Дополнительная диспергация глинистых растворов
Приготовление глинистых растворов в рассмотренных устройствах не обеспечивает полной диспергации твердой фазы. Увеличение времени перемешивания оказывается неэффективным, так как при этом резко падает производительность глиномешалок. Поэтому при необходимости глинистые растворы подвергают дополнительной обработке, пропуская их через специальные устройства – диспергаторы (иногда их называют также активаторами, дезинтеграторами). Методы диспергирования делятся на гидродинамические и механико-гидравлические.

Гидродинамическое воздействие обусловлено комплексом эффектов, из которых основные – энергия пульсирующих давлений в жидкости, взаимодействие ударных волн, гидравлический перетир слоев промывочной жидкости с твердой фазой, соударение частичек твердой фазы. Основной фактор измельчения частиц при гидродинамическом воздействии – кавитационный эффект, возникающий в поле переменного давления потока жидкости.

Устройства, реализующие механо-гидравлические методы воздействия, представляют собой в основном аппараты с жестко закрепленными мелющими элементами. К ним относятся диспергаторы, в которых разрушающие усилия развиваются в результате турбулентности движения потоков, ударных и истирающих действий. Наиболее компактные устройства из группы диспергаторов с жестко закрепленными рабочими органами – дисковые машины, измельчитель которых значительно меньше электродвигателя.

Для каждого диспергатора существует определенная длительность процесса, увеличение которой уже не приводит к дальнейшему диспергированию твердых частиц, а напротив, вызывает процесс агрегирования частиц дисперсной фазы. Оптимальное время обработки зависит от типа глины и колеблется от 8,5 мин для монтмориллонита до 4,5 мин для каолина.

Диспергаторы можно устанавливать в нагнетательной линии циркуляционной системы скважин, на буровой установке в качестве самостоятельного аппарата с индивидуальным приводом или приводом от бурового насоса, вводить в состав комбинированных установок для приготовления глинистых растворов.
4.2. Очистка буровых растворов от шлама
Поступающие в промывочную жидкость частицы выбуренной породы оказывают вредное влияние на его основные технологические свойства и на технико-экономические показатели бурения. Поэтому очистке буровых растворов уделяется особое внимание. Для этого используется комплекс механических устройств: вибрационные сита, гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотделители), сепараторы, центрифуги. В наиболее неблагоприятных условиях перед очисткой от шлама промывочную жидкость обрабатывают реагентами-флокулянтами, позволяющими повысить эффективность работы очистных устройств. Система очистки сложная и дорогая, но в большинстве случаев применение ее оправдано из-за увеличения скорости бурения, сокращения расходов на регулирование свойств промывочной жидкости, уменьшения степени осложненности ствола скважины, удовлетворения требований защиты окружающей среды.

При выборе оборудования для очистки буровых растворов во избежание дополнительных затрат средств и времени учитывается многообразие конкретных условий. Схема прохождения жидкости должна соответствовать следующей технологической цепочке: скважина – газовый сепаратор – блок грубой очистки от шлама (вибросита) – дегазатор – блок тонкой очистки от шлама (песко- и илоотделители, сепаратор) – блок регулирования содержания и состава твердой фазы (центрифуга, гидроциклонный глиноотделитель). Ступени дегазации при отсутствии газа в промывочной жидкости исключаются; при использовании неутяжеленной жидкости не применяются сепараторы, глиноотделители и центрифуги; при очистке утяжеленной промывочной жидкости исключают гидроциклонные шламоотделители (песко- и илоотделители).

В промывочной жидкости в процессе бурения скважины присутствуют твердые частицы самых различных размеров: размер частиц бентонитового глинопорошка изменяется от единицы до десятков микрометров, порошкообразного барита – от 5-10 до 75 мкм, шлама – от 10 мкм до 25 мм. Пока частицы шлама достигнут циркуляционной системы, они уменьшатся за счет механического измельчения и диспергирования. В результате длительного воздействия частицы шлама постепенно превращаются в коллоидные частицы (размером менее 2 мкм) и играют важную роль в формировании технологических свойств промывочной жидкости.

В идеале очистка должна обеспечивать удаление из промывочной жидкости вредных механических примесей размером более 1 мкм. Но технические возможности аппаратов и объективные технологические причины не позволяют в настоящее время достичь этого предела. Лучшие мировые образцы вибросит (ВС-1, В-21, двухсеточное одноярусное сито фирмы "Свако", двухъярусное вибросито фирмы "Бароид" и др.) позволяют удалять из промывочной жидкости частицы шлама размером более 150 мкм.

Увеличение степени очистки промывочной жидкости до 70-80 % обеспечивается гидроциклонным пескоотделителем. При этом удаляются частицы шлама размером более 10 мкм. Более глубокая очистка достигается применением батареи гидроциклонов диаметром не более 100 мм – илоотделителей. Это позволяет очистить промывочную жидкость от частиц шлама размером до 25 мкм и повысить степень очистки до 90 % и более. Более глубокая очистка от шлама достигается применением сложных аппаратов – высокопроизводительных центрифуг и обычно экономически невыгодна. Дальнейшее уменьшение содержания твердой фазы в промывочной жидкости достигается путем разбавления или путем механической обработки небольшой части циркулирующей промывочной жидкости, в результате которой удаляется избыток тонкодисперсных (размером 10 мкм и меньше) частиц.

Для утяжеленной промывочной жидкости степень очистки ограничивается необходимостью сохранения в жидкости утяжелителя, из нее могут быть извлечены только частицы шлама размером до 74 мкм. Частицы шлама размером от 5-10 до 75-90 мкм не отделяются от барита, и дальнейшее улучшение степени очистки утяжеленной жидкости обычно достигается переводом частиц шлама в более грубодисперсное состояние за счет использования флокулянтов селективного действия с последующим регулированием содержания и состава твердой фазы с помощью центрифуги или гидроциклонных глиноотделителей.

4.3. Дегазация буровых растворов
Бурение глубоких скважин в различных районах нередко осложняется поступлением газа из пласта в скважину, что приводит к потере буровым раствором своих эксплуатационных свойств. Рост глубины и сложность геологических условий бурящихся скважин требует применения высококачественных буровых растворов с минимальным содержанием газовой фазы для получения истинных эксплуатационных свойств пласта и снижения их коррозийного воздействия на буровой инструмент. Поэтому эффективность применения каждого способа дегазации следует оценивать не только количеством извлекаемого газа, но и наименьшим диаметром газового пузырька, который может быть извлечен из данного раствора при прочих равных условиях.

Все средства дегазации, применяющиеся в настоящее время в бурении нефтяных и газовых скважин, по назначению и механизму своего воздействия на промывочную жидкость могут быть подразделены на механические, физико-химические, вакуумные и термические. Используемые способы дегазации не равноценны, они иногда самоисключают друг друга, а иногда полезно дополняют.

В отечественной и зарубежной практике бурения скважин применяются различные способы дегазации, но преимущественное распространение получили вакуумные. Их применение основано на воздействии вакуума (Р_вак = 0,8-0,9 кг/см²) с одновременным низкооборотным механическим перемешиванием.

Основными недостатками вакуумных способов и аппаратов являются их низкая эффективность при дегазации буровых растворов с повышенными структурно-механическими показателями и плотностью, отсутствие автоматической системы настройки оптимального режима работы и недостаточная надежность при эксплуатации в зимний период.

Механический способ дегазации
Механический способ дегазации позволяет интенсивно перемешивать или разбрызгивать раствор в различного вида машинах и сосудах, что способствует сепарации и удалению газовой фазы из потока промывочной жидкости. Реализуется этот способ путем применения различных машин, имеющих вращающийся ротор (фрезерно-струйные мельницы, глиномешалки и пр.); гидроциклонов; различного вида сепараторов и трапов, имеющих штуцерные насадки. Этот способ нельзя использовать при дегазации вспенивающихся растворов, так как его применение в этом случае дает прямо противоположный результат – раствор насыщается газом

Механические способы дегазации направлены на уменьшение сил внутреннего воздействия в структурированном растворе, т. е. на разрушение структуры, на снижение начала его текучести. Поэтому сама поверхностная циркуляционная система буровой – желоба, глиномешалки, вибросито, насосы, гидроциклоны – может рассматриваться как дегазационное устройство. К специальным устройствам относятся: трап с радиальным вводом жидкости на дегазацию и трап с тангенциальным вводом жидкости на дегазацию. Эффективность дегазации у них значительно выше, чем у обычного оборудования циркуляционной системы. Конструкция трапов проста в изготовлении и не требует применения дефицитных материалов. Они выполняются без нижнего днища и при монтаже крепятся в таком положении, чтобы нижняя часть их была погружена в жидкость, которая является гидравлическим затвором против проникновения газа, а газовая выкидная труба выводится на безопасную высоту. Основной недостаток применения трапов с тангенциальным вводом – это выпадение утяжелителя при работе с утяжеленными промывочными жидкостями.

Растворные пушки, или гидромониторы, являются обязательным элементом оборудования буровых в США. Гидромониторы устроены по типу брандспойтов и имеют сменные сопла диаметром 13-50 мм. Укрепляются гидромониторы шарнирно, благодаря чему угол наклона и направления струи можно изменять.

Для перемешивания и дегазации глинистых растворов в зарубежной практике используются гидромониторы различных конструкций и мешалки, погруженные под уровень жидкости. Эти устройства устанавливаются непосредственно в приемных чанах буровых насосов.

Для перемешивания и частичной дегазации промывочных растворов в американской практике применяют специальные мешалки пропеллерного типа, устанавливаемые в емкостях для хранения глинистого раствора.

Описанные установки незаменимы при бурении в осложненных условиях, когда в качестве промывочной жидкости применяют утяжеленные глинистые растворы, часто имеющие неудовлетворительную стабильность и высокую вязкость.

Физико-химический способ дегазации
Физико-химический способ дегазации – это наиболее простой способ разрушения дисперсных систем "жидкость – воздух" и гашения пен. Его применение, как правило, не связано с созданием специальных конструкций и устройств.

Суть способа заключается в введении в раствор более сильного поверхностно-активного вещества, чем то, которое стабилизирует пузырьки газа. Новое вещество адсорбционно вытесняет защитный слой стабилизатора и приводит к разрушению системы жидкость – газ, если поверхностная прочность пленок нового вещества недостаточна, чтобы противостоять давлению газа в пузырьках, или другим формам, стремящимся разрушить пузырьки газа. Ограниченность ассортимента химических дегазаторов или пеногасителей сдерживает развитие этого способа, поэтому его возможности используются в бурении нефтяных и газовых скважин пока в небольшом масштабе.

Вакуумная дегазация
При вакуумном способе дегазации газированный буровой раствор непрерывным потоком проходит через специальный вакуум-аппарат, в котором при помощи вакуумного насоса создается разряжение, благодаря чему из раствора извлекается газ. Вакуумная система дегазации является наиболее эффективной из всех рассмотренных. В ней, в отличие от других, дегазация бурового раствора протекает под давлением значительно ниже атмосферного, благодаря чему создаются благоприятные условия для извлечения газа. В то же время полностью исключается возможность аэрации раствора в процессе дегазации. Вакуумирование в сочетании с интенсивным разбрызгиванием или перемешиванием глинистого раствора в вакуум-аппарате позволяет достигать практически полного извлечения газа из раствора.

По заключению некоторых зарубежных авторов применение вакуумного дегазатора на одном из нефтяных месторождений Калифорнии дает экономию до 30 % общей стоимости глинистого раствора и значительно улучшает его параметры. Считается, что полная стоимость вакуумного дегазатора, установленного на буровой, окупается менее чем за одни сутки бурения за счет уменьшения расхода утяжелителя, сокращения времени промывки скважины после спуска инструмента, а также повышения коэффициента наполнения буровых насосов и возможности эффективного контроля удельного веса и вязкости промывочной жидкости в процессе бурения.

5. Физико-химические основы регулирования свойств промывочных жидкостей

5.1. Методы определения основных параметров промывочных жидкостей
В процессе бурения на промывочную жидкость влияет выбуренная порода: частично путем распускания, частично путем химического воздействия. Ее могут разбавлять пластовые воды, на нее воздействует высокая пластовая температура. В результате в промывочной жидкости происходят сложные физико-химические процессы, изменяющие ее свойства. Кроме этого, условия бурения скважин (глубина, диаметр, температура, порядок расположения и свойства разбуриваемых пород) весьма различны не только для разных месторождений, но и для отдельных участков одного месторождения. Поэтому промывочные жидкости также должны обладать различными свойствами не только на разных участках бурения, но и по мере углубления данной скважины. Чтобы промывочные жидкости в процессе бурения скважины выполняли требуемые функции, необходимо выбирать основные материалы для их приготовления, специально обрабатывать с помощью химических реагентов, вводить вещества, предназначенные для регулирования их свойств. Это возможно только при наличии контроля качества промывочной жидкости путем измерения ее параметров в процессе бурения скважины.

Параметры промывочной жидкости разделяются на две группы: истинные и условные. К первым относятся плотность, показатель кислотности и т.д., т.е. те, величины которых не зависят от выбора методов измерения, различается только точность измерения. Ко второй относится условные характеристики, величины которых полностью зависят от принятого способа измерения, например, условная вязкость. Отбор проб промывочной жидкости для контроля качества осуществляется по специальной методике, позволяющей обеспечить соответствие свойствам циркулирующей жидкости и хранящейся в емкости или в земляном амбаре.

Удельный вес и плотность
Удельный вес  – отношение веса промывочной жидкости к ее объему, выражается в ньютонах на кубический метр. Под плотностью  понимают величину, определяемую отношением массы тела к его объему, выражаемую в килограммах на кубический метр. Удельный вес характеризует способность промывочной жидкости осуществлять в скважине гидродинамические и гидростатические функции:

 удерживать во взвешенном состоянии и выносить из скважины частицы породы наибольшего размера;

 создавать гидростатическое давление на стенки скважины, рассчитанное, исходя из необходимости предотвращения поступления в ствол скважины нефти, газа или воды из пласта и сохранения целостности стенок скважины;

 обеспечивать снижение веса бурильных и обсадных труб для уменьшения нагрузки на талевую систему буровой.

Плотность промывочной жидкости, содержащей газ, называют кажущейся, а плотность жидкости, не содержащей газа – истинной. Процесс определения плотности основан на определении гидростатического давления на дно измерительного сосуда.

Плотность промывочных жидкостей в бурении измеряют двумя способами: на рычажных весах и ареометром АГ-3ПП.

Условная вязкость
Условная вязкость Т – одно из структурно-механических свойств промывочной жидкости, измеряется в секундах, является условной характеристикой гидравлического сопротивления прокачиванию промывочной жидкости. По мере увеличения условной вязкости гидравлические сопротивления возрастают, ухудшаются условия очистки забоя от выбуренной породы, затрудняется перенос энергии от насосов к забойному двигателю, ослабляется интенсивность размыва породы на забое скважины. Величина вязкости зависит от размеров и формы используемого прибора. Обычно при бурении используется для определения условной вязкости вискозиметр ВП-5.

Предельное статическое напряжение сдвига
Предельное статическое напряжение сдвига (СНС) является условной характеристикой прочности тиксотропной структуры, возникающей в промывочной жидкости после нахождения в покое в течении одной (СНС₁) или десяти (СНС₁₀) минут, обозначается  и измеряется в паскалях. Величина СНС₁ характеризует удерживающую способность промывочной жидкости. При выборе параметров промывочной жидкости принимается меньшее значение величины СНС₁, при котором обеспечивается выполнение указанной функции.

В связи с тиксотропностью промывочной жидкости прочность структуры при длительном нахождении в покое может достичь таких значений, при которых в момент восстановления циркуляции сопротивление структуры вызовет очень большое увеличение давления промывочной жидкости, что способствует разрыву пласта. Поэтому, кроме величины СНС₁, измеряют и СНС₁₀, причем тиксотропность характеризуется частным от деления второй величины на первую.

Измерение статического напряжения сдвига промывочной жидкости производится с помощью прибора СНС-2 по методике, которая косвенно моделирует удерживающую способность промывочной жидкости путем задержки вращения подвесного цилиндра с помощью упругой нити.

Имеются более совершенные методы измерения, например, с помощью приборов ВСН-3 (ротационный вискозиметр) или РВР (с автоклавом и нагревателем), что позволяет определить СНС в условиях, близких к естественным.

Водоотдача
Водоотдача В – характеризует способность промывочной жидкости отфильтровываться в стенки скважины под влиянием перепада давления с образованием малопроницаемой фильтрационной корки. При измерении этого параметра моделируется процесс отделения дисперсионной среды из промывочной жидкости в стенки скважины при перепаде давления 9,8  10⁴ Па за 30 мин при фильтрации через бумажный фильтр диаметром 44 мм. В случае применения больших перепадов давления отмечают их величину. Водоотдача может измеряться при температурах, соответствующих скважинным условиям. Можно также определять водоотдачу, моделируя активное перемешивание бурильным инструментом и прокачку насосами.

Приборы для измерения водоотдачи делятся на два основных типа: в одних водоотдача измеряется по уменьшению объема промывочной жидкости, находящейся над фильтром (ВМ-6, ВГ-1), в других – по объему получаемого фильтрата (прибор ГрозНИИ, фильтрпресс ФП-3 и т.д.).

Содержание твердой фазы и абразивных частиц
Загрязненность промывочной жидкости песком и недиспергированными частицами глины характеризуется показателем "содержание песка", измеряется в процентах и обозначается П. Количество отмытого песка (абразивных частиц) характеризует загрязненность только песчаными частицами, неспособными распускаться в воде, измеряется в процентах, обозначается ОП.

Содержание песка определяется в стеклянном отстойнике Лысенко или металлическом отстойнике ОМ-1, ОМ-2.

Концентрация ионов водорода
Концентрация ионов водорода оказывает большое влияние на свойства промывочных жидкостей. Удобно ее выражать в виде водородного показателя pH, который является логарифмом величины, обратной концентрации ионов водорода в молях на 1 л. В нейтральном растворе концентрация ионов водорода H⁺ и гидроксида ОН^ одинаковы, каждая равна 10^7 моль/л. Раствор с рН = 7 нейтрален. Уменьшение рН ниже 7 свидетельствует о наличии кислой среды (ионов водорода), а рост рН выше 7 – об увеличении щелочности (ионов гидроксида). Каждая единица рН представляет десятикратное изменение концентрации.

Методы измерения рН  калориметрический с использованием полосок индикаторной бумаги и электрометрический с использованием прибора со стеклянным электродом.

5.2. Влияние технологических свойств

промывочных жидкостей на процессы бурения

и освоения скважин
Регулированием свойств промывочных жидкостей обеспечивают минимизацию затрат на промывку скважины; максимальную скорость проходки; эффективный вынос шлама на поверхность; снижение отрицательных и положительных импульсов давления при спуско-подъемных операциях, а также давления, необходимого для восстановления циркуляции; отделение выбуренной породы и растворенного пластового газа; снижение до минимума эрозии ствола скважины. Требования к реологии промывочной жидкости, обеспечивающие достижение этих целей, часто оказываются противоречивыми. Поэтому необходимо оптимизировать свойства промывочных жидкостей, чтобы добиться лучших показателей бурения. Это обуславливается наличием ряда факторов.

Мощность буровых насосов
Мощность насосов должна быть достаточной для поддержания необходимой для выноса выбуренной породы скорости потока. Необходимая гидравлическая мощность насосов находится в зависимости от условий течения в бурильной колонне, насадках долота. С точки зрения реологии для снижения потерь давления в бурильной колонне желательно использование полимерных промывочных жидкостей с малым содержанием твердой фазы, обладающих способностью резко снижать трение, особенно при турбулентном режиме течения.

Влияние свойств промывочной жидкости

на скорость проходки
Наибольшее влияние на скорость проходки оказывает плотность промывочной жидкости. Чем выше плотность промывочной жидкости, тем больше перепад давления, и, следовательно, давление, удерживающее шлам на забое в статических условиях. Это повышает также вероятность образования шламовой подушки на забое и сальников на буровом наконечнике, колонковой трубе и переходниках. Так, при повышении перепада давления от 0 до 7 МПа скорость проходки снижается более чем на 70 % (подобный эффект наблюдается в условиях ДУШЗ – динамического удерживания шлама на забое при росте частоты вращения бурильного вала при бурении долотом).

Таким образом, когда это допустимо, необходимо поддерживать плотность промывочной жидкости как можно меньшей и при возможности переходить на бурение с аэрированной жидкостью, пеной или воздухом.

К факторам, оказывающим существенное влияние на скорость проходки, относится также вязкость промывочных жидкостей. Низкая вязкость способствует высоким скоростям бурения за счет хорошей очистки забоя скважины от шлама под долотом.

Объемная доля твердой фазы – свойство промывочной жидкости, от которого зависит скорость проходки. Известна закономерность: чем выше объемная доля твердой фазы, тем ниже скорость проходки, так как при этом повышается плотность и вязкость промывочной жидкости. При приближении к нулю содержания твердой фазы механическая скорость бурения резко возрастает. Объяснением этому может служить снижение эффекта динамического удерживания шлама на забое (ДУШЗ).

При бурении большинства скважин необходимо регулировать уровень фильтрации, для этого промывочная жидкость должна иметь в своем составе коллоидную фазу, что затрудняет поддержание объема твердой фазы на низком уровне. Поэтому некоторое снижение механической скорости проходки неизбежно. Но достаточно высокие скорости проходки возможны при условии содержания массовой доли твердой фазы в пределах 2-4 %. В этом случае промывочная жидкость обладает способностью к коркообразованию (образованию сводовых перемычек), но в то же время не может мгновенно проникать в породу и образовывать внутреннюю фильтрационную корку (под долотом), способствующую росту ДУШЗ или шламовую подушку и сальники.

Для поддержания низкого уровня содержания твердой фазы рекомендуется следующее:

 суспензия должна иметь вязкость, близкую к вязкости воды, и нулевое предельное динамическое напряжение сдвига. Такие характеристики обеспечивают только полимеры, благодаря которым промывочная жидкость обладает неструктурной вязкостью;

 с целью отделения твердой фазы в промывочную жидкость вводят флокулянты – растворимые соли или совместимые органические флокулянты, например, сополимеры полиакриламида;

 обеспечение буровой подходящими средствами отделения твердой фазы  пескоотделителями, илоотделителями, земляными резервуарами с развитой желобной системой и отражательными перегородками;

 для регулирования уровня фильтрации необходимо применение невязких добавок, например, кальциевых лигносульфонатов;

 если в процессе бурения ожидается, что ствол скважины вскроет обваливающиеся глинистые сланцы, главное внимание при выборе полимера должно уделяться его способности поддерживать ствол.

В случае увеличения диаметра ствола для выноса шлама из скважины в промывочной жидкости приходится добавлять загустители, поэтому сохранение требуемого уровня содержания твердой фазы становится трудновыполнимым.

Невозможно поддерживать низкий уровень содержания твердой фазы при бурении в мягких несцементированных глинистых сланцах. В этом случае полимерные растворы используются для сохранения устойчивости ствола, а не для повышения скорости проходки.

<предыдущая страница | следующая страница>