Буровые скважины

* Для бурения из подземных  горных выработок.

 

4.ПРОМЫВКА И ПРОДУВКА БУРОВЫХ  СКВАЖИН

 

4.1.Промывка скважин

 

Колонковое бурение производится с промывкой скважины. Основным назначением промывки является:

1. Очистка забоя скважины от разбуренной породы и вынос ее на поверхность.
2. Охлаждение породоразрушающего инструмента.
3. Укрепление стенок скважины от обрушения

Существует три способа промывки скважин: с выходом промывочной жидкости на поверхность земли: прямая, обратная и комбинированная.

Прямая промывка (рис. 3.2.), когда промывочная жидкость, нагнетаемая насосом, проходит по колонне бурильных труб, затем (при бурении кольцевым забоем) между керном и колонковой трубой омывает забой, охлаждает породоразрушающий инструмент, захватывает с забоя частицы разрушенной породы, поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины и, наконец, выходит на поверхность.

Достоинства прямой промывки: 1) буровой раствор, выходя из суженных промывочных отверстий коронки приобретает большую скорость и с силой ударяет о забой, размывая разбуриваемую породу, что способствует увеличению скорости бурения; 2) применяя специальные промывочные жидкости при бурении в сыпучих, рыхлых и трещиноватых породах обеспечивает закрепление стенок скважины путем скрепления частиц неустойчивой породы.

Недостатки прямой промывки: 1) возможен размыв стенок скважины при бурении в мягких породах вследствие большой скорости восходящего потока; 2) пониженный процент выхода керна в результате динамического воздействия струи на верхний торец керна, что приводит к его размыву; 3) при бурении скважин большого диаметра повышенный расход промывочной жидкости, необходимый для создания такой скорости восходящего потока, при которой все разбуренные частицы породы будут выноситься на поверхность. Прямая промывка имеет преимущественное применение в практике разведочного бурения.

Обратная промывка, когда промывочная жидкость движется к забою по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины, омывает забой, входит в отверстия породоразрушающего инструмента, при наличии керна проходит пo кольцевому зазору между керном и колонковой трубой, проходит по внутреннему каналу бурильной колонны и, обогащенная шламом, выходит на поверхность земли.

Достоинства обратной промывки: интенсивная очистка забоя от частиц разрушенной породы и возможность гидравлического транспорта кернов через бурильные трубы на поверхность. Основной недостаток обратной промывки — невозможность обеспечения нормального процесса бурения при наличии в разрезе поглощающих горизонтов, в которых теряется полностью или частично промывочная жидкость. В связи с более сложной организацией обратной промывки она имеет ограниченное применение.

Комбинированная промывка, когда движение промывочной жидкости над колонковой трубой осуществляется по схеме прямой промывки, а ниже с помощью специальных устройств по схеме обратной промывки. Техническое исполнение комбинированной промывки связано с применением устройств, преобразующих прямую промывку в обратную в призабойной зоне. Комбинированная промывка применяется с целью повышения выхода керна.

 

4.2.Основные типы промывочной  жидкости и условия применения

 

1. Техническая вода (пресная, морская, рассолы) применяется при бурении  в устойчивых породах.

2. Глинистые растворы применяются  в трещиноватых, рыхлых сыпучих, плывучих и других слабоустойчивых  породах для предотвращения обвалов, а также в трещиноватых скальных  породах для борьбы с потерей  циркуляции.

Кроме того, при бурении в особо сложных и специфических условиях применяют более сложные растворы с специальными добавками.:

1. Для приготовления легких химически аэрированных буровых растворов применяют глинопорошки, поверхностно-активные вещества (0,1—0,2%), реагенты-структурообразователи (каустическая сода 0,1—0,2%) или кальцинированная сода (0,5—2,5%).

2. Утяжеленные глинистые растворы  применяются при вскрытии пластов  с большим пластовым давлением  для предупреждения выбросов  из устья скважины фонтанной  воды, нефти или газа. Для изготовления утяжеленного глинистого раствора к нему добавляют инертный порошкообразный материал — утяжелитель, изготовленный из тяжелых минералов: - барита (BaSO4); гематита (Fe2O3) и др.. После задавливания фонтана под действием гидростатического давления утяжеленного раствора, над устьем скважины устанавливают противовыбросную арматуру, промывают скважину облегченным аэрированным глинистым раствором или технической водой, удаляют утяжеленный раствор и фонтанирование скважины восстанавливается.

3. Эмульсионные буровые растворы. Эмульсией называется система, состоящая  из двух (или нескольких) взаимно  нерастворимых жидких фаз, одна  из которых диспергирована в  другой. Различают два типа эмульсии. Эмульсии первого рода — «масло в воде» (М/В), когда масло в водной среде находится в виде мельчайших шариков.

Эмульсии второго рода, называемые инвертными или обратными, — «вода в масле» (В/М), когда вода в виде мельчайших шариков распределена в масле. Для придания эмульсии устойчивости применяют специальные реагенты — эмульгаторы. Эмульсионные растворы первого рода нашли широкое применение при алмазном высокоскоростном бурении с целью гашения вибрации и снижения мощности на вращение бурильной колонны.

4. Растворы на нефтяной основе (РНО), применяют для вскрытия  нефтяных и газовых пластов  для сохранения их естественной  проницаемости. Эти растворы сложны  по своему составу, более дорогие, чем буровые растворы на водной  основе.

5. Термостойкие промывочные жидкости

 

4.3.Назначение глинистых  растворов и их свойства

 

Глинистые растворы имеют следующие назначения: 1) глинизация стенок скважин; 2) удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции; 3) создание повышенного противодавления на пласт; 4) облегчение транспортирования по стволу; 5) предохранение бурового инструмента от коррозии благодаря тонкой глинистой корке, покрывающей поверхность инструмента.

По размерам диспергированных (раздробленных) частиц различают два вида жидких дисперсных систем: 1) коллоидные растворы и 2) суспензии.

Коллоидные частицы в жидком растворителе (например, воде) под действием силы тяжести практически не оседают. Суспензией называется взвесь, т. е. дисперсная система, состоящая из двух фаз — жидкой и твердой, в которой мелкие твердые частицы размером от 0,1 до 10 мкм и более взвешены в жидкости. С течением времени, под действием силы тяжести, взвешенные частицы осаждаются на дно сосуда.

Глина это дисперсная система, состоящая из воды и взвешенных в них частичек размером от коллоидных до частиц суспензий. Количество коллоидных частиц в глинистом растворе зависит от сорта глины и от способа его приготовления. Чем больше коллоидных частиц в растворе, тем лучше его качество. В нормальном глинистом растворе суммарная поверхность коллоидных частиц вследствие малых размеров и большого их количества превосходит суммарную поверхность частиц суспензий. Поэтому глинистый раствор есть коллоидно-суспензионная система, которая имеет свойства коллоидного раствора.

В глинистом растворе коллоидные частицы заряжены отрицательными электрическими зарядами, а ионы воды, положительными зарядами. Частицы глины как заряженные одноименным электричеством отталкиваются друг от друга. Вследствие весьма малых размеров и массы коллоидных частиц превалирующее значение для них имеет действие сил электрических зарядов, а не сила тяжести. Отталкивание коллоидных частиц, заряженных одноименным электричеством, способствует нахождению частиц во взвешенном состоянии.

Глинистые растворы являются гидрофильными коллоидными растворами, в которых частицы глины смачиваются водой. Явление смачиваемости частиц глины водой объясняется тем, что силы притяжения между молекулами глины и воды значительно больше, чем между молекулами воды, Воду, входящую в состав глинистого раствора, можно разделить на адсорбированную и свободную.

Адсорбированная вода связана с частицами глины силами притяжения, образует вокруг них гидратные оболочки и по своим свойствам значительно отличается от обычной воды (например, имеет большую плотность, большую вязкость и пр.).

Свободная вода в глинистом растворе является дисперсионной средой, в которой находятся глинистые частицы с адсорбированной водной оболочкой. Практическое значение смачиваемости состоит в том, что при столкновении частиц с гидратными оболочками они не слипаются. Между частицами остается прослойка молекул свободной воды. Смачиваемость частиц обеспечивает устойчивость глинистых растворов, состоящих из хорошо смачивающихся коллоидных частиц.

Стабильностью называют свойство коллоидных частиц, находящихся в коллоидном растворе во взвешенном состоянии. Стабильность обеспечивается: 1) высокой степенью дисперсности частиц и, следовательно, их весьма малой массой; 2) наличием у коллоидных частиц одноименных электрических зарядов, вызывающих взаимное отталкивание; 3) гидрофильностью коллоидов, т. е. наличием вокруг коллоидных частиц уплотненных гидратных оболочек, которые предохраняют частицы от слипания и последующего оседания. Поэтому глинистый раствор в течение долгого времени сохраняется в жидком состоянии и способен перекачиваться насосом.

Структурообразованием называется способность глинистых растворов, находящихся в покое, образовывать внутри себя структуру. Причина образования структуры и ее последующего роста в глинистом растворе состоит в том, что глинистые частицы имеют форму тонких пластинок, которые несут электрический заряд по своей широкой боковой поверхности и поэтому поверхность хорошо смачивается водой. По толщине контура эти пластинки имеют слабый электрический заряд или он отсутствует. Поэтому по тонким контурным поверхностям частицы плохо смачиваются водой. Столкновение отдельных коллоидных частиц с плохо смоченными поверхностями приводит к их слипанию. С течением времени число слипшихся частиц увеличивается и в растворе образуется пространственный решетчатый каркас из коллоидных частиц, слипшихся тонкими боковыми поверхностями. Вода остается в ячейках этой сетки и не может свободно перемещаться. Раствор становится густым, похожим на студень или гель.

При встряхивании или перемешивании загустевшего глинистого раствора структура его разрушается и глинистый раствор приобретает свойства жидкого раствора.

Тиксотропией называется свойство глинистого раствора загустевать при стоянии и разжижаться при встряхивании или перемешивании. Тиксотропией обладают не все коллоидные растворы, а только некоторые, в том числе глинистые растворы Тиксотропностью называется быстрота образования структуры, а после перемешивания — быстрота восстановления структуры.

Удерживающей способностью глинистого раствора называется способность глинистого раствора удерживать частицы породы при структурообразовании. Это свойство глинистого раствора предотвращает осаждение частиц породы на забой при прекращении циркуляции.

Коагуляцией, или свертыванием, коллоидов называется процесс слипания коллоидных частиц в агрегатные группы с последующим осаждением этих частиц под влиянием силы тяжести. Коагуляция коллоидов происходит, если коллоидные частицы сделать нейтральными, они при столкновении будут соединяться, а группы, агрегаты оседать под влиянием силы тяжести. Коагуляция глинистого коллоида происходит от прибавления к воде коагулянтов, например некоторого количества поваренной соли NaCl, которая распадается под действием молекул воды с образованием положительных ионов натрия, нейтрализующих глинистые частицы, заряженные отрицательным электричеством. Если скважиной пересечены соленосные породы или водоносный горизонт с соленой водой, глинистый раствор, протекающий по стволу скважины, может подвергаться коагуляции. Обратимыми коллоидами называются такие коллоиды, которые при надлежащем электрическом состоянии среды способны восстанавливаться из скоагулированного состояния.

Пептизацией называется процесс превращения скоагулированного коллоида, свернувшегося в виде комочков, в коллоидный раствор. Для использования свойств обратимости коллоидов к глинистому раствору в качестве пептизаторов добавляют вещества, восстанавливающие отрицательные электрические заряды у глинистых частиц. К числу пептизаторов относятся: щелочи (каустическая сода, едкий натр NaOH, кальцинированная сода Na2CO3 и др.) или коллоиды, имеющие отрицательные электрические заряды, например гуминовая кислота.

Содержание в глине окислов и солей. Глины могут содержать примеси окиси железа (Fe2O3), окиси натрия (Na2O), окиси кальция (СаО), окиси магния (MgO), окиси калия (К2О) и др. Наличием преобладающей примеси часто определяются свойства глины. Чем больше в глине содержится натрия, тем лучше ее качество. Наличие солей (NaCl, СаС12, CaSO4 и др.) ухудшает качество глины. Сильно засоленные глины можно применять для приготовления глинистых растворов, но при этом необходима дополнительная их химическая обработка.

Набухание глин. Набуханием называется свойство глин увеличиваться в объеме при поглощении воды. Натриевые бентонитовые глины могут при замачивании увеличиваться в объеме в 8—10 раз и легко распадаются в воде на отдельные частицы. В кислых щелочных и солевых растворах бентонит не набухает. Гидрослюдистые и палыгорскитовые глины обладают меньшей способностью набухать. Каолиновые глины не набухают, расщепляются в воде плохо, растворы, приготовленные из них, неустойчивы и быстро разделяются на твердую фазу и жидкость. Глинизация стенок скважины используется при бурении с промывкой глинистым раствором в неустойчивых породах для укрепления стенок скважины и для изоляции пластов. После внедрения глинистого раствора в пустоты пород и его загустевания в них кольцевая зона породы вокруг ствола скважины укрепляется. После образования глинистой корки на стенках скважины прекращается поступление свободной воды из бурового раствора в пустоты пород. Кроме того, если пласты пород содержат воду, нефть газ и если величина пластового давления не превышает величину гидростатического давления промывочной жидкости на стенки скважины, то вода, нефть и газ не поступят из пласта в скважину. Происходит изоляция пластов и прекращение движения жидкости или газа в системе скважина-пласт. Для успешной глинизации в глинистом растворе должны преобладать мелкие коллоидные частицы, над крупными частицами суспензий. Наиболее коллоидальными являются бентонитовые глины, которые обеспечивают пониженную водоотдачу, повышенную вязкость и повышенные тиксотропные свойства глинистых растворов.