Дисперсные и коллоидные системы. Растворы

Из всего многообразия проблем, решаемых при бурении глубоких скважин различного назначения, одно из первых мест принадлежит буровым растворам (промывочным жидкостям). Это определяется не только особой важностью технологических функций растворов, но и тем, что они являются средой, в которой происходят процессы разрушения горных пород на забое и формирование ствола скважины в течение длительного периода ее строительства

Современные промывочные жидкости представляют собой многокомпонентные системы, технология приготовления и управления свойствами которых в настоящее время приобретают все более самостоятельное научное и практическое значение при бурении глубоких скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые.

Промывочные жидкости претерпели долгое и сложное развитие от "буровой грязи" до сложнейших композиций с заранее заданными и регулируемыми физико-химическими и технологическими свойствами. Более 2000 лет назад в Китае применялось смачивание водой забоя скважин ударного бурения для удаления илистой выбуренной массы. Известны попытки применения в 1815 г. промывки при проходке скважин ударно-канатным способом. Однако до начала ХХ столетия промывочные жидкости в бурении широко не использовались.

Революционный этап в развитии промывочных жидкостей начался одновременно с развитием вращательного бурения.

Главной особенностью последующих исследований промывочных жидкостей явилось использование для химической обработки большой группы новых химических реагентов: защитные коллоиды – карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), акриловые полимеры, модифицированный крахмал, конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ), понизители вязкости – синтаны, кортаны, окисленный лигнин, хромлигносульфонаты, хроматы и ряд специальных реагентов – смазочных добавок, эмульгаторов, пеногасителей, бактерицидов и др. В настоящее время в ассортименте бурения находится более 50 основных реагентов и сотни их разновидностей. С помощью этих реагентов стало возможным придавать промывочным жидкостям способность преодолевать температурную агрессию, создавать специализированные промывочные жидкости для различных геолого-технических условий и тем самым значительно расширять возможности бурения.

Особенности физико-химического состояния буровых растворов как тиксотропных дисперсий обусловливает выполнение ими всех важнейших функций в бурении. Исследование закономерностей образования и деформирования дисперсных систем, а также управления ими является предметом физико-химической механики, созданной акад. П.А. Ребиндером. Эта наука позволяет изучать с единых позиций проблемы реологии, молекулярной физики, механики материалов и поверхностных явлений в дисперсных системах.

Свойствами буровых растворов, исходя из коллоидно-химических представлений, можно управлять, изменяя:

- концентрацию, дисперсность и фракционный состав дисперсной фазы;

- энергию взаимодействия частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой;

- энергию взаимодействия частиц дисперсной фазы, образующих пространственную решетку коагуляционно-тиксотропных структур;

- тип сопряженной пространственной коагуляционно-тиксотропной структуры.

Это достигается выбором материалов для приготовления буровых растворов, добавкой ПАВ, изменением рН, изменением минерализации дисперсионной среды и т.д.