поверхностная гидратация и осмотическое набухание. Поверхностная гидратация происходит в том случае, когда небольшое количество воды прочно удерживается на плоских поверхностях глинистых частиц, что приводит к небольшому размягчению и набуханию глин, но также может вызвать избыточное напряжение, если набухание будет ограничено. Осмотическое набухание происходит вследствие высокой концентрации ионов, удерживаемых электростатическими силами вблизи поверхности глинистых частиц. Осмотическое набухание вызывает размягчение и значительное набухание глин, поскольку взаимно прилегающие слои глинистых минералов адсорбируют воду и расширяются. При осмотическом набухании не развивается избыточное напряжение, даже когда порода обжата. Осмотическое набухание значительно снижается при использовании минерализованных растворов с низкой степенью активности. Глинистые породы, содержащие монтмориллонит, могут адсорбировать воду из бурового раствора и гидратироваться или диспергироваться. Деформация ствола может происходить в виде его сужения вследствие размягчения и набухания разбуриваемых глинистых пород, либо в обваливании относительно твердых фрагментов. В результате осмотической адсорбции и гидратации глины, вскрытые скважиной, размягчаются и набухают, что приводит к сужению ствола и увеличению потенциальной способности пород к диспергированию. Хрупкое разрушение относительно прочных фрагментов происходит при использовании соленасыщенных растворов в процессе бурения мягких, диспергирующих глин и при использовании неминерализованных водных растворов при прохождении более старых, плотных, «хрупких» глинистых отложений. При бурении прочных отложений, сложенных в более ранние периоды, поверхностная гидратация ведет к росту напря- жения в околоствольной зоне (за счет внутреннего напряжения, создаваемого набуханием), в результате чего происходит скалывание и обваливание твердых, хрупких и остроугольных фрагментов породы. Это ведет к появлению высоких внутренних напряжений, вызванных поверхностным набуханием, что в результате приводит к разрушению породы вдоль линий трещин. Результаты тестов на проницаемость показывают, что сланцевые глины относительно непроницаемы. Ионы, попадающие в глины, вызывают дегидратацию, либо гидратацию, возникающую в результате капиллярного действия, осмоса или проникновения флюида. Происходящие изменения бывают вызваны переносом воды из раствора в глинистую породу или наоборот, переходом воды из глины в раствор. Подвергнувшись какому-либо изменению, будь то гидратация или дегидратация, глины становятся неустойчивыми. Важно не допустить перехода воды из раствора в породу, и наоборот, так как это приводит к изменениям глин. Для этого необходимо сбалансировать активность воды во внутренней фазе раствора (концентрацию ионов) с активностью воды в глинистом сланце. Буровые растворы на углеводородной или синтетической основе лучше всего обеспечивают устойчивость ствола скважины, пробуренной в водочувствительных глинах. Во-первых, эти растворы смачивают нефтью или синтетической основой вскрытые бурением породы, предотвращая тем самым контакт породы с водой. Во-вторых, в их состав обычно входят низкоактивный эмульгированный раствор хлорида кальция, который способствует достижению баланса между активностью воды в растворе и активностью воды в глинах. В случае экологических ограничений, вместо CaCl₂ используются материалы, не содержащие хлорид. В результате действия поверхностного натяжения воды в глинистых породах, неводные системы растворов не могут проникать в структуру глин через поры так же легко, как растворы на водной основе. Идеальный буровой раствор — это раствор, воздействие которого не ведет к какому-либо изменению в глинистой породе. Для предотвращения дестабилизации сланцевых глин использовалось множество видов растворов — известковые, гипсовые, на основе хлорида кальция, нитрата кальция, ацетата кальция, силикатные и калиевые системы, растворы на основе формиатов, минерализованные растворы, жидкости на основе лигносульфонатов, буровые растворы с добавлением ПАВ, полимерные растворы на основе частично гидролизованного  полиакриламида (ЧГПАА), катионных полимеров и растворы на углеводородной основе. Ни один из растворов не может быть одинаково эффективен во всех случаях. Одна система может действовать немного эффективнее другой при прохождении определенного интервала, однако при бурении в других условиях результат может быть противоположным. Если все же воспользоваться критерием «максимальной успешности», наиболее эффективным для использования при бурении подобных отложений можно назвать калиевые системы и буровые растворы на углеводородной или синтетической основе.

Попытки стабилизовать глинистые сланцы, при бурении которых возникают осложнения, предпринимаются постоянно, для этой цели были испробованы многочисленные виды различных химических сред, воздействующих на породу. В соответствии с фундаментальной теорией необходимо создать условия, не допускающие гидратации глин. В этой связи обычно используют буровые растворы, имеющие высокое содержание электролитов, т.к. они значительно снижают гидратацию. Другая теория допускает превращение сланцев и глин в менее активные минералы, при этом для подавления гидратации вводятся ионы (такие, как ион кальция или калия) и происходит обмен данных ионов на исходные катионы, обычно натрия, находящиеся на поверхности глинистых частицах и между внутренними слоями. Калиевые (или соляные) полимерные системы растворов (как Poly-Plus*) весьма эффективны, поскольку они воздействуют на механизм гидратации глин несколькими способами. В случае с калиевыми системами, в результате обмена основного иона калия на катионы внутреннего слоя глин, глинистые сланцы и глины становятся менее активными. При использовании минерализованных систем снижается осмотическое набухание, и глины размягчаются в меньшей степени в результате низкой активности воды. Находясь в достаточной концентрации, полимеры обволакивают вскрытую породу и выбуренные частицы, обволакивая («инкапсулируя») их удерживающим слоем полимера. В результате способность воды взаимодействовать с глинами ограничивается, и выбуренная породы не диспергируется. Полимеры также повышают фильтрационную вязкость флюида, поэтому перенос воды замедляется. Необходимо понимать, что сланцевые глины имеют некоторую проницаемость, хоть и очень небольшую. Проницаемость глин — порядка одного или менее миллидарси по воде, и еще меньше в отношении растворов на углеводородной и синтетической основах. Существенное преимущество состоит в ограничении контакта водочувствительных глин с водой. Состав раствора можно изменить с целью улучшения ингибирующей способности в дополнении к катионному обмену с ионами кальция или калия для изменения природы глин и шлама, подвергающихся воздействию. Обволакивающее действие полимеров способствует снижению взаимодействия породы с водой. Полимеры также загущают фильтрат, эффективно снижая способность фильтрата бурового раствора проникать сквозь микропоры в породе. К тому же, материалы, нерастворимые в воде, и закупоривающие агенты (наполнители) значительно повышают устойчивость ствола. Они препятствуют дальнейшему попаданию воды в породу, закупоривая микропоры. Эти материалы особенно эффективны при бурении твердых сланцевых глин с тенденцией к появлению микротрещин. Среди этих добавок:

 • Нефть и неводные синтетические жидкости

• Растворимые полигликоли с определенной «точкой помутнения» (Glydril*).

• Нерастворимые полигликоли и лубриканты (Lube-100* and Lube-167*).

• Асфальт окисленный (Asphasol* Supreme).

• Гильсонит

 • Смеси на основе сульфированного асфальта (Asphasol).

Опыт показывает, что если поддерживать низкие значения водоотдачи, проблемы возникают значительно реже. Во многих случаях это способствует повышению устойчивости ствола. Снижение водоотдачи, достигаемое путем добавления в раствор таких материалов, как крахмал, полианионная целлюлоза (PAC) и полиакрилат натрия, сопровождается ростом вязкости фильтрата и снижением степени проникновения в породу фильтрата бурового раствора. Однако если осложнение возникло из-за высокой фильтрации раствора, то остановить и контролировать такое осложнение значительно труднее.

Другим фактором, влияющим на устойчивость ствола, является величина pH. Практически для всех систем растворов рН поддерживается в щелочном диапазоне, т.е. на уровне 7,0 или более. При грамотном регулировании свойств раствора и поддержании данного показателя на уровне от 8,5 до 9,5, можно существенно повысить устойчивость ствола скважины. Высокий уровень рН, присутствующий, например, в известковых растворах, при бурении некоторых видов глин только усугубляет проблему.

Давления в породах и угол падения пластов еще больше осложняют положение. Для борьбы с данным видом осложнений существует три способа:

 (1) поддержание достаточной плотности раствора, (2) поддержание рН в нужном диапазоне и (3) контроль водоотдачи.

Лабораторные исследования

Разработан целый ряд лабораторных исследований, результаты которых позволяют в количественной форме представить химическое взаимодействие между различными водными растворами и определенным видом глинистой породы.

Проводятся следующие исследования:

 • Классификация глинистых пород (определение катионообменной способности и содержания глин).

 • Визуальная иммерсионная дефектоскопия.

• Определение гидратационной способности.

 • Определение твердости выбуренной породы.

• Тест на капиллярное всасывание.

 • Измерение линейного набухания.

• Дисперсионный тест.

• Тест на допустимое давление.

 • Тест на трехосное (объемное) сжатие.

 • Определение твердости глин.

Цель проводимых исследований — определить степень совместимости породы с буровым раствором. Однако при проведении теста необходимо учитывать, что на его результаты могут существенно повлиять такие свойства раствора, как водоотдача, вязкость фильтрата и вязкость бурового раствора. Не следует сравнивать результаты испытаний двух систем растворов, показатели водоотдачи и вязкости которых существенно отличаются. В компании M-I SWACO делается акцент на два основных испытания, тест с использованием измерения линейного набухания и дисперсионный анализ в камере старения. Принцип действия прибора по измерению линейного набухания — погружение кусочков породы в раствор и замер скорости и величины неограниченного линейного расширения. Наиболее подходящим будет раствор, в котором порода имеет наименьшую величину расширения, и скорость набухания в которой быстро снижается, достигая практически нулевого значения. С помощью данного прибора можно провести испытание сразу нескольких растворов с различными рецептурами. Результаты испытаний выражаются в процентах набухания (изменение исходной длины образца и скорости набухания по окончании теста). Типичные показатели данного теста — 50– 150%. Прибор чаще всего используется для определения различных уровней ингибирования, которые приобретает раствор в присутствии солей или других ионных ингибиторов (таких как кальций и калий). Он не подходит для определения эффективности действия закупоривающих агентов, таких как асфальт, гильсонит и сульфированный асфальт, или инкапсу- лирующих полимеров, подобных ЧГПАА и ПАЦ. При проведении дисперсионного теста используют фрагменты породы (или бурового шлама) определенного диаметра. С помощью данного испытания определяется доля твердой фазы, которая сохраняется в конкретном растворе после погружения ее в раствор и последующего высушивания в камере старения при вращении в течение определенного периода времени. Фрагменты породы обычно подбирают так, чтобы они были крупнее ячеек одной сетки и мельче размеров ячеек другой сетки. Буровой раствор с фрагментами породы пропускают сквозь сетки, частицы, оставшиеся на сетке с более мелким размером ячеек, взвешивают и указывают как процент восстановленного шлама. Дисперсионный тест отлично подходит для определения эффективности инкапсулирующих полимеров. Это одно из наиболее надежных испытаний совместимости системы бурового раствора с определенным типом глинистой породы и эффективности самой системы.