Технологические промывочные жидкости. Учебное пособие

наиболее пористых пород известняков, песчаников прочность их на сжатие уменьшается на 25–45 % [3]. Добавки поверхностно-активных веществ повышают активность воды. Дисперсионная среда и адсор-

бируемые поверхностно-активные вещества при проникновении в поры и трещины горной породы создают расклинивающий эффект и уменьшают внутреннее трение в породе при деформировании, что приводит к уменьшению прочности. Это явление известно под назва-

нием эффект Ребиндера [3].

Многие геологические разрезы нефтяных и газовых месторождений содержат глинистые породы, которые легко гидратируются, увлажняются дисперсионной средой буровых растворов и осыпаются. В зависимости от природы и состава глинистых отложений некоторые из них могут интенсивно набухать в одной среде (монтмориллонитовые глины) или проявлять слабое набухание (коалинитовые, гидрослюдистые). Фильтрат бурового раствора, проникая в глины, увлажняет их, резко снижая их устойчивость на стенках скважины. Пульсация давления раствора и механическое воздействие бурильного инструмента на стенки скважины вызывают осыпи породы, осложнения в бурении [4].

К факторам, способствующим проникновению водной дисперсионной среды в глинистые отложения, относятся: наличие перепада давления между гидростатическим давлением столба раствора в скважине и пластовым давлением, вызывающего фильтрацию водной среды промывочной жидкости, а также явления диффузии и осмоса. Наличие осмоса обусловлено движением растворителя (воды) из области низкой концентрации растворенного вещества в область с высокой концентрацией.

21

С точки зрения сохранения качества промывочной жидкости, сокращения расхода химических реагентов, повышения скорости бурения положительным является осмос, когда переток жидкости направлен из скважины в пласт. Однако такой процесс отрицательно сказывается на устойчивости глинистых отложений стенок скважины. Осмотический переток жидкости из пласта в скважину благоприятно сказывается на состоянии глинистых пород, обезвоживание повышает их устойчивость. Большое влияние на устойчивость глинистых отложений к осмотическому воздействию оказывает их начальная влажность. Малоувлажненные глины, содержащие до 5–12 % воды, проходят начальную стадию гидратации и капиллярной пропитки. Максимальная устойчивость глинистой породы соответствует еѐ влажности 6–8 % [5]. Следовательно, гидратация и начальная пропитка слабоувлажненных глин служит определяющим фактором, вызывающим изменение и разрушение устойчивости глинистой породы, т.е. происходит осыпание, обваливание в скважину, образование каверн.

Разгрузка горных пород при разбуривании и контакт их с промывочной жидкостью создают благоприятные условия для активного всасывания воды глинистой породой и разупрочнения ее при увлажнении.

Вопросы для самопроверки

1.В каких случаях возможна гидрофильная коагуляция бурового раствора?

2.В каких случаях возможна гидрофобная коагуляция бурового раствора?

3.Что означает эффект Ребиндера?

4.Какие процессы в скважине влияют на устойчивость породы на стенках скважины?

22

Глава 4. СМАЗОЧНЫЕ СВОЙСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Смазочные свойства промывочных жидкостей имеют большое значение при бурении скважин любого профиля и назначения. Осо-

бенно велика роль смазочной функции бурового раствора в наклонно направленном и горизонтальном бурении. При бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин предъявляются жесткие требования к составу и свойствам буровых растворов, обеспечиваю-

щих предотвращение прихватов бурильных труб и других осложнений.

Прихватоопасность бурильного инструмента в скважине зависит от многих факторов: состава и свойств промывочного раствора, пере-

пада давления, показателя фильтрации в условиях скважины, толщи-

ны фильтрационной корки, коэффициента трения инструмента о фильтрационную корку и др. Смазочная способность бурового рас-

твора определяется адгезией (липкостью) фильтрационных корок.

Адгезия – явление, при котором происходит сцепление двух тел при тесном контакте под действием молекулярных или электрических сил. В бурении адгезия проявляется в сальникообразовании на доло-

те, прилипании бурильных труб и осаждении на их поверхности раз-

личных веществ. Адгезионные силы более явно проявляются при значительных площадях контакта между соприкасающимися поверх-

ностями. Длительность контакта глинистой корки с бурильным ин-

струментом влияет на величину адгезионного сцепления [7].

Смазочная добавка – один из важнейших ингредиентов системы буровых растворов. Она обеспечивает снижение усилий осевого пе-

ремещения и момента сопротивления вращательному движению бу-

23

рильной колонны, устраняет опасность возникновения затяжек и прихватов бурильного инструмента, позволяет избежать других осложнений в процессе бурения, связанных с контактным взаимодей-

ствием бурильной колонны со стенками как открытого, так и обса-

женного ствола скважины.

Улучшение смазочных свойств промывочной жидкости достига-

ется путем ввода в них специальных смазочных добавок. С учетом экологической безопасности химических реагентов смазочные добав-

ки должны соответствовать следующим требованиям:

адсорбироваться на глинистых поверхностях;

характеризоваться пластичностью и иметь высокий предел те-

кучести;

 сохранять свои основные свойства во всем диапазоне темпера-

тур, в которых находится буровой раствор;

ограниченно растворяться в воде;

не подвергаться гидролизу или реакции разложения в водной

среде;

не оказывать отрицательного воздействия на технологические показатели промывочной жидкости;

увеличивать работоспособность породоразрушающего ин-

струмента;

 обладать совместимостью с дисперсионной средой промывоч-

ной жидкости и хорошо распределяться в ее объеме;

быть пожаробезопасными;

не загрязнять окружающую среду и недра.

24

Различают гидрофильные и гидрофобные смазочные добавки.

Гидрофильные смазочные добавки незначительно снижают адгезию фильтрационных корок к металлам. Такие добавки являются водорас-

творимыми, частично отфильтровываются с дисперсионной средой промывочных растворов. Смазочные слои, которые образуются на глинистых частицах фильтрационных корок, малопрочны и легко разрушаются под действием нормальной нагрузки, обусловленной наличием перепада давления и усилием прижатия бурильного ин-

струмента к стенке скважины.

Гидрофобные смазочные добавки более эффективно снижают ад-

гезию. Такие смазочные добавки являются прослойкой разделяющей глинистые частицы и гидрофобизируют их.

На металлических поверхностях бурильных труб и в фильтраци-

онной корке возникают прочные смазочные слои, сохраняющиеся даже при действии значительных тангенциальных или нормальных напряжений.

Гидрофобные смазочные добавки создают на поверхностях раз-

дела бурильных труб с фильтрационной коркой жидкостные про-

слойки и обеспечивают гидравлическую связь между ними и запол-

няющим скважину буровым раствором [1,7].

Гидрофильными смазочными добавками являются неионогенные поверхностно-активные вещества: оксиэтилированный продукт ОП-

10 (продукт конденсации фенола с окисью этилена), оксиэтилирован-

ный фенол УФЭ8, анионактивный сульфонол и др.

25

Гидрофобными смазочными добавками являются: ФК-2000, ко-

торая состоит из поверхностно-активных веществ на основе расти-

тельных масел и представляет собой смесь анионоактивных поверх-

ностно-активных веществ и полезных добавок, ФК-2000 ПЛЮС А – имеет повышенные антиприхватные свойства, ФК-2000 ПЛЮС М – с

пониженной температурой застывания, фосфатидный концентрат ФК-1 на основе растительных масел, ингибирующая смазочная до-

бавка, лубриканты ФК-М, ФК-Н на основе сложных эфиров жирных кислот и растительных масел.

К гидрофобным смазочным добавкам относятся нефть, графит,

кубовые остатки, СМАД – окисленный петролатум, побочный про-

дукт депарафинизации авиационных масел, ИКЛУБ – анионоактив-

ная смесь жиров и специальных добавок, СМЭГ – смесь раститель-

ных и минеральных масел, модифицированных различными присад-

ками, ГЛИТАЛ – смесь природных жирных кислот и полиалкилен-

гликолей.

Смазочные свойства бурового раствора характеризуют его спо-

собность снижать износ взаимодействующих тел и потерю энергии на трение. Повышение смазочных свойств промывочной жидкости име-

ет большее значение для уменьшения количества прихватов и затя-

жек бурильного инструмента, снижения гидравлических сопротивле-

ний по линии снижения трения, уменьшения крутящего момента бу-

рильных труб. Влияние смазочных добавок на повышение стойкости опор долота заключается в гидрофобизации трущихся поверхностей и образовании на поверхности трения смазочных пленок, которые спо-

26

собствуют устранению микрошероховатостей. На смазочную способ-

ность вредное влияние оказывает минерализация, особенно полива-

лентные катионы, способствующие образованию нерастворимых кальциевых соединений, а также повышенная температура. Большин-

ство смазочных добавок способствует увеличению проходки и меха-

нической скорости бурения.

Вопросы для самопроверки

1.Что понимается под адгезией?

2.На что влияют смазочные свойства промывочных жидкостей?

3.Каким требованиям должны отвечать смазочные добавки?

4.От чего зависит эффективность смазочных добавок?

5.Какие вещества являются смазочными добавками?

27

Глава 5. ОЧИСТКА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ

СПРИМЕНЕНИЕМ БЛОКА ФЛОКУЛЯЦИИ

Вдисперсной фазе промывочной жидкости различаются следующие твердые частицы (по Шрейнеру Л.А.):

 элементарные глинистые пластинки;  первичные глинистые частицы, представляющие собой пачки

элементарных пластинок;  агрегаты из первичных глинистых частиц;

 высокодисперсные частицы пород, находящиеся в глине в качестве примесей;

 песок, состоящий из частиц кварца и других инертных пород. Высокодисперсные наиболее активные фракции дисперсной фазы

бурового раствора состоят из первых трех групп. Частицы четвертой группы относятся к активным наполнителям раствора. Эти частицы способствуют увеличению структурно-механических свойств раствора. Частицы пятой группы относятся к категории механических примесей бурового раствора.

Содержание твердых примесей характеризует загрязненность промывочной жидкости шламовыми частицами. Увеличение концентрации твердой фазы за счет частиц разбуриваемых пород, переходящих в раствор, приводит к ухудшению его физико-механических свойств, снижает выносную способность раствора. Абразивные частицы, которые находятся в растворе, при циркуляции влияют на износ бурильного инструмента и бурового оборудования. Высокое содержание твердой фазы снижает механическую скорость бурения, а высокая плотность может привести к гидроразрыву слабого пласта и поглощению промывочной жидкости.

28

Важно, чтобы выбуренные частицы горной породы были удалены сразу после их циркуляции на поверхность.

Наиболее простым и доступным процессом является способ очистки бурового раствора с помощью очистного оборудования.

Способ механического удаления выбуренной твердой фазы включает использование вибросит, пескоотделителей, илоотделителей и цен-

трифуг. Каждый вид оборудования удаляет частицы определенного размера. При работе вибросита используется вибрирующая сетка с отверстиями различных размеров для разделения разноразмерных ча-

стиц. Для удаления твердой фазы применяются пескоотделители,

илоотделители и центрифуги, которые за счет центробежной силы разделяют твердую и жидкую фазы, имеющие разную плотность.

В связи с усилением требований законодательства по экологиче-

ской охране природы и недр захоронение отходов отработанного или загрязненного бурового раствора является трудной и дорогостоящей операцией, особенно в труднодоступных районах. Применение блока флокуляционной очистки бурового раствора позволяет снизить затра-

ты на захоронение отходов путем переработки этих отходов. С по-

мощью блока флокуляционной очистки отходы перерабатываются с получением чистой воды, которую можно повторно использовать на буровой, и твердой фазы, которая компактна по форме и удобна для транспортировки и захоронения.

Преимущества применения блока флокуляции состоят в следующем:

снижаются объѐм воды, которую необходимо доставлять на буровую;

уменьшаются объемы жидких отходов, которые необходимо вывозить;

29

 снижается вероятность ухудшения коллекторских свойств продуктивного пласта, так как из бурового раствора удалены мель-

чайшие частицы дисперсной фазы, что увеличивает нефтеотдачу пласта;

увеличивается скорость проходки;

улучшаются реологические свойства промывочной жидкости,

так как уменьшается возможность накопления в ней твердых частиц [3].

Промывочная жидкость содержит частицы твердой фазы, кото-

рые во взвешенном состоянии могут осаждаться, и мелкодисперсные частицы, которые не всегда осаждаются – большое количество таких частиц имеет коллоидную природу. Коллоидные частицы имеют от-

рицательные заряды на поверхности, благодаря чему происходит от-

талкивание соседних частиц. Это предохраняет частицы дисперсной фазы от столкновения друг с другом и образования крупных агрега-

тов, которые способны выпадать в осадок.

Заряд частиц твердой фазы определяет, насколько близко колло-

идные частицы могут приближаться друг к другу, что зависит от ве-

личины электрокинетического потенциала, т.е. дзета-потенциала. При уменьшении электрокинетического потенциала двойной электриче-

ский слой сжимается, гидратная оболочка начинает истончаться,

твердые частицы приближаются друг к другу на более близкие рас-

стояния, повышается возможность их столкновения, слипания и обра-

зования агломератов (хлопьев). Процесс коагуляции вызывает деста-

билизацию коллоидных частиц дисперсной фазы промывочной жид-

кости путем нейтрализации сил, которые держат частицы на расстоя-

нии друг от друга.

30