CC BY
447
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУРОВЫХ
РАСТВОРОВ
Яровой Иван Анатольевич
студент, Астраханский государственный политехнический колледж, г. Астрахань
E-mail: baron_30rus@mail. ru Кузнецова Марина Ивановна
преподаватель специальных дисциплин, Астраханский государственный
политехнический колледж, г. Астрахань E-mail: marina. kuznesova@yandex. ru
IMPROVEMENT TECHNOLOGY OF PREPARATION BORING SOLUTIONS
Ivan Anatolyevich
Student of Astrakhan State Polytechnical College, Astrakhan
Marina Kuzneysova
Teacher of special disciplines of Astrakhan State Polytechnical College, Astrakhan
АННОТАЦИЯ
Разработка совершенных технологий приготовления буровых растворов, является основополагающей успешного проведения буровых работ. Выбор оптимально подходящего для данных условий бурового раствора, является основной задачей и целью бурильщика. Совершенствование технологии приготовления растворов является необходимой для рационализации технологического процесса бурения скважин.
ABSTRACT
Development of perfect technologies of preparation boring solutions, is fundamental successful carrying out drilling operations. The choice of boring solution optimum suitable for these conditions, is the main objective and the purpose of the driller. Improvement of technology of preparation of solutions is necessary for rationalization of technological process of drilling of wells.
Ключевые слова: технология; буровой раствор; свойства Keywords: technology; boring solution; properties
Буровые растворы появились как важный элемент в процессе строительства скважин еще в XIX веке. Для заполнения и промывки скважин использовалась вода и получающийся естественным путем глинистый раствор. В последующем раствор стали специально готовить из глины, добываемой на поверхности. Специалистами было установлено, что продуктивность вскрываемых нефтяных пластов в значительной степени зависит от качества применяемых буровых растворов. Технологические показатели бурения на нефть во многом зависят от состава и свойств буровых растворов, которые должны обеспечить безопасность и безаварийность ведения работ при высокой скорости бурения и качественном вскрытии продуктивного пласта. Применение буровых растворов с регулируемыми свойствами требует значительных средств с целью экономии затрат времени на работы, связанные с авариями, осложнениями, проработками и промывками, длительностью и результатами освоения.
Правильно подобранный и качественно приготовленный буровой раствор является основополагающей успешного проведения процесса бурения. Известно, что в зависимости от геологических условий и технических особенностей проходки скважины буровые растворы подразделяются на несколько типов.
Рассмотрим буровые растворы на водной основе, к ним относятся:
• Недиспергированные буровые растворы — к ним относятся естественные буровые растворы, образующиеся в процессе бурения используются для неглубоких скважин или на начальном этапе бурения.
• Диспергированные буровые растворы — применяются на больших глубинах, где требуется высокая плотность бурового раствора. В сложных условиях диспергированные буровые растворы используются с добавлением лигносульфатов, лигнитов и танинов. Эти и аналогичные составы являются эффективными дефлокулянтами и используются для уменьшения фильтрации. Для более эффективного ингибирования сланцев часто используются химические составы, содержащие калий.
• Буровые растворы активированные кальцием — применяют для предотвращения разрушения пласта, задерживают образование глин и вспучивание сланцев
• Высокоэффективные водные буровые растворы — повышают стабильность сланцев, глин и ослабления ингибирования, вязкости, предотвращают налипание породы на долото и его прокручивание.
• Буровые растворы с низким содержанием твердых примесей — объем твердых примесей не превышает 6—10 %, объем сланцев и примесей составляет 3 % и менее, коэффициент содержания отбуренных твердых частиц к бентониту 2:1 или менее. Такие растворы повышают скорость проходки.
• Полимерные буровые растворы — недеспергирующий полимер КО/полиакриламид, высокотемпературный полимер, соленасыщенный полимер, буровой раствор на основе смешанных солей. Используются различные полимеры, такие как целлюлоза, крахмал, природные продукты, например смолы. Находят универсальное применение в пресной воде, морской воде или минерализованной воде.
• Буровые растворы на основе соленой (минерализованной воды), аттапульгитовые буровые растворы, сепиолитовые буровые растворы — для приготовления применяется пресная вода, морская вода или соленасыщенная вода. Используют при бурении солевых образований. Сепиолитовые буровые растворы применяются в геотермальных скважинах, т. е. в скважинах с высокими температурами.
Из буровых растворов на водной основе широко используют глинистые растворы, представляющие собой коллоидно-суспензионную систему, состоящую из глины, воды и частиц выбуренной породы. Глинистые растворы приготавливают в основном из глинопорошков. Достоинствами глинистых растворов являются: удержание шлама во взвешенном состоянии при остановке циркуляции; образование глинистой корки на стенках скважины, ограничивающей фильтрацию
раствора в проницаемые пласты; высокое качество вскрытия продуктивного пласта; оперативное регулирование гидростатического давления в скважине путем изменения плотности бурового раствора; предупреждение поглощения, снижение его интенсивности или ликвидации; качественное проведение геофизических исследований.
К недостаткам глинистых растворов можно отнести прихваты бурильной колонны и приборов; снижение естественной проницаемости продуктивных горизонтов за счет проникновения глинистых частиц и фильтрата; большие затраты химических реагентов на приготовление растворов; низкие показатели бурения; ухудшение качества цементирования обсадных колонн при образовании толстой и рыхлой глинистой корки и др.
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 Ca(OH)2. Такой раствор сохраняет свои структурно-механические свойства, поэтому его применение обеспечивает высокую устойчивость стенок скважины.
К другим типам неглинистых буровых растворов является биополимерный раствор, который получают при воздействии некоторых штаммов бактерий на полисахариды. Раствор оказывает флоккулирующее воздействие на шлам выбуренных пород, предупреждая образование суспензии. Недостатком их применения является относительно высокая стоимость.
Буровые растворы на углеводородной основе — представляют собой многофазные системы, в которых дисперсионной средой являются нефтепродукты, а дисперсной фазой — битумы, твердые дисперсные наполнители, эмульгированная вода. Подразделяются на буровые растворы на углеводородной основе и инвертные эмульсионные буровые растворы (дизель или низкотоксичная
сырая нефть). Данные буровые растворы используют для бурения в осложненных условиях, а главным образом для вскрытия продуктивных пластов. Кроме этого имеют специальное применение для участка сланцев или участка солей и в скважинах с большим углом отклонения.
В инвертном эмульсионном буровом растворе дисперсионной средой является эмульсия типа «вода в нефти», а дисперсной фазой — глина. Буровой раствор, приготовленный на основе эмульсии типа «вода в нефти», называется обращенным эмульсионным или инвертной эмульсией, присутствие компонента в виде мельчайших капелек нефтепродукта. В зависимости от заданных параметров количество нефтяных компонентов может колебаться от 8—50 %. Однако содержание воды в инвертной эмульсии может быть доведено до 80 % и выше, если в нее ввести специальные эмульгаторы. Эмульсионные буровые растворы обладают хорошими смазочными свойствами и способствуют предупреждению прихвата инструмента в скважине.
В последнее время существуют множество различных методов приготовления эмульсионного бурового раствора, техническим результатом которых является повышение эффективности обработки эмульсионного бурового раствора, то есть улучшение структурно-реологических, фильтрационных и смазывающих характеристик. Эмульсионные глинистые растворы можно приготовлять из самых различных исходных глинистых растворов. В качестве эмульгаторов используют крахмал, натриевую карбоксиметилцеллюлозу, бентонит, лигниты, натриевые, калиевые и алюминиевые соли высших жирных кислот и другие вещества. У большинства глинистых растворов эмульгатором является само глинистое вещество, поэтому эмульсия может образоваться и без давления специального эмульгатора. Однако в этих случаях периодическое добавление эмульгаторов необходимо для получения более устойчивой эмульсии.
Буровые растворы на нефтяной основе готовятся только из нефти в жидкой фазе и используются для удаления воды. Дисперсионная среда — нефтепродукты,
дисперсная фаза — битумы, твердые дисперсные наполнители, эмульгированная вода. В растворах на нефтяной основе содержание эмульгированной воды может доходить до 95 %. Одним из основных преимуществ растворов на нефтяной основе: незначительная фильтрация через пористые породы; возможность бурения в неустойчивых, набухающих или расширяющихся в водной среде породах; предотвращается залипание; предотвращение сальникообразований и прихватов инструмента. К недостатками можно отнести: высокую стоимость, легкая воспламеняемость; невозможность проведения электрокаротажа; сложность приготовления и регулирования структурно-реологических свойств; оказывает отрицательное влияние на резиновые детали.
Приготовление буровых растворов с использованием газообразных рабочих агентов: воздуха, природных и выхлопных газов, продуктов горения, аэрированные буровые растворы и пены — предназначены для определенного типа работ, используется в специальных очень редких случаях, например при бурении кавернозных известняков и твердых горных пород. Воздух используется при сухом бурении (очистке забоя воздухом при нагнетании сухого воздуха или газа в скважину) для достижения скоростей вращения, при которых будет осуществляться удаление отбуренных частиц. Пар используется при бурении с использльзованием туманообразующих агентов, которые вместе с пенным составом нагнетаются в воздушный поток, затем смешиваются с промысловой водой и частицами грунта для предотвращения утолщенной глинистой корки и удаления отбуренных частиц. Для приготовления высокопроизводительной пены используются пенные ПАВ, глины и полимеры. Аэрированные флюиды, насыщенные воздухом, снижающие гидростатическое давление, используют для удаления отбуренных частиц из скважины.
Известно, что отработанные буровые растворы, особенно на углеводородной основе, соленасыщенные буровые растворы отрицательно действуют на окружающую среду загрязняются недра, почвы и водные объекты. Поэтому в
последнее время встречаются предложения приготовления буровых растворов с использованием пищевого сырья, приготовленный таким способом буровой раствор значительно снижает затраты на технологию получения, упрощает способ изготовления и экологическую обстановку окружающей среды.
Затрагивая технологию приготовления буровых растворов нельзя оставить без внимания о видах и функциях добавок к буровым растворам. Рассмотрим наиболее применяемые добавки к буровым растворам:
• эмульгаторы — (жирные кислоты и химические составы для нефтяных буровых растворов и моющих составов на основе амина, различные мыла, органические кислоты, а также водные ПАВ для водных буровых растворов), при использовании эмульгаторов образуется гетерогенная смесь (эмульсия) двух нерастворимых жидкостей. Эмульгаторы могут быть отрицательными или положительными химическими реагентами, в зависимости от применения;
• реагенты — стабилизаторы (пептизаторы) — представителями этой группы являются щелочные соли лингосульфоновых и гуминовых кислот, мыла нафтеновых и сульфонафтеновых кислот, танниды — дубильные экстракты в щелочном растворе. Эти вещества пептизируют агрегаты глин до первичных частиц и препятствуют их коагуляции, при этом снижается водоотдача растворов.
• поверхностно-активные вещества — снижают межфазное натяжение между контактирующими поверхностями (вода/нефть, вода/твердые примеси, вода/воздух). Это могут быть эмульсии, деэмульсии, увлажняющие агенты, флоккулянты и дефлоккулянты в зависимости от контактирующих сред. Эти продукты повышают геологическую и фильтрационную стабильность буровых растворов, подвергающихся воздействию высоких температур, обеспечивая, таким образом, благоприятные условия для продолжения бурения. Для этого используются различные химические составы, такие как акриловые полимеры, сульфонатные полимеры и сополимеры (лигносульфаты и присадки на основе танина).
• загустители — для повышения вязкости используется бентонит, КМЦ, аттапульгитовые глины и полимеры, они применяются для очищения скважины.
• реагенты-структурообразователи — (кальцинированная сода, едкий натр, силикат натрия (жидкое стекло) и некоторые фосфаты), присутствие этих компонентов в малых концентрациях (до 0,2 %) снижает водоотдачу растворов и вязкость. При больших количествах происходит коагуляция и резкое загустивание раствора.
• глины и утяжелители — (барит, оксиды железа, карбонат кальция,
-5
аттапульгит, бентонит и др. повышают плотность до 2400 кг/м ), используют для контроля пластового давления, предупреждения осложнений, связанных с нарушением целостности ствола скважины и нефтегазопроявлениями. Утяжелители низкой плотности (мел, известняк, мергели и др.), способны довести
-5
плотность раствора до 1700 кг/м , из-за низкой плотности их приходится вводить в больших количествах, что снижает эффективность бурения. Более эффективным утяжелителем является барит, магнетит, гематит имеющие собственную плотность
-5
4400—5300 кг/м . Наилучшим утяжелителем является барит, так как обладает высокой абразивностью. В отдельных случаях используют утяжелители более
-5
высокой плотности 6000 кг/м3 (ферросилиций, ферромарганец, свинцовый сурик);
• ингибиторы коррозии — используют для контроля уровня рН, нейтрализации воздействия опасных кислотных газов и удаления парафиновых отложений;
• смазывающие составы — (различные синтетические жидкости, нефтяные суспензии, графиты, ПАВы, гликоли и глицерины и др.), предназначены для снижения трения, уменьшения крутящего момента и сопротивления;
• флоккулянты — (соль или соляные растворы, гидроокись кальция, природный гипс, кальцинированная сода, бикарбонат соды и др.), используются для повышения вязкости, улучшения качества очистки скважины, повышения текучести бентонита, очистки и обезвоживания составов с низким содержанием
твердых примесей;
• противопенные присадки — снижают пенообразование в буровых растворах на основе солоноватой и морской воды;
• пенные агенты — химические составы, которые являются ПАВ, используются для получения пены. С помощью этих агентов можно осуществлять бурение с продувкой воздухом или газом через водоносный пласт;
• гидратные супрессивные вещества — относятся присадки на основе спиртов для использования в глубоководных условиях или холодных водах;
• восстановитель фильтрации — (бентонитовая глина, КМЦ, полиакрилат и пептизированный крахмал), используют для снижения фильтрации и изменения свойств жидких буровых растворов для прохождения их через фильтровальную корку в пласт;
• бактерицидные составы — используются для предотвращения ухудшения свойств натуральных органических присадок, таких как крахмал и ксантановые смолы;
• полимерные реагенты — (полиэлектролиты, имеющие различные функциональные группы, различные модификации целлюлозы, производные акриловых полимеров, биополимеры, сополимеры), применяются с целью минимизации расходования материалов и химических реагентов на приготовление и регулирование показателей растворов. Свойство полимеров это селективное флоккулирующее действие по отношению к дисперсной фазе, к выбуренной породе, смазывающая и ингибирующая способности, а также возможность регулирования фильтрационных свойств.
Комплексное использование добавок к буровым раствором обеспечивает улучшение реологических, технологических показателей бурового раствора, а как результат качественное проведение буровых работ. Рассмотрим, например, технологию приготовления бурового раствора на неводной основе с использованием различных добавок и как при этом меняются его свойства.
Дисперсионной средой бурового раствора на неводной основе являются нефтяные продукты они имеют в составе от 10 до 25 % битума, до 1,5 % едкого натра и 1,5 % воды, остальное дистиллятный нефтепродукт и дизельное топливо, стабилизированный натриевым мылом окисленного парафина или натриевым мылом окисленного петролатума. Добавление в систему органических кислот разжижает раствор, а добавление щелочи увеличивает вязкость. Процесс приготовления заключается в растворении битума и стабилизатора в дисперсионной среде. Для эмульгирования вводимых в глинистый раствор нефтяных компонентов применяются диспергаторы различных конструкций. Добавлением утяжелителей в буровой раствор плотность его может быть доведена с 900 кг/м3 до 2500 кг/м3.
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что виды, свойства и технологии приготовления буровых растворов многообразны, поэтому основной задачей при выборе технологии приготовления параметров бурового раствора это правильный подбор состава и свойств к геологическим и технологическим особенностям скважины. Применение буровых растворов должны обеспечить безопасность и безаварийность ведения работ при высокой скорости бурения, качественное вскрытие продуктивного пласта, не оказывать вредного воздействия на бурильный инструмент и забойные двигатели, должны легко прокачиваться и очищаться от шлама и газа, быть безопасным для персонала и окружающей среды, быть недорогим и допускать возможность многократного использования. Выполнение всех этих требований залог успешного бурения скважин.
Список литературы:
1. Ананьев А.Н. Учебное пособие для инженеров по буровым растворам: под ред.
А.И. Пенькова, изд. 1-е, В.; Интернэшнл Касп Флюидз, 2000. —142 с.
2. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин: учебник для нач. проф.
образования. М.: Издательский центр «Академия», 2003.— 352 с.
ISB№ 5-7695-1119-2.
