книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

В систем е ц иркуляц и и буровой насос подает очищ енный буровой раствор по напорной линии, по стояку и буровому ш лангу в вертлюг. Затем раствор перемещ ается вниз до забоя скваж ины внутри вращ аю ­ щейся буровой колонны — в случае роторного бурения, или внутри не­ подвижной колонны — в случае бурения забойным двигателем. На забое скважины раствор проходит через отверстия или промывочные каналы в буровом долоте, ом ы вает забой, захваты вает буровой ш лам и подни­ мается вверх по затрубном у пространству м еж ду буровой колонной и стенками скважины. В верхней части скваж ины раствор проходит че­ рез противовыбросовые превенторы и попадает в желобную систему, а затем на вибрационные сита и другие очистительны е механизмы .

Норма расхода бурового раствора на один м етр проходки зави си т от вида обсадной колонны , под которую вед ется бурение: при б у р е ­ нии под кондуктор прим ерная норма расхода раствора составляет 2,53, под промежуточную колонну — 1,0, под эксплуатационную колонну — 0,32 м3/м.

В зависимости от геологических условий и технических особеннос­ тей проходки скваж ин использую тся следую щ ие четы ре типа буровых растворов:

•растворы на водной основе;

•растворы на неводной основе;

•аэрированные растворы и пены;

•газообразные рабочие агенты.

Назначать тип бурового раствора следует на основе всестороннего изучения и учета геологических условий залегания всего комплекса гор­ ных пород, подлеж ащ его бурению. Основными структурны м и компо­ нентами буровых растворов на водной основе являю тся глины.

6.2.РАСТВОРЫ НА ГЛИНИСТОЙ ОСНОВЕ

6.2.1.В одны е д и с п е р с и и глин

Сущ ествует много разновидностей глин. Общим для них я в ­ ляется то, что минералы этих горных пород состоят из двух структур ­ ных элементов: алю м окислородны х октаэдров, содерж ащ их в своем составе окись алю миния А1.?Ол, и кремнекислородны х тетраэдров, со­ держащих в своем составе окись крем ния SiO,r

Способ сочленения структурны х элементов в м инералах определя­ ет тип глинистых минералов. Д ля приготовления буровы х растворов

Глава 6. Буровые промывочные жидкости и технология промывки

использую тся три основных типа глин: бентонитовые, палыгорскиточ

вые и каолиновые глины.

Минерал каолинит образуется при вы ветривании гранитов, состоч ит из вы ш еназванны х структурны х элем ентов в соотнош ении 1 :1 ^ имеет плотность 2,6 г/с м 3.

Бентонитовы е глины состоят в основном из м инерала монтморт и

лон и т а плотностью 2 г/с м 3, в котором вы ш еназванны е структурны^ элем енты содерж атся в отнош ении 1 : 2. Эти глины образую т светлы^ массы и обладаю т способностью набухать в воде и распадаться на мель, чайш ие частицы.

Минерал п алы горски т построен из кремнекислородны х тетраэдров

иимеет ленточно-слоистое строение. При бурении в солевых порода^ использую т солестойкие растворы на основе палыгорскитовых глин

которы е способны диспергироваться в соленой воде.

И з глин изготовляю т глинопорош ки, на основе которы х на буровы^ получаю т глинистые водные растворы . В некоторы х случаях для прич готовления растворов используется некондиционная комовая глина местных карьеров.

Основным показателем качества глинистого сы рья является выхо^

раствора — объем готового раствора, полученного из 1 тонны сырц В ы сш ему сорту глин соответствует выход раствора 15 м3/т , третьему

сорт у— сГаг^ г.

М асса сухой глины плотностью р г, необходимая для приготовления глинистого бурового раствора плотностью рЪрв объеме Убр .определяет­

ся по ф орм уле

т , = Л р ^ б р ~ " P J ’ (6-И

где р в — плотность воды.

Гли нист ы й раст вор — это смесь коллоидны х и более крупных час­ тиц, образую щ их водные суспензии. Такой раствор назы ваю т коллоид­ но-суспензионной системой. Частицы глин являю тся гидрофильными и покры ты прочной гидратной оболочкой. О саж дение частиц в колло­ идных растворах н азы вается седим ент ацией. Глинистый раствор тем более устойчив, чем вы ш е степень дисперсности частиц глины. Слипа-, ние и укрупнение частиц при столкновениях назы вается коагуляцией. Гидратная оболочка препятствует коагуляции.

Главная особенность глинисты х м инералов — их способность обра­ зовы вать водные дисперсии, обладаю щ ие коагуляционной структурой и, как полезное следствие, структурно-м еханическим и свойствами.

Коллоидные глинистые частицы имеют ф орм у вы тянуты х листков, которые в состоянии покоя соприкасаю тся друг с другом, сцепляю тся в отдельных точках и образую т сплош ную сетку или п р о стр ан ств ен н у ю стр у кту р у . Эта стр уктура образована беспорядочны м сцеплением коллоидных вы тянуты х дисперсны х частиц и обладает определенной прочностью и упругими свойствами. При встряхивании или перем еш и­ вании глинистого раствора структура разруш ается. Раствор при этом становится ж идким и подвижным. В состоянии покоя глинистые части­ цы вновь образую т пространственную структуру. Свойство раствора разжижаться при встряхивании -перем еш ивании и вновь загустевать в состоянии покоя назы вается тиксотропией. Буровы е глинистые р а ­ створы являю тся т и к с о т р о п н ы м и р а ство р ам и .

6.2.2.С в о й ства б у р о в ы х р а с т в о р о в н а о с н о в е глин

Глинистые растворы являю тся сложными полиминеральны - ми дисперсиями и обладаю т примерно двум я десяткам и ф изических свойств. Рассмотрим некоторы е из них.

П лотность р а с т в о р а (к г/м 3). На буровой определяется специаль­ ными ареометрами типа А Г-ЗП П .

Условная в я зк о с т ь (с). О п р ед ел яется стандартны м полевым ви с­ козиметром СП В -5, п редставляю щ им собой воронку с трубкой д л и ­ ной 100 мм и внутренним диам етром 5 мм. Время вы текания ТГ)0() объе­ ма бурового раствора 500 см3 косвенно характери зует его вязкость. Чем больше вязкость раствора, тем больш е времени требуется д л я его вы ­ текания. Время истечения из вискозиметра 500 см3 воды составляет 15 с и носит название водного числа вискозим етра.

Верхний предел условной вязкости для раствора плотностью м ень­ ше 1400 кг/м 3 долж ен составлять меньш е 30 с, а для раствора плотнос­ тью больше 1400 к г/м 3 — м еньш е 45 с.

Показатель ф и л ь т р а ц и и или вод оотдача (см3/3 0 мин). В промыс­ ловых условиях определяю т прибором ВМ -6. О бъем Дисперсионной фазы раствора Ф.!0, прош едш ий через ф и льтр в течение 30 мин при и з­ быточном давлении 0,1 МПа. П ри бурении в нормальны х условиях Ф 30 должен быть не больш е 25 см3. П ри проходке проницаемых песчаников, горизонтов с низким поровым давлением и продуктивных горизонтов Ф30 поддерживают на уровне 3— 6 см3.

Толщина глинистой корки (мм), образую щ ейся на стенке скважины . Измеряется толщина слоя глины, осевш ей на ф ильтре прибора ВМ-6.

Это свойство глинистых растворов проявляется в способности по­ кры вать стенки скваж ины тонкой коркой из слипш ихся глинистых ча­ стиц. М еханизм этого явления следую щ ий. М елкие частицы глины вме­ сте с водой проникаю т в трещ ины породы и забиваю т их живое сече­ ние, К акое-то врем я чистая вода отф ильтровы вается из раствора через поры и трещ ины в стенке скваж ины . При этом частицы глины оседают на стенке, образуя водонепроницаемую корку.

Если корка образована коллоидными частицами, то она тонкая, ус­ тойчивая и практически не ум еньш ает кольцевое пространство между стенкам и скваж ины и бурильны м и трубами . Если корка образована крупны ми частицам и при использовании некачественны х растворов, то она получается толстой и рыхлой. Т акая корка заметно суж ает кольце­ вое пространство, часто отры вается от стенок скваж ины , налипает на трубы и долото, образует так назы ваем ы е сальники и способствует при­ хватам бурильной колонны.

С т а т и ч е с к о е напряж ение сдвига г0 (Па) — характеризует прочность пространственной тиксотропной структуры . О пределяется с помощью прибора СНС-2. Принцип действия основан на изм ерении при трогании с места усилия, необходимого для приведения во вращ ение погружен­ ного в раствор цилиндра.

При напряж ении сдвига больш е значения СНС г0 происходит лави­ нообразное разруш ение структуры , что вы зы вает уменьш ение вязкос­ ти на несколько порядков. Явление тиксотропии услож няет изучение характеристик глинистых систем. Значения их СНС и вязкости опре­ деляю тся временем пребы вания растворов в покое и продолжительно­ стью их течения. Д ля приближ енной оценки тиксотропности растворов определяю т величину их СНС после одной минуты вы держ ки и после 10 минут вы держ ки в покое.

За счет наличия пространственной коагуляционной структуры гли­ нистые растворы способны удерж ивать частицы выбуренной породы во взвеш енном состоянии в период прекращ ения циркуляции. Этим свой­ ством обладаю т растворы , содерж ащ ие такое количество коллоидных

фракций, которое достаточно для образования тиксотропной структуры.

Для удовлетворительного выноса ш лам а на дневную поверхность ламинарны м потоком и предотвращ ения вы падения утяж елителя из бурового раствора достаточно им еть г0 = 1,5— 2,0 Па. При ликвидации поглощ ений бурового раствора значения СНС стараю тся увеличить, чтобы снизить глубину проникновения раствора в подсеченные сква­ жиной трещ ины (форм ула (4.61)).

Для удержания во взвеш енном состоянии сф ерических частиц вы ­ буренной породы диаметром d раствор долж ен иметь следую щ ее ми­ нимальное значение СНС:

где ри и рГ)р — плотность породы и бурового раствора, соответственно. Эта зависимость позволяет при известном значении СНС раствора на­ ходить максимальный диам етр вы буренны х тверды х частиц, которые могут находиться в растворе во взвеш енном состоянии.

С тр уктурн ая в я зк о с т ь (Па • с). В язкость при течении в области практически неразрушенной структуры . Буровой раствор, содерж ащ ий 10%бентонитовой глины, обладает большой структурной вязкостью — 10*5Па *с.

Динамическое напряж ение сдвига (Па). О пределяется в стационар­ ных условиях при помощи ротационны х вискозиметров.

Динамическая в я зк о с т ь // (Па • с). О пределяется в лабораторны х условиях на специальных вискозим етрах. Буровы е растворы на основе глин являются вязкопластичны ми ж идкостям и, течение которых опи­ сывается реологическим уравнением Бингама (4.11), которое представ­

где г и у — текущ ие значения н апряж ен ия сдвига и скорости сдвига, соответственно. П арам етры г0 и ц являю тся реологическими п а р а м е т ­ рами буровых растворов-

При напряжениях сдвига меньш их значений rQраствор ведет себя как твердое тело. Чтобы заставить раствор течь, нужно разруш и ть его структуру, приложив напряж ение г > г0. Буровой раствор на водной ос­ нове, содержащий 10% бентонитовой глины, обладает динамической вязкостью 10 мПа • с, то есть на порядок больш е вязкости воды.

Динамическая вязкость определяет энергозатраты , необходимые на поддержание течения (циркуляции) раствора в процессе бурения. Ко­ личество промывочного раствора, закачиваем ого в скваж ину в единицу времени, должно обеспечить полное удаление с забоя и вынос на повер­ хность всех выбуренны х частиц породы. Если скорость восходящ его потока промывочной ж идкости недостаточна, то частицы выбуренной породы накапливаются на забое, раствор недопустимо сгущ ается, в ре ­ зультате образуются сальники и происходит прихват колонны.

К онцентрация п о сто р о н н и х прим есей (%) — характери зует сте­ пень загрязнения раствора. О пределяю т с помощью м еталлического

отстойника ОМ -2. С одерж ание песка в буровом растворе не должно превы ш ать 1— 2%.

Водородный п о к азател ь pH. О пределяю т колориметрическим спосо­ бом (по окраске индикатора) либо электрическим способом. При pH < 7 ускоряется коррозия стальны х труб, а при pH >10 — коррозия труб из алю миниевы х сплавов.

Д ля обеспечения циркуляции бурового раствора по стволу скважи­ ны необходимо реали зовать более десятка операций: приготовить ра­ створ; утяж ел и ть; обработать реагентами; очистить от ш лам а и многое другое.

Технологическое оборудование для промывки скваж ин включает в себя три системы : приготовления и обработки раствора; очистки от ш лама и газа; циркуляции раствора. К аж д ая из этих систем включает в себя ряд единиц оборудования.

ния прибегаю т к ф изико-хим ической обработке глинисты х растворов. В этих целях прим еняю тся несколько сотен различны х реагентов. Все реагенты по влиянию на структурно-реологические свойства раство­ ров д елятся на три группы.

Р е а г е н т ы -с т а б и л и з а т о р ы (пептизаторы). П редставителям и этой группы являю тся щ елочны е соли лигносульфоновых и гуминовых кис­ лот, мыла нафтеновы х и сульф онаф теновы х кислот, танниды — дубиль­ ные экстракты в щ елочном растворе. Эти вещ ества пептизирую т агре­ гаты глин до первичных частиц и препятствую т их коагуляции. При этом сниж ается водоотдача растворов.

Р е а г е н т ы - с т р у к т у р о о б р а з о в а т е л и . К ним относятся кальцини­ рованная сода, едкий натр, силикат натрия (жидкое стекло) и некоторые ф осфаты . П рисутствие этих реагентов в малы х концентрациях (до 0,2%) сниж ает водоотдачу растворов и вязкость. П ри больш их количествах добавок происходит коагуляция и резкое загустевание раствора.

Р е а ге н ты -к о а гу л я то р ы . К этой группе относятся кислы е соли или кислоты (сульф аты натрия, кальция и др.).

Ингибирую щ ие добавки препятствую т набуханию и диспергирова­ нию содерж ащ ейся в растворах глины. И з таких добавок наибольшее распространение получили известь и гипс.

Известковы е ингибированные растворы представляю т собой слож­ ные системы, в которы е кроме воды и глины входят четы ре обязатель-

ных компонента: известь, каустик, реагент-понизитель вязкости и за ­ щитный реагент — понизитель показателя ф ильтрации. Помимо этого в составе бурового раствора могут быть специальны е добавки (нефть, утяжелитель и др.). И звесть добавляется в количестве до 1,5 % и дей ­ ствует непосредственно на глину. П рисутствие щ елочи в известковом растворе активизирует процессы, усиливая действие реагентов.

В гипсовых растворах для регулирования вязкости и водоотдачи ис­ пользуют хромлигносульфаты и карбоксиметилцеллюлозу. Гипсовые ра­ створы отличаются высокой термостойкостью и применяются при разбу­ ривании неустойчивых глинистых отложений при температуре до 180 °С.

Для разбуривания пластов, насы щ енны х высокоминерализованны ­ ми водами, а такж е интервалов, слож енны х солями, использую т насы ­ щенные солью глинистые растворы .

Для предупреж дения сероводородной агрессии в процессе бурения используют реагенты на основе окислов ж елеза.

С целью минимизации расходования м атериалов и химических р е ­ агентов на приготовление и регулирование показателей растворов ис­ пользуют полим ерны е реаген т ы . В полимерглинистых растворах со­ держание глины м ож ет быть незначительны м и составлять 5 %. П оли­ меры, применяемые для приготовления и обработки буровых растворов, относятся к полиэлектролитам , имею щ им различны е функциональны е группы. Это различны е м одиф икации целлю лозы , производные акр и ­ ловых полимеров, биополимеры, сополимеры.

Важнейшим свойством полимеров является селективное ф локкули ­ рующее действие по отнош ению к дисперсной ф азе, в частности, по от­ ношению к выбуренной породе. Помимо названны х, к положительным свойствам полимерглинисты х растворов относятся: см азы ваю щ ая и ингибирующая способности, а т а к ж е возм ож ность регу л и ро ван и я фильтрационных свойств. П олимеры вы пускаю тся в виде геля, порош ­ ка и жидкости. На буровой заблаговременно готовят водный раствор полимера, используя для этого цементировочный агрегат.

6.3. Б У Р О В Ы Е Р А С Т В О Р Ы Н А Н Е Ф Т Я Н О Й О С Н О В Е

К этому типу растворов относятся многофазные системы, в которых дисперсионной средой являю тся неф тепродукты , а дисперс­ ной фазой — битумы, тверды е дисперсны е наполнители, эмульгирован­ ная вода. В растворах на неф тяной основе (РНО) содерж ание эм ульги­ рованной воды м ож ет доходить до 95 %.

Растворы на неф тяной основе не сниж аю т продуктивность пластов, обеспечиваю т возмож ность бурения в неустойчивы х породах, предот­ вращ аю т прихваты инструм ента и сниж аю т возм ож ность аварий. К не­ достаткам РНО можно отнести: невозмож ность проведения электрока­ ротаж а; слож ность приготовления и регулирования структурно-реоло­ гических свойств; отрицательное влияние на резиновы е детали.

Эмульсионные гли н и сты е р а с т в о р а отличаю тся от обычных присут­ ствием компонента в виде мельчайш их капелек нефтепродукта. Для предот^р^щ ения слияния капелек (коалесценции) использую тся эмульга торы: крахмал, бентонит, лигниты, соли высш их ж ирны х кислот, натрие­ вая КМЦ. В зависимости от заданны х параметров количество нефтяного

компонента в эмульсионном растворе м ож ет колебаться от 8 до 50 % Д ля вскры ти я п родуктивны х пластов прим еняю т промывочные

ж и д к о с т и на неводной основе, в которы х дисперсионной средой яв­ ляю тся продукты неф ти. Н еф тян ы е растворы имею т в своем составе от Ю до 25 % битума, до 1,5 % едкого натра, 1,5 % воды. Остальное — дистиллятны й неф тепродукт или дизельное топливо, стабилизирован­ ное натриевы м мылом окисленного п араф ина или натриевы м мылом окисленного петролатум а. Добавление в систему органических кислот р азж и ж ает раствор, а добавление щ елочи увеличивает вязкость.

Процесс приготовления раствора заклю чается в растворении биту­ ма и стабилизатора в дисперсионной среде. Д л я эмульгирования вво­ димых в глинистый раствор неф тяны х компонентов применяю тся дис­ пергаторы различны х конструкций. Обыкновенный РНО имеет плот­ ность около 900 к г /м 3, при утяж елен и и раствор м ож ет быть доведен до плотности 2500 к г/м 3. В процессе бурения следует проявлять осторож­ ность в связи с легкой воспламеняемостью неф тяной основы раствора.

ем Целостности ствола скваж ины и неф тегазопроявлениям и иногда при­ ходится повы ш ать плотность раствора до 2400 к г /м 3. П олучить такую плотность только за счет увеличения концентрации глин в промывоч­ ной ж идкости невозможно. Д ля этой цели в буровы е растворы вводятся инертны е порош кообразные м атериалы , получивш ие название утяж е- лит^ели.

У тяж елители низкой плотности (мел, известняк, мергели и др.) спо­ собны довести плотность раствора до 1700 к г/м 3. Собственная плотность

названных м атериалов относительно низкая, поэтому их приходится вводить в буровые растворы в больш их количествах, что сниж ает эф ­ фективность бурения. Более эф ф ективны м и утяж ели телям и являю т­ ся барит, магнетит, гем атит и др., имею щ ие собственную плотность 4400—5300 к г/м 3. Н априм ер, если к объему глинистого раствора 40 м3 плотностью 1240 к г /м 3 добавить 6000 кг барита, то плотность раствора увеличится до 1340 к г /м 3. Н аилучш им из утяж ели телей явл яется ба­ рит, поскольку он не обладает высокой абразивностью .

В отдельных случаях возникает потребность использовать у тя ж е ­ лители более высокой плотности. Н апример, для предотвращ ения су ­ жения ствола скваж ины в пластичны х горных породах. В таких случа­ ях используют у тяж ели тели ф ерросилиций, ф ерром арганец, свинцо­ вый сурик, имеющие собственную плотность более 6000 к г/м 3.

Перед утяж елением условная вязкость раствора должна быть не ме­ нее 24 с, значение СНС — не менее 4 Па, а водоотдача — не более 10 см3 за 30 мин.

Введение утяж ел и тел я повы ш ает вязкость бурового раствора, по­ этому утяжеленный раствор дополнительно разбавляю т водой. При этом во избежание повыш ения п оказателя ф ильтрации раствора его обра­ батывают реагентом -понизителем водоотдачи.

Перед вступлением в зону ослож нений на буровой установке дол­ жен быть запас у тяж ел и тел я и химических реагентов в необходимых объемах.

6.5.БУРЕНИЕ С ОЧИСТКОЙ ЗА БО Я ВОДОЙ

Воду можно использовать в качестве промывочной ж идко­ сти, если разбуриваем ая порода устойчива по отношению к разм ы ваю ­ щему действию потока. П ри этом нужно создавать высокие скорости восходящего потока воды в затрубном пространстве. С ледует прини­ мать во внимание больш ие значения расхода воды на один метр про­ ходки — по отдельным скваж инам удельны й расход воды м ож ет состав­ лять 10 м3/м . Б урение с промывкой водой необходимо вести при одно­ временной работе не менее чем двух насосов, обеспечиваю щ их подачу 55—60 л/с.

«Бурение на воде» им еет следую щ ие преимущ ества: увеличивает­ ся производительность буровы х насосов и мощность на долоте; улуч ­ шается работа насосов и гидравлических забойных двигателей.

Недостатком использования воды является ее непригодность для вскрытия продуктивных горизонтов. Проникая в нефтяные пласты, вода затрудняет их последующее освоение. Для снижения вредного влияния воды на продуктивный пласт в воду вводят ПАВ, которые снижают по­ верхностное натяжение, отчего капли воды диспергируются и в после­ дующем легко вытесняются из призабойной зоны. Интервалы бурения с промывкой водой указываются в геолого-техническом наряде (ГТН).

Переход с промывки водой на промывку глинистым раствором осу­ ществляется постепенно посредством равномерного добавления в про­ мывочную жидкость глинистого раствора без прекращ ения бурения. Постепенный переход на глинистый раствор мож ет занять до 4 суток. С переходом на глинистый раствор снижаются механическая скорость

ипроходка на долото по сравнению с бурением на воде.

6.6.БУРЕНИЕ С ОЧИСТКОЙ ЗАБОЯ ВОЗДУХОМ

Впрактике бурения часто применяют «газообразный цир­ кулирующий агент». Чаще всего в качестве циркулирующ его агента выступает воздух, который подается в скважину от установленных на поверхности компрессоров.

При бурении скважин с очисткой забоя воздухом или газом увели­ чивается механическая скорость проходки, отсутствует гидростатичес­ кое давление на забой и фильтрационная глинистая корка, а такж е без осложнений проходятся поглощающие горизонты и зоны нарушений.

Кпреимуществам использования воздуха можно отнести увеличение отдачи продуктивных пластов и снижение стоимости бурения.

Недостатками этого вида бурения является образование пульпы при разбуривании мягких водонасыщенных пород, невозможность проти­ востоять пластовому давлению и обрушению стенок скважины. Кроме того, сжатый воздух в смеси с природным газом образует гремучие и легковоспламеняющиеся смеси.

Наиболее эффективно бурение с очисткой забоя воздухом или га­ зом неглубоких скважин, сухих разрезов, а такж е бурение в зонах по­ глощений или катастрофических уходов промывочной жидкости. Этот метод рационально использовать при вскрытии продуктивных горизон­ тов и бурении вечномерзлых пород.

Бурение с газообразным агентом не требует существенного измене­ ния монтажной схемы наземного оборудования. Требуется лишь гер-