Проект строительства скважины на Мало-Балыкском месторождении

4 Улучшение качества очистки промывочной жидкости

 

4.1 Введение. Актуальность темы

 

Успех строительства нефтяных и газовых скважин зависит от состава и свойств буровых растворов, которые должны обеспечить безопасность, безаварийность бурения и качественное вскрытие продуктивного пласта.

В связи с тем, что поступающие в буровой раствор частички выбуренной породы, оказывает вредное влияние на его основные технологические свойства, а следовательно, и на технико-экономические показатели бурения скважин, очистке буровых растворов уделяют особое внимание. Выбуренная порода в растворе и в ее объеме оказывает влияние на стоимость скважины через скорость проходки, гидравлику, объемы разбавления для поддержания плотности, коэффициент трения бурильного инструмента, дифференциальные прихваты, потерю циркуляции, сальники на КНБК, износ бурового оборудования и инструмента и т.д. Кроме того, при накоплении шлама в буровой промывочной жидкости существенно снижается ее глинизирующая способность, что приводит к образованию толстой рыхлой корки на стенках скважины в зонах фильтрации и создает опасность обвалов.

За счет повышения плотности промывочной жидкости значительно возрастает вероятность поглощения и гидроразрыва пластов. Частицы пород, обладающие коагулирующими свойствами, например ангидрит, могут вызвать необратимую коагуляцию промывочной жидкости. Даже в естественных промывочных жидкостях крупные частицы — нежелательный компонент. Так как невозможно удалить всю выбуренную породу из раствора, ее следует рассматривать как постоянный загрязняющий фактор. Удаление выбуренной породы является одним из наиболее важных аспектов контроля буровых растворов. Затраты на очистку бурового раствора, а также решение проблем, связанных с повышенным содержанием твердой фазы, составляют значительную часть общих расходов на бурение скважин и являются ежедневной проблемой на каждой скважине.

Промывочные жидкости, не имеющие структуры и обладающие небольшой вязкостью, легко очищаются от шлама. Вязкие структурированные жидкости значительно труднее очищаются, так как ячеистая структура промывочной жидкости препятствует выпадению частиц. Для преодоления частицами породы сил трения при оседании требуются значительно большие усилия. Самыми прочными структурами обладают глинистые промывочные жидкости, поэтому они наиболее трудно очищаются от выбуренной породы. Обязательным условием хорошей очистки структурированной промывочной жидкости является возможность разрушения ее структуры.

Для обеспечения нормальных условий бурения необходимо, чтобы в очистной системе от промывочной жидкости отбиралось такое же количество горной породы, которое в нее поступает в процессе циркуляции в скважине. У неглинистых и естественных промывочных жидкостей в процессе очистки должны отделяться частицы, которые не могут служить полезной составляющей твердой фазы. Качество очистки характеризуется степенью очистки - количеством извлеченного шлама в процентах от общей массы, подлежащей удалению.

 

4.2 Характеристика твердых примесей выбуренной породы в промывочной жидкости

 

4.2.1 Классификация твердых примесей.

По плотности твердая фаза в буровых растворах может быть разделена на 2 категории:

1. С низким удельным весом (плотность от 2,3 до 2,8 г/см3)

2. С большим удельным весом (плотность выше 4,2 г/см3).

Выбуренная порода, бентонит, карбонат кальция и т.д. попадают в первую категорию. Утяжелители, такие как барит, гематит, относятся ко второй категории и используются в основном для достижения плотностей более 1,2.

Размеры выбуренной породы варьируются в огромных пределах от 1 мкм (10-6м) до нескольких сантиметров. Важно понимать, как твердые частицы классифицируются по размеру, и какие породы попадают в какие категории.

Таблица 4.1 - Классификация твердых частиц по размеру

Категория	Размеры	Примеры
Коллоиды	2 мкм и меньше	Бентонит, глины
Ил	2-74 мкм	Барит, ил, глинистые сланцы, алевролиты (<200 mesh)
Песок	74-2000 мкм	Песок (200-10 mesh)
Гравий	>2000 мкм	(>10 mesh)

 

Рисунок 4.1- Классификация твердых частиц по размеру

Данная классификация не принимает в расчет физический состав твердых частиц, хотя используются термины «ил» и «песок». Сетки по стандарту Американского Нефтяного Института (АНИ) классифицируются в меш - количестве ячеек на один дюйм. Сетка 200 меш используется для стандартного теста для определения содержания песка в растворе. 95% частиц качественного барита проходят через сетку 325 меш (<44 мкм). Чем ближе размер частиц к коллоидному, тем большее влияние они оказывают на реологические свойства раствора.

Хотя твердые частицы при бурении первоначально могут быть сравнительно большой величины, они быстро дробятся на более мелкие частицы вследствие химического диспергирования и механического воздействия долота и колонны бурильных труб. Скорость измельчения частиц зависит от породы, вида бурового раствора, времени воздействия на них долота и механического истирания бурильными трубами. Чрезвычайно важно удалить как можно больше твердых частиц, образованных при бурении, во время первого цикла циркуляции.

 

4.2.2 Влияние содержания твердых частиц на реологические свойства.

Пластическая вязкость в значительной степени обусловлена механическим трением между твердыми частицами в буровом растворе. Величина пластической вязкости зависит в первую очередь от размера, формы и концентрации частиц в системе, а также от вязкости жидкой фазы. Постепенные изменения в пластической вязкости могут служить признаком увеличения степени измельчения твердых примесей при постоянной их концентрации и могут быть использованы в качестве указания о необходимости проведения центрифугирования и/или добавления воды.

Динамическое напряжение сдвига и предельное СНС показывают величину сил притяжения между частицами системы. Обычно высокие значения ДНС и СНС служат показанием для проведения химической обработки. Разбавление или механическое удаление твердых частиц также может уменьшить величину этих параметров. Силы притяжения между частицами зависят от расстояния между ними. Любое из вышеуказанных действий приведет к улучшению отделения частиц.

Удаление частиц очень малого размера приводит к большему снижению вязкости по сравнению с удалением такого же объема более крупных частиц, что обусловлено разницей в площади поверхности.

 

4.2.3 Влияние содержания твердых частиц на скорость проходки.

Из измеряемых свойств бурового раствора, которые относятся к скорости проходки, первостепенное значение имеют плотность (или перепад давления) и содержание твердой фазы. Существует значительная взаимозависимость между содержанием твердой фазы и прочими свойствами бурового раствора, которые влияют на скорость проходки.

Содержание твердой фазы в буровом растворе влияет на плотность, вязкость и фильтрацию. На вязкость и фильтрацию также влияет распределение размеров частиц твердой фазы бурового раствора.

Важность содержания твердой фазы для процесса бурения в целом отражена на Рис. 6. На этом графике представлены статистически усредненные данные, и он содержит информацию о влиянии твердой фазы бурового раствора на характеристики бурения.

По мере приближения к нулю содержания инертной твердой фазы механическая скорость бурения резко возрастает. Причиной этого является снижение давления, удерживающего шлам на забое (ДУШЗ). Фактическая объемная доля твердой фазы, которую удается поддерживать, зависит от условий в скважине и типа применяемого бурового раствора. При бурении в песчаниках и карбонатах низкой проницаемости, в которых хорошо сохраняется номинальный диаметр ствола, можно использовать чистую воду. Вода должна быть действительно чистой, так как промысловый опыт показывает, что даже очень малые примеси твердых частиц могут резко снизить скорость проходки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 – Влияние содержание твердой фазы на показатели долота

 

 

4.3 Методы и средства  очистки бурового раствора

 

4.3.1 Методы удаления твердых примесей.

Твердые примеси могут быть удалены из бурового раствора тремя методами:

- осаждением;

- замещением;

- удалением механическими  устройствами.

1. Осаждение.

Снижение содержания или удаление выбуренной твердой фазы этим способом заключается в выдерживании бурового раствора в почти неподвижном состоянии в течение достаточно длительного времени, в течение которого твердая фаза, которая тяжелее воды выпадает в осадок.

2. Замещение.

Метод замещения уменьшает количество твердых примесей посредством сброса бурового раствора и замещения его свежим раствором, свободным от твердых примесей.

Чем выше концентрация примесей, тем большее предпочтение может быть оказано этому методу.

3. Механическое удаление.

Целью механического регулирования примесей является уменьшение до минимума необходимости в разбавлении раствора посредством сброса примесей по возможности в более высокой концентрации.

Базовое оборудование для механического удаления твердых примесей разделяется на две категории:

-вибросита;

-оборудование для принудительного  осаждения.

Хотя имеется множество модификаций всех этих устройств, все они имеют сходный основной принцип работы и предназначены для удаления или отсечения частиц определенного размера и удельного веса.

 

4.3.2 Разделение очистки раствора по ступеням

- Первая ступень – вибросита, удаление частиц > 74 мкм;

- Вторая ступень - пескоотделители (в зависимости от обвязки),

40 мкм < частицы < 74 мм;

- Третья ступень - илоотделители (в зависимости от обвязки),

25 мкм < частицы < 40 мкм;

- Четвертая ступень – центрифуги,

при очистке 2 мкм < частицы < 25 мкм,

при флокуляции 0 мкм < частицы < 2 мкм.

 

Если рассмотреть обобщенное разделение очистки раствора по ступеням, то:

- 25 – 35% твердой фазы отбивается  на виброситах,

- 30 – 40% твердой фазы отбивается  на гидроциклонах,

- 15 – 20% твердой фазы отбивается центрифугами,

- 15 – 20% разбавляется,

- 5 – 10% остается в растворе.

 

4.3.3 Пути улучшения качества очистки буровых растворов

На рисунке 4.3 представлены пути улучшения качества очистки буровых растворов различными методами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.3- Пути улучшения качества очистки буровых растворов

В проекте для улучшения качества очистки буровых растворов будем рассматривать электрохимический метод. 

 

4.4 Электрофизическая очистка бурового раствора

 

4.4.1 Электрокинетические явления

Электрокинетическими явлениями называют перемещение одной фазы относительно другой в электрическом поле и возникновение разности потенциалов при течении жидкости через пористые материалы (потенциал протекания) или при оседании частиц (потенциал оседания). Перенос коллоидных частиц в электрическом поле называется электрофорезом, а течение жидкости через капиллярные системы под влиянием разности потенциалов – электроосмосом. Оба эти явления были открыты профессором Московского университета Ф. Ф. Рейссом в 1809 г.

Рейсс поставил два эксперимента. В одном из них он использовал U-образную трубку, перегороженную в нижней части диафрагмой из кварцевого песка и заполненную водой. При наложении электрического поля он обнаружил движение жидкости в сторону отрицательно заряженного электрода. Происходящее до тех пор, пока не устанавливалась определенная разность уровней жидкости (равновесие с гидростатическим давлением). Поскольку без диафрагмы движение жидкости отсутствовало, то последовал вывод о заряжении жидкости при контакте с частицами кварца. Явление получило название электроосмоса.

В другом эксперименте Ф. Ф. Рейсс погрузил в глину две стеклянные трубки, заполнил их водой и после наложения на них электрического поля наблюдал перемещение частиц глины в жидкости в направлении положительно заряженного электрода. Это был электрофорез. Таким образом, было обнаружено, что частицы имеют заряд, противоположный заряду жидкости.

Основную роль в возникновении электрокинетических явлений играет двойной электрический слой (ДЭС), формирующийся у поверхности раздела фаз. Внешнее электрическое поле, направленное вдоль границы раздела фаз, вызывает смещение одного из ионных слоев, образующих ДЭС, по отношению к другому, что приводит к относительному перемещению фаз, т.е. к электроосмосу или электрофорезу. Аналогичным образом при относительном движении фаз, вызываемом механическими силами, происходит перемещение ионных слоев ДЭС, что приводит к пространственному разделению зарядов (поляризации) в направлении движения и к перепаду электрического потенциала (потенциал течения, потенциал оседания).

 

4.4.2 Электрофорез

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов называется электрофорезом.

Электрофоретическое движение частиц в электролите имеет родственную электроосмосу природу: внешнее электрическое поле увлекает ионы подвижной части ДЭС, заставляя слои жидкости, граничащие с частицами, перемещаться относительно поверхности частиц. Однако в силу массивности объема жидкости и малости взвешенных частиц эти перемещения сводятся в отсутствие внешних сил к движению частицы в покоящейся жидкости.