Буровые растворы широко применяются в технологическом процессе бурения с целью активизации разрушения горных пород и защиты оборудования от коррозии. Они должны быть устойчивыми к возмущающим воздействиям, а также безопасными для окружающей среды и обслуживающего персонала.
Буровой раствор (БР) – неотъемлемая часть процесса бурения скважин. Он играет важную роль в поддержании стабильности стенок скважины, удалении отходов, снижении трения, контроле давления, других аспектах процедуры. Состав, а также свойства БР могут меняться в зависимости от конкретных условий бурения, требований технологического процесса. Рассмотрим основные характеристики, типы, производство буровых растворов, а также области их применения.
Что такое буровой раствор?
Прежде всего, дадим определение буровому раствору. Это специальная жидкость, которая используется при бурении скважин. Она вливается в скважину с помощью специального оборудования и выполняет ряд функций.
Во-первых, помогает охлаждать и смазывать детали буровой установки, уменьшая трение и износ оборудования. Во-вторых, помогает при подъеме высверленного материала из скважины, уносит обрывки породы, защищает стенки скважины от обрушений. Еще в БР содержатся разные добавки – химические реагенты. Они способствуют разрушению горных пород, а также минимизации риска попадания газов или нефти в скважину.
Как правило, используются растворы на основе воды и углеводородных частиц (раствор битума и известняка, эмульсии инвертного типа). Однако могут использоваться другие компоненты, в зависимости от условий бурения, характеристик скважины.
При вращательном бурении нефтяных и газовых скважин в качестве промывочных жидкостей используются:
- агенты на водной основе (техническая вода, естественные буровые растворы, глинистые и неглинистые растворы);
- агенты на углеводородной основе;
- агенты на основе эмульсий;
- газообразные и аэрированные агенты.
Техническая вода — наиболее доступная и дешевая промывочная жидкость. Имея малую вязкость, она легко прокачивается, хорошо удаляет шлам с забоя скважины и лучше, чем другие жидкости, охлаждает долото. Однако она плохо удерживает частицы выбуренной породы (особенно при прекращении циркуляции), не образует упрочняющей корки на стенке скважины, хорошо поглощается низконапорными пластами, вызывает набухание глинистых пород, ухудшает проницаемость коллекторов нефти и газа.
Естественным буровым раствором называют водную суспензию, образующуюся в скважине в результате диспергирования шлама горных пород, разбуриваемых на воде.
Основное достоинство применения естественных буровых растворов состоит в значительном сокращении потребности в привозных материалах на их приготовление и обработку, что ведет к удешевлению растворов. Однако их качество и свойства зависят от минералогического состава и природы разбуриваемых глин, способа и режима бурения, типа породоразрушающего инструмента. Нередко в них велико содержание абразивных частиц. Поэтому естественные буровые растворы применяют в тех случаях, когда по геолого-стратиграфическим условиям не требуется промывочная жидкость высокого качества.
Глинистые буровые растворы получили наибольшее распространение при бурении скважин. Для бурового дела наибольший интерес представляют три группы глинистых минералов: бентонитовые (монтмориллонит, бейделлит, нонтроиит, сапонит и др.), каолиновые (каолинит, галлуазит, накрит и др.) и гидрослюдистые (иллит, бравиазит и др.). Наилучшими качествами с точки зрения приготовления бурового раствора обладают монтмориллонит и другие бентонитовые минералы. Так, из 1 тонны бентонитовой глины можно получить около 15 м3 высококачественного глинистого раствора, тогда как из глины среднего качества — 4…8 м3, а из низкосортных глин — менее 3 м3.
Глинистые растворы глинизируют стенки скважины, образуя тонкую плотную корку, которая препятствует проникновению фильтрата в пласты. Их плотность и вязкость таковы, что растворы удерживают шлам разбуренной породы даже в покое, предотвращая его оседание на забой при перерывах в промывке. Утяжеленные глинистые растворы, создавая большое противодавление на пласты, предупреждают проникновение пластовых вод, нефти и газа в скважину и открытое фонтанирование при бурении. Однако по этим же причинам затруднено отделение частиц породы в циркуляционной системе бурового раствора.
Применяются также другие буровые растворы на водной основе: малоглинистые (для бурения верхней толщи выветрелых и трещиноватых горных пород), соленасыщенные (при бурении в мощных толщах соленосных пород), ингибированные (обработанные химреагентами для предупреждения набухания разбуриваемых пород и чрезмерного обогащения раствора твердой фазой) и т.д.
К неглинистым относятся буровые растворы, приготовленные без использования глины. Безглинистый буровой раствор с конденсированной твердой фазой готовится на водной основе. Дисперсная фаза в нем получается химическим путем, в результате взаимодействия находящихся в растворе ионов магния с щелочью NaОН или Са(ОН)2. Химическая реакция приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния М§(ОН)2. Раствор приобретает гелеобразную консистенцию и после химической обработки превращается в седиментационно устойчивую систему. Такой раствор сохраняет свои структурно-механические свойства при любой минерализации. Поэтому его применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую устойчивость стенок скважины, но обеспечить контроль и регулирование минерализации раствора сложно.
Другим типом неглинистых буровых растворов являются биополимерные растворы. Биополимеры получают при воздействии некоторых штаммов бактерий на полисахариды. Свойства биополимерных растворов регулируются так же легко, как свойства лучших буровых растворов из бентонитовых глин. Вместе с тем, некоторые из них оказывают флокулирующее воздействие на шлам выбуренных пород, предупреждая таким образом образование суспензии. Кроме того, растворы биополимеров термоустойчивы. Сдерживает их применение относительно высокая стоимость.
Буровые растворы на углеводородной основе представляют собой многокомпонентную систему, в которой дисперсионной (несущей) средой является нефть или жидкие нефтепродукты (обычно дизельное топливо), а дисперсной (взвешенной) фазой — окисленный битум, асфальт или специально обработанная глина (гидрофобизированный бентонит).
Буровые растворы на углеводородной основе не оказывают отрицательного влияния на свойства коллекторов нефти и газа, обладают смазывающей способностью: при их использовании уменьшается расход мощности на холостое вращение бурильной колонны в стволе скважины и снижается износ бурильных труб и долот. Однако стоимость приготовления таких буровых растворов довольно высока, они пожароопасны, трудно удаляются с инструмента и оборудования.
Применяют буровые растворы на углеводородной основе для повышения эффективности бурения в породах-коллекторах и сохранения их нефтегазоотдачи на исходном уровне, а также для проводки скважин в сложных условиях при разбуривании мощных пачек набухающих глин и растворимых солей.
У эмульсионных буровых растворов дисперсионной средой является эмульсия типа «вода в нефти», а дисперсной фазой — глина. Буровой раствор, приготовленный на основе эмульсии типа «вода в нефти», называется обращенным эмульсионным или инверт-ной эмульсией. Жидкая фаза такого раствора на 60…70 % состоит из нефти или нефтепродуктов, остальное — вода. Однако содержание воды в инвертной эмульсии может быть доведено до 80 % и выше, если в нее ввести специальные эмульгаторы.
Эмульсионные буровые растворы используются при бурении в глинистых отложениях и солевых толщах. Они обладают хорошими смазочными свойствами и способствуют предупреждению прихвата инструмента в скважине.
Сущность бурения с продувкой газом заключается в том, что для очистки забоя, выноса выбуренной породы на дневную поверхность, а также для охлаждения долота используют сжатый воздух, естественный газ или выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. Применение газообразных агентов позволяет получить большой экономический эффект: увеличивается механическая скорость (в 10…12 раз) и проходка на долото (в 10 раз и более). Благодаря высоким скоростям восходящего потока в затрубном пространстве, ускоряется вынос выбуренных частиц породы. Использование газообразных агентов облегчает проведение гидрогеологических наблюдений в скважинах. Кроме того, увеличивается коэффициент нефтегазоотдачи пласта.
Аэрированные буровые растворы представляют собой смеси пузырьков воздуха с промывочными жидкостями (водой, нефтеэмульсиями и др.) в соотношении до 30:1. Для повышения стабильности аэрированных растворов в их состав вводят реагенты — поверхностно-активные вещества и пенообразователи.
Аэрированные буровые растворы обладают теми же свойствами, что и жидкости, из которых они приготовлены (для глинистых растворов — образуют глинистую корку, обладают вязкостью и напряжением сдвига, сохраняют естественную проницаемость призабойной зоны пласта при его вскрытии). Вместе с тем, большим преимуществом аэрированных жидкостей является возможность их применения в осложненных условиях бурения, при катастрофических поглощениях промывочных жидкостей, вскрытии продуктивных пластов с низким давлением.
Свойства бурового раствора
Свойства продукта зависят от конкретных условий бурения, требований технологического процесса. Рассмотрим некоторые свойства, которые характеризуют состав:
- Плотность. Это один из основных параметров, который определяется при подготовке БР. Плотность зависит от типа реагентов, их концентрации, температуры. Этот показатель варьируется в пределах 1000-2500 кг на кубометр.
- Вязкость. Вязкость — это мера сопротивления БР деформации при движении. Она может меняться от очень низкой до очень высокой в зависимости от состава, а также температуры.
- Кислотность/щелочность (водородный показатель pH). БР бывает кислотным или щелочным в зависимости от состава реагентов. Кислотный используется для растворения карбонатных пород, разрушения отложений, а щелочной – для разрушения глинистых пород.
- Растворимость. Растворимость зависит от состава реагентов, температуры. Некоторые реагенты могут легко растворяться в воде, в то время как другие – крайне плохо.
- Коррозионная активность. БР свойственна коррозионная активность, что может повредить оборудование, а также трубы. Для ее уменьшения используются специальные ингибиторы.
Контроль свойств продукта – важный аспект процесса бурения. Контроль плотности, вязкости, pH, растворимости и других свойств помогает обеспечить безопасность бурения, достижение требуемых результатов. Также при выборе подходящего продукта оценивается его:
- Эффективность. Эффективность зависит от состава, свойств. БР должен быть достаточно эффективным для растворения отложений, безопасности бурения. При этом надо учитывать экономические и экологические факторы.
- Совместимость с другими растворами. Иногда БР смешивается с другими растворами, используемыми при бурении. Важно убедиться в их совместимости, чтобы избежать возможных реакций, которые приводят к проблемам при проведении работ.
- Устойчивость к загрязнениям. БР может быть загрязнен разными веществами, такими как глина, песок, нефть, т.д. Эти загрязнения снижают его эффективность, повышают риск повреждения оборудования. Поэтому нужно учитывать устойчивость БР к загрязнениям, принимать меры для их устранения.
- Безопасность. БР может быть опасен для здоровья, окружающей среды. Поэтому при производстве, хранении, а также использовании продукта необходимо соблюдать меры предосторожности, стандарты безопасности.