Буровые растворы на водной основе

ФАКУЛЬТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И НЕФТЕГАЗОВОЙ ИНДУСТРИИ

Кафедра Нефтегазовой Инженерии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СРС № 1

“БУРОВЫЕ  РАСТВОРЫ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Алматы 2010 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение…………………………………………………………………………………………….1

История………………………………………………………………………………………………1

Типы буровых  растворов……………………………………………………………..….2-8

Рецептуры буровых  растворов…………………………………………………………9-11

                Буровые растворы для глубоких скважин, а также буровые растворы

 с низким  содержанием твердой фазы……………………………………………12-16

Заключение……………………………………………………………………………………..17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Выбор буровых растворов определяется, прежде всего, геологическими условиями проходки скважин. При этом учитывается, что растворы даже в пределах одного типа (например, ингибированные) могут по-разному влиять на механическую скорость, устойчивость ствола, состояние приствольной зоны продуктивных пластов и в конечном счете на экономические показатели бурения.

     Для достижения максимальных показателей работы долот наиболее предпочтительно использовать в качестве промывочного агента маловязкие легкие системы. По степени ухудшения работы породоразрушающего инструмента, используемые в мировой практике промывочные системы располагаются в следующем порядке: тяжелый и высоковязкий глинистый раствор, легкий маловязкий глинистый раствор, эмульсия, буровой раствор на нефтяной основе, вода, вода с ПАВ, аэрированная жидкость, воздух (газ).

     При вращательном бурении нефтяных и  газовых скважин в качестве промывочных жидкостей используются:

• агенты на водной основе (техническая вода, естественные буровые растворы, глинистые и неглинистые растворы);
• агенты на углеводородной основе;
• агенты на основе эмульсий;
• газообразные и аэрированные агенты.

История. Первое применение воды в качестве бурового раствора

• В третьем тысячелетии до н.э. в Египте на карьерах при помощи ручных буров бурили скважины глубиной 6 м. Для удаления выбуренной породы для этого использовали воду (Д.Е.Брентли)
• В Китае в начале царствования династии Шу (1122-250 гг. до н.э.) бурили скважины для добычи соли. Для размягчения породы и облегчения удаления шлама в эти скважины заливали воду. (Конфуций)
• 1844 г. – Роберт Бирт в заявке на патент Англии предлагает использовать воду для удаления шлама при ударно-канатном бурении (вместо желонки использовать полые буровые штанги)
• 1844 г. – Фовелль во Франции использовал этот же метод.
• 1860-1880 гг. – Несколько патентов США о циркуляции бурового раствора (прообраз роторного бурения)
• 1887 г. Чэпмен М.Д. в США запатентовал буровой раствор, состоящий из потока воды и пластичного материала, способного вымывать породу и образовать на стенках корку. В качестве пластичного материала предлагалась глина, зерно, отруби и цемент.

     Техническая вода - наиболее доступная и дешевая промывочная жидкость. Имея малую вязкость, она легко прокачивается, хорошо удаляет шлам с забоя скважины и лучше, чем другие жидкости, охлаждает долото. Однако она плохо удерживает частицы выбуренной породы (особенно при прекращении циркуляции), не образует упрочняющей корки на стенке скважины, хорошо поглощается низконапорными пластами, вызывает набухание глинистых пород, ухудшает проницаемость коллекторов нефти и газа.

     Естественным  буровым раствором  называют водную суспензию, образующуюся в скважине в результате диспергирования шлама горных пород, разбуриваемых на воде.

     Основное  достоинство применения естественных буровых растворов состоит в  значительном сокращении потребности  в привозных материалах на их приготовление  и обработку, что ведет к удешевлению растворов. Однако их качество и свойства зависят от минералогического состава и природы разбуриваемых глин, способа и режима бурения, типа породоразрушающего инструмента. Нередко в них велико содержание абразивных частиц. Поэтому естественные буровые растворы применяют в тех случаях, когда по геолого-стратиграфическим условиям не требуется промывочная жидкость высокого качества.

     Глинистые буровые растворы получили наибольшее распространение при бурении скважин. Для бурового дела наибольший интерес представляют три группы глинистых минералов: бентонитовые (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, сапонит и др.), каолиновые (каолинит, галлуазит, накрит и др.) и гидрослюдистые (иллит, бравиазит и др.). Наилучшими качествами с точки зрения приготовления бурового раствора обладают монтмориллонит и другие бентонитовые минералы. Так, из 1 тонны бентонитовой глины можно получить около 15 м³ высококачественного глинистого раствора, тогда как из глины среднего качества - 4...8 м³, а из низкосортных глин - менее 3 м³.

     Глинистые растворы глинизируют стенки скважины, образуя тонкую плотную корку, которая  препятствует проникновению фильтрата  в пласты. Их плотность и вязкость таковы, что растворы удерживают шлам разбуренной породы даже в покое, предотвращая его оседание на забой при перерывах в промывке. Утяжеленные глинистые растворы, создавая большое противодавление на пласты, предупреждают проникновение пластовых вод, нефти и газа в скважину и открытое фонтанирование при бурении. Однако по этим же причинам затруднено отделение частиц породы в циркуляционной системе бурового раствора.

     Применяются также другие буровые растворы на водной основе: малоглинистые (для бурения  верхней толщи выветрелых и трещиноватых горных пород), соленасыщенные (при  бурении в мощных толщах соленосных пород), ингибированные (обработанные химреагентами для предупреждения набухания разбуриваемых пород и чрезмерного обогащения раствора твердой фазой) и т.д.

     К неглинистым относятся буровые растворы, приготовленные без использования глины. Безглинистый буровой раствор с конденсированной твердой фазой готовится на водной основе. Дисперсная фаза в нем получается химическим путем, в результате взаимодействия находящихся в растворе ионов магния с щелочью NaOH или Са(ОН)₂ Химическая реакция приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния Mg(OH)₂. Раствор приобретает гелеобразную консистенцию и после химической обработки превращается в седиментационно устойчивую систему. Такой раствор сохраняет свои структурно-механические свойства при любой минерализации. Поэтому его применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую устойчивость стенок скважины, но обеспечить контроль и регулирование минерализации раствора сложно.

     Другим  типом неглинистых буровых растворов  являются биополимерные растворы. Биополимеры получают при воздействии некоторых штаммов бактерий на полисахариды. Свойства биополимерных растворов регулируются так же легко, как свойства лучших буровых растворов из бентонитовых глин. Вместе с тем, некоторые из них оказывают флокулирующее воздействие на шлам выбуренных пород, предупреждая таким образом образование суспензии. Кроме того, растворы биополимеров термоустойчивы. Сдерживает их применение относительно высокая стоимость.

     Основные  типы водных буровых растворов, используемых в отечественной и зарубежной практике, известны. Следует указать, что при характеристике типа буровых растворов наблюдаются разночтения. Разделение растворов на типы обычно подразумевает выделение какого-либо его специфического качества или выполняемой им функции. Однако такое деление условно, неоднозначно. Так, выделение солестойкого раствора по его качеству со временем могло трансформироваться в выделение его как ингибирующего, т. е. обладающего способностью препятствовать размоканию глин.

     По  качеству, по способности сохранять  свои свойства буровые растворы можно разделить на неингибированные (пресные несолестойкие, нетермостойкие и т. д.) и ингибированные (термостойкие, солестойкие, термосолестойкие, устойчивые к обогащению разбуриваемой породой и т. д.).

     По  специфическим функциям, выполняемым  растворами с целью предупреждения осложнений, связанных с их взаимодействием с разбуриваемыми породами, растворы можно разделить на ингибирующие (по отношению к стенке скважины), недиспергирующие и флокулирующие (по отношению к шламу) и др.

     Следует учитывать, что ингибирующий раствор  до достижения инактивности по отношению к породам, слагающим стенки скважин (как, например, для известково-битумного раствора), только уменьшает свое отрицательное влияние на эти породы. Действительно ингибирующими являются растворы, которые модифицируют породы приствольной зоны н не увеличивают их влагонасыщенность.

     В последнее время растворы стали  выделять и по свойствам, 
обеспечивающим более эффективное выполнение какой-либо из программ, связанных с промывкой скважины. Например,  с гидравлической программой связывают малоглинистые (точнее, с оптимальными содержаниями структурообразующего и утяжеляющего компонентов) и безглинистые растворы, а также растворы со специфической реологической характеристикой –   
растворы на основе биополимеров. Естественно, что при использовании системного подхода и ЭВМ для решения оптимизационных  задач процесса промывки скважин такой, хотя и наглядный подход неприемлем. Можно полагать, что наиболее 
целесообразным будет деление растворов по типам в соответствии 
с компонентным составом при условии установления роли каждого из компонентов в формировании их свойств. Так, присутствие солей в растворе явится необходимым условием. В последнее время растворы стали выделять и по свойствам, обеспечивающим более эффективное выполнение какой-либо из программ, связанных с промывкой скважины. Например, с гидравлической программой связывают малоглинистые (точнее, с оптимальными содержаниями структурообразующего и утяжеляющего компонентов) и безглинистые растворы, а также растворы со специфической реологической характеристикой –    
растворы на основе биополимеров. Естественно, что при использовании системного подхода и ЭВМ для решения оптимизационных 
задач процесса промывки скважин такой, хотя и 
наглядный подход неприемлем. Можно полагать, что наиболее 
целесообразным будет деление растворов по типам в соответствии 
с компонентным составом при условии установления 
роли каждого из компонентов в формировании их свойств. Так, 
присутствие солей в растворе явится необходимым условием, 
например, его «ингибированности» к воздействию хемогенных пород и «ингибирующего» действия по отношению к размокаемым глинам. Как следствие, наличие соли должно повлечь за собой необходимость присутствия в растворе солестойкого реагента. Стоимость компонентов и их максимальное количество для реализации любой рецептуры заданного типа позволят решать и оптимизационные задачи.

     В связи с этим предложенные в настоящее  время классификации буровых растворов следует оценивать не по числу типов, а по возможности совершенствования классификации применительно к задачам оптимизированного проектирования и управления процессом промывки скважин. Анализ, однако, показал, что ни одна из них не удовлетворяет задачам технологии промывки скважин и допускает возможность применения в однотипных условиях бурения растворов различных типов.

     Разработанная во ВНИИКРнефти классификационная  таблица является основой выбора для конкретных условий бурения технологически и экономически эффективного бурового раствора и рационального ассортимента материалов для его приготовления.

     Исходя  из литологического строения и физико-химической активности пород при взаимодействии их с буровыми растворами породы подразделены на восемь групп. При этом учтены возможные пределы минерализации и забойные температуры.

     Первая  группа –  песчаники, известняки, доломиты, характеризующиеся устойчивостью при разбуривании. Они не изменяют своих физико-химических свойств под воздействием фильтрата буровых растворов, и, следовательно, не требуется больших затрат на регулирование технологических показателей растворов.

     Вторая  группа — песчаники, известняки, доломиты с пропластками глин, аргиллитов, мергелей, алевролитов, характеризующиеся неустойчивостью вследствие набухания глин и осыпей аргиллитов и алевролитов. Разбуривание их сопровождается осыпями, обвалами, поглощениями растворов, прихватами бурильного инструмента. В этих условиях к буровому раствору предъявляют повышенные требования.

     Третья  группа — глины. Разбуривание глин сопряжено с большими трудностями, так как они могут легко переходить в раствор, увеличивая в нем твердую фазу. Наибольшее влияние оказывает коллоидная составляющая разбуриваемых глин. Буровые растворы для этих условий должны обладать ингиби-рующими (а в лучшем случае и недиспергирующими) свойствами и малой водоотдачей.

     Четвертая группа — аргиллиты, алевролиты, глинистые  известняки. Эти породы, имеющие пластинчатое строение, характеризуются неустойчивостью, склонностью к осыпям и обвалам. Буровые растворы, применяемые при их разбуривании, должны обладать ингибирующими и недиспергирующими свойствами для предупреждения осложнений. Водоотдача растворов должна быть минимальной, так как возможны осыпи пород по границам напластования.