Бурение с очисткой скважины

Содержание

1. ВведениеБУРЕНИЕ С ОЧИСТКОЙ СКВАЖИНЫ ГАЗООБРАЗНЫМИ АГЕНТАМИ.

Введение

Под газообразными промывочными агентами подразумеваются четыре различные, но связанные друг с другом, очистные системы, в которых в качестве рабочего агента циркуляционной системы применяется сжатый воздух (или газ). По сравнению с традиционными буровыми растворами, данные системы: сухой воздух (воздушно-пылевая смесь),  воздушно-водяная смесь, пена и аэрированный раствор обеспечивают высокие технико-экономические показатели бурения и эксплуатации скважин, однако область их применения сильно ограничена. Бурение с продувкой забоя воздухом (воздушно-пылевой смесью), или воздушно-водяной смесью, позволяет легко оценить добывные возможности пласта. При этом на практике распространено бурение с одновременным подъемом на устье пластовой нефти и газа. Как показано на рис. 1, воздух обладает наименьшей плотностью из всех существующих промывочных агентов, тем самым, обеспечивая максимальную депрессию на пласт. Значительная депрессия, создаваемая на забое за счет использования воздуха (воздушно-пылевой смеси), позволяет существенно увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото. В отличие от традиционных буровых растворов, очистка скважины сжатым воздухом обеспечивает снижение противодавления на пласты, благодаря чему данная технология особенно эффективна при разбуривании поглощающих пород.  Благодаря использованию промывочного агента с плотностью меньше, чем плотность нефти, обеспечению более высоких скоростей бурения, увеличению срока службы долота, уменьшению потребностей в химреагентах и более широкому внедрению технологии бурения на депрессии, системы очистки скважины на основе сжатого воздуха имеют ряд очевидных экономических преимуществ по сравнению с чисто жидкостными системами.

С другой стороны, количество ситуаций, в которых использование тех или иных газообразных агентов целесообразно, ограничено. Они применяются главным образом при бурении эксплуатационных скважин на площадях, геологическое строение которых хорошо изучено и легко предсказуемо.  Поскольку воздух (воздушно-пылевая смесь), воздушно-водяная смесь, пена и аэрированный буровой раствор не позволяют создать на забое давление, достаточное для безопасного разбуривания зон с АВПД,  в некоторых случаях использование газообразных агентов нецелесообразно с точки зрения противофонтанной безопасности. Кроме того, при бурении с очисткой забоя газо-воздушными смесями, в ствол скважины свободно поступают пластовые флюиды, что осложняет управление скважиной, удаление флюидов и создает угрозу подземных возгораний. Как правило, при бурении в слабосцементированных или трещиноватых породах, где существует опасность осыпей и обвалов, применение воздушных систем очистки нецелесообразно вследствие невозможности обеспечить с их помощью необходимую устойчивость стенок скважины. По этой причине данные технологии применяют в основном при бурении в твердых, устойчивых и не содержащих воду породах.

В данном разделе рассматриваются четыре типа систем очистки скважины газообразными агентами, отличающихся друг от друга объемом используемого воздуха. Каждая система имеет конкретную область применения, определенные преимущества и недостатки.

Бурение с очисткой забоя воздухом

Использование воздушных (воздушно-пылевых) систем, в которых единственным рабочим агентом является воздух,  позволяет создать минимально возможное давление на забое. Данная технология может применяться только в том случае, когда пласт не содержит воды, или если все количество поступающей из пласта воды поглощается потоком воздуха и шлама в затрубном пространстве. Использование воздушно-пылевых систем наиболее целесообразно при разбуривании твердых, крепких и устойчивых пород, в которых наблюдаются значительные поглощения раствора, а механическая скорость бурения неприемлемо мала.  Использование воздуха обеспечивает оптимальную проходку, при этом шлам выносится на устье в виде пыли. Помимо обеспечения очень высоких скоростей бурения, предотвращения поглощений и снижения эксплуатационных затрат на долота, применение чистого воздуха (газа) для очистки скважины позволяет осуществлять непрерывное опробование пластов и резко уменьшить степень загрязнения продуктивных пластов, сложенных гидрофильными породами. Кроме того, при бурении с очисткой забоя воздухом или воздушно-пылевой смесью сокращается расход воды, уменьшаются затраты на буровой раствор и/или химреагенты и снижается негативное воздействие на окружающую среду. Вместе с тем бурение с воздушной (воздушно-пылевой) очисткой скважины имеет ряд недостатков, которые серьезно ограничивают область применения данной технологии.  Как было сказано ранее, при бурении с очисткой забоя воздухом (воздушно-пылевой смесью) образуется очень незначительное количество шлама, при этом данная технология не применима в водонасыщенных породах, поскольку в этом случае в отдельных интервалах ствола на стенках скважины может образовываться так называемая «корка». При этом процесс налипания шлама на стенках скважины продолжается до тех пор, пока не перекрывается поток воздуха в затрубном пространстве. В результате может произойти прихват бурильной колонны или подземное возгорание. Из-за опасности нарушения целостности ствола воздух (воздушно-пылевая смесь) непригоден для продувки скважины в слабосцементированных, хрупких породах, а также в пластах с большим углом падения. Данный метод очистки забоя не рекомендуется применять при бурении в неустойчивых породах с аналогичными свойствами, поскольку при очистке скважины воздухом невозможно создать гидростатическое давление или использовать химреагенты, обеспечивающие устойчивость стенок скважины или образование фильтрационной корки. Кроме того, в виду высокой скорости воздушного потока, имеющего малую плотность, для выполнения буровых работ требуются трубы и оборудование с более высокими прочностными характеристиками. Технология очистки скважины воздухом применяется главным образом для бурения в породах с аномально низким или нормальным пластовым давлением – в случаях, когда минимальное гидростатическое давление не является негативным фактором.

Бурение с очисткой забоя воздушно-водяной смесью

В ряде случаев при бурении на воздухе в ствол скважины поступает избыточное количество воды и/или других флюидов, что делает невозможным дальнейшее бурение только с использованием воздуха. В подобных ситуациях для предотвращения коркообразования и скапливания воды на забое применяется технология бурения на воздушно-водяной смеси. Вода, содержащая пенообразователь (мыло), подается в поток воздуха на поверхности и выходит из скважины в виде водяной пыли. При очистке скважины воздушно-водяной смесью стандартная концентрация воздуха составляет  96-99%, расход воды – от 1 до 10 галлона, содержание пенообразователя в воде равно 0,25 – 1%. Продувка скважины воздушно-водяной смесью  применяется в тех случаях, когда существует вероятность подземного возгорания, которая не позволяет использовать воздух (воздушно-пылевую смесь), и при одновременном наличии таких факторов, как поступление воды и активные глины. 

Методы очистки забоя воздушно-водяной смесью нашли широкое применение при бурении глубоких газовых и геотермальных скважин, а также в тех случаях, когда необходима дополнительная защита оборудования от коррозии и размыва. По сравнению с традиционным методом очистки забоя воздухом, при использовании воздушно-водяной смеси образуются немного более крупные обломки шлама, при этом обеспечиваются такие же высокие показатели проходки и длительный срок эксплуатации долота.  Частицы воды со шламом, образующиеся в процессе бурения, выносятся потоком воздуха в виде мелкодисперсной пыли и эффективно удаляются из скважины; тем самым предотвращается образование шламового сальника на долоте и глинистой корки на стенках скважины. Данная технология позволяет использовать  ингибиторы набухания активных глин (КCl и полимеры) и замедлители коррозии, а также обеспечивает уменьшение размыва стенок скважины. Как и воздушная очистка, метод продувки забоя воздушно-водяной смесью обладает рядом определенных недостатков. В частности, из-за увлажнения ствола скважины повышается вероятность осыпей, разбухания глин и размывов. Кроме того, расход воздуха при его использовании с водяным туманом, как правило, увеличивается примерно на 30% по сравнению с расходом воздушно-пылевой смеси, что соответственно требует более высоких давлений: от 400 до 1200 фунт/кв.дюйм. Для продувки сухим воздухом требуется давление от 200 до 800 фунт/кв.дюйм. Применение пенообразователей и ингибиторов коррозии, необходимых для ограничения притока воды в пределах 100 галлон/минут приводит к увеличению затрат на химреагенты.  

Бурение с очисткой забоя пеной

Различают два основных вида пенных систем, используемых для очистки забоя: устойчивые пены и жесткие пены.  Как правило, устойчивая пена состоит из воздуха (от 55 до 96%), примеси пресной воды, 0,5–1% пенообразователя и химических добавок для образования стабильной водо-воздушной эмульсии или пены. Устойчивая пена представляет собой вещество, которое в быту многие называют просто «пеной». В отличие от нее, жесткая пена образуется путем добавления бентонита и полимеров, которые позволяют повысить очистные свойства пены, образуя более «жесткую» структуру, которая сохраняет устойчивость в течение более длительного времени.

Применение жестких пен наиболее целесообразно при бурении скважин большого диаметра, в которых объема воздуха, нагнетаемого с обычной пеной, было бы недостаточно для эффективной очистки забоя. Наибольший эффект от использования жестких пен достигается при бурении в зонах с аномально-низкими пластовыми давлениями, осложненных поступлением больших объемов воды, а также в пластах, где наблюдаются значительные поглощения. Кроме того метод очистки забоя пеной применяется в тех случаях, когда для обеспечения устойчивости ствола требуется поддержание эквивалентной плотности циркуляции (ЭПЦ) в пределах 2–4 фунт/галлон. Пена также используется для размыва песчаных пробок в добывающих скважинах.

Пена позволяет создавать более высокое гидростатическое давление на забое, обеспечивает эффективную очистку скважины от шлама и обладает способностью удерживать частицы выбуренной породы во взвешенном состоянии при остановке циркуляции. Кроме того потребности системы в воздухе уменьшаются, а устойчивость стенок ствола повышается. Очистка бурящейся скважины пеной делает возможным применение химреагентов и позволяет получать более крупные обломки выбуренной породы, которые являются более информативными и повышают достоверность геологического анализа.

Невозможность  повторного использования промывочной жидкости обуславливает высокие затраты на химреагенты, а также большой расход воды. Бурение скважин с применением пены требует соблюдения точных пропорций объемов воздуха и пены, кроме того, необходимо дополнительное специальное оборудование, например, пеногенератор с производительностью от 25 до 100 галлонов пены в минуту.

Аэрированные буровые растворы

Метод аэрации предусматривает одновременное движение потока  воздуха и бурового раствора в затрубном пространстве. При этом жидкость насыщается пузырьками газа, и ЭПЦ раствора становится меньше ЭПЦ бурового раствора.  Обычно аэрированные буровые растворы применяют для проводки скважин в зонах с субнормальным пластовым давлением, или в случаях, когда поступление воды делает невозможным очистку скважины воздухом или пеной, например, при строительстве геотермальных или артезианских скважин. Нередко аэрированные буровые растворы успешно применяются в скважинах, очистка которых обычными глинистыми растворами требует слишком высоких затрат из-за частых поглощений.  Аэрированные буровые растворы используют в тех случаях, когда для предупреждения проявлений необходимо поддерживать плотность в пределах 4–8 фунт/галлон и обеспечивать более высокие скорости бурения.  Аэрированные буровые растворы должны иметь низкие показатели СНС, обеспечивающие более легкое освобождение воздуха, малую вязкость и высокие антикоррозионные свойства

Как и пена, аэрированный буровой раствор создает большее гидростатическое давление на забое по сравнению с воздухом или воздушно-водяной смесью и облегчает процесс очистки скважины, что позволяет повысить механическую скорость бурения в 2-3 раза по сравнению с традиционными системами промывочных жидкостей. Нагнетание воздуха в готовый буровой раствор обеспечивает эффективное образование глинистой корки и низкую фильтруемость, и позволяет получать частицы шлама нормального размера. Данный метод сочетает в себе преимущества воздушной очистки и традиционных систем промывочных жидкостей и идеально подходит для бурения в неустойчивых породах, осложненных поглощениями раствора. В отличие от традиционного метода, бурение с применением аэрированного раствора требует дополнительного оборудования, приводит к увеличению (зачастую очень значительному) скорости коррозии, может вызвать колебания давления на участках ствола с большим диаметром и подвергает стенки ствола воздействию турбулентного потока.

Существует несколько способов аэрации бурового раствора в затрубном пространстве:

• Прямое нагнетание воздуха в поток бурового раствора в стояке.
• Закачка воздуха в раствор на глубине башмака последней обсадной колонны через параллельную колонну НКТ.
• Закачка воздуха в пространство между последней обсадной колонной и второй незацементированной колонной, временно спущенной в скважину.

Наиболее распространен метод прямого нагнетания воздуха в раствор через стояк.

При использовании параллельной колонны НКТ, которая спускается в скважину одновременно с последней колонной обсадных труб, воздух закачивается через НКТ в поток бурового раствора в затрубном пространстве на глубине установки башмака. Циркуляция бурового раствора осуществляется обычным способом – через бурильные трубы. Это обеспечивает аэрацию потока раствора на участке между башмаком и устьем.  Закачку воздуха при помощи параллельной колонны НКТ легче регулировать и при этом требуется меньшее давление, поскольку буровой раствор и воздух подаются в скважину независимо друг от друга. 

Аэрация раствора при помощи параллельной колонны НКТ имеет, однако, определенные недостатки. Они заключаются главным образом в увеличении продолжительности работ и дополнительных затратах, связанных с использованием НКТ и бурением ствола большего диаметра на предыдущем участке скважины, а также необходимостью в дополнительном механическом оборудовании для регулирования давления. Кроме того, из-за ограниченной пропускной способности НКТ и меньшей глубины нагнетания воздуха минимально достижимая ЭПЦ выше, чем ЭПЦ, которую обеспечивает стандартный метод аэрации.