Буровые промывочные жидкости

Рис. 5. Цилиндр для оценки стабильности

При бурении глубоких скважин с высокой забойной температурой возникает необходимость оценки термостойкости химически обработанных промывочных растворов. Общепризнанного способа оценки термостойкости пока нет. О сравнительной термостойкости растворов при различных рецептурах обработки можно судить по расходу реагентов на 1 м3 промывочной жидкости для поддержания исходных параметров после многократного нагрева ее до заданной температуры.

Статическое напряжение сдвига. Важнейшей особенностью многокомпонентных промывочных жидкостей является способность к образованию коагуляционной тиксотропной структуры, благодаря которой обеспечивается в покое удержание выбуренных частиц горных пород во взвешенном состоянии. Прочность такой структуры оценивают величиной напряжения, которое необходимо создать, чтобы заставить раствор течь. Это напряжение называют статическим напряжением сдвига. Поскольку прочность структуры во времени растет, асимптотически приближаясь к некоторому пределу, в практике бурения условно принято характеризовать промывочную жидкость двумя значениями статического напряжения сдвига: начальным Ɵ1, которое измеряют спустя 1 мин после очень интенсивного перемешивания, и десятиминутным Ɵ10 измеряемым спустя 10 мин после перемешивания.

Статическое напряжение сдвига растворов для скважин с невысокой забойной температурой измеряют на приборах типа СНС-2 с коаксиальными цилиндрами (рис. 6).

Рис.6. Прибор для измерения статического напряжения сдвига:

1 - цилиндр; 2 – упругая  нить; 3 - стойка; 4 - стакан; 5 – вращающийся  столик; 6 - электродвигатель; 7 - лимб; 8 - указатель; 9 – бесконечная пружина

 

На статическое напряжение сдвига большое влияние оказывают температура и продолжительность теплового воздействия. Если при повышении температуры примерно до 100 0С статическое напряжение сдвига интенсивно возрастает, то при более высоких температурах характер этого влияния часто более сложный. Поэтому статическое напряжение сдвига промывочных жидкостей для скважин с высокой температурой измеряют с помощью более сложных приборов, чем СНС-2, хотя и основанных обычно на таком же принципе.

Статическое напряжение сдвига должно интенсивно расти в первые минуты покоя и быстро достигать предельного значения, которое должно быть достаточным для удержания крупных выбуренных частиц в покое во взвешенном состоянии, или лишь немного превышать эту величину. Не рекомендуется применять промывочные жидкости с очень высоким статическим напряжением сдвига, так как это может привести к серьезным осложнениям (высокие давления при восстановлении промывки, опасность разрыва пород, поглощения и выбросов при перемещении колонны труб и др.). Обычно достаточно, чтобы Ɵ10 ≤ 5 Па. Лишь при операциях по ликвидации поглощений в некоторых случаях целесообразно использовать растворы с высоким статическим напряжением сдвига.

Водоотдача. В промывочной жидкости содержится значительное количество свободной (т. е. не связанной физически или химически с дисперсной фазой) воды. При промывке гидростатическое давление столба промывочной жидкости в скважине почти всегда поддерживают выше пластового. Под влиянием разности давлений в скважине и пласте промывочная жидкость стремится проникнуть в пласты. Размеры частиц дисперсной фазы, как правило, больше размера пор, поэтому основная масса частиц дисперсной фазы задерживается на стенках скважины, образуя плотную фильтрационную корку. Лишь немногим самым тонким частицам удается неглубоко проникнуть в наиболее крупные поры. Чем больше в растворе коллоидных частиц, тем меньше проницаемость корки.

 

Рис. 7. Прибор ВМ-6 для измерения водоотдачи при обычной температуре:

1 - поддон; 2 - решетка; 3 - стакан; 4 - цилиндр; 5 - втулка; 6 - плунжер; 7 - груз; 8 - кронштейн; 9 – тарелка клапана; 10 – зажимной винт; 11 – игольчатый  вентиль; 12 – чашечка.

 

Поскольку увлажнение пород может неблагоприятно повлиять на их устойчивость, а проникновение воды в продуктивные пласты - на коллекторские свойства последних, необходимо контролировать и регулировать скорость фильтрации свободной воды, а также толщину и уплотненность фильтрационной корки.

В промысловой практике скорость фильтрации свободной воды из промывочной жидкости при невысоких температурах измеряют с помощью прибора ВМ-6 (рис. 7) при перепаде давлений 0,1 МПа; при высоких же температурах и давлениях пользуются более сложным прибором УИВ.

О скорости фильтрации судят по объему воды, выделившейся за 30 мин через фильтр диаметром 75 мм при избыточном давлении0,1 МПа. Эту характеристику именуют водоотдачей. Каждое деление шкалы прибора ВМ-6 соответствует 1 см3 фильтрата, выделившегося через фильтр указанного выше диаметра, хотя истинный диаметр решетки этого прибора в полтора раза меньше.

Водоотдача зависит от состава промывочной жидкости, дисперсности твердых частиц, перепада давлений, температуры и некоторых других факторов. Водоотдача уменьшается с увеличением содержания коллоидных частиц, возрастает при увеличении концентрации грубодисперсных частиц, например утяжелителя, а также с повышением температуры. При увеличении перепада давлений водоотдача промывочных жидкостей, как правило, возрастает. Исключение составляют только жидкости, обработанные такими химическими реагентами, которые вызывают пенообразование. Водоотдача таких растворов при повышении перепада давлений выше некоторого значения снижается вследствие сжатия пузырьков воздуха, попавших в раствор при химической обработке, и уплотнения фильтрационной корки, уменьшения ее пористости и проницаемости.

Водоотдача промывочных растворов в покое намного меньше, чем при движении. Это объясняется прежде всего тем, что в покое по мере утолщения корки вследствие образования новых слоев и уплотнения возрастает сопротивление фильтрации, и тем, что уменьшается поровое давление в растворе; со временем водоотдача может прекратиться. Если же раствор движется, устанавливается равновесие между отложением твердых частиц и образованием новых слоев корки, с одной стороны, и смывом наружных, наиболее слабых слоев, с другой стороны. Чем выше скорость течения раствора, тем тоньше корка, тем меньше ее фильтрационное сопротивление и тем, следовательно, больше водоотдача.

 

4 ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПРОМЫВОЧНОЙ  ЖИДКОСТИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ

 

Глинистые растворы готовят как из порошкообразных материалов, получаемых путем сушки специально подобранных сортов глин хорошего качества и последующего размола, так и из комовых глин, добываемых в местных карьерах. Для приготовления растворов из комовых глин применяют механические и гидромониторные мешалки, фрезерно-струйные мельницы, а из глинопорошков - также гидравлические мешалки эжекторного типа.

В отечественных буровых предприятиях распространены гидромониторные мешалки нескольких конструкций (Папировского, УПР-Р-2 Резниченко, ГВТФ-1 и ГСТ). Гидромониторный смеситель ГСТ (рис. 8) состоит из резервуара 2 емкостью 14 м3, загрузочного трапа 1 и гидромониторов 6. Резервуар 2 разделен перегородкой на два сообщающихся между собой отсека А и Б. В отсек А встроены шесть гидромониторов 6, направленных под углом к оси резервуара. Диспергирование комков глины (и утяжелителя) осуществляется за счет энергии струй жидкости, вытекающих с большой скоростью из гидромониторов, а также под воздействием интенсивного потока, который возникает в отсеке А при работе наклоненных к оси резервуара гидроциклонов.

Суспензия, образовавшаяся в отсеке А, перетекает в отсек Б, который перегородками разделен на четыре полости. Когда суспензия проходит между перегородками, из нее осаждаются комочки глины (или утяжелителя). Эти комочки под воздействием струй трех гидромониторов, смонтированных в отсеке Б, вновь возвращаются в отсек А. Освобожденная от комочков суспензия направляется в барабанный фильтр 3, а оттуда через сливную трубу в приемную емкость буровых насосов или в запасную емкость.

Для приготовления промывочного раствора гидромониторный смеситель системой трубопроводов соединяют с буровым (или специально для этой цели установленным поршневым) насосом, который подает в гидромониторы воду (или жидкий раствор). Если комовая глина недостаточно высокого качества, для получения хорошего раствора суспензию, поступающую из отсека Б в приемную емкость, насосом вновь подают в гидромониторы, чем достигается лучшее диспергирование глинистых частиц. Чтобы насадки гидромониторов не засорились комочками материала, перед ними установлены фильтры.

По окончании работы смесителя резервуар очищают от осадка при помощи двухшарнирного гидравлического перемешивающего устройства 5. Образующаяся при очистке пульпа удаляется через люк 4.

Гидромониторные смесители имеют высокую производительность и позволяют легко механизировать загрузку сырья. Так, производительность смесителя ГСТ достигает 40 м3/ч, тогда как производительность механической двухвальной глиномешалки - 4 м3/ч. Исходное сырье для приготовления раствора подается в отсек А самосвалом или бульдозером но загрузочному трапу 1.

Для приготовления растворов из порошкообразных глин широко используют гидравлические мешалки ГДМ-1 (рис. 9). Такая мешалка состоит из воронки 1 для загрузки порошка, камеры смешения 4 с соплом 5, емкости 2 и сварной рамы 3, на которой смонтированы все элементы. К камере смешения насосом через сопло подается вода (или глинистый раствор, плотность которого требуется увеличить) под давлением 2-3 МПа. Так как скорость струи на выходе ' из сопла высокая, то в камере смешения образуется вакуум, в результате чего из воронки засасывается порошок глины (или утяжелителя). Порошок смешивается с жидкостью, а образующаяся пульпа поступает в емкость 2. При входе в емкость поток пульпы ударяется в специальный башмак; при этом происходит дополнительное диспергирование твердых частиц.

Рис.9. Гидравлическая мешалка ГДМ-1.

По мере подъема суспензии вверх по емкости скорость ее движения уменьшается, крупные нераспустившиеся комочки выпадают на дно, а готовая суспензия сливается в циркуляционную систему буровой через выходную трубу в верхней части емкости. Осадок периодически удаляют через нижнюю сливную трубу.

Глинистый раствор можно готовить непосредственно на буровой либо централизованно на глинозаводе, обслуживающем участок или район. Раствор, приготовленный на заводе, транспортируют либо по специально проложенным к буровым трубопроводам, либо в автоцистернах.

При разбуривании глинистых толщ раствор часто образуется непосредственно в скважине. В таких случаях целесообразно раствор, выходящий из скважины, пропускать через фрезерно-струйную мельницу для диспергирования еще не успевших распуститься частиц, а затем избыточный объем раствора сливать в запасные емкости, установленные на буровой. Этот раствор в дальнейшем используют при разбуривании неглинистых пород.

Точно также рекомендуется пропускать через фрезерно-струйную мельницу выходящую из скважины естественную водную суспензию неглинистых пород, если ее предполагается использовать после соответствующей химической обработки в качестве промывочной жидкости.

 

5 ОЧИСТКА ПРОМЫВОЧНЫХ  ЖИДКОСТЕЙ

 

Буровой раствор, выходящий на поверхность из скважины, может быть вновь использован, но для этого он должен быть очищен от обломков выбуренной породы (шлама). Поступающие в буровой раствор частицы выбуренной породы оказывают вредное влияние на его основные технологические свойства, а следовательно, на технико-экономические показатели бурения.

Для очистки бурового раствора от шлама используется комплекс различных механических устройств; вибрационные сита, гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотделители), сепараторы, центрифуги. В составе циркуляционной системы эти механические устройства устанавливаются в строгой последовательности. При этом схема прохождения промывочной жидкости должна соответствовать следующей технологической цепочке: скважина - газовый сепаратор - блок грубой очистки от шлама (вибросито) - дегазатор - блок тонкой очистки от шла-ма (песко- и илоотделители, сепаратор) - блок регулирования содержания и состава твердой фазы (центрифуга, гидроциклонный глиноотделитель) - буровые насосы - скважина. При отсутствии газа в буровом растворе исключают ступени дегазации; в случае использования неутяжеленного раствора, как правило, не применяют сепараторы, глиноотделители и центрифуги; при очистке утяжеленного бурового раствора обычно не пользуются гидроциклонными шламоотделителями (песко- и илоотделители). Таким образом, выбор оборудования и технологии очистки бурового раствора от шлама должен основываться на конкретных условиях бурения.

 

 

 

Рис.10. Фрезерно-струйная мельница ФСМ-7

1 – приемный бункер; 2 – подвижный щиток; 3 – перфорированная  труба; 4, 21 - шарниры; 5 – предохранительная  плита;6 – сменные шрифты; 7 – регулирующая  планка; 8 - ловушка; 9 – резиновая  прокладка; 10 – механизм для открытия  и закрытия крышки ловушки; 11 - рама; 12 – откидная крышка; 13 –  диспергирующая рифленая плита;14 – лопастной ротор; 15 – горизонтальный  вал; 16 - лоток; 17 – отражательный щиток; 18 - лопасть; 19 – выходная решетка; 20 – борты.

 

Бурение нефтяных и газовых скважин в большинстве нефтегазодобывающих районов ведут с промывкой неутяжеленными буровыми растворами плотностью до 1,25 г/см3. Для очистки буровых растворов используется трехступенчатая система. Технология очистки неутяжеленного бурового раствора по этой схеме представляет собой ряд последовательных операций, включающих в себя грубую очистку на вибросите и тонкую очистку - пескоотделение и илоотделение - на гидроциклонных шламоотделителях (рис. 11). Буровой раствор после выхода из скважины 1подвергается на первой ступени грубой очистке на вибросите 2 и собирается в емкости 10. Из емкости центробежным насосом 3 раствор подается в батарею гидроциклонов пескоотделителя 4, где из раствора удаляются частицы песка. Очищенный от песка раствор поступает через верхний слив в емкость 9, а песок сбрасывается в шламовый амбар. Из емкости 9 центробежным насосом 5 раствор подается для окончательной очистки в батарею гидроциклонов илоотделителя 6. После отделения частиц ила очищенный раствор направляется в приемную емкость 8 бурового насоса 7, а ил сбрасывается в шламовый амбар.