Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Газожидкостные системы, используемые как очистные агенты, делятся на аэрированные жидкости, туманы и пены. Пены — это, как правило, многофазные дисперсные системы, где дисперсион­ной средой служит жидкость, а дисперсной фазой — газ, который составляет до 99 % объема системы; пузырьки газа разделены тонкими пленками воды и могут иметь форму многогранников. В аэрированных жидкостях концентрация газа значительно ниже, его пузырьки, имеющие сферическую форму, не контактируют между собой. Степень аэрации жидкости а’ определяется отноше­нием расходов газа и жидкости при атмосферном давлении, т. е. а’—Vо/У. При а’ ^ 50 дисперсная система — аэрированная жид­кость, при а’ = 50 — Ь 300 — пена, при а’> 300 — туман.

Существенные технологические достоинства систем жидкость — газ обусловливаются известными преимуществами входящих в них компонентов: присутствие газовой фазы способствует снижению в широком диапазоне гидростатического давления столба очи­стного агента, обеспечивает лучшие условия удаления из сква­жины бурового шлама и т. д.; жидкая фаза, содержащая поверх­ностно-активные вещества (ПАВ), химические реагенты (КМЦ, Гипан и др.), глинопорошок, смазывающие, ингибирующие, про- тивоморозные и прочие добавки, позволяющие управлять техно­логическими свойствами пен, определяет их высокую эффектив­ность в осложненных условиях.

Газожидкостные системы широко применяются при бурении скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископае­мые во многих странах мира в самых разнообразных геологиче­ских и горно-технических условиях [5, 23, 24, 31]. В настоящее время быстро распространяется применение пен, за счет чего резко сокращается частота осложнений, особенно прихватов буро­вого инструмента в скважине. Отмечаются снижение затрат энер­гии, расхода дизельного топлива до 30 °/о по сравнению с продув­кой скважин сжатым воздухом, а также почти вдвое меньшие эксплуатационные расходы при бурении по многолетнемерзлым породам. Пены обладают высокой несущей и выносной способ­ностью при малой скорости восходящего потока — почти в 10 раз меньшей, чем при бурении скважин с продувкой сжатым воздухом. Успех бурения зон поглощений с пеной определяется кольматирую — щим эффектом, в десятки раз меньшим по сравнению с водой давлением столба пены на пласт. При использовании пен для бу­рения поглощающих пород расход глины сокращается в 5—6 раз, многократно снижается и расход воды, что имеет немаловажное значение для районов Крайнего Севера, особенно в зимних усло­виях. Гидрофобность сухих пен позволяет использовать их для бурения в глинистых породах, способных к обрушению при взаимо­действии с водой. Применение пен обеспечивает минимальное загрязнение окружающей среды.

Фирма Forward Resaurces совместно с фирмой Winterhawk Petroleum Consulting Services в 1982—1983 гг. проводила бурение на Северо-Западе Канады в зонах водопритоков и поглощений с очисткой забоя воздухом, аэрированной жидкостью, туманом и пеной. Скважины глубиной до 1000 м с пеной проходились за 16 сут против 35-—65 сут. с применением других промывочных агентов, т. е. в 2,2—4,1 раза быстрее. Использование пен обеспе­чило получение керна в полном объеме, сократило транспортные расходы за счет меньшего объема потребления воды, глиномате- риалов и химических реагентов, способствовало улучшению усло­вий проведения работ в экологическом отношении [24].

В последние годы в отечественной и зарубежной практике бу­рения скважин на нефть и газ все чаще для получения пен ис­пользуется азот. Газ инертен, не горюч, содержание в атмосфере — 78%. На буровые азот доставляют в сжиженном виде в специ­альных контейнерах. При его вводе в промывочную жидкость об­разуется пена. Содержание азота в промывочных жидкостях из­меняют от 50 до 95 % в зависимости от решаемой технологической задачи. Для придания стабильности в состав пен вводят ПАВ1. При вводе азота до 65 % промывочная жидкость имеет низкую вязкость, при 85 % и более пена с трудом закачивается в сква­жину насосом, при увеличении содержания азота выше 96 % об­разуется туман. Такие системы позволяют успешно проходить зоны поглощений в трещиноватых и пористых породах, предотвращают обрушение пород и сокращают время на возбуждение продуктив­ных пластов [14, 24].

Отечественный и зарубежный опыт позволяет определить об­ласть эффективного применения газожидкостных (дисперсных) систем. Так, аэрированные промывочные жидкости и пены исполь­зуются в основном при вскрытии зон с низким пластовым давле­нием, представленных проницаемыми трещиноватыми и каверноз­ными устойчивыми породами. Наиболее рационально применять пены в районах распространения многолетнемерзлых пород, без­водных и с трудным водоснабжением, в условиях развития кар­стовых зон.

При бурении по мерзлым породам особенно важно установить максимально допустимую температуру пены. Определим ее по формуле [23]

*тах=———- (2.41)

Bо -/Fo

где Тп — средняя естественная температура мерзлых пород, °С.

Поскольку опытные значения коэффициента теплоотдачи пен отсутствуют, определим а, пользуясь правилом аддитивности:

а = + о1т2, (2.42)

где си и аг—коэффициенты теплоотдачи соответственно жидкости и сжатого воздуха; т и т2— относительное содержание в пене составляющих компонентов (жидкости и газа) в долях ед; при этом а1 и а2 рассчитываются по известным формулам [5] [исход­ные данные: 0 = 93 и 112 мм, с/2 = 50 мм, У=1,3-10-4 м3/с (8 л/мин); У0 = 2,8-10-2 м3/с (1,68 м3/мин); X, =0,566 Вт/(м-°С) при 8 °С; К2 = 0,027 Вт/(м~°С) при 30 °С).

Полученные результаты для разных скоростей движения пены в кольцевом канале приведены на рис. 2.14. Зная температуру пены на входе в скважину и изменяя скорость ее движения в за — трубном пространстве, можно поддерживать такую температуру пены, при которой не произойдет растепления стенок скважины.

Учитывая, что бурение с пеной в настоящее время ведется по системе незамкнутой циркуляции, ее начальную температуру в смесителе {„ определим по правилу Рихмана

‘■= ■ (2-43) где с и Ср — удельная массовая теплоемкость соответственно жид­кости и газа, Дж/(кг-°С); й и С0— массовый расход соответствен­но жидкости и газа, кг./с; ( и /2 — температура жидкости и газа, СС.

Определим начальную температуру пены для условий: С = = 0,13 кг/с, Со = 0,035 кг/с; /!=8°С; /2 = 30СС; с = 4207 Дж/ (кг-°С) ср— 1006 Дж/(кг-°С). Она составит 9,33°С.

Для того чтобы не происходило растепления многолетнемерз­лых пород с Т„= — 3,5°С при поперечных размерах кольцевого

Рис. 2.14. Расчетные значения критерия Нуссельта в зависимости от безразмер­ной скорости движения пены в кольцевом канале Г1и = 1,29 ■ Ре0’27 (по данным А. В. Козлова)

канала О = 93 мм и й2 — 50 мм, скорость движения пены должна быть 4,2 м/с (см. рис. 2.14).

Начальная температура пены в значительной мере зависит от температуры жидкости. Температура воды в районах Крайнего Севера и Северо-Востока СССР в летний период не превышает 6—10 °С. В этих условиях при температуре сжатого воздуха 30 °С, как показали расчеты, температура пены при входе в скважину не превышает 8—15°С (табл. 2.7). Из-за малых массовых расхо­дов и особых теплофизических свойств пена несет весьма малый запас тепла. Поэтому при бурении по многолетнемерзлым породам температура ее начиная с небольшой глубины скважины приобре­тает температуру окружающих пород. Охлаждение пены будет происходить тем быстрее, чем ниже ее начальная температура. Таким образом, пена не требует специального предварительного охлаждения в отличие от всех других очистных агентов, что де­лает ее наиболее экономичной и технологически эффективной для бурения скважин по многолетнемерзлым породам, цементирую­щим материалом которых служит лед.

ОНИЛ ТТРБ разработаны и внедрены в Норильском районе устройство для получения пены и ее нагнетания [24] и обвязка скважины (рис. 2.15) применительно к местным климатическим и организационным условиям, включающая эжектор для разруше­ния пены. Совместно с технологической группой Норильской КГРЭ разработано герметизирующее устройство, устанавливае­мое при статическом уровне воды в скважине до 100 м, поскольку при этом необходимо создание повышенного давления пены для снижения притока пластовых вод в ствол скважины. При буре­нии из скважины пеной выносится до 5 л/мин пластовых вод, часть которых вторично используется для получения раствора пенообра­зователя. Для сокращения времени на восстановление циркуляции пены в стволе применены разработанные ОНИЛ ТТРБ специаль­ные клапаны (верхний и нижний), устанавливаемые в колонне бу­рильных труб, специальный переходник, скважинный обратный клапан и др.

С целью получения однородной стабильной пены испытаны по­лиакриламид ПАА, КМЦ-500 и сульфонол НП-1. В результате ре­комендовано вводить в состав пен ПАЛ как более эффективный и дешевый по сравнению с КМЦ продукт (стоимость 102 руб. про­тив 1770 руб. за 1 т). Это дало возможность одновременно снизить расход дорогостоящего ПАВ (сульфонол, 700 руб./т) до 0,1 %. Со­став рекомендуемой композиционной добавки: ПАА — 0,25% и сульфонол — 0,1 °/о (по объему). Общий расход сульфонола сни­жен до 1,28 кг на 1 м скважины, т. е. в 2,1 раза по сравнению с первоначальными рекомендациями.

Применением однородных стабильных пен повышена устойчи­вость стенок скважин при бурении пикрнтовых базальтов.

Дальнейшие исследования по снижению расхода пенообразую­щей добавки и ее стоимости позволят повысить эффективность использования пены при бурении разведочных скважин.

Начальная температура пены, °С

Температура компонентов пены (воздуха/волы). -С	Степень аэрации
10	100	150	200	300
50/20	20,81	21,58	22,33	23,00	24,33
50/10	11,11	12,16	14,21	14,00	15,95
50/5	5,61	6,20	6,80	7,35	8,46
30/20	20,26	20,51	20,75	20,97	21,40
30/10	10,83	10,05	11,54	12,00	12,86
30/5	5,33	5.65	5,96	6,27	6,86

Рис. 2.15. Схема расположения оборудования и обвязки при бурении с очист­кой скважины пеной. /—бустер; 2— обвязка бустера; 3— расходомер; 4 — манометр; 5 — подающмй насос; 6—емкость для раствора ПАВ; 7—вентиль;#—компрессор; 9—датчик ПИК; 10 — трехходовый кран; //—ре­гистратор ПИК; 12 — буровой станок; 13 — бурильные трубы; 14—-обсадные трубы; 15 — эжек­торное устройство; 16—желоб; 17—отстойник; 18 — насос.

Бурение скважин с пеной на Арылахском участке Норильской КГРЭ производилось в толще многолетнемерзлых пород (скв. АР — 124, АР-117) в интервалах глубин соответственно от 11,8 до 306 м

и от 12,6 до 126,8 м. Породы были представлены суглинками, су­песями, кварц-полевошпатовыми песками, валунно-галечниковыми отложениями, сцементированными льдом. Пену нагнетали в сква — жицу с помощью дожимного устройства, развивающего давление до 3,5 МПа. Подача пены обеспечивалась насосом НШ-10, для бу рения использовали коронки типа СА-4-132 и СА-4-112. Режимные параметры: осевая нагрузка 2—4 кН; частота вращения снаряда 136—231 об/мин. В качестве ПАВ применялся сульфонол, в рас­твор которого вводилась противоморозная добавка (2 % по массе от раствора пенообразователя). Расход жидкости составлял 1,3-10—4 м3/с (8 л/мин) с температурой около 6—8°С, сжатого воздуха (2,2 ■— 2,5) • 10~2 м3/с (1,3—1,5 м3/мин) с температурой 30—40°С и более. Выход керна в ненарушенном состоянии в зоне мерзлых пород достигал 100% (рис. 2.16,а) против 60% при бу­рении с жидкостной промывкой (рис. 2.16,6), вызывающей нару­шения естественного сложения.

Применение пены позволило упростить конструкцию скважин и тем самым снизить расход обсадных труб — интервал 11,8— 306 м был перекрыт одной колонной. В аналогичных геологиче-

Рис. 2.16. Керн мерзлых пород при бурении с пеной (а) и с промывкой (б). 104

ских условиях при бурении скважин с применением солевых рас­творов тот же интервал закрепляли двумя-тремя промежуточными колоннами обсадных труб. Механическая скорость бурения по мерзлым породам с пеной в среднем составляла 5,0 м/ч, с жид­костной промывкой—1,81 м/ч, «всухую» — 0,62 м/ч. Использова­ние пены в качестве очистного агента привело к снижению стои­мости 1 м скважины на 31,45 руб.

Опыт показал, что при бурении многолетнемерзлых пород со­держание жидкой фазы в пене следует уменьшать. При подаче сжатого воздуха от 1,8 до 2,0 м3/мин количество раствора пено­образователя рекомендуется не более 5—15 л/мин.

При бурении в многолетнемерзлых породах ограниченно можно применять пену даже без ввода в нее противоморозных добавок. В табл. 2.8 приведены данные о времени полного перемерзания пены в стволе скважины в зависимости от состава пенообразую­щего раствора и температуры окружающих пород.

Пресные пены при прекращении циркуляции замерзают, сохра­няя ячеистую структуру; ее разрушение не представляет особых трудностей.

При буренин в мерзлых породах пена, если она сохраняется между трубами и породой, предотвращает смятие колонны обсад­ных труб, так как содержит лишь около 2 % воды.

Пена хорошо вытесняется цементным раствором или буферной жидкостью при тампонировании затрубного пространства. По дан­ным Г. Андерсона, для удаленного района (север Юкона) стои­мость 1 ч бурения с пеной была в 1,21 раза выше, чем с промыв­кой глинистым раствором (с учетом расходов на транспортировку оборудования и простоев по климатическим условиям), однако время бурения сократилось в 2,5—3 раза.

Из табл. 2.9, где приведены данные Норильской КГРЭ о буре­нии скважин с пеной и с промывкой различными растворами, видно, что при бурении с пеной механическая скорость возросла в 1,4—1,6 раза, проходка на долото увеличилась в 1,2—1,6 раза. Применение пен в этой экспедиции позволило в целом повысить производительность и экономичность буровых работ за счет сокра­щения затрат времени и материалов на борьбу с поглощениями, улучшить условия охраны недр.

Успешное применение пен в Норильской экспедиции оказало влияние на распространение этого прогрессивного способа и в дру­гих подразделениях ПГО «Красноярскгеология». С 1980 г. работы по его освоению ведутся под руководством ОМПНТ комплексной тематической экспедиции объединения в Средне-Енисейской ГРЭ, в Тувинской и Минусинской экспедициях. В настоящее время бу­рение с пеной комплексами КССК применяется в Карамкенской ГРЭ ПГО «Севвостгеология», в Удоканской ГРП ПГО «Читагео — логия».

Внедрение пены в ПГО «Читагеология» производилось на уча­стках «Озерный» и «Восточный» Удоканской ГРЭ. Пройдены скв. 247 и 704 глубиной соответственно 975 и 806 м в многолетнемерзлых

Таблица 2.8 Время полного перемерзання пены в стволе скважины диаметром 112 мм, ч Состав водного раствора V -5 “С От -10 До -12 Сульфонол (0,5%)-|-КМЦ (0,25%) 1,5 1,5 Сульфонол (1,0 %) + КМЦ (0,5 %) + №С1 (7 %) 14,0 2,0 Сульфонол (1,5%)+КМЦ (0,5%)+ЫаС1 (10%) 24,0 4,0

	1971 —	980	1981	1982
Показатели	пена	промы­ вочная жид­ кость	пена	промы­ вочная жид­ кость	пена
Объем бурения, м	19 942	19 130	11 620	11 600	20 775
Количество скважин	27	27	21	21	33
Средняя механическая скорость бу­рения, м/ч Интервал бурения, м	2,36	1,46	3,16	2,21	3,03
15—1300	15—1300	13—1040	13—1040	8—1 124
Средняя категория пород по бури­мости	—	7,68	7,75	7,64	7,60
Доля бескернового бурения в об­щем объеме, %	90,3	93,5	95,5	95,5	95,5
Проходка на долото, м	60	37	42	35	—
Баланс рабочего времени всего, ст. /ч	16 584	19 594	1 181	8 308	15 750
Чистое бурение, %	43,6	52,7	40,92	63,43	43,59
Вспомогательные работы, %	43,2	42,9	46,0	26,16	47,36
Подготовка к бурению с пеной, %	2,8	—	2,4	—	1,01
Стравление и нагнетание пены, %	7,2	—	1,6	—	1,38
Простои, %	3,2	4,4	9,1	10,41	6,66
В том числе аварии, %	2,4	4Д	4,1	5,99	2,85
Экономия времени, ст./смен	395	—	175	—	—
Удельный расход пенообразующего агента, кг/м	1,63		1,6		1,23

Таблица 2.9

Сравнение технико-экономических показателей бурения скважин в Талнахской ГРП Норильской ГРЭ с использованием пен и промывочных жидкостей

породах с температурой от —0,5 до —7 °С. На площади ши­роко распространены осадочно-метаморфические отложения ниж­него протерозоя. Четвертичные отложения часто встречаются по долинам рек, их мощность 80—100 м. Глубже расположены мета — морфизованные алевролиты, алевропесчаники, в меньшей степени известковистые песчаники мощностью до 350—850 м, категория пород по буримости от VIII до XI. Далее следуют кварциты,

кварц-полевошпатовые песчаники, кварц-карбонатные песчаники мощностью до 300 м, категория по буримости от X до XI. В пре­делах месторождения отложения смяты в крупную замкнутую синклинальную складку, нормально к простиранию которой раз­виты трещины отрыва и зоны трещиноватости. Широко развита сеть легких тектонических трещин, чаще это закрытые пустые трещины с зеркалами скольжения и тектонической глинкой. Наи­более неустойчивы интервалы, сложенные алевролитами, алевро- песчаниками и аргиллитами. По данным кавернометрии наблю­дается значительная зона кавернообразования в интервале от 100 до 300 м, Сложенном мелкозернистыми алевролитами. При буре­нии скв. 247 наиболее неустойчивые породы встречены в интер­вале 300—600 м, совпадающем с замком синклинальной складки, где породы подвергались сильной деформации.

Статический уровень подземных вод совпадает с границей мно­голетнемерзлых пород (100—600 м), а в таликовых зонах — на глубине до 140 м. Воды безнапорные с дебитом до 1,2—3,6 м3/ч.

Бурение скв. 704 с пеной велось в пределах от 100 до 806 м. До 100 м бурили с пневмоударником РП-130, затем интервал был за­креплен обсадной колонной диаметром 127 мм. Далее бурение ве­лось алмазными коронками диаметром 76 мм. При глубине 522 м произведена кавернометрия, показавшая значительную разра­ботку ствола в интервале от 100 до 300 м. Этот интервал был перекрыт колонной диаметром 108 мм. Часто отмечалось наруше­ние циркуляции пены из-за сильной трещиноватости пород. На восстановление циркуляции пены после СПО затрачивалось до 4 ч. Режим бурения коронками (01 АЗ, А5ДП, 02ИЗ и др.): осевая нагрузка 800—1400 даН, частота вращения 231 об/мин; расход сжатого воздуха—1,5—1,8 м3/мин, раствора пенообразователя — до 5—12 л/мин. При использовании пены мощность на бурение оказалась на 5—6 кВт ниже, чем в случае применения промывоч­ных жидкостей.

При бурении скв. 247 пена применена с глубины 278 м. В каче­стве ПАВ использовали ОП-7 (0,5%), ОП-Ю (0,3—0,5%), ДБ (до 0,7%), сульфонол НП-3 (0,5—1,0%), превонелл W-OF-lOO, ПО-1 (0,5 %) с подачей раствора пенообразователя в количестве 6—10 л/мин. При бурении по многолетнемерзлым породам с тем­пературой до —7°С в раствор добавляли NaCl (7—10 %)• Давле­ние в нагнетательной линии до глубины 600 м не превышало 0,7 МПа, а при глубине 800 м возросло до 1,9 МПа. При бурении в ствол поступала пластовая вода в количестве от 1,2 до 3 м3/ч. О качестве пены в стволе скважины судили по изменению давле­ния. Пену считали разубоженной, когда давление превышало значение, характерное для работы со свежеприготовленной пеной с известной концентрацией ПАВ в растворе. До глубины 600 м скважину проходили шарошечным долотом типа К диаметром 112 мм по породам, представленным переслаиванием аргиллитов с окварцованными песчаниками. Трещины зон дробления запол­нены глинками трения. Режим бурения: осевая нагрузка на

Рис. 2.17. Изменение да­вления пены с глубиной скважины.

j 200 400 &00 800 И, и

долото 2500 даН, частота вращения снаряда 136 об/мин. На рис. 2.17 показано изменение давления пены с глубиной. Можно заметить его снижение на глубинах 320—360, 650—750 и 830— 940 м, что объясняется поглощением пены в зонах дробления. В этих же интервалах отмечались интенсивные обрушения, интер­валы которых были закреплены методом сухого тампонирования. Механическая скорость бурения составила 1,3—0,3 м/ч в породах

IX— XI категорий по буримости. Интервал глубины от 600 до 960 м проходили алмазным породоразрушающим инструментом. Благодаря использованию пены оказалось возможным довести данную скважину до проектной глубины, чего не удавалось при использовании глинистых растворов с добавками NaCl.

Для Удоканской ГРЭ ОНИЛ ТТРБ разработана специальная схема обвязки устья скважины при бурении с пеной из подземных выработок. Применение пневматического эжектора в отводной трубе обеспечило степень разрушения пены 5—6, т. е. объемное содержание жидкости на выходе из устройства в 5—6 раз меньше, чем на выходе из скважины. Степень разрушения пены извест­ными механическими и акустическими устройствами не превы­шает 2—3.

В Суламатской ГРП Удоканской ГРЭ бурение производилось на скв. 61 в интервале 200—300 м в породах IX—X категорий по буримости с температурой от —2 до —5°С, из подземной камеры. Угол наклона скважины 75°. Бурение велось алмазными корон­ками диаметром 59 мм. Состав пенообразователя: ОП-Ю (0,5 %) + + NaCl (3—5%); подача 10—15 л/мин. Скважина добурена до проектной глубины без осложнений.

Опыт использования пены в ПГО «Читагеология» показал ее высокую эффективность при бурении по многолетнемерзлым поро­дам с температурой до —7°С в условиях водопритоков (доЗ,6м3/ч) из подземных выработок. Рациональным оказалось применение в отдельных интервалах пневмоударников и алмазного бурения с пе­ной, а также совмещение углубки в трещиноватых неустойчивых породах с их последующим тампонированием. Доказана целесооб­разность в подземных условиях централизованного снабжения бу­ровых сжатым воздухом. При использовании передвижных ком­прессорных станций излишки сжатого воздуха стравливаются в атмосферу.

Для бурения мерзлых рыхлых и слабосцементированных по­род желательно применять колонковое бурение, при котором об­разуется меньшее количество шлама. Это позволяет снизить по­дачу пены, являющейся теплоносителем, и надежно предотвратить растепление пород в стенках скважины.

Комментарии запрещены.