Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Качество глинистых растворов характеризуют следующие ве­личины:

1) плотность р, кг/м3, — отношение массы глинистого раство­ра к его объему. Различают кажущуюся р,^ и истинную р плотно­сти. Первая характеризует раствор, содержащий газообразную фазу, вторая — раствор без газовой фазы;

2) условная (кажущаяся) вязкость Ву, определяемая временем истечения из стандартной воронки определенного объема глини­стого раствора, с. Условная вязкость косвенно характеризует гид­равлическое сопротивление течению, т. е. подвижность бурового раствора;

3) структурная (пластическая) вязкость II — сила осложнен­ного трения между частицами твердой и жидкой фаз в глинистом растворе, Па с;

4) показатель фильтрации (водоотдача) Ф при нормальной тем­пературе, определяемый объемом жидкости, отфильтрованной за определенное время при пропускании бурового раствора через бумажный фильтр ограниченной площади, см3. Показатель филь­трации косвенно характеризует способность глинистого раствора отфильтровываться через стенки ствола скважины;

5) толщина образующейся при этом глинистой корки К, мм;

6) статическое напряжение сдвига (СНС) 0, определяемое минимальным касательным напряжением сдвига, при котором начинается разрушение структуры в покоящемся глинистом ра­створе, Па. СНС характеризует прочность тиксотропной структу­ры и интенсивность упрочнения во времени;

7) динамическое напряжение сдвига т0, косвенно характери­зующее прочностное сопротивление глинистого раствора тече­нию, Па;

8) концентрация посторонних твердых примесей (условно при­нимаемых за песок) Сп, определяемая отношением количества всех грубодисперсных частиц независимо от их происхождения к общему количеству бурового раствора, %. Она характеризует сте­пень загрязнения глинистого раствора;

9) содержание в глинистом растворе частиц породы, по своей природе не способных распускаться в воде, Соп — отмытый пе­сок, %;

10) стабильность 50, г/см3, и седиментация 5, %. Стабильность определяется разностью плотностей нижней и верхней частей от­стоявшегося в течение определенного времени глинистого раствора. Она косвенно характеризует способность раствора сохранять свою плотность. Седиментация определяется количеством дисперсной фазы, отделившейся от определенного объема глинистого раство­ра в результате гравитационного разделения его компонентов за определенное время. Седиментация косвенно характеризует ста­бильность глинистого раствора;

11) концентрация газа С0, %, определяемая объемом газа в единице объема глинистого раствора. Она характеризует степень Разгазирования или вспенивания глинистого раствора;

12) концентрация твердой фазы Ст, %, определяемая отноше­нием количества твердого вещества к общему объему глинистого Раствора;

Рис. 6.1. Ареометр АГ-ЗПП:

I — основная шкала; 2 — ведро для воды; 3 — стержень; 4 — поплавок; 5 — мерный стакан; 6 ~ съемный груз; 7 — крышка ведра

13)водородный показатель pH, харак­теризующий щелочность или КИСЛОТНОСТЬ! глинистого раствора в условных едини­цах;

7 14) смазочная способность глинисто­

го раствора;

=? 15) удельное электрическое сопротив­

ление р0, Ом ■ м;

16) концентрация коллоидных частиц -* Ск, %, определяемая орошением коли­чества частиц размером менее 2 мкм к общему количеству глинистого раствора. Она характеризует ак­тивную составляющую твердой фазы, наиболее влияющую на свой­ства бурового раствора;

17) температура /, °С.

Плотность бурового раствора определяют в лабораторных ус­ловиях при помощи пикномеров и весов рычажных — плотноме­ров, а на буровой — специальными ареометрами (АГ-ЗПП и др.). ( Ареометр АГ-ЗПП (рис. 6.1) состоит из мерного стакана 5, поплавка 4со стержнем 3 и съемного грузика 6. Стакан крепится к поплавку при помощи штифтов. На стержне имеется две шкалы: основная, по которой определяется плотность раствора, и попра — ‘ вочная, которая используется при применении минерализован­ной ВОДЫ. V

Основная шкала для удобства делится на две части: одна служит^ для измерения плотности от 900 до 1 700 кг/м3 (0,9… 1,7 г/см3), при этом на мерный стакан навинчивается грузик 6; вторая служит1 для измерения плотности от 1 600 до 2400 кг/м3 (1,6…2,4 г/см3) — при снятом грузике. Прибор поставляется в комплекте с ведерко*! для воды 2, в которое он погружается. Крышка 7 ведерка служит? пробоотборником для раствора.

Для измерения плотности бурового раствора при использова — ; нии обычной воды чистый и сухой стакан следует заполнить бу­ровым раствором, соединить с поплавком 4 поворотом последне­го до упора, тщательно обмыть снаружи и сделать отсчет по ос­новной шкале (по делению, до которого ареометр спустится в; воду). Если при измерении используется минерализованная вода, то сначала определяется поправка на плотность этой воды. Для

этого в мерный стакан ареометра необходимо налить воду, кото­рой заполнено ведро, стакан соединить с поплавком. Деление на поправочной шкале, до которого ареометр погрузится в воду, по­кажет величину поправки. Измеренная плотность бурового раствора будет равна сумме отсчетов, сделанных по основной и поправоч­ной шкалам. Например: показание поправочной шкалы 80 кг/м3 (0,08 г/см3), показание основной шкалы 1 280 кг/м3 (1,28 г/см3); плотность будет равна 1 280 + 80 = 1 360 кг/м3.

Точность прибора проверяется при использовании для измере­ния пресной воды с температурой (20±5)°С. Такая же вода нали­вается в ведерко; при этом плотность по ареометру должна быть равна (1000±50) кг/м3, или (1,00±0,05) г/см3, по двум парал­лельным измерениям. Достаточная точность прибора достигается изменением количества дроби в съемном грузике 6.

Истинная плотность глинистого раствора, содержащего газо­образные компоненты, определяется по формуле

р =

Ркаж

1-Со/100’

где С,) — концентрация газа, %.

Условная (кажущаяся) вязкость определяется стандартным вис­козиметром полевым (ВП).

Время вытекания определенного объема глинистого раствора из ВП характеризует вязкость раствора. Чем вязче раствор, тем больше времени потребуется для его вытекания.

.3

СП В-5 (рис. 6.2) состоит из воронки /, оканчивающейся труб­кой 2. Внутренний диаметр трубки составляет 5 мм, длина — 100 мм. В комплект вискозиметра входят мерная кружка 3 и сетка 4. Круж­ка разделена внутренней перегородкой на два отделения объемом 200 и 500 см3. Время истечения из вискозиметра 500 см3 воды со­ставляет 15 с и называется вод­ным числом вискозиметра.

и

Вязкость определяют следу­ющим образом. Воронку и круж-

500 см3

ш

200 см3

Рис. 6.2. Стандартный полевой вис­козиметр СП В-5:

/ —

воронка; 2 — трубка: 3 — мерная кружка: 4 — сетка

Рис. 6.3. Прибор ВМ-6 для опреде­ления показателя фильтрации:

/ — чашка для фильтра; 2 — кронш­тейн; 3 — винт; 4 — клапан; 5 — под­дон; 6 — решетка; 7 — фильтрацион­ный стакан; 8 — игла; 9 — цилиндр; 10 — груз-шкала; II — плунжер

ку промывают водой. На ворон­ку накладывают сетку для задер­жания на ней крупных частиц песка и комочков глины. В во­ронку через^етку, прикрыв I пальцем нижнее отверстие, на­ливают измерительной кружкой сначала 200 см3, а затем 500 см3 ’ промывочной жидкости. Изме­рительную кружку, предвари­тельно промытую водой, под­ставляют под воронку отделени­ем в 500 см3. Затем отнимают па­лец от нижнего отверстия труб­ки и по секундомеру засекают время. Время истечения промы­вочной жидкости в емкость кружки (до ее краев), измеряе­мое в секундах, характеризует, вязкость раствора. ;

При определении вязкости одним замером возможны ошибки* вследствие тиксотропных свойств раствора, поэтому для более’ точного замера необходимо одну и ту же порцию раствора про-, пускать через воронку до тех пор, пока показания не станут оди-< наковыми. Периодически следует проверять точность вискозимет-) ра путем проверки водного числа.

Структурную (пластическую) вязкость определяют, как прави­ло, в стационарных лабораториях при помощи ротационного вис-‘ козиметра.

Показатель фшьтрации (водоотдачи) бурового раствора в про-’ мысловых условиях определяют прибором ВМ-6 (рис. 6.3) по ме­тоду измерения уменьшения объема пробы раствора в процессе фильтрации.

Испытуемый раствор наливается в фильтрационный стакан 7с фильтром на решетке 6, закрытой клапаном 4. До его открытия фильтрация не может начаться. На фильтрационный стакан на­винчен цилиндр 9. В цилиндр 9 входит плунжер 11 с грузом-шка­лой Ю, создающим давление 0,1 МПа. Для установки шкалы при­бора на нуль и спуска масла из цилиндра после определения по­казателя фильтрации в нижней части цилиндра имеется отвер­стие, перекрываемое иглой 8. После создания давления открыва­ется клапан 4 и начинается фильтрация. Объем пробы раствора в фильтрационном стакане по мере фильтрации уменьшается на количество выделившегося фильтрата, и плунжер под действием груза соответственно опускается. Количество выделившегося фильт­рата определяют по перемещениям плунжера по шкале, граду­ированной в кубических сантиметрах.

Показатель фильтрации должен определяться при температуре не ниже 10°С, так как при низкой температуре фильтрация гли­нистого раствора уменьшается. К прибору прилагается комплект листков логарифмической бумаги (рис. 6.4). Так как зависимость показателя фильтрации от времени по логарифмической бумаге имеет вид прямой линии, достаточно замерить величину водоот­дачи через 3…5 мин и через 10… 15 мин, после чего измерения нужно прекратить. На логарифмической бумаге отмечают две точ­ки, соответствующие водоотдаче в указанные промежутки време­ни. Обе точки соединяют прямой линией. Пересечение этой ли­нии с линией, равной 30 мин, дает величину водоотдачи за это время. Благодаря такому методу ускоряется время определения во­доотдачи.

Ф, см3

В связи с возрастанием глубин бурения появилась необходимость определять показатель фильтрации глинистого раствора при высо-

Рис. 6.4. Расчет показателя фильтра­ции по логарифмической бумаге: 1 — время; ф — показатель фильтрации
ких температурах. Для этого используется фильтр-пресс ФП-200 который предназначен для термообработки и измерения статиче­ского и динамического показателей фильтрации. Фильтр-пресс — это сложная стационарная установка, поэтому определяют пока­затель фильтрации при повышенной температуре в лабораторных условиях.

Толщину глинистой корки измеряют двумя методами. При пер­вом методе вынутый из прибора для определения водоотдачи фильтр с коркой глины помешают на стеклянную пластинку и толщину корки измеряют при помощи линейки. Этим методом пользуются в полевых условиях.

В условиях стационарной лаборатории промывочных жидкостей для определения толщины корки используют прибор Вика. При­бор Вика (рис. 6.5) состоит из цилиндрического стержня /, сво­бодно перемещающегося во втулке 5 и укрепленного на станине 9. Ось стержня перпендикулярна к плите <?станины 9. Для закрепле­ния стержня на желаемой высоте служит пружинная защелка 6.

Рис. 6.6. Прибор СНС-2 для изме­рения статического напряжения сдвига:

/ — стальная проволока: 2 — указа­тель; 3 — цилиндр; 4 — стойка; 5 — вращающийся столик; 6 — хіектродвЦ — гатель с редуктором; 7 — стакан; 8 — трубка для зашиты проволоки: 9 — диск с калибровочной таблицей

Рис. 6.5. Прибор Вика для опреде­ления толщины фильтрационной корки: / — стержень; 2 — винт; 3 — указа­тель; 4 — шкала; 5 — втулка; 6 — за­щелка; 7 — наконечник-пестик Тет- майера; 8 — плита; 9 — станина

I л

I

На стержне укреплен указатель 3, а на станине — шкала 4 с деле­ниями от 0 до 40 мм. Положение указателя на стержне регулирует­ся стяжным винтом 2. В нижнюю часть стержня ввинчен на резьбе наконечник-пестик Тетмайера 7 диаметром 10 мм. Стеклянную пластинку с помешенным на ней фильтром с коркой глины кла­дут на плиту 8. Перед тем как произвести замер, указатель прибо­ра 3 устанавливают на нуль и затем, придерживая стержень ру­кой, измеряют толщину корки в шести точках во взаимно-пер — пендикулярных направлениях. По полученным шести замерам оп­ределяют среднюю толщину корки в миллиметрах.

Статическое напряжение сдвига определяют при помоши при­бора СНС-2 (рис. 6.6), основанного на измерении усилия, возни­кающего на поверхности цилиндра, погруженного в соосный мед­ленно вращающийся цилиндр, который заполнен испытуемым глинистым раствором,

В стакан 7 заливают 120 см3 предварительно хорошо переме­шанного глинистого раствора. При этом следят, чтобы уровень раствора в стакане совпадал с верхним основанием цилиндра 3 после его погружения в раствор. Нулевое деление диска с ка­либровочной таблицей 9 устанавливают напротив указателя 2. Затем раствор оставляют в покое на 1 мин, после чего включа­ют электродвигатель 6, который через передачу медленно вра­щает столик 5 и установленный на нем стакан 7 с глинистым раствором.

Вследствие взаимодействия между стенками цилиндра и жид­костью подвесной цилиндр 3 вращается вместе с жидкостью, а стальная проволока /, на которой подвешен цилиндр, закручива­ется и оказывает сопротивление его вращению. Когда сила сопро­тивления, стремящаяся вернуть проволоку в исходное положе­ние, станет равна предельному статическому напряжению сдви­га, умноженному на площадь соприкасающейся с жидкостью по­верхности цилиндра, наступит равновесие двух противоположно направленных сил и вращение цилиндра прекратится.

Структура раствора в результате перемещения частичек, при­легающих к поверхности цилиндра, несколько разрушается, и проволочка начинает раскручиваться, перемещая цилиндр в об­ратном направлении. В момент начала вращения цилиндра 3 в про­тивоположную сторону измерение считается законченным. Отсчет производится по шкале диска в градусах. После этого осторожно возвращают нуль шкалы диска к указателю. По истечении 10 мин по секундомеру производят второе измерение, чтобы определить тексотропию глинистого раствора. Каждое измерение от момента пУска электродвигателя до момента остановки подвесного цилин­дра не должно продолжаться более 1 мин, чему соответствует мак­симальный отсчет в 70°. Полученные в результате измерения по­казатели в градусах пересчитывают в Па (кг/см3) путем умноже-

Рис. 6.7. Металлический отстойник ОМ-2:

I — крышка; 2 — отверстие; 3 — сосуд; 4 — сменная пробирка

ния на соответствующей данной нити коэффици­ент, приведенный в паспорте, который прилагается к каждому прибору.

Динамическое напряжение сдвига определяется в стационарных лабораторных условиях при помощи ротационных вискозиметров.

Концентрацию посторонних твердых примесей (ус­ловно принимаемых за песок) определяют, исполь­зуя отстойники двух видов: металлический (ОМ-2) и стеклянный (мензурка Лысенко).

Металлический отстойник ОМ-2 (рис. 6.7) пред­ставляет собой цилиндрический сосуд 3, оканчивающийся внизу трубкой, внутри которой помещена градуированная сменная про­бирка 4 объемом 10 мл с ценой деления 0,1 мм. В верхней части I

TOC o "1-5" h z отстойника на уровне, соответствующем объему 500 мл, имеется!

отверстие для слива воды 2. На горловину сосуда надевается крышка >

/, которая служит одновременно для отмеривания бурового ра — |

створа (при заполнении ее до краев объем ее составляет 50 мл).

Стеклянная мензурка Лысенко устроена аналогично. Содержа­ние песка определяется следующим образом: отстойник запол­няется пресной водой примерно наполовину, туда же наливает­ся 50 мл бурового раствора, отмеренного крышкой. Остаток ра­створа смывается с крышки небольшими порциями воды в от­стойник, который следует держать в вертикальном положении. При­бор заполняется водой до тех пор, пока ее излишек не начнет вытекать из отверстия. После этого отстойник плотно закрывают крышкой и, повернув в горизонтальное положение, энергично взбалтывают в течение 50 с; при этом отверстие должно быть зак­рыто.

По окончании взбалтывания отстойник быстро ставят в верти­кальное положение и оставляют в покое на 1 мин (по секундоме­ру), после чего измеряют объем осадка в пробирке прибора. Для определения содержания отмытого песка воду с не осевшими ча­стицами сливают через край отстойника, а осадок свежими пор­циями воды переносят в фарфоровую чашку диаметром 120 мм. Через 1 …2 мин отстоявшуюся в ней воду сливают с осадка и на­ливают новую порцию воды, в которой осадок растирают резино­вой пробкой. Мутную воду сливают с осадка, повторяя отмывку, несколько раз до полного отмывания глинистых частиц. После этого

осадок смывают в отстойник небольшими порциями воды и из­меряют его объем так же, как и при определении общего содер­жания песка.

Общее содержание песка

П = 2 V;

содержание отмытого песка

ОП =2У„

где V, V, — соответственно объемы осадка и отмытого осадка, мл;

2 — коэффициент для выражения результата в %.

Стабмьность глинистого раствора определяют двумя метода­ми. При первом методе находят количество отделившейся от гли­нистого раствора воды в мерном цилиндре емкостью 100 см3 че­рез 24 ч. Этот метод называют суточным отстоем. При втором ме­тоде стабильность глинистого раствора определяют по разности плотностей глинистого раствора, залитого в верхнюю и нижнюю половины специального цилиндра емкостью 500 см3.

Стабильным считается тот раствор, у которого эта разница не превышает 0,02; для утяжеленных растворов эта разница должна быть не выше 0,06.

Показатель седиментации глинистого раствора 5, %, находят по формуле

5= 100 — Кс,

где 100 — вместимость мерного цилиндра, см3; — положение уровня раздела раствора после суточного отстоя, см3.

При бурении скважин необходимо знать, содержится ли в вы­ходящем из скважин глинистом растворе воздух или нефтяной газ.

Концентрацию газа в промывочной жидкости определяют с по­мощью приборов ВГ-1М и ПРГ-1. Принцип работы этих прибо­ров основан на свойстве газов сжижаться под действием избыточ­ного давления.

Прибор ВГ-1М разработан на основе прибора ВМ-6 (см. рис. 6.3). Отличие заключается в том, что плунжер у прибора ВГ-1М несколько длиннее и снабжен двумя шкалами: верхняя предназ­начена для измерения показателя фильтрации, нижняя — для содержания газа.

Концентрацию газа С0, %, определяют по формуле

С„ = 2(250 — Кгр),

Где 2 — множитель для получения результата, %; 250 — суммар­ный объем глинистого раствора с газом, см3; Кгр — объем глини­стого раствора после удаления газа, см3.

Водородный показатель pH (концентрация водородных ионов) является одной из характеристик глинистых растворов. В 1 л воды при 22 °С содержится 10~7 ионов водорода. Если дисперсионная среда раствора кислая, то концентрация ионов водорода будет больше 10-7 г-ион/л; если же дисперсионная среда щелочная, то концентрация ионов водорода будет меньше этой величины.

Если раствор слабой кислотности содержит водородных ионов 10-6 г-ион/л, то концентрация водородных ионов, обозначаемая индексом pH, будет равна 6, т. е. показателю степени с обратным знаком (при основании, равном 10). Регулированием pH в раство­ре можно увеличить его стабильность, увеличить скорость застуд­невания и т. д. В глинистых растворах тиксотропные свойства наи­более ярко проявляются при pH = 8… 10. Значение pH определяют либо колориметрическим методом (по окраске индикатора), либо электрическим методом. Сущность колориметрического метода зак­лючается в изменении цвета лакмусовой бумаги с красного на фиолетовый, а затем на синий по мере роста рЬ^от 5 до 9. Приме­нение колориметрического метода затруднительно вследствие не­прозрачности глинистых растворов. Точные измерения pH следует производить электрическим методом.

Остальные параметры глинистого раствора, такие как концен­трация твердой фазы, удельное электрическое сопротивление, кон­центрация коллоидных частиц и другие, определяются в стаци — , онарных лабораторных условиях и нужны, главным образом, для ; регулирования показателей промывочной жидкости при бурении, в сложных геологотехнических условиях.

Во всех буровых предприятиях (экспедициях) должен быть орга — : низован круглосуточный контроль за изменениями параметров промывочной жидкости в процессе бурения каждой скважины. Этот контроль организовывают и осуществляют специальные лабора­тории. В каждом Управлении буровых работ (УБР) (экспедиции), разведке, производящей одновременное бурение нескольких сква — * жин, имеется стационарная лаборатория. На лабораторию возла- , гаются следующие обязанности:

• определение качества применяемых глин, воды, реагентов, 1 утяжелителей, цементов;

• подбор рецептур бурового раствора, обеспечивающего нор — .

мальную проводку скважин; 1 —

• контроль за качеством бурового раствора и дача соответствУг. ■

юших практических указаний по его рецептуре. |

В ответственных буровых лабораториях ведется повахтенный контроль за качеством бурового раствора, а в остальных буровых ; лабораториях проверяется качество промывочной жидкости один раз в сутки. Пробы должны доставляться с буровых в закрытый ведерках емкостью 2,0…2,5 л. На ведерке должна быть бирка с указанием номера буровой, даты взятия пробы и глубины замера. ‘

Параметры промывочной жидкости, подлежащие контролю, подразделяются на три группы в зависимости от условий бурения:

1) параметры, контроль которых обязателен при бурении сква­жин в любых геолого-технических условиях. К таким параметрам относятся плотность, условная вязкость, статическое напряже­ние сдвига через I и 10 мин, показатель фильтрации, толщина фильтрационной корки и водородный показатель;

2) параметры, контроль которых обязателен на скважинах с особыми геолого-техническими условиями при наличии зон воз­можных осложнений или при применении специальных промы­вочных жидкостей (хлоркальциевых, известковых, гипсовых, ка­лиевых, эмульсионных и др.). Вторая группа включает в себя па­раметры первой группы, а также показатель минерализации, кон­центрацию ионов кальция, магния, калия, щелочных металлов, хлора, сульфата, концентрацию извести, газа, твердой фазы, кол­лоидных частиц, нефти, напряжения электропробоя;

3) параметры, контроль которых необходим для получения до­полнительной информации о свойствах промывочной жидкости (например, параметры при повышенных температурах и давлени­ях и т. д.). Третья группа включает в себя параметры первой и вто­рой групп, а также температуру промывочной жидкости, показа­тель фильтрации при повышенной температуре, статическое на­пряжение сдвига при повышенной температуре, динамическое на­пряжение сдвига, показатели стабильности и седиментации и т. д.

Для всех нефтяных районов Российской Федерации глинистые растворы, применяющиеся при нормальных (неосложненных) условиях бурения, должны иметь следующие параметры: вязкость по СП В-5 — на более 30 с; статическое напряжение сдвига через 1 мин — не более 5-10‘8 Н/м2 (50 мгс/см2); показатель фильтра­ции (водоотдача) — не более 10 см3 за 30 мин; концентрация посторонних твердых примесей (содержание песка) — до 1 %.

При бурении нефтяных и газовых скважин очень часто возни­кают всевозможные осложнения: поглощение бурового раствора, выбросы и нарушения целостности отвала скважин и др. Эти ос­ложнения не возникают обособленно — развитие одного из ос­ложнений может явиться фактором, способствующим появлению Других. Так, поглощение бурового раствора, сопровождающееся снижением гидростатического давления на стенки скважины, со­здает благоприятные условия для газонефтяных и водяных выбро­сов, а также обвалов или осыпей вышележащих пород (разновид­ность осложнений, связанных с нарушением целостности ствола

скважины).

При бурении в осложненных условиях изменяются требования к глинистому раствору. Он должен обладать качеством, позволяю­щим предотвратить возможные осложнения или ликвидировать и* в самом начале. Для предупреждения и борьбы с поглощения­ми промывочной жидкости глинистый раствор должен иметь ми — | нимальную плотность и обладать достаточными вязкостью, на­чальным напряжением сдвига и тиксотропностью. Одним из ос­новных мероприятий по предупреждению обвалов стенок сква­жины и газонефтепроявлений является своевременное увеличе­ние плотности глинистого раствора до необходимых размеров. Пе­речисленным требованиям обычный глинистый раствор, содер­жащий только воду и глину (даже коллоидную), не в состоянии удовлетворить. При бурении в осложненных условиях необходима 1 физико-химическая обработка глинистых растворов.

Комментарии запрещены.