Требования, предъявляемые к буровым растворам

21.11.2020

Одним из важнейших, если не главным залогом успешного бурения горизонтальных скважин является качество бурового раствора.

Анализ отечественного и зарубежного опыта бурения горизонтальных скважин, а также скважин с большим углом отклонения говорит о том, что не существует универсальных буровых растворов, дающих хорошие результаты для всего цикла бурения. Поэтому важнейшей задачей при выборе рецептуры бурового раствора является выбор такого состава, который бы позволял не только пробурить большую часть ствола скважины, но и мог бы легко модифицироваться при необходимости изменения режимов бурения (угла наклона ствола скважины, геологофизических параметров и др.). В данном случае под рецептурой понимаются как состав бурового раствора, так и параметры, определяющие его свойства. К ним относятся: плотность, кинематическая и агрегативная устойчивость, вязкость, смазывающая и ингибирующая способность и другие параметры, зависящие не только от количественного и качественного состава бурового раствора, но и от условий бурения скважин (скорости проходки, температуры и т. д.). В этой связи перед выбором или разработкой новых буровых растворов следует тщательным образом изучить разрез месторождения и особенности бурения искривленных и горизонтальных скважин. Что касается первого условия, то при наличии вертикальных скважин, пробуренных на данном месторождении, решение задачи во многом упрощается. Несколько сложнее с особенностями бурения горизонтальных участков ствола и прогнозированием успеха. Без знания результатов исследований и накопленного опыта бурения горизонтальных скважин в различных геологических условиях здесь не обойтись. Поэтому имеется необходимость указать на некоторые специфические факторы, влияющие на буровые растворы, связанные с горизонтальным бурением, а также на требования, предъявляемые к ним.

Прежде всего необходимо перечислить некоторые особенности проводки горизонтальных участков ствола, в наибольшей степени определяющие требования к буровым растворам. Вот некоторые из них: значительно худшая очистка ствола скважины в горизонтальной ее части из-за изменения гидродинамики потока в сравнении с вертикальной частью ствола. Это приводит к зашламлению ствола и прихватам бурильного инструмента. Возникновение избыточного крутящего момента по причине увеличившегося трения, лежащего в горизонтальной плоскости бурильного инструмента. Увеличение кольматации приствольной зоны продуктивного пласта в течение всего периода проходки горизонтальной части ствола. Плохое качество цементирования из-за эксцентричного расположения колонны. Нарушение устойчивости стенок скважины. Более вероятна потеря циркуляции и др. Конечно, многое из перечисленного в зависимости от сложности геологического разреза встречается и при бурении вертикальных скважин, но при равенстве условий вероятность проявления их в горизонтальных скважинах встречается значительно чаще, а тяжесть последствий выше. Вот почему подбору буровых растворов для бурения сильно искривленных и горизонтальных стволов скважин должно уделяться самое пристальное внимание. При решении этой задачи должен соблюдаться принцип - от простого к сложному. При наличии на месторождении вертикального фонда скважин вначале необходимо решить все вопросы, связанные с их бурением, в том числе и по отработке рецептур буровых растворов, и лишь затем решать вопросы, связанные с особенностями искривленного и горизонтального бурения.

Ниже в краткой форме мы перечислим некоторые рекомендации, касающиеся буровых растворов, опубликованные сотрудниками американской компании M-1 Дриллинг Флюидз (М-1 Drilling Fluids Co), знание которых, безусловно, упростит решение задач для наших условий. Вполне понятно, что такие растворы должны обладать повышенной универсальностью, т. е. обладать большим диапазоном применения, а также поддаваться модификации в процессе бурения скважин без полной замены раствора.

Наиболее близко удовлетворяют этим требованиям инвертные эмульсии, буровые растворы на нефтяной основе. Они обладают высокой ингибирующей и смазывающей способностью, что является немаловажным по перечисленным выше причинам. К сожалению, их применение ограничено из-за несоответствия высоким экологическим требованиям в большинстве нефтедобывающих районов. В то же время следует отметить, что немало скважин с искривленным и горизонтальным стволами пробурены и на глинистых буровых растворах на водной основе с добавлением полимеров и химических реагентов.

Одним из основных требований, предъявляемых к буровым растворам, для успешной проводки искривленных и ГС является возможность регулирования плотности раствора. Плотность раствора должна постоянно поддерживаться в узком диапазоне, чтобы обеспечить устойчивость стенок скважины при бурении. Она должна быть достаточно высокой для того, чтобы сдерживать пластовое давление и сохранять устойчивость стенок скважины, и в то же время достаточно низкой для того, чтобы не произошло гидроразрыва пород. Исследования, проведенные американскими учеными Б.С. Ладноу и М. И. Ченевертом, показали, что с увеличением глубины и угла наклона скважины вероятность обвала стенок скважины возрастает, а градиенты гидроразрыва пласта, как правило, уменьшаются. Эта закономерность справедлива для любых типов коллекторов, что подтверждается промысловыми испытаниями. Сам же диапазон возможного изменения плотностей бурового раствора (от минимального до максимального), не приводящего к нежелательным последствиям, безусловно, зависит не только от типа коллектора, но и его устойчивости к разрушению. Последнее в большой степени влияет на граничные значения минимальных плотностей бурового раствора. Построение зависимостей максимальных и минимальных плотностей бурового раствора является достаточно непростым делом и требует предварительного изучения прочностных характеристик коллекторов, профиля и конструктивных особенностей скважин. Однако, учитывая исключительную важность этих параметров и динамики их изменения в зависимости от кривизны и продолжительности ГС, изучением их необходимо заниматься обязательно.

He менее важным в технологическом процессе строительства горизонтальных скважин является качество промывки ствола от выбуренного шлама. Известно, что на этот показатель в наибольшей степени оказывают влияние три параметра, а именно: вязкость бурового раствора, его плотность и скорость потока. Особое значение соблюдение этих параметров имеет при строительстве наклонных скважин. Одна из причин заключается в существовании трех отличающихся друг от друга по степени очистки интервалов в стволе в зависимости от угла его наклона, а именно соответственно от 0 до 45°, от 45° до 55° и от 55° до 90°. В первой и третьей группах интервала осложнения носят менее серьезный характер. Способность шлама к накоплению в стволе и его сползанию при угле наклона в 45-55 градусов значительно увеличивает осложнения (см. рис. 1.13).

Склонность же к увеличению скорости осаждения шламовых частиц при прочих равных условиях наблюдается в более широком интервале углов наклона ствола. В наклонном стволе по сравнению с вертикальным наблюдается многократное увеличение скорости осаждения шлама. Открытие этого явления приписывается физику А.Е. Бойкотту, который в 1920 году установил, что кровяные тельца в наклонных пробирках осаждаются быстрее, чем в вертикальных. He вдаваясь в теоретическое обоснование описанного А.Е. Бойкоттом эффекта, следует знать, что он действительно существует и применительно к рассматриваемому вопросу может сыграть отрицательную роль вплоть до прихвата бурового инструмента при проходке искривленных участков стволов скважин. При бурении скважин с промывкой растворами на углеводородной основе, при всех его достоинствах, также не происходит полной очистки ствола, т. к. скопления шлама при больших углах наклона ствола обладают меньшей устойчивостью, чем в скважинах, промываемых растворами на водной основе. Это наводит на необходимость разработки новых добавок, повышающих значение вязкости при малой скорости сдвига и прочности геля, не оказывающих при этом нежелательного воздействия на общую вязкость бурового раствора.

Кроме названных параметров бурового раствора для бурения искривленных и горизонтальных скважин, большое значение имеют смазывающая способность и водоотдача. Первый - для снижения крутящего момента по причине увеличенного осевого трения бурильных колонн; второй - для снижения кольматации пород, повышения устойчивости стенок скважины и предупреждения прихватов. Опасность проявления всех этих осложнений в значительной степени возрастает при бурении ГС. Водоотдача в таких случаях должна поддерживаться на значительно более низком уровне, чем при бурении вертикальных скважин, Регулироваться водоотдача должна в зависимости от температуры, давления и других параметров пласта.

Низкая вязкость раствора, высокая скорость циркуляции и турбулентный режим обеспечивают оптимальную очистку для горизонтальных участков ствола скважины. Однако и это не является догмой. Турбулентный режим для вымыва шлама может применяться в тех случаях, когда нет вероятности значительного размыва стенок скважины, особенно в неустойчивых интервалах и на внешнем радиусе искривления ствола скважины. В результате локального изменения конфигурации и объема ствола по этой причине поток раствора приобретает ламинарный характер движения, что отражается на его несущей (кинематической) устойчивости и, как следствие этого, затрудняется вынос шлама из затрубного пространства, что может привести к прихвату инструмента. Конечно, все сказанное о буровых растворах надо воспринимать как существенные ориентиры. Значение опыта бурения скважин в конкретных геологических условиях трудно переоценить при определении технологического регламента бурения искривленных и горизонтальных скважин, да и при отработке оптимальных рецептур буровых растворов. Для объективности суждений о шламообразовании в искривленных участках ствола горизонтальных скважин приведём информацию, опубликованную в статье В.И. Крылова и В.В. Крезуп «Особенности очистки стволов горизонтальных скважин от шлама». Авторы дают классификацию участков ствола скважины в зависимости от поведения шлама в затрубном пространстве. Наиболее трудно очищаемой зоной кольцевого пространства является участок ствола с зенитным углом 35-55°.

Практически все исследователи отмечают замедление потока бурового раствора на указанном участке. Из уравнения баланса, действующего на сферическую частицу, расположенную в плоскости с углом отклонения от вертикали в медленном сдвиговом потоке вязкой жидкости, А.Г. Потаповым и С.В, Васильевым были получены наиболее вероятные значения интервала зенитного угла, равные 36° и 54°, при которых возможно дюнообразование.

При угле наклона ствола менее 10° частицы начинают оседать по направлению к забою под действием силы тяжести. В интервале 10-30° начинают формироваться напластования шлама. Шлам становится вязче и плотнее при повышении зенитного угла, сохраняя тенденцию к скольжению вниз к забою. Эта тенденция уменьшается до тех пор, пока наклон ствола не достигает 60°, после чего силы трения становятся причиной остановки шлама. Максимальный угол скольжения для растворов на углеводородной основе и синтетических растворов, как правило, выше, чем для растворов на водной основе из-за высокой смазывающей способности. Отмечено также, что при увеличении интенсивности турболизации потока промывочной жидкости вынос шлама увеличивается. На участках скважины с углом наклона от 35 до 60° режим течения мало влияет на вынос шлама. Однако диапазоны наклона стволов скважин могут меняться в результате воздействия и других факторов, таких как размерная характеристика шлама, форма частиц шлама и др. Немалое влияние оказывают реологические и тиксотропные свойства промывочной жидкости.

На эффективность очистки горизонтального ствола скважины влияют регулируемые и нерегулируемые факторы. К первым относятся: расход промывочной жидкости, механическая скорость проходки, реологические свойства промывочной жидкости, зенитный угол и диаметр скважины. Эти факторы необходимо учитывать на стадии проектирования и при решении оптимизации задач при бурении скважин.

Ко второй группе факторов относятся: плотность и размер частиц шлама, эксцентричное положение бурильной колонны в стволе скважины. При угле наклона боле 20° бурильная колонна может лежать на нижней образующей, что значительно влияет на профиль скоростей потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве и поведение частиц шлама. При увеличении частоты вращения бурильной колонны (при роторном бурении) наблюдается улучшение выноса шлама из наклонного ствола скважины. И наоборот, если бурильная колонна не вращается, что имеет место при бурении забойным двигателем с отклонителем (наиболее широко распространенный способ в практике строительства горизонтальных скважин), вынос шлама ухудшается. В этих случаях, чтобы компенсировать неподвижность бурильной колонны, может потребоваться повышенный расход промывочной жидкости.

При бурении скважин вообще и особенно при бурении горизонтальных скважин большое внимание уделяется реологическим свойствам промывочной жидкости: таким параметрам, как вязкость, статическое и динамическое напряжение сдвига, несущая способность жидкости, время релаксации раствора и др. Большинство исследователей пришли к единодушному мнению, что увеличение времени релаксации улучшает удерживающую и несущую способность промывочной жидкости при строительстве горизонтальных и сильно искривлённых скважин. Достичь этого можно за счёт ввода ХС-биополимера. В качестве реагентов-биополимеров применяют сочетание простых сахаридов и специальных бактерий.

Во время бурения горизонтальных скважин нередко возникает необходимость по техническим и технологическим причинам останавливать работу скважин. В этот период времени происходит достаточно быстрый процесс снижения гидропроводности прифильтровой части пласта, в том числе и по причинам загрязнения.

Из двух существующих промывок, прямой и обратной, наиболее эффективно в горизонтальных скважинах осуществлять обратную промывку, Она позволяет:

- повысить скорость движения восходящего потока в 3-5 раз за счёт уменьшения площади сечения колонны бурильных труб по сравнению с площадью кольцевого пространства;

- осуществить при необходимости дополнительную очистку ствола скважины способом гидроимпульса, понижая уровень промывочной жидкости в бурильной колонне до безопасной глубины с помощью компрессора;

- снизить силы сопротивления движению шлама, так как коэффициент трения скольжения частиц шлама о металл меньше коэффициента трения скольжения о необсаженные стенки скважины. Если бурение с помощью обратной промывки все же составляет

определённую сложность по каким-либо причинам, то необходимо хотя бы предусмотреть возможность обратной промывки для ликвидации осложнений, связанных с некачественной очисткой ствола, на стадии проектирования скважины.

В заключение этого раздела считаю необходимым акцентировать внимание специалистов-нефтяников, занимающихся бурением скважин, на эмпирические правила эффективности очистки горизонтальных скважин от шламовых накоплений. Данные правила разработаны компанией M-1 Drilling Fluids Co и опубликованы Марио Замора и Поль Хансоном под названием «Эмпирические правила повышения эффективности очистки ствола сильноискривленных скважин».

В этой работе приведены результаты исследователей проблемы обеспечения качественной очистки ствола скважины отделёнными компаниями, занимающимися бурением сильно искривленных скважин. Несмотря на то что результаты этих исследований в основном согласуются с описанными ранее в технической литературе, а также в определенной степени и исследованиями, проведенными на месторождениях Удмуртии при проводке ГС, нам представляется важным повторить их в сжатом виде.

При проведении исследований было установлено четыре диапазона углов наклона ствола скважины:

1 - близкий к вертикальному - 0-10°;

2 - малый - 10°-30°;

3 - средний - 30°-60°;

4 - большой - 60°-90°.

Правило 1.

Из четырех указанных выше диапазонов наклона ствола скважины наибольшую опасность представляет средней (30°-60°).

Скопившийся шлам сползает или лавиной устремляется в направлении, противоположном движению раствора, особенно при углах наклона ствола от 35 до 55°.

Правило 2.

Верхняя и нижняя границы каждого диапазона углов наклона ствола скважины может изменяться в результате воздействия факторов, влияющих на степень устойчивости осевшего шлама. К числу этих факторов относятся: шлам (вид, форма, размер частиц), буровой раствор (тип, реологические и тиксотропные свойства), а также характер поверхности ствола скважины.

Установленные границы каждого диапазона углов наклона ствола скважины носят общий характер и могут включать в себя более широкий круг факторов, влияющих на устойчивость осевшего шлама. Следует иметь в виду, что нет четкого разграничения характера поведения шлама в различных интервалах углов наклона ствола.

Правило 3.

Осаждение «Бойкотта» может ускорить осаждение шлама, особенно в скважинах с углом наклона 40°-50".

Напоминаем, что открытие этого явления приписывается физику А.Е. Бойкотту.

Частицы выбуренной породы в наклонно направленных скважинах, а также на отдельных участках ствола горизонтальных скважин могут осаждаться гораздо быстрее, чем в вертикальных. Увеличение скорости осаждения наиболее очевидна при углах наклона ствола от 40° до 50° - в этом же диапазоне происходит наиболее интенсивное скольжение шлама.

Во многих случаях циркуляция раствора усиливает эффект Бойкотта. В результате этого шлам осаждается гораздо быстрее в динамических условиях. Увеличение скорости циркуляции, вязкости и прочности геля может уменьшить, но не устранить усиленное динамическими условиями осаждения Бойкотта.

Правило 4.

Технологический регламент бурения, оптимальный для одного интервала скважин, может быть непригодным для бурения других интервалов той же скважины.

Несмотря на то что эффективный вынос шлама ориентирован на конкретный угол наклона ствола скважины, следует иметь в виду, что в одной и той же скважине могут встречаться все четыре диапазона углов наклона. Это особенно характерно при бурении горизонтальных скважин и при бурении боковых горизонтальных стволов.

Правило 5.

Скопление шлама происходит в интервалах с пониженной скоростью восходящего потока; при остановке циркуляции может произойти оползание шлама, если угол наклона ствола меньше 50°.

Исследования показали, что скопление шлама в интервалах размыва ствола скважины происходит в результате уменьшения скорости движения раствора в затрубном пространстве.

Правило 6.

При бурении сильно искривленных скважин необходимо использовать модифицированные варианты тех растворов, которые успешно использовались при бурении соседних вертикальных или близких к вертикальным скважинам той же площади.

Выбор бурового раствора с оптимальными для сильно искривленной скважины или для горизонтальной скважины определяется геологическими, экологическими и экономическими факторами. К геологическим факторам следует прежде всего отнести наличие гидратируемых сланцев, пластических солей, слабосцементированных песчаников, зон поглощения и др.

Правило 7.

Буровые растворы с аналогичными реологическими свойствами обеспечивают сравнительно одинаковую эффективность очистки ствола от шлама при условии, что свойства шлама остаются неизменными.

Правило 8.

Применение ингибирующих буровых растворов повышает эффективность очистки ствола при бурении химически активных пород.

Исследование буровых растворов, содержащих мелкодисперсные частицы, показали, что межчастичные силы сцепления с осаждением шлама затрудняют удаление шлама на поверхность. Необходимы высокие скорости движения раствора в затрубном пространстве.

Осаждение шлама наблюдается при промывке растворами как на водной, так и на углеводородной основе при всех углах наклона скважины, за исключением углов, близких к вертикальному.

Правило 9.

Шлам легко осаждается, но трудно удаляется.

Ввиду того что осаждение является причиной многих осложнений, связанных с некачественной промывкой ствола, необходимо применение таких буровых растворов и технологических режимов бурения, которые бы максимально уменьшали его осаждение.

Правило 10.

Улучшение удерживающей способности бурового раствора уменьшает осаждение шлама.

Улучшение удерживающей способности бурового раствора достигается повышением прочности геля и вязкости.

Правило 11.

Неравномерное распределение скорости ламинарного потока, обусловленное эксцентричностью бурильной колонны при промывке высоковязкими жидкостями, способствует эффективному выносу шлама.

В концентричном затрубном пространстве скорость движения раствора равномерно распределена вокруг бурильной колонны. Смещение бурильной колонны к нижней стенке скважины приводит к изменению скорости движения жидкости у верхней стенки скважины.

Правило 12.

Значительное смещение профиля скорости требует максимального уменьшения осаждения шлама на нижней стенке скважины.

Недостаток энергии раствора у нижней стенки скважины значительно затрудняет удаление осевшего шлама. Поэтому при бурении сильно искривленных участков скважин необходимо максимально уменьшить осаждение шлама.

Правило 13.

Расслоение по плотности утяжеленных буровых растворов усиливает смещение профиля скважины.

Во время циркуляции раствора в наклонном стволе скважины происходит расслоение бурового раствора по плотности в направлении от верхней стенки ствола к нижней.

Динамическое расслоение по плотности также приводит к возникновению градиента вязкости, при котором менее вязкий и легкий раствор занимает верхнюю часть наклонного ствола, а более тяжелый и вязкий раствор - нижнюю часть ствола. Это явление усиливает смещение профиля скорости.

Правило 14.

Увеличение скорости восходящего потока бурового раствора повышает эффективность выноса шлама независимо от режима промывки.

Правило 15.

При больших углах наклона ствола скважины толщина осевшего шлама обратно пропорциональна скорости восходящего потока.

Правило 16.

Механизм выноса шлама в значительной степени определяется скоростью движения раствора в затрубном пространстве.

Правило 17.

При бурении пород, склонных к размыву, предпочтительно применение ламинарного режима промывки скважин.

Если при бурении скважины существует вероятность размыва стенок скважины, то применение турбулентного режима нецелесообразно. Ниже критического уровня скорости потока осаждение шлама может стать особенно интенсивным. Применение ламинарного режима может быть также предпочтительно, если в буровой раствор необходимо ввести большое количество добавок с целью увеличения его вязкости. При более высоких значениях вязкости достижение турбулентного режима затруднительно. Поддержание оптимальных свойств бурового раствора особенно важно при ламинарном режиме промывки скважин.

Правило 18.

Применение турбулентного режима обеспечивает эффективный вынос шлама при бурении сильно искривленных скважин малого диаметра в устойчивых породах.

Турбулентный режим промывки повышает эффективность очистки ствола, однако его применение ограничено определенными условиями. Прежде всего, это конфигурация ствола скважины, свойства бурового раствора, а также гидравлическая возможность оборудования. Кроме того, породы должны быть достаточно устойчивыми и химически инертными, чтобы противостоять размыву.

Ввиду того что для обеспечения турбулентного режима значение вязкости обычно поддерживается на низком уровне, удерживающая способность бурового раствора может быть недостаточной. При остановке циркуляции во всех интервалах ствола может происходить быстрое осаждение шлама. При высоких углах наклона ствола скважины осевший шлам сохраняет неподвижность. При меньших углах наклона может происходить оползание шлама. Учёт всех этих обстоятельств должен учитываться при любом бурении наклонных скважин и особенно при бурении горизонтальных стволов.

Правило 19.

Эффективность очистки ствола скважины при ламинарном режиме повышается с увеличением вязкости при небольших скоростях сдвига и прочности геля.

Правило 20.

Задание реологических свойств легче достигается в определенных системах буровых растворов.

Повышенное значение вязкости и прочности геля при небольших скоростях сдвига труднее достигается в утяжеленных буровых растворах или в растворах с введением большого количества добавок.

Правило 21.

В очищенном буровом растворе легче поддерживать заданные реологические свойства.

Правило 22.

Как правило, закачивание пачек бурового раствора повышенной вязкости с небольшой скоростью не дает нужного эффекта при бурении интервалов с большим углом наклона, если не вращать и не расхаживать буровую колонну.

Целесообразность закачивания порций бурового раствора повышенной вязкости очевидна, однако она дает эффект только в том случае, если шлам находится во взвешенном состоянии; в том случае, если шлам выпал в осадок, закачивание пачек вязкого раствора может быть эффективным только при расхаживании и вращении бурильной колонны с целью его разрыхления.

Правило 23.

Эффективность очистки ствола скважины повышается, если закачивать пачки бурового раствора повышенной вязкости в достаточном объеме, с высокой скоростью и турбулентном режиме.

Турбулентный поток может эффективно размывать образовавшийся осадок шлама, однако если объем закачиваемого бурового раствора повышенной вязкости недостаточен, то шлам, переместившись на небольшое расстояние, снова осядет на нижней стенке скважины. Во избежание этого, после закачивания пачки бурового раствора повышенной вязкости в турбулентном режиме в скважину закачивают порцию вязкого бурового раствора.

Правило 24.

Вращение буровой колонны более эффективно в вязких буровых растворах.

Правило 25.

Вращение и расхаживание бурильной колонны улучшает качество очистки ствола.

Правило 26.

Увеличение плотности бурового раствора улучшает его способность удерживать шлам на плаву и повышает качество очистки ствола скважины.

Скорость осаждения шлама зависит от разности плотностей бурового раствора и шлама. При небольшой разности плотностей скорость осаждения шлама небольшая, а качество очистки ствола скважины более высокое.

Правило 27.

При бурении интервалов с большим углом наклона утяжелитель может выпадать в осадок вместе с буровым шламом.

Несмотря на то что буровые растворы с высокой плотностью до сих пор применялись при бурении немногих горизонтальных скважин, число таких скважин стремительно растет. Бурение же сильно искривленных скважин неизменно требует применения утяжеленных буровых растворов.

Правило 28.

Повышение устойчивости стенок скважины и улучшение качества промывки лучше всего достигается изменением плотности бурового раствора.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна