первую очередь такую характеристику, как радиус протаивания ММП вокруг скважины.

4.Выбрать метод и систему регулирования температуры в скважине, позволяющую свести к минимуму растепления околоствольной зоны ММП.

5.Выбрать прочностные характеристики крепи скважины

сучетом нагрузок, обусловленных как течением растеплен­ ных пород, так и их обратным промерзанием в результате восстановления отрицательной температуры в скважине.

6.4. ТИП И КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ БУРОВОГО ПРОМЫВОЧНОГО АГЕНТА

Из всего многообразия промывочных агентов, используемых при бурении скважин, наилучшими с позиций предотвращения деградации ММП (в соответствии с общими требованиями, предъявляемыми к ним при проходке ММП) являются осушенный воздух и пена.

Сжатый воздух не замерзает при бурении в мерзлых по­ родах, не отфильтровывает жидкость в поры мерзлоты, об ­ ладает низкой удельной теплоемкостью и поэтому считается наиболее предпочтительным промывочным агентом при бу­ рении в ММП.

Необходимые для очистки скважины массовые расходы воздуха обычно в 15 —25 раз, а теплоемкость в 4 раза мень­ ше, чем для промывочной жидкости. Энтальпия воздуха при одной и той ж е начальной температуре в 60—100 раз меньше энтальпии промывочной жидкости. Это существенно умень­ шает опасность осложнений, связанных с протаиванием мерз­ лых пород. Воздух значительно эффективнее солевого раство­ ра, который, хотя и не замерзает в скважине, легко может нарушить естественное агрегатное состояние мерзлых пород.

Сжатый воздух, снижая опасность и остроту осложнений, связанных с протаиванием пород, не устраняет эти осложне­ ния полностью. На выходе из компрессора он имеет повы ­ шенную температуру (70 —80 °С), в результате чего отмечались случаи протаиваяия мерзлоты и возникали осложнения.

Имеются специфические осложнения, связанные с выпаде­ нием конденсата из воздуха: слипание частиц шлама, образо­ вание сальников, намерзание конденсата в соединениях, уменьшение проходных сечений, прихваты и др.

Результаты расчетов показывают, что даже при глубинах до 100 —200 м температура в скважине резко изменяется, и

тем больше, чем сильнее начальная температура воздуха от­ личается от температуры пород в большую или меньшую сторону. Причина в том, что воздух несет малый запас холо­ да или теплоты и быстро приобретает с глубиной температу­ ру, близкую к температуре пород. Этот процесс протекает тем быстрее, чем меньше расход воздуха и интенсивнее теп­ лообмен. При малом расходе воздуха, высоких скоростях его движения температура в скважине уже на глубине 50 —70 м становится равной температуре пород независимо от началь­ ной температуры воздуха.

Наиболее неблагоприятны условия бурения по мерзлым породам при высоких начальных температурах воздуха и больших его расходах. При этом по всему стволу может со­ храняться положительная температура, что ведет к осложне­ ниям. При малых расходах высокая температура воздуха с глубиной перестает играть отрицательную роль.

Во всех случаях бурения с продувкой температура воздуха резко возрастает у забоя скважины под действием теплоты, отбираемой от породоразрушающего инструмента. При на­ чальной температуре воздуха, близкой к температуре пород, ее распределение по скважине определяется теплотой, гене­ рируемой на забое.

Поступающий в скважину от компрессора теплый сжатый воздух при движении по скважине охлаждается, что вызыва­ ет выпадение конденсата в бурильных трубах и кольцевом пространстве. Предварительно охлажденный и осушенный сжатый воздух может лишь поглощать влагу в призабойной зоне и кольцевом канале, где он контактирует с породами, содержащими влагу в жидкой или твердой фазе. При этом полностью устраняются выпадение конденсата и все связан­ ные с ним осложнения. Нагревающийся при движении по скважине охлажденный воздух осушает ее.

Для нормализации температуры в скважине при бурении с продувкой в мерзлых породах необходимо использовать эф ­ фективную систему принудительного охлаждения и осушения сжатого воздуха.

Из существующих способов охлаждения сжатого воздуха наиболее простой и дешевый — теплообмен с естественным хладоносителем. На Крайнем Севере и Северо-Востоке в зимний период имеются идеальные условия для охлаждения сжатого воздуха до отрицательных температур за счет тепло­ обмена с атмосферным воздухом в поверхностных теплооб­ менниках. Возможно применение и других естественных хладоносителей — многолетнемерзлых пород и льда.

В практике буровых работ известен способ охлаждения сжатого воздуха с помощью поверхностного теплообменни­ ка, погружаемого в шурф, пройденный в мерзлых породах, а также с помощью двухнитевого трубопровода, помещенного в скважину, пройденную в мерзлых породах и заполненную незамерзающей жидкостью. Эффективность охлаждения можно повысить, пропустив сжатый воздух по герметичной выработке в мерзлых породах, что дает возможность достичь отрицательных температур как зимой, так и летом. Однако необходимость дорогостоящих горных работ исключает ш и­ рокое применение этого варианта охлаждения.

Использование льда в зимний период связано с трудностя­ ми заготовки и доставки к месту работ, а в летний период возможно лишь за счет искусственно созданных запасов. То и другое в сложных условиях организации буровых работ нецелесообразно.

Наиболее рационально охлаждение сжатого воздуха в ре­ зультате теплообмена с атмосферным. На практике этот спо­ соб применяется в зимнее время. Используются ресиверы, длинные трубопроводы или сваренные из труб батареи. Эти устройства громоздки, неудобны в условиях частых перево­ зок и малоэффективны.

Хорошие результаты дает применение компактного реб­ ристо-трубчатого холодильника с большей поверхностью теплообмена со стороны холодного атмосферного воздуха в сочетании с принудительной его циркуляцией с помощью вентилятора.

сжатый воздух до отрицательных температур этим способом невозможно. Однако охлаждение выходящего из компрессо­ ра горячею сжатого воздуха за счет теплообмена с атмо­ сферным очень полезно. Снижение температуры сжатого

снизить внутреннюю энергию воздушного потока. В зимний период может эксплуатироваться лишь первая ступень ох ­ лаждения, достаточная для получения сжатого воздуха с от­ рицательной температурой порядка минус 10 °С, а в летний период желательно сочетать ее со второй ступенью охлажде­ ния.

Из существующих способов искусственного охлаждения наиболее приемлемыми следует считать: охлаждение в ре­ зультате изменения внутреннею баланса энергии при расш и­

рении воздуха с отдачей внешней работы; охлаждение за счет теплообмена с искусственным хладоносителем — хлад­ агентом с помощью холодильной машины.

Расширение воздуха с отдачей работы может проводиться в поршневых детандерах или турбодетандерах. Турбодетанде­ ры требуют тщательной предварительной очистки и осуше­ ния воздуха, нуждаются в высококвалифицированном обслу­ живании и весьма дороги.

Специальные турбодетандеры для охлаждения воздуха при бурении с продувкой скважин на нефть и газ разрабатыва­ лись в б. Куйбышевском авиационном институте, но пока практического применения не нашли.

Газожидкостные системы, используемые при бурении как промывочные агенты, делятся на аэрированные жидкости, туманы и пены. Пены — это, как правило, многофазные дисперсные системы, где дисперсионной средой служит жид­ кость, а дисперсной фазой —газ, который составляет до 99 % объема системы. Пузырьки газа разделены тонкими пленка­ ми воды. В аэрированных жидкостях концентрация газа значительно ниже, его пузырьки, имеющие сферическую

газовой фазы способствует снижению в широком диапазоне гидростатического давления столба промывочного агента, обеспечивает лучшие условия удаления из скважины шлама и т.д. Ж идкая фаза, содержащая поверхностно-активные веще­ ства (ПАВ), химические реагенты (КМЦ, гипан и др.), глино­ порошок, смазывающие, ингибирующие, противоморозные и прочие добавки, позволяющие управлять технологическими свойствами пен, определяет их большую эффективность в осложненных условиях, чем многих других промывочных агентов.

Газожидкостные системы широко применяются при буре­ нии скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые во многих странах мира в самых разнообразных геолого-технических условиях. В настоящее время быстро распространяется применение пен, в результате чего резко сокращается число осложнений, особенно прихватов бурово­ го инструмента при бурении скважин. Отмечается снижение

ветственно жидкости и газа, кг/с; t{, t2 — температура соот­ ветственно жидкости и газа, °С.

Начальная температура пены в значительной мере зависит от температуры жидкости. Температура воды в районах Крайнего Севера и Северо-Востока в летний период не пре­ вышает 6 —10°С. В этих условиях при температуре сжатого воздуха 30 °С, как показали расчеты, температура пены при входе в скважину не превышает 8 —15 °С (табл. 6.1).

Из-за малых массовых расходов и особых теплофизичес­ ких свойств пена несет малый запас энтальпии. Поэтому при бурении по многолетнемерзлым породам ее температура, на­ чиная с небольшой глубины скважины, приобретает темпера­ туру окружающих пород. Охлаждение пены будет происхо­ дить тем быстрее, чем ниже ее начальная температура. Таким образом, пена не требует специального предварительного о х ­ лаждения в отличие от всех других промывочных агентов, что делает ее наиболее экономичной и технологически эф ­ фективной для бурения скважин по многолетнемерзлым по­ родам, цементирующим материалом которых служит лед.

С целью получения однородной стабильной пены исполь­ зуют полиакриламид ПАА, КМЦ-500 и сульфонол НП-1. В состав пен рекомендуется вводить ПАА как более эффектив­ ный и дешевый по сравнению с КМЦ продукт. Это дает возможность одновременно снизить расход дорогостоящего сульфонола до 0,1 %. Состав рекомендуемой композиционной добавки: ПАА — 0,25% и сульфонол — 0,1 % (по объему). В этом случае расход ПАВ (сульфонола) снижается в 2 раза.

Применением однородных стабильных пен повышена ус­ тойчивость стенок скважин при проходке ММП. Выход кер­ на в ненарушенном состоянии в зоне мерзлых пород дости­ гает 100 % против 60 % при бурении с промывкой жидкостя­ ми.

Применение пены часто позволяет упростить конструкцию скважин и тем самым снизить расход обсадных труб.

Опыт показал, что при бурении многолетнемерзлых пород содержание жидкой фазы в пене следует уменьшить. При подаче сжатого воздуха от 0,026 до 0,035 м3/с количество раствора пенообразователя рекомендуется не более (0,08* 0,25)-10-3 м3/с.

При бурении в многолетнемерзлых породах ограниченно можно применять пену даже без ввода в нее противоморозных добавок. В табл. 6.2 приведены данные о времени полно­ го перемерзания пены в стволе скважины в зависимости от состава пенообразующего раствора и температуры окружа­ ющих пород.

Пресные пены при прекращении циркуляции замерзают, сохраняя ячеистую структуру; ее разрушение не представляет особых трудностей.

При бурении в мерзлых породах пена, если она сохраня­ ется между трубами и породой, не приводит к смятию ко ­ лонны обсадных труб, так как содержит всего 2 % воды.

Пена хорошо вытесняется цементным раствором или бу­ ферной жидкостью при цементировании обсадных колонн.

По данным Г. Андерсона, для удаленного района (север Юкона) стоимость 1 ч бурения с пеной была в 1,21 раза вы­ ше, чем с промывкой глинистым раствором (с учетом расхо­ дов на транспортировку оборудования и простоев по клима­ тическим условиям), однако время бурения сократилось в 2,5 —3 раза.

По данным Б.Б. Кудряшова, при бурении с пеной механи­ ческая скорость возрастает в 1,4—1,6 раза, а проходка на долото увеличивается в 1,2—1,6 раза. Применение пен позво­ ляет в целом повысить производительность и экономичность буровых работ за счет сокращения затрат времени и матери­ алов на борьбу с поглощениями, а также улучшить условия охраны недр.

В настоящее время пена как промывочный агент привле­ кает многих специалистов по бурению. На стадии внедрения промывки пенами в производство необходимо четко пред­ ставлять область их рационального использования. Известна рентабельность применения пен в ряде осложненных геоло­ гических (мерзлые, трещиноватые, кавернозные, глинистые породы) и организационных (районы трудного водоснабже­ ния) условий. Доказана экономическая эффективность пен по сравнению с глинистыми растворами и аэрированными жид­ костями при работе с различным породоразрушающим инст­ рументом.

Однако на практике в конкретных геолого-технических условиях часто возникает необходимость оценки целесооб­ разности применения пен исходя из максимального давления нагнетания, возможности использования в проектируемой конструкции скважин рациональной схемы обвязки устья, благоприятного соотношения диаметров скважин и буриль­ ных труб для выбранной степени аэрации, предельной глуби­ ны бурения по принимаемой схеме и т.д. Для решения этих вопросов необходимо иметь достаточно точную, надежную и доступную для практических расчетов методику определения гидравлических потерь давления при циркуляции пены в скважине. Существует несколько таких методик. Однако од­ ни применимы только для скважин большого диаметра при минимальной степени аэрации, другие малопригодны для тех­ нических расчетов, ибо требуют дополнительных данных на основе экспериментальных исследований.

Во многих случаях геолого-технические условия бурения не позволяют применять сжатый воздух или пены. Тогда прибегают к использованию промывочных жидкостей при бурении пород с отрицательными и положительными темпе­ ратурами. В этих условиях применение даже пресных рас­ творов имеет свой особенности, определяемые в первую оче­ редь климатическими (низкие температуры окружающего воздуха), организационными (дальность перевозок, длитель­ ность хранения материалов, трудность водоснабжения и др.), а также экономическими показателями (повышенная стои­ мость используемых материалов и др.).

Промывочные жидкости с малым содержанием твердой фазы обязательно содержат флокулирующий реагент. В рас­ твор с малым содержанием твердой фазы не рекомендуется вводить химические реагенты-пептизаторы. В отличие от них малоглинистые растворы содержат кроме глины и воды реа­ генты-стабилизаторы, которые вводятся для контроля за во­ зов

доотдачей. Эти растворы характеризуются быстрым измене­ нием плотности, вязкости и других свойств в результате пе­ рехода в раствор частиц выбуренной породы.

К малоглинистым растворам относят растворы с содержа­ нием глины не более 5 %. Использование растворов, содер­ жащих только техническую воду и глину, в настоящее время нерационально. Такая система может быть рекомендована только для получения пресных промывочных жидкостей с применением высококачественного бентонитового порошка и в тех случаях, когда возникает необходимость контролиро­ вать вязкость и статическое напряжение сдвига.

В табл. 6.3 приведены параметры глинистого раствора, по­ лученного из глинопорошка ильского завода “Утяжелитель", измельченного в ЭМИ, предварительно гидратированного в течение 24 ч, обработанного Na2C 0 3 и реагентами-стабили­ заторами КМЦгбОО, М-14 и гидролизованным полиакрилами­ дом (ГПАА). Эффективность применения таких растворов в значительной степени зависит от надежной очистки их на поверхности от частиц выбуренной породы.

В настоящее время для получения низкотемпературостой­ ких полимерглинистых растворов при бурении скважин в районах распространения многолетнемерзлых пород в каче­ стве противоморозных добавок в основном используют элек­ тролиты NaCl, КС1 и реже СаС12. Однако получение стабиль­

затруднено. Такие растворы, как правило, нестабильны, лег­ ко разделяются на твердую и жидкую фазы.

С целью улучшения свойств получаемых растворов в каче­ стве противоморозных добавок были испытаны Na2Br40 7, Na2C 0 3 и Na2N 0 3 (табл. 6.4). Во всех случаях в качестве поли­ мерного реагента-стабилизатора использовали КМЦ-500; в растворах применялся глинопорошок первого сорта ильского завода “Утяжелитель".

Низкотемпературостойкие растворы ПАА могут быть по­ лучены при введении в них солей NaCl или КС1 (табл. 6.5).

Видно, что при увеличении в растворе ПАА от 0,3 до 1,5 % при постоянном содержании КС1, равном 4%, пластическая вязкость растет. Вязкие полимеркалиевые растворы могут быть рекомендованы для бурения мерзлых гравийных отло­ жений. Полимеркалиевые растворы рационально также при­ менять при бурении мерзлых глинистых пород.

Для определения количества неэлектролитов, обеспечива­ ющего понижение температуры до требуемых значений, можно с достаточной для практических целей точностью пользоваться формулой

у = 0,53AfMG,

где 0,53 — размерный коэффициент, 1/(кг с); At — желаемое понижение температуры замерзания воды; М — молекуляр­ ная масса добавки, кг; G — масса воды, кг.

Определенный интерес представляет водогипановый рас­ твор в полимерном и полимерсолевом вариантах для бурения пород с отрицательными температурами (табл. 6.6).

Т аб ли ца 6.5

Параметры низкотемпературостойких полимерсолевых жидкостей