CC BY
48
УДК 622.243.3
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ КОМПЛЕКСАМИ ССК НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КУЗБАССА
1 2 3
А.Л.Неверов , П.Н.Самородский , А.В.Гусев
Сибирский федеральный университет, Институт горного дела, геологии и геотехнологий, 660025, г. Красноярск, пр. им. газ. «Красноярский рабочий», 95.
Статья посвящена решению актуальной задачи по повышению эффективности сооружения скважин в сложных геологических условиях на угольных месторождениях Кузбасса комплексами ССК с использованием полимерных безглинистых растворов.
Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 15 назв.
Ключевые слова: скважина; высокомолекулярный полиакриламид анионного типа (ПАА-А); реологические параметры; устойчивость стенок скважины.
STUDY AND DEVELOPMENT OF MUDS FOR WIRELINE CORE DRILLING AT KUZBASS COAL DEPOSITS
A.L.Neverov, P.N.Samorodsky, A.V.Gusev
Siberian Federal University, Institute of Mining, Geology and Geotechnologies, 95 gazety Kranoyarsky Rabo-chii Pr., Krasnoyarsk, 660025.
The article is devoted to solving the actual problem of improving the well construction efficiency in complex geological conditions of Kuzbass coal deposits by means of wireline core drilling with the use of polymeric clay-less drilling muds.
1 figure. 1 table. 15 sources.
Key words: well; high molecular anionic polyacrylamide of ПАА-А type; rheological parameters; stability of borehole walls.
Введение
В геологоразведочном бурении на твердые полезные ископаемые наибольшее применение находят снаряды со съемными керноприемниками (ССК), т.к. позволяют существенно увеличить производительность труда. Однако при сооружении скважин в сложных геологиче-
ских условиях Кузбасского угольного бассейна возникают сложности с поддержанием стенок скважин в устойчивом состоянии.
Целью данной работы является исследование и разработка промывочных жидкостей для бурения геологоразведочных скважин комплексами ССК на участке «Шурапский».
:Неверов Александр Леонидович - кандидат технических наук, доцент, тел.: 89232660624, е-mail: neveroff_man@mail. ru
Neverov Alexander - Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: 89232660624, е-mail: neveroff_man@mail. ru
2Самородский Павел Николаевич - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, тел.: (391) 2132735, е-mail: maria_s_76@mail.ru
Samorodsky Pavel - Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor, tel.: (391) 2132735, е-mail: maria_s_76@mail.ru
3Гусев Антон Викторович - горный инженер, аспирант, тел.: 89029904319, е-mail: gvan@bk.ru Gusev Anton - Mining Engineer, Postgraduate, tel.: 89029904319, е-mail: gvan@bk.ru
Первым шагом при выборе рецептуры бурового раствора, призванной свести к минимуму осложнения в стволе скважины, является сбор максимально возможного объема информации о геологическом строении разреза месторождения.
Образцы горных пород и геологический материал были предоставлены геологами Акельской геологоразведочной партии (АГРП). После исследования образцов были проведены лабораторные работы по разработке рецептуры буровых растворов для бурения комплексами ССК.
Анализ геологического материала
Участок буровых работ расположен на территории Кемеровского района Кемеровской области РФ, в Кемеровском геолого-экономическом районе Кузбасса в пределах Кедровско-Крохалёвского каменноугольного месторождения.
Геологический разрез участка представлен отложениями кемеровской свиты балахонской серии, кузнецкой и ильинской подсерий кольчугинской серии верхнепермского возраста. В коль-чугинской серии в разрезе преобладают песчаники и алевролиты. Песчаники имеют в основном мелко- и среднезер-нистую структуру. В составе обломков доминируют кварц, полевые шпаты, карбонаты, эффузивы и метаморфические породы. Тип цемента - преимущественно поровый, базальный, контактовый и их сочетания. По составу цемент в основном слюдисто-кремнистый, гидрослюдистый, реже - карбонатный или серицитовый.
Плагиоклазы обычно кислого состава с признаками серицитизации. Калиевый полевой шпат пелитизирован. Отсортированность кластического материала хорошая, окатанность средняя, цемент железисто-глинистый, карбонатный и хлоритовый.
Алевролиты представлены различными гранулометрическими типами -от мелких до крупнозернистых. Текстура их слоистая за счёт изменений гранулометрического состава, либо послойных скоплений песчаного и углистого материала, реже - неслоистая, комковатая. По составу обломков и цемента они аналогичны песчаникам.
Углистые алевролиты и аргиллиты занимают в угленосной толще незначительное место; чаще всего они залегают вместе с угольными пластами, слагая обычно ложную кровлю и почву и прослойки породы в пластах.
Вторично измененные породы встречаются в толще песчаников и алевролитов в виде прослойков небольшой мощности от - 1 до 25 см. Они отличаются высоким удельным весом, большой крепостью и тёмно-серым цветом с коричневатым оттенком.
Ильинская подсерия имеет очень ограниченное распространение в пределах оцениваемого участка и вскрыта только одной скважиной. Подсерия представлена «красноярскими песчаниками» тёмно-серого цвета с зеленоватым оттенком, мелкозернистыми, ослабленными за счёт выветривания.
Отложения ильинской и кузнецкой подсерий повсеместно перекрыты рыхлыми четвертичными отложениями мощностью от 10 м в логах и руслах ручьев до 40 м на водоразделах.
В геолого-структурном отношении участок «Шурапский» приурочен к центральной замковой части основной структуры месторождения - Кедровско-Крохалевской брахисинклинали. Залегание пластов осложнено развитием в западной части участка дополнительной Черниговской антиклинали и крупных взбросов.
В пределах участка обнаружен ряд трещинных зон, отличающихся повышенной водообильностью. Водообиль-ность пород зависит от литологического состава: в алевролитах и аргиллитах отмечаются минимальные удельные деби-
ты, в песчаниках - максимальные. Экзогенная трещиноватость постепенно затухает и на глубинах более 100 м обводненность отложений определяется только тектонической трещиновато-стью. Слагающие ядро Кедровско-Крохалевской брахисинклинали «красноярские песчаники» ильинской подсе-рии характеризуются повышенной обводненностью.
По химическому составу подземные воды нижнепермских отложений в зоне активного водообмена гидрокарбонатные, преимущественно кальциевые или кальциево-магниевые с минерализацией 200-800 мг/дм3, чаще 400-500 мг/дм3. Воды преимущественно слабощелочные или нейтральные. В зоне затрудненного водообмена воды характеризуются однообразным гидрокарбонатным натриевым составом. Жесткость невелика и находится в пределах 0,5-1,5 ммоль/дм3. Подземные воды обладают щелочной (рН - 7,5-8,5), реже слабощелочной (рН - 7,1-7,3) реакцией [8].
При бурении скважин в пределах участка основные осложнения возникают при прохождении зон трещиновато-сти (экзогенной и тектонической). Анализ показал, что неустойчивость стенок скважин связана со специфическим минеральным составом материала, заполняющего трещины и частично замещающего песчаники и другие породы участка. При бурении скважин заполнитель трещин вымывается промывочной
жидкостью и, как следствие, обломочный материал разрушается, что приводит к прихватам бурильной колонны.
Для уточнения вещественного состава горных пород участка «Шурап-ский» выполнен рентгенофлуоресцент-ный и рентгенофазовый анализ образцов керна, отобранных при бурении одной из скважин участка. Анализ выполнен в лаборатории рентгеновских методов анализа и исследования Сибирского Федерального университета (СФУ) на рентгеновском спектрометре Lab Center XRF1800 (определение химического состава) и рентгеновском дифрактометре XRD7000 (фазовый анализ). Содержание рентгеноаморфных фаз - не более 15 %. Минералы, выявленные в результате рентгенофазового анализа можно разделить на две группы. Первая (кварц, альбит, мусковит) отражает состав исходных пород (песчаники и алевролиты), вторая - состав новообразованных фаз. В табл. 1 представлены результаты лабораторных анализов образцов.
Материал первых трёх проб отражает состав песчаников ильинской под-серии. Исходя из минерального состава, это аркозовые песчаники с карбонатным цементом. Из новообразованных фаз наблюдаются диккит и ректорит.
Материал пробы 580 существенно отличается от остальных проб и отражает состав околотрещинной минерализованной зоны.
Минеральный состав изученных образцов по результатам рентгенфлюоресцентного и __рентгенофазового анализа_
Номер образца Минералы (содержание в %)
Кварц Альбит Мусковит Сидерит Кальцит Анкерит Хантит Диккит Каноит Ректорит Прочие фазы
472 62 4 13 2 - - - - - 13 6
500 52 6 13 5 - - - 9 - 12 3
530 60 11 9 4 - - - 10 - 5 1
580 16 - - 21 40 4 7 - 6 - 6
Обилие карбонатов указывает на гидрогенное их образование из минерализованных кальций-магниевых гидрокарбонатных подземных вод (холодных или слабонагретых). Появление в карбонатных парагенезисах хантита указывает на повышенное содержание магния в минералообразующих растворах [9]. Высокое содержание М^ нехарактерно для терригенных пород; очевидно, его источником послужили подземные воды зоны глубокой циркуляции. Движение подземных вод в слабопористых породах возможно лишь по системам трещин. Таким образом, в пределах изучаемого участка установлено присутствие глубинных трещинных водопроницаемых зон с активной современной или древней циркуляцией подземных вод. Данную информацию необходимо учитывать при проведении разведочных и эксплуатационных работ в пределах изучаемого участка.
Обнаруженный в значительных количествах (более 10%) ректорит ((Ка,Са)Л14(81,Л1)8)20(ОН)4х2Н2О) в связи с его способностью к набуханию может обусловливать осложнения при бурении. Ректорит относится к монтмориллонит-гидрослюдистым смешано-слойным минералам [15], возникает в зоне гипергенеза в результате деградации в основном триоктаэдрических слюд (биотита и др) преимущественно политипной модификации 1М с диокта-эдризацией частично сохраняющихся остаточных продуктов. Однако по результатам рентгенофазового анализа заметно, что содержание ректорита обратно пропорционально содержанию альбита. Исходя из этого можно предположить, что ректорит возник при выветривании и разложении альбита.
Таким образом, изучаемая угленосная толща Шурапского участка сложена горными породами, претерпевшими значительное химическое выветривание, проявившееся в развитии слоистых силикатов (ректорит, диккит) во
всех представленных образцах горных пород.
В зонах тектонической трещино-ватости развита ассоциация минералов, связанных с гидрогенным отложением из гидрокарбонатных подземных вод (кальцит, сидерит, анкерит, хантит). Наличие ректорита и хантита является осложняющим фактором: при взаимодействии с водой возможно набухание и диспергирование минералов, что в конечном итоге приводит к переходу в раствор глинистой составляющей и потере устойчивости стенок скважин.
Лабораторные исследования и разработка буровых растворов для бурения снарядами ССК
Анализ исследовательских работ и практический опыт авторов показывает, что наиболее полно требованиям бурения снарядами ССК удовлетворяют полимерные и полимербентонитовые промывочные жидкости с низким содержанием твердой фазы (3-7%) [14]. Такие растворы эффективно очищают скважину и охлаждают алмазный инструмент, снижают гидравлические сопротивления, не диспергируют горные породы. Несмотря на успешное применение полимерных малоглинистых растворов, многих исследователей не устраивает наличие твердой глинистой фазы, так как она приводит к снижению механической скорости [5]. Поэтому целью данного исследования является разработка безглинистых полимерных растворов.
Полимеры и сополимеры с разной молекулярной массой (ММ), молеку-лярно-массовым распределением, химическим составом и распределением звеньев исходных мономеров вдоль цепи, линейные, разветвленные и сшитые имеют разное функциональное назначение и различные области применения [10]. Полиакриламиды (ПАА) обладают уникальным комплексом полезных свойств и широко используются в раз-
личных областях техники и технологии. Эффективность применения полимеров определяется их характеристиками. Высокомолекулярные полимеры ММ=(2-22)*106, эффективность которых возрастает с увеличением ММ, используют как флокулянты, загустители, структу-ро- и пленкообразователи и для смазки. Низкомолекулярные полимеры
ММ=(0.005-0,4)*106 используют как диспергаторы, разжижители и стабилизаторы глинистых буровых растворов. Наиболее широко используются водорастворимые ПАА в качестве флоку-лянтов для эффективной очистки природных и промышленных сточных вод. Действие флокулянтов основано на агломерации частиц в крупные флокулы, что способствует их быстрому осаждению. Флокуляция происходит вследствие адсорбции макромолекул в результате их физического или химического связывания с поверхностью частиц по механизму мостикообразования или нейтрализации зарядов. Эффективному связыванию осаждаемых частиц способствует увеличение размеров макромолекул в водной среде в результате увеличения ММ и содержания ионоген-ных звеньев в цепи (например, при фло-куляции различных дисперсных систем наилучшие результаты получены при 20-30%-ном содержании карбоксилат-ных групп в гидролизованном ПАА). Известно [13], что с увеличением ММ увеличиваются среднеквадратичные размеры макромолекулярных клубков в растворе. Это способствует охвату полимерными мостиками большего числа частиц дисперсной фазы, увеличивает размеры флоккул и флоккулирующий эффект. В [11] исследовали флоккулирующие свойства анионного (А) и кати-онного флокулянтов (К). Количественной характеристикой флоккулирующего эффекта служил параметр Б, определяемый по формуле:
D =
(V - V,) V :
(1)
где V и У0- соответственно скорости
осаждения дисперсной фазы в воде в присутствии и в отсутствие флокулянта.
При близких значениях ММ и содержания ионогенных звеньев в макромолекулах значения Б возрастали при замене флокулянта К на А. Это следствие более эффективной адсорбции отрицательно заряженных макромолекул флокулянта А на частицах дисперсной фазы по сравнению с положительно заряженными макромолекулами флоку-лянта К. В [2] исследовали механизм флокуляции суспензий бентонита и каолина полиэлектролитами. Установлено, что флокуляция катионными полиэлектролитами в указанных суспензиях происходит в достаточно широком интервале изменения электрокинетического потенциала частиц, а не только в изо-электрическом состоянии, как это предполагает нейтрализационный механизм флокуляции. Это свидетельствует о том, что агрегация частиц бентонита и каолина наступает не только и не столько вследствие нейтрализации заряда поверхности частиц, но, в первую очередь, за счет образования мостиковых связей между частицами с участием адсорбированных макроионов. Подобные закономерности отмечены в [1]. Блюсс Б.А. исследовал влияние водных растворов ПАА на процесс дезинтеграции зеленовато-серой глины Малышевского месторождения [3]. В результате установлено, что процесс дезинтеграции глинистого агломерата в присутствии катион-ного ПАА связан с адсорбцией полимерных катионов на отрицательно заряженной поверхности агломерата, а усиление их расклинивающего влияния на кристаллическую решетку глинистых частиц может объясняться гидратацией самих полимерных катионов. В растворах анионного ПАА в течение длительного времени дезинтеграция практически не происходила.
Анализ вышеизложенного показывает, что наиболее перспективными полимерами для бурения скважин, имею-
щих в геологическом разрезе монтмо-риллонитовые глины, являются анионные ПАА. При использовании полиме-ров-флокулянтов большое значение имеют реологические свойства буровых растворов, от которых зависит в первую очередь интенсивность удаления бурового шлама. Неудовлетворительные реологические свойства могут привести к таким серьезным осложнениям, как образование пробок в стволе скважины, забивание шламом призабойной зоны, снижение механической скорости бурения, прихват бурильной колонны, размыв стенок скважины, поглощение бурового раствора [4].
Исследование реологических свойств буровых растворов, содержащих различные полимеры-флокулянты, были проведены в лаборатории промывочных жидкостей кафедры ТТР СФУ на ротационном вискозиметре ВСН-3.
Для приготовления буровых растворов использовали анионные полимеры (ММ 10 -20)*106 с зарядом 10-50%); Полифлок марок А2020; А1530; А1550; А2045 производства ОАО Полифлок (далее полифлоки); Праестол марок 2540; 2515 производства ЗАО «Москва-Штокхаузен-Пермь» (далее праестолы). Концентрации полимеров были подобраны с учетом термодинамических характеристик растворов [6,7]. Установлено, что энергетически наиболее устойчивые системы существуют в интервале концентраций 0,05-0,2%. Концентрации выше 0,25% дают термодинамически неустойчивые системы. Использовать полимеры следует в виде растворов с концентрацией 0,05-0,2 % или ниже 0,03%, так как они более устойчивы. Приготовление растворов для испытаний осуществлялось с учетом рекомендаций «Degussa Eurasia» путём перемешивания полимерных реагентов в дистиллированной воде в течение 60 минут при частоте вращения мешалки 400-600 об/мин.
Водные растворы ПАА [10,13] не обладают пространственной структурой, так как имеют линейное строение, следовательно, не имеют динамического напряжения сдвига. Поэтому для описания поведения безглинистых полимерных растворов целесообразно использовать степенную модель Осваль-да-де-Ваале с двумя реологическими параметрами
т = К-у", (2)
где т - напряжение сдвига; у - скорость деформации; К - показатель конси-стентности, Па-с; " - показатель нелинейности, безразмерная величина.
Реометрические измерения и расчеты параметров степенной модели проводились по методике, изложенной в [12].
На рисунке представлена графическая зависимость касательных напряжений сдвига (Па) от скорости сдвига (с-1) для исследуемых в данной работе полимерных растворов с рабочими концентрациями от 0,05 до 0,1 %.
Анализ параметров формулы (2) показал, что с изменением концентрации полимеров в растворах с 0,05 до 0,1% касательные напряжения увеличиваются на 42-44% для полифлоков (А2020,А2045,А1530 и А1550) и на 4855% для праестолов. Показатель нелинейности 0,45-0,56 для всех типов полимеров, используемых в работе. Увеличение заряда полимеров с 17 до 50% не повлияло на изменение реологических параметров.
Производственные испытания безглинистых полимерных растворов
В результате анализа геологического материала и полученных в лаборатрии параметров полимерных растворов для производственных исследований был
а.) Полифлок А1550; ММ=(15)*104, заряд 50 %, б.) Полифлок А] 530; ММ=(15)*106; заряд 30 %.
Зависимость касательных напряжений сдвига (Па) от скорости сдвига (С-1)
полимерных растворов
выбран полимер с ММ=(17-20)*106 с зарядом 17-20 % производства ОАО Полифлок А2020. Полимерные растворы использовали при бурении скважин на Шурапском участке. Скважины сооружали комплексами КССК-76 российского производства с использованием буровых станков ЗИФ-650М и 1200МР. При бурении по вмещающим породам применяли полимерный раствор с концентрацией А2020 0,05%, а при подходе к угольным пластам увеличивали концентрацию до 0,1% во избежание размыва кровли пласта, которая представлена, как правило,
трещиноватыми горными породами с глинистым заполнителем. Глубина скважин изменялась от 500 до 750 м. Применение полимерных растворов позволило увеличить выход керна по вмещающим и угольным пластам до 100%. При перебуривании
тектонических зон применение растворов позволило сохранить ствол скважины в устойчивом положении и
впервые на этом участке поднять с керном глинку трения (продукт заполнения разломных зон), что свидетельствует о том, что стенки скважины не подвергались размыву и нарушению. Причиной повышения устойчивости стенок скважин является нейтральный характер (рН=7) полимерных буровых растворов с добавками высокомолекулярных
полиакриламидов, предотвращающих диспергирование ректорита и хантита, слагающих глинку трения и увеличивающих устойчивость стенок скважины. Применение полимерных растворов (А2020) позволило получать кондиционный выход керна по углю с применением обычного колонкового снаряда КССК. До применения растворов использовали «конус». С применением А2020 пробурено без осложнений 3000 метров, что позволяет сделать вывод о положительном влиянии полимерных растворов на устойчивость стенок скважины. На следующем этапе
планируется исследовать в
призводственных условиях полимер с ММ (14-15)*106 и зарядом 30% производства ОАО «Полифлок».
Заключение
Результаты, полученные в настоящей работе, свидетельствуют о том, что реологические параметры исследуемых растворов не зависят от степени заряда полимеров (заряд менялся от 10 до 50%). Анионные полимеры производства ОАО Полифлок могут использоваться для приготовления безглинистых
полимерных буровых растворов для бурения комплексами ССК на угольных месторождениях Кузбасса.
Полимеры марок А1530,1550 и праестол 2540 имеют практически одинаковую ММ и анионный заряд. Реологические параметры формулы (2) практически не отличаются. Следовательно, полимеры, производимые ОАО Полифлок, не уступают по качеству праестолам. Поэтому исследования по разработке полимерных буровых растворов с использованием полифлоков необходимо развивать далее. Производственные исследования подтвердили совместное влияние высокомолекулярных ПАА и нейтрального рН растворов на устойчивость стенок скважин. Применение полимерных растворов на Шурапском участке буровых работ позволило провести весь комплекс ГИС и сооружать скважины без осложнений.
Библиографический список
1. Баран А.А. Полимерсодержащие дисперсные системы. Киев: Нау-кова думка, 1986. 204 с.
2. Барань Ш., Месарош Р., Козакова И. и др. Кинетика и механизм флокуляции суспензий бентонита и каолина полиэлектролитами и прочность образующихся флоккул
// Коллоидный журнал. 2009. Т. 71, №3. С. 291-298.
3. Блюсс Б. А., Семененко Е.В., Никифорова Н.А. Изменение гранулометрического состава глинистых агломератов при пропитывании их водой и водными растворами полиакриламида // Науков1 пращ ДонНТУ. 2007. Випуск 15. С. 66-71.
4. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей) / пер. с англ. М.: Недра, 1985. 509 с.
5. Дедусенко Г.Я., Иванников В.И., Липкес М.И. Буровые растворы с малым содержанием твердой фазы. М.: Недра, 1985. 160 с.
6. Дуров В. А. Термодинамическая теория растворов неэлектролитов. М.: Изд-во МГУ, 1987. 93 с.
7. Кертман С.В. Исследование кинетики ионообменных реакций методом калориметрии тепловых потоков // Проблемы химизации отраслей народного хозяйства Тюменской области: тез. докл. обл. науч. конф. 31.05.1986. Тюмень: Изд-во Тюмен. гос. ун-та, 1986. С.24.
8. Копылова Ю.Г. Химический состав и генезис угольных минеральных вод месторождения Тер-синское (Кузбасс) // Доклады академии наук. 2011. Т. 436, №6. С. 804-808.
9. Котельников Д.Д., Зинчук Н.Н. Об аномалиях общей схемы преобразования разбухающих глинистых минералов при погружении содержащих их отложений в стратисферу // Вестн. Воронеж. ун-та. Геология. 2003. № 2. С.57-68.
10. Куренков В.Ф. Водорастворимые полимеры акриламида // Соров-ский образовательный журнал. 1997. № 5. С. 48-53.
11. Куренков В. Ф., Хартан Ханс-Георг, Лобанов Ф. И. Применение полиакриламидных флокулянтов
для водоочистки // Химия и компьютерное моделирование. Бутле-ровские сообщения. 2002. №11. С. 31-40.
12. Маковей Н. Гидравлика бурения / пер. с рум. М.: Недра, 1986. 536 с.
13. Моравец Г. Макромолекулы в растворе. М.: Мир. 1969. 398 с.
14. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. В 2-
х т. / под ред.Е.А.Козловского. М.: Недра, 1984. Т. 2. 437с.
15. H.G. Dill et. al. Supergene mineralization in mining residues of the Matchless cupreous pyrite deposit (Namibia) — a clue to the origin of modern and fossil duricrusts in semiarid climates. Journal of Geochemical Exploration 75 (2002) Р. 43-70.
Рецензент: кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета П.С.Пушмин
