Перейти на главную страницу
Санкт-Петербургский государственный горный институт им.Г.В.Плеханова
(технический университет)
Н.И.НИКОЛАЕВ, Ю.А.НИФОНТОВ, П.А.БЛИНОВ
БУРОВЫЕ
ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ
Учебное пособие
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2002
УДК 622.244.442.063 (075.80)
ББК 33.131
Н63
Рассмотрены буровые промывочные жидкости, применяемые при бурении на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые и представляющие собой различной степени сложности и состава гетерогенные и гомогенные дисперсные системы. Широко представлены буровые промывочные жидкости на водной и неводной основе. Дана подробная информация о современных материалах и химических реагентах для приготовления и обработки буровых промывочных жидкостей, описаны используемые способы их приготовления, обработки, контроля качества, очистки и дегазации. Изложены основные сведения по приготовлению и применению аэрированных промывочных жидкостей и пен, дана их подробная классификация.
Научный редактор проф. |
Б.Б.Кудряшов |
Рецензенты: кафедра разведочного бурения Московского государственного геолого-разведочного университета; доктор технических наук, профессор Ю.Т.Морозов (ВИТР).
ISBN 5-94211-085-9 |
© Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2002 г. |
Современные промывочные жидкости представляют собой многокомпонентные системы, технология приготовления и управления свойствами которых в настоящее время приобретают все более самостоятельное научное и практическое значение при бурении глубоких скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые.
Промывочные жидкости претерпели долгое и сложное развитие от "буровой грязи" до сложнейших композиций с заранее заданными и регулируемыми физико-химическими и технологическими свойствами. Более 2000 лет назад в Китае применялось смачивание водой забоя скважин ударного бурения для удаления илистой выбуренной массы. Известны попытки применения в 1815 г. промывки при проходке скважин ударно-канатным способом. Однако до начала ХХ столетия промывочные жидкости в бурении широко не использовались.
Революционный этап в развитии промывочных жидкостей начался одновременно с развитием вращательного бурения. В 1833 г. французским инженером М. Фовилем была выдвинута идея промывки скважин непрерывной циркуляцией воды по трубам и затрубному пространству. В 1848 г. Фовиль впервые применил воду для непрерывной промывки при бурении артезианской скважины в монастыре св. Доминика (Франция). В 1887 г. получен первый патент на промывочную жидкость (А. Краузе и М. Чепмен). В 1901 г. в США впервые было применено роторное бурение с промывкой забоя циркулирующим потоком жидкости. Первые результаты исследований в этой области опубликованы в 1914 г. А. Хеггманом и Д. Поллардом и в 1916 г. В. Мак-Мюрреем. Их работы были направлены на создание рецептур промывочных жидкостей, предотвращающих газопроявления и улучшающих устойчивость ствола скважины. Реальные результаты были получены несколько позже Б. Строудом, предложившим утяжелители и методы утяжеления растворов. К этому времени был накоплен некоторый опыт их химической обработки.
Следующий этап развития промывочных жидкостей начался в 30-е годы, когда К.А. Царевич и Р.И. Щищенко с сотрудниками, а также П. Эванс и А. Рейд начали изучение реологических свойств растворов, заложив тем самым основы буровой гидравлики. В.С. Баранов и другие исследователи (П. Джонс, М. Вильямс и Г. Кеннон) указали на значение водоотдачи и коркообразования растворов. Были предложены новые средства химической обработки – природные таниды (квебрахо), щелочные гуматы (УЩР, ТЩР) (В.С. Баранов, Г. Лаутон и др.), лигносульфонаты, щелочной крахмал (Г. Грей с сотрудниками), солестойкая глина (Р. и М. Кросс) и т.п. В это же время П.А. Ребиндер с сотрудниками заложили основы физико-химии промывочных жидкостей и их влияния на разрушение горных пород. Были созданы представления об адсорбционном понижении прочности, исследованы процессы диспергирования и пептизации, перехода в суспензию глины из выбуренной породы. Физико-химические исследования промывочных жидкостей проводились также В. Льюисом с сотрудниками, А. Лумисом и др.
Главной особенностью последующих исследований промывочных жидкостей явилось использование для химической обработки большой группы новых химических реагентов: защитные коллоиды – карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), акриловые полимеры, модифицированный крахмал, конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ), понизители вязкости – синтаны, кортаны, окисленный лигнин, хромлигносульфонаты, хроматы и ряд специальных реагентов – смазочных добавок, эмульгаторов, пеногасителей, бактерицидов и др. В настоящее время в ассортименте бурения находится более 50 основных реагентов и сотни их разновидностей. С помощью этих реагентов стало возможным придавать промывочным жидкостям способность преодолевать температурную агрессию, создавать специализированные промывочные жидкости для различных геолого-технических условий и тем самым значительно расширять возможности бурения. Этому во многом способствовало применение ингибированных промывочных жидкостей, обладающих высокой глиноемкостью, длительное время сохраняющих в норме реологические свойства, а также облегчающих проходку неустойчивых отложений.
Столь же быстрыми темпами шло внедрение эмульсионных промывочных жидкостей, способствовавших уменьшению осложнений и аварий, общему улучшению качества промывочных жидкостей и показателей бурения. Несколько позже этот эффект был усилен применением смазочных и противоизносных добавок, позволивших, помимо профилактики затяжек и прихватов, значительно повысить проходку на долото и механическую скорость бурения.
В последние десятилетия все возрастающее значение принимают промывочные жидкости с малым содержанием твердой фазы. Характерными представителями такого рода промывочных жидкостей являются вода и аэрированные жидкости. Основные преимущества подобных буровых сред уменьшение гидростатического давления, бóльшее проникновение в поры и трещины призабойной зоны и между обломками выбуренной породы, улучшение очистки забоя.
удаление выбуренной породы из-под долота, транспортирование ее к устью скважины;
перенос энергии от насосов к забойным двигателям, турбобурам и объемным двигателям;
размыв породы на забое скважины (гидромониторный эффект);
охлаждение и очистка долота в процессе бурения.
Гидростатические функции:
создание гидростатического равновесия в системе скважина-пласт, предотвращение притока флюидов и поглощений промывочной жидкости;
удержание частиц выбуренной породы и утяжелителя во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции промывочной жидкости;
создание гидростатического давления на стенки скважины, сложенные слабосцементированными или пластичными породами;
уменьшение нагрузки на талевую систему.
Функции коркообразования:
уменьшение проницаемости пористых стенок скважины, сохранение коллекторских свойств продуктивного пласта;
сохранение или усиление связности слабосцементированных пород;
уменьшение трения бурильных труб о стенки скважины и обсадной колонны.
предотвращение химического взаимодействия с породами, образующими стенки скважины;
предохранение бурового оборудования, бурильной и обсадной колонн от коррозии и абразивного износа;
сохранение проницаемости продуктивных горизонтов при их вскрытии;
сохранение необходимых технологических характеристик промывочной жидкости в процессе бурения скважины;
понижение твердости и улучшение буримости твердых пород.
создание условий для сбора и интерпретации информации, которую можно получить при анализе бурового шлама, керна и кривых каротажа;
создание среды для геофизических исследований;
сохранение теплового режима скважины в многолетнемерзлых породах.
Тип твердой фазы и ее количество в промывочной жидкости влияют на вязкость жидкости, а вязкость, в свою очередь, оказывает отрицательное влияние на механическую скорость бурения и на другие показатели работы бурового наконечника. Следовательно, для повышения показателей работы различных буровых наконечников необходимо применять промывочные жидкости с наименьшим содержанием твердой фазы. Присутствие в них абразивных частиц песка и выбуренной породы в количествах 4-5 % и более в несколько раз ускоряет изнашивание элементов буровых наконечников по сравнению с их изнашиванием в растворах, свободных от абразивных частиц. Содержание таких частиц в промывочной жидкости не должно превышать 0,5-1 %.
Работоспособность бурильного вала в процессе бурения, опор и вооружения долот и коронок во многом определяется смазывающими, охлаждающими и корродирующими свойствами промывочных жидкостей. Необходимо стремиться к тому, чтобы смазывающие и охлаждающие свойства промывочной жидкости полностью удовлетворяли конкретным условиям работы бурового наконечника, а ее корродирующее действие снижалось до минимума.
Отрицательно сказывается на показателях работы бурового наконечника сальникообразование, поэтому промывочная жидкость не должна допускать слипания шлама, частиц твердой фазы жидкости и образования сальника на буровом наконечнике, колонковой трубе, переходниках, замковых соединениях бурильного вала.
Таким образом, наиболее благоприятные условия работы породоразрушающего инструмента на забое создаются тогда, когда промывочная жидкость обладает следующими свойствами: минимально возможными удельным весом и кинематической вязкостью; высокой водоотдачей; минимальным содержанием твердой фазы; отсутствием песка и выбуренных частиц породы; высокой смазывающей способностью; хорошими охлаждающими свойствами; диспергирующим воздействием на частицы твердой фазы промывочной жидкости для предупреждения образования сальников; отсутствием коррозионного износа элементов бурового наконечника, бурильного вала, обсадной колонны, бурового оборудования и вредного влияния на окружающую природную среду, недра и здоровье человека.
1.3. Понятие о промывочных жидкостях
как о гомогенных и гетерогенных дисперсных системах
Важнейшей особенностью промывочных жидкостей служит их агрегатное состояние. Не всякая жидкость обладает удерживающей способностью по отношению к выбуренным частицам породы. Так называемая истинная жидкость не будет удерживать эти частицы, они будут оседать на забой скважины, на дно емкости, в которой хранится жидкость. Такая жидкость не обладает также и способностью к коркообразованию, она полностью будет проходить через стенки скважины в пласт. Только дисперсные системы, состоящие из мелких частиц, взвешенных в жидкости, обладают свойствами, которые обеспечивают возможность реализации рассмотренных выше функций. При этом частицы должны обладать достаточно малыми размерами, чтобы их содержание в жидкости не препятствовало работе буровых насосов и другого оборудования.
В основе коллоидной химии, изучающей дисперсные системы, лежат два важнейших понятия: дисперсионная среда, в которой находятся взвешенные частицы, и дисперсная фаза. Таким образом, тело, состоящее из дисперсной фазы и дисперсионной среды, представляет собой дисперсную систему. Различие между дисперсными системами определяется агрегатным состоянием фазы и среды. И дисперсионная среда, и дисперсная фаза могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
Промывочные жидкости относятся к дисперсным системам, у которых дисперсионная среда представляет собой жидкость. Частицы дисперсной фазы в промывочных жидкостях могут быть различными. Если эти частицы твердые, система в коллоидной химии именуется суспензией. Если частицы жидкие (не растворяющиеся в дисперсионной среде, например частицы масла в воде), систему называют эмульсией. Если это частицы газа (пузырьки), система называется пеной или аэрированной жидкостью (если пузырьки образованы воздухом). Характерным для всех систем является существование границы раздела между частицами и средой – межфазной границы. Система может быть и трехфазной, содержащей кроме дисперсионной среды (жидкой) частицы дисперсной фазы твердые и газообразные.
Процесс измельчения частиц дисперсной фазы называется диспергированием. Повышение дисперсности возможно механическим диспергированием, путем приложения к твердой фазе внешних усилий (дробление, растирание, переминание) и физико-химическим диспергированием – пептизацией, являющейся результатом взаимодействия дисперсионной среды и твердой фазы. По мере диспергирования частицы дисперсной фазы уменьшаются в размерах, число частиц при этом возрастает. Степень измельчения называют степенью дисперсности. Чем выше степень дисперсности, тем меньше частица. Существуют дисперсные системы, которые содержат частицы дисперсной фазы только одинакового размера – монодисперсные. Обычно встречаются системы, содержащие частицы разных размеров – полидисперсные, их большинство (в том числе и промывочные жидкости). Наиболее показательна характеристика степени дисперсности по удельной поверхности частиц, которая представляет собой суммарную поверхность частиц дисперсной фазы, общий объем которых равен 1 см3. Количественно удельная поверхность определяется, исходя из отношения поверхности данной частицы к ее объему. По мере диспергирования поверхность частицы, имеющей, например, форму шара, уменьшается пропорционально квадрату ее радиуса, а объем – пропорционально кубу радиуса, т.е. при уменьшении радиуса вдвое поверхность уменьшится в четыре раза, а объем в восемь раз. Следовательно, удельная поверхность частиц дисперсной фазы возрастает по мере диспергирования. Величина удельной поверхности ограничена пределом механической делимости вещества – размером его молекулы.
Степень дисперсности, соответствующая молекулярным размерам, присуща уже не дисперсной системе, а истинному раствору, в котором граница раздела фаз отсутствует. Поэтому по мере диспергирования удельная поверхность сначала возрастает, а при приближении к молекулярным размерам быстро исчезает. Существует такая степень дисперсности, при которой величина удельной поверхности максимальна. Эта степень дисперсности характерна для частиц коллоидного размера. Величина удельной поверхности является очень важной характеристикой, определяющей свойства дисперсных систем.
Дисперсная система не является постоянной, ей свойственна неустойчивость. Удельный вес твердых частиц дисперсной фазы за редким исключением выше удельного веса дисперсионной среды. Поэтому, под воздействием силы тяжести частицы дисперсной фазы должны тонуть в жидкой среде и накапливаться на дне сосуда, образуя осадок. В эмульсиях типа "масло – в воде" удельный вес дисперсной фазы ниже, и частицы должны всплывать, образуя слой масла на поверхности воды. В обоих случаях неустойчивость дисперсной системы проявляется в расслоении с образованием осадка на дне или слоя на поверхности. Процесс оседания частиц на дно называется седиментацией, а неустойчивость кинетической или седиментационной. Скорость седиментации дисперсной фазы тем меньше, чем меньше разность между величинами удельного веса частиц дисперсной фазы и среды, чем меньше размер частиц и чем больше вязкость среды.
Другим видом неустойчивости дисперсной системы является агрегативная неустойчивость – коагуляция. Частицы дисперсной фазы в результате теплового движения многократно встречаются и вновь расходятся (броуновское движение). В результате действия сил поверхностного натяжения в элементарном объеме жидкости (дисперсной системы) накапливается избыточное количество молекул воды, которое в пространстве между частицами дисперсной фазы усилит расклинивающее давление на них. Под его влиянием частицы будут расходиться в пространстве. Если же притяжение со стороны молекул воды будет сильнее, молекулы воды, уходя из пространства между частицами, вызовут разряжение, в результате которого частицы дисперсной фазы сойдутся вместе, слипаясь друг с другом. Чем гидрофобнее тело, тем сильнее слипание. Процесс слипания частиц, вызванный их гидрофобностью, и называется коагуляцией. Слипаясь частицы, образуют агрегаты. Дисперсная система оказывается неустойчивой. Эта неустойчивость, в отличие от седиментационной, называется агрегативной, в результате размер частиц увеличивается, и они выпадают в осадок – происходит седиментация.
Таким образом, воздействие агрегативной неустойчивости приводит к неустойчивости седиментационной. Системы, образованные гидрофильными частицами, подвержены только седиментационной неустойчивости, они не образуют агрегатов. В то же время частицы дисперсной фазы, вся поверхность которых гидрофобна, способны при коагуляции образовывать плотные слипшиеся комки, быстро седиментирующие. Такая коагуляция называется гидрофобной. У частиц со смешенной поверхностью (некоторые участки гидрофобные, а остальная поверхность гидрофильная) слипание при встрече происходит в отдельных точках. Такая коагуляция называется гидрофильной. В этом случае в результате коагуляции образуются только рыхлые агрегаты, и они седиментируют медленнее. Осадок, полученный в результате седиментации, называется гелем, система из взвешенных, не слипающихся частиц – золем. В концентрированных дисперсных системах образуется сплошной рыхлый агрегат – сетка из слипшихся частиц, занимающих весь объем сосуда, в котором находится дисперсная система – структурная сетка или структура, называемая также коагуляцинной структурой, а процесс ее образования – коагуляционным структурообразованием.
Структурная сетка обладает прочностью: для того, чтобы такая дисперсная система текла, структуру необходимо разрушить – преодолеть прочность сетки. Энергия разрушения расходуется на отрыв частиц друг от друга. Разрушение осуществляется обычно путем перемешивания дисперсной системы. После длительного перемешивания система может полностью потерять прочность и стать обыкновенной жидкостью. После прекращения перемешивания свободные частицы под влиянием теплового движения начинают сталкиваться и образовывать структуру. По всему объему вновь восстанавливается структурная сетка и ее прочность. В процессе перемешивания система представляла собой золь, при прекращении перемешивания вследствие слипания во всем объеме образуется гель. Это можно продолжать сколь угодно долго. Процесс перехода золя в гель и обратно называется обратимым, а это свойство дисперсных систем – тиксотропией. Придание дисперсным системам тиксотропных свойств используется в процессе бурения скважин.
1.4. Классификация промывочных жидкостей
Классификации облегчают выбор промывочной жидкости при бурении. При этом определяющим моментом должны служить характерные признаки раствора и условия его применения. Единой приемлемой во всех отношениях классификации промывочных жидкостей нет. Так как некоторые промывочные жидкости представляют собой дисперсные системы уже в исходном виде, другие можно относить к дисперсным системам лишь после циркуляции в скважине.
В промывочных жидкостях, которые уже в исходном виде представляют собой дисперсные системы, в процессе бурения изменяется состав дисперсной фазы. Нередко это изменение происходит не только за счет увеличения количества компонентов, сколько вследствие активного физико-химического воздействия поступающих в жидкость частиц с дисперсионной средой. Для поддержания качества промывочной жидкости в нее добавляют химические реагенты.
В практике бурения в качестве исходных промывочных жидкостей используются:
вода;
водные дисперсные системы на основе добываемой твердой фазы, жидкой дисперсной фазы, конденсированной твердой фазы, выбуренных горных пород;
дисперсные системы на углеводородной основе;
пены;
углеводородные жидкости (дизельное топливо, нефть).
Все дисперсные системы с твердой фазой могут быть с малым (до 7 %), нормальным (до 20-22 %) и повышенным содержанием (более 20-22 %) твердой фазы.
Промывочные жидкости с водной средой делятся по степени и составу минерализации. По степени минерализации промывочные жидкости могут быть:
слабоминерализованными (менее 3 %);
среднеминерализованными (3-10 %);
высокоминерализованными (более 10 %).
По составу минерализации промывочные жидкости классифицируются в соответствии с названием соли, содержание которой является наибольшим – хлорнатриевая, хлоркальциевая, силикатная и т.д. Промывочные жидкости могут быть устойчивыми к действию солей и неустойчивыми.
По особенностям поведения в условиях повышенных забойных температур промывочные жидкости делятся на термоустойчивые и термонеустойчивые. Они могут быть также и термосолеустойчивыми.
Все промывочные жидкости делятся на обработанные химическими реагентами и необработанные.
По назначению промывочные жидкости бывают для нормальных геологических условий бурения (вода, некоторые водные растворы, нормальные глинистые растворы) и для осложненных условий бурения.
По основному эффекту, достигаемому химической обработкой, промывочные жидкости для осложненных условий бурения можно подразделить на ингибированные, в которых структурообразование приостановлено на определенном уровне, солестойкие, термостойкие.
По способу приготовления промывочные жидкости бывают естественные и искусственно приготовленные. К первым относятся вода, углеводородные жидкости и промывочные жидкости, получаемые в процессе бурения за счет постепенного образования дисперсной фазы из разбуриваемых пород, ко вторым – все остальные.
Наибольшее распространение в качестве промывочных жидкостей получили глинистые растворы. В целом их можно разделить на две группы нормальные и специальные.
К нормальным относятся растворы, не обработанные реагентами. Глинистые растворы, обработанные реагентами с целью направленного регулирования свойств применительно к конкретным геологическим и технологическим условиям, объединяются в специальные. Они получают название либо по наименованию основного активного компонента (ингибированные растворы – хлоркальциевые, ферросульфатные и т.д.), либо по технологическому назначению (утяжеленные, растворы с противоморозными добавками и т.д.), либо по виду дисперсной системы (эмульсионные, аэрированные).
Часто в промывочную жидкость вводят добавки специального назначения (смазывающие, пластифицирующие, эмульгирующие и т.д.). Все добавки имеют многофункциональное действие. Это приводит к тому, что промывочные жидкости одного и того же состава в зависимости от того, какая в данных геологических условиях функция является главной, могут по назначению относиться к различным типам, что еще более усложняет их классификацию.
Компонентами промывочных жидкостей являются различные наполнители. Состав наполнителей – классификационный признак промывочных жидкостей.
При наличии пузырьков воздуха в промывочной жидкости в достаточно большом количестве жидкость называют аэрированной, при достаточно большом количестве другой несмешивающейся жидкости – эмульсионной.
При введении углеводородной жидкости в воду промывочная жидкость является эмульсионной гидрофильной (прямой), воды в нефть – эмульсионной гидрофобной (обратной или инвертной).
Промывочные жидкости, содержащие твердые частицы утяжелителя, называются утяжеленными. Если твердые наполнители представлены известью или мелом, жидкости называются карбонатными. Когда содержание частиц минералов из выбуренных пород существенно влияет на свойства промывочной жидкости, они называются естественными.
Большую роль играет в бурящихся скважинах щелочность промывочной жидкости. Показатель рН промывочной жидкости служит ее классификационным признаком. Высокощелочные жидкости имеют рН > 11,5, среднещелочные – рН = 8,5-11,5, а слабощелочные – рН = 8,5. Величина рН нейтральных промывочных жидкостей соответствует щелочности воды и равна 7, кислых промывочных жидкостей менее 7.
К последнему классификационному признаку относятся способы приготовления промывочной жидкости:
1) способы, основанные на приготовлении промывочных жидкостей из материалов, которые доставляются к специальным установкам, находящимся на поверхности;
2) приготовление жидкостей из выбуренной породы, диспергируемой в стволе скважины в процессе циркуляции (разбуриваемые глинистые минералы, поставляющие в промывочную жидкость легко диспергируемые частицы). Основой дисперсной фазы могут быть частицы неглинистых пород, образующиеся при работе породоразрушающего инструмента. Такой способ приготовления называется естественным, а промывочная жидкость – естественной.
Для определения промывочной жидкости необходимо указывать одну или несколько характеристик. Выбор характеристик определяется задачами, для решения которых применяют данную промывочную жидкость.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 090800 "Бурение нефтяных и газовых скважин", 080700 "Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых" и м
23 09 2014
6 стр.
Гидростатика — это раздел гидравлики (механики жидкости), изучающий покоящиеся жидкости. Она изучает законы равновесия жидкости и распределения в ней давления. Основные величины, и
02 10 2014
1 стр.
Цель работы: изучение явления внутреннего трения в жидкости и измерение коэффициента вязкости жидкости по скорости падения в ней шарика
11 10 2014
1 стр.
В этом плане трансплевральный транспорт жидкости является частью более общей закономерности обмена жидкости между внутри- и внесосудистыми пространствами и описывается известным ур
27 09 2014
1 стр.
Преобразователи могут использоваться в устройствах, предназначенных для преобразования значений уровня жидкости, расхода жидкости или газа
09 10 2014
1 стр.
Исследовано влияние параметров акустического поля и свойств жидкости на сонолюминесценцию одиночного пузырька газа. Проведена оценка длительности световых вспышек и объяснен процес
11 10 2014
1 стр.
На лабораторной установке провести исследование истечения жидкости через насадки разного вида и сравнить полученные данные с теоретическими вычислениями при постоянном напоре
09 09 2014
1 стр.
Структура пиона в модели инстантонной жидкости. Аникин И. В., Дорохов А. Е., Томио Л. Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2000, том 31, вы
14 12 2014
1 стр.