Прогрессивные технологии сооружения скважин

ПЕНЫ И ГАЗОЖИДКОСТНЫЕ СМЕСИ

Бурение скважин в разрушенных и трещиноватых скальных породах связано со значительными сложностями:

Большие поглощения промывочной жидкости (вплоть до ката­строфических) и связанные с этим значительные затраты на до­полнительную доставку воды, химических реагентов, приготов­ление буровых растворов, проведение тампонажных работ, уста­новку обсадных колонн и т. д.;

Размыв промывочной жидкостью слабых разностей пород, что затрудняет получение кондиционного выхода керна и ухудшает достоверность геологической информации;

Возникновение в процессе бурения скважин осложнений, связанных с размывом стенок скважин, кавернообразова - нием, накоплением на забое шлама, прихватами бурового снаряда и др.

Как показала практика работ, эти осложнения можно предот­вратить применением в качестве циркулирующей среды газожид­костных смесей (ГЖС), обладающих целым рядом преимуществ по сравнению с промывочными жидкостями:

Значительно уменьшаются (вплоть до полной ликвидации) поглощения и связанные с этим затраты;

Сокращаются загрязнение и кольматация водоносных горизон­тов, что упрощает освоение скважин и повышает их дебиты;

Уменьшаются загрязнение, размывание и растворение керна циркулирующим агентом;

Устраняются размыв стенок скважин, образование каверн; упрощаются конструкции скважин;

Улучшается вынос шлама, сокращается аварийность, повыша­ются механическая скорость бурения и проходка на породораз - рушающий инструмент.

Характеристика газожидкостных смесей

ГЖС являются дисперсными системами, состоящими из двух компонентов: газообразного и жидкого. В качестве газообразного в основном используется воздух, а жидкий компонент, как пра­вило, представляет собой смесь воды и различных химических реагентов (поверхностно-активные вещества, ингибиторы, стаби­лизаторы и др.).

Одним из параметров, характеризующих качество ГЖС, явля­ется степень аэрации а, отражающая соотношение расходов газо­образного Q и жидкого Ож компонентов:

А = Ов/Ож.

По этому критерию все ГЖС можно разделить на три основ­ные вида:

Туманы - двухкомпонентные системы, состоящие из воздуха (дисперсионная среда), в котором взвешены жидкие частицы с радиусом 3-10 мкм (дисперсная фаза). Плотность системы 0,018-0,12 г/см3, а = 250^3000;

Пены - ячеисто-пленочные многокомпонентные дисперсные системы, состоящие из жидкости (дисперсионная среда) и пу­зырьков воздуха (дисперсная фаза). Плотность системы 0,03­0,12 г/см3, а = 50^250;

Аэрированные жидкости - многокомпонентные низкоконцен­трированные дисперсные системы, состоящие из жидкости (дис­персионная среда) и пузырьков воздуха (дисперсная фаза). Плотность системы 0,12-0,7 г/см3, а = 5^50.

Из перечисленных трех видов ГЖС наибольший интерес вы­зывают пены, объединяющие положительные качества как тума­нов, так и аэрированных жидкостей и обладающие по сравнению

С ними рядом преимуществ, что подтверждается накопленным в различных организациях отрасли опытом применения пен в ка­честве циркулирующей среды при бурении скважин разного на­значения.

Основные требования к пенам

Пены как циркулирующая среда при бурении и освоении скважин в сложных геологических условиях должны обладать: хорошей пенообразующей способностью; необходимой степенью аэрации;

Достаточной стабильностью, устойчивостью к воздействию различных внешних факторов в процессе циркуляции по сква­жине (характер бурового шлама, качество пластовых вод, ре­жимы бурения и др.);

Необходимой устойчивой вязкостью;

Способностью эффективно выносить из скважины буровой шлам (несущая способность);

Достаточной механической прочностью; определенной кольматирующей способностью; способностью быстрого и полного гашения (разрушения) на выходе из скважины, т. е. выделения воздуха и очистки от шлама для повторного использования при работе по замкнутому циклу; нетоксичностью и экологической безопасностью.

Основные свойства пен

При приготовлении пен в качестве жидкости используют во­ду, а также различные суспензии и эмульсии, через которые про­пускается сжатый воздух. В указанные жидкости добавляются поверхностно-активные вещества (ПАВ) - пенообразователи, в результате чего пены из свободнодисперсных систем, когда про­исходит оседание или слияние дисперсной фазы, превращаются в связнодисперсные (структурированные): между частичками дис­персной фазы, а также пузырьками воздуха устанавливаются мо­лекулярные связи и образуются пространственные структуры, обладающие определенной прочностью, упругостью, пластично­стью и вязкостью, что приближает их к твердым телам в отличие от туманов (которые ближе к газам) и аэрированных растворов (которые ближе к жидкостям). Это придает пенам как циркули­рующей среде целый ряд положительных свойств.

Вязкость. Пены имеют достаточно высокую вязкость благо­даря наличию в них молекулярных сил сцепления, превращаю­щих ГЖС в вязкопластичные системы. Вязкость пены зависит также от вида и концентрации ПАВ в растворе, степени аэрации, наличия различных добавок (реагенты-стабилизаторы, понизите­ли жесткости и др.).

Вязкость пен можно регулировать в довольно широких преде­лах, что крайне важно при бурении скважин в интервалах интен­сивных поглощений.

Несущая способность. Пены обладают хорошей несущей спо­собностью, чему способствуют:

Наличие в системе достаточно прочных молекулярных связей, объединяющих частицы шлама и пузырьки воздуха в общую структурированную систему (эффект флотации шлама); наличие в системе адсорбционных связей; высокая вязкость и стабильность; гидродинамические силы потока пен;

Структурно-механические свойства, способствующие длитель­ному сохранению потенциальной энергии сжатого воздуха, когда движение потока пен продолжается какое-то время и после отключения циркуляции, а частицы шлама удерживаются во взвешенном состоянии при остановках циркуляции. Поэтому пены являются достаточно эффективным средством очистки сква­жины от шлама и предупреждения прихватов бурового снаряда.

Плотность. Малая плотность пен обеспечивает значительное уменьшение гидростатического давления в скважине, что создает благоприятные условия как для эффективного разрушения по­род, так и для качественного освоения водоносных горизонтов: не происходит уплотнение шлама на забое;

Резко снижается поступление в продуктивный пласт бурового шлама и других закупоривающих материалов, тем самым сохра­няются естественные коллекторские свойства пород водоносных горизонтов.

Кроме того, значительно снижается поглощение промывоч­ного агента в порово-трещиноватых интервалах.

Фильтрационный расход. Вышеперечисленные свойства пен позволяют значительно снизить их поглощение (фильтрацион­ный расход) вплоть до полной его ликвидации. Этому же спо­собствуют и определенные кольматирующие свойства пен за счет образования на стенках скважин, а также в порах и трещинах адсорбционных пленок, препятствующих непосредственному кон­такту жидкости с породой. Все это позволяет значительно сокра­тить затраты на дополнительные приготовления и обработку очистного агента.

Водоотдача. Этот параметр очень незначителен в связи с ма­лой плотностью пен, наличием в них молекулярных связей и практически не влияет на процесс бурения.

Назначение и характеристика ПАВ

ПАВ являются одним из основных компонентов, определяю­щих свойства пен.

Основные требования к ПАВ:

Хорошая растворимость в воде, в том числе жесткой;

Способность образовывать стабильную и устойчивую пену;

Высокая активность (содержание достаточного количества ак­тивного вещества);

Малая стоимость, недефицитность, нетоксичность и экологи­ческая безопасность. Назначение ПАВ:

Стабилизация дисперсии газа в воде;

Придание пенам необходимых структурно-механических свойств: вязкости, упругости, пластичности, прочности и устой­чивости. Это достигается благодаря способности ПАВ адсорби­роваться на поверхностях раздела фаз (вода - пузырьки воздуха, вода - частицы породы) с понижением поверхностного натяже­ния и образованием молекулярных связей внутри пен;

Придание пенам моющих свойств, в результате чего они при­обретают способность хорошо отмывать и удалять со стенок скважин остатки глинистой корки, ила и шлама (декольмати- рующие свойства пен);

Придание пенам смазывающих свойств за счет способности адсорбироваться на стенках скважин, обсадных труб, буровом снаряде, что значительно улучшает условия его работы в сква­жине;

Содействие снижению прочностных свойств пород за счет спо­собности адсорбироваться на стенках микропор и микротрещин пород, образуя на их поверхностях адсорбционные пленки, пре­пятствующие смыканию трещин.

Это позволяет увеличивать механические скорости бурения в твердых и крепких породах до 4-5 раз.

Характеристика ПАВ. По указанным свойствам ПАВ подраз­деляются на анионактивные, катионактивные и неионогенные в зависимости от того, какими частицами обусловливается их ак­тивность.

Как показывает практика, наиболее эффективными являются анионактивные и неионогенные ПАВ - сульфаты, сульфонаты, сульфонолы, мыла, пенол, ОП-1, ОП-7, ОП-10, привацел и дру­гие, которые обеспечивают более высокую пенообразующую спо­собность, механическую прочность и стабильность пен, их мою­щие свойства и др.

Кроме того, для повышения качества пен в них могут добав-

Ляться, кроме ПАВ, и другие реагенты, что особенно важно при бурении в сложных геологических условиях, когда к ГЖС предъявляются более жесткие требования:

Стабилизаторы пен - гипан, КМЦ, ПАА, поливиниловый спирт и др.;

Понизители жесткости (в случае приготовления ГЖС на же­сткой воде) - кальцинированная сода, триполифосфат натрия и др.

Концентрация таких добавок в пенах - до 1,0 %.

Характеристика ПАВ, рекомендуемых к применению, приве­дена в табл. 6.1.

Рецептуру пенообразующего раствора выбирают в соответст­вии с характером разбуриваемых пород и гидрогеологическими условиями в скважине. В среднем концентрация ПАВ в растворе поддерживается в пределах 0,2-0,4 % (по активному веществу). При наличии водопроявлений она увеличивается до 0,6 %.

Необходимое количество ПАВ в зависимости от содержания в нем активного вещества для приготовления 1 м3 раствора задан­ной концентрации приведено в табл. 6.2.

Геолого-гидрогеологические условия применения пен. Пены бла­годаря особым специфическим свойствам находят широкое при­менение в самых различных геолого-гидрогеологических усло­виях.

Бурение скважин в сильнотрещиноватыа скальных породах со значительным (до катастрофических) поглощением промывочной жидкости. Применение пен в этих условиях наиболее эффек­тивно, поскольку позволяет полностью ликвидировать поглоще­ния и связанные с этим осложнения, а также сократить расход воды и реагентов.

Бурение по скальным трещиноватым породам перемежаю­щейся твердости.

Применение пен позволяет:

Значительно сократить размыв слабых разностей пород, кавер - нообразование;

Повысить устойчивость стенок скважин;

Повысить эффективность выноса шлама вплоть до крупнооб­ломочного материала.

Вскрытие водоносных горизонтов с небольшими водопритоками (до 3,0 л/мин) и слаборазвитой сетью пор и трещин, когда при­менение промывочных жидкостей приводит к проникновению в пласт фильтрата бурового раствора со шламом и закупориванию порового пространства.

Применение в этих условиях пен позволяет полностью сохра­нить естественные коллекторские свойства горных пород, их проницаемость, обеспечивая тем самым получение максимально возможных водопритоков, сокращение сроков освоения скважин, предупреждение возможных пропусков небольших водоносных горизонтов.

Бурение по твердым и крепким сухим и обводненным (с отно­сительно небольшими водопритоками) породам.

В этих условиях применение пен позволяет значительно по­высить механическую скорость бурения за счет:

Улучшения условий работы бурового снаряда благодаря сма­зывающим свойствам пен;

Предупреждения образования на забое плотных шламовых подушек, чему способствуют малые гидростатические давления пен;

Более эффективной очистки забоя от шлама благодаря фло­тации шлама и хорошей несущей способности пен.

Организационно-технические условия

Для бурения с пенами применяются стандартные серийно вы­пускаемые буровые установки, оборудование и инструмент.

Приготовление пены, подача ее в скважину и гашение на вы­ходе из скважины для повторного использования (работа по замкнутому циклу) проводятся с помощью специализированной установки - модуля пенообразующего передвижного (МПП). Модуль представляет собой агрегат, смонтированный на двухос­ном автоприцепе и включающий в себя следующие стандартные и нестандартные узлы:

Дизель Д-21 для привода всех узлов модуля; компрессор ВУ 1,5/9-1450 для аэрации раствора ПАВ (произ­водительность 1,5 м3/мин, давление 0,9 МПа);

Насос НБ-1-25/16 для дозированной подачи раствора ПАВ в нагнетательную линию (подача 25 л/мин, максимальное давление 1,6 МПа);

Емкость для приготовления раствора ПАВ (1,4 м3); герметизатор устья для организации движения пены по замк­нутому циклу;

Пеногаситель термоциклонного типа для гашения пены, очи­стки ее от шлама и повторного использования раствора.

Принципиальная схема циркуляции пены по замкнутому цик­лу приведена на рис. 6.1 и осуществляется в следующем порядке: приготовление в емкости 1 раствора ПАВ, концентрация ко­торого обычно составляет 0,5-1,0 %;

Перемешивание раствора с помощью дозирующего насоса 2 При закрытой нагнетательной линии и открытой линии в ем­кость 1;

Подача раствора ПАВ с помощью дозирующего насоса в пено - генератор 5 при открытой нагнетательной линии и закрытой ли­нии в емкость;

Включение компрессора 7 и подача воздуха в пеногене - ратор;

Подача образующейся в пеногенераторе пены с помощью до­зирующего насоса по нагнетательной линии в скважину;

Поступление выходящего из скважин раствора через гермети­затор устья 9 в пеногаситель 10 циклонного типа, где происходят

Гашение пены и очистка раствора от шлама, а затем поступление регенерированного раствора в емкость 1.

Непрерывный замкнутый процесс циркуляции пены исклю­чает попадание ее в окружающую среду, что очень важно с точки зрения экологии.

Более подробно устройство модуля, конструкция его основ­ных узлов и принцип работы изложены в «Инструкции по экс­плуатации модуля пенообразующего передвижного МПП».

Технологические и технические особенности бурения с использованием ГЖС

Забуривание скважины проводится по обычной технологии на глубину 2-4 м с последующей установкой кондуктора.

Продолжение углубки скважины до интервала, где возникнут условия и необходимость перехода на бурение с использованием ГЖС.

Установка на кондуктор герметизатора устья, обвязка его с системой модуля и переход на бурение с подачей ГЖС по выше­описанной схеме.

При этом необходимо учитывать следующие основные фак­торы:

Свойства ГЖС; они выбираются исходя из фактических гео­лого-гидрогеологических условий бурения, состояния скважины, поставленных задач;

Рекомендуемые режимы работы дозирующего насоса и ком­прессора: подача насоса 3,0-5,0 л/мин при давлении 0,3­0,4 МПа, производительность компрессора 1,5-3,0 м/мин при давлении 0,25-0,3 МПа;

Параметры технологического режима бурения; частота враще­ния бурового снаряда и осевая нагрузка устанавливаются прак­тически такими же, как и при бурении с промывкой;

Конструкция бурового снаряда; так как пены обладают струк­турно-механическими свойствами, способствующими длитель­ному сохранению потенциальной энергии сжатого воздуха, это может привести к значительным выбросам пены через буровой снаряд во время его наращивания или проведения спускоподъ - емных операций, во избежание этого над колонковой трубой или долотом устанавливается обратный клапан;

Наращивание бурового снаряда и проведение спускоподъем - ных операций, перед проведением которых необходимо от­ключить дозирующий насос и компрессор, а также перевести трехходовый кран на нагнетательной линии в положение «на вы­брос».

Возможные осложнения и мероприятия по их предупреждению

При обрушении стенок скважин и значительном шламообра - зовании в процессе бурения неустойчивых пород, признаком чего является резкое повышение давления в нагнетательной линии (до 0,6 МПа наиболее), рекомендуется применять модифициро­ванные многокомпонентные пены, обработанные высокомолеку­лярными реагентами-стабилизаторами (гипан, КМЦ, ПАА и др.) в количестве 0,05-0,1 % (не более 1 % от массы раствора). Это позволяет стабилизировать стенки скважин от обрушения, повы­сить несущую способность пен, предупредить размыв слабых разностей пород и образование каверн.

Дополнительно, в качестве предупреждающей меры, рекомен­дуется провести расхаживание бурового снаряда и при восста­новлении нормальной циркуляции пены осуществить промывку скважины от шлама без углубки в течение 10-15 мин.

При интенсивных поглощениях, при которых пена выходит с перерывами или не выходит совсем, необходимо увеличить кон­центрацию ПАВ в растворе до 3,0 %, а также добавить реагенты-

Стабилизаторы до 1,0 % для повышения структурно-механиче­ских свойств раствора и его вязкости.

При больших водопроявлениях пена на поверхность не выхо­дит, а разжижается и вместе с водой уходит в трещины пород.

При незначительных водопритоках на поверхность может вы­ходить тонкая разжиженная пена. При этом необходимо:

Увеличить подачу жидкой смеси до 7-10 л/мин;

Увеличить расход воздуха до 6,0 м3/мин;

Несколько увеличить концентрацию ПАВ и реагентов-стаби­лизаторов.