Введение

В данной контрольной работе мы рассматриваем бурение нефтегазовых скважин на глине и проблемы возникающие в процессе. В геологическом строении месторождения участвуют отложения бухарской (Р12 вh) и казахтауской (Р13 кz) свит палеоцена и сугралинской (Р21-2 sg) эоцена, которые слагают северное крыло альпийской синклинальной складки субширотного простирания. Структура имеет асимметричное строение с пологим (5-70) северным и более крутым (25-300) южным крыльями. Бухарская свита благодаря своему существенно карбонатному составу отличается от ниже- и вышележащих отложений. Она с размывом залегает на верхнемеловых. Литологически разрез свиты однообразен и характеризуется карбонатным составом пород, представленных песчанистыми доломитами доломитами. Мощность свиты - от 6 до 19м. Разрез казахтауской свиты почти полностью сложен глинами. В его основании отмечается маломощная пачка песчаников. Верхняя, глинистая, часть представляет собой продуктивную толщу бентонитовых глин мощностью от 10 до 15м.

Отложения сугралинской свиты согласно наращивают разрез казахтауской и представлены карбонатными глинами и мергелями. Мощность свиты - от 20 до 60м. Продуктивная толща бентонитовых глин Навбахорского месторождения не имеет естественного выхода на дневную поверхность. Она обнаружена по крупным полигональным трещинам, развитым на поверхности почвенно-растительного слоя в местах близкого залегания к дневной поверхности и вскрыта шурфами, канавами и копушами. Мощность продуктивной толщи в зависимости от глубины эрозии колеблется от 2 (в руслах сухих саев) до 11м (на возвышенных участках рельефа). Вскрышные породы представлены либо почвенно-растительным слоем и зоной выветрелых глин, либо современными пролювиальными щебнистыми осадками. Мощность вскрыши от 0,2 до 2,5м.

1. Глины

Из общего объема осадочных пород на долю глинистых приходится около 70%. Глинистые породы составляют значительную часть разреза бурящихся скважин, но даже в тех районах, где мощность глинистых пород невелика, они оказывают большое влияние на условия бурения. К их числу относятся глины, лёссы, суглинки, аргиллиты и др.

Глинистые породы состоят из большого числа разнообразных минералов и примесей и отличаются от других горных пород специфическими свойствами, из которых наиболее важными являются пластичность, набухаемость, гидрофильность и способность диспергироваться в воде на мельчайшие частички. В химическом отношении глины представляют собой водные алюмосиликаты.

По минералогическому составу глины делятся на несколько групп, отличающихся друг от друга химсоставом и структурой кристаллической решетки. Наиболее важными и широко распространенными группами минералов являются монтмориллонит, каолин, гидрослюда, палыгорскит. К монтмориллонитовым минералам относятся сапонит, нонтронит, вермикулит; к каолинитовым - каолинит, накрит, галлуазит, диккит, аноксит, энделлит; к гидрослюдистым - гидромусковит, иллит; к палыгорскитовым - сепиолит, аттапульгит, палыгорскит.

Кроме перечисленных групп минералов в глинах содержатся в различных количествах окислы железа (например Fе₂О₃), щелочных металлов (Nа₂О, К₂О), щелочноземельных металлов (СаО, МgО). Присутствие в глинах окислов во многом определяет их свойства. Окислы металлов связаны с гл. минералами различно. Часть их может входить в состав гл. минералов, замещая окислы Аl, часть же их связана с гл. веществом слабее и представляет собой обменные основания. Одним из определяющих признаков является отношение SiO₂: R₂О₃ (где R-А1, Fе). Это отношение колеблется для минералов монтмориллонитовой группы от 4 до 7, каолинитовой - от 2 до 3, гидрослюдистой - от 3 до 4, палыгорскитовой - от 2,1 до 2,5.

На свойства ПЖ большое влияние оказывают размер и форма гл. частиц. Большинство природных глин имеют размеры частиц менее 0,01мм. Чем больше коллоидных фракций и меньше размеры гл. частиц (менее1мм), тем лучше свойства ПЖ. Чаще всего частицы глин имеют вид плоских или лентовидных чешуйчатых пластинок, реже продолговатую (игольчатую) форму.

Атомы кремния и алюминия, входящие в кристаллическую решетку глинистых минералов, могут быть замещены другими атомами, причем не обязательно с одинаковой валентностью. В этом случае частицы глины для компенсации ненасыщенной валентности адсорбируют из водных растворов катионы, т. е. происходит обмен катионов. Каждая глина обладает определенным кол-вом обменных катионов, т. е. вполне определенной обменной емкостью. Последняя выражается количеством миллиграмм-эквивалентов обменных катионов, содержащихся в 100г сухой глины. Емкость катионного обмена некоторых глинистых минералов по Р.Е. Гриму колеблется в следующих пределах (мг-экв. на 100 г):

Каолинит 3--15

Галлаузит 2Н₂О 5--10

Иллит 10--40

Сепиолит аттапульгит-палыгорскит 20--30

Галлаузит 40--50

Монтмориллонит 80--150

Вермикулит 100--150

В глинистых минералах обменными катионами являются Са²⁺, Мg²⁺, К⁺, Nа⁺, Н⁺, NН₄⁺. В природных глинах к основным обменным катионам относится Na и Ca, поэтому глины получили название соответственно Na или Са. Независимо от состава обменного комплекса все глины в той или иной степени являются гидрофильными.

При замачивании глины водой гл. частицы покрываются гидратной оболочкой. Молекулы воды, проникая между кристаллами, раздвигают их, и глина набухает. Характер набухания зависит от типа глины. Чем меньше поливалентных катионов содержится в обменном комплексе минерала, тем сильнее разобщаются слои и больше набухает глина. Так, натриевые бентонитовые глины, имея подвижную кристаллическую решетку, могут при замачивании увеличиваться в объеме в 8-10 раз и легко распускаться в воде. Каолиновые глины набухают и распускаются в воде плохо. Растворы, приготовленные из них, довольно неустойчивы. Гидрослюдистые глины и палыгорскит занимают промежуточное положение.

Особенности поведения системы глина -- вода зависят также от соотношения свободной и связанной воды, ее минерализации и щелочности. Установлено, что чем больше связанной воды, тем меньше набухают глины. Кроме того, связанная вода теряет растворяющую способность. Вода, содержащая различные мин. соли, резко снижает гидрофильность глин и количество связанной воды. Так, у 3%-ных суспензий аскангеля при добавке 0,1% NаС1 содержание связанной воды снижается до 7,4%, а при добавке 0,5% соли -- до 3,4%, при 10% соли в связанном виде находится лишь 1,72% всей воды системы.

В кислых и сильнощелочных средах содержание связанной воды также незначительно, при этом глины очень плохо набухают и распускаются. При повышении Т^о количество связанной воды уменьшается в 1,5 раза, а процесс набухания возрастает в несколько раз. Увеличения кол-ва связанной воды, снижения набухаемости и повышения прочности можно достигнуть путем специальных добавок некоторых электролитов.

Как известно, большинство х/р не оказывают крепящего действия на гл. породы, хотя и снижают в некоторой степени величину и скорость набухания. Добавки же 3-5% силикатов натрия или калия к растворам, обработанным х/р (УЩР, КМЦ, крахмал и др.), значительно повышают крепящее действие глинистых пород.

Глины как материалы для приготовления БР можно разделить на три вида:

1) бентонитовые, содержащие в основном минерал монтмориллонит;

2) глины, содержащие минералы всех групп и примеси почвы;

3) палыгорскитовые.

Бентонитовые глины являются основным и важнейшим сырьем для производства г/порошков, так как они дают наибольший выход из 1 т глины, что значительно снижает конценрацию ТФ в растворе, обладают ярко выраженными тиксотропными св-вами, позволяют снизить расходы на транспортировку, приготовление и регулирование свойств БР.

Каолинитовые глины в чистом виде для приготовления БР не применяются. Однако они являются составной частью глин других типов и поэтому являются важным компонентом ТФ растворов.

Гидрослюдистые минералы преобладают во многих минеральных глинах, широко применяющихся в качестве местных материалов для БР. Гидрослюды образуются как в щелочной, так и в нейтральной и слабокислой средах в присутствии достаточного кол-ва ионов калия. Этим объясняются положительные свойства калиевых добавок для укрепления глин, пород. Для гидрослюдистых минералов характерна высокая коллоидальность, сравнительно большие емкости обмена, хорошие адсорбционные свойства. Они занимают промежуточное положение между монтмориллонитовыми и каолинитовыми минералами.

Палыгорскитовая глина представляет собой смесь минералов палыгорскита и монтмориллонита. Она отличается волокнистым строением, высокой гидрофильностью, обладает способностью одинаково хорошо набухать как в пресной, так и в соленой воде независимо от концентрации NaCl и степени обработки х/р. При этом обеспечиваются устойчивые Т и СНС суспензии без увеличения В при воздействии гипса, хлористого кальция, магния и др.

Солестойкость палыгорскитовых глин объясняется высоким содержанием силикатов, окиси Mg и незначительным присутствием ионов K и Na. Так, в 10%-ной суспензии, насыщенной солью, отстой аскангеля составляет 60%, а палыгорскита только 1%. Через 1сут. раствор из бентонита дает 72% отстоя, а из палыгорскита 22%. 15%-ные суспензии даже через 1сут. не дают отстоя и имеют Т, при которой р-р не течет.

Палыгорскитовые глины в растворе NaCl 1-3%-ной концентрации «связывают» больше воды, чем в пресной воде. В/о палыгорскитовой суспензии достаточно велика, что обусловлено рыхлым строением их фильтр. корок, но при засолении в отличие от других глин В уже не возрастает. Для палыгорскитовых глин характерны замедленные пептизация и размокание. Попытки форсировать их механическим диспергированием приводят к повреждению волокон и кристаллической решетки. Поэтому более эффективно диспергирование в водной среде путем продолжительного перемешивания.

К с/стойким минералам относится сепиолит - аналог палыгорскита, обладающий еще большей устойчивостью к воздействию солей. В качестве добавки к насыщенным солью БР применяется асбест (особенно в США), предотвращающий стабилизационное разжижение.

Кристаллы структуры асбеста и палыгорскита близки, но асбест обладает большей волокнистостью и менее гидрофилен. Применение асбеста осложняется трудностью его диспергирования в суспензии и возможным забиванием турбобура и очистных систем.

Рассмотренные глины минералы с большинством УВ жидкостей или совсем не взаимодействуют, или взаимодействуют слабо. Однако увеличение объемов бурения с промывкой РНО послужило основой для поиска и разработки недорогих и недефицитных материалов, способных заменить в/окисленный битум. Другой причиной замены битума является тот факт, что все сорта битумов при высоких Т^о растворяются в УВ средах и переходят в истинные (ньютоновские) жидкости, не обладающие свойствами коркообразования.

Средством повышения термостойкости РНО является введение извести и некоторых ПАВ. Еще эффективнее замена битума органофильными глинами. Основное назначение этих глин в РНО и эмульсиях такое же, как и глин в РВО: регулирование вязкостных, СМ и фильтр свойств, образование плотной корки и т. д. Основой органофильных глин чаще всего служат м/мориллонит овый бентонит и палыгорскитовые глины, модифицированные солями аммония.

В основе модифицирования глин лежат катионообменный процесс, физическая адсорбция и образование поверхностных комплексов. Замена неорганических обменных катионов глин, минералов органическими приводит к резкому изменению ФХ свойств глин: увеличивается адсорбционная емкость по отношению к углеводородам, возрастает способность к набуханию в органических средах. Для органофильных глин высокого качества выход РНО должен превышать 10 м³/т.