Раздел 4

Способы удаления продуктов разрушения

из скважин при бурении и их теоретические основы

Введение

Основная задача данного раздела дисциплины – привить будущим специалистам знания, умения и навыки, позволяющие в конкретных геолого-технических условиях бурения самостоятельно и творчески решать все вопросы, связанные с удалением продуктов разрушения из скважин, добиваясь выполнения проектных задач с максимальной эффективностью (быстрее, лучше, дешевле), не нанося при этом ущерба окружающей природной среде.

4.1. Общие сведения о способах удаления продуктов разрушения и очистных агентах

Удаление продуктов разрушения (УПР) при бурении скважин может осуществляться несколькими способами, основными из которых являются следующие:

– механический;

– гидравлический;

– пневматический;

– комбинированный (гидропневматический или пневмогидравлический).

Механический способ удаления продуктов разрушения – самый древний способ. Применяется при бурении неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах. Удаление осуществляют специальными забойными инструментами: буровыми ложками, змеевиками, шнеком, желонкой. Проходка на рейс в этом случае ограничена емкостью инструмента составляет всего 0,2–0,6 м. Весь выбуренный объем породы поднимается на поверхность вместе с забойным инструментом, что снижает существенно производительность бурения.

Наиболее производительным из механических способов является транспортирование продуктов разрушения с помощью шнеков – винтовых транспортеров (рис.4.1 а). Рыхлая масса разрушенной породы в этом случае перемещается за счет действия силы, возникающей на винтовой поверхности вращающегося шнека. Порода поднимается на поверхность одновременно с бурением колонной шнеков, длина которых соответствует глубине скважин.

На транспортную способность шнеков существенное влияние оказывает характер транспортируемого материала. Сыпучий материал и плывуны транспортируются более трудно. В этом случае рекомендуется уменьшать шаг винта и придавать рациональную форму лопасти (рис.4.1,б). Сильно липкий материал также транспортируется с трудом. Так, при бурении по сильно увлажненным жирным глинам шнек залипает и прекращает транпортирование. Чтобы улучшить работу шнека, следует уменьшить подачу (скорость углубки) и применять фасонные шнеки (рис.4.1, в) с выступами на винтовой поверхности [1].

Рис. 4.1. Вынос продуктов разрушения из скважины шнеком (а) и фасонные шнеки (б, в).

При гидравлическом способе продукты разрушения удаляются с забоя и транспортируются на поверхность потоком жидкости, движущейся в скважине с определенной скоростью. Такая жидкость называется промывочной.

Промывочная жидкость закачивается буровым насосом в бурильные трубы, нагнетается к забою, омывает его и, подхватив частички выбуренной породы, по затрубному пространству выносит их на поверхность, где они осаждаются, главным образом, принудительно с помощью специальных очистных устройств.

Идея промывки скважин непрерывной циркуляцией воды по трубам и затрубному пространству принадлежит французскому инженеру Фовеллю (1848 г.).

В 1887 г. американец М.Д. Чэпмен предложил вводить в поток воды глину, отруби, зерно или цемент для создания на стенках скважин малопроницаемой корки.

Из приведенного перечня материалов практическое применение нашла только глина и до настоящего времени глинистые растворы являются самым распространенным видом промывочных жидкостей.

Пневматический способ заключается в выносе продуктов разрушения из скважины потоком газа, чаще всего, сжатого воздуха. Кроме сжатого воздуха используют выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, природный газ, азот. Всю их совокупность называют газообразными агентами.

Патент по использованию сжатого воздуха для удаления шлама из скважин принадлежит американцу П. Суини, который он получил в 1866 г.

Из газообразных агентов первым был испытан природный газ. Произошло это в сентябре 1932 г. при бурении нефтяной скважины глубиной 2680 м в штате Техас США. В этом же штате в 1950 г. для удаления продуктов разрушения при бурении сейсмических скважин впервые начали использовать сжатый воздух.

При комбинированном способе продукты разрушения удаляются из скважины потоком газожидкостной смеси (ГЖС) при одновременной работе бурового насоса и компрессора.

Типы ГЖС:

– аэрированные буровые растворы (впервые были использованы в мае 1953 г. в штате Юта США);

– пены (впервые были применены в 1962 г. в штате Невада при бурении скважины диаметром 1630 мм на испытательном полигоне по атомной энергии США).

Совокупность промывочных жидкостей, газообразных агентов и газожидкостных смесей называют очистными агентами.

Из всей совокупности очистных агентов наибольшим распространением пользуются промывочные жидкости (соответственно гидравлический способ удаления продуктов разрушения), поэтому им и уделена основная часть данного раздела.

Промывочная жидкость – это среда, в которой протекают практически все процессы, связанные с бурением, поэтому промывочную жидкость нередко называют кровью скважины. И это образное сравнение вполне справедливо: качество промывочной жидкости, особенно при бурении скважин в осложненных условиях, в значительной мере определяет эффективность буровых работ в целом.

В общем случае качество – это совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности. Характеристиками промывочной жидкости являются значения показателей ее свойств, определяющих способность и эффективность выполнения ею требуемых функций.