Раздел 7. Промывочные жидкости для строительства скважин (стр. 1 )

РАЗДЕЛ 7

Промывочные жидкости для строительства скважин

(Составители: , )

Буровой раствор является важнейшим элементом технологии бурения, определяющим качество строительства скважины, основные технико-экономические показатели бурения и стоимость скважины. Используют в основном следующие виды промывочных жидкостей: глинистые растворы, техническую воду, полимерные и биополимерные растворы, солевые растворы.

К буровым растворам предъявляются ряд требований, которые обуславливают их качество и функциональное назначение. Приоритетность выполнения требований к растворам определяется условиями бурения, однако их общее выполнение должно минимизировать стоимость бурения за счет снижения затрат на повторные обработки раствора реагентами и борьбу с осложнениями, а также вследствие повышения работоспособности породоразрушающего инструмента при обязательном обеспечении качества вскрытия продуктивных пластов и получение требуемой геофизической информации как результат по процессу бурения.

Промывочные жидкости, применяемые для бурения скважин, не только удаляют продукты разрушения из скважин и охлаждают породоразрушающий инструмент, но и обеспечивают предупреждение и ликвидацию осложнений, вскрытия продуктивных пластов и в целом способствует повышению качества буровых работ на нефть и газ.

Применение промывочных жидкостей, свойства которых не соответствуют данным геолого-техническим условиям, может привести к различным осложнениям и авариям, сопровождающимися большими затратами времени и средств.

Важную роль при обработке буровых растворов играют химические реагенты, правильный выбор и рациональное использование которых позволяет получать системы с заданными свойствами.

Приготовление сложных по составу буровых растворов из высококачественного сырья, определение параметров и оперативный контроль их качества в процессе бурения, обработка разнообразными химическими реагентами, требуют глубоких знаний физической и коллоидальной химии, а также опыта и интуиции, формируемых на их основе. Эта задача может быть решена только при хорошем знании методов анализа основных технологических параметров и качества промывочных жидкостей при условии приобретения и закрепления практических навыков их определения.

7.1. Классификация буровых растворов

Буровые растворы делят на типы и группы по составу, свойствам и назначению. По химической природе дисперсионной среды (основы) выделяют две неравнозначные по объемам применения и назначению группы буровых растворов: системы на водной и неводной основе. К первой группе относятся все основные буровые растворы массового применения, ко второй - системы специального применения, главным образом для вскрытия продуктивных пластов и разбуривания хемогенных и чувствительных к воздействию водной фазы терригенных отложений.

По содержанию твердой фазы различают растворы с низким содержанием твердой глинистой фазы (обычно до 7 %) и безглинистые растворы, по плотности - утяжеленные (с добавками специальных порошкообразных материалов высокой плотности) и облегченные (аэрированные).

По характеру воздействия на разбуриваемую породу различают диспергирующие и недиспергирующие (ингибирующие) буровые растворы. В среде первых облегчен распад относительно крупных частиц выбуренной породы или специально введенного в раствор глинистого минерала на более мелкие (коллоидные) частицы. В среде вторых, наоборот, распад крупных частиц на более мелкие затруднен, замедлен или вовсе невозможен.

Распространен принцип деления буровых растворов на группы по химической природе основного (главного) реагента или характерной структурной особенности. Например, выделяют полимерглинистые, лигносульфонатные, гуматные, известково-битумные, хлоркалиевые, гидрогелевые растворы и другие.

Классификация буровых растворов не является строгой и всеобъемлющей. Названия некоторых систем буровых растворов довольно условны и используются по установившейся традиции или по номенклатуре фирм-разработчиков.

7.2. Требования к буровым растворам

Общие требования к буровым растворам любого типа можно сформулировать кратко.

А. Буровые растворы должны обеспечивать высокие технико-экономические показатели бурения. Основные условия выполнения этого требования:

• бурение при максимальной скорости, без аварий и осложнений;

•  высокое качество бурения (устойчивость и близкие к номинальным геометрические параметры ствола скважины),

•  высокое качество вскрытия продуктивного пласта (сохранение природной проницаемости нефтеносной породы в приствольной зоне).

Б. Буровые растворы должны быть безопасны для людей и окружающей природной среды в процессе приготовления, применения и утилизации отходов бурения. Выполнение этого требования - необходимое условие внедрения новых разработок в области технологии буровых растворов.

Конкретные требования к технологическим и гигиеническим свойствам буровых растворов, применяемых в тех или иных геолого-технических условиях бурения, определяются проектной документацией на строительство скважины, а также геологическими, географическими и социально-демографическими особенностями региона, в котором осуществляются буровые работы.

7.3 Основные ингредиенты буровых растворов

Ингредиенты буровых растворов можно разделить на несколько основных групп по назначению.

Дисперсионная среда (основа). Буровые растворы разных типов массового при­менения приготовляют, как правило, на водной основе. Обычно используют природную воду из наземных водоемов и артезианских скважин - как пресную, так и минерализованную; применяют также пластовую и морскую воду. На свойства бурового раствора влияют как общая концентрация растворенных в воде солеи, так и их ионный состав. Особенно важна концентрация солей жесткости (кальция и магния), поскольку не все компоненты бурового раствора сохраняют свои функции в их присутствии. В ряде случаев основой бурового раствора служат рассолы - водные растворы солей с концентрацией от 5 % до насыщения.

Неводную основу используют для приготовления буровых растворов в случаях, когда контакт породы с водной фазой может привести к тяжелым осложнениям бурового процесса или не позволит обеспечить высококачественное вскрытие продуктивного пласта. Большую часть растворов этого типа составляют системы на углеводородной (нефтяной) основе. В настоящее время прослеживается устойчивая тенденция исключить из компонентного состава этой основы соединения ароматического ряда как токсичные и экологически вредные. В последние годы среди экологически безопасных буровых растворов на неводной основе появились системы, в которых дисперсионной средой является синтетическая биологически разлагаемая органическая жидкость, получаемая из натурального жирового сырья.

Глиноматериалы. используются обычно в виде порошков, как структурообразователи в составе большинства промывочных жидкостей на водной основе. Наиболее широко в пресных и слабо минерализованных буровых растворах применяются бентонитовые глины (бентонит). Благодаря высокому содержанию в них монтмориллонита - гидрофильного минерала, набухающего и легко диспергирующегося в воде, - бентонитовые глины в водной среде образуют коллоидно-дисперсные системы, склонные к тиксотропному структурообразованию.

В высокоминерализованной воде бентонит в значительной степени утрачивает свою структурообразующую способность. Поэтому в минерализованных буровых растворах вместо бентонита обычно применяют солестойкую палыгорскитовую глину (палы-горскит).

Наряду с бентонитовым и палыгорскитовым глинопорошками для использования в составе буровых растворов выпускают каолинит-гидрослюдистые глинопорошки. Но структурообразующая способность последних существенно ниже, чем у палыгорскитовых и, особенно, бентонитовых глинопорошков.

Важнейший технологический параметр, по которому судят о качестве глиноматериала, - «выход глинистого раствора», выраженный числом кубометров глинистой суспензии с определенной вязкостью (по отечественным стандартам - 20 МПа·с), полученной из одной тонны глины или глинопорошка. Для бентонитовых глинопорошков разных марок этот показатель может быть в пределах от 2-5 (низкокачественный материал) до 15-20 м3/т (нормы международного стандарта) и выше. Однако выход глинистого раствора из немодифицированного глинопорошка редко превышает 8-12 м3/т; более высокие показатели обеспечиваются введением в глинопорошок модифицирующих добавок кальцинированной соды и других (в том числе полимерных) веществ.

Химические реагенты, используемые для получения и обработки буровых растворов, составляют список веществ и материалов различного состава, происхождения и назначения, насчитывающий сотни наименований. Ниже перечислены важнейшие их группы и приведены в качестве примера наиболее широко применяемые промышленные продукты.

Понизители фильтрации - реагенты и материалы, снижающие потери жидкой фазы бурового раствора вследствие поглощения ее в процессе бурения горной породой, обладающей естественной проницаемостью. Вводимые в буровой раствор понизители фильтрации снижают проницаемость фильтрационной корки. В качестве понизителей фильтрации обычно используют растворимые полимеры и олигомеры анионного и неионогенного типов следующих классов:

-  эфиры целлюлозы (карбоксиметилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, смешанные эфиры целлюлозы);

-  модифицированные крахмалы, их производные и крахмалсодержащие продукты;

-полиэлектролиты акрилового ряда (разные марки частично гидролизованного полиакрил амида, гидролизованный полиакрилонитрил, различные сополимеры акриловой и метакриловой кислот);

-синтетические высокомолекулярные сульфополиэлектролиты разного химического состава;

-лигносульфонаты, продукты их конденсации и различные композиции на их основе;

- гуматные реагенты на основе различного природного сырья (бурого угля, торфа, сапропеля).

Эффективность действия понизителей фильтрации зависит от условий их применения и взаимодействия с другими компонентами бурового раствора. Совместное использование разнотипных, но совместимых реагентов обычно приводит к усилению их действия при одновременном снижении рабочей концентрации.

Структурообразователи (загустители) - реагенты и материалы, вызывающие увеличение значений реологических параметров буровых растворов: эффективной и пластической вязкости, статического и динамического напряжения сдвига. Поддержание этих показателей на достаточно высоком уровне необходимо для сохранения выносной способности и седиментационной устойчивости бурового раствора, а также для обеспечения заданного гидродинамического режима промывки скважины.