7.4 Статичне напруження зсуву бурових розчинів і методи його визначення

Для роботи долота вода найкраща рідина, але відсутність иксотропної властивостей різко обмежує її застосування. Воду неможливо обважнити за допомогою грубодисперсних обважнюючих матеріалів, а під час тимчасового припинення циркуляції вода не може виконувати головну функцію бурового розчину – утримувати частинки вибуреної породи у змуленому стані і вони інтенсивно осідають на вибій свердловини. Внаслідок цього у свердловині виникають прихоплення бурильної колони сальниками, пробками, які утворилися із шламу.

Застосування бурових розчинів при бурінні свердловин, а також обважнення їх грубодисперсним матеріалом високої иктини обумовлено головним чином необхідністю утримувати у змуленому стані вибурену породу, коли відсутня циркуляція. Виходячи із цього, витікає одна із вагомих вимог до бурових розчинів – здатність до иксотропної зміцнення структури, яке буде запобігати осіданню шламу, коли будуть зупинені насоси.

Міцність сформованої глинистою суспензією тиксотропної структури у стані спокою та інтенсивність її зміцнення у часі характеризується статичним напруженням зсуву (СНЗ).

Граничне статичне напруження зсуву це мінімальне напруження зсуву, яке необхідно прикласти до бурового розчину, який знаходиться у стані спокою, щоб вивести його і зі стану рівноваги (відновити текучість системи). Фізичний зміст СНЗ полягає у тому, що це є характеристика міцності тіксотропної структури, яка виникає у бурових розчинах протягом однієї (СНЗ₁ і О₁) і десяти (СНЗ₁₀ О₁₀) хвилин. Перша величина характеризує утримуючу здатність бурового розчину. Підчас вибору параметрів розчину приймається менше значення величини СНЗ, при якому буде забезпечення виконання вказаної функції.

Умова “витання” частинки – знаходження її у змуленому стані виглядає так:

, (7.1)

де G – вага частини у розчині; – дотичне напруження на поверхні частини; – площа поверхні частини.

, (7.2)

Коли частина куля, то

, (7.3)

, (7.4) , (7.5)

– густина частинки (тв. фази);  – густина бурового розчину.

, (7.6)

Статичне напруження зсуву зв’язане із  залежністю:

, (7.7)

де m – коефіцієнт, який залежить від форми частини і її розміру (без розміру)

m = 1,62,5, (7.8)

, (7.9)

, (7.10)

У цій формулі – ефективний діаметр найбільших частинок шламу, який знаходиться у свердловині. Значення наближено можна оцінити із емпіричних формул.

Для доліт типу С

d_r = 3.5+0.037d_дол, (7.11)

Для доліт типу Т

d_r = 2.0+0.035d_дол, (7.12)

При менших величинах частинки шламу не будуть утримуватися у буровому розчині, а осідатимуть під дією сил гравітації. В зв’язку із тіксотропністю бурового розчину міцність тіксотропної структури при тривалому перебуванні у стані спокою може досягнути таких значень, що в момент відновлення циркуляції опір структури наскільки збільшить тиск бурового розчину, що може статися гідророзрив пласта.

Слід зазначити, що значення статичного напруження зсуву вибирають у більшості випадків виключно із практичних міркувань без врахування конкретних геолого-технічних умов. Внаслідок цього інколи СНЗ буває нижче необхідного значення, що є причиною утворення шламових подушок, затяжок, посадок, прихоплень бурильної колони сальниками та пробками із шламу та обважнювача. А коли СНЗ набуває високих значень, це вимагає проміжних циркуляцій бурового розчину, щоб не сталося його поглинань.

Очевидно, що повинно дорівнювати у першому наближенню значення СНЗ розрахованому за формулою, що не допустить осідання вибурених частинок на вибій та мінімізує затрати часу та енергії на відновлення проміжних циркуляцій.

Отже, якщо вибрати значення і із врахуванням практичного досвіду та даних розрахунку, то це дасть змогу уникнути необґрунтованих і високих та низьких значень цих показників і, відповідно, ускладнень та інших технологічних та економічних затрат, які пов’язані з ними.