книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

разрушения под действием среды изменяются в основном в ре­ зультате физико-химических явлений, происходящих на поверхно­ сти раздела твердое тело — окружающая среда, а именно, в резуль­ тате явлений смачивания и адсорбции. П. Л. Ребиндером было предложено использовать физико-химические факторы для облег­ чения механического разрушения твердых тел, что и было разра­ ботано им совместно с сотрудниками [70], при этом те поверхност­ но-активные вещества, в присутствии которых сопротивляемость твердых тел механическому разрушению понижается, были назва­ ны понизителями твердости. Понизители твердости по своему хи­ мическому составу и физико-химическим свойствам делятся на два класса: электролиты и органические соединения.

Было установлено, что эффективность действия электролитов в зависимости от концентрации их в промывочной жидкости имеет максимум, причем обычно в области малых концентраций, а ор­ ганические вещества этого максимума не имеют. В качестве по­ низителей твердости из электролитов можно применять хлорис­ тый натрий и хлористый алюминий, едкий натр, известь, жидкое стекло, кальцинированную соду; из органических веществ — раз­ личные мыла, в основном технические.

Наиболее эффективными понизителями твердости являются мы­ ла, но их эффективность велика только в щелочной среде, что обычно достигается подщелачиванием кальцинированной содой. Мыла представляют собой универсальные понизители твердости для всех пород, независимо от минералогического состава послед­ них за исключением чистых кварцитов, в которых их эффектив­ ность близка к эффективности хлористого алюминия.

Остальные понизители твердости действуют избирательно на по­ роды определенного минералогического состава. Так, например, щелочные электролиты эффективны для карбонатных пород, но не действуют на кварциты; хлориды, наоборот, эффективны для квар­ цитов и кварцсодержащих пород, не не действуют на карбонатные породы.

При выборе понизителей твердости для песчаников исходят из минералогического состава цементирующего вещества, так как их прочность в основном определяется этим составом.

Подбор понизителен твердости»должен вестись обязательно с учетом солевого состава дисперсионной среды, циркулирующей в скважине промывочной жидкости. Солевой состав определяется;

1) электролитами, содержащимися в воде, на которой приго­

товляется раствор; 2) ионами, переходящими в жидкую фазу из глины, применяе­

мой для приготовления раствора;

3)солями минерализованных пластовых вод, попадающих в раствор из проходимых пород при бурении;

4)нонами из обломков разбуриваемых пород (каменная соль,

сульфат кальция и т. п.), растворяющихся в жидкой фазе раство­ ра.

30

Учитывать солевой состав дисперсионной среды промывочной жидкости тем более небходимо, если иметь в виду, что для мно­ гих понизителей твердости прирост их эффективности снижается при увеличении концентрации этих понизителей в указанной среде; более того, при превышении некоторого значения концентраций действие понизителей твердости может ухудшаться.

При подборе понизителей твердости необходимо учитывать так­ же влияние их на те или иные свойства промывочной жидкости, ко­

торые обусловливаются инженерно-геологическими условиями бу­ рения.

Влияние понизителей твердости на эффективность разрушения горных пород изучалось также в одном из американских институ­ тов [104]. В опытах американских исследователей в качестве пони­ зителей твердости использовались электролиты, такие, как едкий натр, известь, кальцинированная сода, жидкое стекло, фосфат нат­ рия. По свидетельству самих экспериментаторов, результаты их опытов полностью совпадают с выводами советских исследовате­ лей, сделанных задолго до них. Так, в трех опытах с использова­ нием раствора едкого натра концентрацией 0,07% эффективность разрушения индианского известняка увеличилась на 52,56 и 67% по сравнению с разрушением этой породы в присутствии дистил­ лированной воды. Другие электролиты давали сравнительно незна­ чительный эффект.

Вподтверждение выводов советских исследователей о наличии

уэлектролитов оптимума концентрации для той или иной породы (для известняка 0,05—0,07% едкого натра) была проведена серия

опытов с использованием раствора едкого натра с концентрацией в 2 раза большей, чем оптимум, т. е. 0,14%. В результате эффектив­ ность понизителя твердости уменьшилась на 80—40% по сравне­ нию с таковой при оптимальной концентрации едкого натра.

Серия опытов была проведена при условиях, сходных с разруше­ нием породы затупленным долотом. В присутствии раствора едко­ го натра концентрацией 0,07% эффективность разрушения породы увеличилась на 22% по сравнению с таковой при использовании дистиллированной воды.

Было установлено, что на сопротивляемость породы разруше­ нию значительное влияние оказывают также вода, утяжеленный и бентонитовый глинистые растворы и буровые растворы, содержа­ щие крахмал или натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Так, сопротивляемость разрушению индианского известня­ ка, насыщенного жидкостью, содержащей 35% крахмала или 14% бентонитового глинистого раствора, была почти на 31% ниже, чем сопротивляемость этой породы в сухом виде. Другие указанные выше жидкости оказывали несколько меньшее влияние на бури-

мость породы.

Эти данные об эффективности понизителей твердости и раз­ личных промывочных жидкостей в увеличении скоростей проход­ ки находятся в кажущемся противоречии с имеющейся практикой

31

бурения скважин при использовании в качестве промывочного аген­ та воздуха или других газов, когда скорости бурения обычно полу­ чаются значительно выше, чем при промывке забоя различными жидкими веществами (различными буровыми растворами). Пос­ леднее объясняется, во-первых, тем, что при продувке забоя газом выбуренная порода лучше удаляется из-под рабочих элементов долота, и, во-вторых, тем, что при использовании в качестве про­ мывочного агента газа гидростатическое давление на породу забоя скважины почти отсутствует.

Эффективность понизителей твердости зависит от механических условий разрушения горной породы: она повышается при уве­ личении образования микротрещин вблизи места приложения внеш­ них сил, в так называемой зоне предразрушения. Проникая в эти трещины, молекулы понизителей твердости препятствуют их смы­ канию после снятия нагрузки. При каждом последующем прило­ жении сил образовавшиеся ранее микротрещины будут увеличи­ ваться и одновременно будут возникать новые трещины. Если в процессе разрушения горной породы микротрещины не образуются, то эффективность понизителей твердости равна нулю.

Эффективность понизителей твердости обратно пропорциональ­ на к. п. д. разрушения (отношению полезной работы ко всей зат­ раченной на разрушение горной породы работе): когда этот к. п. д. максимален, эффективность понизителей твердости минимальна или равна нулю;при уменьшении к. п. д. разрушения эффективность понизителей твердости возрастает и достигает максимума при ми­ нимальном к. п. д. Понизители твердости горных пород, находя­ щиеся в дисперсионной среде промывочной жидкости, ведут себя как авторегуляторы: они начинают действовать, когда процесс раз­ рушения горной породы отходит от оптимума и к. п. д. разруше­ ния уменьшается; они снижают свое действие, когда к. п. д. раз­ рушения возрастает, и совсем не действуют, ко'гда этот к. п. д. до­ стигает максимального значения [97].

ПАВ снижают поверхностное натяжение и этим должны спо­ собствовать более легкому отделению обломков горной породы. Очевидно, понизители твердости будут действовать только в том случае, когда промывочная жидкость или ее фильтрат могут про­ никать в зону предразрушения и под образовавшиеся частицы по­ роды.

Опыты М. Ш. Акмуллина и К. Ф. Жигача показали [2], что ис­ пользование в качестве промывочной жидкости водного раствора КМЦ дает возможность увеличить проходку на долото на 45—50% и уменьшить удельную работу разрушения на 27—45% по сравне­ нию с промывкой водой.

Применение водных растворов ОП-Ю приводит к увеличению проходки на долото в бобриковском горизонте Арланского место­ рождения на 60% и в турнейском ярусе на 45% по сравнению с ис­

32

нейском ярусе опа возрастает на 18%• Еще больший эффект полу­ чается, если сравнить эти показатели с показателями при промывке забоя глинистым раствором [5].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РАСХОДА ПРОМЫВОЧНОЙ жидкости

ДЛЯ СОВЕРШЕННОЙ ПРОМЫВКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ

Степень совершенства промывки забоя скважины оказывает большое влияние на величину мощности, которую можно реализо­ вать на разрушение горной породы. Часто именно недостаточная промывка забоя ограничивает величину указанной мощности и, следовательно, лимитирует показатели работы долот. Подводимые к забою (или долоту) механическая и гидравлическая мощности должны соответствовать друг другу. В зависимости от свойств раз­ буриваемых пород, диаметра скважины и других факторов потре­

кация в связи с этим процесса разрушения горной породы тре­ буют соответствующего улучшения промывки забоя, повышения Q

[67].

При бурении долотами с обычными промывочными устройства­ ми расход промывочной жидкости определяют из условия обеспе­

где F3— площадь забоя, принимаемая равной площади поперечно­ го сечения скважины. Значение q3 берется на основе производствен­ ных данных; обычно принимают q3 = 0,057-f-0,065 л/с на 1 см2 для шарошечных и лопастных долот и 0,06—0,10 л/с на 1 см2 для ал­ мазных долот.

При использовании долот, у которых струи промывочной жид­ кости направлены на забой и выходные кромки промывочных от­ верстий расположены на небольшом расстоянии от забоя (долота с нижней промывкой, гидромониторные долота), расход промывоч­ ной жидкости должен определяться из условия обеспечения задан­ ного давления на забой рсз, для чего можно воспользоваться сле­ дующей формулой:

стояние от выходной кромки насадки до забоя в см, <?0 — количест­

ризующий темп расширения струи и зависящий от формы входных

ивыходных кромок насадки, формы поперечного сечения ее канала

иотносительной длины (IJdo) насадки (Іи— длина насадки). Значения коэффициента а для цилиндрических насадок с раз­

личными формами входных кромок и с остроугольным спрыском приведены в табл. 4, а для щелевидпых насадок в табл. 5 (дан­ ные А. К. Козодоя).

Наличие фаски или любого другого вида расточки на выход­ ных кромках насадки приводит к рассеиванию струи.

Расход промывочной жидкости (в л/с), обеспечивающий тре­ буемую скорость ее истечения из промывочных устройств долота, вычисляется по формуле

34

где /о — общая площадь поперечного сечения промывочных кана­ лов долота в см2; dQв см; значение ѵи должно быть не менее 40 — 50 м/с для обычных долот и не менее 65—75 м/с для гидромонитор­ ных, или струйных.

Для предотвращения подмятая частиц выбуренной породы ша­ рошками расход промывочной жидкости можно определять по фор­

го выбуренную породу в кольцевое пространство над долотом, в см2; ет— количество шарошек;

дены в табл. 6.

Анализ показывает, что применяемые в практике бурения зна­ чения Q для долот диаметром 269 мм и меньше обычно выше ве­ личин, определяемых по формуле (I. 22). Для долот больших диа­ метров при бурении электробурами и турбобурами характерно об­ ратное соотношение. В то же время следует отметить, что фор­

ность, обусловленную необходимым количеством ее па единицу

где Шдг— потребная удельная гидравлическая мощность на доло-

расхода цо, то его значения для насадок с различной формой входа рекомендуем принимать в соответствии с данными табл. 7 (дан­ ные А. К. Козодоя).

2 : 35

Т а б л и ц а 7

ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОМЫВКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ

При бурении с промывкой на забое скважины существуют та­ кие условия, при которых образовавшиеся в результате воздей­ ствия зубьев на породу частицы не отделяются сразу от массива. Однако необходимо тотчас же после образования отделять указан­ ные частицы от забоя и удалять их в кольцевое пространство, а затем выносить на дневную поверхность.

Как показывает практика бурения, с увеличением глубины бу­ рения условия промывки забоя ухудшаются, и значения Si распо­ лагаются все ближе к линии минимального углубления. Изыскание возможностей улучшения промывки забоя при бурении глубоких скважин значительно повысит технико-экономические показатели строительства таких скважин.

Еще в 1958 г. В. С. Федоров [86] отмечал, что при работе ша­ рошечных долот современных конструкций на забое всегда име­ ется шлам, удаление шлама с забоя даст возможность увеличить механическую скорость проходки минимум на 30—50% даже при сохранении G = const и п = const.

Вопросам промывки забоя скважины при бурении, т. е. вопро­ сам очистки забоя и долота, в последние годы уделяется боль­ шое внимание. Однако проблема эта еще очень далека от своего решения. Поэтому рассмотрение возможных путей дальнейшего со­ вершенствования промывки забоя при бурении скважин представ­ ляет довольно большой интерес.

Прежде всего следует отметить, что на пути решения указанной проблемы стоят задачи более глубокого познания роли различных факторов в эффективности промывки забоя и задачи конструктор­ ских разработок,, изготовления и рациональной отработки соот­ ветствующих буровых долот, а также задачи создания, выпуска и правильного использования различных технических средств и про­ мывочных жидкостей, регулирования свойств последних.

До настоящего времени остаются полностью неизученными за­ кономерности движения, а также закономерности вымывающего и выносящего действий промывочной жидкости в призабойной зоне скважины при бурении как обычными долотами, так и долотами с

36

Г Л А В А II

ПРОМЫВКА СТВОЛА СКВАЖИН ПРИ БУРЕНИИ

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

ККАЧЕСТВУ ОЧИСТКИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

ИФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕГО ЧИСТОТУ

Технико-экономические показатели бурения скважины во мно­ гом зависят от состояния ее ствола, в частности от его чистоты. Так, например, в НПУ Старогрознефть для сравнения были пробу­ рены турбинным способом две скважины (№ 507 и 512) с подачей глинистого раствора 50 л/с и две скважины (№ 492 и 509) с по­ дачей раствора 40 л/с. Повышенный расход промывочной жидкости и лучшее качество ее при бурении первых двух скважин способст­ вовали сокращению времени на проработку ствола в 3,5 раза ина промывку в 2,3 раза по сравнению с двумя другими скважинами; коммерческая скорость бурения возросла в 1,5 раза.

Считается, что ствол скважины находится в хорошем состоя­ нии, если в нем отсутствуют затяжки, посадки и прихваты буриль­ ного инструмента, проработки тех или иных интервалов. Особенно опасны указанные осложнения при бурении глубоких скважин, когда и бурильная колонна, и буровая установка работают с наг­ рузками, близкими к допускаемым. В сильно осложненном стволе могут происходить аварии, которые приводят не только к снижению производительности труда, но и к частичной или полной потере ствола скважины; затрудняется успешный спуск обсадных колонн до проектной глубины [61]; очень часто затягиваются геофизические исследования, а иногда они заканчиваются аварийными работами.

Одной из основных причин плохого состояния ствола скважины является сильная зашламленность его. Вся попадающая в ствол скважины горная порода должна своевременно удаляться на днев­ ную поверхность. Эта порода поступает обычно не только с забоя скважины, но и с ее стенок как в результате желобообразования и проработки ствола скважины, вызванной сужением его из-за пла­ стической деформации и разбухания горной породы па стенках скважины, так и в результате осыпей и обвалов.

38

Как правило, размер частиц горной породы, поступающих на забой вследствие нарушения прочности стенок скважины, во мно­

ных (в особенности резких) расширений кольцевого пространства. В поддержании ствола скважины в чистом состоянии большое значение имеет применение промывочных жидкостей, свободных от посторонних твердых частиц, что должно достигаться высокока­ чественной очисткой промывочной жидкости от бурового шлама. Задача эта очень сильно осложняется при разбуривании горных пород, склонных к быстрому диспергированию и растворению в про­

мывочной жидкости.

ТЕОРИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВОСХОДЯЩЕГО ПОТОКА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ С ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Чтобы правильно понимать картину происходящих в скважине осложнений в виде сальникообразований и сужений ствола, обус­ ловленных загрязнением последнего, необходимо ясно представ­ лять влияние параметров промывочной жидкости и характера ее течения на закономерности движения твердых частиц в восходя­ щем потоке промывочной жидкости. Поскольку форма частиц шла­ ма весьма разнообразна, то и закономерности их перемещения не будут идентичными. Поэтому возникает необходимость подразде­ ления частиц в зависимости от их формы, при этом частицы дан­ ной группы должны иметь общие закономерности движения. Мож­ но выделить следующие группы частиц:

1) частицы объемных форм (сферические частицы и правиль­ ные многогранники, цилиндрические и частицы в виде правильных призм, конусные и частицы в виде правильных пирамид, а также сильно несимметричные частицы, форма которых включает эле­ менты перечисленных выше объемных фигур);

2)частицы плоских форм (диски и правильные многогранни­ ки, пластинки неправильной формы);

3)частицы вытянутых форм, т. е. имеющие одно измерение, в

несколько раз превышающее два других.

Частицы объемных форм

Из работ по динамике русловых процессов следует, что одной из основных причин, облегчающих перемещение частиц наносов: в руслах, является возникновение поперечной взвешивающей силы,, которая по величине может превышать вес частицы в жидкос­ ти. Наличие таких сил обусловливает отрыв частиц от дна, а по­ ток переносит их вдоль русла. Экспериментальные работы подтвер­ дили, что аналогичные силы играют немаловажную роль и в про­ цессе транспортирования частиц в вертикальной трубе.

3 »