Лекции по бурению

---

Лекция № 1. Введение. Основное  содержание дисциплины. Понятия о технологии промывки скважин.

Процесс бурения скважин предполагает целый комплекс оборудования, средств и материалов. Что такое буровая скважина?

Буровая скважина – искусственная цилиндрическая горная выработка в земной коре, имеющая малые поперечные размеры по сравнению с глубиной. Элементами скважины являются:  забой, стенки, устье, ствол, траектория (трасса).

Что необходимо для сооружения скважины?

1)    разрушение горных пород;

2)    очистка забоя скважины от разрушенной породы;

3)    крепление стенок скважины.

Для выноса разрушенных пород необходим целый комплекс средств и компонентов, среди которых буровые растворы являются неотъемлемой частью процесса. И правильный выбор этих средств во многом определяет успех и высокие технико-экономические показатели бурения.

Существует много терминов «буровой раствор» (БР), «промывочная жидкость» (ПЖ), «промывочный агент» (ПА), «буровой промывочный раствор», которые не отражают физико-химической сущности этих систем, их использование связано лишь с традициями в геологоразведочной и нефтяной промышленностях. Поэтому мы будем пользоваться любым из этих терминов.

Что же входит в понятие БР? Это все рабочие агенты, используемые для разрушения пород и удаления выбуренной породы из ствола скважины. БР – это и ВОДА, заливаемая в ствол скважины, и ВОЗДУХ, нагнетаемый для выдувания шлама из шпура, это и УТЯЖЕЛЕННЫЙ глинистый раствор (ГР), применяемый в разведочных скважинах, чтобы устранить возможность выброса при разбуривании пластов высокого давления, и ПЕНА, используемая для выноса шлама из скважины, которую бурят на воду в ледниковых отложениях, и БЕНТОНИТОВЫЙ РАСТВОР, служащий для поддержания устойчивости стенок при проводке шурфа, и СЛОЖНАЯ ПРОМЫВОЧНАЯ СИСТЕМА, приготовляемая на основе нефти с добавкой эмульгаторов, стабилизирующих и структурообразующих реагентов, в частности солевых растворов, а также ЗАКУПОРИВАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА, для разбуривания пластов, содержащих коррозионноагрессивные газы с t>260^оС.

Таким образом, БР – сложная многокомпонентная система. Регулирование свойств этой системы осуществляется не только введением различных материалов и хим.реагентов, но и осуществлением всего комплекса физико-химической механики.

БР являются единственным источником разработки четкой технологии промывки ствола скважины. А технология – это применение научных знаний и инженерных принципов к конкретному промышленному процессу.

Как известно, технико-экономические показатели бурения во многом зависят от совершенства технологии промывки скважин, состава и свойств БР, их физико-химической обработки и их соответствия разбуриваемым породам. Это обусловлено прежде всего тем, что БР, применяющиеся для промывки скважин, являются средами, в которых происходит разрушение горной породы буровым инструментом, работа забойных гидравлических и электрических двигателей, бурильных и обсадных труб, геофизических приборов, а также осуществляются вскрытие, освоение нефтегазовых залежей и крепление скважин.

Для обеспечения совершенной и эффективной промывки скважин необходимо разработать рецептуры не только новых систем БР, но и специальных химических реагентов, материалов, эффективные методы и способы технологии промывки скважин.

Известно, что состав и свойства БР оказывают влияние на характер разрушения горной породы на забое. При соответствующем регулировании физико-химических и технологических свойств БР можно управлять процессами буримости горных пород (ГП), устойчивостью стенок скважины, сложенных глинистыми сланцами, отложениями солей и  т.д. От природы и содержания твердой фазы, типа химической обработки, коррозионных свойств зависят работоспособность долот, долговечность работы бурильных и обсадных труб, турбобуров, электробуров и многих других узлов бурового оборудования.

Технология промывки скважины связана с такими науками, как геология, химия, физика, а также с инженерными расчетами и методами их использования. Задачей технологии является такое использование имеющегося бурового оборудования и материалов, при котором обеспечивается наименьшая стоимость строительства скважины.

Поскольку бурение очень дорогостоящий процесс, поэтому значительная часть стоимости каждой тонны нефти определяется себестоимостью процесса бурения. А процесс бурения во многом зависит от правильного выбора БР.

Лекция № 2. Функции БР. Требования к БР.

      БР выполняет ряд функций, обеспечивающих предупреждение и борьбу с осложнениями. Рассмотрим основные функции БР. Это:

1) облегчение процесса разрушения породы;

БР в зависимости от содержания в них спец.хим.добавок влияют на эффективность разрушения ГП, снижая их твердость. С увеличением удельного веса БР и концентрации в нем твердой фазы разрушение облегчается.

2) очистка скважины от частиц выбуренной породы (шлама) и вынос их на поверхность;

Чем больше поступает в скважину БР в единицу времени, тем лучше и своевременнее очищается забой скважины, тем эффективнее работает долото при разрушении ГП на забое и тем больше механическая скорость бурения. Большое значение имеет вязкость БР. Маловязкий раствор лучше очищается на поверхности от шлама и эффективнее очищает забой по сравнению с высоковязким раствором.

3) удержание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии при остановке циркуляции раствора;

Это свойство БР  необходимо для того, чтобы частицы выбуренной породы не оседали, образуя пробки в стволе скважины, что приводит к прихвату бурильной колонны, т.е. к невозможности извлечения бурильных труб из скважины. Для выполнения этой функции БР должен обладать тиксотропными свойствами, т.е. способностью загустевать при прекращении прокачивания, образуя структуру, а при механическом воздействии (взбалтывании, перемешивании, циркуляции) вновь приобретать хорошую подвижность и прокачиваемость.

4) охлаждение и очистка долота;

5) уменьшение трения между бурильной колонной и стенками ствола скважины;

6) создания давления на стенки скважины для предупреждения водо-, нефте- и газопроявлений;

При вскрытии пласта жидкость или газ, заключенные в нем, под действием пластового давления стремятся проникнуть в скважину, но для этого они должны преодолеть давление со стороны БР. Если пластовое давление превышает давление БР, жидкость или газ из пласта будет проникать в скважину, что при высоком перепаде давления может привести к тяжелым авариям. Предотвращение этих осложнений может быть достигнуто увеличением гидростатического давления столба БР с целью уравновешивания пластового давления. Для этого с помощью специальных добавок увеличивают удельный вес БР. В противном случае если это противодавление оказалось недостаточным, газ из пласта начинает проникать в скважину и, попадая в раствор, снижает его удельный вес и еще больше уменьшает давление гидростатического столба БР и противодавление его на проявляющий пласт. В результате давление пласта оказывается намного больше противодавления, создаваемого БР и происходит выброс раствора из скважины и открытое фонтанирование. Для предотвращения этих явлений БР должен обладать соответствующим удельным весом и иметь такую вязкость, чтобы в случае проникновения газа пузырьки его могли проскакивать в растворе, подниматься на поверхность и уходить из него в желобной системе.

Возможны также и случаи обратного явления, когда происходит проникновение БР в пласт, т.е. при пониженном пластовом давлении. В данном случае  происходит поглощение БР, что нарушает режим промывки и может привести к прекращению циркуляции и связанным с этим осложнениям в скважине. Это также приводит к газо-, водо-, нефтепроявлениям, осыпям и обвалам неустойчивых пород.

7) образование тонкой фильтрационной корки низкой проницаемости, которая перекрывает поры и другие отверстия в разбуриваемых породах;

8) оказывание физико-химического воздействия на стенки скважины, предупреждая их        обрушение;

9) передача энергии турбобуру (при турбинном способе бурения);

При турбинном способе БР является источником энергии, обеспечивающим работу турбобура и долота. БР, подаваемый через трубы на лопатки турбобура, приводит во вращение вал турбобура, который в свою очередь вращает долото. При движении раствора внутри труб, долота и турбобура возникают местные гидравлические сопротивления, которые снижают эффективность работы турбобура, т.к. не позволяют использовать максимальную производительность буровых насосов, прокачивающих раствор в скважину. Одним из способов снижения гидравлического сопротивления  является применение маловязких БР со специальными добавками.

БР по целесообразности применения подразделяются на аэрированную воду, растворы на водной основе, растворы на неводной (углеводородной или нефтяной) основе. Тип бурового раствора выбирают не для обеспечения лучших условий работы породоразрушающего инструмента, а с учетом предупреждения осложнений и аварий в процессе бурения.

Рассмотрим наиболее общие требования, которые необ­ходимо предъявлять к буровым растворам всех типов и, прежде всего, к растворам на водной основе, с помощью которых бурится основной объем скважин:

• жидкая основа растворов должна быть маловязкой и иметь небольшое поверхностное натяжение на границе с горными породами;
• концентрация глинистых частиц в твердой фазе раствора должна быть минимальной, а средневзвешенное по объему значение плотности твердой фазы – максимальным;
• буровые растворы должны быть недиспергирующимися под влиянием изменяющихся термодинамических условий в скважинах и иметь стабильные показатели;
• буровые растворы должны быть химически нейтральными по отношению к разбуриваемым породам, не вызывать их диспергирование и набухание;
• буровые растворы не должны быть многокомпонентными системами, а используемые для регулирования их свойств химические реагенты, наполнители и добавки должны обес­печивать направленное изменение каждого технологического показателя при неизменных других показателях;
• смазочные добавки должны составлять не менее 10 %.

Выполнение этих требований во многом зависит от геолого-технических условий бурения. Однако они позволяют вы­брать из гаммы растворов именно тот, который не только исключит осложнения и аварии в скважине, но и обеспечит высокие скорости ее бурения. В каждом конкретном случае необходимо решать комплексную задачу о целесообразности применения того или иного раствора с учетом технической вооруженности буровой установки, оперативности снабжения ее материалами, квалификации работников, географического положения скважины и т.д.

    Лекция № 3. БР как дисперсные системы (ДС). Их свойства, классификации.

       Важнейшей отличительной особенностью БР является то, что они представляют собой физико-химические системы, состоящие из одной или нескольких фаз. Такие системы называются дисперсными.

      Дисперсная система (ДС) – это раздробленная система, в которой одно вещество раздроблено (диспергировано) и распределено в другом веществе.

Вещество, которое диспергировано, называется дисперсной фазой (ДФ), а среда, в которой это вещество распределено – дисперсионной средой (ДСр).

БР в большинстве случаев относятся к гетерогенным системам (состоящие из 2-х и более фаз и имеющие поверхность раздела между фазами). У них дисперсионная среда представлена жидкостью (вода, нефть, дизельное топливо), а дисперсная фаза – твердыми частицами глины, утяжелителей, наполнителей (суспензии); жидкостью, нерастворяемой в дисперсионной среде, например, нефтью, дизельным топливом (эмульсии) или газом (пены и аэрированные жидкости).

Реальные БР – это многокомпонентные 2-х или 3-х фазные гетерогенные системы.

Мерой раздробленности ДС служат поперечный размер частиц d или обратная величина Д= 1/d, называемая дисперсностью, или удельная поверхность  S_уд, т.е. межфазная поверхность, приходящаяся на ед. объема ДФ  обычно на 1 см². Все эти величины взаимосвязаны. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность или удельная поверхность, и наоборот. Дисперсность определяет многие свойства ДС, в частности водоотдачу и структурно – механические свойства БР.

По степени дисперсности системы делятся на высокодисперсные или коллоидные, если поперечный размер частиц находится в пределах 10^-5 – 10^-7 см. Эти системы относительно устойчивые. Частицы можно наблюдать в ультрамикроскоп, они прозрачны.

      Тонкодисперсные системы с размерами частиц 10^-2 – 10^{-5 см. Эти системы неустойчивы в отсутствии стабилизаторов, непрозрачны, их можно наблюдать в микроскоп. К ним относятся суспензии, эмульсии, пены.}

      Грубодисперсные системы с размерами частиц  равными или больше 10^{-2 см. К ним относятся взвеси почвы, песка и других материалов в жидкости. Эти системы неустойчивы даже в присутствии стабилизаторов, быстро разделяются на фазы, непрозрачны, частицы видны невооруженным глазом.}

Все три системы являются гетерогенными и имеют поверхность раздела между ДФ и ДСр,   что обусловливает наличие свободной поверхностной энергии на границе раздела фаз.

БР – полидисперсные системы, состоящие из трех этих систем с преобладанием коллоидных и тонкодисперсных систем.

Отсутствие единой классификации ДС объясняется тем, что любая классификация принимает в качестве критерия не все свойства ДС, а только какое-нибудь из них.

Существуют классификации по: 1) агрегатному состоянию, 2) по межфазному взаимодействию, 3) по дисперсности (или размеру частиц), а также по структуре,  по фазовой различимости и другие. Мы рассмотрим наиболее важные из них.

Классификация по агрегатному состоянию

      В зависимости от агрегатного состояния все дисперсные системы можно разделить на 9 типов (таблица1). Необходимым условием образования  ДС является ограниченная растворимость вещества ДФ в Дср. Так, системы Г/Г  обычно не фигурируют в классификации вследствие неограниченной взаимной растворимости газов.

                       Таблица 1.

Типы дисперсных систем