Водочувствительные сланцы.

Нестабильность ствола скважины и его расширение также приписывается химии буровых растворов на водной основе и их воздействию на сланцы. Многочисленные классификационные системы придумывались , чтобы попытаться ранжировать сланцы в соответствии с их активностью. Эти схемы обычно приписывают букву или номер каждой категории сланцев в соответствии с их активностью. Более часто , водочувствительные или гидратирующиеся сланцы содержат высокие концентрации монтмориллонитовых глин. Следовательно, систематизирующие системы обычно используют содержание монтмориллонита как главный показатель активности с растворами на водной основе. Другие используемые показатели - катионообменная ёмкость, общее содержание глины, содержание воды, площадь поверхности и твёрдость. Даже сланцы, содержащие глины, которые гидратируются меньше, такие, как иллито-, хлорито-, каолинито-подобные сланцы, имеют предрасположенность до некоторой степени к взаимодействию с растворами на водной основе. «Эм-Ай» не использует какой-либо единственной классификационной системы сланцев, так как ни одна испытанная система не является универсально применимой для всех регионов мира.

Гидратация водой - одна из наиболее существенных причин нестабильности ствола скважины. Гидратация принимает две формы в водо- чувствительных сланцах : поверхностная и осмотическая адсорбция. Поверхностная гидратация имеет место , когда малый объём воды прочно адсорбируется на плоской поверхности глин , которыё вызывает слабое смягчение или набухание, но может приводить к интенсивным напряжениям, если набухание ограничено пространственно. Осмотическое набухание имеет место, когда большой объём слабо удерживаемой воды притягивается к глинистой поверхности за счёт электростатических сил. Осмотическое набухание вызывает смягчение и существенное набухание , когда смежные слои глин гидратируются водой и расширяются. Осмотическое набухание не генерирует интенсивных напряжений, даже когда они пространственно ограничены, и может быть существенно снижено , если использовать растворы с низкой солевой активностью.

Сланцы, которые содержат монтмориллонит, могут адсорбировать воду из буровых растворов и гидратироваться или диспергировать. Форма разрушения обычно одна из двух: либо сужение ствола в смягчённой набухшей зоне, либо растрескивание относительно устойчивых фрагментов. Осмотическая адсорбция и гидратация будут смягчать и вызывать набухание прореагировавшего ствола , в мягких , способных к диспергированию сланцах, приводя к сужению ствола и увеличивая способность к диспергированию. Хрупкое разрушение относительно устойчивых участков имеет место при использовании соленасыщенных растворов в мягких, способных к диспергированию сланцах и в старых, устойчивых , хрупких сланцах в ненасыщенных растворах на водной основе. В старых , устойчивых сланцах , поверхностная гидратация приводит к увеличению напряжения приствольной зоны ( вследствие внутреннего напряжения от пространственно ограниченного набухания.), вызывая обрушения и осыпания устойчивые, хрупкие и угловатые. Это выглядит так, что вода проникает в эти сланцы вдоль частично сцементированных уже существующих линий разлома. Это приводит к высокому внутреннему напряжению из-за поверхностного набухания , давая в результате разрушение породы вдоль линий разлома.

Испытания на проницаемость показали, что сланцы относительно непроницаемы. Ионы проникают в сланцы , чтобы вызвать одно из двух : то ли гидратацию, то ли дегидратацию за счёт капиллярного действия, осмоса или проникновения по плоскостям напластования. Их видоизменения имеют место путём передачи воды из раствора в сланцы или воды из сланцев в раствор. Сланцы становятся нестабильными , когда видоизменяются по одному из путей , то ли за счёт гидратации, то ли за счёт дегидратации. Это важно для предотвращения передачи воды между буровым раствором и сланцем, которая заставляет сланцы видоизменяться. . Это может быть достигнуто уравновешиванием активности ( концентрации ионов) раствора со сланцами.

Буровые растворы на нефтяной и синтетической основе наиболее высокоэффективны для стабилизации скважин , разбуривающих водочувствительные сланцы. Первое, они смачивают разбуриваемые пласты нефтью или синтетической основой, предотвращая взаимодействие с любой водой. Второе, они обычно включают низкоактивный , эмульгированный рассол хлорида кальция для достижения сбалансированного действия. Альтернативный, свободный от хлорид-ионов материал , может использоваться вместо хлорида кальция для сбалансированного действия , вследствие требований по охране окружающей среды. Эти безводные системы не проникают так легко в поровую сеть сланцев как растворы на водной основе вследствие напряжённого состояния поверхности, смоченного водой сланца.

Идеальным буровым раствором мог бы быть такой, который не вызывал бы изменения сланца неким способом. Многие различные типы буровых растворов испытывались такие , как известковый, гипсовый, хлоркальциевый , силикатный, калиевый, калий ацетатный и калий формиатный , нитраткальциевый, солевой , буровой раствор с ПАВ, лигносульфонатный , полимерный с частично гидролизованным полиакриламидом, катионоактивный полимерный, и раствор на нефтяной основе. Ни один раствор не может полностью удовлетворять всем возможным случаям. Один раствор может работать слегка лучше , чем другой при прохождении определённого участка сланцев, но противоположный результат может быть, если испытать его в другом регионе. С нескольких удачных точек зрения , полимерные системы на калиевой основе и системы на нефтяной или синтетической основе наиболее успешны для проблемы сланцев этого типа.

Все типы химической среды могут пробоваться для контроля проблемы сланцев. Фундаментальная теория не позволяет сланцам в них гидратироваться. В этом отношении растворы, имеющие высокое содержание электролита часто используются потому, что они существенно уменьшают гидратацию. Другая теория касается конвертирования сланцев и глин в менее активные минералы путём базового обмена одних ионов ( таких как сальций или калий ) на существующие межслоевые катионы в глинах , обычно натрия , с тем , чтобы подавлять гидратацию.

Калиевые ( или солевые) полимерные системы ( подобные Poly-Plus) работают так хорошо потому, что они осуществляют механизм гидратации сланцев несколькими путями. При использовании калиевых систем , основной обмен калия на межплоскостные катионы глин переводит сланцы и глины в менее активное состояние . В солевых системах низкая активность уменьшает осмотическое набухание и ограничивает смягчение . В существенных концентрациях полимеры работают на укрывание подвергающихся воздействию сланцев и шлама , «инкапсулируя» их граничными слоями полимеров. Это ограничивает способность воды взаимодействовать со сланцами и помогает предохранить шлам от диспергирования. Полимеры также увеличивают вязкость фильтрата бурового раствора так, что передача воды будет замедляться.

Понятно, что сланцы имеют некоторую проницаемость, хотя и очень маленькую. Проницаемость порядка одного микродарси или меньше по воде , и даже меньше, что касается буровых растворов на нефтяной и синтетической основе вследствие поверхностных напряжений смоченных водой сланцев. Имеется существенная польза в ограниченности формы взаимодействия воды с водочувствительными сланцами. Состав раствора может быть изменён , чтобы улучшить ингибирование в добавок к катионному обмену с кальцием или калием изменить природу подвергающихся воздействию шлама и сланцев. Полимеры могут помочь укрыванием подвергающихся воздействию сланцев и шлама , замедляя взаимодействие с водой . Полимеры также обеспечивают вязкость фильтрата , которая дальше эффективно уменьшает способность фильтрата проникать в микропоры сланцев. В добавок , водонерастворимые материалы и мостикообразующие агенты могут существенно улучшить стабильность ствола. Они дальше уменьшают вторжение воды в сланцы за счёт закупоривания микропор. Эти материалы особенно эффективны в крепких сланцах , которые имеют тенденцию к образованию микротрещин.

Эти добавки включают:

· Нефть и безводные синтетические жидкости.

· Полигликоли, имеющие точку помутнения ( Glydril )

· Нерастворимые полигликоли и смазки (Lube-100 Lube-167

· Асфальт(Stabil Hole).

· Гилсонит.

· Сульфированные асфальтовые смеси (Asphasol)/

Опыт также показывает, что меньше проблем имеет место, когда водоотдача контролируется на наиболее низких величинах. Это помогает поддерживать стабильность ствола скважины во многих случаях. Уменьшение водоотдачи полимерными добавками такими , как крахмал , полианионная целлюлоза (ПАЦ) и полиакрилат натрия увеличивает вязкость фильтрата и будет уменьшать проникновение фильтрата раствора вовнутрь сланцев. Однако , затруднительно остановить и контролировать проблему, созданную допущением высокой фильтрации.

Другой фактор, влияющий на стабильность сланцев, это рН. Большинство всех буровых растворов контролируется в щелочном диапазоне , т.е. имеют рН от 7 и более. Контроль рН бурового раствора в диапазоне от 8,5 до 9,5 даёт наилучшую стабильность ствола с адекватным контролем свойств раствора. Ненормально высокий рН , такой , как у известковых растворов , способствует проблеме в некоторых сланцах скорее , чем их смягчает. Давления в пределах сланцев и падение пласта дальше усложняют проблему. Имеются три фундаментальных средства для проблемы сланцев этой природы : (1) достаточная плотность, (2)корректный диапазон рН и (3) контроль водоотдачи.

Испытания сланцев.

Некоторое количество лабораторных тестов доступно для испытания и количественного измерения этого химического взаимодействия между различными растворами на водной основе и отдельными сланцами. Эти тесты включают :

· Классификация сланцев (по катионообменной ёмкости и содержанию глины).

· Визуальное испытание погружением.

· Тесты по гидратации (выход)

· Испытание шлама на твёрдость.

· Испытание на капиллярное всасывание.

· Испытание на линейное набухание.

· Испытание на диспергирование.

· Испытание на давление в ограниченном пространстве.

· Испытание на трёхосное сжатие.

· Испытание на твёрдость сланца.

Одно предостережение об испытании на совместимость сланцев такое , эти тесты существенно влияют на свойства раствора , особенно на водоотдачу, вязкость фильтрата и вязкость раствора. Сравнение между двумя системами буровых растворов с существенно различными величинами водоотдачи и вязкости не должны производиться. Два основных испытания , которые «Эм-Ай» использует , - это испытание на линейное набухание, называемое «swellmeter» и испытания на горяче-катанное диспергирование.

Swellmeter» использует искусственно воспроизведённые окатыши из сланца , погружаемые в буровой раствор, и измеряет скорость и количество неограниченного пространственно линейного расширения. Более подходящие буровые растворы будут давать меньшее количество линейного набухания , которое будет быстро снижаться к близкой к нулю скорости набухания. Этот испытательный прибор может сравнивать несколько различных по составу буровых растворов одновременно. Результаты записываются как процент набухания от первоначальной толщины и конечная скорость набухания в конце испытания. Обычные показания swellmeter» находятся в диапазоне от 50 до 150 %. Swellmeter используется более часто для оценки различного уровня ингибирования от солей или других ионных ингибиторов ( таких как кальций или калий). Он не очень хорош для оценки эффект от кольматирующих агентов, подобных асфальту, гилсониту и сульфированному асфальту или инкапсулирующим полимерам подобных полианионной целлюлозе или ЧГПА.

Дисперсионные тесты используют ограниченные по размерам фрагменты сланца ( или шлам) для измерения количества дисперсии, которая имеет место, когда он погружается в буровой раствор и подвергается горячему раскатыванию за данный период времени. Первоначальные фрагменты сланца имеют размеры больше , чем одна сетка с определённым размером ячеек , но меньше , чем другая. В конце испытания объём шлама, который будет всё же аккумулирован на меньшей по размеру сетке, измеряется и записывается как процент возврата. Дисперсионный тест превосходный для оценки эффективности инкапсулирующих полимеров. Это один из лучших тестов для получения представления, какая из систем буровых растворов будет наиболее совместима с отдельным сланцем и его действительное полевое использование.