Анализ существующих методов выбора поверхностно-активных веществ для повышения эффективности разрушения твердых горных пород на забое скважины

Бурение скважин требует совершенствования не только техники и технологии буровых работ, но и систем буровых растворов. Технические и экономические показатели бурения во многом зависят от совершенства технологии промывки скважин, состава и свойств буровых растворов, их физико-химической обработки и их соответствия буримым горным породам.

При бурении в твердых горных породах резко увеличиваются энергозатраты на разрушение породы на забое, уменьшается проходка на долото. Первый показатель приводит к снижению механической скорости бурения, а второй к увеличению непроизводительных затрат за счет перерасхода породоразрушающего инструмента. В свою очередь перечисленные факторы снижают эффективность бурения в целом. Особенно этот вопрос актуален при бурении скважин в Тимано-Печорской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинциях.

Известно, что при разрушении пород буровым инструментом формируются две зоны [3]:

• -    зона разрушения, характеризуемая отрывом отдельностей от поверхности породы;

• -    зона предразрушения, где после прохождения инструмента образуются микротрещины, значительная часть которых после снятия нагрузки под действием молекулярных сил сцепления закрывается.

При бурении в присутствии ослабляющей жидкости (например, водного раствора ПАВ и электролитов), подаваемой в зону контакта разрушающего инструмента с породой, увеличивается область распространения микротрещин в зоне предразрушения. Это происходит за счет того, что на вновь образованных поверхностях - на стенках микротрещин адсорбируются молекулы и ионы из раствора, формируются адсорбционные слои, проникающие к устью микротрещин до тех пор, пока размер молекул и ионов не станет соизмерим с величиной ее раскрытия. По правилу адсорбции П.А. Ребиндера, на границе раздела фаз одновременно с формированием адсорбционного слоя происходит снижение поверхностного натяжения на границах жидкость - газ и жидкость - твердое тело.

Движущей силой в перемещении адсорбционных слоев по образованным при разрушении поверхностям, по П.А. Ребиндеру, является разность в поверхностном натяжении тела в воздушно - сухом состоянии и покрытого слоем жидкости.

Работами [2], было показано, что деформация твердого тела в жидкости, обладающей сильным сродством по отношению к данному твердому телу, с высокой энергией смачивания, вызывает значительное понижение механической прочности или твердости, облегчая разрушение при деформациях различного вида.

Далее эти же работы показали, что облегчение деформаций и разрушение твердых тел под влиянием данной жидкости могут быть еще значительно усилены небольшими добавками к ней особых активных веществ - понизителей твердости. Эти вещества являются поверхностноактивными, т.е. адсорбируются из раствора на поверхность разрушаемого твердого тела.

Кроме того, особенностью разрушения твердого тела под слоем жидкости является то, что в момент образования микротрещин при резании в ней создаются условия вакуума, способствующие засасыванию жидкости в микротрещину [3], т.е. ускорению процесса проникновения вглубь. При этом необходимо подчеркнуть, что присутствие поверхностно - активных веществ при разрушении влечет за собой не образование новых микротрещин, а рост уже существующих и слияние нескольких микротрещин в одну.

Применение понизителей твердости вызывает также значительное уменьшение износа бурового инструмента, т.е. уменьшение расхода долот вследствие размягчения разрушаемой горной породы в зоне предразрушения. Сокращение расхода режущего инструмента доходит до 35% по сравнению с бурением в тех же условиях без добавок понизителей твердости по данным проведенных [2] промышленных испытаний. Также эти работы показали, что жидкость, в которой происходит процесс разрушения твердого тела, может активно участвовать в этом процессе, облегчая и ускоряя его. Было установлено [2], что добавки от 0,01 до 1% понизителей твердости могут повысить скорость бурения при прочих равных условиях на 20-60% по сравнению с бурением без понизителей твердости в наиболее твердых породах, таких как кварциты, граниты, плотные известняки и доломиты, рудные породы и др.

Основное положение о том, что влияние внешней среды и адсорбирующихся веществ на деформацию и разрушение твердого тела обусловлено их проникновением в микротрещины на довольно значительную глубину в зоне предразрушения, развивающуюся в твердом теле в процессе его деформации, было подтверждено рядом работ лаборатории Коллоидо - электрохимическом институте Академии Наук СССР [2].

Было показано, что добавки адсорбирующих веществ в малых концентрациях, достаточных для насыщения адсорбционного слоя, понижают почти в два раза усилие раскалывания кристалликов кальцита толщиной в 1-2 мм (Н.Е. Маркова) по сравнению с величиной усилия раскалывания в чистой воде. Такое действие понизителей твердости значительно увеличивается при длительном вылеживании кристаллика в данной жидкости, особенно в нагруженном состоянии, близкому к пределу прочности. Влияние времени пребывания в данной среде особенно возрастает при достижении наибольшей активности жидкости по отношению к твердому телу, т.е. при оптимальной концентрации понизителя твердости, что убедительно доказывает основную роль проникновения среды в зону предразрушения.

В 1979 г. лабораторией управления состоянием массива и физики взрыва ИГД им. А.А.Скочинского были проведены экспериментальные исследования по резанию песчаника резцами РПП и РКС-1 при одновременном воздействии на породу различными типами поверхностно - активных веществ [1].

Из опытов следует, что неионогенные ПАВ уменьшают усилие резания на 35%, при этом усилие подачи увеличивается на 20-30%; катионоактивные вещества снижают усилие резания на 45-48% и подачи на 12-15%; анионоактивные - соответственно на 54-58 и 20-22%.

Результаты исследований [1] показали, что наиболее эффективными понизителями прочности являются анионоактивные ПАВ в щелочной среде, что хорошо согласуется с данными, полученными при изучении влияния ПАВ на контактную прочность песчаников.

Методы воздействия рабочего инструмента на горную породу можно разделить на статические и динамические. В работе, А.А. Дихтяра, А.М. Криворучно, Ю.М. Синюкова, исследовалось влияние ПАВ на прочность пород при статическом воздействии. Испытания на контактную прочность проводились на ручном гидравлическом прессе . В результате исследований были сформулированы следующие выводы [4]:

• 1.    Для повышения эффективности процесса разрушения горных пород необходимо постоянное присутствие адсорбируемого вещества в вершине развивающейся микротрещины, вследствие чего ПАВ должно быть низкомолекулярным соединением и обладать большой проникающей способностью.

• 2.    На снижение прочности породы существенно влияет степень взаимодействия молекул ПАВ и горной породой. Поэтому необходимо подбирать вещества, обладающие природой молекулярных взаимодействий, близкой силам взаимодействия между атомами разрушаемой породы.

В работе [3] представлена методика определении выбора реагентов – понизителей прочности горных, заключающаяся в определении времени седиментации частиц породы в суспензии и время впитывания раствора ПАВ исследуемыми образцами породы.

Полученные результаты показывают, что наибольшее снижение горно-технологических свойств пород наблюдается в присутствии тех растворов, для которых время седиментации максимальное, а время впитывания минимальное.

Представленные методики позволяет дать лишь качественное сравнение различных реагентов и не дают возможность количественно оценить снижение прочности горной породы. В связи с этим создание комплексной методики оценки влияния поверхностно – активных веществ на эффективность разрушения горных пород является актуальной задачей.

Важным фактором интенсификации процесса бурения горных пород является воздействие на них поверхностно-активных веществ [2, 3, 5, 6]. Поверхностно – активная среда влияет на характер деформации и разрушения твердых тел, главным образом, в окрестностях острых (тупиковых) концов развивающихся трещин. Таким образом, в областях деформации твердого тела адсорбционное влияние среды проводит к изменению эффективной поверхностной энергии, приходящейся на единицу поверхности, что и обуславливает изменение прочностных свойств твердого тела.

Наибольшие адсорбционные эффекты имеют место тогда, когда возникающие в процессе разрушения новые поверхности успевают покрываться адсорбционными слоями. С этой точки зрения эффективность действия ПАВ при ударно – вращательном и при бурении шарошечными долотами выше, чем при вращательном – коронками и режущими долотами.

При бурении скважин, значительная часть микротрещин, образующиеся на забое, после снятия нагрузки закрываются под действием не только молекулярных сил сцепления, но и под действием угнетающего давления бурового раствора. Влияние угнетающего давления на забой увеличивается с глубиной и напрямую связано с плотностью бурового раствора.

Исходя из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что для повышения эффективности процесса разрушения горных пород необходимо:

• -    стремится к понижению плотности буровых растворов, например путем использования безглинистых промывочных жидкостей, стабилизированных различными типами полимеров;

• -    обрабатывать растворы реагентами – понизителями твердости, наиболее эффективными из которых являются анионактивные ПАВ.