Требования, предъявляемые к промывочным жидкостям при разбуривании несцементированных пород

Изучение опыта применения промывочных жидкостей показало, что в различных районах России и за рубежом к ним предъявляют совершенно различные требования. Так, при бурении девонских скважин в Татарии и Башкирии применяют воду, не считаясь с ее большой фильтрацией и отсутствием удерживающей способности. В Краснодарском крае считают недопустимым CHC выше 20—50 мгс/см2, а в районах Прикарпатья, наоборот, применяют глинистые растворы с неизмеримыми значениями статического напряжения сдвига. В Азербайджане для разбуривания глинистых пород применяют высокощелочные (обработанные УЩР) глинистые растворы, а на Украине — хлоркальциевые. Эти примеры показывают, что требования к промывочным жидкостям должны быть различны в зависимости от условий в скважинах.

При разработке требований к промывочным жидкостям следует исходить из необходимости решения следующих основных задач:

1) предупреждение или уменьшение осложнений;

2) обеспечение максимального дебита скважин;

3) достижение наиболее высоких показателей бурения.

В зависимости от наличия в разрезе скважин различных типов горных пород должны изменяться и требования, предъявляемые к промывочным жидкостям. Рассмотрим значение качества промывочных жидкостей при бурении в различных несцементированных рыхлых хорошо проницаемых породах. Устойчивость стенок скважин при бурении в таких породах достигается за счет глинизации, т. е. заполнения пористого пространства вблизи ствола скважины пастообразной глинистой массой и образования на стенках скважин тонкой и малопроницаемой глинистой корки. Промывочная жидкость в этих условиях должна иметь максимальную водоотдачу (фильтрацию), чтобы на стенках образовалась тонкая корка. Если несцементированная порода не содержит жидкости, то необходимо, чтобы в породу фильтровалось как можно меньше жидкости, так как фильтрат смачивает поверхности контакта между частицами породы, уменьшая коэффициент трения. Между тем трение между частицами в первую очередь способствует сохранению устойчивости рыхлых пород.

Вторым требованием, предъявляемым к промывочным жидкостям при бурении в рыхлых породах, является максимально возможное снижение удельного веса, чтобы обеспечить незначительное превышение гидростатического давления промывочной жидкости над пластовым (если породы насыщены жидкостью). Это необходимо для того, чтобы уменьшить количество жидкости, фильтрующейся в пласт под действием перепада давлений.

Предельное статическое напряжение сдвига промывочной жидкости должно быть достаточно высоким, чтобы в случае небольших осыпей порода не оседала на забой скважины. Необходимое минимальное значение CНC может быть получено из рассмотрения сил, действующих на частицу выбуренной породы, находящуюся в покоящейся промывочной жидкости, которая имеет предельное статическое напряжение сдвига, равное 0. Сила тяжести отдельной частицы, имеющей сферическую форму, равна 4/3 пr3(уп—у). Падению частиц препятствует сила, обусловленная предельным статическим напряжением сдвига и равная 4пr20. Приравнивая обе силы, получаем формулу для определения минимальной необходимой величины 0:

где d — диаметр частиц в см; уп — объемный вес пород в гс/см3; у — удельный вес промывочной жидкости в гс/см3, или

В частном случае, если у = 1,2 гс/см3, уп = 2,4 гс/см3

Легко доказать, что формулы (82—84) справедливы и при другой (не сферической) форме частиц.

Для удержания во взвешенном состоянии частиц утяжелителя диаметром 10в-2 см при удельном весе промывочной жидкости 1,8 гс/см3 минимально допустимое значение CHC равно

Если промывочная жидкость содержит пузырьки газа, то возникает задача определения максимально допустимого значения предельного статического напряжения сдвига из условия выделения пузырьков. Для установления зависимости между диаметром пузырька dп и 0 примем в формуле (81) d = dп; уп = 0.

Тогда получим

Знак минус в формуле (85) показывает, что усилие в данном случае направлено вверх. Переменив знак неравенства, получим.

Из формулы (86) можно определить минимальный диаметр всплывающих пузырьков

Расчеты по формуле (87) показывают, что даже при небольшом значении 0 = 10 мгс/см2 и у 1,5 гс/см3 всплывают только пузырьки газа, имеющие диаметр больше 0,4 мм, а при 0 = 100 мгс/см2 всплывают пузырьки газа, имеющие диаметр больше 4 мм.

В некоторых районах в качестве меры тиксотропии принимают отношение 010:01 (объединение Краснодарнефтегаз и др.), что совершенно неверно. Например, если взять отношение 010:01, то глинистый раствор с 01=20 мгс/см2, 010=40 мгс/см2 и глинистый раствор 01=100 мгс/см2, 010=200 мгс/см2 будут иметь одинаковую величину тиксотропии. На самом деле второй глинистый раствор имеет значительно большую тиксотропию, чем первый. Отсутствуют также указания о мере тиксотропии и у зарубежных авторов.

В качестве меры тиксотропии, в соответствии с определением этого реологического параметра, целесообразно принять скорость нарастания структуры в промывочной жидкости:

Высокая тиксотропии необходима для промывочных жидкостей, закачиваемых вместе с наполнителями в трещины для ликвидации поглощений, а также при консервации скважин. При нормальных условиях бурения необходимо стремиться, чтобы величина Tт не превышала 5 мгс/см2*мин. Оптимальное значение Тт = 1—2 мгс/см2*мин.

Химический состав фильтрата при бурении в несцементированных породах чаще всего не имеет существенного значения. Если же породы слабосцементированные, то наличие щелочи в фильтрате может привести к растворению цементирующего материала, т. е. к снижению устойчивости пород.

Рыхлые несцементированные породы (обычно песок, гравий), переходя в промывочную жидкость, вызывают повышение ее абразивности, что приводит к преждевременному износу деталей буровых насосов, турбобуров, долот и т. д. Поэтому очень важно хорошо очищать промывочные жидкости от песка с помощью гидроциклонов.