4.4. Функциональные свойства промывочных жидкостей и их оценка

Обоснование выбора свойств промывочных жидкостей, определяющих эффективность выполнения ими требуемых в тех или иных геолого-технических условиях бурения функций, а также установление допустимых пределов изменения показателей выбранных свойств (регламента) в процессе бурения – важнейшие задачи проектирования технологии промывки скважин.

Для решения этих задач необходимо иметь четкие представления обо всех свойствах промывочных жидкостей, влиянии этих свойств на выполнение промывочной жидкостью тех или иных функций, а также о существующих показателях и методиках оценки различных свойств промывочных жидкостей. Последнее имеет весьма важное значение и с позиций контроля за качеством промывочной жидкости в процессе бурения, задачей которого является получение объективной информации об отклонениях значений показателей относительно заданного регламента и принятие соответствующих мер по восстановлению (регенерации) свойств промывочной жидкости.

Кроме того, такой контроль в процессе бурения необходим и для анализа влияния свойств промывочной жидкости на технико-экономические показатели буровых работ, без которого немыслима разработка путей дальнейшего улучшения качества промывочных жидкостей.

Качество промывочной жидкости является относительной характеристикой, получаемой путем сравнения фактических значений показателей ее свойств с регламентируемыми (эталонными) значениями.

Требуемые функции промывочной жидкости и, соответственно ее свойства, обеспечивающие выполнение этих функций, а также регламент на значения показателей этих свойств, определяются, главным образом, окружающей средой, моделью которой в какой-то мере условно можно считать геолого-технические условия бурения скважины или ее отдельного интервала.

Геолого-технические условия бурения включают в себя три подсистемы, основные элементы которых, определяющие выбор функций промывочной жидкости и регламента на значения показателей ее важнейших свойств, приведены ниже:

1. Подсистема геологических элементов

– минералогический состав разбуриваемых горных пород и их физико-технические свойства (прочность, влажность, проницаемость, пористость, абразивность, набухаемость, размокаемость, трещиноватость и др.);

– степень и состав минерализации подземных (поровых) вод;

– градиент пластового давления;

– градиент гидроразрыва пластов;

– геотермический градиент и др.

2. Подсистема технических элементов

– способ бурения;

– глубина скважины (интервала залегания разбуриваемых горных пород);

– диаметр скважины;

– зенитный и азимутальный углы скважины;

– зазор между бурильными трубами и стенками скважины;

– техническое состояние бурильных труб и др.

3. Подсистема технологических элементов

– параметры режима бурения;

– тип породоразрушающего инструмента;

– механическая скорость бурения;

– величина проходки за рейс и др.

На основе анализа состояния перечисленных выше элементов и их связей друг с другом выбираются необходимые для рассматриваемых условий функции промывочной жидкости и формулируются требования к ней. Затем выбираются свойства промывочной жидкости, отвечающие за выполнение ею необходимых функций и требований, после чего устанавливается регламент на значения показателей этих свойств. Следует заметить, что решение ни одной из этих задач пока не формализовано.

Для оценки эффективности выполнения промывочной жидкостью своих функций используется множество различных показателей, а для ее обеспечения – множество компонентов. Например, около сотни фирм США выпускают порядка двух тысяч наименований компонентов промывочных жидкостей, которые только по назначению делятся на понизители фильтрации, понизители вязкости, структурообразователи (загустители), регуляторы щелочности, ингибиторы глинистых пород, регуляторы термостойкости, пенообразователи, пеногасители, эмульгаторы, смазочные добавки, бактерициды, флокулянты, ингибиторы коррозии и нейтрализаторы сероводорода, утяжелители, закупоривающие материалы (наполнители); реагенты, связывающие ионы кальция, и др. Естественно, что такое многообразие компонентов порождает множество возможных вариантов компонентных и долевых составов промывочных жидкостей. При этом в процессе эксплуатации промывочные жидкости подвержены воздействию большого числа возмущающих факторов (выбуренных пород, пластовых флюидов, температуры, бактерий и др.), которые, как правило, изменяют их качество не в лучшую сторону.

Таким образом, главными особенностями промывочных жидкостей являются многофункциональность, многокомпонентность и параметрическая сложность (большое число реально используемых показателей их самых разнообразных свойств).

Эти особенности накладываются на традиционное многообразие геолого-технических условий бурения скважин и связанное со всем этим множество альтернатив при выборе показателей свойств промывочной жидкости, подлежащих обязательному регламентированию, а также при регламентировании значений этих показателей, т.е. установлении необходимых пределов их изменения в процессе бурения.

И в такой многоальтернативной по всем позициям ситуации специалисты по промывочным жидкостям вынуждены решать проблему выбора.

Но и это еще не все. Поскольку безотходное производство, как и создание «вечного двигателя», невозможно, то по окончании бурения промывочная жидкость, содержащая различные химические реагенты, превращается в чуждые для окружающей природной среды отходы. Кроме этого, в процессе бурения промывочная жидкость успевает загрязнить транспортируемую ею на поверхность разрушенную горную породу, а нередко, в результате ухода в поглощающие пласты, и недра.

Анализ влияния различных факторов на формирование объема основных отходов бурения, свидетельствует о том, что большинство из этих факторов являются управляемыми и тесно связаны с функциональными свойствами промывочных жидкостей. Эти же свойства в значительной мере определяют и вероятность повышения экотоксичности промывочной жидкости в процессе бурения, под которой понимают ее токсичность по отношению к биологическим объектам окружающей природной среды.

Таким образом, подход к достижению технократических целей: бурить быстрее, лучше, дешевле и гуманистических целей: минимизировать объемы отходов и их экотоксичность, общий – оптимизация качества промывочных жидкостей.

К требующим своего решения проблемам оптимизации качества промывочных жидкостей как теоретического, так и прикладного характера следует отнести следующие:

– обоснование общей совокупности свойств и показателей, необходимых и достаточных для всесторонней оценки качества промывочных жидкостей с позиций известных и перспективных их функций, расхода ресурсов на их приготовление и эксплуатацию, выполнения ими требований безопасности труда и охраны окружающей природной среды;

– разработка и совершенствование методов и технических средств измерения показателей функциональных, экологических и других свойств промывочных жидкостей, всесторонне характеризующих их качество;

– типизация геолого-технических условий бурения с позиций требований к качеству промывочных жидкостей;

– формирование групп показателей свойств промывочных жидкостей, подлежащих обязательному регламентированию в каждом из типов геолого-технических условий бурения;

– разработка научно-методических основ регламентирования значений показателей различных свойств промывочных жидкостей;

– разработка и совершенствование методов оценки влияния на качество промывочных жидкостей возмущающих воздействий (выбуренных пород, пластовых флюидов, температуры и др.);

– создание алгоритма комплексной (обобщенной) оценки качества промывочных жидкостей;

– исследование взаимосвязи между качеством промывочных жидкостей и качеством составляющих их компонентов, разработка и совершенствование методов и технических средств оценки качества основных компонентов промывочных жидкостей;

– создание реальных условий для формирования информационных массивов промывочных жидкостей различных компонентных составов силами буровых предприятий и программного обеспечения для автоматизированного решения задач оценки качества промывочных жидкостей, а также выбора их оптимальных составов в многоальтернативных ситуациях;

– исследование взаимосвязи между качеством и стоимостью 1 м³ промывочной жидкости, качеством промывочной жидкости и стоимостью 1 м бурения и т.д.;

– создание руководящих и методических материалов по оценке качества промывочных жидкостей.

При этом особого внимания заслуживает всесторонняя оценка свойств промывочных жидкостей на этапе их проектирования. Обусловлено это тем, что исключая из рассмотрения какое-то свойство промывочной жидкости, мы не лишаем его реальности, оно все равно существует (действует) независимо от нас, но мы при этом не владеем информацией. Владеть же информацией, значит владеть ситуацией. Что же касается необходимости всесторонней оценки свойств именно на стадии проектирования (разработки), то и здесь все объясняется просто: качество должно быть заложено в промывочной жидкости, а не доказываться последующим контролем в процессе бурения!

Важнейшими свойствами большинства типов промывочных жидкостей являются следующие: плотность; структурно-механические, реологические, фильтрационно-коркообразующие, электрохимические и триботехнические свойства; ингибирующая, закупоривающая и другие способности.