Буровые промывочные жидкости

5) сжатый воздух.

В исключительных условиях для промывки скважин используются углеводородные жидкости (дизельное топливо, нефть);

Все дисперсные системы  с твердой фазой могут быть с малым (до 7%), нормальным (до 20 – 22%) и повышенным содержанием (более 20 – 22%) твердой фазы.

Буровые растворы в определенных условиях могут искусственно насыщаются воздухом и переходят в категорию  аэрированных. В воде и водных растворах  воздух в зависимости от его содержания может выступать в качестве дисперсной фазы или дисперсионной среды. В  последнем случае промывочные жидкости называют пенами.

По назначению буровые  растворы подразделяются на:

1) жидкости для нормальных  геологических условий бурения  (вода, некоторые водные растворы, нормальные глинистые растворы);

2) жидкости для осложненных геологических условий бурения.

 

6.6. ПАРАМЕТРЫ БУРОВЫХ  РАСТВОРОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

 

Буровой раствор не может  в одинаковой мере выполнять все  функции. И главное не всегда это  необходимо. Поэтому для конкретных условий бурения определяется набор  основных функций бурового раствора и те свойства, которые обеспечат их выполнение. Задаче получения заданных свойств должны быть подчинены все работы по подбору рецептур (состава) раствора и их регулированию. При этом необходимо сохранить на приемлемом уровне остальные параметры промывочного агента.

Заданные свойства жидкости получают, подбирая состав и вид  компонентов. Наибольшую сложность  представляет получение дисперсных буровых растворов, так как здесь  очень важное значение имеет степень  дисперсности твердой фазы и характер ее взаимодействия с остальными компонентами. Изменяя степень дисперсности, можно при одном и том же составе бурового раствора в широких пределах варьировать некоторыми и в первую очередь реологическими свойствами промывочного агента.

В процессе бурения буровой раствор взаимодействует с разбуриваемыми породами, пластовыми водами, подвергается воздействию механических нагрузок, температуры, давления, атмосферного воздуха, осадков. В нем происходят внутренние процессы, связанные с ослаблением электрических зарядов на частицах и старением составляющих компонентов. Все это приводит к ухудшению свойств раствора, он теряет способность выполнять необходимые функции. Поэтому в процессе бурения требуется восстанавливать и поддерживать его необходимые свойства.

Нередко чередование  пород в геологическом разрезе  вызывает необходимость в изменении  некоторых функций бурового раствора. Поэтому, если можно не заменять раствор, его свойства регулируют в процессе бурения на подходе к соответствующему интервалу.

Таким образом, необходимость  в регулировании свойств бурового раствора возникает в следующих  случаях:

1. при приготовлении - для получения раствора с заданными свойствами;
2. в процессе бурения - для поддержания требуемых функций;
3. в процессе бурения - для изменения параметров применительно к изменяющимся геологическим условиям.

Свойства бурового раствора регулируют:

• химической обработкой (путем введения специальных веществ - реагентов);
• физическими методами (разбавление, концентрирование, диспергация, утяжеление, введение наполнителей);
• физико-химическими методами (комбинация перечисленных методов).

Таким образом, чтобы  буровые растворы в процессе бурения  скважины выполняли требуемые функции, необходимо выбирать основные материалы  для их приготовления, специально обрабатывать с помощью химических реагентов, вводить вещества, предназначенные для регулирования их свойств, и т. д.

Условия бурения скважин (глубина, диаметр, температура, порядок  расположения и свойства разбуриваемых  пород) весьма различны не только для разных месторождений, но и для отдельных участков одного месторождения. Поэтому буровые растворы также должны обладать различными свойствами не только на разных участках бурения, но и по мере углубления данной скважины. Чем лучше способность бурового раствора выполнять в данной скважине определенные функции, тем выше ее качество. Однако самый высококачественный для данной скважины буровой раствор для другой скважины в других условия бурения может оказаться не только низкокачественным, но и непригодным. Это обстоятельство объясняет необходимость определения параметров бурового раствора на этапе проектирования.

В процессе бурении на буровой раствор влияет выбуренная порода: частично путем распускания  в жидкости, частично путем химического  воздействия.

Буровой раствор могут разбавлять пластовые воды.

На нее воздействует высокая пластовая температура.

В процессе всех этих воздействий  в буровом растворе происходят сложные  физико-химические процессы, изменяющие ее свойства. В связи с этим необходимо контролировать способность раствора осуществлять необходимые функции путем измерения ее параметров в процессе бурения скважины и при необходимости восстанавливать их соответствующими способами.

Требования к методам  измерения свойств буровых растворов:

1. Измеряемые параметры должны быть общепринятыми, обязательными для всех организаций и предприятий бурения, иначе невозможно создать рекомендации по регулированию параметров в разных районах.
2. Методы измерения параметров долины быть едиными, в противном случае невозможно сравнивать характеристики буровых растворов, используемых в различных районах.
3. Методы измерения должны быть доступными для применения непосредственно у бурящихся скважин, так как может быть нарушена оперативность регулирования их, а следовательно, и технология бурения.
4. Принятые методы должны быть оперативными: продолжительность измерения параметров должна быть меньшей, чем время, в течение которого может измениться состояние бурящейся скважины, иначе в скважине могут возникнуть осложнения раньше, чем будет отмечено несоответствие параметров требованиям.
5. В принятых методах необходимо предусматривать такие способы отбора проб циркулирующего раствора и такие способы измерения, которые обеспечат получение характеристик, соответствующих характеристикам жидкости, циркулирующей в скважине и осуществляющей необходимые функции; наиболее правильно измерять их при тех же температуре и давлении, которые соответствуют данной глубине скважины; строгое соответствие осуществить практически невозможно, поэтому процессы измерения параметров, отображающих отдельные функции или группы функций бурового раствора, условно моделируют поведение бурового раствора в скважине. Чем ближе эти модели к оригиналу, т. е. К условиям, в которых находится раствор в скважине, тем правильнее характеризуются его свойства.

 

6.7. ОТБОР ПРОБЫ БУРОВОГО  РАСТВОРА И ПОДГОТОВКА ЕЕ К  ИЗМЕРЕНИЮ

 

Чтобы свойства пробы  бурового раствора соответствовали  свойствам циркулирующей жидкости и хранящейся в емкости или земляном амбаре, необходимо уточнять место отбора пробы, ее объем и время между отбором пробы и ее анализом.

Когда требуются сведения о жидкости, циркулирующей в скважине, пробу следует отбирать вблизи места  ее выхода из скважины (устья) до того, как она прошла очистные устройства, дегазаторы. Пробу необходимо отбирать только во время циркуляции.

Для получения характеристик  жидкости, закачиваемой в скважину, пробу отбирают в конце желобов, по которым она подается к приемам  насосов. При необходимости характеризовать неоднородность циркулирующего бурового раствора, содержащей отличающиеся от всей жидкости так называемые «пачки», пробы отбирают на устье скважины из этих «пачек».

Если анализ производят непосредственно у буровой, пробу  отбирают в количестве, необходимом для одного анализа. Если пробу отбирают для анализа в лаборатории, удаленной от буровой, объем ее составляет 3 - 5 л. Для получения этого объема через каждые 5 - 15 мин отбирают по 0,5 л жидкости и сливают в одну посуду, например ведро, пропуская ее при этом через сетку от вискозиметра.

Перед отбором проб из емкостей, в которых хранится буровой  раствор, содержимое перемешивают с  помощью насосов до тех пор, пока весь ее объем не станет однородным. Об этом должно свидетельствовать совпадение основных характеристик по крайней мере двух проб, взятых из разных, удаленных друг от друга участков хранилища (вязкость различается не более чем на 5%).

Существенную роль играет время между отбором пробы  и анализом. Газ, вынесенный буровым раствором из скважины, может быстро улетучиться, в результате чего увеличивается ее плотность. Нагретый буровой раствор остывает, и многие характеристики ее изменяются, особенно это сказывается на величинах плотности, вязкости и содержания газа. Поэтому их определяют непосредственно у желобов буровой.

 

6.8. ПРОМЫСЛОВЫЕ  ИСПЫТАНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА

 

Часть свойств бурового раствора могут измеряться буровой  бригадой, обычно это плотность бурового раствора, условная вязкость, и водоотдача. Кроме того, бригадой могут измеряться содержание песка, а также концентрацию солей и щелочность раствора

Однако для качественного  управления свойствами бурового раствора, позволяющего обеспечивать эффективное  выполнение им заданных функций, такого набора параметров явно недостаточно.

 

6.8.1. УДЕЛЬНЫЙ ВЕС И  ПЛОТНОСТЬ БУРОВОГО РАСТВОРА

 

Удельный вес - вес 1 см³ промывочной жидкости - обозначается Y и выражается в г/см³. Под плотностью понимают величину, определяемую отношением массы тела к его объему. Обозначается она r и выражается в г/см³.

Удельный вес характеризует  способность промывочной жидкости осуществлять в скважине гидродинамические  и гидростатические функции:

1. удерживать во взвешенном состоянии и выносить из скважины частицы породы наибольшего размера;
2. создавать гидростатическое давление на стенки скважины, рассчитанное, исходя из необходимости предотвращения поступления в ствол скважины нефти, газа или воды из пласта и сохранения целостности стенок скважины;
3. обеспечивать снижение веса колонны бурильных и обсадных труб, в связи с чем уменьшается нагрузка на талевую систему буровой.

Плотность промывочной  жидкости, содержащей газ, называют кажущейся, а плотность жидкости, не содержащей газа, истинной. Процесс измерения  плотности основан на определении  гидростатического давления на дно измерительного сосуда. Перед измерением промывочную жидкость пропускают через сетку вискозиметра ВБР-1.

Прибор АБР-1. В комплект входит собственно ареометр и удлиненный металлический футляр в виде ведерка с крышкой, служащей пробоотборником для раствора (рис. 6.2.).

Прибор состоит из мерного стакана, донышка, поплавка, стержня и съемного калибровочного груза.

Кроме ареометра поплавкого типа для определения плотности  бурового раствора может быть использован  рычажный плотномер (рис 6.3.).

6.8.2. СТАБИЛЬНОСТЬ И СУТОЧНЫЙ ОТСТОЙ

 

Эти параметры используются в качестве технологических показателей  устойчивости промывочной жидкости как дисперсной системы.

Показатель стабильности С измеряется с помощью прибора ЦС-2 (рис. 6.4.), представляющего собой металлический цилиндр объемом 800 см³ со сливным отверстием в середине. При измерении отверстие перекрывают резиновой пробкой, цилиндр заливают испытываем раствором, закрывают стеклом и оставляют в покое на 24 ч. По истечении этого срока отверстие открывают и верхнюю половину раствора сливают в отдельную емкость. Ареометром определяют плотность верхней и нижней частей раствора. За меру стабильности принимают разность плотностей раствора в нижней и верхней частях цилиндра.

Чем меньше значение С, тем стабильность раствора выше.

Суточный отстой измеряют с помощью стеклянного мерного цилиндра объемом 100 см³, обозначают буквой 0 (рис. 6.5.).

Испытываемую жидкость осторожно наливают в мерный цилиндр  до отметки 100 см³, закрывают стеклом и оставляют в покое на 24 ч, после чего визуально определяют величину слоя прозрачной воды, выделившейся в верхней части цилиндра. Отстой выражают в процентах выделившейся жидкости от объема пробы. Чем меньше суточный отстой, тем устойчивее, стабильнее промывочная жидкость.

Эти параметры следует измерять при температурах, соответствующих температуре раствора в скважине.

Стабильным считается  раствор, у которого С = 0,02-0,03 г/см³, 0 = 3-4%.

 

 

6.8.3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  БУРОВОГО РАСТВОРА

 

Наиболее широко используемые в настоящее время буровые растворы представляют собой жидкости, содержащие дисперсную фазу. Как и обычные жидкости, они обладают подвижностью, т.е. способностью течь. При этом первоначальное расположение частиц жидкости изменяется, происходит деформация. Наука о деформации и течении тел называется реологией, а свойства тел, связанные с течением и деформацией, называются реологическими. Они характеризуются определенными величинами, не зависящими от условий их измерения и конструкции измерительных приборов. Такие величины называют реологическими константами.

Реологические свойства буровых растворов оказывают  превалирующее влияние:

• на степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждения породоразрушающего инструмента
• транспортирующую способность потока
• величину гидравлических сопротивлений во всех звеньях циркуляционной системы скважины
• величину гидродинамического давления на ее стенки и забой в процессе бурения
• амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении СПО и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны
• интенсивность обогащения бурового раствора шламом
• скорость эрозии стенок скважин и др.

Изучение реологических  свойств дисперсных систем основано на выявлении закономерностей связи  между силами (напряжениями), вызывающими  течение жидкости, и получаемыми при этом скоростями течения (деформациями).

Перечень основных и  производных от них показателей, характеризующих реологические  свойства буровых растворов, определяется выбором реологической модели.

Среди известных реологических  моделей буровых растворов наибольшим распространением в отечественной и зарубежной практике пользуются модели Бингама - Шведова и Оствальда -де Ваале:

 

t = t₀ + h×g

 

t = k×(g)ⁿ

 

где t - касательное напряжение сдвиаг, дПа;

g - скорость сдвига, мПа*с;

h - пластическая вязкость ПВ, мПа*с;

t₀ - динамическое напряжение сдвига ДНС, дПа;

ⁿ - показатель неньютоновского поведения ПНП;

k - показатель консистенции  ПК, мПа*с.

С помощью величин  реологических характеристик можно  определять коллоидно-химические свойства дисперсных систем, что очень важно для оценки качества промывочных жидкостей и выбора методов регулирования их свойств.