§ 6. Бурение скважин с применением газожидкостных смесей

Газожидкостные смеси (системы) делятся на ряд типов: аэрированная жидкость, туман и пена. Это многофазные дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой — пузырьки воздуха (аэрированная жидкость), или наоборот — воздух служит дисперсионной средой, а дисперсной фазой — капельки жидкости (туман, пена). Соотношение объемов фаз в газожидкостных системах (ГЖС), определяющее их характер, оценивают степенью аэрации — а_ж = У_г / У_ж, где К_г — объем газа (воздуха); У_ж — объем жидкости при атмосферном давлении. При а_ж s 60 система относится к аэрированным жидкостям, а при а_л = 60+300 — к пенам. Есть и другие методики оценки ГЖС, в частности, кратность К_и отношения объема пены У„ к объему жидкости У_ж, содержащей пенообразователь, т. е. К„ = VJV_X. Газожидкостную смесь с кратностью К„ > 3,8 относят к пенам, а при К_а £ 3,8 — к эмульсиям.

Основным отличительным свойством пены является невысокая плотность —10—5 кг/м¹. С этим связан ряд преимуществ пены перед промывочными жидкостями, которые обеспечивают повышение механической скорости бурения и углубки на ПРИ, уменьшение загрязнения продуктивных пластов пород с низким пластовым давлением и др.

Пена обладает повышенной несущей способностью по сравнению с водой (в 7—8 раз), низкой водоотдачей, антифрикционными свойствами, низкой теплоемкостью и теплопроводностью.

Для получения высокоустойчивой (стабильной) пены в водный раствор ПАВ добавляют стабилизаторы. При бурении в условиях отрицательных температур добавляют антифризы для снижения температуры замерзания пены (этиленгликоль, изопропиловый спирт) или поваренную соль. Применение модифицированной стабильной пены весьма эффективно при бурении скважин в осложненных геолого-технических условиях: в случае потери (поглощения) промывочной жидкости, при бурении по вспучивающимся породам, в мерзлых породах и др. Используют пены при бурении любым породоразрушающим инструментом, снарядами со съемными керноприемниками, а также с пневмоударниками.

С целью повторного использования пенообразователя при полной схеме циркуляции пены в скважине прибегают к ее разрушению (пеногашению) тем или иным способом: химическим, механическим, физическим, комбинированным.

Технология бурения

При вращательном бурении скважин с удалением продуктов разрушения пеной применяют твердосплавный, алмазный, шарошечный ПРИ (коронки или долота) и стандартный набор бурового снаряда, в состав которого включают два обратных клапана с целью предупреждения выброса пены в момент прекращения ее подачи в скважину при наращивании или подъеме колонны БТ. Клапаны устанавливают в верхней части бурильной колонны (на устье) и над колонковой трубой или долотом у забоя. При глубине скважины более 1000 м рекомендуется включать дополнительный клапан в середине колонны. Для сбрасывания давления в нагнетательной линии используют кран в распределительной системе с*5вязки устья скважины (манифольда) или специальное разгерметизирующее приспособление, ввинчиваемое в соединение БТ, в которое включен обратный клапан. Через штуцер, к которому присоединяют сливной шланг, часть пены сбрасывают перед подъ

емом колонны в приемную емкость циркуляционной системы. При глубине скважин до 200 м обратные клапаны обычно не ставят.

При бурении с пеной, как и при бурении с воздухом, на устье скважины устанавливают герметизирующее устройство (ГУ).

Параметры режима бурения с пеной алмазными коронками определяют, исходя из рассмотренных ранее условий эффективности работы ПРИ.

(14.2)

Осевая нагрузка при бурении с пеной может быть рассчитана по формуле

G₀ = 0,1

гдеХ^ — коэффициент, учитывающий снижение трения (K_fl =1,1); <р_л — коэффициент, учитывающий изменение площади контакта торцовых алмазов с породой забоя (у>_а=0,17+0,23); Р_ш — твердость породы, Н/м²; S_a — площадь контакта торцовых алмазов с породой забоя, м.

Площадь 5_а вычисляется по формуле

(14.3)

где d_a — средний диаметр зерен алмазов, м; Л_а — глубина внедрения алмазов в породу, м; z_K — число алмазов, контактирующих с породой забоя.

Величина Л_а колеблется в пределах (0,002-5-0,02) </_а, а в среднем Л_а=0,01 tf_a. Количество алмазов z_K для однослойных коронок составляет около 0,66 2_0б, а для импрегнированных z_K=0,5 z^, где Zq6 — общее число торцовых алмазов.

Осевая нагрузка по мере износа алмазных зерен и увеличения 5_а должна возрастать для поддержания заданного уровня углубки скважины за один оборот ПРИ.

Частоту вращения подбирают, исходя из величины забойной мощности, задаваемого расхода пены, оптимальной величины углубки за 1 оборот и расчетной осевой нагрузки (табл. 14.2).

Режим промывки пеной определяется расходом раствора ПАВ и воздуха в зависимости от условий бурения и типа ПРИ. Так, при бурении в слабо трещиноватых, плотных породах применяют пену со степенью аэрации а=50+100 при расходе воздуха (?„⁼0,7+1,8 м³/мин и раствора ПАВ 0_Р=12+16 л/мин. При бурении в сильно трещиноватых, слабосцементированных породах используется пена с а=100+200 (Q_B=0,8+1,0 м³/мин, Q_p=5+10 л/мин). Давление пены в нагнетательной линии зависит от глубины скважины и величины зазоров между коронкой и забоем. Так, при глубине до 600 м давление пены достигает р_и=2,0+2,5 МПа, а в условиях интенсивного водопритока возрастает до 3,5 МПа. В таких условиях снижается интенсивность циркуляции пены, что может вызвать прижог коронки. Для снижения давления в этом случае уменьшают степень аэрации пены до 60+75, уве-

Таблица 14.2. Рекомендуемая частота вращения алмазных коронок диаметром 59 мм при бурении с пеной

Категория пород по буримости	Тип коронки	Зернистость объемных алмазов.	Частота вращения п, об/с
		шт/кор	расчетная	по рекомендации ВПТРа
VI-VII	О 4 АЗ	10-30	6,7-15,8	6,7-11,7
VIII—IX	05АЗ	20-30	5,4-17,2	8,3-20,0
	01А4	40-50	3,3-10,0	8,3-20,0
IX-XI	02 ИЗ 02И4 02 И5	120-150	9,2-16,1	13,3-28,3
XII	02 ИЗ 02И4 02 И5	150-400	13,3-17,8	10,0-16,7

личив расход раствора ПАВ до 12-S-16 л/мин. Такие условия могут возникать при работе импрегнированных коронок, параметры режима бурения некоторыми типами которых приведены в табл. 14.3.

Таблица 14.3. Рекомендуемые значения параметров режима бурения с пеиои имнрегнированными коронками

Тип коронки	Зернистость объемных алмазов, шт/кар	Параметры
		л, об/с	с0, даН
02ИЗГК	120	9,2-16,1	1100-1450
02ИЗГТ	150	9,2-16,1	1100-1450
02ИЗГТ	200	13,3—17,8	1600-2100
02ИЗГД	200	13,3-17,8	1600-2100
И4ДП-59	200-400	13,3-17,8	1600-2100

Бескерновое бурение с пеной успешно осуществляется шарошечными долотами типа ДД-76 при следующих параметрах режимов: «=231-5-288 об/мин, G₀=2+3 кН, расход пенообразующего раствора

1. 13-10~³ — 0,16-10^_3 м³/с, расход воздуха 0,03—0,033 м³/с, давление нагнетания 0,5—2,5 МПа.

Пену используют также при ударно-вращательном способе бурения с пневмоударниками. При этом расширяется область применения пневмоударников в обводненных скважинах, правда, ограниченной глубины —до 150 м. Расход ГЖС составляет 0,13 -Ю^-3 м³/с при давлении в нагнетательной линии 2,5 МПа.

Технологические процессы при бурении с пеной имеют опреде- лепную специфику. Это касается СПО и наращивания колонны бурильных труб.

После спуска бурового снаряда должна быть восстановлена циркуляция пены. При большой глубине скважины на этот процесс затрачивается много времени (до 1,5 ч). Для сокращения этого времени допускается начинать процесс бурения до выхода пены на поверхность, руководствуясь показаниями манометра. До восстановления циркуляции пены оно превышает давление, имеющее место в процессе бурения. Снижение давления до нормального (рабочего) свидетельствует о восстановлении циркуляции пены в призабойной части скважины, что позволяет начинать бурение до выхода ее из устья скважины.

При наращивании колонны бурильных труб и отсоединении сальника из колонны возможны выбросы пены. Поэтому перед наращиванием колонну труб приподнимают над забоем, отключают дожимной и дозировочный насосы, а также компрессор. Через регулировочный кран циркуляционной системы пену сбрасывают в приемную емкость. Давление в нагнетательной линии (до верхнего обратного клапана в бурильных трубах) выравнивается с атмосферным, после чего отсоединяют сальник и наращивают колонну БТ. При подъеме бурового снаряда по окончании рейса выполняют эти же операции. Затем подъем колонны производят до следующего обратного клапана. Разгерметизируют нижнюю часть снаряда, после чего продолжают его подъем.

С целью сокращения времени на разгерметизацию колонны БТ при большой глубине скважин можно использовать другой технологический прием, заключающийся в том, что перед подъемом снаряда в течение нескольких минут в колонну БТ подают только воздух при выключенном дозирующем насосе до тех пор, пока вся пена не будет вытеснена из бурильной колонны.

При бурении комплексами КССК или ССК в колонну БТ не включаются обратные клапаны, что создает определенные сложности в разгерметизации бурового снаряда перед его наращиванием или подъемом. На этот процесс уходит много времени. Для его ускорения перед наращиванием БТ или перед их подъемом прибегают к заполнению колонны водой, закачиваемой с помощью дозировочного насоса при выключенных дожимном насосе и компрессоре.

При бурении с пеной возможны осложнения, связанные с геолого-техническими условиями выполнения работ. Причиной осложнений могут быть значительный водоприток, при котором изменяется степень аэрации ГЖС. С этим связано снижение стабильности пены, увеличение ее плотности и ухудшение выносной способности. В таких условиях следует повышать степень аэрации пены при ее генерации. При пересечении пластов слабоустойчивых пород с целью предупреждения их обрушения рекомендуется применять многокомпонентную пену с добавками, повышающими ее выносную способность и устойчивость пород.

Осложнения чисто технического характера могут быть связаны с негерметичностью колонны БТ, выходом из строя обратных клапанов вследствие их износа или поломки.