Веселков С.Н., Гребенников В.Т.

В процессе  бурения  скважин происходит поглощение промывочной жидкости, что и является причиной кольматации пОрового пространства прискважинной  зоны коллоидно-дисперсными частицами, приводящей к снижению продуктивности скважин. Состав глинистых кольматирующих образований определяется, в основном, как составом собственно промывочной жидкости, так и составом образующегося при бурении естественного глинистого раствора. Обогащение промывочной жидкости кольматирующими частицами происходит не только при наличии в кровле продуктивных пластов толщи глин, но и при наличии в разрезе пласта глинистых пропластков различной мощности. В общем случае минералогический состав  такого рода образований может быть представлен монтмориллонитовыми, гидрослюдистыми, каолинитовыми группами и их различными сочетаниями.

В прискважинной зоне природа и характер взаимодействия между элементарными частицами и микроагрегатами глинистых минералов всецело определяются структурными связями, возникающими в свежеотложившемся глинистом осадке. Современные представления о формировании структурных связей в глинистом осадке основаны на том, что их формирование происходит под влиянием физических и химических процессов, приводящих к возникновению на контактах частиц сложных взаимодействий различной природы и энергии (магнитное, дипольное, капиллярное, молекулярное, ионно-электростатическое и химическое взаимодействия) [1,2].

Процесс растворения глинистых образований различным глинокислотными растворами достаточно изучен [3], поэтому для лабораторных исследований были выбраны растворы, дающие кислую и щелочную реакцию среды, а именно NaHSO₄H₂O и NaHCO₃.

«Процесс растворения глинистых образований различным глинокислотными растворами достаточно изучен».

В лабораторных исследованиях использовали монтмориллонитовую глину Махарадзевского месторождения Грузии, каолинитовую глину Глуховецкого месторождения Украины, и глину смешанного состава (монтмориллонит, гидрослюда, каолинит, гипс, полевой шпат). Глина смешенного состава выделена из промывочной жидкости в конце бурения скважины в Широтном Приобье.

Для определения изменений, которые могут иметь место при взаимодействии растворов с образцами исследуемых пород, использовали метод электронной спектрометрии и фотоколометрический метод.

В  ходе опытов производили оценку механической стойкости глинистых образцов в исследуемых растворах. Подготовку образцов для изучения их механической стойкости осуществляли следующим образом:

1. породу измельчали, растирали в фарфоровой ступке;
2. смешивали с водой до тестообразной консистенции;
3. раскатывали;
4. и готовили сферические образцы массой 2 г.

Содержание влаги в образцах находилось в пределах 40 - 50 %. Объем раствора составлял 50 мл. Критерием механической стойкости образца считали время его полного распада (с точностью  до 0,5 мин.) до тонкодисперсной фазы в растворе, что позволяло определить скорость разрушения образца (табл. 1).

Таблица 1

Скорость разрушения ( Vх 10^-2 г / мин ) глинистых образцов в растворах

Как видно из представленных данных в таблице 1, применение раствора бисульфата натрия водного (рН=0,98) эффективно для монтмориллонитовой глины, а раствора бикарбоната натрия (рН=8,2) для каолинитовой глины.

Методом электронной спектрофотометрии исследовали взаимодействие образцов глин с растворами на основе порошкообразных реагентов. Ультрафиолетовый спектр растворов регистрировали до и после обработки глин на спектрометре SР - 8000  в области 100 - 350 нм. Объем раствора составлял 100 мл, масса образца 5 г, время обработки 48 часов. После обработки осадок отфильтровывали. Толщина поглощающего слоя составляла 9,98 мм. В качестве эталона сравнения использовали спектры поглощения водных растворов после обработки образцов глин.

В качестве примеров на рис. 1,2 представлены спектры поглощения растворов бисульфата и бикарбоната натрия до и после обработки образцов глин.

В результате обработки образцов из монтмориллонитовой глины раствором бисульфата натрия водного 8-ной концентрации появились две полосы поглощения с максимумами вблизи λ = 215 нм и λ = 290 нм, причем первый максимум  по оптической плотности (рис. 1) выходит за исследуемый диапазон (Д >1,4). В последующем опыте концентрация реагента была уменьшена до 2 % (см. рис. 2). Вне зависимости от исследуемого образца породы новые полосы поглощения появились с максимумом вблизи λ =  300 нм, причем для каолинитовой глины он выражен не так явно, как для монтмориллонитовой глины и глины смешанного состава. Это также свидетельствует о целесообразности использования для разрушения монтмориллонитовой глины растворов с кислой реакцией.     

В ходе опытов регистрировали также инфракрасный спектр глин до и после обработки на инфракрасном спектрометре Perker -  Elmer  580В  в области 400 - 4000 см ^-1. Для регистрации инфракрасных спектров навеску глины массой 385 мг перетирали в агатовой ступке с бромистые калием (250 - 350 мг) и из полученной смеси прессовали таблетку и далее снимали инфракрасный спектр.

Инфракрасные спектры неорганических веществ поддаются интерпретации с большим трудом, однако некоторые полосы поглощения соотносятся с поглощением определенных структурных групп однозначно.

Для исследованных образцов глин это полосы поглощения, связанные с колебаниями ОН - групп  в области 4000 - 3000 см ^-1 (рис.3).

Как видно из рис. 3 , спектр монтмориллонита после обработки пробрел новую полосу поглощения при λ=3600 см ^-1 , соответствующую колебаниям свободных ОН - групп, не связанных водородной связью. Это позволяет сделать предположение о значительной структурной перестройке в монтмориллонитовой глине.

В ИК - спектре каолинитовой глины после обработки отсутствует появление новых явно выраженных полос поглощения, хотя и отмечается существенные изменения оптической плотности (рис. 4) .

Таким образом, результаты исследований взаимодействия реагентов с глинистыми образованиями методом электронной спектрофотометрии свидетельствуют о том, что разрушение глинистых образований является следствием сложных физико — химических процессов, протекающих в гетерогенных условиях на границе раздела фаз.

«Разрушение глинистых образований является следствием сложных физико - химических процессов, протекающих в гетерогенных условиях на границе раздела фаз».

Доказательством этого является образование новых соединений при обработке раствором (появление новых полос поглощения), а также разложение используемых реагентов при реакции (изменение оптической плотности растворов).

В ходе экспериментов прослежено также растворение алюмосиликатов, слагающих решетки глинистых минералов. Для определения содержания Si₂O₃  использовали гравиметрический и фотометрический методы, содержание Al₂O₃ о определяли фотометрическим методом с использованием сульфонитразо ДАФ [ 4,5 ]. Результаты опытов представлены в табл.2.

Таблица 2

Растворение алюмосиликатов (Si₂O₃  и Al₂O₃) в исследуемых растворах после обработки образцов глин

Как видно из представленных данных, раствор бисульфата натрия водного обеспечивает растворение 19,69% алюмосиликатов монтмориллонитовой глины, а раствор бикарбоната натрия 13,66% алюмосиликатов каолинитовой глины.

По результатам лабораторных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В общем виде разрушение глинистых кольматирующих образований исследуемыми порошкообразными реагентами происходит за счет нарушения коагуляционных контактов между глинистыми агрегатами, слагающих породу, растворения цементирующих примесей и выщелачивания алюмосиликатов, слагающих каркас глинистых агрегатов;
2. Применение раствора бисульфата натрия водного (рН=0,98) эффективно для монтмориллонитовой глины и глины смешанного состава, а раствора бикарбоната натрия (рН=8,2) для каолинитовой глины;
3. Исследуемые растворы переводят глинистые агрегаты в тонкую пелитовую фазу, легко удаляемую из скважины после обработки, и при этом не происходит вторичного выпадения твёрдой фазы и образования коллоидальных систем;
4. Метод электронной спектрофотометрии может быть рекомендован для использования при выборе технологического раствора до постановки фильтрационных исследований на кернах продуктивных пород.

Список литературы

1.  Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология.-Л.: Недра.- 1984.- 512 с.
2. Ребиндер П.А. Физико - химическая механика дисперсных структур. - М. : Наука. 1986. - 400 с.
3. Сидоровский В.А. Вскрытие пластов и повышение продуктивности скважин. - М. : Недра.-1978.-256 с.
4. Пономарев А.И. Методы химического анализа силикатных и карбонатных пород / АН СССР. - М., 1961. -с.21-36.
5. Ермоленко Л.В., Дедков Ю.М. Фотометрическое определение алюминия в водах реагентом сульфанитразо ДАФ //ЖАХ, 1983, т.43, вып. 6.- с.1030 - 1036.