Конспект_ОА

4. ПАРАМЕТРЫ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС БУРЕНИЯ

К технологическим параметрам буровых растворов относятся следующие:

1. Плотность раствора влияет на гидростатическое давление на забой и стенки скважины. Плотность раствора повышают при наличии в разрезе во- до-, газо-, нефтепроявляющих пластов, для предупреждения обвалообразований. При этом давление, создаваемое раствором повышенной плотности, поддерживают несколько большим пластового с тем, чтобы предотвратить или резко уменьшить интенсивность притока флюидов в скважину.

Плотность раствора уменьшают при поглощениях, для снижения гидравлических потерь в циркуляционной системе и дифференциального давления на забое, повышения буримости горных пород.

Плотность измеряется в кг/м3 с помощью ареометра АБР-1 или пикнометров и обозначается ρ.

2. Вязкость бурового раствора характеризует величину гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе, величину проникновения раствора в поры и трещины горных пород. При бурении следует поддерживать минимально необходимую вязкость раствора. При излишне высокой вязкости из-за больших гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве резко снижается механическая скорость бурения, возможно раскрытие трещин в слабых пластах (гидроразрыв), раствор хуже очищается от шлама и газа; в глубоких скважинах увеличивается давление на забой; снижаются подача бурового насоса и мощность турбобура, хуже охлаждается долото или коронка.

Лишь в породах, склонных к поглощению рекомендуется буровой раствор с повышенной вязкостью.

Измеряют динамическую, структурную и условную вязкость. Динамическая вязкость определяется для растворов, не образующих структуры

(пресная и соленая вода). Структурная (пластическая) вязкость – для вязкопластичных структурированных растворов (глинистые растворы), условная вязкость – для любых растворов, главным образом, в полевых условиях. Динамическая и пластическая вязкость измеряется в Па с с помощью ротационных вискозиметров ВСН-3 и др. Условная вязкость измеряется в секундах с помощью полевого вискозиметра ВБР-1 и обозначается Т (другие обозначения – УВ или Т500).

3. Показатель фильтрации (водоотдача) характеризует способ-

ность бурового раствора отфильтровывать жидкую фазу, проникающую в горные породы в скважине под действием избыточного давления.

При низкой водоотдаче на стенках скважины образуется тонкая (1-2 мм) плотная корка, закрепляющая неустойчивые породы и уменьшая поглощение промывочной жидкости. С ростом водоотдачи на стенках откладывается толстая рыхлая корка, что повышает вероятность обвалообразования, прилипания и прихвата и затяжки бурильной колонны, часто ухуд-

11

шает качество вскрытия продуктивных пластов.

В тоже время, с увеличением водоотдачи уменьшается отрицательное влияние дифференциального давления на процесс разрушения горных пород.

Измерение показателя фильтрации (водоотдачи) бурового раствора при обычной температуре и в статическом состоянии производится прибором ВМ-6. Прибор ВГ-1М позволяет измерить водоотдачу раствора, насыщенного газом. Для измерения водоотдачи бурового раствора при повышенных температурах, давлениях и в динамическом состоянии (при непрерывном течении по поверхности фильтрации) используются фильтр-прессы

(ФЛР-1, УИВ-1, УИВ-2, ФП-200 и др.).

Водоотдача измеряется в см3 за 30 мин и обозначается В. При измерении фильтр-прессом показатель фильтрации обозначается –Ф1002,5 , где верхний ин-

декс это температура, °С, а нижний индекс - давление, МПа, при которых измерялась фильтрация раствора.

4. Толщина фильтрационной корки также является количествен-

ным показателем фильтрации бурового раствора.

С ростом толщины корки возрастает устойчивость стенок, но повышается вероятность прихвата и затяжки бурового инструмента.

Корка образуется на фильтрационной решетке прибора ВМ-6, ВГ-1М в процессе фильтрации. Толщина корки измеряется либо линейкой, либо более точно с помощью прибора – игла Вика. Параметр обозначается К или δ, мм.

5. Статическое напряжение сдвига (СНС) является условной ха-

рактеристикой прочности тиксотропной структуры, возникающей в растворе после нахождения его в покое в течении одной и десяти минут. Первая величина характеризует способность промывочной жидкости удерживать частицы выбуренной породы.

С ростом параметра повышается способность раствора удерживать частицы шлама, снижается интенсивность поглощений в трещиноватых породах, но уменьшается механическая скорость бурения и повышается начальное давление бурового насоса.

В буровых растворах прочность структуры может достигнуть таких значений, при которых сопротивление структуры разрушению в момент восстановления циркуляции вызовет значительные давления, способные привести к гидроразрыву пласта. Поэтому СНС измеряется через одну и десять минут от момента оставления его в покое. Статическое напряжение сдвига через одну минуту обозначается θ1, а через десять минут - θ10 (другое обозначение – СНС1 и СНС10). Чтобы не вызвать гидроразрыв пласта, необходимо выполнить соотношение θ10/θ1 ≥ 1,5.

Статическое напряжение сдвига измеряется в Па на приборе СНС-2. 6. Динамическое напряжение сдвига характеризует прочностное сопротивление течению бурового раствора, подчиняющегося закону течения Бингама-Шведова. Влияние параметра на процесс бурения в целом

12

аналогично влиянию статического напряжения сдвига.

Динамическое напряжение сдвига измеряется в Па на приборах ВСН- 3, РВР.

7.Содержание посторонних твердых примесей (содержание пес-

ка) характеризует степень загрязненности бурового раствора песком, грубодисперсные частицы шлама, нерастворенные комки глины и т.д.

Увеличенное содержание песка приводит к повышению абразивного износа оборудования и инструмента и повышению гидравлических сопротивлений.

Содержание песка измеряют в процентах (%), обозначают П или Сп. Для определения содержания песка используют отстойник ОМ-2.

8.Стабильность и седиментация (суточный отстой) характери-

зуют физико-химическую устойчивость дисперсного бурового раствора. Стабильность (обозначается С, %) определяется путем измерения плотностей верхней и нижней частей пробы раствора, выдержанной в течение суток.

Если разность плотностей для нормальных и утяжеленных растворов не превышает соответственно 20 и 60 кг/м3, то растворы считаются стабильными. Седиментация (обозначается О, %) оценивается по количеству отделившейся за сутки дисперсионной среды из определенного объема раствора

врезультате гравитационного разделения его компонентов.

Высокая стабильность и седиментационная устойчивость бурового раствора, повышает устойчивость стенок скважины, но несколько снижает механическую скорость бурения.

9. Водородный показатель (концентрация водородных ионов) ха-

рактеризует щелочность или кислотность бурового раствора и обозначается pH.

Для каждой промывочной жидкости существует свой интервал значений pH, при которых раствор стабилен. Выход за пределы оптимальной концентрации означает нарушение стабильности и необходимость обработки раствора химическими реагентами.

Концентрация водородных ионов измеряется с помощью индикаторной бумаги либо потенциометром - pH-метром.

Для оценки параметров промывочных жидкостей также может использоваться температура раствора, поверхностное натяжение, смазочная способность, напряжение электропробоя, теплоемкость, теплопроводность, концентрация нефти и газа, минерализация раствора.

13

5. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Контроль параметров промывочной жидкости заключается в периодическом отборе проб и измерении показателей с помощью приборов и устройств. В зависимости от назначения скважин и условий бурения перечень измеряемых параметров и частота измерений корректируется. Рекомендуемая частота отбора проб промывочной жидкости и замера ее параметров на буровой приведены в табл. 1.

Отбор проб и замер параметров непосредственно на буровой осуществляется силами буровой бригады. Результаты измерений заносятся в буровой журнал. Для измерения параметров в полевых условиях используются переносная лаборатория глинистых растворов ЛГР-3 (скважины разведочного и гидрогеологического назначения) и комплект лаборанта КЛР-1 (скважины глубокого бурения на нефть и газ).

Всостав ЛГР-3 входят: ареометр АБР-1 для измерения плотности, вискозиметр ВБР-1 для измерения условной вязкости, прибор для определения водоотдачи и толщины корки ВМ-6, отстойник ОМ-2 для определения содержания песка, цилиндр для определения стабильности ЦС-2, цилиндр для определения суточного отстоя 1-100, секундомер и термометр.

Всостав КЛР-1 входят: рычажные весы-плотномер ВРП-1 для измерения плотности, вискозиметр ВБР-1 для измерения условной вязкости, фильтр-пресс ФЛР-1 для определения фильтрации раствора, ротационный вискозиметр ВСН-3 для определения статического и динамического напряжения сдвига, структурной вязкости, прибор для определения газосодержания ПГР-1, отстойник ОМ-2 для определения содержания твердых примесей, секундомер и термометр.

Буровая установка обычно комплектуется дополнительными приборами, не входящими в состав ЛГР-3 или КЛР-1.

Кроме проверок качества раствора на буровой, в лаборатории производственного предприятия, ведущего буровые работы, производится контроль параметров проб раствора. Рекомендуемая периодичность проверок: 1 раз в неделю при нормальных условиях бурения и 3 раза в неделю при осложненных условиях.

Кроме того, в лабораторных условиях определяются параметры, измерение которых из-за сложности оборудования в полевых условиях затруднительно: поверхностное натяжение, смазочная способность, напряжение электропробоя, теплоемкость, теплопроводность и др.

14

6. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Для измерения плотности бурового раствора в полевых условиях используют ареометр АБР-1, принцип действия которого основан на сравнении плотностей одинаковых объемов исследуемого раствора и воды.

Ареометр АБР-1 (рис. 3) состоит из мерного стакана 2, поплавка 3 со стержнем 4 и съемного груза 1. Стакан крепится к поплавку при помощи резьбы. На стержне имеется две шкалы: основная 6, по которой определяется плотность раствора, и поправочная, которая используется для определения поправки к показаниям прибора.

Основная шкала для удобства делится на две части: одна служит для измерения плотности от

900 до 1700 кг/м3 (0,9 – 1,7 г/см3), при этом на мерный стакан надевается груз 1; вторая – для измерения плотности от 1600 до 2400 кг/м3 (1,6 – 2,4 г/см3) – при снятом грузе. Прибор поставляется в комплекте с ведерком для воды 5, в которое он погружается, крышка 7 ведерка служит пробоотборником для раствора. В качестве ведерка можно

использовать любую емкость, достаточную для Рисунок 3 – Ареометр АБР-1 погружения прибора.

Для измерения плотности бурового раствора сначала необходимо определить поправку на плотность воды. Чистый и сухой стакан следует доверху наполнить водой, которой заполнено ведро, соединить с поплавком 3 вращением по резьбе до упора, погрузить в ведро и сделать отсчет по поправочной шкале. Деление на поправочной шкале, до которого ареометр погрузится в воду, покажет поправку. Затем чистый и сухой стакан доверху наполняется буровым раствором и соединяется с поплавком. При соединении стакана и поплавка через прорези в корпусе стакана выливаются излишки раствора, обеспечивая необходимый для измерения объем пробы. Прибор обмывается снаружи и погружается в ведро. По основной шкале (по делению, до которого ареометр спустится в воду) считывается показание. Измеренная плотность бурового раствора будет равна сумме отсчетов, сделанных по основной и поправочной шкалам. Например: показание поправочной шкалы 80 кг/м3 (0,08 г/см3), показание основной шкалы 1280

кг/м3 (1,28 г/см3), плотность будет 1280+80=1360 кг/м3 (1,36 г/см3).

Точность ареометра проверяется измерением плотности пресной воды с температурой 20±5°С, погруженного в ведро с той же средой. Показания ареометра должны составлять 1000±50 кг/м3 (1,00±0,05 г/см3) по двум параллельным измерениям.

Для раствора, содержащего газообразные компоненты, истинная плотность рассчитывается по формуле:

16

ρист =1−ρ0,01измСг , кг/м3

где ρизм – плотность раствора, измеренная на АБР-1, кг/м3, Сг – концентрация газа в растворе, %.

Из-за отсутствия компактных и несложных приборов, позволяющих в полевых условиях измерить вязкость раствора, используется вискозиметр ВБР-1, предназначенный для измерения условной вязкости бурового раствора.

Вискозиметр ВБР-1 (рис. 4) состоит из воронки, мерной кружки объемом

вать вязкость раствора.

При определении вязкости одним замером возможны ошибки вследствие тиксотропных свойств раствора, поэтому для более точного замера необходимо одну и ту же порцию раствора пропускать до тех пор через воронку, пока показания не станут одинаковыми. Периодически следует проверять точность вискозиметра путем проверки времени истечения воды. Исправный прибор обеспечивает вытекание 500 см3 воды за 15 с.

Вполевых условиях показатель фильтрации (водоотдачу) и толщину корки определяют прибором ВМ-6 по методу измерения уменьшения объема пробы раствора в процессе фильтрации.

Прибор ВМ-6 используют следующим образом. На дно основания 7 (рис.

5)укладывается влажная фильтровальная бумага, на которой размещается резиновая прокладка 8, служащая уплотнением между основанием 7 и стаканом 5 прибора. В основании имеются каналы 9 для сбора фильтрата, сообщенные дренажным каналом с отверстием в основании. В отверстие вставляется пробка-клапан 6, сдерживающий начало процесса фильтрации. Стакан навинчивается на основание.

Встакан 5 наливается испытываемый раствор. На стакан навинчивается цилиндр 3 с впрессованной втулкой. Внутренняя полость цилиндра заполняется машинным маслом. В отверстие цилиндра вставляется плунжер 1 с гру-

зом-шкалой 2, создающий через масло давление 0,1 МПа на буровой раствор. Шкала проградуирована от 0 до 40 см3 объема фильтрата. Перед началом из-

17

чи) от времени по двойной логарифмической сетке имеет вид прямой линии, поэтому достаточно замерить его два раза: к примеру, через 3–5 мин и через 10–15 мин, после чего измерения прекратить. На логарифмической сетке отмечают две точки, соответствующие показателю фильтрации в указанные промежутки времени (рис. 6). Обе точки соединяют прямой линией. Пересечение этой линии с линией, соответствующей 30 мин, дает значение водоотдачи за это время. Этот способ называется определением водоотдачи экс- пресс-методом.

Водоотдача должна определяться при температуре не ниже 10°С, так как при низкой температуре фильтрация глинистого

18

жения в раствор. Нулевое деление калибровочного диска 5 устанавливают против указателя 12. Затем раствор оставляют в покое в течение 1 мин, после чего включают электродвигатель 10, который через передачу 11 вращает стакан 9 с глинистым раствором со скоростью 0,2 об/мин. Вследствие взаимодействия между стенками цилиндра и жидкостью подвесной цилиндр 3 вращается вместе с

жидкостью, а стальная проволока 1, на которой подвешен цилиндр, закручивается и оказывает сопротивление его вращению. Когда сила сопротивления, стремящаяся вернуть проволоку в исходное положение, будет равна предельному статическому напряжению сдвига, умноженному на величину соприкасающейся с жидкостью поверхности цилиндра, наступает равновесие двух противоположно направленных сил и вращение цилиндра прекращается.

Структура раствора в результате перемещения частичек, прилегающих к поверхности цилиндра, несколько разрушается и проволочка начнет раскручиваться, перемещая цилиндр в обратном направлении. В момент начала вращения цилиндра 3 в противоположную сторону измерение считается законченным. Отсчет производится по шкале диска 5 в градусах. После этого осторожно возвращают нуль шкалы диска к указателю 12. По истечении 10 мин по секундомеру производят второе измерение, чтобы определить тиксотропию глинистого раствора. Каждое измерение от момента пуска электродвигателя до момента остановки подвесного цилиндра не должно продолжаться более 1 мин, чему соответствует максимальный отсчет в 70°. Для определения значения статического напряжения сдвига используют формулу:

где К – коэффициент прибора СНС-2, зависящий от толщины стальной нити (приводится в паспорте прибора),

ϕ1, ϕ10 – соответственно угол закручивания нити через 1 и 10 мин, град. Для определения содержания песка и механических примесей используется отстойник ОМ-2 (рис. 8). Он представляет собой цилиндрический сосуд 1, оканчивающийся внизу трубкой, внутри которой помещена градуированная сменная пробирка 2 объемом 10 мл с ценой деления 0,1 мм. В верхней части отстойника на уровне, соответствующем объему 500 мл, имеется отверстие для слива воды. На горловину сосуда надевается крышка, служащая одновременно мерной емкостью для бурового раствора. Ее объем составляет

19

вискозиметр ВСН-3 (рис. 9). Прибор состоит из закрытого корпуса, измерительной системы, привода и стакана для испытуемой среды. В корпусе 1 прибора смонтированы все механизмы вискозиметра.

Измерительная система включает подвесной цилиндр 5, гильзу 6, шкалу 7, пружину 9, крутильную головку 10. Испытуемый раствор заливают в стакан 4, который опирается на телескопический столик 3. Гильза 6 приводится во вращение от электродвигателя 15 через редуктор 2, вал 11 и систему шестерен. Для измерения статического напряжения сдвига прибор снабжен электродвигателем 13, который при соответствующем положении переключателя

включают тумблер «сеть» и перемешивают при частоте вращения гильзы 600 об/мин с целью разрушения структуры. Через окно 8 снимают устойчивые показания углов закручивания по шкале 7 прибора при 600, 400, 300 и 200 об/мин. По полученным данным строят график зависимости угла поворота шкалы ϕ от частоты вращения гильзы.

20