Назначение промывочных жидкостей и их классификация

При вращательном бурении с непрерывной замкнутой циркуляцией промывочные жидкости выполняют свою основную и наиболее важную функцию: очистку забоя от выбуренной породы и вынос се на поверхность.

В ранний период развития технологии вращательного бурения в качестве промывочной жидкости применяли воду. Вода в процессе бурения загрязнялась, в нее переходили частицы выбуренной породы и особенно глинистые частицы, обладающие способностью диспергироваться до размеров, приближающихся к коллоидным и образовывать стабильные системы. Опыт бурения показал, что такие глинистые суспензии, названные глинистыми растворами, во многих случаях способствовали улучшению условий бурения, сокращению числа обвалов, поглощений, выбросов. Глинистые растворы получили широкое распространение, и долгое время использование других промывочных жидкостей, особенно воды, считалось недопустимым. Однако опыт новаторов-нефтяников Урало-Поволжья показал, что при бурении в карбонатных породах использование воды более выгодно как технологически, так и экономически. В последние годы в качестве промывочных жидкостей стали применять растворы на нефтяной основе и гидрофобные эмульсии, содержащие в качестве дисперсионной среды углеводородные жидкости (нефть, соляровое масло), а в качестве дисперсной фазы — битум.

Необходимость создания и применения разнообразных по составу и свойствам промывочных жидкостей объясняется разнообразием условий бурения. Промывочные жидкости обладают определенными физическими и химическими свойствами, что обусловливает их огромное влияние на весь технологический процесс проводки скважин. Без всякого преувеличения можно сказать, что наиболее. важным мероприятием, определяющим успех проводки скважины и стоимость бурения, является правильный выбор типа промывочной жидкости и ее состава.

Рассмотрим значение наиболее важных физических и химических свойств промывочной жидкости, а также некоторых процессов, влияющих на условия бурения.

Удельный вес. Удельный вес определяет гидростатическое давление па забой и стенки скважины, которое создает столб промывочной жидкости. Это давление в любой точке скважины определяется из уравнения

где у — удельный вес промывочной жидкости в гс/см3; H — расстояние от уровня жидкости в скважине до рассматриваемой точки по вертикали в м.

Гидростатическое давление столба промывочной жидкости оказывает два взаимно противоположных влияния на процесс бурения. Положительное влияние гидростатическое давление столба промывочной жидкости заключается в создании давления на стенки скважины и особенно на проницаемые пласты, содержащие жидкости или газы с большим пластовым давлением (рпл).

Пока бурение еще не окончено, необходимо, чтобы пластовые жидкости или газы не могли двигаться из пласта на скважину, что достигается выполнением условия

Отрицательное влияние гидростатического давления заключается в том, что столб промывочной жидкости повышает прочность горных пород па забое в результате повышения вертикальной составляющей всестороннего сжатия, т. е. способствует снижению скорости бурения. С увеличением гидростатического давления возрастает опасность гидравлического разрыва пластов и поглощения промывочной жидкости.

Фильтрация. В соответствии с условием (5) давление столба промывочной жидкости в большинстве случаев должно быть больше пластового. Под действием перепада давления Ар = ргс—рпл происходит фильтрация жидкости в поры проницаемых пластов. Размеры пор невелики, они быстро засоряются твердыми частичками, содержащимися в промывочной жидкости, на проницаемой части стенок скважины образуется фильтрационная корка, замедляющая скорость фильтрации и препятствующая дальнейшему проникновению твердых частиц в проницаемые пласты.

Положительная роль фильтрационной корки заключается в уменьшении количества жидкости, отфильтровывающейся в пласты, отрицательная — в уменьшении диаметра скважины.

Вязкость. Промывочная жидкость осуществляет замкнутую циркуляцию в системе, протяженность которой может достигать 10—15 тыс. м. Для непрерывного перемещения большого количества жидкости по длинному и узкому пути необходимо затрачивать много энергии, расход которой зависит от вязкости промывочной жидкости. Вязкость оказывает и положительное действие. Силы внутреннего трения в жидкости и сцепления между частицами дисперсной фазы удерживают во взвешенном состоянии частицы выбуренной породы, а также тонкоразмолотые водонерастворимые тяжелые порошки (утяжелители), применяемые для повышения удельного веса промывочных жидкостей. Во многих случаях не требуется повышение удельного веса промывочной жидкости, а современные скорости подъема струи в затрубим пространстве обеспечивают вынос выбуренной породы даже при весьма низкой вязкости.

Тиксотропия. Положительная роль тиксотропии заключается в улучшении удерживающей способности промывочной жидкости. Высокотиксотропные промывочные жидкости, попадая в трещины поглощающих горизонтов, застудневают в них и способствуют ликвидации поглощения. В то же время тиксотропия создает затруднения при пуске насосов и вероятность гидравлического разрыва пласта в процессе бурения.

Теплоемкость и теплоотдача. Промывочные жидкости, как и любые жидкости, обладают способностью получать и отдавать тепло. Эта способность промывочных жидкостей используется естественным путем для охлаждения долот и забойных двигателей. Кроме того, промывочная жидкость по пути к забою нагревается, отбирая тепло у стенок скважины. В верхних, более холодных участках жидкость отдает тепло стенкам скважины. Охлаждается промывочная жидкость и па поверхности при движении по очистной системе.

Растворение. Промывочные жидкости являются растворителями. Большинство промывочных жидкостей способно растворять цементирующие вещества, связывающие частицы горных пород, и даже водорастворимые горные породы, слагающие стенки скважины, что является причиной образования каверн, обвалов и осыпей и часто приводит к серьезным осложнениям при бурении и даже к ликвидации скважины.

Щелочность. Путем регулирования щелочности можно изменять реологические и фильтрационные свойства промывочной жидкости. Однако повышение щелочности промывочных жидкостей во многих случаях снижает устойчивость горных пород, слагающих стенки скважины.

Адсорбция. Промывочные жидкости содержат вещества, которые могут адсорбироваться на стенках скважины, частицах выбуренной породы и в пористом пространстве продуктивных пластов. Адсорбирующиеся вещества могут оказывать и положительное, и отрицательное действие.

Положительное действие заключается в понижении твердости пород на забое, повышении устойчивости стенок скважины и проницаемости призабойной зоны продуктивных пластов. Отрицательное действие состоит в том, что некоторые поверхностно-активные вещества, наоборот, вызывают закупорку призабойной зоны продуктивных пластов, повышение прочности пород при бурении и снижение устойчивости стенок скважины.

Рассмотрение наиболее важных физических и химических свойств промывочных жидкостей показало, что любое из этих свойств оказывает одновременно и положительное, и отрицательное влияние на успех процесса бурения.

Физические и химические свойства промывочных жидкостей могут самопроизвольно или принудительно изменяться в очень широких пределах, в результате чего промывочные жидкости могут в большей или меньшей степени оказывать следующие воздействия на условия бурения и эксплуатации скважин.

Уменьшать проницаемость продуктивных пластов, создавая вокруг скважины зону пониженной проницаемости.

Понижать устойчивость стенок скважин.

Понижать буримость горных пород.

Оказывать давление на стенки скважин и проницаемые пласты, содержащие жидкости и газы.

Охлаждать долота и забойные двигатели.

Передавать энергию забойным двигателям — турбобуру и вибробуру.

Откладывать на стенках скважин, сложенных проницаемыми породами, фильтрационную корку.

В настоящее время в связи с развитием химии и технологии бурения создана возможность достаточно надежно регулировать физико-химические свойства промывочных жидкостей с таким расчетом, чтобы на разных этапах бурения обеспечивать необходимое воздействие на условия бурения и вскрытие продуктивных пластов.

Наиболее легко и просто регулировать свойства промывочных жидкостей для нормальных условий, т. е. при отсутствии минерализации, высокой температуры и высоких пластовых давлений. В более сложных условиях (высокая минерализация, высокая температура и высокое пластовое давление) регулирование свойств промывочных жидкостей усложняется и, главное, значительно удорожается. Кроме того, серьезные задачи стоят и в области создания и регулирования свойств промывочных жидкостей, способных повышать устойчивость стенок скважины. Все эти разносторонние требования привели к созданию целой серии промывочных жидкостей, обладающих разными свойствами и позволяющих вести бурение в различных геологических условиях.

Одна из первых попыток классифицировать промывочные жидкости, применяемые в России, сделана С.М. Кулиевым и Б.С. Филатовым, которые все применявшиеся в то время промывочные жидкости делят на три группы:

1) промывочные жидкости на водной основе, к ним относятся вода и глинистые растворы;

2) промывочные жидкости на нефтяной основе;

3) газообразные рабочие агенты.

Приведенная классификация характерна для своего времени (1950—1957 гг.). Более поздние классификации, относящиеся к 1964—1967 гг., даны в работах.

Американская ассоциация подрядчиков по бурению и Американский нефтяной институт предлагают классификацию, согласно которой промывочные жидкости разделены на 10 систем:

I) промывочные жидкости на пресной воде с низким pH (от 7 до 8,5); 2) промывочные жидкости на морской воде с низким pH;

3) промывочные жидкости, насыщенные солью с низким pH;

4) гипсовые глинистые растворы с низким pH; 5) известковые растворы с высоким pH (pH более 12); 6) глинистые растворы на пресной воде с высоким pH; 7) промывочные жидкости с низким содержанием твердой фазы (у < 1,07 гс/см3); 8) обратные эмульсии (типа вода в нефти); 9) растворы на нефтяной основе; 10) воздух, газ, туманы.

В.Ф. Роджерсом дается следующая классификация:

1) естественные растворы необработанные;

2) глинистые растворы на пресной воде (содержание NaCl менее 1%, ионов кальция менее 120 мг*экв/л): а) обработанные фосфатами— низкий pH (pH не более 8,5); б) обработанные каустиком и квебрахо (pH от 8,6 до 10,5); в) высокий pH (от 12,0 до 13,0); г) обработанные хромлигносульфонатом (pH от 8,5 до 10);

3) растворы па соленой воде: а) солоноватая вода; б) морская вода (приблизительно 3,5% NaCl); в) соленасыщенная вода;

4) кальциевые (многовалентные растворы): а) малоизвестковые; б) высокоизвестковые; в) гипсовые; г) хлоркальциевые, ацетатные или другие многовалентные катионы;

5) растворы с низким содержанием твердой фазы (менее 7% по объему);

6) нефтеэмульсионные растворы с содержанием до 15% нефти в воде;

7) обратные эмульсии (от 20 до 70% воды в нефти);

8) растворы на нефтяной основе;

9) силикатно-натриевые растворы (выходящие из употребления).

В основу классификации В.Ф. Роджерса положен состав дисперсионной среды и ее минерализация, в то время как классификация АНИ в большей мере основана на значении pH (глинистых растворов). По нашему мнению, величина pH не должна являться определяющим фактором при классификации промывочных жидкостей, так как может быть легко изменена введением, например, щелочи. Если же pH определяется типом применяемого реагента, то лучше назвать этот реагент.

Общим недостатком проведенных классификаций промывочных жидкостей, кроме указанных, является отсутствие данных о возможной области их применения. Перечисленные классификации лишь фиксируют название промывочных жидкостей и дают некоторые сведения о составе и свойствах.

При определении возможности использования различных типов промывочных жидкостей необходимо учитывать следующие особенности бурения скважины или отдельных интервалов: состав разбуриваемых пород; проницаемость пород; наличие водорастворимых солей; температура забоя и промывочной жидкости; устойчивость стенок скважин; пластовые давления; наличие продуктивных пластов.

По составу можно выделить следующие типы пород.

1. Несцементированные или слабосцементированные породы. К этой категории в основном относятся пески, галечники, конгломераты, а также некоторые типы нарушенных трещиноватых карбонатных и глинистых пород.

2. Устойчивые проницаемые породы, к числу которых относятся известняки и песчаники.

3. Устойчивые непроницаемые породы (изверженные, доломиты, мергели, сливные песчаники).

4. Плотные ненарушенные глинистые породы (глины, аргиллиты).

5. Соленосные породы (галит, ангидрит, сильвин и др.).

6. Нефтегазонасыщенные породы (выделяются в особую группу вследствие особых условий вскрытия этих пород).

Проницаемость горных пород обусловливает требования к водоотдаче, что необходимо учитывать при выборе и применении промывочных жидкостей. Так как получение определенной величины водоотдачи может быть достигнуто различными методами химической обработки и реагентами, то необходимо выбрать те эффективные при данной температуре методы и реагенты, которые могут сохранить устойчивость стенок скважин и обеспечить возможно низкую вязкость и статическое напряжение сдвига при заданном удельном весе раствора. При определении возможности использования промывочных жидкостей для бурения в различных по устойчивости породах необходимо учитывать следующие факторы: щелочность промывочной жидкости; содержание катионов поливалентных металлов; адсорбцию химических реагентов на поверхности неустойчивых глинистых пород.

Возможность получения промывочной жидкости необходимого удельного веса в основном зависит от вида применяемых глин, утяжелителей и понизителей вязкости и их процентного соотношения.

При выборе промывочных жидкостей для вскрытия продуктивных пластов основное значение имеют коэффициент восстановления проницаемости в и радиус зоны пониженной проницаемости R1. Однако следует также учитывать, что на промывочные жидкости, применяемые для вскрытия продуктивных пластов, содержащих глину, необходимо распространить те же требования, что и на жидкости, используемые при бурении в неустойчивых глинистых породах.

Исходя из приведенных выше основных положений и учитывая опыт применения различных промывочных жидкостей в России, предлагается следующая классификация промывочных жидкостей на водной основе (табл. 1).