Водоотдача имеет большое значение при бурении в пористых породах. Глинистые растворы с большой водоотдачей образуют рыхлую корку, сужающую ствол скважины и вызывающую затяжки бурового инструмента при подъеме. Проникновение воды в глинистые породы вызывает их набухание и выпучивание в ствол скважины. Снижение водоотдачи глинистого раствора способствует устранению этих явлений. Величина водоотдачи зависит: 1) от качества глины; 2) от качества воды: (жесткая и засолоненная вода повышает водоотдачу); 3) от способа приготовления раствора (недостаточное размешивание глины приводит к повышению водоотдачи); 4) надлежащая химическая обработка раствора снижает водоотдачу.
Водоотдачу глинистого раствора определяют на приборе ВМ-6 Нормальной для глинистых растворов считается водоотдача не более 25 см3 за 30 мин. Для борьбы с прихватами и обвалами снижают водоотдачу посредством химической обработки до 5- 6 реже до 2-3 см3 за 30 мин. Растворы, имеющие водоотдачу свыше 25 см3 за 30 мин, могут создавать осложнения при бурении в пористых породах.
Статическое напряжение сдвигу и характеризует способность глинистых растворов удерживать во взвешенном состоянии частицы породы.
Так как связи между частицами глины в тиксотропном растворе устанавливаются постепенно, то величина и зависит от времени стояния раствора в покое. Вначале и быстро растет, а затем медленно повышается до определенного предела. Измеряется и в приборах, называемых пластометрами.
Выбор глины. Оценку пригодности глины лучше всего производить по качеству приготовленного из этой глины раствора. Из небольшого количества испытуемой глины приготовляют глинистый раствор с условной вязкостью i = 18-24 с. Производят измерение показателей свойств полученного глинистого раствора. Сравнивают результаты измерений с параметрами глинистого раствора для нормальных условий бурения и делают вывод о пригодности полученного раствора для целей бурения без его химической обработки. [4]
Глинопорошки изготовляют на глинозаводах, транспортируют в бумажных мешках и применяют для приготовления глинистого раствора для ускорения распада глины на коллоидальные частицы. На заводе при изготовлении глинопорошков к ним могут быть добавлены химические реагенты, повышающие качество раствора.
Вода в качестве промывочной жидкости может быть применена в районах, где геологический разрез сложен твердыми породами, не обваливающимися в скважину без глинизации ее стенки. В этих условиях промывка скважины водой становится наиболее выгодной из-за ее малой вязкости и относительно небольшой плотности. В результате уменьшаются гидравлические сопротивления в бурильной колонне, турбобуре, долоте и затрубном пространстве, улучшаются условия работы буровых насосов, повышается их подача и увеличивается мощность турбобура.
Однако как промывочная жидкость вода имеет два существенных недостатка. Во-первых, возникает опасность прихвата бурильной колонны, так как вода не способна удерживать во взвешенном состоянии обломки выбуренной породы при прекращении циркуляции. Во-вторых, могут быть обвалы пород со стенок скважины, так как вода не обеспечивает должного гидростатического давления. Кроме того, обвалы объясняются физико-химическим воздействием воды на породу, слагающую стенку скважины.
Следует отметить, что при разбуривании продуктивного нефтеносного пласта нельзя промывать скважину водой, так как интенсивная ее фильтрация в пласт затрудняет впоследствии вызов притока нефти из пласта в скважину после окончания ее бурения. [5]
Глинистые растворы приготовляют из глины и воды. Однако для приготовления качественного раствора пригодна не всякая глина. Глина представляет собой смесь глинистых материалов, придающих ей пластичность, и твердых минералов (песка, карбонатов), усложняющих процесс приготовления качественного глинистого раствора. Наиболее распространенные глинистые минералы, входящие в состав глин: каолинит Al2O3 *2SiO2 *2H2O, галлуизит Al2O3 *2SiO2 *3H2O, монтмориллонит Al2O3 *4SiO2 *2H2O.
При большом содержании твердых минералов (примесей) глины превращаются в мергели, глинистые пески и другие осадочные горные породы, обладающие незначительной пластичностью.
Во всех глинах присутствует химически связанная вода, образующая на поверхности глинистых частиц слой гидроксильных групп ОН, которые обладают большой полярностью. Химически связанная вода глинистых материалов удаляется только при прокаливании до температуры 500 - 700 °С. После этого вернуть глине пластические свойства нельзя.
Гидроксильные группы ОН создают вокруг частиц сильное поле притяжения. Под действием притяжения к поверхностям глинистых частиц притягиваются молекулы воды. Эта вода в отличие от химически связанной воды называется физически связанной. Физически связанная вода почти полностью удаляется при нагревании до 100- 150 °С. Однако при этом первоначальные пластические свойства глины почти не теряются. [6]
Глинистые частицы имеют вид плоских чешуйчатых пластинок. Следовательно, площадь контакта при их соприкосновении намного больше, чем при сближении зерен песка, имеющих округлую форму. При смачивании глины водой молекулы воды проникают между пластинками глины и раздвигают их. Вследствие этого объем глины увеличивается за счет ее набухания, глинистые частицы удаляются друг от друга, силы притяжения между ними ослабевают и глинистый комочек распадается на мельчайшие частицы, покрытые водной оболочкой. Так происходит раздробление (диспергирование) глины в воде и образование глинистого раствора.
Таким образом, для получения глинистого раствора хорошего качества необходимо применять высокосортную глину и совершенные методы приготовления глинистого раствора. Качество глинистого раствора характеризуется многими параметрами: плотностью, вязкостью, водоотдачей, статическим напряжением сдвига и др.
Плотность - параметр, с помощью которого определяется гидростатическое давление, создаваемое столбом раствора в скважине на данной глубине.
В неосложненных условиях бурения плотность раствора поддерживается на уровне 1,18- 1,2 г/см3. При разбуривании горизонтов, предрасположенных к обвалам пород, плотность раствора увеличивают. Для утяжеления промывочной жидкости применяют минералы барит (плотность которого 4,5 г/ см3) и гематит (плотность 5,19 - 5,28 г/м3). При прохождении трещиноватых кавернозных пластов, наоборот, плотность промывочной жидкости уменьшают.
Вязкость - параметр, характеризующий свойство раствора оказывать сопротивление его движению.
При бурении в пористых, трещиноватых породах с небольшим пластовым давлением, поглощающих промывочную жидкость, высокая вязкость последней способствует закупорке пор и каналов в пласте. При бурении в пластах, содержащих газ, приходится уменьшать вязкость для лучшего прохождения пузырьков газа через столб жидкости.
Водоотдача - способность раствора при определенных условиях отдавать воду пористым породам.
При бурении скважины глинистый раствор под влиянием перепада давления проникает в поры пластов и со временем закупоривает (глинизирует) их. Образовавшаяся на стенках скважины глинистая корка со временем препятствует проникновению в пласты даже очень мелких частиц глины, но не задерживает воду, отделяющуюся от глинистого раствора.
Если применять глинистый раствор низкого качества, то на стенках скважины образуется толстая, рыхлая и неплотная корка, через которую отфильтровывается вода в пласт. Это сужает ствол скважины, что может вызвать прилипание (прихват) бурильной колонны. Кроме того, проникновение отфильтрованной воды в породы может привести к их набуханию и обвалам. В связи с этим всегда стремятся максимально снизить водоотдачу глинистого раствора.
Статическое напряжение сдвига - усилие, которое требуется приложить, чтобы вывести раствор из состояния покоя. Этот параметр характеризует прочность структуры, образующейся в растворе и возрастающей с течением времени, прошедшего с момента перемешивания глинистого раствора. Определяют его 2 раза: 1) через 1 мин после интенсивного перемешивания; 2) через 10 мин после перемешивания. Статическое напряжение сдвига определяют приборами разного типа.
При нормальных условиях бурения рекомендуется поддерживать статическое напряжение не более 20 мг/см2. Глинистый раствор с большим статическим напряжением сдвига (до 200 мг/см2 и более) применяется для предупреждения поглощения глинистого раствора в пористые пласты.
Стабильность характеризует способность раствора сохранять плотность длительное время. Для измерения стабильности раствор наливают в цилиндрический сосуд, имеющий отверстия в дне и в средней части. После его отстаивания в течение 24 ч определяют плотность раствора из проб, отобранных из верхней и нижней частей сосуда. Разница в значениях плотности раствора характеризует меру стабильности. Для неосложненных условий бурения стабильность должна быть не более 0,02.
Суточный отстой характеризует коллоидные свойства промывочной жидкости. Для его определения хорошо перемешанный раствор наливают в градуированный цилиндр объемом 100 см3 и оставляют в покое на сутки. Для высококачественного раствора значение суточного отстоя должно быть равно нулю.
Содержание песка - это количество в растворе частиц породы, не способных растворяться в воде. Определяют содержание песка по объему образовавшегося осадка (в растворе, выходящем из скважины, в начале желобной системы и из приемного мерника, т. е. в растворе, поступающем в скважину) в специальном отстойнике при нахождении в нем разжиженного глинистого раствора. Степень очистки растворов от выбуренной породы на поверхности представляет собой разницу содержания песка в этих пробах (в %).
3. Промывочные жидкости на водной основе
Для разбуривания аргиллитов, сланцевых глин, соленос-ных пород с промывкой скважин жидкостью на водной основе под воздействием отфильтрованной из раствора воды, как правило, происходят осыпи, обвалы пород и растворение соленосных пород. В этих условиях желательно использовать неводные промывочные жидкости. Такие жидкости следует применять и при бурении в продуктивных пластах, так как нельзя допускать загрязнение коллекторов отфильтрованной водой.
Промывочные жидкости на неводной основе - сложная многокомпонентная система, в которой дисперсионной средой являются жидкие нефтепродукты, чаще всего дизельное топливо. Поэтому их называют растворами на углеводородной основе (РУО).
Наиболее распространены известково-битумные растворы (ИБР), в состав которых входят дизельное топливо, битум, окись кальция, поверхностно-активное вещество и небольшое количе¬ство воды. Для повышения плотности ИБР, если это необходимо, в раствор добавляют барит, имеющий большую плотность.[7]
Растворы на углеводородной основе даже при большом перепаде давлений являются практически не фильтрующими жидкую фазу. Выбуренные частицы породы, в том числе глинистые, в таких растворах не распускаются, а частицы соленос-ных пород не влияют на качество раствора. Они не ухудшают проницаемость коллекторов продуктивных горизонтов.
Однако растворы на углеводородной основе чувствительны к температуре и поэтому их рецептура должна подбираться с учетом ожидаемой температуры на забое скважины.
Бурение с промывкой скважины растворами на углеводородной основе заставляет особенно строго соблюдать все правила противопожарной безопасности, а в связи с загрязнением рабочих мест нефтью требования к мероприятиям по охране труда рабочих возрастают. При бурении с промывкой такими растворами ухудшаются условия проведения электрометрических работ в скважине. Растворы на углеводородной основе значительно дороже глинистых.
4. Проектные и подготовительные работы при промывке скважин
Технико-экономическая эффективность строительства нефтяных и газовых скважин во многом зависит от обоснованности процесса углубления и промывки. Проектирование технологии этих процессов включает в себя выбор способа бурения, типа породоразрушающего инструмента и режимов бурения, конструкции бурильной колонны и компоновки ее низа, показателей свойств и типов бурового раствора, необходимых количеств химических реагентов и материалов для поддержания их свойств, гидравлической программы углубления. Принятие проектных решений обуславливает выбор типа буровой установки, зависящей, помимо этого, от конструкции обсадных колонн и географических условий бурения
Для ряда указанных вопросов еще не выработано однозначных, а тем более научно-формализованных правил. При принятии многих решений (выбор режимно-технологических параметров бурения, некоторых свойств буровых растворов и др.) оказывается необходимым использовать результаты обобщения промыслово-статического материала, получаемого при бурении опорно-технологических и первых разведочных скважин.
Перед промывкой необходимо провести подготовительные работы: проверка наземных сооружений, оборудования и инструмента; выбор и проверка промывочных труб, промывочного насоса; выбор способа помывки, промывочной жидкости; замер глубины забоя. При промывке наклонных и глубоких скважин рекомендуется пользоваться гидравлическим индикатором веса (ГИВ).Промывать фонтанные скважины следует при установленной под вертлюгом центральной (коренной) задвижке ФА и переводной катушке. При использовании бурового раствора или нефти в качестве промывочной жидкости необходима специальная система желобов для циркуляции жидкости, чтобы не допускать ее потери. Перед промывкой скважины всю систему необходимо промыть водой и опрессовать на давление, не менее чем полуторакратное ожидаемое. При промывке скважины водой для большей надежности подавать ее следует из двух самостоятельных источников.