Промывка скважин и промывочные растворы. Учебное пособие

верхности глинистой частицы и силы отталкивания между ними. При снижении сил отталкивания происходит притяжение частиц благодаря разным знакам зарядов на краях глинистых частиц. Глинистые частицы начинают флокулировать, или слипаться в комки. В результате увеличивается вязкость и статическое напряжение сдвига промывочной жидкости, образуется проницаемая фильтрационная корка на стенках скважины и увеличивается водоотдача.

В утяжеленном буровом промывочном растворе концентрация водорастворимых солей должна быть такой, при которой не происходило бы увеличение фильтрационных и структурно-механи- ческих свойств бурового раствора. Действие поливалентных катионов на диспергирование, флокулирование и агрегирование глин значительно сильнее, чем одновалентных катионов. Поэтому допустимое содержание ионов кальция должно быть значительно меньше, чем ионов натрия.

Баритовые утяжелители, полученные путем гравитационного обогащения из баритовых руд, содержащих не менее 55–60 % барита, имеют более высокое качество, чем флотационные баритовые концентраты. Гравитационные баритовые утяжелители не имеют на поверхности флотореагентов, характеризуются низким содержанием водорастворимых солей обеспечивают низкое содержание твердой фазы и имеют оптимальный гранулометрический состав. Применение гравитационного баритового утяжелителя позволяет сократить его расход, предотвратить аэрацию буровых промывочных растворов, получить более высокую плотность промывочной жидкости до 2400 кг/м3, не вызывает коагуляцию и не повышает водоотдачу раствора.

Основными месторождениями баритовых руд являются Войторское, Толчеинское, Хойлинское.

Руды Войторского месторождения по составу преимущественно мономинеральные баритовые, представлены от богатых и средних полосчатых до бедных брекчиевидно-пятнистых. Баритовые рудные зоны залегают в известняках с подчиненными прослоями глинисто-

31

кремнистых и углисто-кремнисто-глинистых сланцев. Содержание сернокислого бария в руде около 65 %.

На Толчеинском месторождении рудное тело имеет форму линзы, залегает на глубине 150 м. Рудное тело представлено чередующимися прослоями собственно баритов мощностью от 3 до 10 м и пустых пород, которые представлены баритизированными окремненными известняками, глинистыми и кремниево-глинистыми сланцами. Основными рудообразующими минералами являются барит, кальций, доломит. Среднее содержание сернокислого бария – 64,6 %. Содержание барита изменяется от 50,0 до 87,8 %.

На Хойлинском месторождении баритовых руд запасы находятся в восточном рудном теле среднее содержание сернокислого бария – 86,4 %, в западном рудном теле среднее содержание сернокислого бария – 85,2 %, в центральном рудном теле среднее содержание сернокислого бария – 84,3 %. По вещественному составу руды относятся к монобаритовым, кальцит – баритовым, кварц – баритовым, кварц – кальцит-баритовым. Монобаритовые руды содержат 88–89 % сернокислого бария [9].

Железистые утяжелители гематит (оксид железа) и магнетит (закись железа) применяются ограниченно. Гематит является одним из главных минералов железных руд. Плотность его без примесей 5300 кг/м3. Отрицательное свойство гематита – высокая абразивность. Магнетит – минерал железных руд имеет плотность 4900–5200 кг/м3. Магнетитовый утяжелитель имеет повышенные абразивные свойства и обладает сильными магнитными свойствами. Из-за наличия магнитных свойств на поверхности бурильных труб могут образовываться плотные слои магнетита, в результате возникают условия для появления прихватов бурильных труб. При введении железистых утяжелителей можно получать плотность бурового промывочного раствора 2200–2300 кг/м3.

Для сверхтяжелых буровых растворов был разработан в научноисследовательском институте ВНИИКРнефть полиминеральный утяжелитель Магбар – барито-магнетитовый утяжелитель.

32

Магбар содержит смесь баритового концентрата и магнетитового концентрата. Магбар характеризуется повышенной утяжеляющей способностью при одновременном сохранении вязкости бурового раствора. Барито-магнетитовый утяжелитель предназначен для повышения плотности промывочной жидкости и нейтрализации сероводорода при разбуривании зон с аномально высокими пластовыми давлениями и высокими температурами. Магбар совместим со всеми видами буровых промывочных растворов.

Максимальный эффект повышения утяжеляющей способности магбара для получения сверхтяжелых буровых растворов является диапазон концентраций барита в смеси с магнетитом 40–60 %. При содержании барита меньше 40 % начинают преобладать высокие загущающие свойства магнетита и уменьшаются значения предельной утяжеляющей способности. При содержании магнетита больше 40 % силы сцепления возрастают. В таких случаях, вероятно, на силы сцепления, кроме электростатических, влияют магнитные силы притяжения.

При увеличении содержания магнетита в смеси до 60 % можно получить утяжелитель с большей утяжеляющей способностью, чем отдельно у барита и магнита.

Абразивные свойства барито-магнетитового утяжелителя незначительно отличаются от абразивных свойств барита. Абразивность магбара меньше абразивности магнетита в 1,5–2 раза, а по некоторым данным в 3,0–4,0 раза. Невысокая абразивность барито-магнетито- вого утяжелителя объясняется экранирующим действием барита. Магнитные свойства нейтрализуются наличием барита.

Магбар имеет плотность не менее 4500 кг/м3. При использовании барито-магнетитового утяжелителя можно утяжелять буровой промывочный раствор до плотности 2500 кг/м3. Оптимальный состав смеси барито-магнетитового утяжелителя составляет 50 % магнетита и 50 % флотационного барита [5].

Таким образом, утяжелители должны отвечать определенным требованиям: иметь высокую плотность, быть не абразивными, хими-

33

чески инертными, не ухудшать технологические свойства буровых промывочных растворов, иметь определенную степень дисперсности, не вызывать коррозию бурильного инструмента и бурового оборудования, быть седиментационно устойчивыми, не вызывать аэрацию промывочной жидкости в процессе утяжеления, иметь допустимую влажность (2–5 %).

Вопросы для самопроверки

1.Назначение утяжелителей.

2.Каким свойством определяется качество утяжелителя?

3.Как влияет степень дисперсности утяжелителя на его утяжеляющую способность?

4.Каким требованиям должны отвечать утяжелители?

5.На какие группы делятся утяжелители?

6.Какие утяжелители относятся к карбонатным?

7.При разбуривании каких пластов эффективно применять карбонатные утяжелители?

8.Виды баритовых утяжелителей.

9.Из каких руд получают баритовый утяжелитель?

10.Каким методом осуществляется производство баритового утяжелителя?

11.Что является недостатком флотационных баритовых концентратов?

12.Преимущества гравитационных баритовых утяжелителей.

13.Какие месторождения баритовых руд являются основными?

14.Какие отрицательные свойства имеют железистые утяжелители?

15.В каких условиях бурения эффективно применять утяжелитель Магбар (барито-магнетитовый)?

16.Какое соотношение барита и магнетита должно быть в смеси утяжелителя Магбар?

34

5. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК СКВАЖИН

Геологические особенности формирования толщи осадочных пород, природа минералов и свойства цементирующего вещества могут характеризовать устойчивость горной породы в скважине.

При проникновении промывочной жидкости между частицами горной породы, гидростатическое давление в скважине не всегда способствует сохранению целостности стенок скважины. Образующаяся фильтрационная корка препятствует проникновению дисперсионной среды бурового раствора в породы и выравниванию давления. Прочность горной породы сохраняется.

Фильтрационная корка при этом образуется не только на поверхности стенок ствола скважины, но и в глубине породы. Фильтрат промывочной жидкости успевает проникать на некоторую глубину в проницаемых горных породах до образования фильтрационной корки. Фильтрационная корка обладает механической прочностью. Образуясь в трещинах породы, фильтрационная корка связывает частицы породы, создавая одно целое. Горная порода упрочняется. Однако проникновение фильтрата промывочной жидкости не должно быть значительным, так как может, наоборот, происходить ослабление прочности горной породы и обвалы стенок скважины.

Неустойчивость горных пород и кавернообразование наблюдаются в пластах, сложенных глинами, глинистыми сланцами, аргиллитами, глинистыми песчаниками, алевролитами, каменной или калийной солями. Глины обладают характерными коллоидно-химическими свойствами: набухание, коагуляция, пептизация, от стабильности которых во многом зависит устойчивость породы на стенках скважины.

Физико-химические свойства глинистых минералов зависят от состава глинистых и неглинистых минералов, содержания органических веществ, общей емкости и химического состава обменного комплекса, количества и состава растворимых в воде солей, структуры глинистых минералов и особенно от строения кристаллической решетки.

35

Имеются минералы с набухающей кристаллической решеткой и минералы, не имеющие этого свойства. У минералов с набухающей кристаллической решеткой связи между слоями очень слабые и они могут поглощать значительное количество воды, катионов и органических соединений. Вследствие этого расширение кристаллической решетки может быть значительным и заканчивается полным разобщением пластов.

При бурении скважин происходит физико-химическое взаимодействие глинистых пород с дисперсионной средой промывочных жидкостей. Взаимодействие глинистых пород с молекулами воды обусловлено действием капиллярных, адсорбционных и осмотических сил. В результате проникновения фильтрата буровых растворов уменьшается механическая прочность горных пород, под воздействием горного давления происходит их осыпание, обваливание в скважину, образование каверн. Особенно кавернообразование происходит при вскрытии, рыхлых, слабосвязанных пород, которые подвержены эрозионному размыву и поверхностному осыпанию из-за незначительных сил сцепления между частицами [6].

Плотность бурового раствора также является одним из факторов, влияющих на устойчивость стенок скважины. Для повышения устойчивого состояния стенок ствола скважины регулируют плотность, величину фильтрации (водоотдачи), соленость промывочной жидкости с целью уменьшения степени проникновения фильтрата бурового раствора в поры породы за счет фильтрации и осмоса.

Действие осмотических процессов на границе раздела горной породы и дисперсионной среды бурового раствора является одной из причин нарушения целостности горной породы. Осмотические перетоки дисперсионной среды, то есть растворителя обусловлены наличием полупроницаемых перегородок, химического потенциала на границе раздела сред и микропористой структурой породы.

Полупроницаемой перегородкой в скважине является глинистая корка и приствольный слой горной породы. Под действием осмотического давления фильтрат промывочной жидкости может проникать

36

в горную породу, если минерализация поровой воды выше, чем дисперсионной среды бурового раствора. При этом наблюдается увлажнение породы, возникают внутренние напряжения, связи между частицами ослабевают и происходит нарушение устойчивого состояния горной породы.

Известно, что осмос – это явление самопроизвольного проникновения растворителя через полупроницаемую перегородку из раствора с большей минерализацией в раствор с меньшей минерализацией. Полупроницаемая перегородка пропускает растворитель и полностью задерживает растворенное вещество.

Одним из условий обеспечения устойчивости горных пород на стенках скважины при действии осмотических процессов является регулирование минерализации промывочных жидкостей, обработанных химическими реагентами. Эффективность управления осмотическими процессами в скважине во многом зависит от естественной влажности горной породы и связывающе-крепящих свойств, применяемых химических реагентов. Если минерализация дисперсионной среды бурового раствора выше, чем пластовой воды, может происходить переток воды из пласта в скважину, при этом ухудшается качество промывочной жидкости. При одинаковой минерализации дисперсионной среды промывочного раствора и пластовой воды осмотический переток прекращается, и наступает осмотическое равновесие.

В наибольшей степени влиянию осмотических перетоков подвержены глинистые породы. От их устойчивого состояния зависит возникновение осложнений и стабильность процесса бурения скважины. И при прямом осмосе или обратном осмотические перетоки вызывают изменение количества воды в горной породе. Начальная влажность глинистых отложений оказывает большое влияние на их устойчивость к осмотическому взаимодействию.

Малоувлажненные глины сначала проходят стадию гидратации и капиллярной пропитки. При наличии общей влажности около 8 % глины теряет устойчивость и обваливается. Гидратация и начальная пропитка слабоувлажненных глин является определяющим энергети-

37

ческим фактором, вызывающим преимущественное изменение и разрушение структуры глинистой породы. Устойчивость глинистой породы зависит от минералогического и физико-химического состава, от степени уплотнения ее горным давлением и активности дисперсионной среды промывочной жидкости в скважине.

Нарушение устойчивости породы возможно в результате действия перепада давления. Независимо от минерализации поровой воды в горные породы может проникать пресная вода дисперсионной среды промывочной жидкости. Этот процесс приводит к увеличению гидратных оболочек вокруг частиц гидрофильных пород и снижению их устойчивого состояния на стенках скважины [7].

Вопросы для самопроверки

1. Какие горные породы подвержены неустойчивому состоянию

вскважине?

2.Какое влияние оказывает фильтрационная корка на устойчивость горных пород?

3.Действием каких сил обусловлено взаимодействие глинистых отложений с водной дисперсионной средой промывочных жидкостей?

4.Оказывает ли влияние плотность бурового промывочного раствора на устойчивое состояние стенок ствола скважины?

5.Какое влияние оказывают осмотические перетоки в скважине на устойчивость горной породы?

6.Что понимается под явлением осмоса?

7.Как можно регулировать осмотические процессы в скважине?

8.Какие горные породы наиболее подвержены влиянию осмотических перетоков?

9.От чего зависит устойчивость глинистой породы в скважине?

10.Оказывает ли влияние действие перепада давления на нарушение устойчивости горной породы в скважине?

38

6.ПРОМЫВКА СКВАЖИН

ВМНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

Многолетнемерзлые породы – это породы, частицы которых сцементированы льдом и среднегодовая температура которых меньше 0 °С. Эти горные породы характеризуются коэффициентом льдистости. Коэффициент льдистости – это отношение массы (объема) льда, содержащегося в горной породе, к массе (объему) всей горной породы.

Многолетнемерзлые породы делятся на льдистые, коэффициент льдистости которых изменяется от 0 до 0,2, среднельдистые, коэффициент льдистости которых составляет от 0,2 до 0,4, сильнольдистые, у которых коэффициент льдистости составляет 0,4. Горные породы с коэффициентом льдистости меньше 0,2 относятся к непросадочным, а с коэффициентом льдистости больше 0,2 относятся к просадочным.

Многолетнемерзлые породы имеют свойства – это способность протаивать и способность промерзать. Эти свойства и определяют проблемы, которые возникают в процессе бурения в виде осложнений.

В процессе бурения скважины тепловое поле посредством промывочного раствора распространяется на многолетнемерзлые породы, слагающие стенки скважины, которые имеют отрицательную температуру. Происходит растепление многолетнемерзлых пород, что приводит к таянию льда. В прискважинной зоне наблюдается нарушение льдоцементных связей частиц их структуры, мерзлые породы разрушаются и возникают осыпи, обвалы стенок скважины, образуются каверны в стволе скважины.

Кроме того, в приствольной зоне действуют силы вертикального, бокового и окружного горных давлений. Под действием этих сил протаявшие горные породы поджимаются к обсадным трубам в скважине. При этом разные по литологическому составу горные породы оказывают различное деформационное действие. Например, пласт протаявшего песка приобретает бочкообразную форму под действием радиального сжатия и на контакте с обсадной колонной возникают осевые напряжения растяжения тела трубы.

39

Эти же усилия, действующие вдоль поверхности обсадной колонны вверх и вниз, способствуют уплотнению пластов глинистых отложений, перекрывающих и подстилающих песчаный пласт. В итоге процесс этого формоизменения приводит к появлению осевых напряжений сжатия в теле обсадных труб. Когда в приствольной зоне напряжения растяжения – сжатия окажутся по величине сопоставимыми с прочностью обсадных труб или их резьбовых соединений, то может произойти разрушение труб обсадной колонны и цементного камня в затрубном пространстве [10].

Таким образом, в результате протаивания многолетнемерзлых пород могут возникать осложнения: расцентровка вышек и оборудования, приустьевые провалы, нарушение прочной связи между цементным камнем и горной породой, потеря продольной устойчивости обсадной колонны, образование каверн в стволе скважины.

Основным способом предупреждения осложнений при бурении многолетнемерзлых породах является сохранение отрицательной температуры стенок ствола скважины. Для достижения этой цели применяются различные промывочные агента для очистки скважины от частиц выбуренной горной породы. Такими очистными агентами могут быть охлажденный воздух, охлажденный буровой промывочный раствор, устойчивые пены.

Сжатый воздух отличается от промывочных растворов и воды тем, что не замерзает при низких температурах и давлениях в процессе бурения, поэтому нет осложнений, связанных с замерзанием промывочной воды.

При бурении сжатый воздух охлаждается за счет теплообмена с естественным хладоносителем: атмосферным воздухом, проточной водой, мерзлыми породами, льдом – с помощью холодильников различных конструкций. Кроме того, охлаждать сжатый воздух можно путем теплообмена с кипящим при низкой температуре хладагентом (фреоном, аммиаком и др.) в пароэжекторных, адсорбционных парокомпрессионных холодильных машинах.

В качестве газожидкостных систем, которые используются как очистные агенты, применяются пены и аэрированные промывочные

40