ВВЕДЕНИЕ

Успех строительства нефтяных и газовых скважин главным образом зависит от состава и свойств буровых растворов, которые должны обеспечить безопасность, безаварийность бурения и качественное вскрытие продуктивного пласта. Применение буровых растворов и регулирование их свойств требует значительных денежных затрат, затрат времени на их химическую обработку и очистку.

Промывочные жидкости имеют огромный спектр функций, они не только удаляют продукты разрушения из скважины, охлаждают породоразрушающий инструмент, передают гидравлическую энергию забойному двигателю, способствуют разрушению забоя, но и обеспечивают предупреждение и ликвидацию осложнений, вскрытия продуктивных пластов и в целом способствует повышению качества буровых работ на нефть и газ и выполняют еще много дополнительных специальных функций. Большое количество функций буровых растворов, ограничений и требований по применению, усложнение геолого-технических условий бурения в связи с ростом глубин и выход на морские акватории и крайний север способствовало развитию рынка буровых растворов и в настоящее время список буровых систем и реагентов огромен и составляет более 2000 наименований.

Приготовление сложных по составу систем буровых растворов, определение параметров и оперативный контроль их качества в процессе бурения, обработка разнообразными химическими реагентами, требуют знаний физической, коллоидной неорганической и органической химии.

В настоящее издание включены новейшие достижения в области производства систем буровых промывочных жидкостей, регулировании их свойств, приготовление и очистка. Начинающий обучение студент найдет в пособии основы физико-химии дисперсных систем, свойств глинистых минералов как основного материала для приготовления БПЖ.

1 Тема: «Общее представление о буровых промывочных жидкостях их функциях и требования к ним»

Вопросы для изучения:

1.1 Эволюция буровых промывочных жидкостей

1.2 Общие сведения о технологии промывки скважин

1.2.1 Способы очистки забоя скважин

1.3 Назначение буровых промывочных жидкостей (БПЖ) при бурении скважин

1.3.1 Разрушение забоя скважины

1.3.2 Очистка забоя скважины

1.3.3 Вынос выбуренной породы из скважины

1.3.4 Охлаждение и смазка долот, бурильных труб

1.3.5 Передача гидравлической энергии забойному двигателю

1.3.6 Предупреждение нефтегазоводопроявлений

1.3.7 Формирование на стенках скважины малопроницаемой фильтрационной корки

1.3.8 Удержание во взвешенном состоянии твердой фазы при временном прекращении циркуляции

1.3.9 Предупреждение осыпей и обвалов

1.3.10 Обеспечение качества вскрытия продуктивных пластов

1.3.11 Уменьшение веса колонны бурильных и обсадных труб

1.3.12 Предохранение бурового инструмента и оборудования от коррозии и абразивного износа

1.3.13 Обеспечение получения информации

1.3.14 Сокращение затрат на крепление

1.3.15 Экологическая безопасность буровых растворов

1.4 Требования к буровым промывочным жидкостям

1.5 Выбор и проблема оптимизации качества бурового раствора

1.1 Эволюция буровых промывочных жидкостей

Эволюция буровых промывочных жидкостей шла долгим путем совершенствования состава и технологией применения в соответствии с развитием и усложнением технологии бурения скважин от «буровой грязи» до сложных многокомпонентных систем с регулируемыми физико-химическими и технологическими свойствами.

Так, в Китае более 2 тысяч лет назад при ударном бурении для удаления желонками илистой выбуренной массы применялось смачивание водой за­боя скважин. До начала двадцатого века состав буровых промывочных жидкостей практически не менялся, но были отмечены некоторые факты такие как: глинизация и холодная битумизация ство­ла скважины, вскрывающих неустойчивые горные породы и плывуны, а также создание гидростатического давления промывочной жидкости для предотвращения водонефтегазопроявлений, которые способствовали в дальнейшем развитию буровых промывочных жидкостей.

Буровые растворы как важный элемент в процессе строительства скважин появились в XIX-м веке. Идея промывки скважин непрерывной циркуляцией воды по трубам и затрубному пространству принадлежит французскому инженеру Фовеллю (1848 г.). В 1887 г. американец М. Д. Чэпмен предложил вводить в поток воды глину, отруби, зерно или цемент для создания на стенках скважин малопроницаемой корки. Первые патенты на буровые промывочные жидкости были получены в 1887 г. А. Краузе и М. Чепменом.

Результаты первых исследований в области промывки скважин были опубликованы А. Хегтманом и Д. Поллардом в 1914 г., А. Льюисом и В. Мак-Мюрреем в 1916 г. Их работы были посвящены созданию рецептур промы­вочных жидкостей, предотвращающих газопроявления и улучшающих устойчивость ствола скважины. Практическое применение их исследований стало возможным только через 10 лет, после того как Б. Строудом были предложены различные виды утяжелителей и методы утяжеления промывочных жидкостей. К этому времени уже был накоплен некоторый опыт их химической обработки. Стали известны методы улучшения глин, действие кальцинированной соды, фосфатов, жидкого стекла, различных электролитов, а также на­полнителей для борьбы с поглощениями промывочной жидкости.

В 30-е годы, несмотря на бурное развитие буровой техники, число исследований в области применения буровых растворов было незначительным и такие параметры раствора, как удельный вес и вязкость часто были синонимами, а эффективность бурения зависела от индивидуальных способностей исполнителя.

Первыми исследователями реологических свойств буровых промывочных жидкостей были К.А. Царевич, Р.И. Щищенко, П. Эванс и А. Рейд. Они применили уравнение Шведова-Бингама и заложили основы буровой гидравлики. B.C. Баранов и другие исследователи (П. Джонс, М. Вильяме и Г. Кеннон) установили значимость водоотдачи и коркообразования растворов. Были предложены новые средства химической обработки — природные танниды (квебрахо), щелочные гуматы (УЩР) (B.C. Баранов, Г. Лаутон и др.), лигносульфонаты, щелочной крахмал (Г. Грей с сотрудниками), солестойкая глина (Р. и М. Кросс) и т. п. П.А. Ребиндером с сотрудниками изучены физико-химические свойства БПЖ и их влияние на разрушение горных пород. Ими было установлено адсорбционное понижение прочности пород, исследованы процессы диспергирования, пептизации и перехода глины и выбуренной породы в суспензию. Значительный вклад в изучение системы глина - вода и устойчивости пород, слагающих стенки скважин внес B.C. Шаров. Физико-химические исследования буровых промывочных жидкостей проводились также в США В. Льюисом с сотрудниками, А. Лумисом и др. Ф. Ральхаузеном и С. Бишкиным в 1937 г. были успешно испытаны жидкости на нефтяной основе, ставшие в последующем лучшими буровыми жидкостями для вскрытия и освоения продуктив­ных пластов, позволившими сохранять их естественную проницаемость.

Резко изменилось отношение к буровым растворам в середине 40-х годов после того, как многими специалистами было установлено, что продуктивность вскрываемых нефтяных пластов в значительной степени зависит от качества применяемых глинистых растворов.

Исследования в эти годы были направлены в основном по пути усовершенствования химической обработки буровых растворов. Большое значение приобрели защитные коллоиды (карбоксиметилцеллюлоза, акриловые полимеры, модифицированный крахмал, конденсированная сульфит-спиртовая барда), понизители вязкости (синтан, кортан, окисленный лигнин, хромлигносульфонаты, хроматы) и ряд специальных реагентов (смазочные добавки, эмульгаторы, пеногасители, бактерициды и др). С помощью этих реагентов удалось значительно расширить возможности бу­рения скважин в различных термобарических условиях, а также при наличии солевой агрессии.

Широкое внедрение известковых жидкостей начавшееся в 1945-1946 гг. ознаменовало новую эпоху в области химической обработки буровых промывочных жидкостей и дальнейшее развитие методов ингибирования. Быстрыми темпами происходило внедрение эмульсионных жидкостей, способствующих уменьшению возникновения осложнений, аварий, улучшению показателей бурения. В шестидесятых годах этот эффект был усилен применением смазочных и противоизносных добавок, позволивших помимо профилактики затяжек и прихватов значительно увеличить проходку на долото и механическую скорость бурения.

В пятидесятых годах прошлого столетия появились инвертные эмульсии позволившие значительно повысить экономичность промывочных жидкостей на нефтяной основе, особенно с высоким содер­жанием водной дисперсной фазы.

Большой успех химической обработки был достигнут в результате применения хроматных и хромлигносульфонатных реагентов. Окисленно-замещенные лигносульфонаты сначала обеспечили внедрение гипсовых буровых жидкостей, а впоследствии приобрели самостоятельное значение как эффективные понизители вязкости и средства общего улучшения жидкостей в широком диапазоне забойных температур.

В настоящее время все большее применение находят жидкости с низким содержанием твердой фазы и жидкости без твердой фазы, такие как вода и различного рода аэрированные жидкости, основным преимуществом которых является уменьшение гидростатического давления, большее проникновение в поры и трещины призабойной зоны и между обломками выбуренной породы, лучшая очистка забоя.

Достижением последних лет ряда зарубежных и отечественных компаний, занимающихся исследованием в области буровых промывочных жид­костей является применение безглинистых полимерных и биополимерных растворов, способствующим максимально сохранить первоначальную продуктивность коллектора. В основном это полимеры растительного происхождения, про­дукция направленного синтеза и биополимеры.

В последние годы развитие новой технологии вскрытия продуктивных пластов на депрессии (давление в скважине ниже пластового) вызвало необходимость применения облегченных буровых растворов с плотностью ниже 1000 кг/м³. Для реализации этой технологии применяют в основном нефть аэрированную азотом.

Рассмотренные этапы эволюции буровых промывочных жидкостей показали, что значительные изменения происходили в последние десятилетия. Следует заметить, что большое внимание в настоящее время отводится не только химическому составу буровых растворов и регулированию их свойств, но и широко рассматриваются вопросы по технологии приготовления и очистки буровых растворов, разработке лабораторного оборудования по определению свойств буровых растворов.

Передовые отечественные производители реагентов, систем буровых растворов, оборудования по их приготовлению и очистке, разработки которых наиболее известны и применяемы при бурении скважин: ЗАО «ПОЛИЦЕЛЛ», ОАО «Интернешнл Касп Флюидз» (ИКФ), НПО «Бурение», ООО «Компания «Техномехсервис», “ИКФ-СЕРВИС”, “ЭкоАрктика”, “Буртехнологии” и др.

ЗАО «ПОЛИЦЕЛЛ» - лидер в стране по производству эфиров целлюлозы и крахмала для нефтегазодобывающей промышленности.

В России специализированной компанией, которая выполняет весь комплекс работ по буровым растворам, начиная с производства реагентов, материалов, специального оборудования и приборов до разработки технологий приготовления растворов и осуществления инженерного сервиса на буровых предприятиях является ОАО «Интернешнл Касп Флюидз» (ИКФ), находящаяся в г. Волгограде.

НПО «Бурение» занимается разработкой и изготовлением приборов по контролю за свойствами БПЖ и оборудованием для их приготовления и очистки.

Из зарубежных фирм MI SWACO (Smith International, Inc. and Schlumberger, Inc. company) является одной из ведущих фирм и занимает порядка 50% рынка буровых растворов.

Основные сферы деятельности: M-I - буровые растворы, растворы для вскрытия продуктивных горизонтов, растворы для освоения и капитального ремонта скважин; SWACO - оборудование для контроля давления в скважине, оборудование очистки буровых растворов, оборудование для сбора и утилизации буровых отходов.

Основными участниками российского рынка буровых растворов, помимо M-I SWACO, являются западные компании Baroid Fluid Services (Halliburton), Baker Hughes Drillling Fluids (Baker Hughes INTEQ) и российские компании “ЭкоАрктика”, НПО “Бурение”, “Буртехнологии” и некоторые другие.