Водные растворы хлористого кальция

Впервые идея введения хлористого кальция в промывочные жидкости была высказана Б.А. Ржанициным еще в 1935—1937 гг. на основании успешных работ по укреплению неустойчивых пород при строительстве метро. Возможность повышения устойчивости стенок скважины при введении в глинистый раствор жидкого стекла и хлористого кальция была проверена при бурении опытных скважин в районе Карабулака.

Исследования, проведенные под руководством Б.А. Ржаницина, показали, что скорость размокания глин значительно замедляется в присутствии даже небольшого количества силиката натрия, а при концентрациях выше 400 г/л (модуль 2,78) не наблюдалось никаких изменений в размерах образцов карабулакских глин в течение 45 дней. При меньших концентрациях силиката натрия или меньшем модуле распад образцов происходил в течение 1—24 ч. При опытных работах в Карабулаке было пробурено в обвалившихся майкопских глинах три скважины глубиной по 40 м, в каждой из которых применялись различные промывочные жидкости:

1) необработанный глинистый раствор старогрозненской глины;

2) силикатно-солевой глинистый раствор с содержанием 300 кг жидкого стекла, 100 кг хлористого натрия и 100 кг глины в 1 м3 глинистого раствора;

3) силикатно-солевой глинистый раствор с содержанием 300 кг жидкого стекла, 100 кг хлористого натрия, 100 кг хлористого кальция и 100 кг глины.

Эти работы показали, что майкопские глины совершенно неустойчивы. При использовании химически необработанных глинистых растворов в процессе бурения 40 м наблюдалось три обвала, а ствол скважины имел значительные сужения. Во второй скважине наблюдалось повышение устойчивости по сравнению с первой, но все же ствол скважины после осушения обвалился. В третьей скважине силикатно-солевой глинистый раствор с хлористым кальцием позволил полностью стабилизировать ствол, о чем свидетельствовало сохранение его диаметра даже после осушения и отсутствие набухшей массы глины на стенках скважины. Выбуренная глина также находилась в состоянии естественной влажности.

В настоящее время в России и за рубежом накоплен значительный опыт проводки скважин с применением хлоркальциевых глинистых растворов. Этот опыт показал, что хлористый кальций способствует повышению устойчивости глинистых пород, слагающих стенки скважин. Исследование влияния состава промывочных жидкостей на устойчивость подстилающих глин в Туркмении показало, что обвалы и прихваты, обычно сопутствующие применению УЩР, полностью прекращаются при переводе глинистого раствора в хлор-кальциевый. Применение хлоркальциевых глинистых растворов обычно сопровождается уменьшением удельного веса. В результате значительно повышается устойчивость стенок скважин.

Рассматривая состав хлоркальциевых глинистых растворов, можно сделать вывод о том, что их крепящее действие вызывается именно присутствием в составе промывочной жидкости хлористого кальция, так как глинистые растворы, содержащие КМЦ, ССБ, КССБ и NaOН, не отличаются особой способностью к повышению устойчивости глинистых пород.

Учитывая вышеизложенное, были проведены промышленные эксперименты в конторе бурения НПУ Ишимбайнефть по бурению с промывкой водой, содержащей CaCl2, в скважинах, где раньше применялся глинистый раствор.

Промышленному эксперименту предшествовали лабораторные исследования по определению оптимальной концентрации хлористого кальция. За оптимальную концентрацию хлористого кальция была принята его концентрация, которая обеспечивает максимальный коагуляционный эффект в предварительно диспергированном в пресной воде бентоните. Для определения оптимальной концентрации хлористого кальция приготавливали суспензию бентонита в пресной воде. Суспензия затем делилась на 8—10 частей. К каждой части добавлялось равное количество хлористого кальция и после перемешивания в течение 5 мин производилось определение суточного отстоя (в цилиндрах на 250 см3). С увеличением концентрации CaCl2 в суспензии высота осадка в цилиндре уменьшается, а затем остается постоянной, несмотря на продолжающееся увеличение концентрации соли. Такой характер кривой зависимости суточного отстоя от содержания хлористого кальция позволяет сделать вывод о том, что коагулирующее действие CaCl2 достигает максимума при определенной критической концентрации, и дальнейшее увеличение концентрации не усиливает коагуляционного эффекта. Эта критическая концентрация и является минимальной величиной добавки данной соли к промывочной жидкости для обеспечения максимально возможного коагуляционного эффекта при разбуривании глинистых пород.

Таким путем была получена критическая концентрация хлористого кальция, которая оказалась равной 2%. По величине критической концентрации соли в промывочной жидкости затем определялась оптимальная концентрация Kопт=1,5 Ккр. Таким образом, величина Kопт для хлористого кальция будет Копт = 1,5*2 = 3%.

Для проверки вышеизложенного нами совместно с работниками конторы бурения НПУ Ишимбайнефть проведены промышленные эксперименты по бурению с промывкой водой с добавками хлористого кальция из Грачевской, Озерской и Воскресенской площадях. На Грачевской площади на воде с добавками хлористого кальция было пробурено две скважины 618 и 615, причем скв. 613 после спуска кондуктора на глубину 198 м до кровли кунгурского яруса бурилась на пресной воде с добавкой 2—3% хлористого кальция, а при бурении скв. 615 в качестве промывочной жидкости использовалась вода, содержащая 2—3% CaCl2 и значительное количество NaCl.

На этой площади раньше были попытки бурения с промывкой забоя водой, насыщенной NaCl. Однако подобные попытки не привели к успеху, поэтому все скважины бурились с промывкой глинистыми растворами, насыщенными солью. Сравнение кавернограмм по скважинам, пробуренным с промывкой соленой водой, солеными глинистыми растворами, водой с добавкой CaCl2 и NaCl и водой с добавкой только CaCl2, показывает полное преимущество последней, что объясняется антагонизмом действия между CaCl2 и NaCl. В присутствии катионов Na+ в промывочной жидкости замедляется процесс насыщения глины кальцием, что вызывает ослабление крепящего действия кальция. Поэтому на следующей скважине 309 (Озерки) было принято решение: бурение в глинистых, породах производить с промывкой забоя водой с добавкой 3% CaCl2, а перед вскрытием соленосных отложений кунгурского яруса насытить воду NaCl для предупреждения образования каверн в солях.

Главным достижением промышленных экспериментов в Ишимбаево является установление возможности повышения устойчивости глинистых пород при бурении на воде с добавлением хлористого кальция.

В 1962 г. были проведены промышленные эксперименты по бурению с промывкой водой, содержащей 3% хлористого кальция, в скв. 1 Делятин в Надворной конторе бурения треста Прикарпат-бурнефть.

После спуска кондуктора на глубину 200 м глинистый раствор, загрязненный цементом, был разбавлен водой, и дальнейшее углубление скважины производилось с пополнением промывочной жидкости водой, содержащей 2,8—3,2% хлористого кальция. Так как бурение велось в воротищенских отложениях, представленных засоленными глинами, то для предупреждения растворения солей в циркулирующую жидкость одновременно добавили 25% поваренной соли. При этом промывочная жидкость -имела удельный вес 1,2—1,36 гс/см3, вязкость 20—24 с, водоотдачу 35—40 см3, pH = 6—6,5. Состояние ствола было хорошим. На глубине 1176 м появились призабойные (70—100 м) проработки, вызванные осаждением породы, после чего перешли на промывку глинистым раствором. В интервале применения хлористого кальция диаметр ствола остался близким к номинальному, а в интервале бурения на глинистом растворе появилось значительное расширение ствола. В результате применения хлористого кальция в этой скважине достигнута экономия 14 400 руб.

Промышленные эксперименты по использованию воды в качестве промывочной жидкости при разбуривании глинистых пород показали, что добавки хлористого кальция в одних случаях создают возможность бурения на воде, а в других — способствуют снижению проработок и увеличению интервала бурения с промывкой водой.

Очевидно, далеко не во всех случаях данный метод может оказаться успешным, так же как и не во всех случаях приносит успех применение ингибированных глинистых растворов.