Файл: Функции и назначение буровых растворов.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 03.02.2024

Просмотров: 258

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Статическое напряжение сдвига
9
Для работы долота вода является лучшей жидкостью, но отсутствие тиксотропных свойств ограничивает ее применение. Воду невозможно утяжелить грубодисперсными тяжелыми порошками, а при больших глубинах бурения, когда цикл циркуляции через скважину соизмерим с длительностью работы долота на забое, она не способна выполнить главную функцию – удерживать оставшийся в скважине шлам во взвешенном состоянии при временном прекращении циркуляции. В результате этого в стволе возникают прихваты бурильной колонны,
так называемыми сальниками – пробками, образующимися из шлама.
Использование буровых растворов при бурении скважин, а также утяжеление их грубодисперсным материалом высокой плотности обусловлены главным образом необходимостью удержания во взвешенном состоянии выбуренной породы в период прерванной циркуляции. Поэтому одно из основных требований,
предъявляемым к буровым растворам, − способность к тиксотропному упрочнению их в покое.

10
Показатель тиксотропных свойств бурового раствора –
статическое напряжение сдвига, измеряемое через 1 и 10
мин покоя. Именно этим показателем характеризуется седиментационная устойчивость бурового раствора и его способность удерживать шлам во взвешенном состоянии.
Однако значение статического напряжения сдвига выбирают из сугубо практических соображений без учета конкретных геолого-технологических условий.
В
результате этого в ряде случаев она оказывается ниже требуемой, что приводит к различным осложнениям при бурении,
или выше требуемой,
что вызывает необходимость восстановления промежуточных циркуляций бурового раствора и может быть причиной возникновения его поглощения.

Показатель фильтрации и толщина
фильтрационной корки
11
Для улучшения условий разрушения породы долотом целесообразно стремиться к увеличению показателя фильтрации бурового раствора и уменьшению толщины фильтрационной корки. Однако такое требование выполнимо при бурении в непроницаемых устойчивых породах. При проходке проницаемых песчаников, глин с низким поровым давлением, продуктивных горизонтов значение показателя фильтрации бурового раствора строго регламентируется. Практикой бурения неустойчивых и проницаемых отложений установлено, что в этих условиях значение показателя фильтрации, определяемое прибором ВМ-6,
должно находиться в пределах 3-6 см
3
за 30 мин.
Показатель фильтрации бурового раствора является интегральной величиной за промежуток времени, неизмеримо больший, чем период вращения долота.


12
Существует также мнение, что показатель фильтрации не влияет на эффективность работы долота,
а корреляционная зависимость механической скорости проходки и проходки на долото от него обусловлена изменением вязкости бурового раствора,
всегда сопровождаемым изменением показателя фильтрации.
Процесс фильтрации бурового раствора на забое скважины ослабляет сопротивляемость породы за счет расклинивающего воздействия проникающего в поры и микротрещины породы фильтрата,
что вполне соответствует известным положениям теории П. А.
Ребиндера (рисунок далее). Кроме того, проникающий на забой фильтрат способствует выравниванию давлений над сколотой частицей и под ней и таким образом создает благоприятные условия для очистки забоя от обломков породы.

13
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭФФЕКТА
РЕБИНДЕРА

14
Однако следует иметь в виду не интегральную величину фильтрации, а его мгновенное значение в начальный период процесса. Очевидно, что из двух буровых растворов с одинаковыми значениями интегрального показателя фильтрации лучшим является тот, у которого выше скорость фильтрации в начальный момент времени.
Для характеристики этих свойств измеряют водоотдачу и толщину фильтрационной корки.
Водоотдача характеризует способность бурового раствора отдавать воду в пласт под действием перепада давления. Замеряют водоотдачу на приборе ВМ-6. Определяют объем выделившейся воды за 30 мин. в см
3
Различают 3 вида фильтрации бурового раствора.
1. Призабойная фильтрация приурочена к призабойной зоне. В следствие работы долота происходит уменьшение величины фильтрационной корки и может произойти почти полное ее разрушение. Поэтому фильтрация в этой зоне характеризуется наибольшей водоотдачей и наименьшей толщиной корки.
2. Статическая фильтрация происходит при остановке циркуляции бурового раствора.
Например, при смене долота. Корка в этом случае имеет наибольшую толщину.
Вследствие этого фильтрация, происходящая после сформирования корки, заметно замедляется. Водоотдача получается наименьшей.
3. Динамическая фильтрация происходит в процессе циркуляции промывочной жидкости. В этом случае происходит гидродинамическая эрозия корки. Величина водоотдачи и толщины корки занимает промежуточное положение между первыми двумя видами.


15
Величина водоотдачи и корки зависит от ряда факторов, в том числе, от качества бурового раствора. Решающее влияние оказывает степень дисперсности глинистых частиц в растворе. Чем она выше, тем плотнее укладываются частицы фильтрационной корки и тем меньше отверстия для фильтрации воды. В итоге водоотдача уменьшается.
Увеличение степени дисперсности повышает гидратацию частиц твердой фазы, что способствует уменьшению водоотдачи.
Фильтрация увеличивается при увеличении разности давлений между гидростатическим в скважине и пластовым.
При увеличении температуры водоотдача и толщина корки увеличиваются.
Большая величина водоотдачи бурового раствора вызывает ряд негативных последствий:
а) при бурении в слабосцементированных породах вода способствует их осыпанию и обваливанию. В соляных отложениях вода увеличивает размыв и растворение соли,
образуя пустоты, каверны;
б) большая фильтрация в продуктивном горизонте может резко снизить возможные дебиты нефти и газа. Вода проникает в пласт и создает дополнительные трудности продвижения нефти или газа к забою. В результате чего увеличиваются сроки освоения скважины, и уменьшается дебит нефти (газа);
в) при большой водоотдаче на стенках скважины отлагается толстая липкая фильтрационная корка. Толстая липкая корка уменьшает диаметр скважины и значительно увеличивает опасность прихвата бурильного инструмента.

16
Прихват может привести к тяжелой аварии. При спуске и подъеме толстая рыхлая корка может быть причиной длительных проработок ствола скважины. Налипшая на бурильный инструмент (долото, турбобур, УБТ, замки бурильных труб) корка может действовать при подъеме инструмента как поршень и создавать в скважине условия, вызывающие осыпи и обвалы неустойчивых пород. Также может создавать условия для поступления из пласта в скважину газа, нефти и воды, и увеличивать возможность газоводонефтяного выброса.
Толстая глинистая корка отрицательно влияет на качество цементирования скважины,
препятствуя прочному сцеплению цементного камня с горной породой.
Статическая фильтрация не дает полного представления о реальной величине водоотдачи в скважине. По данным ряда исследований она составляет 10-30 % от всей водоотдачи.
Остальные 10-90 % воды выделяется в процессе циркуляции. Объясняется это тем, что при циркуляции бурового раствора происходит частичное размывание корки. Причем, после некоторого начального периода формирования корки устанавливается равновесие между ее нарастанием и размывам.
Размыв корки начинается с разрушения пограничного или переходного слоя. Пограничный слой образуется над коркой в статических условиях. Этот слой неоднородный. У
поверхности корки он практически от нее ничем не отличается. По мере удаления от поверхности корки концентрация твердой фазы в переходном слое падает и на расстоянии
3-5 мм становится равной концентрации бурового раствора.


17
Высоковязкий структурированный слой является той средой, через которую идет диффузия отделившейся жидкой среды.
Опыты показали, что смыв пограничного слоя не оказывает существенного влияния на водоотдачу. Величина разрушения пограничного слоя и самой корки зависит и от скорости циркуляции бурового раствора. При относительно небольшой скорости циркуляции раствора до 1,5 м/с смывается в основном пограничный слой. При более высокой скорости циркуляции бурового раствора происходит турбулентное течение потока и начинается разрушение корки.
Известны исследования, из которых следует, что при турбулентном течении бурового раствора эрозия корки возрастает приблизительно пропорционально квадрату скорости циркуляции.
По мере перехода к нижним слоям корки замедляется ее разрушение. Объясняется это двумя причинами:
-Увеличением прочности корок от верхних слоев к нижним.
-По мере размыва корки усиливается фильтрация и коркообразование.
Параллельно с размывом корки идет процесс уплотнения вследствие вымывания крупных частиц и увеличивается плотность укладки оставшихся частиц. При малой скорости течения промывочной жидкости второй процесс может превалировать и статическая водоотдача может оказаться выше динамической.
Фактором снижения динамической водоотдачи является также диспергирование глинистых фракций бурового раствора в процессе циркуляции.
Проходящие в корке процессы осложняются чисто механическими факторами:
повреждением и сдиранием корки долотом, турбобуром, УБТ, центраторами, замками бурильных труб в процессе расхаживания бурильной колонны при турбинном бурении.


Вязкость
18
Требование к значению вязкости раствора однозначное: оно должно быть минимальным. С уменьшением вязкости отмечается всеобщий положительный эффект бурения:
снижаются энергетические затраты на циркуляцию бурового раствора, улучшается очистка забоя за счет ранней турбулизации потока под долотом, появляется возможность реализовать большую гидравлическую мощность на долоте, уменьшаются потери давления в кольцевом пространстве скважины. При бурении скважин необходимо стремиться к удержанию минимально возможной условной и пластической вязкости бурового раствора.
Обычно измеряют динамическую, пластическую и условную вязкость. Динамическая и пластическая вязкость определяется с помощью ротационного вискозиметра (ВСН-3), в Па·с, условная вязкость замеряется полевым вискозиметром СПВ-5, ВБР-1, в с.

Кинетическая устойчивость
19
Под действием гравитационного поля, т. е. земного притяжения частицы глинистого раствора достаточно большой массы оседают или седиментируют. В растворе устанавливается определенное равновесное распределение частиц по высоте. Наиболее крупные частицы выпадают в осадок. Способность глинистого раствора сохранять равномерное распределение частиц по всему объему называется седиментационной или кинетической устойчивостью.
Если буровой раствор кинетически нейстойчивый, то при остановке циркуляции в нижней части скважины скапливается большая часть твердых частиц раствора. В результате чего тратится много времени на выравнивание раствора перед началом бурения. Кроме того,
повышается вероятность затяжек и
прихватов бурильного инструмента.

20
Кинетическая устойчивость промывочной жидкости повышается с увеличением степени дисперсности частиц и тиксотропных свойств раствора. С этой целью производят тщательное диспергирование частиц в растворе в процессе его приготовления. Используют высококачественные коллоидные глины. Осуществляют необходимую химическую обработку для усиления пептизации и структурных свойств промывочной жидкости.
Воздействие на буровой раствор должно идти до определенного предела обусловленного условиями бурения. Излишек измельченных глинистых частиц и чрезмерное усиление структурных свойств может привести к резкому увеличению вязкости раствора, особенно после нахождения его в состоянии покоя (смена долота).
В бурении принято определять кинетическую усточивость глинистого раствора двумя показателями: суточным отстоем и стабильностью.
Суточный отстой определяется по количеству воды выделившейся из бурового раствора при суточном хранении раствора в мерном цилиндре. Определяется в процентах. Он позволяет в известной мере оценить количество свободной воды в глинистом растворе. С
увеличением суточного отстоя количество свободной воды увеличивается, а качество раствора ухудшается.
Стабильность непосредственно характеризует устойчивость системы. Определяется по разности плотности раствора в нижней и верхней части цилиндра после суточной выдержки в покое, определяется в кг/м
3
. Если разность плотностей для нормальных и утяжеленных растворов не превышает соответственно 20 кг/м
3
и 60 кг/м
3
, то растворы считаются стабильными.
Кинетическая устойчивость