ЛЕКЦІЯ № 1

БУРОВІ ПРОМИВАЛЬНІ РІДИНИ ТА ЇХ ЗНАЧЕННЯ В ПРОЦЕСІ БУРІННЯ СВЕРДЛОВИН. ДИСПЕРСНІ

СИСТЕМИ. ПРОЦЕСИ НА МЕЖІ РОЗДІЛУ ФАЗ У

ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМАХ

1.1 Історичний огляд промивання свердловин та вклад

вітчизняних і зарубіжних спеціалістів у розвиток теорії і практики бурових промивальних рідин

Бурові промивальні рідини пройшли тривалий шлях розвитку та удосконалення від води і «бурової грязі» до сучасних складних багатокомпонентних дисперсних систем із заданими та здатними до регулювання фізико-хімічних і технологічних властивостей. Понад дві тисячі років до нашої ери в Китаї зародилось буріння і згідно праць Конфуція в 221–220 р. д. н. е. у провінції Сенчуань із свердловини на солону воду отримали нафту і газ. При застосуванні у той час ударного та свердлильного буріння застосовувалось змочування водою вибою свердловини для вилучення желонками змуленої вибуреної маси. Вода була першою буровою промивальною рідиною і до сьогоднішнього дня вона залишається основним компонентом більшості бурових розчинів.

Суттєвий прогрес в розвитку бурових промивальних рідин розпочався у 19 столітті, коли у 1815 році були зроблені перші спроби промивання свердловин при ударно-канатному способі буріння. І вже у 1833 році французький інженер М.Фовель висунув ідею промивання свердловин безперервною циркуляцією води по трубах та затрубному просторі. Практичне втілення цієї ідеї почало реалізуватися при обертовому способі буріння. В 1844 році британець Роберт Бірт запатентував ідею вилучати шлам із свердловини за допомогою води. Вдосконалена на той час законодавча система США дала змогу їхнім інженерам гірничої справи в 1860–1880 р. р. запатентувати кілька початкових ідей в питаннях промивання свердловин. І от, уже в 1887 році американські інженери А. Краузе і М. Чемпен отримали перші патенти на бурові розчини. Згідно літературних джерел роторний спосіб буріння вперше був реалізований у 80-х роках ХІХ століття. Хоча є джерела, які свідчать, що перша свердловина в США роторним способом була пробурена в 1901 році на родовищі Скіндлтон. Для очищення свердловини від шламу у Техасі в 1901 році вперше було застосоване промивання глинистим розчином. Це послужило поштовхом до досліджень у цій галузі, але перші публікації з’явилися тільки в 1914 і 1916 роках. Їх автори були знову американці А.Полард, А.Льюїс і В.Макмюрен. Їх роботи були посвячені створенню рецептур розчинів, які запобігають газопроявленням та підвищують стійкість стінок свердловин. Для цього пропонувалось у воду добавляти пластичний матеріал (глина, зерно, цемент), який здатний формувати фільтраційну кірку. Але практичне втілення цих питань реалізувалось через 10 років, коли в 1922 році Б. Страуд довів доцільність вводити у розчин обважнювачі та необхідність контролю за вагою бурового розчину. До цього часу вже був накопичений деякий досвід хімічної обробки бурового розчину. Стали відомі методи модифікації глин за допомогою кальцинованої соди, фосфатів рідкого скла, різних електролітів, застосовувалися наповнювачі для ліквідації поглинань.

Російські гірничі інженери Г.Д. Романовський, С.Г. Войслов, І.Н. Глушков, Гулішамбаров, Соколовський і інші друкували свої праці в «Гірничому журналі» (видавався з 1825 року), в яких також освітлювалися питання промивання свердловин. Перші хімічні реагенти з’явилися в кінці 20-х років минулого століття у якості яких були каустична сода та алюмінат натрію. В 1930 році з’явився перший прилад для оцінки якості промивальної рідини воронка Марша, який запропонував таким чином оцінювати в’язкісні властивості бурових розчинів.

Новий етап розвитку технології застосування бурових розчинів розпочався у 30-ті роки минулого століття. В цей період К.Л. Царевич і Р.Н. Шищенко із своїми співробітниками, а також П.Еванс і А.Рейд розпочали вивчення реологічних властивостей, доказавши можливість застосування рівняння Шведова-Бінгама і цим самим започаткували основи гідравлічних розрахунків під час промивання свердловин. В 1934 році В.С.Баранов та інші вчені Г.Лаутон, П. Джонс, М.Вільямс і Г.Кеннон вказали на значення фільтрації та кіркоутворення під час буріння свердловин. В цей період вченими було запропоновано ряд хімічних реагентів – природні таніди (квебрахо), лужні гумати (В.С.Баранов, З.П.Бука), лігносульфонати (П.З.Швейцар, Е.А.Яішніков), лужний крохмаль (Г.Грей, Г.Лактон). В 1937 році Ф.Ральхаузен і С.Бишкін запропонували і успішно випробували розчини на нафтовій основі, які стали оптимальною рідиною для розкриття і освоєння продуктивних горизонтів.

Саме в цей період П.О. Ребіндер із своїми співробітниками започаткували основи фізико-хімічного вивчення бурових промивальних рідин та їх впливу на руйнування гірських порід. Ними сформовані уявлення про адсорбційні процеси в глинистих суспензіях, досліджені явища диспергування, пептизації і переходу в колоїдно-суспензійний стан глин і вибуреної породи. Значний вклад у вивчення системи глина-вода був внесений також В.С.Шаровим.

Із українських вчених вагомий внесок у розвиток питань промивання свердловин внесли Овчаренко Ф.Д., Третинник В.Ю., Круглицький М.М. із співробітниками інституту колоїдної хімії і хімії води академії наук України. Цими вченими у 60-80 роках минулого століття суттєво збагачена теорія фізико-хімічної взаємодії глин із водою, питання структуроутворення в дисперсних системах, а також ними доповнені основи регулювання технологічних властивостей, як промивальних рідин, так і тампонажних розчинів.

1.2 Роль і значення промивання свердловин та промивальних рідин в процесі буріння свердловин

Промивання свердловин є складовою частиною технологічного комплексу буріння свердловини, яка забезпечує ефективне руйнування гірських порід та успішне закінчування свердловини при мінімальних матеріальних витратах. До промивання свердловин відносяться процеси:

– приготування бурових розчинів;

– регулювання технологічних властивостей бурових розчинів;

– циркуляція бурового розчину на різних етапах спорудження свердловини;

– очищення бурового розчину від частинок вибуреної породи і газу;

– забезпечення геолого-технічних умов буріння.

Всі технологічні операції, що супроводжують процес буріння в певній мірі пов’язані із буровим розчином і важко уявити, щоб у свердловині під час її спорудження був відсутній розчин. Крім усього розчин, яким заповнена свердловина, повинен відповідати конкретним технологічним вимогам. Якщо ж вони не виконуються, значить стан технології промивання свердловини є незадовільний. Під час будь-якого ускладнення (аварії) після відомостей про конструкцію свердловини і глибину вибою в актах і протоколах записують параметри бурового розчину на момент ускладнення чи аварії. Стан технології промивання свердловин є визначальним фактором у техніко-економічних показниках буріння свердловини. Недооцінка значення бурових промивальних рідин в процесі будівництва свердловини свідчить про низьку кваліфікацію і відсутність професійного рівня спеціаліста.

Удосконалення технології промивання свердловин внесло значний внесок у видобування нафти і газу не тільки на теренах колишнього Радянського Союзу, а і в країнах Заходу, Азії та Америки. Так причиною появи нових матеріалів для бурових розчинів та удосконалення технології застосування стали ряд проблем, які необхідно було вирішувати. Такі проблеми, як збереження природних ресурсів, забезпечення безпеки бурових робіт, збереження колекторських властивостей продуктивних відкладів, запобігання забруднення бурових розчинів гірською породою, зменшення вартості бурових робіт завдяки економії часу та матеріалів привели до визнання бурового розчину у якості одного із вирішальних факторів, які визначають успіх багатьох бурових робіт.

Таким чином, будь то буріння чи спуско-підіймальні операції, геофізичні дослідження чи випробування свердловини, кріплення свердловини чи освоєння, буровий розчин повинен відповідати технологічним вимогам за всіма показниками, як технологічними так і фізико-хімічними.

1.3 Основні функції промивальних рідин

Якщо звернутися до історії, вперше буровий розчин застосували для вилучення вибуреної породи із вибою свердловини. Тепер відмінність в умовах застосування бурових розчинів не дає змоги чітко сформулювати їх конкретні функції. Бурові промивальні рідини під час буріння виконують ряд важливих функцій, які тим різноманітніші, чим складніший процес буріння, глибша свердловина, вищі пластові тиски, не стійкіші стінки свердловини.

Реалізація різноманітних технологічних функцій буровими промивальними рідинами можлива, якщо ці рідини володіють певними властивостями. Але не кожна промивальна рідина володіє необхідними властивостями. Деякі властивості притаманні будь-якій рідині, а для надання інших властивостей використовують хімічне оброблення рідин, або інші способи, наприклад, обважнення (підвищення густини рідини).

До технологічних функцій бурових промивальних рідин відносять:

1) гідродинамічні;

2) гідростатичні;

3) функції кіркоутворення;

4) фізико-хімічні;

5) різнобічні функції.