Назначение и свойства буровых растворов

Удалять шлам из скважины легче с помощью жидкости, обладающей большей вязкостью, чем вода. В то же время буровой раствор должен легко нагнетаться и его вязкость должна хорошо контролироваться. В буровой практике обычно применяют растворы с вязкостью около 15 спз.

Буровые растворы должны обладать явной тиксотропностью, т. е. необходимо, чтобы они характеризовались предельным статическим напряжением сдвига после того, как постоят без возбуждения. Говоря образно, они должны обладать прочностью геля. Это свойство необходимо, чтобы шлам не осаждался в забой скважины и не «замораживал» буровой ствол, когда нагнетание или возбуждение бурового раствора временно прерывается. С другой стороны, нельзя допускать, чтобы предельное статическое напряжение сдвига и вязкость раствора были избыточными, поскольку в таком случае шлам и газы с трудом выделяются в отстойнике. Буровой раствор служит для сдерживания давления жидкостей, заключенных в разбуриваемых пластах. Обычно пластовые воды находятся под давлением, почти равном давлению столба воды такой же высоты, которая необходима, чтобы плотность раствора превышала плотность воды. Часто требуются растворы с очень большой плотностью, и для этих целей получают специальные тяжелые растворы, добавляя в них тяжелые материалы, например тонкомолотый барит. Буровой раствор должен иметь достаточную плотность и достаточное предельное статическое напряжение сдвига для удержания тяжелых материалов в суспензии.

Чтобы вода из буровых растворов не просачивалась в окружающие породы, стенки скважины покрывают водонепроницаемой оболочкой. Эта оболочка должна быть тонкой и не мешать бурению. Обеспечение хорошей водонепроницаемости особенно важно при бурении пород, которые сами по себе проницаемы и содержат растворы под довольно большими давлениями, а также в тех случаях, когда буровая вода может размягчать породы и вызывать их обрушение или набухание (глинистые сланцы). Необходимо также не допускать добавки больших количеств глинистого материала из разбуриваемых пород к буровому раствору, так как этот глинистый материал увеличивает вязкость раствора. Кроме того, следует предотвратить проникновение воды буровых растворов в пески, которые могут быть нефтеносными, так как взаимодействие воды с любой глиной в таких песках может привести к уменьшению проницаемости и вследствие этого к уменьшению нефтеотдачи.

Желательно, чтобы вязкость и предельное статическое напряжение сдвига бурового раствора изменялись относительно слабо при больших изменениях концентрации электролитов и чтобы эти свойства могли отчасти контролироваться химической обработкой. Буровые скважины в некоторых районах часто проходят соль или гипс, что обусловливает внезапное резкое изменение содержания электролитов в растворе. Чтобы в таких случаях свойства растворов не изменялись, их следует подвергать соответствующей химической обработке или использовать растворы, свойства которых остаются постоянными при изменении их состава.

Проблема контроля вязкости и предельного статического напряжения сдвига буровых растворов решается иначе, чем подобная проблема глинисто-каолинового шликера в керамическом производстве. Примесь небольшого количества, едкого натра разжижает шликер, тогда как в буровых растворах на монтмориллонитовой глине небольшое количество едкого натра может оказать противоположное действие, т. е. вызвать сгущение шликера. Для регулирования вязкости и предельного статического напряжения сдвига буровых растворов используются разнообразные химические вещества, например комплексные полифосфаты, такие, как гексаметафосфат натрия, и органические слабые кислоты, обычно высокомолекулярные, такие, как дубильные вещества, наподобие квебрахо, и гумусовые кислоты.

Известковистые растворы с высокими значениями pH используются в тех случаях, когда необходимо сохранить вязкость и предельное статическое напряжение сдвига при добавке глины из разбуриваемых пород и при большом содержании электролитов. Такие растворы содержат много гашеной извести и каустической соды и характеризуются величиной pH в пределах 12—13. Кроме того, они содержат, как правило, защитные коллоиды, дубильные вещества, производные гумусовой кислоты или желатинизированный крахмал; иначе растворы полностью коагулировали бы. Регулирование свойств таких растворов с высоким pH — весьма точная процедура, требующая высокого мастерства инженера по буровым растворам. Концентрация органического вещества в таких растворах должна быть соответственно высокой: она колеблется в пределах 4—5 фунтов органического вещества на баррель раствора. Когда добавляется глина либо в качестве компонента бурового раствора, либо в виде размолотых обломков пород, разбуренных скважиной, она почти не диспергируется (хотя в воде глина обычно легко диспергируется), и поэтому происходит только слабое увеличение консистенции раствора. Это свойство буровых растворов позволяет проводить разбуривание пластов глинистых сланцев. Хотя частицы глинистых сланцев и будут поступать в растворы, свойства таких растворов при обеспечении необходимого контроля фактически не будут зависеть от количества глинистых сланцев, способных к диспергации, что и позволяет вести их разбуривание. Такие растворы характеризуются в основном очень низким предельным статическим напряжением сдвига как после возбуждения, так и после периода покоя и тем, что из них получаются глинистые корки с крайне низкой проницаемостью. Насыщение их солью может не ухудшать свойств раствора, особенно если в нем присутствует желатини-зированный крахмал.

В забое некоторых буровых скважин отмечаются довольно высокие температуры и давления, и поэтому необходимо, чтобы свойства растворов сохранялись и при таких условиях. Известны случаи, когда в буровых растворах образовывались цеолиты и цементирующие вещества у основания скважины, что приводило к аварии. Предполагается, что известково-содовые растворы с высоким pH наименее устойчивы в условиях повышенных температуры и давления.

В последние годы стали применяться растворы с добавкой гипса в тех случаях, когда требуется большая устойчивость к солям. Такие растворы имеют высокую концентрацию кальция, предотвращают диспергирование разбуриваемых глинистых сланцев и глин. Гипсовые растворы характеризуются средней величиной pH и не образуют цементирующих веществ, которые вызывают сгущение растворов при высоких температурах, иногда имеющих место в глубоких скважинах. До недавнего времени контроль вязкости и предельного статического напряжения сдвига гипсовых растворов был очень сложен, однако с получением лигносульфонатов хромисто-железистого типа (например, материал, в практике называющийся «Q—BROXIN») можно соответствующим образом химически обработать растворы. Устойчивость таких обработанных растворов к солям иллюстрируется тем, что в буровых растворах может быть использована морская вода.