
- •Очистные агенты
- •В. И. Зварыгин
- •Часть 1 очистные агенты
- •Глава 1
- •Коллоидные растворы
- •.Структура воды
- •1.2 Структура коллоидных растворов
- •1.2 Прочность структуры.
- •1.2 Вязкость воды
- •1.3 Стабильность бурового раствора
- •1.4 Водоотдача
- •1.5 Показатель фильтрации. Приборы для определения показателя фильтрации
- •1.9. Плотность промывочной жидкости. Приборы для определения плотности
- •1.7 Содержание абразивных частиц в буровых растворах. Прибор.
- •Глава 2 глинистые растворы. Растворы Общие сведения
- •2.1. Структурообразователи.
- •2.2. Структурирование глинистых растворов
- •Структурирование промывочной жидкости за счет диспергирования тердой фазы.
- •2.3. Ингибирующие глинистые растворы.
- •2.4 Неингибирующие глинистые растворы.
- •2.5. Активация и дезактивация глинистых частиц.
- •2.6. Технические средства для приготовления глинистых растворов
- •Глава 3 полимеры и полимерные промывочные жидкости
- •3.1. Полимеры – структурообразователи
- •Состав древесины
- •3.2Свойства и функции полимеров
- •3.3 Модифицирующие полимерполисолевые растворы
- •3.3.2. Экспериментальные исследования.
- •3.4. Зарубежные реагенты для приготовления промывочных жидкостей Основная классификация реагентов компании “бдс”:
- •3.5 Дезактивация дисперсной фазы гидрофобными веществами (пав, полимерами, маслами)
- •3.6 Полимерные растворы
- •3.7 Технические средства для приготовления полимерных растворов
- •Общая схема выбора промывочной жидкости
- •Глава4 растворы электролитов
- •4.1Истинные растворы
- •Теплота растворения электролитов
- •4.2Растворимость и скорость растворения электролитов.
- •Растворимость электролитов
- •Скорость растворения электролитов.
- •4.3 Насыщенные и перенасыщенные растворы.
- •4.4 Кристаллизация растворов электролитов
- •Использование процесса кристализация электролитов при бурении скважин
- •4.5 Растворы с конденсированной твердой фазой
- •Глава 5 эмульсионные промывочные жидкости
- •5.1.1 Гидрофильные эмульсионные растворы
- •5.1.2 Эмульсионные жидкости-виброгасители
- •5.2. Гидрофобные эмульсии
- •Параметры, характеризующие качество эибр:
- •Параметры, характеризующие качество виэр:
- •Параметры, характеризующие устойчивость эмульсии, для тиэр:
- •5.3. Технические средства для приготовления эмульсионных промывочных жидкостей
- •Техническая характеристика установки уэм-5
- •Техническая характеристика установки уэм-5
- •Глава 6 газообразные агенты
- •6.1. Общие понятия. Область применения. Достоинства
- •6.2. Бурение скважин с продувкой сжатым воздухом
- •Оптимальные концентрации пенообразующих пав в зависимости от минерализации пластовой воды
- •6.3. Технические средства для охлаждения и осушения воздуха
- •Техническая характеристика блока осушки завода Курганхиммаш
- •Результаты производственных испытаний осушающе-охлаждающего агрегата
- •6.4 Технические средства для очистки воздуха от шлама.
- •Глава 7 газожидкостные смеси.
- •7.1 Общие сведения.
- •7.2. Параметры, характеризующие свойства гжс
- •7.3 Пенообразователи. Регулирование свойств гжс
- •7.4. Технические средства получения и нагнетания газожидкостных смесей
- •Заключение
- •Часть II. Стабилизация в неустойчивых стенок скважин. Задачами второй части исследований являются:
- •Глава8.Общие сведения о структуре горных пород.
- •8.1 Химические связи в минералах
- •8.2. Межмолекулярные связи в горных породах.
- •8.3 Поверхностная энергия горных пород.
- •8.4 Устойчивость стенок скважин.
- •Глава9. Промывочные жидкости для бурения уплотненных глинистых пород.
- •9.1. Класификация глинистых пород
- •Значения коэффициента для различной плотности глины
- •9.2. Осложнения при бурении уплотненных глинистых пород.
- •9.2.1. Механизм увлажнения и набухания глин.
- •9.2.2. Фильтрация воды в горные породы.
- •9.2.3. Разупрочнение уплотненных глин.
- •9.2.4. Диспергирование и размывание глин.
- •9.2.5. Влияние гидравлического давления на увлажнение глины.
- •9.2.6. Влияние горного давления на увлажнение глины.
- •9.3. Промывочные жидкости, применяемые для профилактики осложнений в уплотненных глинах
- •9.4. Основные направления выбора промывочной жидкости для бурения глинистых пород
- •9.5. Анализ эффективности применяющихся глинистых растворов для бурения уплотненных глин.
- •9.6. Анализ эффективности полимерных и полимерглинистых растворов.
- •9.7. Анализ эффективности ингибирующих растворов
- •Глава10. Промывочные жидкости для бурения неуплотненных глинистых пород.
- •10.1. Глинистые неуплотненные породы. Осложнения при их бурении.
- •10.2. Анализ влияния электролитов на увлажнение и прочность неуплотненной глины.
- •Зависимость пластической прочности образца глины от влажности к2
- •10.3. Влияние полимеров и полимерсолевых растворов на увлажнение и прочность неуплотненных глин.
- •10.4. Полимерполисолевые промывочные жидкости, для бурения неуплотненных глин .
- •11.2. Влияние технологических параметров бурения на раскрытие трещин и осложнение. Общие понятия.
- •11.3. Факторы, влияющие на осложнения горных пород.
- •11.4. Промывочные жидкости. Механизм их действия. Анализ эффективности.
- •Глава12. Промывочные жидкости для бурения трещиноватых горных пород.
- •12.1. Трещиноватые горные породы
- •12.2. Поглощение промывочной жидкости в трещиноватых породах
- •12.3. Мероприятия по предупреждению поглощения промывочных жидкостей
- •12.4. Анализ эффективности различных наполнителей для закупорки способность трещин
- •Закупоривающая способность глинистых паст
- •Определение закупоривающей способности вол
- •Закупоривающая способность вус
- •Зависимость объема тампонажной смеси от состава ее компонентов
- •Глава 13 промывочные жидкости для бурения соленосных отложений
- •13.1. Соленосные отложения. Осложнения.
- •13.2 Растворение и размывание соленосных отложений.
- •Скорость растворения галита в перемешиваемом малоглинистов растворе, м/с10-7 (емкость 10л)
- •Размывание хемогенных пород
- •Зависимость скорости и константы растворения соли от скорости потока
- •13.3 Пластические деформации хемогенных пород.
- •Промывочные жидкости, применяемые в России при бурении соленосных отложений
- •13.5 Лигниноглинистые растворы
- •Заключение
- •Библиографический список к первой части
- •Часть I.Очистные агенты
- •Глава 1 Коллоидные растворы……… ………. …………………………………..3
- •Глава3Полимеры и полимерные промывочные жидкости …………………50
- •Глава 4 Растворы электролитов.…………………………………………………77
11.2. Влияние технологических параметров бурения на раскрытие трещин и осложнение. Общие понятия.
На величину раскрытия трещин влияет ряд факторов, главным из которых является давление промывочной жидкости. При превышении давления выше некоторого критического значения в породах с невысокой прочностью раскрытие микротрещин увеличивается до размеров, при которых наблюдается значительная проницаемость породы. Такие явления носят название гидроразрыва пласта. Они характерны, например, для глинистых пород с кливажной и тектонической трещиноватостью. Тонкие трещины под воздействием давления промывочной жидкости увеличивают свои размеры.
При повышении давления жидкости скорость ее циркуляции в трещинах возрастает, что ведет к размыванию стенок трещины. Особенно интенсивно они размываются при наличии трещин незначительной длины, заканчивающихся кавернами или более крупными трещинами (трещины отдельности или дизъюнктивные нарушения), а также при наличии в них абразивного шлама. Такие жидкости способны размывать трещины даже в прочных породах.
С уменьшением давления снижается скорость циркуляции жидкости в трещинах и возможно обратное явление - адсорбция твердой фазы промывочной жидкости на стенках трещин и постепенное ее заиливание.
Известно, что "гидрофобная" (слабогидрофильная) твердая фаза взаимодействует между собой и с поверхностью твердого тела более активно, чем гидрофильная твердая фаза.
Следовательно, промывочные жидкости с гидрофобной (инертной) твердой фазой и высокой водоотдачей обладают высокими адсорбирующими способностями (для кольматации трещин с раскрытием 0,1 мм и менее). Для кольматации трещин с малым раскрытием рекомендуют обычно глинистые растворы с высокой вязкостью и малой водоотдачей. Однако к этим рекомендациям нужно относиться весьма осторожно. Дело в том, что для повышения вязкости повышают концентрацию глины, что ведет к повышению плотности раствора и давлению промывочной жидкости в скважине и трещине. Кроме того, продавливание вязкой жидкости требует значительно большего давления, чем маловязкой. В целом, повышение давления в скважине достигает значения, при котором в микротрещиноватых горных породах с невысокой прочностью возможен гидроразрыв.
На повышение раскрытия трещин влияют и параметры технологического режима бурения, осевая нагрузка и частоты вращения. С увеличением осевой нагрузки увеличивается сила распора сжатой части колонны, что при вращении снаряда создает значительные радиальные нагрузки на стенки скважин, особенно при вибрации снаряда. Вибрационные радиальные нагрузки способствуют усталостному разрушению горной породы и углублению трещин. При увеличении частоты вращения снаряда повышается биение бурильной колонны, способствующее усталостному разрушению пород невысокой прочности.
11.3. Факторы, влияющие на осложнения горных пород.
Существенное влияние на потерю устойчивости горных пород оказывает гидродинамическое давление. Особенно опасны колебания давления жидкости в скважине, возникающие при различных операциях: спуске, подъеме и расхаживании снаряда, восстановлении циркуляции промывочной жидкости и т.д.
Колебания давления жидкости в скважине приводят к усталостному разрушению ее стенок, гидроразрыву пластов, образованию новых и расширению (размыванию) существующих трещин, обрушению горной породы, поглощению промывочной жидкости, прихватам снаряда.
Длительная прочность горных пород в скважине считается достаточной, если текущая прочность пород составляет 0,85 - 0,90 от первоначальной прочности всестороннего сжатия.
Величина
допустимого давления в скважине должна
быть ограничена в соответствии с
уравнением:
,
где pкр(0,49 - 0,91)pг, pг - горное давление.
При бурении на прочность глинистых пород оказывают влияние амплитуды колебаний гидродинамического давления и температуры.
“Наибольшее влияние на гидродинамическое давление в скважине оказывает спуск снаряда, его скорость, зависящая от диаметра скважины, вида и реологических свойств очистного агента..."[10].
На длительную прочность горной породы стенок скважины оказывает влияние не только амплитуда колебаний давления, но и частота спускоподъемных операций (СПО). Так, В.А. Глебовым [10] установлено: при изменении частоты СПО от 0,58 до 1,1 рейсов/сут. за очень короткий срок каверна увеличилась в 1,4 раза.
Исследованиями влияния скорости спуска на гидравлическое давление занимались многие исследователи: А.Х. Мирзаджанзаде, А.А. Мовсумов, В.А. Глебов, М.К. Сеид Рза, В.И. Крылов, Л.М. Ивачев, А.П. Руденко, П.М. Тян и др. Однако по исследованиям этих ученых полученные для условий проходки нефтяных и газовых скважин аналитические формулы не подтверждены производственными наблюдениями. В отдельных случаях при сопоставлении рассчитанных по эмпирическим формулам данных с фактическими относительная погрешность превышала 100% [10]. "Предлагаемые (В.И. Крыловым и Л.М. Ивачевым) двучленные формулы (с учетом динамического сопротивления сдвига) громоздки и сложны. Целесообразность использования двухчленных формул в практике разведочного бурения сомнительна, т.к. структура промывочной жидкости разрушается в первый же момент спуска колонны и тем интенсивнее, чем меньше кольцевой зазор; тем более что при бурении глубоких разведочных скважин применяют в основном полимерсолевые и гидрогельмагниевые растворы с низкими структурными свойствами (θ = 0) [10."
В оценке гидродинамического давления нет единого мнения. Одни исследозатели (П.М. Тян) считают зависимость гидродинамического давления от скорости спуска прямолинейной, другие (М.К. Сеид Рза) - более сложной, поэтому автором работы проведены специальные исследования.
Гидродинамическое давление в затрубном пространстве (между бурильной колонной и стенками скважины) можно определить по величине потерь давления в соответствии с формулой Вейсбаха-Дарси:
,
(11.1)
где скорость восходящего потока промывочной жидкости на глубине H
, (11.2)
где
c
- скорость спуска бурового снаряда;
-
сечение бурильных труб; S
- сечение ствола скважины:
, (11.3)
D - диаметр скважины, dн и dв - наружный и внутренний диаметры бурильных труб.
Подставляя значения Sс и S в формулу (11.2);. получим
, (11.4)
Так, при спуске бурильной колонны диаметром 50 мм в скважину диаметром 60 мм со скоростью 5 м/с скорость восходящего потока на глубине Н = 500 м составит:
Гидродинамическое давление в скважине
,
т.е. гидродинамическое давление оказывается сопоставимым с давлением, возникающим в процессе промывки скважины.
Более значительно гидродинамическое давление при спуске снаряда под колонковой трубой.
При спуске груза весом Р и сечением S в сосуд с водой "неограниченных" размеров со скоростью скорость восходящего потока относительно груза равна скорости спуска груза c плюс скорость восходящего потока в, равная скорости спуска, т.е. c+в=2, а давление жидкости
, (11.5)
что подтверждается проведенными опытами (табл.11.1).
Таблица 11.1
Сравнение экспериментальных значений гидродинамического давления под грузом с расчетными
Давление жидкости |
Скорость опускания, v |
Расчетное давление |
|||
|
|
S1=6.0*10-4, м2 |
S2=50*10-4, м2 |
P1=212, Па |
222 Па |
16,7 |
2 |
0,092 |
0,033 |
16,9 |
2,18 |
33,4 |
10 |
0,138 |
0,073 |
38 |
10,6 |
50,1 |
22 |
0,152 |
0,110 |
46,2 |
24,2 |
66,8 |
112 |
0,160 |
0,23 |
51,2 |
105,8 |
83,5 |
160 |
0,180 |
0,26 |
64,8 |
135 |
116,9 |
200 |
0,250 |
0,30 |
125 |
180 |
150,3 |
256 |
0,275 |
0,33 |
151 |
217 |
217,1 |
312 |
0,34 |
0,38 |
231 |
288 |
267,2 |
372 |
0,38 |
0,40 |
288 |
320 |
317,3 |
462 |
0,4 |
0,45 |
320 |
405 |
При спуске груза в скважину давление груза расходуется на вязкостное трение
(11.6)
местные потери давления на изменение направления движения потока
(11.7)
местные потери на сужение потока (упругий удар)
(11.8)
Суммарные потери давления
(11.9)
где =c+в, - коэффициент Дарси, 1 - длина груза; - зазор между грузом и стенками скважины = Dd; 1 - коэффициент местного сопротивления жидкости при изменении направления потока, при повороте на 180° он равен для груза овальной формы 1=1,4, для груза без округления 1=3; 2 - коэффициент местного сопротивления жидкости при внезапном сужении потока.
Для ламинарного течения в соответствии с формулой Ф.П. Товстолеса
(11.10)
где В - опытный коэффициент; Re - число Рейнольдса.
Для турбулентного течения 2 зависит от отношения сечений нисходящего и восходящего потоков S2/S1.
S2/S1 |
0,01 |
0,1 |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
2 |
0,50 |
0,46 |
0,42 |
0,34 |
0,34 |
0,15 |
0 |
Экспериментальная проверка (табл.11.2) подтверждает справедливость формулы (11.9).
Коэффициентами 1 и 2 при значительной глубине скважин можно пренебречь, и тогда
(11.11)
где =c+в.
При скорости спуска 0,8 м/с бурового снаряда диаметром d=50 мм в скважину глубиной Н=1000 м, диаметром Д=60 мм, наполненную водой, при наличии переходника с обратным клапаном давление под колонковой трубой в соответствии с формулой (11.11) составит
Практическая скорость спуска будет определяться весом снаряда. Так, для бурильной колонны диаметром 50 мм, вес 1000 м труб составит 60,51,11000 = 66550 Н, а максимальное давление под колонковой трубой может быть не более
При таком весе скорость спуска бурильной колонны с обратным клапаном будет не более 0,43 м/с.
Таблица 11.2
Сравнение экспериментальных значений гидродинамического давления под грузом с расчетными D=54 мм, d=50 мм, =4 мм
Вес груза Р, Н |
Скорость падения груза 1, м/с |
Скорость восходящего потока
|
Скорость восходящего
потока
относительно груза
|
Давление жидкости
под грузом
|
Расчетное значение давления жидкости под грузом
|
0,25 |
0,011 |
0,063 |
0,074 |
112 |
100 |
1,010 |
0,041 |
0,24 |
0,281 |
505 |
555 |
1,930 |
0,060 |
0,35 |
0,415 |
965 |
1031 |
2,955 |
0,070 |
0,070 |
0,470 |
1477 |
1313 |
4,785 |
0,095 |
0,095 |
0,645 |
2392 |
2265 |
Таким образом, при спуске снаряда под колонковой трубой создаются довольно высокие нагрузки. Кроме того, на стенки скважин действует значительной величины гидростатическая нагрузка столба жидкости. Так, для воды на глубине 1000 м давление жидкости составит pgН = 1000 х 9,8 х 1000 = 9,8 МПа.
Суммарное гидродинамическое плюс гидростатическое давление составит внушительную величину (около 16 МПа), способную создать гидроразрыв пласта и их интенсивное размывание трещин, особенно в породах невысокой прочности.