Анализ эффективности.

Основной причиной осыпания и обрушения скальных глинистых пород, как отмечено, является их трещиноватость. Поэтому главнейшей функцией промывочных жидкостей является закрепление кусочков горной породы между собой путем цементирования.

В природе немало примеров закрепления трещиноватых и пористых горных пород путем их цементирования различными растворами (кремнекислотой, кальциевыми растворами и др.). Макротрещиноватые горные породы в скважинах крепят при помощи тампонажных смесей.

Любой цемент характеризуется наличием в нем вяжущих компонентов, способных с течением времени затвердевать и кристаллизоваться (Са(ОН)₂, гипс). Для тампонирования скважин широко применяется портландцемент.

Понятно, что микротрещиноватые аргиллиты цементировать тампонажными смесями с низким водоцементным отношением (как это предусмотрено для цементирования макротрещиноватых пород) невозможно вследствие их высокой вязкости. Поэтому цементирование производят сильно разбавленными " тампонажными" смесями: известково-глинистыми (хлоркальциевые буровые растворы), гипсово-глинистыми (гипсовые, калиево-гипсовые буровые растворы), глиноземглинистыми (алюминатные буровые растворы), силикатглинистыми (силикатные буровые растворы) и их комбинациями (полимералюмосиликатные, полимерсиликатнокальциевые буровые растворы).

Причем чем сильнее разбавлены " смеси", тем глубже в трещины проникают компоненты.

Микротрещиноватые аргиллиты подобно цеолитам способны постепенно абсорбировать и накапливать в трещинах ионы.

Остановимся на механизме " цементирования" хлоркальциевыми буровыми растворами.

Раствор в своем составе имеет (табл.11.3) 8 - 10 % глины до 2 % хлористого кальция и 0, 3 - 0, 5 % гашеной извести. Для стабилизации и снижения водоотдачи в растворы добавляют 1 - 2 % КМЦ-600, а для разжижения 5 - 7 % КССБ.

В результате взаимодействия хлористого кальция с водой образуется гидроксид кальция:

CaCl₂+H₂0®Са(ОН)₂+НС1,

рН раствора понижается до 6 и ниже.

Для более активного преобразования хлористого кальция в гидроксид кальция необходимо повысить рН раствора за счет введения щелочи.

Вводить каустическую соду для этого нежелательно, т.к. в результате реакции - СаС1₂ + NаOH ® Ca(OH)₂ + NaCI в растворе образуется хлористый натрий, способствующий растворению, поэтому вместо каустической соды в раствор вводят довольно сильную щелочь Са(ОН)₂.

При внедрении такого бурового раствора в микротрещины аргиллита за счет взаимодействия свободных ионов Са²⁺ с поверхностью трещин происходит нейтрализация отрицательного поверхностного заряда и, следовательно, обезвоживание трещин. Глинистые частицы (твердая фаза) в трещине коагулируют под воздействием Са²⁺ и Са(ОН)₂. С течением времени концентрация'Са(ОН)₂ в результате абсорбции возрастает, происходит твердение, а затем под влиянием кремнезема (глины) кристаллизация Са(ОН)₂ в виде портландита.

По этой же схеме происходит цементирование микротрещин аргиллитов хлоркальциевогипсовыми буровыми растворами. Гипс, как известно, быстрее твердеет и кристаллизуется, поэтому такие растворы более эффективны.

В микротрещинах шириной, измеряемой долями микрона, твердение и кристаллизация Са(ОН)₂ происходит без участия глинистых частиц.

Практика применения хлоркальциевых растворов показала, что их эффективность в различных аргиллитах неравнозначна. В одних случаях растворы облегчают перебуривание неустойчивых аргиллитов, в других - их действие менее выражено, а в некоторых случаях не дает ожидаемого эффекта [18].

Эффективность кальциевых растворов определяется в основном составом ионообменного комплекса глинистых пород. При преобладании в обменном комплексе ионов натрия должна наблюдаться наивысшая эффективность высококальциевых растворов (ВКР), т.к. а этом случае имеется реальная возможность упрочнения вследствие перехода глинистых пород из более набухающих и легкодиспергирующихся природных натриевых глин в менее набухающие и труднодиспергирующиеся кальциевые глины.

С повышением содержания ионов кальция в обменном комплексе глинистых пород эффективность применения ВКР должна уменьшаться.

Действительно, насыщенные кальцием глинистые породы не могут так интенсивно абсорбировать ионы Са²⁺, как это наблюдается в натриевых глинистых породах.

К недостаткам хлоркальциевого раствора также следует отнести его высокую вязкость и низкую термостойкость.

Более эффективными (по отношению к кальциевым аргиллитам) являются силикатные растворы. Сами аргиллиты сцементированы затвердевшими пленками кремнекислоты.

Силикатные растворы - это растворы, в которые в качестве вяжущей (цементирующей) добавки вводят жидкое стекло. Жидкое стекло - неорганический полимер, который получает упорядоченную структуру под воздействием твердого тела. Как известно, жидкое стекло имеет химическое сродство с глинистой породой и поэтому поглощается трещинами аргиллита. С течением времени пленки кремнекислоты твердеют и связывают кусочки аргиллита. Крепящее действие силиката натрия усиливается при наличии в породах ионов кальция. Жидкое стекло - сильная щелочь. При взаимодействии с кальцием образует дополнительный вяжущий компонент – гидроксид кальция.

К недостаткам силикатных растворов относится высокая гидрофильность электролита и его способность повышать (за счет щелочности) гидрофильность глинистой породы, в результате чего повышается их влажность.

Ионы SiO₃^2-, как отмечено выше, в связи с активностью их взаимодействия с глиной, проникают и закрепляют породу на небольшую глубину, образуя полупроницаемый слой. Этот слой, как отмечено выше, весьма гидрофильный и свободно пропускает воду в трещины. Вода постепенно накапливается в трещинах и ослабляет связи между кусочками трещиноватой породы. Насыщение трещин водой обычно заканчивается осыпями и обвалами аргиллитов.

В.Ф. Роджерс считает, что при продолжительном воздействии силикатных растворов на породы опасность обвалов увеличивается.

Другой сложностью является трудность регулирования вязкости и водоотдачи раствора.

В связи с этим в США отказались от применения силикатных растворов.

Причиной осыпей и обвалов аргиллитов при использовании силикатных растворов В.Д. Городнов считает преобладающий рост скорости набухания породы с повышением концентрации жидкого стекла.

Поэтому он рекомендует использовать малосиликатные растворы с концентрацией жидкого стекла 2-5%. Опыт применения малосиликатного раствора при бурении глубоких скважин показал, что данная система может с успехом применяться при разбуривании мощных толщ потенциально неустойчивых глинистых пород, особенно при наличии в разрезе солей кальция и магния.

По нашему мнению, успех применения малосиликатных растворов заключается в возможности их проникать и закреплять породу на значительно большую глубину, чем силикатные растворы повышенной концентрации.

Алюминатные растворы. Глинистые кристаллы – листочки - представлены силикатными (Si₂О₃^2-) слоями, связанными гидроаргиллитовыми слоями (А1(ОН)²⁺), т.е. гидраты алюминия являются химически сродственными глинистым породам и их активными сшивающими агентами.

Таблица 11.3