 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
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), глинозем-глинистыми (алюминатные буровые растворы), силикат-глинистыми (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 хлор-кальциево-гипсовыми 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 природных глинистых пород эффективность применения ВКР должна уменьшаться, достигая минимума при наличии кальциевых природных
глинистых пород.
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 SiO32-, 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 (Si2О32-) слоями, связанными гидроаргиллитовыми слоями (А1(ОН)2+), т.е. гидраты алюминия являются химически сродственными глинистым породам и их активными сшивающими агентами.
Таблица 11.3
Поиск по сайту: