Основы выбора очистного агента

Обоснованное применение того или иного вида очистного агента при бурении всей скважины или ее отдельных интервалов имеет весьма важное, а иногда и решающее, значение для успешного бурения скважины.

Детально вопросы выбора вида очистного агента, выбора и регулирования параметров его свойств, изучаются в специальном курсе "Очистные агенты" и изложены в специальной литературе. В данной работе рассмотрены только общие принципы выбора очистного агента и его главных свойств, необходимые при проектировании бурения скважины.

Выбор очистного агента, прежде всего, зависит от его способности успешно решать задачи обеспечения эффективного бурения всех интервалов скважины с учетом состояния и свойств пород и особенностей технологии бурения.

При бурении разведочных скважин очистной агент должен решать ряд главных и ряд дополнительных задач.

. Правильный выбор очистного агента и его свойств для конкретных геолого-технологических условий бурения играет важную роль в оптимизации процесса бурения скважины.

Очистной агент выполняет целый ряд важных функций при бурении:

Главные задачи:

1). Всегда обязательные, крайне важные.

- Очистка забоя (своевременное и достаточное удаление с забоя частиц разрушенной породы).

- Охлаждение породоразрушающего инструмента (П.Р.И.).

2). Всегда нужные, но могут быть исключения.

- Удаление разрушенной породы (шлама) из ствола скважины. Исключения связаны с вынужденным ограничением расхода очистного агента, когда шлам приходится собирать в шламовую трубу

- Удержание частиц разрушенной породы во взвешенном состоянии при остановке циркуляции.

3). Весьма нужные при бурении в твердых породах.

- Снижение трения между буровым снарядом и стенками скважины за счет смазывающих свойств, для возможности высокооборотного бурения и борьбы с вибрацией.

- Понижение твердости пород на забое за счет усиления усталостного разрушения породы.

4). Необходимые и весьма важные при наличии геологических осложнений.

- Ликвидация или снижение поглощения промывочной жидкости,

- Закрепление стенок скважины в неустойчивых породах.

- Предотвращение водо-нефте-газопроявлений в скважине при встрече пластов с повышенным давлением.

- Предотвращение растворения и расплавления пород на стенках скважины и керна в соответствующих породах.

5). Необходимые для использования энергии потока очистного агента.

- Гидравлической энергии при гидромониторном бурении и при использовании гидромониторного эффекта при бурении специальными головками и долотами.

- Гидравлической энергии при бурении гидроударниками.

- Пневматической энергии при бурении пневмоударниками.

- Для работы забойного гидравлического двигателя.

В твердых устойчивых породах при алмазном бурении на первое место среди дополнительных задач выходит снижение трения - т.е.

- смазывающие свойства очистного агента.

Большое значение имеет здесь также свойство очистного агента

- понижать твердость горной породы на забое скважины.

В скальных неустойчивых, трещиноватых, разрушенных, а также в рыхлых, размываемых, пористых, разбухающих, растворимых породах на первое место выходят задачи

- закрепления стенок скважины,

- предотвращения поглощения,

- реакция на водо или газопроявления, разбухания, осыпания, обрушения стенок скважины, желобообразования и других осложнений в скважине.

Буровые очистные агенты различаются на виды, прежде всего по фазовому составу, и более детально на подвиды по составу, дополнительным свойствам и их параметрам. Основные виды очистных агентов приведены на рисунке 14

Рис. 14

Очистной агент выбирается либо для всей скважины, либо для отдельных интервалов в зависимости от состояния и вида буримых пород.

В первую очередь выбирается очистной агент по фазовому составу для всей скважины или для отдельных интервалов.

Газообразный очистной агент для разведочного бурения это воздух, (природный газ и нейтральные газы используются при вскрытии газовых месторождений) – он имеет ряд существенных достоинств, но и, не менее существенные, недостатки.

Достоинства воздуха в качестве очистного агента - его доступность, бесплатность, повышение скорости бурения за счет снижения гидростатического давления на забое скважины и за счет лучшей очистки забоя. Наиболее высока эффективность продувки при бурении в многолетнемерзлых породах, при бурении в суровых зимних условиях, в безводных районах.

Эффективность продувки повышается при бурении с использованием пневмоударников.

Недостатки использования воздуха - возникновение осложнений при водопроявлениях в скважине (налипание сальников из разрушенной породы, образование пробок, недостаток давления для преодоления столба жидкости). Эти осложнения сводят на нет все достоинства воздуха и делают нецелесообразным его применение при существенных водопроявлениях в скважине. Другой недостаток - ограниченная глубина скважин при бурении с продувкой при использовании легких компрессорных установок, ранее применяемых в геологоразведке. Развиваемого ими давления достаточно для бурения с продувкой до глубины 500-700 м, а при бурении с пневмоударниками до 300 - 400 м. При использовании современных более мощных компрессоров, развивающих давление до 2,5 МПа, возможности бурения с продувкой значительно расширяются.

Кроме того к недостаткам относятся:

- при бурении с продувкой отсутствует смазывающее действие очистного агента, что приводит к повышенному износу бурильных труб и повышенным затратам мощности на вращение бурового снаряда;

- отсутствует противодавление на стенки скважины, что может приводить к обвалам при бурении в неустойчивых породах;

- в случае остановки циркуляции, поднимаемый восходящим потоком шлам, будет оседать на колонковый набор или забойную компановку, что может приводить к прихвату.

Рациональные области применения воздуха в качестве очистного агента - бурение в районах крайнего севера, в многолетнемерзлых породах и в сухих разрезах, особенно в безводных районах.

Охлаждающая способность воздуха вполне достаточна при бескерновом и твердосплавном бурении, но при высокооборотном алмазном бурении требуется специальная конструкция коронок.

Газожидкостные смеси (ГЖС) представлены пеной (ρ = 0,01 - 0,1) и аэрированной жидкостью (ρ =0,6-0,9).

Пена в качестве очистного агента обладает практически всеми достоинствами воздуха, но имеет меньше недостатков. Применение пены возможно в разрезах с небольшими водопритоками. Лучшая охлаждающая способность пены позволяет эффективно использовать ее при алмазном бурении, тем более что пена обладает смазывающими свойствами. При остановке циркуляции (отличие от воздуха) пена удерживает во взвешенном состоянии частицы шлама, предотвращая аварийную ситуацию при оседании шлама на колонковый набор. Применение пены не имеет ограничений по глубине. Использование пены улучшает работу пневмоударников.

Недостатки в применении пены - малое гидростатическое давление на стенки скважины и возможность обвалов в неустойчивых породах, и необходимость в довольно сложном дополнительном оборудовании (насос, компрессор, дожимное устройство оборудование для разрушения пены на поверхности).

Достоинства применения пены более существенны, чем недостатки и это определяет широкое применение и особенно перспективы дальнейшего расширения применения пены в качестве очистного агента.

Применение пены неэффективно при бурении в мягких, рыхлых породах и практически невозможно при больших водопроявлениях в скважине. В остальных случаях вопрос о применении пены или других очистных агентов решается анализом конкретных условий.

Аэрированная жидкость (пузырьки воздуха в воде) с учетом сложности приготовления, используется в качестве очистного агента крайне редко, практически только для конкретного случая борьбы с поглощением промывочной жидкости, при достаточно высоком (20 - 50 м от поверхности) уровне пластовых вод. В этом случае за счет снижения плотности промывочной (аэрированной) жидкости можно достичь равновесия гидростатического давления столба жидкости в скважине и пластового давления и ликвидировать поглощение.

Промывочные жидкости. Разновидности жидкого очистного агента выбираются для каждого интервала бурения скважины в зависимости от характеристики горных пород, наличия осложнений, вида бурения и особенности задач, решаемых промывочной жидкостью.

Вода - наиболее дешевая, доступная и простая в использовании промывочная жидкость, Она успешно решает первые три задачи очистного агента - очистка забоя, вынос шлама и охлаждение породоразрушающего инструмента. Вода обеспечивает гидростатическое давление на стенки скважины.

Недостатки воды, как очистного агента - максимальное размывающее, растворяющее воздействие на породы стенок скважины и керн, проникновение в поры и трещины и, тем самым, ослабление стенок скважины, способствование разбуханию глинистых игидрофильных пород. При наличии каналов в породах вода легко поглощается в стенки скважины. Вода имеет минимальные смазывающие свойства. При остановке циркуляции вода не удерживает частицы шлама во взвешенном состоянии, и они оседают, вызывая прихват колонкового набора. При отрицательных температурах вода, замерзает и не может использоваться в многолетнемерзлых породах без добавления солей.

Применение воды в качестве очистного агента целесообразно при бурении в скальных устойчивых породах средней твердости при полном отсутствии каких-либо осложнений, в основном для твердосплавного и бескернового бурения. (Использование воды при бурении в глинистых и некоторых других породах, в которых при взаимодействии воды с частицами разрушенной породы в скважине образуется структурная жидкость, относится к "растворам на основе выбуренных пород").

Эмульсионные и полимерные промывочные жидкости представляют собой воду, в которой распределены капельки эмульсионной фазы (масла) или растворены полимерные реагенты. В отличие от воды - они имеют дополнительные свойства: смазывающие, понижение твердости пород, образование защитных пленок на стенках скважины, антивибрационное действие, снижение гидравлических сопротивлений. Поскольку эмульсионные, полимерные и эмульсионно-полимерные жидкости представлены большим разнообразием составов, некоторые из них обладают дополнительными положительными свойствами (закрепление стенок, снижение поглощения, улучшение очистки скважины и другие). Большим достоинством этих жидкостей является очень небольшая потребная концентрация эмульсола или полимера - от 1-2 до 5 %, что обеспечивает невысокую стоимость и удобство доставки и применения. Главная область применения эмульсионных и полимерных жидкостей - это твердые скальные породы (алмазное бурение и шарошечные долота), особенно при бурении снарядами со съемными керноприемниками (ССК), гидроударниками, забойными двигателями. Некоторые полимерные жидкости (водогипановая, обладающая закрепляющими свойствами) применяются при бурении в рыхлых неустойчивых породах.

Широкое применение получили комбинированные малоглинистые жидкости с добавкой полимеров.

Выбор вида, состава и концентрации эмульсионной и полимерной жидкости зависит от конкретных условий бурения с учетом организационных и экологических факторов.

Структурные промывочные жидкости имеют наибольшее распространение при бурении в сложных геологических условиях. Структурные жидкости – дисперсные системы, когда в жидкой среде распределены частицы твердой фазы, способные сцепляться и создавать структуру. Структурные жидкости используются в тех случаях, когда кроме трех основных задач, при бурении требуется решение дополнительных задач, связанных с преодолением геологических осложнений (обрушение, обвалы, разбухание, оплывание и осыпание стенок скважины, поглощение промывочной жидкости, водо и газопроявления и другие).

По составу твердой фазы структурные жидкости разделяются на глинистые (большинство), меловые, сапропелевые и на основе выбуренных пород.

Все разновидности этих жидкостей имеют сходные свойства, и их выбор для конкретных условий определяется наличием исходного материала, возможностями химобработки и некоторыми особенностями буримых пород. Свойства структурных жидкостей регулируются качеством исходного сырья, но главным образом, путем добавления различных химреагентов. Выбор разновидности структурной жидкости и параметров её свойств: плотность, вязкость, водоотдача, статическое напряжение сдвига, стабильность, содержание песка, а также рецептуры и технологии обработки исходной жидкости химреагентами, определяется с учетом всей совокупности геологических, технологических и экономических факторов и является одной из наиболее ответственных задач технологии бурения. Эти вопросы подробно рассматривается в отдельном курсе «Очистные агенты".

Водные солевые растворы применяются главным образом в двух случаях: слабые растворы Nасℓ, Сасℓ до 15-20% используются в многолетнемерзлых породах или в суровых зимних условиях для снижения температуры замерзания. Насыщенные растворы солей Nа, К, Mg используются при бурении солевых отложений.

При проектировании бурения скважины, кроме выбора вида и свойств очистного агента, решаются задачи приготовления промывочной жидкости или пены и технологии обработки жидкости химреагентами - централизованное на глиностанциях, или непосредственно на буровой. Производится выбор технических средств для приготовления очистного агента, способы и средства доставки промывочных жидкостей на буровую, определяется потребное количество промывочных жидкостей для бурения всей скважины и соответственно количество исходного сырья и химреагентов. Кроме того, при проектировании бурения определяется система очистки выходящего из скважины очистного агента от разрушенной породы, а при бурении с пеной - система разрушения пены на поверхности.