Буровой раствор как ндс
Буровой раствор – сложная полидисперсная система, обладающая тиксотропной структурой, особенности которой обуславливают его технологические свойства, главные из которых – структурно-механические и фильтрационные. Управление этими свойствами в основном сводится к изменению физико-химического состояния бурового раствора.
Развитие науки о буровых растворах последовательно отражает постановку и решение наиболее существенных проблем, выдвигаемых практикой бурения. В начале решалась главным образом задача обеспечения устойчивости стенок скважины, что послужило основанием разработки систем бурового раствора как дисперсной системы, в результате чего были созданы ингибированные (соле-, термостойкие и термосолестойкие) буровые растворы. С целью управления процессом взаимодействия раствора со стенкой скважины и шламом, были разработаны ингибирующие и недиспергирующие системы требуемой термостойкости, работающих при температурах свыше 1500С. Практически важные выводы получены при изучении механизмов массопереноса между скважиной и пластом. При положительном перепаде давления, приводящем к кольматации стенок скважины и отфильтровыванию в пласты дисперсионной среды бурового раствора, всегда наблюдаются осложнения в виде прихватов инструмента осыпания и кавернообразования. Применение ингибированных буровых растворов позволило предотвращать осложнения, связанные с нарушением устойчивости стенок скважины.
Буровой раствор – важнейший элемент технологии бурения, в значительной мере определяющий стоимость, технико-экономические показатели и качество строительства скважин. Однако главное – то, что его свойства и режимы течения являются основными управляющими факторами в процессе бурения скважин.
Современный роторный и турбинный способы бурения предполагают циркуляцию бурового раствора в скважине. По технологической необходимости или организационным причинам циркуляция может прерываться, в результате чего раствор остается в покое и должен за весь этот период сохранять свои реологические свойства.
Поэтому к буровым растворам предъявляют ряд требований, обуславливающих как их качество, так и функциональное назначение.
Буровой раствор должен выполнять следующие основные функции:
1) быть экологически безопасным, устойчивым к воздействию электролитов, кислых газов, высокой температуры и давления; иметь стабильные во времени свойства; противостоять переходу выбуренной породы ( растворение, диспергирование ) в его состав и удерживать во взвешенном состоянии породу;
2) предупреждать осложнения в необсаженном стволе скважины;
3) обеспечить качественное вскрытие продуктивных пластов;
4) создавать благоприятные условия для разрушения забоя долотом;
5) выносить шлам на поверхность, освобождаясь от него на очистных устройствах;
6) передавать гидравлическую мощность забойным двигателям;
7) облегчать спуско-подъемные операции;
8) обеспечить возможность проведения геофизических исследований.
В процессе бурения раствор подвергается влиянию различных факторов. Наибольшее влияние оказывают дисперсные породы, такие как глинистые, которые, активно взаимодействуя с дисперсионной средой бурового раствора, диспергируются в нем, повышая концентрацию твердой фазы и, как следствие, структурно-механические показатели. В свою очередь, фильтрат бурового раствора, проникая в глинистые породы, слагающие стенки скважины, обусловливает их набухание и потерю устойчивости.
Именно поэтому циркуляционную систему скважины можно рассматривать или использовать как реактор для протекания физико-химических процессов в буровом растворе.
Кроме того, «идеальный» буровой раствор, кроме отмеченных выше требований, должен быть термо-, баро- и солеустойчивым в широком диапазоне высоких температур, давлений и минерализации; инертным по отношению к разбуриваемым породам, препятствуя накоплению последних в нем; предельно диспергированным; приемлемым по составу дисперсионной среды для проведения геофизических исследований экологически безвредным.
В состав бурового раствора целесообразно включать минимум компонентов, эффективность которых обеспечивается при малых концентрациях в течение длительного срока, а технология его приготовления должна быть энергосберегающей.
Исследование закономерностей образования и деформирования дисперсных систем, а также управления ими является предметом новой области знания – физико-химической механики, созданной трудами акад. П.А.Рединбера и его школы. 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
(глина, утяжелитель, наполнитель, нефтепродукты );
-Энергию взаимодействия частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой;
-Энергию взаимодействия (тип контактных взаимодействий) частиц дисперсной фазы, образующих пространственную решетку коагуляционно-тиксотропных структур );
-Тип сопряженной пространственной коагуляционно-тиксотропной структуры.
Задача технолога- управлять этим состоянием с учетом режимов и условий течения в скважине, не допуская чрезмерного загустевания или потери стабильности в результате коагуляционного разжижения. Низкое качество буровых растворов как структурированных дисперсий или неконтролируемое изменение их структурно-механических и фильтрационных свойств под воздействии внешних факторов обусловливает ухудшение технико-экономических показателей бурения, крепления и вскрытия скважин, а также возникновения различных осложнений.
Структурно-механические и фильтрационные свойства буровых растворов – не только главные характеристики их технологического качества, но и отражают коллоидно-химическое состояние этих дисперсий. Показатели этих свойств являются интегральными характеристиками происходящих в них коллоидно-химических процессов. На их регулирование ( исключая затраты на утяжелитель ) используют основную массу реагентов и материалов.
По П.А.Рединберу, факторы устойчивости диперсий, препятствующие сближению частиц, в порядке возрастания эффективности следующие:
1) наличие двойного электрического слоя;
2) возникновение на поверхности частиц стабилизирующей адсорбционной пленки ПАВ, являющейся структурно-механическим барьером между частицами (характерно для буровых растворов ).
В буровых растворах, представляющих собой многокомпанентные фазово-неоднородные системы, весьма часто возникают, как показал Н.Н.Круглицкий, сопряженные структуры. Причиной этого могут быть шихтование глин, введение новой высокодисперсной фазы, например утяжелителя, образование такой фазы в самой системе, добавление высокомолекулярных реагентов типа КМЦ, акриловых полимеров, растворы которых обладают свойствами неньютоновских жидкостей.
К числу основных факторов, определяющих состояние бурового раствора и практически влияющих на его технологические свойства, следует отнести содержание и характеристики глин и утяжелителей.
Глина – основной структуро- и коркообразующий компонент бурового раствора. Суспензия глины может рассматриваться как буровой раствор для неосложненного бурения или как основа приготовления более сложных систем.
Особенности структурообразования в растворах в основном зависят от кристаллохимического строения глинистых минералов и определяются их важнейшими коллоидно-химическими свойствами: дисперсностью, гидрофильностью, сорбционной активностью, ионообменной способностью, набуханием и т.п.