Буровий розчин
- складна багатокомпонентна дисперсна система суспензійних, емульсійних і аерованих рідин, що застосовуються для промивання свердловин в процесі буріння.
Використання бурових розчинів для буріння свердловин запропоновано вперше в 1833 році французьким інженером Фловілем, який, спостерігаючи операцію канатного буріння, при якій апарат буріння натрапив на воду, зауважив, що фонтануюча вода дуже ефективно видаляє бурової шлам із свердловини. Він винайшов апарат, в якому передбачалося закачувати воду під бурову штангу, звідки бурової шлам вимивався водою на поверхню між бурової штангою і стовбуром свердловини. Принцип залишився незмінним до сих пір.
При циркуляції в свердловині буровий розчин:
створює протитиск поровому тиску;
очищає вибій від вибуренной породи;
формує фільтраційну кірку на стінках свердловини, зміцнюючи таким чином нестійкі відкладення. Зменшує вплив фільтрату бурового розчину на породи роз'єднанням разбуріваемих пластів і відкритого стовбура;
транспортує вибуренной породу зі свердловини і утримує її в підвішеному стані після припинення циркуляції;
передає гідравлічну енергію на забійний двигун і долото;
попереджає осипи, обвали та ін .;
забезпечує якісне розкриття продуктивних пластів;
забезпечує змазує і антикорозійне дію на буровий інструмент;
охолоджує і змащує долото;
забезпечення охорони навколишнього середовища;
запобігає можливість виникнення ускладнень при бурінні (диференційний прихват, поглинання, нафтогазопроявами і т. п.);
забезпечення інформації про геологічному розрізі.
Склад бурових розчинів
У практиці буріння застосовують бурові розчини на водній (технічна вода, розчини солей і гідрогелю, полімерні, полімер-глинисті і глинисті розчини), вуглеводної (вапняно-бітумний розчин, инвертная емульсія) і аерованих засадах.
При бурінні в хемогенних відкладах застосовують соленасиченого глинисті розчини, гідрогелі, в разі можливого осипання і зсувів стінок свердловини - інгібовані розчини, при впливі високих температур - термостійкі глинисті розчини та розчини на вуглеводневій основі, які ефективні також при розкритті продуктивних пластів і при розбурюванні теригенних і хемогенних нестійких порід.
Властивості і їх регулювання [ред | правити вихідний текст]
Водовіддача бурового розчину характеризується обсягом фільтрату (від 2 до 10 см³), що відокремився від розчину через стандартну фільтрувальну поверхню при перепаді тиску
100 кПа протягом 30 хв. Товщина осаду на фільтрі (фільтраційна кірка), яка утворюється при визначенні водоотдачи, змінюється в межах 1-5 мм.
Особливий клас реагентів застосовують при регулюванні властивостей розчинів на вуглеводневій основі. До них відносяться емульгатори (мила жирних кислот, емультал і інші), гідрофобізатори (сульфанол, четвертинні аміни, кремнійорганічні сполуки), знижувач фільтрації (органогумати).
Готують бурові розчини безпосередньо перед бурінням і в його процесі.
Шкідливими домішками в глинах, що погіршують стабільність глинистих розчинів, є гіпс, розчинні солі, вапняк.
Звернення бурового розчину в свердловині [ред | правити вихідний текст]
Більшість бурових розчинів при бурових операціях рециркулює по наступного циклу:
Буровий розчин замішується і зберігається в спеціальних ємностях.
Буровий насос перекачує буровий розчин з ємності через колону бурильних труб в свердловину.
Буровий розчин по трубах доходить до забою свердловини, де бурове долото розбиває породу.
Потім буровий розчин починає повертатися на поверхню, виносячи при цьому частки породи (шлам), які були відокремлені долотом.
Буровий розчин піднімається по засурмили - простору між стінками свердловини і бурильної трубою. Типовий діаметр бурової труби близько 12,7 см. У нижній частині глибокої свердловини її діаметр може складати близько 20 см.
На поверхні буровий розчин проходить через лінію повернення - трубу, яка веде до вібраційному ситу.
Сито складається з ряду вібруючих металевих решіток, які використовуються для відділення розчину від шламу. Розчин протікає через решітку і повертається в відстійник.
Частинки шламу потрапляють в жолоб для видалення. Перед викидом вони можуть бути очищені, виходячи з екологічних та інших міркувань. Деякі частинки шламу відбираються геологами для досліджень стану всередині свердловини.
Розчин бурової лігнітовий лужної - буровий розчин, в який вводять певну кількість лігнітів, що мають лужний характер.
Розчин вапняно-бітумний - буровий розчин на нафтовій основі, дисперсійним середовищем якого є дизельне паливо або нафта, а дисперсною фазою - високоокісленний бітум, оксид кальцію, барит і невелика кількість води, необхідної для гасіння вапна.
Розчин полегшений - буровий розчин, зменшений у вазі, полегшений, який має меншу щільність. Т.ч. застосовується для буріння і глушіння свердловин в пластах з низьким пластовим тиском.
Розчин полімерний - буровий розчин на водній основі, який містить високомолекулярні полімери лінійної будови; застосовується зазвичай при бурінні міцних порід.
бурові розчини
Технологічні функції бурового розчину
Буровий розчин в процесі буріння здійснює ряд функцій, які тим різноманітніше, ніж складніше процес буріння: глибше свердловина, нестійкіше її стінки, вище тиск газу і нафти в разбуріваемих горизонтах.
Процес буріння являє собою сукупність різних операцій, що визначають технологію проходки свердловини, тому функції називаються технологічними.
1 Гідродинамічні функції здійснюються потоком розчину в свердловині і полягають в наступному:
- у винесенні вибуренной породи (шламу) з свердловини;
- в перенесенні енергії від насосів до забійним двигунам (турбобури);
- в розмиванні породи на вибої свердловини (гідромоніторний ефект);
- в охолодженні долота в процесі буріння.
2 Гідростатичні функції здійснюються спочиваючим буровим розчином. До цієї групи функцій відносяться:
- створення гідростатичного рівноваги в системі стовбур свердловини - пласт;
- утримання часток вибуренной породи і утяжелителя в підвішеному стані при припиненні циркуляції бурового розчину;
- створення гідростатичного тиску на стінки свердловини, складені слабосцементірованние або пластичними породами;
- зменшення навантаження на талевого систему.
3 Функції, пов'язані з процесом коркообразованія
Буровий розчин, який представляє собою тонку суспензію колоїдних частинок (твердої фази) в рідкому середовищі, в процесі руху в пласт утворює на його поверхні і в порах фільтраційну кірку, що перешкоджає або уповільнює подальше надходження розчину. Цей процес поділу рідкої і твердої фаз, в результаті чого відбувається кольматація (закупорювання) стінок свердловини, називається фільтрацією. До цієї групи функцій відносяться:
- зменшення проникності пористих стінок свердловини;
- збереження або посилення зв'язності слабосцементірованних порід;
- зменшення тертя бурильних і обсадних труб об стінки свердловин.
4 Фізико-хімічні функції полягають в Додатках до бурового розчину спеціальних хімічних реагентів в процесі буріння свердловини, які прийнято називати хімічною обробкою. До цих функцій належать:
- збереження зв'язності порід, що утворюють стінки свердловини;
- запобігання бурового обладнання від корозії і абразивного зносу;
- збереження проникності продуктивних горизонтів при їх розтині;
- збереження необхідних характеристик бурового розчину в процесі буріння свердловини;
- поліпшення буримости твердих порід.
До іншим функцій бурового розчину відносяться:
- встановлення геологічного розрізу свердловини (за складом шламу);
- збереження теплового режиму многолетнемерзлих порід.
Колоїдно-хімічні властивості бурових розчинів
Бурові розчини являють собою фізико-хімічні системи, що складаються з двох або більше фаз. Однофазні системи з двох або більше речовин, що не мають між компонентами поверхні розділу, називаються гомогенними (істинні розчини). Системи, між фазами яких існують реальні поверхні розділу, називаються гетерогенними. До них відноситься більшість бурових і тампонажних розчинів.
Дисперсною фазою дисперсионной системи називається речовина, дрібно роздробленою і рівномірно розподілене в іншу речовину, що отримав назву дисперсійного середовища. І фаза, і середовище можуть бути твердими, рідкими і газоподібними. Бурові і тампонажні розчини відносяться до полідисперсних систем, тобто мають частки дисперсної фази різних розмірів.
Ступінь дисперсності частинок характеризується дисперсністю, Д-величина, зворотній поперечного розміру частки, d (див-1). Чим вище дисперсність, тим більше загальна поверхня розділу фаз.
За ступенем дисперсності системи діляться на високодисперсні (колоїдні) і Грубодисперсні. Розмір колоїдних частинок знаходиться в межах 1х10-5 - 1х10-8 см.
З грубодисперсних систем в якості бурового розчину застосовують суспензії, емульсії і аеровані рідини.
Суспензії - каламутні рідини з розташованими в них в підвішеному стані частинками твердої речовини.
Емульсії - багатофазні рідкі системи, в яких в одній рідини знаходяться в підвішеному стані дрібні крапельки іншої рідини. Ці системи нестійкі. Емульсії можуть існувати тільки при наявності ПАР - поверхнево-активних речовин (емульгаторів). Вони руйнуються в результаті процесу коалісценціі, тобто укрупнення частинок дисперсної фази при злитті між собою.
Аерірованной рідиною називають багатофазну систему, яка містить дисперсную фазу у вигляді бульбашок повітря. Якщо повітря грає роль середовища, то такі рідини називаються піною.
Бурової раствор- технологічне найменування складної багатокомпонентної дисперсної системи суспензійних, емульсійних і аерованих рідин, що застосовуються для промивання свердловин в процесі буріння.
При циркуляції в свердловині буровий розчин очищає вибій від вибуренной породи, транспортує вибуренной породу зі свердловини і утримує її в підвішеному стані при зупинці циркуляції, активізує процес руйнування гірської породи долотом, запобігає осипи, обвали і ін. Забезпечує якісне розкриття продуктивних горизонтів, надає змазує і антикорозійне дію на буровий інструмент, обертає забійні двигуни.
Ефективність застосування бурових розчинів залежить від їх властивостей, до яких відносяться щільність, в'язкість, водовіддача, статична напруга зсуву і ін. Щільність бурових розчинів вимірюється ареометром буровим і становить 900-2500 кг / м3. Умовна в'язкість визначається часом закінчення заданого обсягу бурового розчину зі стандартної воронки (ВП-5); ефективна в'язкість, яка вимірюється ротаційним віскозиметром, відображає співвідношення між дотичними напруженнями в потоці і чинним градієнтом швидкості (в середньому 600 с-1) і становить 1-100 сп. Граничне статичне напруження зсуву (напруга, необхідне для руйнування структури розчину і початку його перебігу) вимірюється віскозиметром в межах від 0 до 20 Па. Водовіддача бурових розчинів характеризується обсягом фільтрату (від 2 до 10 см3), що відокремився з розчину через стандартну фільтруючу поверхню при перепаді тиску на
Для забезпечення ефективності буріння (в залежності від конкретних геолого-технічних умов) властивості бурових розчинів регулюють зміною співвідношення змісту дисперсної фази і дисперсійного середовища і введенням в них спеціальних матеріалів і хімічних реагентів. Для зниження водовіддачі, що зменшує зволоження, набрякання і втрату стійкості гірських порід, бурові розчини на водній основі обробляють Знижувач водоотдачи: Вуглелужні реагентом, конденсованої сульфітно-спиртової бардою, карбоксиметилцелюлозою, оксиетилцелюлоза, модифікованим крохмалем, акриловими полімерами (метасом і ін.). Регулювання реологічних властивостей бурових розчинів, що забезпечують зниження гідравлічних опорів при циркуляції розчину, очищення вибою від вибуренной породи, зменшення ерозії стінок свердловини, досягається введенням знижувачів в'язкості (окисленого заміщений лігносульфонату, феррохромлігносульфоната, нитролигнина, поліфенолів, фосфатів) і структуроутворювачі (бентоніт, палигорськіт, азбест та ін.). Для запобігання водонефтегазопроявленій при аномально високих пластових тисків збільшують щільність бурових розчинів шляхом введення спеціальних обважнювачів (наприклад, крейдою до 1500 кг / м3, баритом і гематитом до 2500 кг / м3 і більше) або зменшують її до 1000 кг / м3 за рахунок аерірованія бурових розчинів (див. Аерація) або додавання в нього піноутворювачів (сульфонол, лігносульфонату). Придушення гідратації і набрякання гірських порід при їх взаємодії з фільтратом бурових розчинів досягається обробкою його окисом кальцію, гіпсом, хлористим кальцієм і калієм, їдким натром і калієм, рідким склом і ін. Антифрикційні властивості бурових розчинів підсилюють введенням мастильних добавок (нафти, графіту, окисленого петролатуму, суміші гудронів та ін.). Для збереження реологічних і фільтраційних властивостей бурових розчинів при високих температурах застосовують хромати і біхромати калію або натрію і антиоксиданти. Як піногасники бурових розчинів використовують гумову і поліетиленову крихту, жирні кислоти і спирти, кремнійорганічні сполуки та ін. Для регулювання змісту твердої фази в розчин вводять селективні флокулянти.
Особливий клас реагентів застосовують при регулюванні властивостей розчинів на вуглеводневій основі. До них відносяться емульгатори (мила жирних кислот, емультал і ін.), Що вводяться в розчин для додання агрегативной стійкості, стабілізатори-структурообразователи (окислений петролатум і бітум, органогліни), гідрофобізатори (сульфонол, четвертинні аміни, кремнійорганічні сполуки), Знижувач фільтрації (органогумати ).