Раствор для упрочнения неустойчивых горных пород при бурении скважин

 

Использование: бурение скважин в зонах неустойчивых горных пород для закрепления околоскважинного пространства. Сущность: раствор для упрочнения неустойчивых горных пород содержит, мас.ч.: каустический магнезит 100; хлорид магния (бишофит) 59,15 - 56, 25; хлорид железа (кристаллогидрат) 0,27 - 0,45; этилсиликат 2,50 - 5,00; вода 34,50 - 33,76. 2 табл.

Изобретение относится к бурению скважин в зонах неустойчивых горных пород, в частности к производству высокопроницаемых тампонажных составов для закрепления неустойчивого, осмотически проницаемого околоскважинного пространства, и может быть использовано в нефтегазовой промышленности, геологии и горном деле при изоляции коррозионных и пресных водопритоков.

Известен эмульсионный состав для ограничения водопритоков в скважину при добыче нефти, содержащий нефть, воду и в качестве добавки этилсиликат [1] . Этот состав готовится на поверхности и закачивается в пласт, где он созревает, после этого проводят водоизоляционные работы, но камня (твердого продукта) этот состав не образует.

Известен состав для изоляции притока пластовых вод в скважину, содержащий кремнийорганическое соединение и кристаллогидраты переходных металлов IV-VIII групп [2]. Состав готовится на поверхности и закачивается в пласт, где со временем отверждается. Однако полученный твердый продукт разрушается под действием минимальных нагрузок.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является вяжущее для укрепления пород в угольной, горнодобывающей промышленности и шахтном строительстве [3], имеющее следующий состав, мас.%: Каустический магнезит 50,5-56,0 Хлорид магния 25,5-27,0 40%-й водный раствор хлорида железа 5-7 Вода Остальное Состав готовится на поверхности и закачивается в скважину.

Однако из-за малых сроков схватывания и быстрого загустевания (высокой пластической прочности) смесь нельзя прокачать в скважину на большую глубину.

Целью изобретения является создание раствора для упрочнения неустойчивых горных пород при бурении скважин, который обладал бы большими сроками схватывания, хорошей растекаемостью и адгезией, проникая в мелкие поры и трещины (менее 0,05 мм), со временем затвердевания в них, и предупреждая дальнейшее разрушение околоскважинного пространства и при этом сохраняя во времени высокие прочностные свойства.

Поставленная цель достигается тем, что раствор, содержащий каустический магнезит, хлориды магния, железа и воду, дополнительно содержит этилсиликат при следующем соотношении компонентов, мас. ч.: Каустический магнезит 100 Хлорид магния (бишофит) 59,15-56,25 Хлорид железа (кристал-
логидрат) 0,27-0,45
Этилсиликат 2,5-5,0
Вода 34,50-33,76
Для устранения расклинивающего эффекта и стабилизации неустойчивых глинистых низкопроницаемых - микропористых (поры меньше, 0,01 мм), частично проницаемых среднепористых пород (поры меньше 0,05 мм) необходим раствор, который бы проникал в эти поры, бран на себя часть находящейся в них жидкости и затвердевал.

Использование в этих условиях всех видов цементных и буровых растворов с целью закрепления стенок скважин не дает положительного результата, так как зерна цемента крупнее 0,05 мм не проникают по поровому пространству. Наблюдается обезвоживание корки цемента, увлажнение породы фильтром и разрушение приствольного горного массива.

Распад неустойчивых глинистых сланцев происходит в результате расклинивающего эффекта фильтратом бурового раствора повышенной плотности по межпакетной спайности и спайности по напластованию, а затем уже действуют осмос и диффузия групп ОН^- и катионов Na⁺, вытеснение Са⁺⁺ и образование NaОН в межпакетном пространстве и расслоение глин.

Благодаря введению в состав нового реагента - этилсиликата - при предложенном количественном соотношении ингредиентов, состав стал растекаемым и приобрел сроки схватывания, необходимые для проникновения раствора в повороте пространство с последующим образованием в нем камня с высокими адгезионными и прочностными свойствами: растекаемость в 3,7-3,9 раза выше по сравнению с составом, принятым за прототип, сроки схватывания и адгезия увеличились соответственно в 30-115 раз (начало схватывания), в 3-48 раз (конец схватывания), в 1,3-1,8 раз (адгезия).

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый раствор для упрочнения неустойчивых горных пород отличается от известного введением нового компонента, а именно: этилсиликата. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных составов в области добычи и бурения скважин показал, что использование кремнийорганического соединения известно в области добычи нефти с целью ограничения водопритоков. Однако это применение в сочетании с другими компонентами не обеспечивает значительного увеличения растекаемости, сроков схвтывания раствора и адгезии и увеличения глубины упрочненного околоскважинного пространства. Таким образом, данный состав придает предлагаемому раствору новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

П р и м е р. Приготовление предлагаемого раствора в лабораторных условиях.

Для получения раствора были использованы следующие вещества:
Каустический магнезит по ГОСТ 1216-75;
Бишофит (хлорид магния) по ГОСТ 7759-73;
Хлорид железа (кристаллогидрат) по ГОСТ 4147-78;
Этилсиликат по ГОСТ 26371-84, ТУ 6-02- 06-67-86;
Вода водопроводная общей жесткостью 5-6 мг - экв./л.

Заранее в отдельной емкости готовили водный раствор хлорида магния )бишофита) плотностью 1250-1300 кг/м³, для этого 59,15-56,25 г хлорида магния (бишофита) растворяли в 34,50-33,76 мл воды. Затем добавляли 2,5-5,0 мл этилсиликата и 0,27-0,45 г кристаллогидрата железа при перемешивании. Получали 75 мл жидкости затворения, на которой затворяли 100 г магнезита. Смесь перемешивали с помощью лабораторной мешалки в течение 1 мин со скоростью 90-100 об/мин, в результате чего был получен заявляемый раствор.

В ходе лабораторных испытаний определяли следующие структурно-механические свойства полученного раствора и камня: растекаемость, сроки схватывания, адгезионные и прочностные свойства, водоустойчивость во времени. Растекаемость определяли по ГОСТ 1581-78, сроки схватывания раствора и прочность на сжатие образующегося камня - по ГОСТ 310.3-76, адгезионные свойства - по известной методике.

Для сравнения также определяли свойства известных составов по аналогу и прототипу.

Данные о составе и свойствах предлагаемого и известных растворов приведены в табл. 1.

Экспериментальные данные та бл. 1 свидетельствуют, что добавка этилсиликата в количестве 2,5-5,0 мас. ч. при сохранении предельных значений остальных компонентов делает заявляемый раствор растекаемым, высокопроникающим и обеспечивает сроки схватывания, необходимые для проведения технологической операции. Уменьшение содержания этилсиликата в растворе ведет к уменьшению прочности камня при хранении (опыт 2), увеличение - делает раствор неоднородным, наблюдается расслоение раствора (опыт 17). При увеличении содержания хлорида железа также наблюдается расслоение раствора (опыт 3), а при увеличении его - резкое сокращение сроков схватывания (опыты 18 и 19). Соотношение магнезита и бишофита остаются в традиционном соотношении.

Предельные и оптимальные количественные значения компонентов предлагаемого раствора, выявленные на основании лабораторных испытаний, приведены в табл. 2.

В производственных условиях предлагаемый раствор получают следующим образом.

В мерном отсеке цементировочного агрегата готовят жидкость затворения, для этого расчетное количество бишофита растворяют в воде, получают раствор полностью 1250-1300 кг/м³, затем в него последовательно при перемешивании добавляют расчетное количество этилсиликата и хлорида железа.

В цементно-смесительную машину загружают каустический магнезит. Каустический магнезит затворяют при жидкостно-цементном отношении 0,75, раствор в скважину на третьей скорости цементировочного агрегата.

Благодаря преимуществам предлагаемый раствор легко прокачивается по трубам, проникает в мелкие поры, где затвердевает и тем самым упрочняет околоскважинное пространство.

Формула изобретения

РАСТВОР ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН, содержащий каустический магнезит, хлориды магния и железа и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит этилсиликат при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:
Каустический магнезит 100
Хлорид магния 56,25 - 59,15
Хлорид железа (кристаллогидрат) 0,27 - 0,45
Этилсиликат 2,50 - 5,00
Вода 34,50 - 33,76