ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. Объекты исследования 5
1.1. Глинисто-аргиллитовые породы и их особенности 5
1.2. Минеральный состав исследуемых аргиллитов 7
1.2.1. Структура и свойства монтмориллонита 8
1.2.2. Структура и свойства иллита 10
1.2.3. Структура и свойства каолинита 10
1.3. Буровые растворы и их свойства 11
1.3.1. Новые системы буровых растворов 13
1.3.2. Применяемые методики оценки ингибирующей способности
буровых растворов 13
ГЛАВА 2. Методы исследования 19
2.1. Метод рентгеноструктурного анализа 19
2.2. ЯМР-релаксометрия 23
2.3. 2D корреляционная релаксометрия 24
2.4. 2D-карты совместного распределения Р2(Ло2, Гс) 27
2.5. Используемая аппаратура 31
2.6. Приготовление образцов 31
ГЛАВА 3. Результаты измерений 34
3.1. Измерения в системе аргиллит и вода 35
3.2. Измерение в системе монтмориллонит и вода 38
3.3. Измерение в системе аргиллит и буровой раствор 40
3.4. Сравнение различных систем взаимодействия 45
ВЫВОДЫ 49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 51
Приложения
Исследование на молекулярном уровне физико-химических процессов взаимодействия водной компоненты буровых растворов с глинисто-аргиллитовыми породами представляет интерес для совершенствования состава буровых растворов и ингибиторных присадок, что существенно важно для успешного проведения буровых работ.
Молекулярное взаимодействие глинисто-аргиллитовых может быть исследовано при помощи метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Данный метод является одним из информативных методов исследования надмолекулярных структур и молекулярной подвижности [1,2]. Данные ЯМР- релаксометрии содержат информацию: о составе и молекулярной структуре исследуемой системы и о молекулярной подвижности (тепловом движении молекул).
На основе этого метода в настоящей работе предлагается ЯМР-методика оценки молекулярных характеристик взаимодействия водной компоненты буровых растворов с глинисто-аргиллитовыми породами. Следует отметить, что для исследования взаимодействия молекул воды с гидрофильными набухающими минеральными компонентами глинисто-аргиллитовых пород этот метод практически не применялся. Областью применения методики являются исследования медленных молекулярных движений, отвечающих условию отношения времён ядерной магнитной релаксации T1/T2> 1.05 (времени спинспиновой релаксации Т1 и времени спин-решёточной релаксации T2). Методика основана на использовании априорной информации о механизме ядерной магнитной релаксации в исследуемой системе при регуляризационном решении обратной задачи. В отличие от известных методик расчета 2D-карт совместного распределения P2(T1,T2) предлагаемая методика построения 2D-карты совместного распределения P2(iC,AoyL) не зависит от основной характеристики ЯМР релаксометра - резонансной частоты а.
Методика была использована для анализа характеристик сорбированной воды в глинистых горных породах - аргиллитах.
При бурении нефтяных и газовых скважин при взаимодействии глинисто-аргиллитовых пород происходит нарушение устойчивости стенок скважин. Основным фактором, влияющим на успешность проведения процесса бурения и предотвращения осложнений, являются состав и свойства буровых растворов [313]. Практически важным является создание ингибирующих систем буровых растворов нового типа с возможностью управления их свойствами с учётом специфики горно-геологических условий проводки скважины.
Целью настоящей работы является разработка подхода к оценке качества буровых растворов на основе данных 2D ЯМР-релаксометрии, отражающей изменение состояния водной компоненты в процессе насыщения. Основными методами исследования являются: 2D ЯМР-релаксометрия для изучения молекулярного взаимодействия в системе глинисто-аргиллитовая порода - буровой раствор и рентгеноструктурный анализ для установления состава исследуемого объекта (аргиллита).
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать методом 2D корреляционной ЯМР-релаксометрии молекулярное взаимодействие в системах монтмориллонит и вода, аргиллит и вода, аргиллит и буровой раствор в процессе насыщения образца флюидом (буровой раствор или вода).
2. Сопоставить данные по составу и структуре минеральных компонент горных пород с данными 2D корреляционной ЯМР-релаксометрии с целью выявления основного механизма релаксации.
3. Построить методику оценки взаимодействия водной компоненты на основе дальнейшего развития анализа 2D карт Т1-Т2.
В настоящей работе:
1. На основании проведённого сравнительного анализа 2D-KapT P(Ti,T2) и Р(тс,Ло9-), приведённых на рисунках 34 и 35, предполагается, что водная компонента рассматриваемых систем (аргиллит-вода и аргиллит-буровые растворы) преимущественно сорбируется на иллито-смектитовой (монтмориллонитовой) минеральной компоненте аргиллита;
2. На основании литературных данных о замещении ионами Fe2+ ионов Al3+ в октоэдрическом слое кристаллов монтмориллонита предполагается, что основным механизмом ядерной магнитной релаксации является релаксация на парамагнитных центрах по теории Соломона-Бломбергена-Моргана;
3. Установлено, что в диапазоне насыщения 0% до 12% на 2D-картах Р(Т1,Т2) в системах аргиллит-вода и монтмориллонит-вода выделяется пик динамической фазы, относящийся к сорбированным молекулам воды, который меняет свое положение в сторону увеличения времён ядерной магнитной релаксации при увеличении насыщения.
4. Показано, что в диапазоне насыщения от 0% до 12% спектры времён корреляции, вычисляемые по 2D-картам Р(тс,Ло9'), остаются постоянными для исследуемых систем аргиллит-вода и монтмориллонит-вода, в то время как спектры вторых моментов Ван-Флека смещаются в сторону уменьшения. Полученные результаты свидетельствуют о структурных изменениях в системе монтмориллонит-вода, что соответствует по литературным данным о гидратации и вымывании переходных ионов в межслоевой структуре монтмориллонита и увеличении межслоевого пространства.
5. Зависимость второго момента Ван-Флека от степени насыщения для бурового раствора марки «Algipo» практически совпадает с аналогичной зависимостью для системы вода-аргиллит, в то время, как зависимость второго момента для бурового раствора марки «Polidis» существенно отличается в сторону уменьшения второго момента, что может быть объяснено большей подвижностью сорбированной воды, и, как следствие, меньшим эффектом набухания иллито-смектитовой компоненты аргиллита, то есть, более сильными ингибирующими свойствами бурового раствора.
