|
|
|
содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ..
ГЛАВА V
Системы буровых растворов
В этом разделе приведена информация о назначении, методах приготовления и регулирования свойств основных систем буровых растворов, применяемых при бурении скважин в различных геологических условиях. Повторно приведены (глава IV) краткие сведения о функциональном назначении каждого реагента и материала, ожидаемые виды загрязнений растворов и методы корректирования свойств раствора в этих ситуациях; дана технология приготовления растворов, включающая последовательность добавления компонентов и время перемешивания после ввода каждого. Особое внимание уделяется специальным системам буровых растворов, от которых в значительной степени зависят конечные технико-экономические результаты строительства скважины. Важным разделом является технология обработки раствора в промысловых условиях, включающая использование комбинированных реагентов, их состав и технологию применения в зависимости от темпа углубления скважины.
5.1. Бентонитовый раствор для забуривания скважин (Бурение под кондуктор) Верхняя часть разреза скважины обычно представлена слабосцементированными песками, глинами и песчаниками. Для бурения этих отложений требуется достаточно вязкий бентонитовый раствор с умеренной водоотдачей. Такой раствор в отложениях неустойчивых песков формирует стабилизирующую эти породы фильтрационную корку. Разбуриваемые глины и суглинки частично переходят в раствор, вызывая повышение вязкости и СНС, которые легко снижаются до нужных значений разбавлением водой. Важной особенностью при выполнении этой работы является качество бентонита, применяемого для приготовления раствора. ОАО «ИКФ» поставляет высококачественный бентонит, отвечающий API стандарту, выход раствора из 1тн этого бентонита составляет 18-20м3, а время приготовления исходного раствора - 1,5-2 часа.
Состав раствора № 5.1., кг/м3 Бентонит 50 - 60 Nа2СО3 1 NаОН 1 ИКД 1 Свойства раствораПлотность, г/см3 1,05 Условная вязкость, сек 40 - 50 Пластическая вязкость, сПз 8 - 10 ДНС, дПа 60 - 100 СНС0/10, дПа 30 - 60/50 - 100 Водоотдача, см3/30мин (API) 10 - 12 рН 9
Технология приготовления В воду затворения добавляют кальцинированную и каустическую соды и через смесительную воронку вводят бентонит. После перемешивания в течение 1,5 - 2 часов раствор готов.
5.2. Бентонитовый раствор для бурения вечной мерзлоты (Бурение под кондуктор) Отложения вечной мерзлоты представлены песками и глинами, сцементированными льдом. При промывке скважины раствором с положительной температурой происходит растепление выбуренной породы и стенок скважины с образованием больших каверн. При этом происходит сильное разбавление раствора с резким падением вязкости и СНС. Для поддержания структурно-механических свойств на заданном уровне расходуется большое количество бентонита и раствора в целом, а иногда возникают и осложнения, связанные с кавернами. Одновременно из мерзлоты в раствор попадает большое количество песка, и появляются проблемы с очисткой раствора. В ОАО «ИКФ» разработан простой по составу специальный раствор для бурения в условиях вечной мерзлоты. К хорошо прогидратированному бентонитовому раствору добавляют 2-3 кг/м3 КСl (NaCl). От ввода соли в таком малом количестве раствор несколько загустевает без изменения водоотдачи и приобретает, таким образом, мгновенные структурообразующие свойства. Значения СНС данного раствора через 10сек, 1 минуту и 10 минут покоя являются достаточно высокими и мало отличаются между собой. При таком растворе у стенок скважины, особенно в кавернах, образуются застойные зоны, за счет чего резко снижается темп растепления стенок скважины, уменьшается размер каверн и интенсивность разбавления раствора. Опыт показывает, что с применением такого раствора при забуривании вечной мерзлоты почти не требуются дополнительные обработки раствора бентонитом, снижается расход материалов и снижаются затраты времени на осложнения, связанные с кавернообразованием.
Состав раствора № 5.2, кг/м3 Бентонит 50 Na2CO3 1 NaOH 1 Свойства раствора Плотность, г/см3 1,04 Пластическая вязкость, сПз 6 ДНС, дПа 60 СНС0/1/10, дПа 70/100/180 Водоотдача, см3/30мин (API) 14,5 рН 9,5
Состав раствора № 5.2.1 Раствор №6.2 + 3кг/м3 NaCl.
Свойства раствора Плотность, г/см3 1,04 Пластическая вязкость, сПз 9 ДНС, дПа 220 СНС0/1/10, дПа 200/220/260 Водоотдача, см3/30мин (API) 14 рН 9,2
5.3 Полимер –бентонитовый раствор для массового бурения Эта система должна отличаться простотой приготовления, низкой стоимостью, малой чувствительностью к разбуриваемым породам и совместимостью с другими дополнительными реагентами (разжижители, смазывающие добавки). К таковым относится пресные бентонитовые растворы на основе полисахаридных полимеров и системы на основе лигносульфонатных реагентов.
Состав раствора № 5.3, кг/м3 Бентонит 30 - 40 Na2CO3 0,5 – 1,0 NaOH 0,5 КМЦ LV (HVT) 5 ИКД 1 ИКЛУБ 3 - 5 ИКСИН - О(1) 1 ИКДЕФОМ 0,2 ИКСТАБ-L 0,2 - 0,5 ИККАРБ-75/150 50 - 100 Свойства раствораПлотность, г/см3 1,04 - 1,10 Условная вязкость, сек 20 - 35 Пластическая вязкость, сПз 10 - 18 ДНС, дПа 40 - 80 СНС0/10, дПа 10 - 30/20 - 60 Водоотдача, см3/30мин (API) 6 - 10 рН 8 - 9
Назначение реагентовБентонит - структорообразователь, регулятор водоотдачи. Na2CO3 - реагент для связывания ионов Ca Mg. NaOH – регулятор рН. КМЦ-LV (HVT) - регулятор водоотдачи. ИКД - буровой детергент, ПАВ, предупреждающий сальникообразование. ИКЛУБ - смазывающая добавка. ИКСИН - О(1) – разжижители типа акрилатных олигомеров, НТФ, ОЭДФ, ИКЛИГ-1 и др. ИКДЕФОМ - пеногаситель. ИКСТАБ-L – флокулянт, частично гидролизованный полиакриламид. ИККАРБ-75/150 – карбонатный утяжелитель из мрамора фракций 75 и 150мкм.
Технология приготовления и обработки раствораВ воду затворения добавляют в нужном количестве кальцинированную и каустическую соду, и через гидроворонку вводят бентонит. Через 1 час перемешивания вводят КМЦ с темпом 8-10 минут/мешок, а затем добавляются все остальные реагенты. ИКСИН и ИКДЕФОМ вводятся в буровой раствор периодически, по мере необходимости. ИКСТАБ-L вводится в раствор при бурении для флокуляции выбуренной породы и, следовательно, для повышения качества механической очистки раствора. Одновременно ИКСТАБ-L обеспечивает частичное ингибирование неустойчивых глин.
5.4 Полимер – бентонитовый раствор на основе лигносульфонатов В отличие от системы 5.3 в этом растворе два полимерных регулятора водоотдачи КМЦ и ИКЛИГ-2. Этот раствор технологически более совершенен. ИКЛИГ-2 - универсальный реагент, регулятор водоотдачи и умеренный разжижитель. Кроме того, фильтрационная корка раствора, содержащего лигносульфонатные реагенты, обладает низким напряжением сдвига, в результате чего снижается вероятность прихвата, так как уменьшается коэффициент трения бурильной колонны о стенку скважины. Лигносульфонатные реагенты являются хорошими эмульгаторами. В присутствии реагента ИКЛИГ-2 эффективными являются разжижающие обработки известью и хромпиком. Низкомолекулярные фракции ИКГЛИК-2 положительно влияют на качество вскрытия продуктивного пласта. К недостаткам ИКЛИГ-2 относятся высокая пенообразующая способность и большой расход при сравнительно низкой стоимости этого реагента.
Состав раствора № 5.4, кг/м3 Бентонит 30 - 40 Na2CO3 1,0 NaOH 1,0 ИКГЛИК-2 10 - 20 КМЦ LV (HVT) 3 - 5 ИКД 1 ИКЛУБ 3 - 5 ИКЛИГ-1 1 - 2 ИКДЕФОМ 0,3 ИКСТАБ-L 0,2 - 0,5 ИККАРБ-75/150 50 - 100
Свойства раствораПлотность, г/см3 1,04 - 1,10 Условная вязкость, сек 20 - 30 Пластическая вязкость, сПз 10 - 18 ДНС, дПа 40 - 80 СНС0/10, дПа 10 - 20/20 - 40 Водоотдача, см3/30мин (API) 7 - 9 рН 8 - 9
Назначение реагентовБентонит - структорообразователь, регулятор водоотдачи. Na2CO3 - реагент для связывания ионов Ca Mg. NaOH – регулятор рН. КМЦ-LV (HVT) - регулятор водоотдачи. ИКЛИГ-2 - регулятор водоотдачи, умеренный разжижитель. ИКЛИГ-1 – разжижитель. ИКД - буровой детергент, ПАВ, предупреждающий сальникообразование. ИКЛУБ - смазывающая добавка. ИКДЕФОМ - пеногаситель. ИКСТАБ-L – флокулянт, частично гидролизованный полиакриламид. ИККАРБ-75/150 – карбонатный утяжелитель из мрамора фракций 75 и 150мкм.
Технология приготовления раствораК воде затворения добавляются каустическая и кальцинированная сода, и через воронку вводится бентонит, через 1 час перемешивания вводятся КМЦ, ИКЛИГ-2, ИКДЕФОМ. Через 1 час перемешивания раствор готов. При бурении для пополнения объема к циркулирующему раствору добавляют КР следующего состава, кг/м3: Na2CO3 1 NaOH 1 ИКЛИГ-2 10 - 20 КМЦ LV 3 - 5 ИКДЕФОМ 0,3 Остальные реагенты, по мере необходимости, могут быть добавлены в буровой раствор КР, который потом вводится в циркулирующий раствор при бурении или промывках.
§ 1. Ингибирующие буровые растворы Такие системы созданы для предупреждения аварий и осложнений, связанных с осыпями и обвалами неустойчивых глин. Этот вид осложнений при бурении вызывает наибольшие потери, которые нередко заканчиваются ликвидацией скважин, поэтому трудно переоценить роль буровых растворов в решении этой нелегкой задачи. В настоящее время уровень знаний и практических достижений в этой области таков, что проблема бурения в неустойчивых глинах практически не существует. Успех предупреждения осыпей и обвалов глинистых пород в различных геологических условиях полностью зависит от правильного выбора типа бурового раствора, его состава и свойств. Поведение потенциально неустойчивых глин определяется двумя основными факторами - физико-химическим и физическим. Первый фактор является основным, и его сущность заключается в характере (механизме) физико-химического взаимодействия бурового раствора и его фильтрата с разбуриваемыми глинами. Проявление так называемого физического фактора заключается в выпучивании глин в скважину под действием аномально высоких поровых давлений в глинах или горного давления в зонах тектонических нарушений, когда глинистые породы «перемяты» при больших углах падения пород. Рассмотрим последовательно действие обоих факторов. Физико-химическое взаимодействие глин с буровыми растворами (фильтратом) начинается с процессов их гидратации кристаллов глинистых минералов и набухания в микротрещинах. Расклинивающее давление кристаллического набухания проявляется на расстоянии, соизмеримом с толщиной гидратной оболочки и, чем ближе к поверхности, тем выше давление набухания, величина которого достигает тысяч атмосфер. Физическое противостояние таким силам (повышение плотности раствора) практически не реально. Однако, подавить процесс набухания глин можно физико-химическими методами, именно этот процесс и называется ингибированием. Это достигается с применением в растворах электролитов(солей) в определенных концентрациях, превышающих порог коагуляции. Из числа известных растворов этого типа (гипсовый, хлоркальциевый) наиболее эффективным является калиевый раствор. Уникальность этого раствора заключается в том, что ион калия, в сравнение с другими катионами, обладает особым ингибирующим действием. Во-первых, он подавляет процесс набухания глин, адсорбируясь в достаточном количестве на базальных плоскостях, и полностью нейтрализует заряд поверхности. Ион калия является практически негидратируемым катионом, за счет чего достигается надежная коагуляция плоскостей глины. Во-вторых, малый размер гидратированного катиона калия позволяет ему проникать в особые места кристаллической решетки глин и необратимо нейтрализовать отрицательный заряд поверхности глины. В результате такого химического взаимодействия происходят изменения минералогической природы глин, которые превращаются в водонечувствитель-ный минерал – довольно хорошо окристаллизованную гидрослюду. Этот процесс практически необратим. Интенсивность такого процесса насыщения глины ионами калия зависит от концентрации данных ионов, примесей других солей, температуры и величины рН. Дешевым и доступным источником ионов калия является хлористый калий. Оптимальная концентрация этого ингибитора в растворе колеблется от 5 до 12% и зависит от физико-химических свойств разбуриваемых глин и концентрации других солей (неизбежные примеси), которые замедляют действие ионов калия. Для эффективного ингибирования необходимо, чтобы концентрация хлорида калия не менее, чем в 3 раза превышала концентрацию других солей (NaCl, Na2SO4, CaSO4). Так, если калиевый раствор готовится на морской воде (концентрация солей 3-3,5%), содержание хлористого калия в растворе должно быть 10-12%. Важным условием является величина рН, которую необходимо поддерживать на уровне 9-10. Интенсивность ингибирования возрастает с повышением температуры. Все указанные условия выполнимы в процессе бурения, поэтому калиевые растворы широко и успешно применяются. В последние годы разработан ряд дополнительных органических ингибиторов, усиливающих действие калиевого раствора. Это - полиакриламид низкого и высокого молекулярного веса (ИКСТАБ), сульфированный асфальт (ИКМАК) и гликоли различного строения и молекулярного веса (ИКГЛИК). Из их числа наиболее эффективно усиливают ингибирующую способность калиевого раствора гликоли за счет дальнейшего и более глубокого снижения степени гидратации глин. Благодаря применению таких систем полностью удается избежать осыпей неустойчивых глин даже в особо сложных геологических условиях. Для приготовления и регулирования свойств калиевых растворов используются стандартные солестойкие реагенты, наиболее эффективными из них являются полисахариды семейства ПАК. Аналогичные явления и физико-химические процессы происходят также при взаимодействии неустойчивых глин с растворами на углеводородной основе (РУО). В полевых условиях безводных РУО не бывает, минимальное содержание воды в них составляет 5-8%. Прямого контакта проэмульгированных в РУО капелек воды нет, однако в этой среде достаточно активно может проходить процесс увлажнения глин, вплоть до и их осыпей. Перенос влаги из раствора в стенку скважины идет через пары воды, давление которых над раствором и глиной с естественной влажностью (3-5%) не одинаковы и, как правило, последнее оказывается ниже. В этих условиях для предупреждения увлажнения неустойчивых глин и их осыпей, необходимо сбалансировать давление паров воды над раствором и разбуриваемой глинистой породой. Для этого в водную фазу раствора на углеводородной основе вводят электролиты такие, как NaCl и CaCl2, в больших количествах, вплоть до насыщения. Это приводит к требуемому снижению давления паров воды над РУО (в 1,5-2 раза), предупреждению увлажнения с набуханием глин и их осыпей за счет физико-химического взаимодействия. Не менее важным в проблеме устойчивости глин является и так называемый физический фактор. Действие этого фактора проявляется при бурении в условиях АВПД и нарушенных, перемятых зонах, когда осыпи горных пород происходят под воздействием физических сил, а гидростатического столба жидкости недостаточно для сдерживания этого процесса. Интенсивность этих осложнений может быть различной в зависимости от геологических условий. Предупредить осыпи в этих случаях удается путем ступенчатого повышения плотности бурового раствора (по 0,05-0,1 г/см3). Как правило, горно-геологические условия бурения бывают известны, и требуемая плотность раствора регламентируется в программе по буровым растворам или в программе на бурение скважины. Однако, очень важно распознавать причину осложнений. Физико-химическое взаимодействие глин с буровым раствором происходит постоянно, а проявление физических сил наблюдается только в особых геологических условиях. В большинстве случаев нормальной плотности бурового раствора (1,12-1,2г/см3) бывает достаточно для достижения физического баланса в скважине. Вот почему, на основе имеющейся геологической информации о потенциально неустойчивых глинах в разрезе скважины необходимо правильно выбрать тип бурового раствора, ингибирующая активность которого должна быть достаточна для данной породы. Если при бурении с промывкой таким раствором происходят осложнения из-за осыпей и обвалов глин, необходимо ступенчато повышать плотность раствора. Далее, рассмотрим несколько составов и свойства ингибирующих калиевых растворов.
5.5. Калиевый-глинистый буровой раствор
Состав раствора, кг/м3 Бентонит 30 - 40 Na2CO3 0,5 NaOH 1 KCl 50 ЭКОПАК R 2 ЭКОПАК SL 8 ИКЛУБ 3 - 5 ИКДЕФОМ 0,2 ИКСИН - О (1) 1 ИКД 1 ИККАРБ-75/150 50
Свойства раствора Плотность, г/см3 1,06 – 1,10 Условная вязкость, сек 25 - 40 Пластическая вязкость, сПз 8 - 30 ДНС, дПа 60 - 100 СНС0/10, дПа 10 - 20/20 - 50 Водоотдача, см3/30мин (API) 6 - 8 рН 9 - 10 Содержание KCl в фильтрате не менее 4%.
Это наиболее простая модификация глинистого калиевого раствора, который широко применяется в массовом бурении в неустойчивых глинах. Одновременно, в таком растворе выбуренная глина ингибируется, следовательно, меньше наработка раствора.
Назначение реагентовКальцинированная сода - для связывания ионов кальция, улучшает диспергирование глин. Каустическая сода - регулятор pH KCl - ингибитор глин. ЭКОПАК R - высокоэффективный регулятор вязкости и водоотдачи. ЭКОПАК SL - высокоэффективный регулятор вязкости и водоотдачи, в калиевом растворе - эффективный разжижитель. ИКЛУБ - смазывающая добавка. ИКДЕФОМ – пеногаситель. ИКСИН-О (1) – разжижитель. ИКД - буровой детергент для предупреждения сальникообразований. ИККАРБ-75/150 – карбонатный утяжелитель.
Технология приготовления раствораВ воду добавляют каустическую и кальцинированную соду. Концентрация кальцинированной соды колеблется в широком диапазоне в зависимости от содержания ионов кальция в воде затворения, которые необходимо связывать этой содой. Затем вводят бентонит и периодически перемешивают в течение часа. Вводят хлористый калий и перемешивают 5 минут. Затем добавляют ЭКОПАК R и SL и все остальные реагенты. После перемешивания в течение 1-1,5 часов раствор готов. Во избежание образования комков в условиях скважины полимеры ЭКОПАК R и SL вводят через смесительную воронку со скоростью 7-10 минут мешок. Загрязнение раствораПри бурении по глинам, содержание ионов калия в фильтрате раствора снижается за счет обменных реакций на глине. При этом темп снижения общего содержания хлоридов значительно ниже, то есть снижается соотношение KCl:NaCl и ингибирующая активность раствора. В связи с этим требуется дополнительная обработка раствора хлористым калием, что может повлиять на свойства. Для решения указанной задачи проводятся следующие опыты. 1. Загрязнение раствора глиной. К раствору 5.5 добавить 30кг/м3 порошка грубодисперсной глины, имитирующей по составу выбуренную глину, периодически перемешивать в течение часа, затем замерить свойства (раствор 5.5.1). При такой обработке за счет высокого ингибирующего действия раствора вязкость особо не изменится, но содержание ионов калия в фильтрате понижается. Таким образом, следующим приемом по восстановлению состава раствора становится дополнительная обработка раствора № 5.5.1 хлористым калием в количестве 20 кг/м3, который перемешивают 15-20 минут (раствор 5.5.2) и замеряю свойства, которые не должны особо изменится. Дополнительная обработка раствора № 5.5.2 ЭКОПАК-SL в количестве 2 кг/м3 после перемешивания (3-4 раза по 5 минут) в течение часа снимет все вопросы, включая выявление высокой разжижающей активности универсального реагента ЭКОПАК-SL. Загрязнение калиевого раствора минерализованной пластовой водой не опасно, оно не вызовет особого изменение свойств, ибо сама система минерализована. Некоторый рост водоотдачи в этом случае легко восстановить дополнительной обработкой ЭКОПАК-R или SL (10-20 кг/м3). Появившиеся ионы кальция связываются кальцинированной содой в расчетном количестве.
5.6. Ингибирущий калиевый раствор на основе лигносульфонатов В этом растворе в качестве основного реагента - регулятора свойств (водоотдачи и вязкости) - используется поликонденсированный лигносульфонатный реагент ИКЛИГ-2. Отличительная особенность этого раствора состоит в том, что реагент ИКЛИГ-2 обладает универсальным действием: умеренно разжижает раствор и снижает водоотдачу. Особенно эффективна комбинация ИКЛИГ-2 с полисахаридным реагентом ЭКОПАК. Глинистая корка раствора, содержащего лигносульфонатный реагент отличается низким напряжением сдвига, что очень важно для предупреждения затяжек и прихватов, особенно в наклонных и горизонтальных стволах. Кроме того, этот раствор отличается повышенной термостойкостью (130-140оС) и стабильностью свойств во времени.
Состав раствора, кг/м3 Бентонит 20 - 30 NaOH 1 - 2 KCl 50 ИКЛИГ - 2 30 – 40 ЭКОПАК-R(SL) 3 - 5 ИКДЕФОМ 0,3 ИКЛУБ 3 - 5
Свойства раствораПлотность, г/см3 1,08 Условная вязкость, сек 30 - 40 Пластическая вязкость, сПз 8 - 12 ДНС, дПа 50 - 100 СНС0/10, дПа 10 - 20/20 - 50 Водоотдача, см3/30мин (API) 6 - 8 рН 9 - 10
Назначение реагентовБентонит - структурообразователь, регулятор водоотдачи. NaOH - регулятор рН. KCl - ингибитор глин. ИКЛИГ-2 - регулятор водоотдачи, умеренный разжижитель. ИКДЕФОМ - пеногаситель. ИКЛУБ - смазывающая добавка. ЭКОПАК-R(SL) - регулятор водоотдачи.
Технология приготовления К воде затворения добавляют NaOH и бентонит, перемешивают 1 час, затем вводят остальные реагенты. Через 15-20 минут перемешивания раствор готов.
содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ..
|
|
|