Осмотическое набухание

Для смектитов характерен еще один типа набухания, известный как осмотическое набухание. Вода втягивается в пространство между глинистыми частицами, поскольку концентрация катионов в этом пространстве выше, чем в буровом растворе (рис. 8-68). В процессе осмотического набухания в пространство между глинистыми частицами проникает намного больше воды, чем при кристаллизационном набухании. В результате осмотического набухания натриевый монтмориллонит увеличивается в объеме в 14 -20 раз и полностью диспергируется на частицы коллоидного размера. Однако гидратационные напряжения при этом меньше, всего лишь порядка 2 тыс. фунт/дюйм².¹ Это объясняется тем, что при осмотическом набухании молекулы воды не так прочно удерживаются глиной, как при кристаллизационном набухании. Полярные молекулы воды притягиваются к катионам, которые, в свою очередь, немного уменьшают их полярность. Затем к этим молекулам притягиваются другие полярные молекулы воды, и так далее.

Молекулы воды, участвующие в процессе осмотического набухания, не обязательно связываются глиной, как при кристаллизационном набухании. Они перемещаются в пространстве вокруг катионов и часто меняются местами с другими молекулами воды. При кристаллизационном набухании вода связывается глиной, и молекулы воды не меняются местами с другими молекулами. Кристаллизационное набухание и осмотическое набухание происходят одновременно.

В результате кристаллического набухания бентонитовые глины могут набухать с увеличением объема вдвое. При этом на поверхности каждой пластинчатой глинистой частицы адсорбируется четыре слоя молекул воды. При осмотическом набухании в пространство между слоями пластинчатых глинистых частиц втягивается большое количество воды благодаря притягиванию молекул воды катионами. В результате этого глинистые частицы значительно раздвигаются, и глина увеличивается в объеме в 14 - 20 раз, и даже может полностью диспергироваться.

Рис. 8-68 Осмотическое набухание

Вес вышележащих пород выдавливает воду из глины. Сначала вытесняется вода, проникшая вследствие осмотического набухания, а затем, если вес вышележащих пород достаточно велик, вытесняются по очереди слои воды, адсорбированной в процессе кристаллизационного набухания.

Когда впоследствии в ходе бурения глина входит в контакт с водой, вода реадсорбируется, и глина испытывает гидратационные напряжения. Смектитовые глины адсорбируют большое количество воды, в результате чего они ведут себя как пластичные тела. Эти набухающие глины выдавливаются в скважину, уменьшая ее диаметр, а затем диспергируются. В результате происходит расширение ствола из-за воздействия потока жидкости и механической эрозии. При использовании ингибированных буровых растворов какое-то набухание происходит, но глинистые породы уже не могут стать такими пластичными. Процесс гидратации приводит к уменьшению кажущейся прочности породы при увеличении кольцевых напряжений. Глинистые породы могут деформироваться в результате действия касательных напряжений. При этом обваливаются большие куски породы, и диаметр ствола увеличивается. Эти большие куски продолжают адсорбировать воду. На подходе к виброситам они могут стать пластичными и липкими.

Фильтрат бурового раствора проникает в глинистую породу постепенно (см. Фильтрат бурового раствора). Поэтому набухание и обрушение породы происходят не сразу. Обычно разбуривание глинистых пород происходит без осложнений, но немного спустя (от двух до двенадцати часов) могут возникнуть серьезные проблемы. В некоторых случаях проблемы могут не появляться в течение нескольких дней. Чем выше содержание смектита, и чем больше проницаемость породы, тем скорее следует ожидать осложнений. Молодые слабоконсолидированные глинистые породы, залегающие у поверхности, обычно имеют высокую проницаемость (для глинистых пород) и высокое содержание бентонита. Отсутствие бокового давления около поверхности также способствует регидратации.

Глубокозалегающие глинистые породы с невысоким содержанием смектитов могут испытывать гидратационные напряжения, если в них развита трещиноватость. На поверхностях трещин будет происходит кристаллизационное набухание, в результате чего довольно быстро возрастают кольцевые напряжения и уменьшается прочность породы.

Заключение

Когда следует ожидать осложнений, связанных с неустойчивостью стенок скважины

Когда глинистые породы долго находятся в контакте с буровым раствором, следует ожидать потери устойчивости стенок скважины. Даже если глинистые породы устойчивы при разбуривании, они будут со временем ослабевать из-за проникновения в них фильтрата. При поступлении фильтрата в пласт благоприятные радиальные напряжения уменьшаются, а опасные кольцевые напряжения увеличиваются. Кажущая прочность породы также уменьшается из-за ослабления бокового давления, обусловленного дифференциальным давлением, и уменьшения внутреннего трения и разрушения цемента. Прочность породы уменьшается, а опасные напряжения возрастают. Со временем порода обрушится. Это лишь вопрос времени.

Проблемы в интервалах глинистых пород усугубляются, если:

• Скважина бурится не перпендикулярно плоскостям напластования.

• Существует большая анизотропия напряжений, как при напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига - в отличие от напряженного состояния, благоприятного для образования сброса.

•

• Проникновение фильтрата усиливается из-за высокой проницаемости, наличия трещин, чередования слоев глинистой породы и песка и т.д.

• Уменьшена плотность бурового раствора. Это приводит к резкому снижению радиальных напряжений, поскольку поры начнет заполнять буровой раствор из пласта, проникший туда при существовавшей ранее репрессии.

• Увеличивается температура, как при выполнении СПО.

• Стенки открытого ствола долго находятся в контакте с буровым раствором.

• Происходит сильная или продолжительная вибрация бурильной колонны. Вибрация усиливается с увеличением отношения диаметра скважины к диаметру труб, а также с увеличением натяжения и частоты вращения колонны.

• Часто производится спуск и подъем инструмента, особенно когда сильно проявляется эффект поршневания или ствол имеет очень резкие искривления.

• Ствол имеет некруглое сечение (см. рис. 8-27).

Осложнения, связанные с потерей устойчивости, возникают обычно при подъеме или после наращивания колонны. В особых случаях, таких как сильное обрушение породы, они могут возникнуть в любое время.

Образование пробки наиболее вероятно при подъеме инструмента. Наибольшая опасность возникает при подъеме колонны с циркуляцией через перемежающиеся пласты глинистой породы и песчаника (рис.8-69). В местах резкого изменения диаметра ствола проявляется тенденция к образованию пробки. Это происходит, когда к такому месту подходит КНБК. Обрушившаяся со стенок порода обычно накапливается в расширенных участках ствола, а КНБК продвигает ее в сужение, что приводит к образованию пробки.

Когда начинается образование пробки, давление в нагнетательной линии насоса повышается, и КНБК " заталкивается" в пробку. Этим маскируется возникновение затяжки. Если бурильщик следит только за показаниями индикатора веса, значительного увеличения натяжения колонны он не увидит. Поскольку давление бурового раствора действует на колонну, как на поршень, показания индикатора веса могут даже уменьшиться.

Предупредительные меры

Для предотвращения осложнений, обусловленных неустойчивостью стенок скважины, нужно, по возможности, устранить условия, при которых происходит потеря устойчивости. Некоторые определяющие факторы, такие как прочность породы и напряженное состояние, имеют объективный характер и не могут быть изменены. Мы должны сконцентрировать свое внимание на таких факторах, как свойства бурового раствора, траектория скважины, состав бурильной колонны и параметры бурения.