Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Очистка забоя скважины от продуктов разрушения Горных пород и вынос их на поверхность

В Процессе бурения горные породы на забое скважины раз­рушаются с образованием частиц различных размеров. Эти час­тицы называют также шламом. Размер частиц зависит от спо­соба бурения, вида породоразрушающего инструмента, твердо­сти породы, количества и качества промывочной жидкости.

Вся выбуренная порода сразу же должна удаляться с забоя и из ствола скважины. Даже небольшое количество частиц, ос­тавшихся на забое, снижает скорость бурения, так как происхо­дит дополнительное измельчение уже выбуренной породы и, кроме того, излишне изнашивается породоразрушающий инстру­мент. Мелкие частицы переходят в промывочную жидкость в ка­честве активной твердой фазы, увеличивая плотность и вязкость жидкости, ухудшая ее качество.

Качество очистки забоя скважины зависит от степени турбулизации жидкости в призабойной зоне, что, в свою очередь, за­висит от вида, свойств и количества промывочной жидкости. Чем выше степень турбулизации, тем лучше и быстрее очищает­ся забой скважины от выбуренной породы. На характер течения жидкости в призабойной зоне скважины существенно влияет вращение бурового снаряда, а также конструкция и расположе­ние промывочных окон в породоразрушающем инструменте. Влияние каждого фактора можно оценить, выполнив соответст­вующие гидравлические расчеты.

После удаления с забоя скважины выбуренная порода долж­на быть вынесена на поверхность. Накопление ее в стволе сква­жины приводит к повышенному износу бурильного инструмента и может вызвать сальникообразование (осаждение частиц поро­ды на соединениях бурильных труб в виде массивных хлопьев) и прихват труб.

Полный вынос частиц обеспечивается при условии, что их скорость падения в жидкости под действием силы тяжести меньше, чем скорость подъема жидкости. Скорость падения частиц уменьшается с ростом вязкостных свойств и плотности промы­вочной жидкости. Однако увеличение указанных параметров приводит к ухудшению условий очистки забоя, росту гидравли­ческих сопротивлений в циркуляционной системе скважины. Ско­рость падения частиц зависит и от их формы. Частицы плоской формы падают медленнее, чем шарообразные. Так как форма частиц выбуренной породы не регулируется, полный вынос час­тиц достигается в основном регулированием скорости восходя­щего потока промывочной жидкости.

Охлаждение породоразрушающего инструмента и бурильных труб

В Процессе бурения происходит нагрев породоразрушающего инструмента за счет совершаемой на забое механической рабо­ты. По данным Л. А. Шрейнера, физический к. п. д. разруше­ния породы при бурении не превышает 0,01%, поэтому основной объем механической энергии переходит в тепловую. Промывоч­ная жидкость, омывая породоразрушающий инструмент, в ре­зультате конвективного обмена отводит тепло. Эффективность охлаждения зависит от расхода промывочной жидкости, ее теплофизических свойств и начальной температуры, а также от размеров и конструктивных особенностей породоразрушающего инструмента.

Промывочная жидкость охлаждает и бурильные трубы, на­гревающиеся вследствие трения о стенки скважины, а также уменьшает их износ.

Промывочные жидкости обладают относительно высокой теплоемкостью, поэтому функция охлаждения выполняется даже при небольших расходах их.

Удержание частиц выбуренной породы Во взвешенном состоянии

Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном со­стоянии в промывочной жидкости, находящейся в скважине, не­обходимо для предотвращения прихватов бурильного инструмен­та при прекращении циркуляции. Для выполнения этой функции промывочная жидкость должна обладать тиксотропными свойст­вами, превращаться при отсутствии движения в гель с образо­ванием структуры, обладающей некоторой прочностью. Проч­ность структуры ее оценивается величиной статического напря­жения сдвига.

Удельный вес породы γп больше удельного веса промывочной жидкостиγЖ. В силу этого частица стремится падать вниз, и в жидкости, окружающей частицу, возникают касательные напря­жения:

τ=G/S, (II.1)

Где G — Вес частицы в растворе; S — площадь поверхности час­тицы.

Сила сопротивления промывочной жидкости движению части­цы вниз, приходящаяся на единицу площади, есть не что иное, как статическое напряжение сдвига 9.

Площадь поверхности частицы

Формула (II.1) после подстановки составляющих будет иметь вид

Для упрощения рассуждений примем частицу шарообразной формы с диаметром шара D. Тогда вес частицы в промывочной жидкости

В реальных условиях для предупреждения осаждения частиц напряжения на поверхности частицы при ее движении должны превосходить θ, что учитывается коэффициентом Т. По экспе­риментальным данным АзНИИ, значение Т Зависит от размера частиц и с ростом их диаметра увеличивается. При диаметре частицы до 2 мм m = 2,5÷З.

Тогда формула (П.4) будет иметь вид

Частицы выбуренной породы могут иметь самую различную форму, но с точки зрения удержания их во взвешенном состоя­нии круглая форма —самая неблагоприятная.

Из выражения (II.5) получим предельный размер частицы, не тонущей в растворе,

Из уравнения (II.5) можно определить требуемую величину статического напряжения сдвига, которая обеспечит удержание выбуренной породы во взвешенном состоянии.

Физико-химическое воздействие на разрушаемые Горные породы

Промывочная жидкость должна облегчать процесс разруше­ния горных пород на забое скважины. Активное воздействие ее обусловлено главным образом размывающим действием и пони­жением твердости горных пород в присутствии поверхностно-активных веществ, находящихся в растворе. Размыв горных по­род происходит за счет кинетической энергии потока промывочной жидкости на выходе из бурового снаряда. Эффект усиливается путем подбора площади сечения и мест расположения каналов, через которые жидкость выходит на забой скважины. Эта функция промывочной жидкости наиболее эффективна в породах рыхлого комплекса.

Рис. 8. Развитие зон предразрушения при воздействии различных промы­вочных жидкостей:1 — малоактивная жидкость; 2 — Активная жидкость; 3 — Зоны предразрушения

Вследствие некоторых осо­бенностей строения горных по­род при использовании промы­вочных жидкостей в процессе бурения уменьшается проч­ность пород на забое скважи­ны. Общеизвестно, что проч­ность породы рыхлого комп­лекса при смачивании умень­шается. При бурении крепких пород с промывкой также сни­жается их прочность, но сущ­ность явления здесь иная.

Все реальные твердые тела, как отдельные кристаллы, так и поликристаллические агрегаты, содержат множество неоднородностей, начиная от дефектов или слабых мест в структуре кри­сталла и кончая микротрещинами различных размеров как в са­мих кристаллах, так и на их контактах. В процессе механиче­ского разрушения горных пород это приводит к образованию так называемой зоны предразрушения — зоны повышенной трещиноватости. Большая часть микротрещин при снятии нагруз­ки смыкается. В наиболее крупные трещины этой зоны прони­кает промывочная жидкость, препятствуя их смыканию. Однако в целом твердость горной породы, ее буримость в зоне предраз­рушения практически изменяются несущественно.

Активность промывочной жидкости может быть повышена путем небольших добавок к ней специальных веществ — пони­зителей твердости. Дисперсионная среда промывочной жидкости с понизителями твердости более интенсивно проникает по заро­дышевым микротрещинам в зоны предразрушеиия, образуя на поверхностях трещин адсорбционные пленки.

Можно выделить три основных действия, лежащие в основе механизма понижения твердости горных пород.

1. Экранирование сил сцепления, действующих между проти­воположными поверхностями зародышевых микрощелей посред­ством прослоек, образованных адсорбционными слоями.

2. Активное раздвигающее действие самих адсорбционных прослоек во всех тех наиболее узких участках клиновидных микрощелей, куда только эти прослойки могут проникать.

3. Затруднение смыкания зародышевых участков микроще­лей под влиянием адсорбционных слоев и сольватных пленок жидкости после снятия внешних усилий.

Зона предразрушения (рис. 8) в результате влияния понизи­телей твердости развивается весьма существенно, трещиноватость в ней возрастает, микротрещины становятся глубже, чис­ло их в единице объема увеличивается. Адсорбция ПАВ на по­верхностях микротрещин приводит к снижению свободной по­верхностной энергии тела и, как следствие, уменьшению необхо­димой для разрушения работы, повышению скорости бурения.

Эффективность действия понизителей твердости зависит от их химической природы и концентрации, от механических усло­вий разрушения и физико-химических свойств горных пород.

Сохранение устойчивости стенок скважины

Сохранение устойчивости стенок скважины — непременное условие нормального процесса бурения. Причина обрушения сте­нок— действие горного давления. Смачивание горных пород рыхлого комплекса в процессе бурения с промывкой резко уменьшает прочность стенок скважины и, следовательно, их ус­тойчивость. Чем дальше распространяется зона смачивания, тем интенсивнее идет процесс разрушения стенок. Этот процесс уси­ливается вследствие размывающего действия промывочной жид­кости, наличия в ней веществ, способствующих разрушению гор­ных пород.

Нежелательное изменение свойств пород устраняется подбо­ром рецептуры промывочной жидкости. В частности, в нее вво­дят компоненты, придающие ей крепящие свойства. Кроме того, ряд промывочных жидкостей содержит твердую фазу, которая, отлагаясь при фильтрации в порах и тонких трещинах, образует малопроницаемую для жидкой фазы корку. Такая корка, обла­дая определенной механической прочностью, связывает слабосцементированные частицы горных пород, замедляет или пол­ностью останавливает процесс дальнейшего распространения смоченной зоны вокруг ствола скважины.

Сохранению устойчивости стенок скважины способствует гидростатическое давление промывочной жидкости. Однако с его ростом увеличивается интенсивность проникновения промывоч­ной жидкости в горные породы, падает механическая скорость бурения. В этих условиях еще более повышается изолирующая и закрепляющая роль фильтрационной корки.

Большее значение гидростатическое давление промывочной жидкости приобретает при бурении трещиноватых пород, а так­же пород и минералов, обладающих свойством медленно выдав­ливаться в скважину под действием горного давления (например, соли: галит, карналлит и др.). Создание достаточно высокого гидростатического давления позволит сохранить устойчивость стенок скважины в таких условиях.

Сохранение проницаемости продуктивных горизонтов

Эта функция промывочной жидкости важна при разведоч­ном бурении скважин на жидкие и газообразные полезные ис­копаемые. Б таких скважинах обязательно проводятся исследо­вания по оценке запасов и возможных дебитов скважин. Часть скважин может впоследствии использоваться в качестве экс­плуатационных.

Так как в процессе фильтрации промывочных жидкостей на поверхности горных пород и в устьевых частях пор и трещин откладывается корка из частиц твердой фазы, продуктивность пласта в прискважинной зоне уменьшается. Это приводит к сни­жению дебита скважин, искажению подсчетов запасов, непра­вильной оценке проницаемости горных пород. Причем уменьше­ние проницаемости прискважинной зоны может оказаться не­обратимым. Во избежание отрицательного воздействия жидко­сти на продуктивный пласт корка должна легко разрушаться, а твердые частицы вымываться из каналов фильтрации. Это достигается подбором вида твердой фазы промывочной жидко­сти и введением специальных компонентов.

Создание гидростатического равновесия В системе пласт — Скважина

В процессе бурения скважина и вскрытый пласт образуют систему пласт — скважина. Промывочная жидкость давит на стенки скважины. Жидкости или газ, находящиеся в пласте, также давят на стенки скважины, но со стороны пласта. По­скольку жидкости соприкасаются друг с другом через каналы фильтрации, пронизывающие стенки скважины, пласт и сква­жина представляют собой сообщающиеся сосуды.

Если в процессе бурения давление в скважине больше плас­тового, будет наблюдаться уход промывочной жидкости в пласт — поглощение. Это приводит к различного рода осложне­ниям в процессе бурения: снижается уровень жидкости в сква­жине, что может вызвать обвалы стенок, теряется дорогостоя­щая промывочная жидкость; осложняется контроль за процес­сом промывки; загрязняются подземные воды.

Если пластовое давление больше гидростатического давления промывочной жидкости, возникает водопроявление — жидкость из скважины поступает на поверхность. Это также приводит к нежелательным последствиям: загрязняется прилегающая к скважине территория, резко ухудшается качество промывочной жидкости, что вызывает обрушение (или пучение) стенок сква­жин.

В процессе бурения давление жидкости в скважине изменя­ется: к гидростатическому добавляется давление, величина ко­торого зависит от выполняемых в скважине технологических операций. Поэтому возможны условия, когда при бурении поглощение периодически перемежается с водопроявлением, что также отрицательно сказывается на функциях промывочной жидкости.

Обеспечение равенства давлений в системе пласт — скважи­на в процессе бурения позволит избежать нежелательных ос­ложнений при вскрытии проницаемых горных пород.

Предохранение бурильного инструмента и оборудования От коррозии и абразивного износа

Коррозия бурильного инструмента и оборудования вызывает­ся в основном действием солей, а также кислорода воздуха, растворенных в промывочной жидкости. Реже коррозия проис­ходит под действием сероводорода, поступающего в промывоч­ную жидкость из горных пород.

Абразивный износ вызывается твердыми частицами, попа­дающими в промывочную жидкость либо при приготовлении, либо в процессе бурения. Совместное действие абразивного из­носа и коррозии усиливает процесс разрушения металла, при­водит к преждевременному выходу из строя инструмента и обо­рудования, поломкам и авариям. Поэтому при выборе промы­вочной жидкости необходимо учитывать ее коррозионную и аб­разивную активность. Коррозионную активность снижают вве­дением специальных добавок — ингибиторов коррозии. Для уменьшения абразивного износа промывочные жидкости следу­ет регулярно очищать на поверхности от твердых абразивных частиц.

Антивибрационные функции

При повышении частоты вращения бурильного инструмента наблюдается вибрация бурильных труб. Она приводит к полом­кам труб и породоразрушающего инструмента, преждевремен­ному износу буровых станков. Особенно актуально предупреж­дение вибрации при алмазном бурении, где высокая частота вращения породоразрушающего инструмента — главный резерв повышения механической скорости бурения.

Один из наиболее прогрессивных методов предупреждения вибрации бурового снаряда — придание промывочным жидко­стям виброгасящих свойств. Это достигается введением в них специальных органических или комбинированных добавок, в ре­зультате чего образуется эмульсия, обладающая смазочными свойствами. Промывочные жидкости с антивибрационными свойствами обеспечивают ряд дополнительных положительных эффектов: увеличение механической скорости, повышение стой­кости бурильных труб и породоразрушающего инструмента,, снижение затрат мощности на вращение колонны бурильных труб, снижение потерь напора при циркуляции.

Закупоривание каналов Ухода

Промывочная жидкость должна обладать закупоривающи­ми свойствами. Это достигается введением измельченных ве­ществ, получивших название наполнителей. Отлагаясь в сужени­ях трещин, частицы наполнителя создают каркас, на котором осаждается твердая фаза, формируя изоляционные тампоны. Постепенно такие тампоны смыкаются, образуя в поглощающем пласте вокруг скважины водонепроницаемую завесу.

Частицы наполнителя должны равномерно распределяться в жидкости, поэтому необходимо, чтобы жидкость обладала опре­деленной структурой, препятствующей осаждению наполнителя. Размеры частиц наполнителя и его концентрация не должны су­щественно ухудшать работу буровых насосов.

Перенос энергии от насосов К забойным механизмам

Для эффективной работы забойных механизмов (турбобу­ров, гидроударников, винтовых двигателей) требуется опреде­ленная энергия, которая переносится от бурового насоса, уста­новленного на поверхности, к забою скважины. Количество этой энергии определяется техническими характеристиками за­бойных механизмов и условиями бурения. Энергия, затрачивае­мая на привод бурового насоса, расходуется, кроме того, на преодоление гидравлических сопротивлений при циркуляции промывочной жидкости в скважине.

Технические возможности насосов ограничены, поэтому ко­личество подведенной к забойному двигателю энергии будет за­висеть от потерь напора при циркуляции промывочной жидко­сти. Потери зависят при прочих равных условиях от подачи на­соса и реологических свойств жидкости. Так как на подачу на­соса влияют геологические условия бурения и расход жидкости, требуемый для устойчивой работы забойного механизма в нуж­ном режиме, главным регулирующим фактором энергетических затрат остаются реологические свойства промывочной жидко­сти. Поэтому при использовании забойных механизмов стремят­ся максимально уменьшать реологические параметры промывоч­ных жидкостей, учитывая при этом и другие их функции.

Обеспечение проведения Геофизических исследований

При бурении разведочных скважин и по достижении проект­ной глубины обязательно проводится комплекс геофизических исследований, позволяющих уточнить геологический разрез и из­мерить ряд важных характеристик пласта. Эффективность та­ких исследований зависит от качества промывочной жидкости. Так, при повышенных реологических параметрах геофизические приборы могут зависать в скважине, в то время как бурильный инструмент опускается свободно. В отдельных случаях параметры промывочных жидкостей влияют и на показания приборов. Все эти обстоятельства должны учитываться при выборе качест­ва промывочной жидкости.

Сохранение теплового режима скважин В многолетнемерзлых породах

При бурении скважин в слабосвязанных многолетнемерзлых породах чрезвычайно важно предотвратить нагрев пород в при-скважинной зоне. Нарушение теплового режима (растепление) горных пород, слагающих стенки скважин, приводит к их обру­шению, образованию просадочной воронки в приустьевой части скважины с потерей устойчивости наземных сооружений, в уже обсаженных скважинах могут деформироваться и полностью разрушиться обсадные трубы.

В многолетнемерзлых породах промывочная жидкость долж­на иметь минимальную теплоемкость и теплопроводность. Темпе­ратура промывочной жидкости должна быть ниже температуры разбуриваемых пород, поэтому ее следует охлаждать, особенно в летнее время.

При бурении льдистых (насыщенных льдом) пород разру­шение льда, цементирующего породы, происходит и в промывоч­ных жидкостях, имеющих отрицательную температуру. В таких условиях особое значение приобретают режим промывки и мак­симально возможное сокращение времени контакта промывоч­ной жидкости с горными породами. Следует обеспечить режим течения промывочной жидкости, исключающий или уменьшаю­щий перемешивание в скважине пристенной части потока жид­кости со всем ее объемом. Это в свою очередь зависит от вида и свойств промывочной жидкости.

При выборе промывочной жидкости для бурения в многолет­немерзлых породах следует иметь ввиду, что при прекращении циркуляции возможно образование мерзлых пробок по стволу скважины, приводящее к прихватам бурильного инструмента.

Таким образом, функции, которые должна выполнять промы­вочная жидкость, предъявляют к ней ряд требований, которые нередко оказываются прямо противоположными. Так, при по­вышении гидростатического давления в скважине для предот­вращения обвалов и водопритоков ухудшаются условия разру­шения горных пород на забое скважины, снижается механиче­ская скорость бурения, ухудшается работа насосов. При умень­шении скорости движения промывочной жидкости в зазоре меж­ду керном и колонковой трубой с целью повышения выхода кер­на часто ухудшаются условия очистки забоя скважины от про­дуктов разрушения и в итоге снижается механическая скорость бурения.

Конечно, далеко не всегда промывочная жидкость должна выполнять все перечисленные функции и удовлетворять всем требованиям. Чаще особенности геологического разреза и физико-механические свойства горных пород в районе работ обуслов­ливают некоторые функции ‘промывочной жидкости как глав­ные, а остальные — как второстепенные, подчиненные. Соответ­ственно дифференцируются и требования. Поэтому в каждом районе разведочных работ промывочная жидкость подбирается с учетом конкретных геолого-технических условий бурения. Это, в свою очередь, определяет разнообразие существующих видов промывочных жидкостей, обусловливает необходимость разра­ботки новых рецептур и совершенствование уже используемых промывочных жидкостей.

Комментарии запрещены.