сил. Осмос - это процесс перемещения молекул растворителя через полупроницаемую перегородку под влиянием разности концентраций растворенного вещества по обе стороны от перегородки. В этом случае давление создается активными ионами, сконцентрированными на поверхности частичек глины. В следствие этого на контуре скважины возникают давления, которые могут достигать до 1000 МПа. Под действием созданного давления происходят деформирование структуры глины и последующее диспергирование [2]. Лучше всего процесс набухания виден в неустойчивых глинах с высок плотностью упаковки, обладающие легко заполняющейся кристаллической решеткой, наподобие монтмориллонита.

Существую несколько факторов, из-за которых происходит изменения объема глины:

1) состав частиц глины, входящих в структуру, особенности строения данной структуры, наличие свободной и связной воды, количество и состав обменных катионов;

2) состав реагентов, входящих с структуру промывочной жидкости, используемой при вскрытии пласта;

3) температура вскрываемого бурильным инструментом пласта;

4) давление, оказываемое на данный пласт вышележащими горными породами.

Необходимо отметить влияние на набухание глин валентности обменных ионов и радиус. Катион с большим радиусом и валентностью сильнее взаимодействует с поверхностью глинистых минералов, тем самым снижая возможность глины набухать, при одинаковых химических способностях атомов к образованию соединений. При набухании сланцев, подобных монтмориллониту, обладающему кристаллическую решетку способную раздвигаться более чем в 17 раз, можно легко увидеть роль обменных катионов. По оказываемому влиянию на способность к набуханию все катионы можно расположить в следующий ряд:

На набухание глинистых пород немалое влияние оказывают структурно-текстурные особенности глинистых пород: тип структуры, структурные связи, плотность, ориентированность и сложность их текстуры ингибирования. Вовремя всркытия пласта глинистых отложений происходит нарушений первоначальной структуры, что приводит ослаблению связующих сил и рост набухания. [1, 4, 5]. При изменении гидравлических и химических условий необходимо отметить роль электролитов бурового раствора. Превышение концентрации электролитов в растворе по сравнению с концентрацией в породе в общем случае замедляет процесс увеличения объема глины. Самым распространенным минералом в бентонитовом глинопорошке является монтмориллонит. По классической слоисто-ленточной теории набухания глины, в состав монтмориллонита входит один октаэдрический. слой и два тетраэдрических. Тетраэдры создают между собой развивающиеся в пространстве тетраэдрические слои, соединяющиеся между собой по основанию. Октаэдрические сетки образуются соединением между собой октаэдров по общему ребру, таким образом, что один кислород может быть общим для двух октаэдров [2]. В первоначальной структуре в кристаллической решетке отсутствуют замещения полярных атомов, поэтому она имеет нейтрально заряженный заряд, а окта-и тетраэдрические слои соединяются при помощи общего атома кислорода. По средством изоморфного замещения алюминий, входящий в кристаллическую решетку октаэдров замещается на атомы железа или магния. Это создает на решетке отрицательный заряд, который компенсируется во время взаимодействия со средой бурового раствора, по средством вытягивания из него катионов натрия, кальция или магния.

На базальных поверхностях адсорбируются атомы кислорода и гидроокислов, играющие важную рол в процессе набухания. На кислородной поверхности водородная связь возникает между кислородом структуры минерала и водородом молекулы вод, а на гидроксильной поверхности между водородом и гидроксила и кислородом молекулы воды. В любом случает происходит сорбция молекул воды в структуру глины. Первоначально на поверхности глины формируется первый гидратный слой, затем последующие [3]. Между пакетами глин действую силы Вандервальса и силы межмолекулярного взаимодействия. Их не достаточно для предотвращения проникновения водной среды, поэтому диполи воды из бурового раствора проникают в структуру монтмориллонита и раздвигая ее, увеличивают первоначальный объем породы. То расстояние которое приходятся между плоскостью одного базисного слоя пакета и такого же слоя другого пакета называется базальным. В монтмориллоните кристаллическая решетка может сильно растягиваться. Без влияния воды может достигать 0,92 нм, а после вскрытия пласта и сорбции воды увеличиться до 14 нм. Иногда можно даже наблюдать полное отделение слоев.

Особенностью формирования структуры в монтмориллоните является то, что примерно 1/6 атомов алюминия заменяется на атомы магния и железа, что придает определенные свойства октаэдрическому слою. Так же может заменяться часть кремния и алюминия в тетраэдрах.

Из-за изоморфного замещения алюминия на магний и железо происходит формирование отрицательного заряда, и кристаллическая решетка приобретает ненасыщенную валентность. Из-за образованной валентности минералы глины компенсируют электрический заряд вбирая обменные катионы поступившими с водной средой раствора. Данные катионы адсорбируются в структуре глины в межслоевом пространстве, образовав тем самым совместно с водой межплоскостное пространство монтмориллонита. После сорбции недостающих катионов базальная поверхность все еще остается отрицательно заряженной. Это связано с тем что приникающие ионы в основном адсорбируются на тетраэдрических слоях, выполняющих роль экрана для октаэдрического слоя. Поэтому монтмориллонит заряжен отрицательно на гранях, с дефицитом около 0,41. Так же стоит отметить условия формирования глины. Если глины формировалась в прибрежной зоне морей, обладающих повышенными концентрациями солей натрия, то в осадке преобладали катионы натрия и калия, что приводило к образованию натриевых глин или натриевого монтмориллонита. Если же глины были сформированы в пресных реках или озерах, то в них преобладали такие катионы как кальция или магний. Таким образом сформировался самый распространенный в отечественной практике бурения монтмориллонит – кальциевый [2]. В следствие этого и определялись свойства образованных глин. У глин с преобладанием кальция, степень набухания меньше, так как он обладает большим валентным зарядом и скрепляет сформированную структуру глины лучше. Натрий моновалентен, поэтому диспергирование натриевых глин происходит быстрее. Оставшиеся катионы натрия, калия, магния и кальция способны обмениваться с катионами дисперсионной среды бурового раствора, поэтому они и обменные.

Способность породы сорбировать ионы из бурового раствора и отдавать за место них ионы, находящиеся в их кристаллической структуре называется обменной емкостью глин. Она характеризуется тем, какое число обменных катионов есть в ста граммах глинопорошка. В водной среде между атомами кислорода и воды действуют водородные связи. На поверхности глины адсорбируется слой молекул воды. В результате действия водородных связей между атомом кислорода и воды, а также между её диполями и последующими слоями, на поверхности глины образуется несколько слоев молекул воды, образуя гидратную оболочку. Вода, формирующая гидратную оболочку на поверхности глинистой частицы, является физически связанной. Каждая глинистая частица имеет свой полный комплект поглощенных катионов.

Особенностью набухания глин в пресной воде является то, что происходит всасывание большего количество свободной воды, что приведет к увеличению расстояния между минералами и нарушению структуры, в следствие нехватки сил катионного связывания. Это процесс нарушения структуры слоев глины носит название - дисперсией. С ростом количества глинистых частиц увеличивается и площадь их поверхности, что приводит к росту вязкости системы [4]. То какое количество воды будет участвовать во взаимодействии с минеральными частицами, зависит от того какие катионы входят в состав и их общее количество. Если в составе преобладают двухвалентные катионы, такие как магний и кальций, то связь структуры более крепка и меньшее количество воды проникают вовнутрь. Одновалентные катионы, такие как натрий или калий, имею меньшие способности притягивать пласты и будут способствовать большему проникновению воды. Под влиянием полярной дисперсионной среды, а также изоморфных замещений на границе раздела твердой и жидкой фазы образуется двойной диэлектрический слой. Отрицательные заряды частиц компенсируются за счет электростатического притяжения катионов к поверхности частиц. Анионы отталкиваются от поверхности, а катионы при приближении распределяются диффузно под действием молекулярного теплового движения, направленного на выравнивание концентрации ионов в единице объема дисперсионной среды. В результате образуется двойной диэлектрический слой [1].

Ядро состоит из большого числа молекул или атомов, называемых агрегатом и потенциалопределяющих ионов. Оно обладает большим зарядами притягивает противоионы, образующих плотную часть двойного диэлектрического слоя, и формирует гранулу. Вокруг гидратных слоев также расположен и третий, диффузный слой положительно заряженных ионов, но с очень небольшой связью с ядром.

Список литературы:

1. Басарыгин Ю.М. Заканчивание скважин.м: Недра-Бизнесцентр, 2002. - 667 с.
2. Грей Дж. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей): пер. с анг. / Дж. Грей, Г. Дарли - М.: Недра, 1985. - 509 с.
3. Кулагин П.Т. Физико-химические процессы в приствольной зоне продуктивного пласта при использовании известковых растворов / П.Т. Кулагин, А.А. Васильченко, Е.В. Саломатин // Вскрытие продуктивных горизонтов и освоение нефтегазовых скважин: Тез.докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Ивано-Франковск: ИФИНГ, 1982. - С. 13-14.
4. Тевзаде Н.Р. Совершенствование технологии заканчивания скважин при вскрытии трещинных коллекторов на примере месторождений Грузии: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: ВНИИКРнефть, 1991. - 164 с.
5. Дедусенко Г.Я. Буровые растворы с малым содержанием твердой фазы / Г.Я. Дедусенко, В.И. Иванников, М.И. Липкес. - М.: Недра, 1985. - 160 с.