Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

С помощью специальной физико-химической обработки можно: а) повысить качество бурового раствора, приготовлен­ного, например, на основе низкосортной местной глины; б) вос­становить необходимые свойства раствора, утраченные им при бурении под влиянием растворимых пород, минерализованных вод и других факторов; в) придать раствору особые свойства, позволяющие избежать осложнений в конкретных условиях бу­рения (поглощающие горизонты, пучащиеся породы, высокие температуры и пр.).

Для обработки глинистых и других буровых растворов при­меняют различные химические реагенты, которые в силу вы­зываемых ими физико-химических процессов могут обеспечи­вать:

1) пептизацию, т. е. расщепление твердой фазы на коллоид­ные частицы, образование золя при действии реагента на кол­лоидный осадок или гель, что повышает качество раствора, спо­собствует снижению водоотдачи и толщины фильтрационной корки;

2) стабилизацию раствора, заключающуюся в предохране­нии частиц твердой фазы от слипания, что улучшает стабиль­ность, снижает суточный отстой;

3) структурообразование (тиксотропию), что повышает статическое напряжение сдвига и несущую способность рас­твора;

4) коагуляцию, что до определенной стадии способствует аг­регатированию частиц при сохранении общей структуры (инги­бирование), повышению вязкости, но в итоге ведет к выпадению частиц из раствора.

Действие реагентов зависит не только от их химического состава и свойств, но и от свойств обрабатываемого раствора, от концентрации реагента и способа обработки. Один и тот же реагент в различных условиях может выступать как пептиза — тор или как коагулятор.

Существуют различные классификации реагентов по хими­ческому составу, назначению, солестойкости, термостойкости, растворимости и др. Так, применяемые в США реагенты делят по назначению на 16 групп, причем некоторые реагенты отно­сятся одновременно ко многим группам. Разработанные к на­стоящему времени многочисленные химические реагенты-элек­тролиты, защитные коллоиды, поверхностно-активные вещества и различные их комбинации используются для направленного регулирования свойств как глинистых, так и всех современных буровых растворов — естественных шламовых, на нефтяной ос­нове, эмульсионных и др.

Вполне определенные рекомендации по выбору рецептуры и методики химической обработки растворов могут быть даны лишь на основании тщательных лабораторных исследований и практического опробования в конкретных условиях бурения.

По химическому составу и молекулярному строению суще­ствующие реагенты могут быть разделены на три основные группы:

а) неорганические низко — и высокомолекулярные соеди­нения;

б) органические высокомолекулярные соединения с линей­ной и глобулярной структурой макромолекул;

в) органические низкомолекулярные соединения с гидро­фильной и органофильной частями.

К первой группе относятся низкомолекулярные химические реагенты-электролиты: кальцинированная сода Ыа2СОз, каусти­ческая сода NaOH, поваренная соль NaCI, хлористый кальций СаС12, негашеная СаО и гашеная известь Са(ОН)2, жидкое стекло (силикат натрия) Ыа20-пБЮг1, соляная кислота НС1, хромпик. ЫагСггО? и др.

К высокомолекулярным соединениям этой группы относятся, например, натриевые конденсированные полифосфаты, имею­щие линейную (цепочную) или кольцевую кристаллическую структуру.

Реагенты-электролиты при растворении в воде распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы — катионы и — анноны.

Особенно важную роль играют катионы Ыа, которые заме­щают катионы Н+, Са++, А1+++, расщепляют глинистые ча­стицы на первичные и, концентрируясь вокруг них, способст­вуют образованию толстой и устойчивой гидратиой оболочки.

Положительную роль играют и анионы в виде радикалов слабых кислот или гидроксильных групп ОН-, способные свя­зывать ионы поливалентных металлов. Так, например, обра­зующиеся при растворе кальцинированной соды анионы СОз соединяются с освободившимися при ионном обмене катионами Са++ и дают в результате СаСОз — мел, выпадающий из рас­твора в осадок.

При малых концентрациях электролитов (от долей до 1— 2 %) снижаются водоотдача и вязкость, улучшаются коллоид­ные свойства раствора. С увеличением концентрации происхо­дит гидрофобная коагуляция, резко возрастают водоотдача и величина фильтрационной корки, снижается стабильность, глина начинает выпадать из раствора. В процессе циркуляции раствора электролиты могут адсорбироваться на стенках сква­жины и выбуренной породе. При этом ионы № вызывают дис­пергирование глинистых пород, снижение их устойчивости, ча­стичный переход в раствор, что приводит к его резкому загу — стеванию, быстрому возрастанию вязкости и водоотдачи.

Самостоятельное применение реагентов-электролитов для непосредственной обработки растворов сокращается. В послед­нее время их чаще используют в качестве вспомогательного средства при обработке растворов более сложными по химиче­скому составу и строению реагентами органической природы, относящимися ко второй группе. Вспомогательные функции низкомолекулярных неорганических реагентов-электролитов выражаются в регулировании растворимости высокомолеку­лярных, ионного состава среды и электрокинетического потен­циала субколлоидных частиц.

Вторая группа включает в себя основную массу современ­ных высокомолекулярных химических реагентов органической природы, являющихся главным образом понизителями водоот­дачи при линейной (волокнистой, цепеобразной) структуре и понизителями вязкости при глобулярной структуре макромоле-

4 Есть также калиевое жидкое стекло.

кул. В зависимости от свойств исходного бурового раствора, его твердой фазы, степени минерализации, условий и методики комплексной обработки отдельные реагенты могут исполнять как ту, так и другую функцию или обе одновременно. Роль по­низителей вязкости могут играть и неорганические полимеры.

Ко второй группе относятся реагенты на основе гуминовых кислот, получаемых из бурого угля и торфа,— УЩР (углеще­лочной реагент), ТЩР (торфощелочной реагент), СНГР (суль­фированный нитрогуматный реагент); основанные на использо­вании продуктов переработки древесины и других материалов растительного происхождения — на базе целлюлозы КМЦ (кар- боксиметилцеллюлоза), СЦ (сульфат целлюлозы) и др.; лигно — сульфонаты — ССБ (сульф’итспиртовая барда), КССБ (конден­сированная ССБ), ХССБ (хлорированная ССБ), ФХЛС (фер — рохромлигносульфонат), окисленные лигнины — хлорлигнин и нитролигнин, сунил (сульфированный нитролигнин), ПФЛХ (полифенол лесохимический), КР (крахмальный реагент), дек­стрин (продукт гидролиза крахмала), хвойный реагент, водо­рослевый реагент, квебрахо[3]; реагенты, основанные на акрило­вых полимерах — гипан (гидролизованный полиакрилнитрил), К-4 (продукт неполного гидролиза полиакрилнитрила), РС-2 (гидролизованпый полиакриламид) и др. Применяются различ­ные комбинации реагентов, например, СУЩР — комбинирован­ный щелочной реагент на основе бурого угля с добавлением ССБ.

Из числа реагентов — защитных коллоидов — наиболее рас­пространены на практике УЩР, ТЩР, ССБ, СУЩР, КМЦ и крахмал.

Углещелочной реагент (УЩР) получают путем обработки бурого угля раствором каустической соды. Для этого на 1 м3 пресной воды требуется 120—130 кг сухого бурого угля (его естественная влажность 40—50 %) и 20 кг ЫаОН. В случае морской воды количество щелочи увеличивают до 25—30 кг. Содержащиеся в буром угле нерастворимые в чистой воде гу — миновые кислоты частично растворяются в присутствии едкого натра, образуя натриевые соли гуминовых кислот (гуматы), ко­торые являются поверхностно-активпыми веществами и играют роль пептизаторов и стабилизаторов глинистого раствора. Оп­тимальная концентрация УЩР в растворе определяется опыт­ным путем и обычно составляет 150—200 л/м3. Приготовление бурового раствора на воде с заранее добавленным реагентом дает лучшие результаты, чем добавление УЩР в готовый ра­створ.

Пример влияния концентрации углещелочного реагента УЩР на основные свойства глинистого раствора среднего качества
графически показан на рис. 2.14. С увеличением концентрации У1ТТР водоотдача В и статическое напряжение сдвига 0 снижа­ются, условная вязкость Т медленно возрастает. Водоотдача и соответственно толщина фильтрационной корки очень быстро снижаются в области малых концентраций УЩР; по мере роста концентрации темп снижения резко уменьшается. Большие концентрации УЩР не ведут, как в случае электролитов, к но­вому увеличению водоотдачи, но вызывают рост вязкости, сли­пание частиц, ухудшение ста­бильности.

В, сп3т, с в, Па Содержание ЩР, /1/м3

Углещелочной реагент, предложенный впервые В. С.

Барановым, является наибо­лее доступным и дешевым средством эффективной обра­ботки буровых растворов.

К недостаткам УЩР отно­сятся слабая устойчивость об­работанного им раствора про­тив разрушающего влияния ионов, поступающих из раст­воримых пород и с минерали­зованными водами, и вызывае — рж 2 Ы Графш< влшшия коицент.

мое им повышение липкости рации УЩР на основные свойства

фильтрационной корки. глинистого раствора среднего каче-

Торфощелочной реагент ства (ТЩР), содержащий в основе

своей гуматы, во многом аналогичен УЩР, но отличается по­вышенной вязкостью, передавая это свойство и обрабатывае­мому им раствору. Состав компонентов для приготовления ТЩР примерно тот же, что для УЩР,— на 1 м3 воды 100 кг сухого торфа и до 30 кг ЫаОН. Торфощелочной реагент, также пред­ложенный В. С. Барановым, особенно ценен для обработки раствора в целях борьбы с небольшими поглощениями, благо­даря обеспечению высокой вязкости раствора и наличию во­локон торфа, способствующих закупориванию дренажных ка­налов.

Сульфит-спиртовая барда (ССБ) является дешевым отходом производства гидролизной промышленности. Поставляется обычно в виде густой темной жидкости плотностью 1,2—1,3 г/см3, содержащей около 50 % сухого вещества. Приготовление реа­гента заключается в разбавлении ССБ водой так, чтобы масса сухого вещества составляла около 30 % на единицу объема реа­гента. Поверхностно-активными компонентами являются лигно — сульфоновые кислоты, легко переходящие в коллоидный ра­створ. Качество реагента значительно улучшается при добавке на 100 кг сухого вещества ССБ 15—20 кг каустической или Кальцинированной соды. Растворы ССБ пенятся, и для устране-

ния этого к ним добавляют сивушное масло, нефть или нейт­ральный черный контакт (НЧК). Эффективность действия ССБ }

значительно ниже, чем УЩР и ТЩР, но присутствие солей вы­зывает не увеличение, а уменьшение водоотдачи раствора, об­работанного этим реагентом. Его особенностью является также то, что обработанный раствор образует, уплотняющуюся под давлением фильтрационную корку. ССБ целесообразно приме — I

нять тогда, когда — раствор приготовляют на морской воде, при высокой солености проходимых горизонтов и при вскрытии пла­стов с низким давлением.

Комбинированный щелочной реагент (СУЩР) приготовляют из бурого угля — 90%, едкого натра — 7 % и ССБ — 3 % по массе сухих веществ на единицу объема реагента. СУЩР ли­шен недостатков УЩР и ССБ, взятых по отдельности. При об­работке глинистого раствора комбинированнным реагентом во­доотдача снижается без заметного увеличения вязкости. Тол­щина и липкость фильтрационной корки остаются в допустимых пределах. Вспенивание отсутствует. В условиях высокой соле­ности комбинированный реагент неприменим. . |

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — синтетический продукт сложного состава, имеющий щелочную реакцию. Существуют разновидности в виде белого кристаллического порошка, во­локнистого, хлопьевидного вещества желтоватого цвета или вязкой мутной жидкости. Хорошо растворяется в воде. Исполь­зуется в виде водного раствора, добавляемого в готовый гли­нистый раствор. Расход КМЦ—10—15 кг сухого вещества на 1 м3 глинистого раствора (1—5 % по весу на единицу объема). Применяется для снижения водоотдачи и статического напря­жения сдвига. Обработанный КМЦ раствор малочувствителен к коагулирующему действию солей, однако в условйях бурения по пластам каменной соли применять его не рекомендуется. Реагент КМЦ можно применять для стабилизации силикатно­солевых, эмульсионных и известковых растворов. Недостатком КМЦ является ее высокая стоимость.

Крахмал можно применять для снижения водоотдачи ра­створов в условиях сильной засоленности проходимых пород, так как устойчивость коллоидного раствора крахмала практи­чески не зависит от концентрации ионов. Реагент приготовляют, замешивая крахмал на растворе каустической соды. На 1 м3 реагента требуется 50—60 кг крахмала и 20 кг ЫаОН. Готовый реагент, имеющий вид студня, добавляют к буровому раствору в таких количествах чтобы концентрация сухого крахмала со­ставляла 0,5—3 % по массе на единицу объема раствора. Не­достатком крахмального реагента является вызываемая им повышенная вязкость раствора.

Все более широкое применение, в особенности при бурении на нефть и газ, находят новые эффективные химические реа­генты сунил, гипан, ФХЛС.

Сунил является полимером с глобулярной формой макро­молекулы. Поставляется в виде жидкости или пасты, хорошо растворяется в воде, не нуждаясь в добавке щелочи, что весьма полезно при бурении в неустойчивых глинистых породах. Ис­пользуется в виде 10 %-го водного раствора, добавляемого к обрабатываемому буровому раствору в количестве 1—2 % (0,1—0,2 % в пересчете на чистый реагент). Являясь одним из наиболее эффективных понизителей вязкости пресных и слабо­минерализованных буровых растворов, в том числе утяжелен­ных, сунил позволяет одновременно снижать и водоотдачу. К важным достоинствам сунила относятся предупреждение на-‘ бухания глины, повышение устойчивости проходимых глини­стых пород, стабильность действия во времени и достаточная термостойкость. С успехом может быть использован и при по­вышенной минерализации, в особенности гипсом.

Гипан представляет собой полимер с линейной структурой макромолекулы большой длины. Поставляется в виде 10 %-го раствора (вязкая жидкость желтоватого цвета). Перед упот­реблением разбавляется водой до 1 %-ной концентрации. Яв­ляется эффективным понизителем водоотдачи, но вызывает од­новременное увеличение вязкости, в особенности при высоком содержании твердой фазы. Особое достоинство гипана — повы­шение термостойкости обрабатываемых растворов. Наиболее целесообразен для снижения водоотдачи пресных буровых ра­створов при малой концентрации твердой фазы и высоких тем — 1 пературах в стволе скважины (до 200 °С). При высокой мине­

рализации №С1 и солями поливалентных металлов применим для снижения водоотдачи в сочетании с сунилом или КМЦ.

Феррохромлигносульфонат (ФХЛС) получают путем дейст­вия сернокислых солей хрома и железа на горячую сульфит — спиртовую барду. Получающиеся соли железа и хрома лигно — I сульфоновых кислот растворимы в воде. С увеличением содер­

жания в водном растворе катионов хрома реагент приобретает свойства понизителя вязкости, а с увеличением концентрации катионов — железа — свойства понизителя водоотдачи. ФХЛС предназначен для снижения вязкости, водоотдачи и СНС прес — | ных и слабоминерализованных буровых растворов, в особен­

ности для условий высокотемпературных скважин (до 200 °С). Способность резко повышать термостойкость раствора объяс — * няется наличием соединений хрома, являющихся в настоящее

время наиболее эффективным средством против коагулирую­щего действия высоких температур, благодаря особому виду хромирования поверхности частиц твердой фазы. Важным пре­имуществом ФХЛС является его способность снижать вязкость гипсовых растворов, выгодно отличающихся от других ингиби­рованных растворов пониженной щелочностью н высокой тер­мостойкостью, а также применимость для регулирования свойств хлоркальциевых глинистых растворов.

Существующие химические реагенты для обработки буровых растворов подразделяют на несолестойкие — сохраняющие ак­тивность при содержании до 3 % ИаС1, ограниченно солестой­кие— до 10% и солестойкие — свыше 10% №С1. В условиях минерализации солями поливалентных металлов к несолестой- юим относятся реагенты, теряющие активность уже при содер­жании свыше 0,2 % СаС12. Сохранение нужных свойств буро­вого раствора при высокой минерализации достигается комби­нированной обработкой различными реагентами.

Термостойкость реагентов оценивается по той температуре, при которой они могут длительно сохранять свою активность: нетермостойкие — до 130 °С, ограниченно термостойкие — до 160 °С, термостойкие — свыше 160 °С. Действие высоких тем­ператур на высокомолекулярные соединения выражается в де­струкции (разрывы основной цепи полимера) или сшивании (образование поперечных химических связей между макромо­лекулами— пространственная полимеризация). Термостойкость реагентов определяется главным образом прочностью химиче­ской связи между атомами основной цепи полимера. Повышен­ную термостойкость глинистому раствору могут придавать также реагенты, содержащие соединения хрома.

В зависимости от степени минерализации и температуры различные реагенты способны в большей или меньшей мере со­хранять свойства понизителей водоотдачи или вязкости. В табл. 2.2 приводится построенная на этой основе К. Ф. Пау — сом классификация химических реагентов по их солестойкости и термостойкости.

Третью большую группу химических реагентов составляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), молекулы которых при растворении распадаются на гидрофильную и гидрофобную части. Они представлены в основном низкомолекулярными ор­ганическими соединениями, но могут обладать и очень большой молекулярной массой. В определенной мере все рассмотренные выше химические реагенты обладают свойствами ПАВ. Однако основным и решающим свойством типичных поверхностно-ак­тивных веществ, растворенных в жидкости, является способ­ность концентрироваться на поверхностях раздела фаз, образуя на контакте с твердым телом, воздухом или другой несмеши — вающейся жидкостью тонкие адсорбционные слои, резко сни­жающие поверхностное натяжение и активно изменяющие ха­рактер взаимодействия между фазами.

По химическому составу ПАВ делят на неионогенные и ионо­генные, а последние также на анионактивные и катионактив — ные. Одни из ПАВ способны растворяться в определенных ра­створителях до молекулярного и ионного состояния, образуя адсорбционные слои без признаков структуры, и поэтому могут служить пеногасителями и диспергаторами, в частности, по-‘ низителями твердости горных пород, другие растворяются до

Таблица 2.2 Классификация химических реагентов по стойкости Солестойкость Группа химических реагентов Несолестойкие Ограни­ ченно солестой­ кие Солестойкие Солестой­кие к поли­валентным катионам Понизители водоотдачи УЩР, ТЩР кмц, сн, КССБ, ХССБ Крахмал, гипан, К-4, РС-2 водорос­левый, сунил КССБ, ХССБ, сц, сунил Понизителн вязкости Нитролигнин, ПФЛХ, хлор — лигнин, фос­фаты, УЩР, ТЩР, квебрахо Сунил, ФХЛС, ССБ кмц Сунил ФХЛС, ССБ

Продолжение табл. 2.2 Термостойкость Группа химических реагентов Нетермостойкие Ограниченно термостойкие Термостойкие Понизители водоотдачи Крахмал, во­дорослевый кмц, СЦ УЩР ТЩР сунил Гипан К-4, РС-2, . КССБ, ХССБ Понизители вязкости Фосфаты Сунил, нитро­лигнин, ПФЛХ, хлорлигнин, ССБ, квебрахо ФХЛС

коллоидного состояния и создают прочные структурированные адсорбционные слои и пленки, позволяющие им выступать в роли стабилизаторов эмульсий и пенообразователей (моющих средств). Характер действия и эффективность ПАВ зависят от концентрации, свойств растворителя, степени минерализации и температуры. Большую роль играет совместимость ПАВ с исходным раствором, приготовленным на водной или невод­ной основе.

Важным достоинством ПАВ является их способность ак тивно влиять на свойства обрабатываемых растворов при вве­дении в ничтожных количествах, составляющих обычно доли процента. Важнейшее используемое при бурении свойство ПАВ — снижение поверхностного натяжения на поверхности раздела фаз. По этому признаку оцениваются эффективность и необходимое содержание ПАВ в растворе.

К неионогенным ПАВ относятся в основном продукты окси- этилирования жирных кислот и спиртов, амидов, фенолов, алкилфенолов. Наиболее распространены оксиэтилированные алкилфенолы и фенолы ОП-4, ОП-7, ОП-Ю, УФЭа, КАУФЭМ, ОФ-ЗО, ОФ-20. Электрическая нейтральность молекул повышает устойчивость растворов этих ПАВ против действия минераль­ных солей. Они сохраняют активность в кислой и щелочной среде в широком диапазоне температур.

К анионактивным ПАВ относятся мыла, сульфаты спиртов, ароматические сульфокислоты, эфиры серной кислоты, их соли и др. В эту подгруппу входит большинство используемых в бу­рении ПАВ — сульфонат, сульфонол, НП-1, азолят А, азолят Б, «Прогресс», «Новость», нейтральный черный контакт (НЧК), детергенты ДС, ДС-РАС и др. Они хорошо растворяются в воде, очень плохо — в керосине и нефти. В условиях минерализации4 активные анионы, соединяясь с катионами поливалентных ме­таллов, выпадают в осадок.

Меньшее распространение получили катионактивные ПАВ, представленные органическими азотсодержащими основаниями и их солями,— катапин А, катамин А, карбозолин О и некото­рые др.

Добавки различных ПАВ к воде, глинистым и шламовым растворам иногда в сочетании со смазочными материалами — нефтью, графитом, минеральными маслами или с обработкой исходного раствора другими реагентами позволяют достигать эффективного смазывающего действия промывочной жидкости, обеспечивать устойчивость эмульсий, гидрофобизировать прохо­димые глинистые породы для сохранения их устойчивости, уст­ранять вредное влияние фильтрата на проницаемость продук­тивных горизонтов при их вскрытии, снижать прочность породы забоя в зоне предразрушения, повышать термостойкость ра­створов, аэрировать промывочную жидкость или дегазировать ее, гасиТь пену и пр.

Для повышения смазочных свойств промывочных жидко­стей, эмульгирования в растворе нефти и минеральных масел, поддержания стабильности суспензии графита, также добав­ляемого в раствор в количестве 1—2 % в качестве смазочного материала, используют в основном анионактивные ПАВ: суль — фопол, НП-1, «Прогресс», «Новость», азолят А, азолят Б и др.

При глубоком бурении нефть и газ на Урале, Кавказе, в Поволжье, Азербайджане хорошо зарекомендовала себя смазочная добавка СМАД-1—смесь окисленного петролатума с дизельным топливом в соотношении 0,4 : 0,6, пригодная для обработки воды, обычного и утяжеленного глинистого раствора и совместимая с большинством химических реагентов. Приме­нение СМАД-1 при концентрации в буровых растворах 1—4 % обеспечивало рост проходки на долото при роторном бурении до 35 %, рост механических скоростей при турбинном бурении до 25 %■ одновременно снижались гидравлические потери, со­кращалась частота прихватов и затяжек бурильной колонны при извлечении.

При алмазном колонковом бурении с успехом используют эмульсии в виде водных растворов мыла, мылонафта, окислен­ного петролатума, неионогенных ПАВ ОП-7 и ОП-Ю, анионак — тивных «Прогресс», «Новость», кубовых остатков производства моющих веществ, а также водомасляные эмульсии, приготовля­емые на основе эмульсола, включающего 60 % нигрола, 30 % натриевых мыл смоляных кислот, 9 % воды с добавкой 1 % ОП-7; эмульсола, состоящего из нлгрола с добавкой ОП-7 или ОП-Ю; на основе кожевенной эмульгирующей пасты, состоя­щей из натровых мыл синтетических жирных кислот (35— 40%), неомыленных остатков петролатума (не более 15%), воды (не более 20 %) и веретенного масла «3» или «ЗВ» (не менее 20 %). Растворимые ПАВ добавляются к воде в количе­стве 0,2-—1,0%, кубовые остатки, эмульсолы и паста — 0,5— 2,0 %. В случае жесткой воды требуется ее предварительное смягчение введением реагентов-электролитов (Ыа2С03, ЫаОН).

Ближайшие перспективы развития разведочного бурения на твердые полезные ископаемые связаны с быстрым увеличением объемов алмазного бурения скважин малого диаметра. Повы­шение производительности и качественных показателей алмаз­ного бурения достигается за счет повышения частоты вра­щения инструмента, что требует эффективных средств борьбы с вибрацией бурильной колонны и широкого внедрения снаря­дов со съемными керноприемниками (ССК), для которых ха­рактерны весьма малые зазоры между колонной и стенками скважины. В этих условиях применение традиционных промы­вочных жидкостей — технической воды и глинистого раствора — не только не эффективно, но во многих случаях вообще невоз­можно. Прогресс технологии алмазного бурения скважин ма­лого диаметра требует разработки и практического освоения активных промывочных жидкостей, под которыми понимают промывочные агенты, комплексно повышающие стойкость ал­мазного инструмента, скорость и производительность бурения за счет лучшего смазочно-охлаждающего действия, интенсифи­кации процесса разрушения твердой горной породы, улучше­ния условий очистки забоя и транспортирования шлама, сни­жения заполировки алмазов, сокращения случаев самозаклинки керна, устранения вибрации колонны и сокращения расхода энергии, позволяющего увеличивать частоту вращения.

Предназначенные для алмазного бурения активные промы­вочные жидкости подразделяют на следующие основные

группы: а) водомасляпые эмульсии, б) водные растворы ПАВ,

в) глинистые растворы с малым содержанием твердой фазы и смазочными добавками, г) водные полимер-бентонитовые и по­лимерные растворы.

Применительно к бурению в устойчивых слабопоглощающих породах ВИТРом в содружестве с другими организациями раз­работаны и нашли практическое применение для приготовле­ния эмульсионных промывочных жидкостей высокоэффектив­ные эмульсолы: паста кожевенная (кожпастол) для условий

8

костей:

/ — основание; 2 — насос; 3— бак для воды; 4— панель; 5 — маслобак; 6 — приемный бак для эмульсии; 7 — гидродинамический излучатель; 8—манометр; 9— шкала для замера масла; 10 — ТЭН06-А; 11 — трубопровод всасывающий; 12, 15 — вентили; 13 — трубопровод нагнетательный; 14 — маслопровод; 16 — кран

слабоминерализованных вод, эмульсол лесохимический (ЭЛ-4) для объектов с водами повышенной жесткости и минерализа­ции и эмульсол нефтехимический (ЭН-4)—с водами высокой жесткости и минерализации. Эти эмульсолы являются товар­ными продуктами и производятся серийно.

Для сложных гидрохимических условий, для мерзлых пород разработаны и испытываются буровые эмульсолы солестойкие (ЭБС) и эмульсолы буровые морозостойкие (ЭБМ), ориенти­рованные на недефицитное отечественное сырье. Разработаны и испытываются новые методы и средства для приготовления и контроля качества эмульсионных жидкостей.

Эмульсионные промывочные жидкости для алмазного бу­рения представляют собой эмульсии типа масло в воде, весо­
вая концентрация которого составляет обычно 0,25—2 %. а раз­меры глобул 0,001—0,1 мм. В качестве эмульгаторов и стаби­лизаторов эмульсий обязательно присутствуют одно или несколько ПАВ, способствующие, кроме того, облегчению раз­рушения породы и повышению стойкости алмазного инстру­мента. Для условий пресных и слабоминерализованных вод используются анионактивные ПАВ — натровые мыла и синте­тические моющие вещества (сульфонолы, сульфонаты, «Про­гресс» и др.). В условиях сильной минерализации применяются химически инертные неионогенные ПАВ — смачиватели ОП-7, ОП-Ю и др., но они более дефицитны и дороги. Для обеспече­ния высокой дисперсности эмульсии применяют ультразвуко — вь№ установки (рис. 2.15).

При алмазном бурении в неустойчивых из-за трещинова­тости, поглощающих породах и других сложных геолого-тех — нических условиях до недавнего времени применяли хими­чески обработанные глинистые растворы. На современном этапе по причине повышения частоты вращения снаряда и свойст­венных ему малых зазоров применение тиксотропных глини­стых растворов нерационально. Исследованиями и практикой доказано, что промывочная жидкость для алмазного бурения скважин малого диаметра должна по плотности приближаться к воде, но в отличие от последней должна обладать регулируе­мыми реологическими свойствами, определенной величиной водоотдачи и лучшими смачивающими и смазочно-охлаждаю­щими свойствами.

В последние годы разработаны и с большим эффектом внед­ряются малоглинистые растворы с содержанием твердой фазы не более 7 %, обработанные реагентами селективного действия, стабилизирующими коллоидный компонент и коагулирующими тонкий шлам выбуренной породы, т. е. эти реагенты создают недиспергирующую среду и обеспечивают химическую очистку раствора. В качестве таких реагентов используются различные водорастворимые полимеры, в частности биополимеры.

В ВИТРе разработаны полимер-бентонитовые растворы с со­держанием бентонита до 2 %, отличающиеся высокой стабиль­ностью за счет введения полиакриламида, а также специаль­ные устройства для приготовления и очистки этих растворов. Полимер обеспечивает снижение водоотдачи, образование плот­ной глинисто-полимерной корки толщиной 0,5 мм и легкое вы­ведение шлама из раствора на поверхности. Испытанные при алмазном бурении в разных районах страны полимер-бентони­товые растворы показали высокую эффективность, в особен­ности при проходке глиносодержащих пород. Экономический эффект составил в Алмалыкской ГРЭ — 1,4 руб. и в Зырянов — ской ГРЭ — 3,2 руб. на 1 м бурения.

Безглинистые полимерные растворы на основе полиакрила­мида оказались весьма эффективными и при бурении снаря-

дами ССК. Весь объем бурения ССК-46 в настоящее время выполняется с применением этих растворов. Для улучшения их смазывающих и смачивающих свойств добавляются реагент К-4 и’эмульсолы. Буровые свойства растворов на основе поли­акриламида резко ухудшаются при частотах вращения бурового снаряда более 800 об/мин. Ведутся изыскания термостойких композиций с высокими смазочно-охлаждающими свойствами на основе других водорастворимых полимеров, которые дали бы возможность бурения твердых пород алмазами с частотой вращения инструмента до 3000 об/мин.

В США запатентованы растворы, эффективные, в част­ности, в мерзлых породах, на основе высокомолекулярного длинноцепочного биополимера ХС — гетерополисахарида, полу­чаемого в результате воздействия бактерий класса ХаЫоНото — пав на углеводы и отличающегося очень сложной структурой молекулы. Этот биополимер резко повышает вязкость пресной, морской и соленой воды без других добавок. По влиянию на’ вязкость 1 т полимера ХС эквивалентна 25 т бентонита. В ка­честве диспергатора используют многоатомные спирты, этилен — гликоль, триэтиленгликоль и др., одновременно понижающие температуру замерзания раствора.

В качестве понизителей твердости породы забоя наиболее целесообразны ПАВ, способные быстро адсорбироваться на но­вых поверхностях породы в зоне предразрушения, совместимые с водой и стойкие против действия минеральных солей. С этих позиций предпочтительнее других нси’оиогенные ПАВ типа ОП-7, ОП-Ю, УФЭ8, КАУФЭн. Подбор наиболее эффективных в этом отношении ПАВ, как и в смысле других выполняемых ими полезных функций, является предметом исследований. Практическое применение нашли сульфонол, превацелл, НП-Т, диталан.

В СССР и за рубежом существует множество различных по составу и свойствам ПАВ. Разработка их рецептуры и мето­дики применения является одним из наиболее перспективных направлений совершенствования технологии бурения скважин.

Утяжеление глинистых растворов. Без специального утяже­ления буровые растворы, даже приготовленные из так называе­мых тяжелых, трудно распускающихся в воде глин и химически обработанные, могут иметь плотность не более 1,6 г/см3. Утя­желение заключается в добавлении к раствору измельченного инертного материала большой плотности. В качестве утяжели­телей используются природные минералы и руды (барит, гема­тит, магнетит) и отходы производства (колошниковая пыль) плотностью от 3,8 до 4,6 г/см3. При нехватке вышеуказанных утяжелителей вместо них иногда применяют доломиты, извест­няки и другие породы.

Как основу для утяжеления используют высококачественные глинистые растворы. Перед утяжелением глинистые растворы

обрабатывают реагентами, чтобы вязкость Т по СПВ-5 была не выше 40 с и статическое напряжение сдвига 0 —не менее 20 Па через одну минуту при сохранении водоотдачи В в до­пустимых пределах.

Количество утяжелителя для заданного повышения плот­ности и соответственно удельного веса раствора определяется по приближенной формуле

Ру=МР1ПР11 т/м» (2.8)

Ра — Р1

где Ру — количество сухого утяжелителя на 1 м3 раствора, т; р — плотность исходного раствора, т/м3; р1 — заданная плот­ность утяжеленного раствора, т/м3; р2 — плотность сухого утя­желителя, т/м3. Тонко измельченный утяжелитель (остаток на сите с 4900 отверстиями на 1 см2 не более 5 %) следует добав­лять в заранее приготовленный глинистый раствор и тщательно перемешивать в глиномешалке.

Фактически иногда затрачивают большее, чем по расчету, количество утяжелителя, чтобы компенсировать снижение удельного веса раствора при его дополнительной обработке реагентами.

Современные утяжелители позволяют получать устойчивые растворы плотностью до 2,5 г/см3.

Основные правила обработки буровых растворов. Различают первичную и вторичйую обработки растворов.

Первичная обработка заключается в придании исходному раствору необходимых в конкретных условиях свойств. Для этого проводят опытную химическую обработку или утяжеление проб, обосновывают рецептуру. Потребное количество реагента или утяжелителя определяют с учетом объема раствора в сква­жине и в поверхностной циркуляционной системе.

Заготовленный реагент из запасной емкости равномерно выпускают самотеком в желоб во время циркуляции раствора с таким расчетом, чтобы закончить обработку за полное число циклов циркуляции.

Для утяжеления раствор направляют в люк работающей глиномешалки, куда равномерно засыпают утяжелитель и можно доливать реагент или воду. Утяжеленный раствор вы­пускают в приемную емкость.

В процессе первичной обработки следят за изменением свойств раствора, чтобы своевременно изменить или прекра­тить обработку.

Вторичная обработка заключается в восстановлении свойств уже обработанного раствора, когда он начинает портиться под воздействием проходимых пород, минерализованных вод и пр. При вторичной обработке периодически добавляют соответст — ‘ вующии реагент до восстановления заданных свойств раствора.

Важное значение Имеет своевременность обработки ра­створа. Если первичная обработка проводится с келью пре­дупреждения осложнений, типичных для определенного гори­зонта, она должна быть завершена до его вскрытия. Вторичная обработка, начатая несвоевременно, может оказаться бесполез­ной, так как изменения свойств раствора могут стать необра­тимыми.

При приготовлении химических реагентов и обработке ра­створов необходимо строго соблюдать правила безопасности, предусматриваемые соответствующими инструкциями. К работе с реагентами допускаются только хорошо подготовленные и знающие свое дело рабочие. Необходимо помнить, что неко­торые жидкие реагенты и сухие химикалии очень вредно дей­ствуют на кожу, глаза, органы дыхания. Например, №ОН вы­зывает на коже ожоги, а при попадании в глаза может вызвать потерю зрения. При работе с реагентами, в особенности с кау­стической и кальцинированной содой, жидким стеклом, нега­шеной известью, необходимы защитные очки, резиновые пер­чатки и обувь, прорезиненный фартук. При работе в атмосфере, запыленной порошкообразными химикалиями, цементом, сле­дует применять респираторы.

Комментарии запрещены.