Такие системы созданы для предупреждения аварий и осложнений, связанных с осыпями и обвалами неустойчивых глин. Этот вид осложнений при бурении вызывает наибольшие потери, которые нередко заканчиваются ликвидацией скважин, поэтому трудно переоценить роль буровых растворов в решении этой нелегкой задачи.

Поведение потенциально неустойчивых глин определяется двумя основными факторами - физико-химическим и физическим.

Первый фактор является основным, и его сущность заключается в характере (механизме) физико-химического взаимодействия бурового раствора и его фильтрата с разбуриваемыми глинами.

Проявление так называемого физического фактора заключается в выпучивании глин в скважину под действием аномально высоких поровых давлений в глинах или горного давления в зонах тектонических нарушений, когда глинистые породы «перемяты» при больших углах падения пород.

Физико-химическое взаимодействие глин с буровыми растворами (фильтратом) начинается с процессов их гидратации кристаллов глинистых минералов и набухания в микротрещинах. Расклинивающее давление кристаллического набухания проявляется на расстоянии, соизмеримом с толщиной гидратной оболочки и, чем ближе к поверхности, тем выше давление набухания, величина которого достигает тысяч атмосфер. Физическое противостояние таким силам (повышение плотности раствора) практически не реально.

Однако, подавить процесс набухания глин можно физико-химическими методами, именно этот процесс и называется ингибированием. Он достигается применением в растворах электролитов (солей) в определенных концентрациях, превышающих порог коагуляции. Из числа известных растворов этого типа (гипсовый, хлоркальциевый) наиболее эффективным является калиевый раствор. Уникальность этого раствора заключается в том, что ион калия, в сравнение с другими катионами, обладает особым ингибирующим действием. Он, имея малый размер, подавляет процесс набухания глин, адсорбируясь в достаточном количестве на базальных плоскостях, и полностью нейтрализует заряд поверхности. В результате такого химического взаимодействия происходят изменения минералогической природы глин, которые превращаются в водонечувствительный минерал – довольно хорошо окристаллизованную гидрослюду. Процесс практически необратим. Интенсивность процесса насыщения глины ионами калия зависит от концентрации данных ионов, примесей других солей, температуры и величины рН. Дешевым и доступным источником ионов калия является хлористый калий. Оптимальная концентрация этого ингибитора в растворе колеблется от 5 до 12% и зависит от физико-химических свойств разбуриваемых глин и концентрации других солей (неизбежные примеси), которые замедляют действие ионов калия. Для эффективного ингибирования необходимо, чтобы концентрация хлорида калия не менее, чем в 3 раза превышала концентрацию других солей (NaCl, Na₂SO₄, CaSO₄). Так, если калиевый раствор готовится на морской воде (концентрация солей 3-3,5%), содержание хлористого калия в растворе должно быть 10-12%. Важным условием является величина рН, которую необходимо поддерживать на уровне 9-10. Интенсивность ингибирования возрастает с повышением температуры.

Все указанные условия выполнимы в процессе бурения, поэтому калиевые растворы широко и успешно применяются.

В последние годы разработан ряд дополнительных органических ингибиторов, усиливающих действие калиевого раствора.

Это - полиакриламид низкого и высокого молекулярного веса (Праестол, Сайдрилл и т.д.), сульфированный асфальт и гликоли различного строения и молекулярного веса (Гликойл, Ск-полиэфирный, АДН и т.д.). Из их числа наиболее эффективно усиливают ингибирующую способность калиевого раствора гликоли за счет дальнейшего и более глубокого снижения степени гидратации глин. Благодаря применению таких систем полностью удается избежать осыпей неустойчивых глин даже в особо сложных геологических условиях.

Для приготовления и регулирования свойств калиевых растворов используются стандартные солестойкие реагенты, наиболее эффективными из них являются полисахариды семейства ПАЦ –полианионные целлюлозы (ВВ-высоковязкие, СВ, НВ – средне, низковязкие).

Не менее важным в проблеме устойчивости глин является и так называемый физический фактор.

Действие этого фактора проявляется при бурении в условиях АВПД и нарушенных, перемятых зонах, когда осыпи горных пород происходят под воздействием физических сил, а гидростатического столба жидкости недостаточно для сдерживания этого процесса. Интенсивность этих осложнений может быть различной в зависимости от геологических условий.

Предупредить осыпи в этих случаях удается путем ступенчатого повышения плотности бурового раствора (по 0,05-0,1 г/см³). Как правило, горно-геологические условия бурения бывают, известны, и требуемая плотность раствора регламентируется в программе по буровым растворам или в программе на бурение скважины.

Однако, очень важно распознавать причину осложнений. Физико-химическое взаимодействие глин с буровым раствором происходит постоянно, а проявление физических сил наблюдается только в особых геологических условиях. В большинстве случаев нормальной плотности бурового раствора (1120-1200 кг/м³) бывает достаточно для достижения физического баланса в скважине.

Основные разновидности ингибирующих буровых растворов: известковые, гипсоизвестковые, хлоркалиевые, гипсокалиевые, хлоркальциевые, малосиликатные, алюмокалиевые.

Обязательный компонент – реагенты-ингибиторы, замедляющие гидратацию, набухание и диспергирование глин. Общими компонентами для всех перечисленных выше видов ингибированных буровых растворов являются следующие:  глина, вода, смазочные добавки, пеногасители (кроме малосиликатного).

6.4.6.1 Алюминатные растворы [2]

Алюминатные растворы — это буровые глинистые промывочные растворы из кальциевой глины, которые содержат ингибирующую добавку — высокощелочной алюминат натрия, стабилизированный лигносульфонатами.

Алюминатные растворы бывают пресными и соленасыщенными. Пресные алюминатные растворы используют для разбуривания глинистых отложений в условиях невысоких забойных температур. В качестве резерва стабилизатора используют только ССБ, применяемую совместно с алюминатом натрия. Алюминатные глинистые растворы (АлГР) обладают устойчивостью в широком диапазоне хлорнатриевой минерализации и небольшими показателями фильтрации.

Для приготовления алюминатного глинистого раствора используют черкасский немодифицированный бентонит или другую кальциевую глину. Преимущество АлГР, приготовленного из кальциевых глин, по сравнению с раствором из натриевых глин следующее: при равном расходе реагентов он имеет меньшие значения показателя фильтрации, вязкости и СНС.

Порядок приготовления АлГР следующий: в воду, содержащую необходимое количество ССБ, добавляют глину затем вводят алюминат натрия, В связи с недостаточным выпуском алюмината натрия возможна его замена алюминатом кальция, в качестве которого используют глиноземистый (или гипсоглиноземистый) цемент.

На приготовление 1 м³ АлГР требуется (в кг): глины 500-700, воды 765-540, ССБ (50 %-ной концентрации) 30-150, NaAlO₃ (30 %-ной концентрации) 5-30.

Получаемый раствор имеет плотность 1300— 1500 кг/м³. После приготовления раствор следует выдержать не менее суток. Так как плотность алюминатного раствора доходит до 1500 кг/м³, во многих случаях его можно использовать без утяжелителя. Однако приготовить алюминатный раствор плотностью 1040 - 1080 кг/м³ невозможно.

Пенообразование у растворов, содержащих лигносульфонаты, уменьшается с увеличением добавок алюмината натрия и содержания глинистой фазы. Для предотвращения пенообразования в раствор вводят пеногасители (производные жирных кислот, PC, ПЭС, трибутилфосфат и др.).

6.4.6.2 Известковые растворы [2]

Известковые растворы представляют собой сложные многокомпонентные системы, включающие кроме глины и воды четыре обязательных реагента: известь, каустик, понизитель вязкости, защитный коллоид. В их состав также могут входить нефть или дизельное топливо, утяжелитель и различные  добавки специального назначения.

Известковые растворы используют при разбуривании вы-сококоллоидных глинистых пород и аргиллитов. В результате применения известковых растворов повышается их глиноемкость, снижаются пептизация выбуренной глины, набухание вспучивание сланцев, слагающих стенки скважины, уменьшается опасность прихватов.

В отличие от алюминатных известковые растворы ограниченно солестойки (до 5 % по NaCl).

Основной недостаток известковых растворов - невысокая термостойкость (100 - 120 °С).

На приготовление 1 м³ известкового раствора (в пересчете на сухое вещество) требуется (в кг): глины 80— 120, УЩР 5 – 10 сульфоната 50-30, каустика 5-3, воды 913-915, утяжелителя - до получения раствора требуемой плотности.

Снижение фильтрации достигается добавками 1 - 3 кг/м³ КМЦ (или гипана) или 20-30 кг/м³ КССБ-4.

Значения показателей растворов могут изменяться в широких пределах: плотность 1080 - 2200 кг/м³, условная вязкость 18-30 с, показатель фильтрации 4 - 8 см³/30 мин, СНС, = 6-24 дПа, рН = 11-12,5. Содержание извести в растворе должно составлять 3-5 г/л, содержание ионов кальция в фильтрате раствора - 100-300 мг/л.

Для перевода раствора в известковый основное значение имеют концентрация глинистой фазы и ее коллоидность.

Известкование осуществляется в следующем порядке: при наличии в растворе высококоллоидных глинистых минералов сначала вводят щелочной раствор лигносульфоната (2 - 5 %) _ч при необходимости — воду. После получения вязкости 25-30 с (по СПВ-5) раствор обрабатывают известью (0,5 -1 %) в сочетаний с щелочным раствором лигносульфоната (2-3 %) Если после известкования показатель фильтрации повышает­ся, то вводят 0,1-0,3 % КМЦ, 1-3 % КССБ или другие добавки.

Применяют несколько способов известкования:

1. Последовательный ввод в глинистый раствор щелочного раствора лигносульфоната (два-три цикла), а затем известко­вого молока плотностью 1100-1120 кг/м³. Недостаток этого способа — длительность процесса.

2. Одновременный, но раздельный ввод реагентов - лигносульфоната, каустика и известкового молока. На первичную обработку расходуется 1-2 % ССБ (50 %-ной концентрации), 0,3-1 % каустической соды (плотностью 1420 кг/м³) и 1-2% известкового молока (плотностью 1100-1120 кг/м³); за первый цикл вводят каустическую соду и 1/3 количества ССБ, за последующие два-три цикла добавляют известь и остальное кол-во ССБ.

3. Обработка раствора реагентом БКИ. В 1 м³ такого реагента содержится 625 л ССБ плотностью 1260 кг/м³, 150 л каустической соды плотностью 1420 кг/м³, 225 л известкового молока плотностью 1100 - 1120 кг/м³; соотношение между ком­понентами может меняться в зависимости от состава разбу­риваемых пород.

Известковые растворы с высоким рН применяют до температуры 100-120°С.

Известковый раствор с низким рН — кальциевый буровой раствор, содержащий в качестве ингибитора-носителя ионов кальция гидроксид кальция, более высокая растворимость которого обеспечивается пониженным значением рН раствора (9-9,5). Этот раствор предназначен для разбуривания глинистых отложений; температурный предел 160 ⁰С. В процессе бурения контролируют содержание кальция в фильтрате, содержание извести в растворе и рН раствора.

На приготовление 1 м³ известкового раствора с низким рН требуется (в кг): глины 80-200, лигносульфонатного реагента 20-30, пеногасителя 3, полимерного реагента 5-10, воды 915-867, известкового молока (плотностью 1,100-1120 кг/м³) 3-6, утяжелителя — до получения раствора необходимой плотности.

Технологические показатели могут изменяться в широких пределах: плотность 1,04 — 2,2 г/см³, условная вязкость 25 — 40 с, показатель фильтрации 4 — 8 см³/мин, СНС₁ = 12-60 дПа, СНС₁₀ = 30-90 дПа, рН = 8,5-9,5.

Содержание извести должно поддерживаться в пределах 0,5—1 г/л, содержание ионов кальция в фильтрате — 500 — 600 мг/л.

6.4.6.3 Безглинистые солестойские растворы (БСК)[2]

БСК состоят из бурого угля, каустической соды, воды, гидроксида поливалентного металла; применяются при проводке скважин, осложненных наличием хемогенных отложений, осыпающихся и склонных к обвалам терригенных пород.

Крепящее действие основано на образовании в определенных температурных условиях нерастворимых в воде цементирующих веществ — гидросиликатов и гидроалюминатов двухвалентных металлов. При отсутствии двухвалентных катионов в буровом растворе и разбуриваемых породах происходит только химическое разрушение щелочью глинистых минералов без связывания продуктов разрушения в нерастворимые соединения. При отсутствии каустической соды и наличии только ионов кальция буровой раствор превращается в разновидность кальциевого раствора.

Крепящий эффект раствора БСК лучше проявляется при достаточно высокой концентрации каустической соды (не менее 0,2 %) и избытке в жидкости нерастворенного гидроксида двухвалентного металла — Са(ОН)₂, Ва(ОН)₃ и др.

Недостатки этих растворов — низкая термостойкость и высокая щелочность. Так как при использовании данного раствора не исключен переход в него выбуренной породы, то возможно сильное загустевание и даже затвердение раствора.

Для приготовления 1 м³ БСК требуется (в кг): бурового угля 300 — 400, каустической соды 15 — 20, известкового молока (плотностью 1100-11200 кг/м³) 90-100, воды 750-700.

Кальциевые растворы

Кальциевые растворы — ингибирующие глинистые промывочные растворы, содержащие кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов-понизителей вязкости, фильтрации и регуляторов щелочности специальные вещества — носители ионов кальция.

Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.

Гипсоизвестковый раствор

Гипсоизвестковый раствор - ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве носителя ионов кальция гипс и гидроксид кальция.

Добавка гипса (алебастра) в раствор составляет 20-25 кг/м³. Содержание растворимого кальция зависит от каче­ства гипса, используемых лигносульфонатов, рН бурового раствора и может быть в пределах 700 — 3000 мг/л.

Гипсовые растворы предназначены для разбуривания вы-сококоллоидных глинистых пород в условиях высоких забойных температур (до 160 ⁰С).

На приготовление 1 м³ гипсоизвесткового раствора необходимо (в кг): глины 80-200, воды 950-900, окзила (или ФХЛС) 5-10, Са(ОН)₂ (или КОН) 2-3, КМЦ 3-5, Na₂Cr₂O₇ (или К₂Сr₂О₇) 0,5-1, гипса (или алебастра) 15-20, пеногасителя  3 - 5, утяжелителя - до получения раствора необходимой плотности.

Показатели раствора: плотность 1040 – 2200 кг/м³, условная вязкость 25 - 40 с, показатель фильтрации 3 - 6 см³/30 мин, СНС₁ = 12-60 дПа, СНС₁₀ = 30-90 дПа, рН = 8,5-9,5.

Хлоркальциевые растворы

Хлоркальциевый раствор (ХКР) — ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция.

Установлено, что оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3000-5000 мг/л. Хлоркальциевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Присутствие в фильтрате бурового раствора ионов кальция способствует значительному сокращению осыпей и обвалов при разбуривании неус­тойчивых аргиллитоподобных отложений.

Вследствие отсутствия эффективных кальциестойких реагентов термостойкость его ограничена (100 °С).

В процессе бурения контролируют содержание кальция в фильтрате и общую минерализацию.

Готовят глинистую суспензию на пресной воде, которую обрабатывают КМЦ и КССБ. Одновременно с КССБ в раствор добавляют пеногаситель. После получения оптимальных показателей (вязкость 25-30 с, СНС, = 12+24 дПа, СНС₁₀ = = 30+60 дПа, показатель фильтрации 3 — 5 см³/30 мин) раствор обрабатывают хлоридом кальция и известью.

На приготовление 1 м³ раствора требуется (в кг): глины 80-200, КССБ 5-70, КМЦ (или крахмала) 10-20, СаС1₂ 10-20, Са(ОН)₂ 3-5, NaOH 3-5, воды 920-870, пеногасителя 5-10.

Калиевые буровые растворы

Калиевые буровые растворы содержат в качестве ингибирующих электролитов соединения калия. Действие калиевых растворов обусловлено насыщением ионами калия глинистых минералов. Наиболее быстрое насыщение глин ионами калия происходит при рН = 9-10.

Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчи­вых глинистых сланцев. Существует ряд разновидностей калиевых растворов, отличающихся составом и некоторыми свойствами.

Хлоркалиевые растворы

Хлоркалиевые растворы содержат в качестве ингибирующего электролита хлорид калия, а в качестве регулятора щелочности - гидроксид калия. Раствор предназначен для эффективного повышения устойчивости стенок скважины при бурении в неустойчивых глинистых сланцах различного состава. На приготовление 1 м³ хлоркалиевого раствора требуется (в кг): глины 50-100, КС1 30-50, полимера (КМЦ, М-14, метас, крахмал) 5-10, КССБ 30-50, КОН 5-10, пеногасителя 2 - 3, воды 940 - 920, утяжелителя - до получения раствора необходимой плотности.

Показатели раствора: плотность 1080-2000 кг/м³, условная вязкость 25-40 с, показатель фильтрации 4 — 8 см³/30 мин СНС₁ = 12-60 дПа, СНС₁₀ = 36-120 дПа, рН = 9-9,5.

Калиево-гипсовый раствор

Калиево-гипсовый раствор содержит в качестве ингибирующих электролитов соединения калия и кальция, в частности гипс. В отличие от хлоркальциевого такой раствор менее подвержен коагуляционному загустеванию, его ингибирующее действие сильнее.

Калиево-гипсовые растворы используют для разбуривания высококоллоидальных глин, когда хлоркалиевый раствор недостаточно эффективен. Термостойкость зависит от используемого защитного реагента, но не превышает 160 ⁰С.

На приготовление 1 м³ калиево-гипсового раствора требуется (в кг): глины 60-150, окзила (КССБ-4) 30-50, КМЦ (крахмала) 5-10, КС1 10-30, КОН 5-10, гипса (CaSO₄ 10-15, пеногасителя 2 - 3, воды 930 - 890, утяжелителя — до получения раствора необходимой плотности.

Показатели раствора: плотность 1080-2200 кг/м³, условная вязкость 20-30 с, показатель фильтрации 4 — 8 см³/30 мин, СНС₁ = 6-36 дПа, СНС₁₀ = 12-72 дПа, рН = 8-3.

Основные показатели качества, определяющие назначение раствора, — содержание хлорида калия в фильтрате (30-70 г/л) и ионов кальция (1000-1200 мг/л).

Калиевый-глинистый буровой раствор - это наиболее простая модификация глинистого калиевого раствора, который широко применяется в массовом бурении в неустойчивых глинах. Одновременно, в таком растворе выбуренная глина ингибируется, следовательно, меньше наработка раствора. В состав раствора кроме глины, соды и каустика входят: ЭКОПАК R - высокоэффективный регулятор вязкости и водоотдачи; ЭКОПАК SL - высокоэффективный регулятор вязкости и водоотдачи, в калиевом растворе - эффективный разжижитель; ИКЛУБ - смазывающая добавка, ИКДЕФОМ – пеногаситель, ИКСИН-О (1) – разжижитель, ИКД - буровой детергент для предупреждения сальникообразований, ИККАРБ-75/150 – карбонатный утяжелитель.

Состав раствора, кг/м³: бентонит 30 – 40; Na₂CO₃ 0,5; NaOH 1; KCl   50; ЭКОПАК R   2; ЭКОПАК SL 8; ИКЛУБ 3 – 5; ИКДЕФОМ - 0,2; ИКСИН - О (1)    1; ИКД  1; ИККАРБ-75/150 50.

Показатели раствора: плотность 1060 – 1100 кг/м³, условная вязкость 25 - 40 сек, ппластическая вязкость 8 - 30 сПз, ДНС 60 - 100 дПа, СНС_0/10 10 - 20/20 - 50 дПа, водоотдача, см³/30мин (API) 6 – 8, рН - 9 – 10, содержание KCl в фильтрате не менее 4%.