книги из ГПНТБ / Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник

ляют 0,1—0,5% (на сухое вещество) к объему обрабатываемого рас­ твора в зависимости от характера и содержания твердой фазы и требуемых показателей.

Особенно эффективен он при бурении в глинистых породах. Одновременно с разжижением сулькор снижает водоотдачу раство­ ров и оказывает на них общее улучшающее действие. Применение его улучшает условия промывки скважин и позволяет снизить рас­ ходы утяжелителя и каустика на обработку растворов.

Н е ф т ь . При добавлении нефти к глинистому раствору сни­ жается липкость глинистых корок, образующихся на стенках сква­ жины, снижается водоотдача и несколько повышается стабиль­ ность раствора. Вязкость глинистого раствора повышается потому, что нефть распределяется в глинистом растворе в виде мельчайших капелек, образуя эмульсию. Особо стойкие эмульсии получаются при добавлении к смеси глинистого раствора и нефти «окисленного петролятума» (отход нефтеперегонных заводов, изготовляющих сма­ зочные масла из нефти) в количестве от 0,5% по объему.

Нефть добавляют к глинистому раствору до 10—12% по объему от объема раствора, при этом наблюдается быстрое уменьшение лип­ кости корки и водоотдачи; дальнейшее добавление нефти оказывает уже меньшее действие.

Нефть находит также применение при ликвидации прихватов бурильного инструмента (нефтяные ванны).

Необходимо иметь в виду, что добавление нефти к раствору вызы­ вает разбухание и усиленное разрушение резины поршней и клапа­ нов насоса и создает затруднения при каротажных работах.

За последнее время при бурении сверхглубоких скважин нашли применение растворы на нефтяной основе (РНО). Это объясняется тем, что РНО обладают высокой термостойкостью. РНО способст­ вуют повышению выхода керна. Кроме того, РНО отличаются сла­ бой фильтруемостью через пористые среды.

При вскрытии продуктивных (нефтяных и газовых) пластов РНО способствуют ускорению освоения скважин и значительно увели­ чивает их дебит.

§ 5. УТЯЖЕЛЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ

Для борьбы с выбросами и обвалами применяются утяжеленные растворы.

Из некоторых глин (так называемых «тяжелых глин») при помощи химической обработки удается получить растворы с удельным весом до 1,5. Дальнейшее повышение удельного веса может быть произ­ ведено только путем добавления к глинистому раствору утяжели­ телей — тонко размолотых порошков тяжелых минералов.

В качестве утяжелителей применяют в основном:

1) барит (BaS04) — тонкий порошок с уут = 3,6—4,2 тс/м3; 2) гематит (Fe20 3) — порошок с уух = 4,3—4,6 тс/м3.

§ 6. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА

Приготавливать глинистые растворы и реагенты для их обра­ ботки можно двумя способами: механическим и гидравлическим. П ри механическом способе применяются глиномеш алки — гори­ зонтальные и вертикальные, одновальные и двухвальные.

Глиномешалка приводится от двигателя^ или трансмиссии с по­ мощью плоскоременной или клиноременной передачи.

і — горизонтальная одновальная; б — вертикальная ОГХ-7А: 1 — цилиндрический корпус; 2 — шкивы, рабочий и холостой; 3 — редуктор; 4 — вал; 5 — лопасти; 6 —

люк загрузочный; 7 — сливной патрубок с краном.

Горизонтальная глиномешалка представляет собой барабан круг­ лого сечения, внутри которого вращаются один или два вала, несу­ щие лопатки для перемешивания глины с водой. Барабан в верхней части имеет люк для загрузки глины и заливки воды, а в нижней части — сливной кран (рис. 30, а).

Применяются также глиномешалки с вертикальным валом, имеющим в нижней части лопасти для перемешивания глины с водой (рис. 30, б).

Приготовление глинистых растворов и реагентов в механических глиномешалках можно производить периодически или непрерывно. При периодическом способе в глиномешалку заливают воду или раствор реагента приблизительно до 1/3—Ѵ2 ее объема; затем вклю­ чают глиномешалку в работу и через верхний люк постепенно за­ гружают полное количество глины. Глину следует предварительно замачивать.

Приготовление глинистого раствора гидравлическим способом можно производить или в специальных гидравлических мешалках * или гидромониторами.

В последнем случае глину в карьере размывают сильной струей воды, выбрасываемой из брандспойта под большим давлением. Вода, обогащенная глиной, засасывается насосами и вновь выбра­ сывается из брандспойта в глину до тех пор, пока не образуется глинистый раствор желаемого качества.

Когда бурят изолированные скважины, глинистые растворы и реагенты для их обработки приготовляют непосредственно на бу­ ровых вышках.

насос; 8 — трубопровод; 9 — стол; JO — кран для заполнения автоцистерн; JJ — зумпфы для раствора; 12 — желоб; 13 — сетка; 14 — печь; 15 — лаборатория; 16 — склад для глины

и химических реагентов.

Если бурят группу скважин, то организуют глиностанции для централизованного снабжения буровых вышек глинистым раствором (рис. 31). Доставка растворов на буровые может производиться или по специальным трубопроводам, или с помощью автоцистерн.

§ 7. ОЧИСТКА ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА

Очистка раствора от шлама осуществляется в желобах, ситах и гидроциклонах. Схема установки желобов и отстойников показана на рис. 32.

Желоба устанавливают с уклоном 1—1,5 см на 1 м длины, ши­ рина желобов ~30 см, высота 25—30 см. По дну желоба примерно через 1,5—2 м друг от друга ставят перегородки высотой —15—18 см. Длина желобов при промывке глинистым раствором не менее 15 м. При глубоком колонковом бурении длину желобов доводят до 30 м.

В желобную систему включают отстойники и отстойные баки.

Рис. 32. Желобная система для очи­ стки промывочного раствора от шлама.

а — летняя, б — зимняя: 1 — устье скважи­ ны; г — прямой желоб; з — отстойник; 4 — желоб с перегородками; 5 — перегородки; в — приемный зумпф.

Рис. 33. Гидроциклонная установка для очистки промывочной жидкости типа ОГХ-8Б:

а — схема гидроциклона; б — гидроциклон­

ная установка.

1 — рама; г — винтовой насос; з — всасываю­ щий шланг; 4 — нагнетательная линия; 5 —

гидроциклона; 11—электромотор; 12 — зумпф

стойник для раствора, поступающего из сква­ жины; 16 — сливной шланг; 17 — манометр .

8

Желоба и отстойники должны регулярно очищаться от шлама. Желоба и отстойники занимают много места, и зимой их трудно утеплять.

Более приемлемы для колонкового бурения очистные устрой­ ства, основанные на принципе центрифугирования — гидроциклоны {рис. 33).

Гидроциклонный шламоделитель работает по следующему прин­ ципу (рис. 33, а): зашламованный раствор подается по трубе 7 через насадку в верхнюю цилиндрическую часть диффузора и получает вращательное движение. Под влиянием центробежных сил частицы шлама отбрасываются к стенкам и, двигаясь вниз под влиянием силы тяжести, попадают в нижнюю коническую часть диффузора и выходят вместе с частью жидкости из нижней насадки 6. Жидкость, очищенная от шлама, вытекает через патрубок 8 и сливной шланг 16.

Такое устройство обеспечивает очистку раствора от частиц шлама размером более 0,02 мм.

На рис. 33, б показана гидроциклонная шламоотделительная установка. Глинистый раствор засасывается винтовым насосом 2 из отстойника через шланг 3 и по нагнетательной линии 4 подается в гидроциклон. Очищенный раствор вытекает по шлангу 16 в отстой­ ник 14, а отходы спускаются по желобу 13 в зумпф 12.

Шламоотделитель типа ОГХ-ЗА может очищать до 300 л/мин зашламованного раствора.

§ 8. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ГЛИНИСТЫЕ РАСТВОРЫ

Глинистые растворы способны загустевать при бурении в гли­ нистых породах. При воздействии на них минерализованных вод качество их резко ухудшается. Кроме того, разработка глин, изго­ товление и транспортировка растворов требует иногда значитель­ ных средств, а в осенне-зимнее время бывает затруднительна.

Работами П. А. Ребиндера, К. Ф. Жигача, С. Н. Ятрова, Н. Г. Шевалдина и других доказана целесообразность получения естественных растворов при бурении таких пород, как известняки, аргиллиты, сульфатные и сульфатно-галлоидные отложения.

Создание естественных промывочных растворов происходит при использовании в качестве промывочной жидкости воды.

При разбуривании неглинистых пород в стволе скважины обра­ зуется неустойчивая, неконцентрированная водная суспензия. Использование поверхностно-активных веществ и активных добавок дает возможность создания стабильных естественных промывочных растворов из выбуриваемых пород различного литологического состава и регулировать их свойства в желаемом направлении.

Обработка водных суспензий выбуриваемых пород соответству­ ющими поверхностно-активными веществами позволяет получить про­ мывочный раствор, обладающий оптимальными структурно-меха­ ническими и реологическими свойствами.

По данным Н. Ф. Семенко, эффективными стабилизаторами и ре­ гуляторами свойств неглинистых суспензий являются:

а) сульфат целлюлозы (СЦ); б) этансульфонат целлюлозы (ЭСЦ);

в) смеси сульфонатриевых солей сланцевых смол (СНС). Исследованиями установлено, что эти синтетические поверхност­

но-активные вещества часто действуют более эффективно, чем хими­ ческие реагенты, ныне распространенные в бурении.

Так, при оптимальной концентрации СЦ (1,0—1,5%) достигается хорошая седиментационная устойчивость карбонатных и сульфат­ ных суспензий.

Окисленный лигнин, гипан, полиакриламид (в сочетании с СаСЦ и NaOH) также являются эффективными стабилизаторами и регуля­ торами реологических и структурно-механических свойств негли­ нистых суспензий.

Фильтрационные показатели этих суспензий имеют минимальные значения (7,5—5,0 см3 по ВМ-6).

И. Е. Шебалдиным разработана рецептура аргиллитовых и кар­ бонатно-аргиллитовых естественных растворов, полученных путем обработки естественных водных суспензий 3% порошкообразногоУЩР и 0,5% КМЦ.

На основании фактического материала, полученного при бурении скважин в сопоставимых интервалах с промывкой глинистыми и есте­ ственными карбонатными растворами, показано, что механическая скорость при применении естественных растворов повышается в 1,5 раза, проходка на долото — на 20—40%.

Таким образом, естественные промывочные жидкости, получае­ мые в процессе бурения из неглинистых пород, перспективны, осо­

Исследования акад. П. А. Ребиндера показали, что промывочная жидкость с очень небольшими добавками некоторых поверхностно­ активных веществ, получивших название «понизителей твердости», может активно участвовать в разрушении пород при бурении.

При разрушении породы происходит не только отделение частиц, от забоя, но и образование так называемой зоны предразрушения, пронизанной обильными микротрещинами. После снятия нагрузки микротрещины замыкаются — «залечиваются». Понизители твер­ дости проникают в микротрещины под высоким давлением, не дают им сомкнуться после снятия нагрузки, производят расклинивающее действие, увеличивают размеры и глубины микротрещин и тем пони­ жают прочность породы.

В соответствии с характером адсорбционных слоев и их влиянием на сопротивление горных пород механическому разрушению пони­ зители твердости разделяют на две группы.

1. Понизители твердости, эффективность действия которых имеет максимум. К этой группе относятся неорганические электролиты: хлориды металлов, щелочи и различные соли. Однако, в связи с тем что поддерживать концентрацию, соответствующую максимуму эф­ фективности их действия, в производственных условиях не всегда возможно, электролиты как понизители твердости пока не полу­ чили применения.

2. Понизители твердости, эффективность которых возрастает с повышением концентрации, а затем остается постоянной или воз­ растает медленно. К их числу относятся, главным образом, органи­ ческие поверхностно-активные вещества: амины, фенолы, сульфо­ нафтеновые кислоты и другие. Эти вещества способны адсорбиро­ ваться на поверхностях раздела фаз и понижать их поверхностную энергию.

В результате экспериментальных исследований, проведенных Е. Ф. Эпштейном, установлено, что применение водных растворов: превацелла, сульфонола НП-3, «прогресса» и других позволяет уве­ личить механическую скорость бурения на 25—50%.

Но оценка эффективности действия поверхностно-активных ве­ ществ по процентному их содержанию в растворе неправомерна если не учитывается поверхностное натяжение фильтрата.

Е. Ф. Эпштейном установлено, что увеличение механической скорости бурения вращательным способом находится в зависимости от величины поверхностного натяжения раствора ПАВ.

Ожидаемая механическая скорость может быть оценена по фор­ муле

(21)

где ѵх и ѵ2 — соответственно механическая скорость бурения с про­ мывочной жидкостью без и с добавкой ПАВ в м/ч; сгх и о2 — соответ­ ственно поверхностное натяжение промывочной жидкости без и с до­ бавкой ПАВ в мДж/м2.

Контроль содержания ПАВ в промывочной жидкости в полевых условиях можно производить путем измерения поверхностного, натяжения ее фильтрата сталагмометрическим методом.

Рациональные составы промывочных жидкостей с добавкой ПАВ должны устанавливаться на основании результатов лабораторных исследований с учетом конкретных условий бурения, химическогосостава пластовых вод и литологического состава разбуриваемых пород.

Наилучшими из исследованных ПАВ для обработки растворов: из часовъярской глины оказались сульфонол НП-1 и «прогресс»- (при концентрации до 2%).

Расход ПАВ составляет 0,4—0,8 кг на 1 м скважины диаметром 76—112 мм.

Применение ПАВ при бурении твердосплавными, алмазными и дробовыми коронками в условиях Донбасса позволяет повысить механическую скорость на 25—30%.

§ 10. БОРЬБА С ОСЛОЖНЕНИЯМИ

При разведочном бурении основными видами осложнений яв­ ляются затяжки и прихваты инструмента, обвалы стенок скважин и поглощения промывочной жидкости. Реже встречаются выбросы, переливы и фонтанирование из скважин.

Признаки затяжки и прихватов бурового инструмента следую­ щие: увеличение усилий, необходимых для подъема и вращения инструмента, и уменьшение нагрузки на крюке при спуске. Часто прихвату предшествует повышение давления на выкиде буровых насосов.

Обвалами называют осложнения, вызванные сужениями ствола скважины, сильными прихватами, повышением давления на насосах, возрастанием вязкости глинистого раствора и выносом шлама в ко­ личестве, значительно превышающем теоретический объем ствола скважины. Обвалы наблюдаются только при проходке пластов несвязных и раздробленных, а также разбухающих от действия воды. В большинстве случаев обвалы начинаются не сразу после вскрытия этих пород, а через несколько дней. Однако в галечниках, водонасы­ щенных песках и плывунах обвалы могут начинаться сразу при вскрытии этих пород.

Борьба с обвалами производится путем снижения водоотдачи раствора до наименьших возможных величин (2—3, даже 1 — 2 см3/30 мин), утяжеления его и сокращения времени разбуривания обваливающихся пород.

Снижение водоотдачи преследует цель уменьшить проникновение воды в обваливающиеся породы и тем самым снизить их набухание.

Повышение удельного веса глинистого раствора обеспечивает увеличение гидростатического давления на стенки скважины.

Применение воды вместо глинистого раствора вызывает усиление обвалов. Добавление нефти в глинистый раствор также вызывает усиление обвалов, так как нефть, проникая между частицами по­ роды, уменьшает силы трения и способствует оползанию их в сква­ жину.

Борьба с поглощением промывочной жидкости

Следующим важнейшим видом осложнений при бурении явля­ ются поглощения промывочной жидкости.

По характеру осложнения и по способам борьбы с ними разли­ чают частичное и полное поглощение.

При частичном поглощении часть закачиваемой в скважину про­ мывочной жидкости возвращается на поверхность, а часть уходит в проницаемые пласты.

Борьба с частичным поглощением производится путем снижения удельного веса раствора, повышения его вязкости и статического напряжения сдвига.

При колонковом бурении часто для снижения удельного веса применяется бескомпрессорная аэрация промывочных растворов с помощью специальных смесителей, предложенных Л. В. Мака­ ровым и Л. М. Ивачевым.

Смеситель (рис. 34) состоит из двух каналов: основного, предна­ значенного для аэрации промывочной жидкости, и обводного 16, обеспечивающего проход жидкости в колонну бурильных труб в слу­ чае, когда надобность в аэрации отпадает.

16 17

1, 12 — фланец; 2 , 9 — патрубок; 3 — сопло; 4 —кожух; 5 — резиновая прокладка; в —

Основной канал состоит из сопла 3 со сменной насадкой 8, втулки камеры смешения 11, диффузора 10 и соединительных патрубков 2 и 9. В сопле просверлены продольные отверстия для поступления воздуха в камеру смесителя. Для регулирования подачи воздуха установлен кран 14. Во избежание выбросов промывочной жидкости из отверстий сопла установлен клапан, состоящий из подвижного резинового кольца 6 и прижимной шайбы 7.

Смеситель монтируется в нагнетательную линию насоса после трехходового крана с помощью фланца 1. Нагнетательный шланг надевается на штуцер 13.

Насос включается при открытом обводном канале и закрытом кране смесителя. Необходимое количество жидкости регулируется трехходовым краном или другим способом. После этого обводной канал перекрывается краном 17 и доступ воздуха к смесителю произ­ водится плавным открытием крана 14.

Вылетающая из сопла (насадки) 8 с большой скоростью жидкость вызывает в камере смесителя разрежение, и воздух через кран 14, муфту 15 и продольные отверстия поступает в смеситель, где и осу­ ществляется перемешивание жидкости с воздухом — аэрация.