ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН Текст научной статьи по специальности «Прочие естественные и точные науки»

УДК 622.276.75

МРНТИ 52.47.27

DOI 10.56525/RRNC4802

ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ

РАСТВОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН

*НУРШАХАНОВА Л.К.

Каспийский университет технологий

и инжиниринга имени Ш.Есенова

Актау, Казахстан

E-mail: lazzat.nurshakhanova@yu.edu.kz

МИРЗАЕВ Р.И.

Институт геологии

Национальной академии наук Азербайджана

Баку, Азербайджан

E-mail:rufat.mirzoyev@gmail.com

ЗАКЕНОВА А.С.

КНИИТУ им. К.И. Сатпаева

Алматы, Казахстан

E-mail: amina_zakenova@mail.ru

*Автор корреспондент: lazzat.nurshakhanova@yu.edu.kz

Аннотация. Важнейшей народно-хозяйственной задачей является снижение затрат на строительство скважин. Известно, что буровой раствор является одним из важнейших элементов при строительстве скважин, основной задачей которого остаётся очистка забоя и удаление из скважины частиц выбуренной породы. Важную роль при выполнении этой задачи играют реологические свойства. Их поддержание и оптимизация необходимы для: прогнозирования давлений, возникающих в циркуляционной системе скважины при бурении и проведении других технологических операций, подсчёта затрат энергии для промывки скважины, оптимизации гидравлических программ с целью увеличения технико-экономических показателей бурения и минимизации затрат энергии на промывку скважин.

Одним из основных условий, обеспечивающих безаварийную проводку скважин, является эффективность очистки ствола скважины, от чего зависит в свою очередь продолжительность и стоимость процесса бурения скважин, а также скорость проходки. Несовершенная очистка скважины приводит к накоплению шлама в стволе, и в связи с этим служит причиной возникновения серьезных проблем, приводящих к снижению технико-экономических показателей бурения.

Осуществление функций буровыми растворами возможно, если этот раствор отвечает конкретным требованиям и геологическим условиям, имея определенные структурно-механические и реологические свойства. В зависимости от условий бурения скважин, определяемых геологическими факторами, к растворам предъявляются различные требования.

В работе приведен анализ исследований влияния полимерных добавок с различными концентрациями на структурно-механические свойства буровых растворов.

Ключевые слова: Бурение; буровой раствор; скважина; полимер; реология; концентрация; фильтрация; технико-экономические показатели; структурно-механические свойства; реологические параметры; шламовая подушка.

Введение. Важность исследования направлено на создание трудо-, материало- и энергосберегаюшей технологии бурения скважин на уровне передовых достижений отечественной и зарубежной науки и практики, а также на разработку научных и технических основ для их широкой реализации.

При несовершенной очистке забоя там образуется так называемая «шламовая подушка», кото¬рая при подъеме бурильной колонны перемещается вместе с более широ-кой частью КНБК, и происходит закупоривание кольце¬вого пространства, сопровождающееся затяжками, которые могут привести к прихвату инструмента с полной потерей циркуляции.

Появление сальников в результате несовершенной очистки, в свою очередь, также приводит к прихватам бурильной колонны с потерей циркуляций, что, как правило, оказывает влияние на механическую скорость бурения, существенно снижая её, а также вызывает повышение давления на насосе и забое. Кроме того, скопление шлама в скважине приводит также к повышению крутящего момента.

Материалы и методы исследования. Основ¬ным условием выноса шлама при бурении вертикальной скважины является превышение скорости восхо¬дящего потока над скоростью оседания твердых частиц в используемом раст¬воре. Определить скорость оседания твердых частиц в жидкости можно с при¬ме¬нением известной формулы Стокса [1], согласно которой скорость оседания частицы в жидкости зависит от разности плотностей частицы и жидкости, размера частицы и вязкости жидкости.

Фактически при течении раствора со скоростью, равной значению, рассчитанному по формуле Стокса, твердая частица будет находиться в рав¬но¬весии, а превышение скорости раствора над полученным значением обеспечит транспорт шлама наверх. Однако эта формула справедлива при Re1.

Как отмечается в [1,2], наиболее лучших результатов расчёта скорости осаждения шлама можно добиться за счёт учёта реологии бурового раствора.

Как известно, зашламление забоя характеризуется рядом признаков. В то же время степень очистки забоя можно определить расчётным путём из условия достаточности скорости течения раствора в кольцевом пространстве для выноса шлама и обвальной породы. Как отмечается в литературе, в общем случае скорость раствора в кольцевом пространстве должна быть не ниже скорости осаждения шлама и обвальной породы. При этом минимально необходимая скорость раствора определяется, исходя из условия максимально допустимой концентрации шлама в буровом растворе, что в свою очередь связано с механической скоростью проходки [1,2].

Не приводя этих зависимостей в связи с тем, что в литературе имеются довольно-таки достаточные сведения, на которые достаточно сослаться, были рассчитаны скорости бурового раствора в кольцевом пространстве и значения расходов бурового раствора при различных вариантах концентраций полимеров и связанных с этим реологических характеристик, механических скоростей.

На рисунке 1 показано распределение расчётных значений отношения минимально необходимой скорости полимерного раствора в кольцевом пространстве к фактическому в зависимости от концентраций ПАА и КМЦ.

Область, расположенная правее от жирной линии, соответствует случаю, когда скорость восходящего потока превышает скорость, минимально необходимую для подъёма частиц породы.

Приведённые на рисунке 1 распределения позволяют выбрать соотношение концентраций ПАА, КМЦ для полимерного состава, необходимого при приготовлении буровых растворов в зависимости от геологических условий.

При бурении скважин в относительно устойчивых интервалах, разрез которых сложен малопроницаемыми породами, обычно применяются необработанные глинистые растворы на пресной воде. Очень часто при потере устойчивости стенок скважин и при наличии в разрезе высокопроницаемых пластов, возникает необходимость химической обработки.

При этом известно, что технологические параметры растворов поддерживаются с помощью различных химических реагентов. Как отмечалось выше, необходимые свойства буровых растворов в зависимости от геологических условий проводки скважин могут быть обеспечены путём регулирования составов реагентов, используемых при их приготовлении.

Результаты исследования. По результатам моделирования свойств полимерных растворов представляется возможным выбор соотношения концентраций ПАА, КМЦ с целью использования в качестве добавки к буровым растворам. Отмеченные результаты позволяют получить на этой основе реагент с различными в зависимости от геологических условий концентрациями входящих компонентов.

Представляет интерес изучение влияния данного реагента на изменение структурно-механических свойств буровых растворов. В связи с этим нами проводились исследования влияния полимерных добавок с различными концентрациями на структурно-механические свойства буровых растворов, приготовленных на бентонитовой глине. Результаты исследований представлены в таблице 1.

а) б)

Рисунок 1 - Распределение значений отношения минимально необходимой скорости раствора в кольцевом пространстве к фактическому в зависимости от концентраций ПАА и КМЦ

Таблица 1 - Влияние полимерной добавки на структурно-механические свойства полимер-глинистых растворов

№ Буровой

раствор Глина,

% Показатели структурно-механических свойств рН

Плотность,

кг/м3 Условная вязкость,

с Водоотда-ча,

см3/ 30 мин СНС

1,

Па 10,

Па

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 Исходный №1 11 1100 28 20 1,8 4,2 7,0

2 №1+0,2 % Полимерного реагента 30 15 2,1 5,0 7,2

3 №1+0,5 % Полимерного реагента 34 13 2,5 5,8 7,2

4 №1+1,0 % Полимерного реагента 38 8,0 3,8 7,5 7,5

5 №1+1,2 % Полимерного реагента -“- 45 7,3 4,6 8,7 7,7

6 №1+1,5 % Полимерного реагента -“- 50 6,8 5,4 9,6 7,8

7 №1+1,8 % Полимерного реагента -“- 54 5,5 6,2 10,8 7,8

8 №1+2,0 % Полимерного реагента -“- 62 4,0 7,5 12,5 8,2

9 Исходный №2 20 1250 32 18 3,4 4,8 7,0

10 №2+0,2 % Полимерного реагента -“- 34 15 4,2 6,4 7,2

11 №2+0,5 % Полимерного реагента -“- 42 12 4,8 7,2 7,3

12 №2+1,0 % Полимерного реагента -“- 50 7,0 6,8 9,0 7,5

13 №2+1,5 % Полимерного реагента -“- 55 6,3 8,0 11,5 7,7

14 №2+1,8 % Полимерного реагента -“- 63 5,0 9,5 12,8 7,8

15 №2+2,0 % Полимерного реагента -“- 74 3,8 11,5 15,0 8,2

Как видно из таблицы 1, с ростом концентрации реагентов ус¬лов¬ная вязкость и статическое напряжение сдвига исследуемых растворов уве¬ли¬чиваются, а значения показателя фильтрации снижаются. Известно, что подобные явления также наблюдаются при обработке растворов такими реагентами - стабилизаторами, как КМЦ, акриловые полимеры и др. [3-5]. Темп роста условной вязкости и статического напряжения сдвига с ростом плот¬¬ности и концентрации реагента для растворов увеличивается.

Например, при добавке к исходному буровому раствору плотностью 1100 кг/м3 полимерного реагента концентрацией 0,2 % условная вязкость раствора равна 30 с, а при добавке - 2,0 % условная вязкость раствора равна 62 с, т.е. условная вязкость увеличилась в 2,06 раз, при плотности 1250 кг/м3 кратность изменения условной вязкости возросла до 2,18 раз, а при плотности 1300 кг/м3 – 2,21.

Повышение структурно-механических характеристик с ростом концентрации в пресных глинистых растворах, по-видимому, можно объяснить следующим образом. В буровых растворах, являющихся многокомпонентными фазово-неоднородными системами, большую роль играет своеобразная форма сопряженного (смешанного) структурообразования, в свое время установленная П.А. Ребиндером [1,6-9].

Структуры глинистых суспензий могут, например, усиливаться за счет структурообразования в растворах добавляемых реагентов. Эти структуры вызывают загущение буровых растворов, особенно, при передозировке реагентов, т.е. при увеличении их концентрации.

Другой причиной возникновения смешанных структур может быть образование новой высокодисперсной фазы, как это имеет место при утяжелении или при поступлении и дальнейшем диспергировании в промывочной жидкости выбуренной породы.

Присутствие частиц новой фазы уплотняет и упрочняет структурные сетки вследствие того, что они становятся центрами, узлами структурного каркаса и мостиками, сшивающими отдельные его элементы. В результате увеличивается число контактов, а сама структура становится более жесткой. Прочность сопряженной структуры выше суммы прочностей исходных структур и усиливается с концентрацией.

Что же касается показателя фильтрации, то он с ростом концентрации полимерных добавок в глинистых растворах медленно снижается. Однако снижение показателя фильтрации в рассмотренных растворах различной плотности проявляется по-разному.

Таким образом, обработка глинистых растворов полимерным реагентом позволяет получить необходимые технологические параметры и тем самым повысить эффективность их регулирования.

Заключение. Выполнены экспериментальные исследования по изучению влияния ПАА и КМЦ на величину напряжения сдвига с применением теории планирования экспериментов.

На основе статистического анализа построены математические модели влияния концентраций ПАА и КМЦ, а также скорости сдвига на напряжение сдвига.

На основе экспериментальных исследований на модели пористой среды исследован процесс фильтрации полимерного раствора через пористую среду с различной проницаемостью.

Выполнен сравнительный анализ реологических и структурно-механических характеристик буровых растворов и даны практические рекомендации по повышению эффективности процесса бурения.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. Агамалиева Ф.М. Разработка и регулирование составов буровых растворов и технология их применения при бурении глубоких скважин. Дисс. док. фил. Баку, 2012.

[2]. Гильмашин И.Г. Исследование причин снижения коэффициентов приемистости нагнетательных скважин, связанных с фильтрацией суспензий. Автореф. … канд. техн. наук, Москва, 1970. - 24 с.

[3]. Булатов А.И., Пеньков А.И., Проселков А.М. Справочник по промывке скважин. М., 1984. - 317 с.

[4]. Рязанов Я.А. Справочник по буровым растворам. М., 1979. - 215 с.

[5]. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур. Сб. науч. тр.,М., 1966. – 400 с.

[6]. Сухарев С.С. , Юсупов Ф.Ю. Физико-химические основы синтеза солестойких реагентов для обработки буровых растворов // В кн.: Крепление скважин, буровые растворы и предупреждение осложнений. Краснодар. 1970, с. 111-115.

[7]. Городнов В.Д., Тимохин И.М., Тесленко И.Н. и др. Химические реагенты и термосолеустойчивые буровые растворы. Ташкент, 1977. - 201 с.

[8]. Павловская А. В. Оценка эффективности использования новых буровых растворов в бурении нефтяных и газовых скважин. Ухта: УГТУ, 2009. – 43 с.

[9]. Абасов М.Т., Стреков А.С., Эфендиев Г.М. Повышение эффективности ограничения водопритоков в нефтяных скважинах. – Баку, «Nafta-Press», 2009. - 256 с.

REFERENCES

[1]. Agamalieva F.M. Development and regulation of drilling mud compositions and technology of their application in well drilling. Diss. doc. Phil. Baku, 2012. [in Russian]

[2]. Gilmashin I.G. Investigation of the reasons for the decrease in the injectivity coefficients of injection wells associated with the filtration of suspensions. Abstract cand. tech. Sciences, Moscow, 1970. - 24 p. [in Russian]

[3].Bulatov A.I., Penkov A.I., Proselkov A.M. Handbook of flushing wells. M.,1984.-317p. [in Russian]

[4]. Ryazanov Ya.A. Handbook of Drilling Fluids. M., 1979. - 215 p.

[5]. Rebinder P.A. Physico-chemical mechanics of dispersed structures. Collection of scientific tr., M., 1966. – 400 p. [in Russian]

[6]. Sukharev S.S. , Yusupov F.Yu. Physico-chemical bases of the synthesis of salt-resistant reagents for the treatment of drilling fluids // In the book: Fixing wells, drilling fluids and prevention of complications. Krasnodar. 1970, pp. 111-115.[in Russian]

[7]. Gorodnov V.D., Timokhin I.M., Teslenko I.N., etc. Chemical reagents and heat-resistant drilling fluids. Tashkent, 1977. - 201 p. [in Russian]

[8]. Pavlovskaya A.V. Evaluation of the efficiency of using new drilling fluids in drilling oil and gas wells. Ukhta: UGTU, 2009. – 43 p. [in Russian]

[9]. Abasov M.T., Strelkov A.S., Efendiev G.M. Improving the efficiency of limiting water flows in oil wells. – Baku, "Nafta-Press", 2009. - 256с. [in Russian]

Нұршаханова Ләззат Құлжанқызы

Ш. Есенов атындағы Каспий технологиялар және инжиниринг университеті,

Ақтау қ., Қазақстан

Мирзаев Руфат

Әзірбайжан Ұлттық Ғылым академиясының Геология институты,

Баку қ., Әзербайджан

Зәкенова Амина

Қ. И. Сәтбаев атындағыҚазақ ұлттық техникалық зерттеу университеті

Алматы қ, Қазахстан.

ПОЛИМЕРЛІ ЕРІТІНДІЛЕРДІҢ РЕОЛОГИЯЛЫҚ СИПАТТАМАЛАРЫНЫҢ ҰҢҒЫМАЛАРДЫ БҰРҒЫЛАУ ПРОЦЕСІНІҢ ТИІМДІЛІГІНЕ ӘСЕРІ

Аңдатпа. Ең маңызды халық шаруашылық міндеті – ұңғыма құрылысының құнын төмендету. Бұрғылау ерітіндісі ұңғымаларды салудағы ең маңызды элементтердің бірі болып табылатыны белгілі, оның негізгі міндеті ұңғыманы тазарту және ұңғымадан жарылған тау жыныстарының бөлшектерін жою болып табылады. Бұл тапсырмада реологиялық қасиеттер маңызды рөл атқарады. Оларды қолдау және оңтайландыру мыналар үшін қажет: бұрғылау және басқа да технологиялық операциялар кезінде ұңғыма айналымы жүйесінде пайда болатын қысымды болжау, ұңғымаларды жууға жұмсалатын энергия шығынын есептеу, бұрғылаудың техникалық-экономикалық көрсеткіштерін арттыру және энергияны барынша азайту мақсатында гидравликалық бағдарламаларды оңтайландыру, ұңғымаларды жууға арналған шығындар.

Ұңғымаларды ақаусыз бұрғылауды қамтамасыз етудің негізгі шарттарының бірі ұңғыма оқпанын тазалау тиімділігі болып табылады, бұл өз кезегінде бұрғылау процесінің ұзақтығы мен құнын, сонымен қатар ену жылдамдығын анықтайды. Ұңғымаларды жетілмей тазалау ұңғыма оқпанында шламдардың жиналуына әкеледі, сондықтан бұрғылаудың техникалық-экономикалық көрсеткіштерінің төмендеуіне әкелетін күрделі проблемаларды тудырады.

Бұрғылау ерітінділері арқылы функцияларды жүзеге асыру, егер бұл сұйықтық белгілі бір құрылымдық, механикалық және реологиялық қасиеттерге ие, нақты талаптарға және геологиялық жағдайларға сәйкес келсе мүмкін болады. Геологиялық факторлармен анықталатын ұңғымаларды бұрғылау шарттарына байланысты ерітінділерге әртүрлі талаптар қойылады.

Жұмыста әртүрлі концентрациясы бар полимерлі қоспалардың бұрғылау ерітінділерінің құрылымдық және механикалық қасиеттеріне әсерін зерттеулердің талдауы берілген.

Түйінді сөздер: Бұрғылау; бұрғылау ерітіндісі; ұңғыма; полимер; реология; концентрация; сүзу; техникалық-экономикалық көрсеткіштер; құрылымдық және механикалық қасиеттері; реологиялық көрсеткіштер; балшық жастығы.

Lyazzat Nurshakhanova

Sh.Yessenov Caspian state university of technology and engineering,

Аktau, Kazakhstan

Rufat Mirzoev

Institute of Geology of the National Academy of Sciences of Azerbaijan, Baku, Azerbaijan

Amina Zakenova

Kazakh National Research Technical University named after K. I. Satpayev

Almaty, Kazakhstan

INFLUENCE OF RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF POLYMER SOLUTIONS ON THE EFFICIENCY OF THE WELL DRILLING PROCESS

Abstract. The most important economic task is to reduce the cost of well construction. It is known that drilling mud is one of the most important elements in the construction of wells, the main task of which is to clean the bottom and remove drilled rock particles from the well. Rheological properties play an important role in this task. Their maintenance and optimization are necessary for: forecasting the pressures arising in the circulation system of the well during drilling and other technological operations, calculating energy costs for flushing the well, optimizing hydraulic programs in order to increase the technical and economic indicators of drilling and minimize energy costs for flushing wells.

One of the main conditions that ensure trouble-free wiring of wells is the efficiency of cleaning the wellbore, which in turn determines the duration and cost of the drilling process, as well as the rate of penetration. Imperfect cleaning of the well leads to the accumulation of sludge in the trunk, and therefore causes serious problems that lead to a decrease in the technical and economic indicators of drilling.

The implementation of functions by drilling fluids is possible if this solution meets specific requirements and geological conditions, having certain structural, mechanical and rheological properties. В зависимости от условий бурения скважин, определяемых геологическими факторами, к растворам предъявляются различные требования. Depending on the drilling conditions determined by geological factors, various requirements are imposed on the solutions.

The paper presents an analysis of studies of the influence of polymer additives with different concentrations on the structural and mechanical properties of drilling fluids.

Keywords: Drilling; drilling mud; borehole; polymer; rheology; concentration; filtration; technical and economic indicators; structural and mechanical properties; rheological parameters; slurry cushion.