title-icon
Яндекс.Метрика
» » Промывочные жидкости для вращательного бурения

Промывочные жидкости для вращательного бурения

Промывочные жидкости должны: в процессе бурения укреплять стенки скважины в рыхлых и неустойчивых породах; не допускать разбухания или размывания глинистых пород; при прекращении циркуляции удерживать частицы разрушенной породы во взвешенном состоянии, предупреждая их осаждение в скважине; не снижать проницаемость водоносных горизонтов; не загрязнять подземные воды; при вскрытии высоконапорных водоносных горизонтов обеспечивать гидростатическое давление, превышающее пластовое.
В качестве промывочных жидкостей в основном используют техническую воду, глинистые (нормальные, утяжеленные, малоглинистые и др.), аэрированные, естественные (на основании разбуриваемых пород) и специальные (на основе крахмалов, водогипановые, меловые и др.) растворы.
Техническая вода. Ее применяют при бурении крепких и устойчивых пород, мелко- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации не более 20 м/сут при статическом уровне подземных вод не менее 3 м и диаметре скважины не более 200 мм. Она снижает до минимума кольматацию песчаных водоносных горизонтов и позволяет повысить механическую скорость бурения.
Расход воды на сооружение скважины зависит от ее объема и потерь на фильтрацию. Поскольку непременным условием использования воды в качестве промывочной жидкости при бурении неустойчивых пород является поддержание ее уровня на отметке устья скважины, объем отстойника принимают с запасом: не менее 1,5 объема скважины. Потери на фильтрацию находят с учетом гранулометрического состава песков. Основные фильтрационные потери наблюдают в процессе бурения и при спуско-подъемных операциях. С целью сокращения расхода воды породы, залегающие выше водоносного горизонта, рекомендуется бурить с промывкой глинистым раствором. Затем этот интервал закрепляют колонной обсадных труб, и глинистый раствор в отстойнике и скважине заменяют водой. После вскрытия водоносного горизонта скважину промывают в течение 10...15 мин. Потом устанавливают фильтровую колонну.
Неустойчивые песчаные породы бурят при частоте вращения бурового снаряда до 2 с. Перед его наращиванием скважину тщательно промывают в течение 10...15 мин.
При спуско-подъемных операциях резкие расхаживания бурового снаряда не допускаются. Перед подъемом бурового снаряда в забой подливают воду.
Глинистые растворы. Наиболее широко применяют в практике бурения глинистые растворы на основе бентонитовых, каолинито-гидрослюдистых, каолинитовых, реже местных комковатых глин. Иx получают перемешиванием глинистых частиц с водой. Для глинистых частиц характерна пластинчатая форма, что придает промывочной жидкости коллоидные свойства. Мелкие частицы постепенно слипаются между собой, образуя сплошную устойчивую пространственную структуру. В результате раствор приобретает гелеобразное состояние. При этом основная часть свободной воды оказывается в ячейках пространственной структуры. Механическое перемешивание нарушает связи между глинистыми частицами, и раствор снова приобретает подвижность и свойства жидкости. Такое явление образования и разрушения пространственной структуры называют тиксотропией. Тиксотропные свойства глинистых растворов имеют большое практическое значение. С прекращением циркуляции промывочной жидкости в скважине глинистый раствор загустевает, и частицы разрушенной породы, содержащиеся в нем, остаются длительное время во взвешенном состоянии (не оседают на забой). Для возобновления циркуляции промывочной жидкости бурильную колонну приводят во вращение, и загустевший раствор быстро переходит в жидкое состояние.
К важному свойству глинистых растворов относят также способность образовывать на стенках скважины тонкую, плотную и достаточно прочную глинистую корку, которая снижает возможность их обрушения и позволяет бурить большой слой таких пород без крепления обсадными трубами. Одновременно глинистая корка уменьшает фильтрационные потери жидкой фазы раствора, предотвращает размокание набухающих пород (гипс, ангидрит и др.) и сужение вследствие этого ствола скважины.
Основные параметры глинистых растворов — плотность, условная вязкость, содержание песка, толщина глинистой корки, водоотдача, стабильность.
Плотность глинистого раствора зависит от плотности и количества глины в нем.
Масса глины, необходимая для приготовления 1 м3 глинистого раствора,
mг = ?г (?г.р — ?в)/(?г — ?в),

где ?г — плотность глины, в ненарушенном состоянии составляет 2,2...2,8 т/м3, в раздробленном — 1,65...1,9 т/м3; ?г.р — заданная плотность глинистого раствора, для обычных растворов принимают 1,05...1,25 т/м3; ?в — плотность воды, т/м3.
Разделив массу глины, подсчитанную по приведенной формуле, на ее плотность в раздробленном состоянии, можно получить расход комовой глины в м3 на 1 м3 раствора. При необходимости плотность глинистого раствора можно повысить до 1,4 т/м3.
Масса утяжелителя, необходимая для приготовления 1 м3 глинистого раствора,
mу = ?у (?у.р — ?г.в)/(?у — ?г.р),

где ?y — плотность утяжелителя, т/м3; ?y.р — плотность утяжеленного раствора, т/м3; ?г.p — плотность глинистого раствора до добавления утяжелителя, т/м3.
Плотность глинистого раствора измеряют ареометром АГ-2.
Условная вязкость глинистого раствора зависит от свойств глины и ее концентрации в нем и характеризует способность глинистого раствора выносить частицы разрушенной породы из забоя и удерживать их во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции промывочной жидкости. Чем больше ее значение, тем быстрее закупориваются поры, по которым раствор отфильтровывается в стенки скважины, и тем лучше выносится из скважины разрушенная порода. Однако чрезмерное увеличение вязкости раствора при бурении в нормальных условиях приводит к повышению давления в буровом насосе и ухудшает очистку промывочной жидкости от шлама. Вязкость раствора может увеличиваться при бурении глинистых пород. Поэтому этот параметр нужно постоянно контролировать и при необходимости глинистый раствор разбавлять водой или обрабатывать химическими реагентами.
Значение условной вязкости определяют стандартным полевым вискозиметром СПВ-5.
Для нормальных глинистых растворов условная вязкость составляет 18...25 с (по СПВ-5). В осложненных условиях (при бурении слаботрещиноватых и рыхлых пород и т. п.) ее доводят до 40 с и более.
Содержание песка в глинистом растворе характеризует его загрязненность частицами разрушенной породы. Примесь песка и других крупных инертных частиц снижает качество промывочной жидкости, увеличивает износ деталей бурового насоса, вертлюга-сальника и бурильных труб, способствует прихвату бурового снаряда. Поэтому промывочную жидкость на поверхности необходимо тщательно очищать от шлама. Количество песка в ней не должно превышать 4% объема жидкости.
Содержание песка в глинистом растворе определяют с помощью отстойника ОМ-2.
Водоотдача глинистого раствора показывает его способность отдавать свободную воду под действием избыточною давления пористым породам. При промывке вода вместе с мельчайшими частицами глины под действием гидростатического давления столба промывочной жидкости, находящейся в скважине, проникает в поры, глинистые частицы накапливаются в поровых каналах, на стенках скважины образуется глинистая корка, и фильтрация воды в стенки прекращается.
Значение водоотдачи определяют прибором ВМ-6 по объему воды, отфильтровавшейся в течение 30 мин из 100 см3 глинистого раствора через фильтрационную бумагу под давлением 0,1 МПа. Как правило, при бурении скважин на воду используют глинистые растворы с водоотдачей 5...25 см3 за 30 мин. При вскрытии водоносных горизонтов водоотдача глинистых растворов должна быть не более 10 см3 за 30 мин. В осложненных условиях бурения (рыхлые, неустойчивые, набухающие породы) для предупреждения обвала скважины и прихвата бурового снаряда водоотдачу снижают до 5 см3 за 30 мин.
Толщину глинистой корки определяют также на приборе ВМ-6. Ее измеряют на фильтровальной бумаге после определения значения водоотдачи. Толщина глинистой корки не должна превышать 3 мм. Рыхлая и пористая корка большей толщины сужает ствол скважины, приводит к затяжкам и прихватам бурового снаряда при спуско-подъемных операциях, образованию глинистых сальников над долотом.
Стабильность характеризует степень равномерности распределения глинистых частиц по всему объему глинистого раствора и способность его не расслаиваться в течение длительного времени. Находят ее значение с помощью цилиндрического сосуда ЦС-2 по разности плотностей нижней и верхней частей раствора после суточного отстоя. Плотность обеих частей измеряют ареометром АГ-2. Нормальный глинистый раствор должен иметь стабильность не более 0,02 г/см3.
Все параметры глинистого раствора устанавливают непосредственно на скважине с помощью переносной лаборатории ЛГР-3, в состав которой входят необходимые для этого приборы.
Для получения необходимого качества промывочной жидкости глинистые растворы обрабатывают химическими реагентами. Различают первичную и вторичную химическую обработку. При первичной обработке раствору придают свойства, необходимые для бурения в конкретных условиях, при вторичной — восстанавливают свойства, утраченные при бурении.
Химические реагенты подразделяют на реагенты-электролиты (кальцинированная и каустическая сода, жидкое стекло, поваренная соль) и защитные коллоиды (угле- и торфощелочной реагенты, сульфитспиртовая барда, карбоксиметилцеллюлоза и др.).
Кальцинированную соду используют для уменьшения водоотдачи и толщины глинистой корки (на 1 м3 раствора засыпают 10...15 кг соды), а также для повышения вязкости и прочности структуры раствора (на 1 м3 раствора засыпают 30...35 кг соды).
Каустическая сода воздействует на глинистый раствор так же, как и кальцинированная, но отличается от нее большей щелочностью. Обращаться с каустической содой нужно очень осторожно, так как она разъедает кожу и одежду. При работе с ней следует надевать предохранительные очки и резиновые перчатки. Добавляют такую соду в глинистый раствор в жидком виде в расчете 2...5 л на 1 м3 раствора.
Жидкое стекло повышает вязкость и плотность промывочной жидкости. Его, вливают в глинистый раствор в расчете 20...30 кг на 1 м3 раствора и тщательно перемешивают.
Углещелочной реагент состоит из измельченного сухого бурого угля, каустической или кальцинированной соды и воды. Обычно на 1 м3 воды засыпают 20 кг соды и 200 кг угля. Приготавливают его в глиномешалках, затем сливают в отдельные емкости и выдерживают сутки. Дозировка такого реагента при обработке глинистых растворов составляет 20...25% объема глинистого раствора. Он снижает водоотдачу и повышает вязкость и стабильность промывочной жидкости.
Торфощелочной реагент состоит из торфа, каустической соды и воды. Соотношение составных частей, способ приготовления, дозировка и назначение его аналогичны углещелочному реагенту.
Сульфитспиртовую барду применяют для снижения водоотдачи глинистого раствора, загрязненного минеральными водами, и при бурении пород, содержащих растворимые соли. Приготавливают ее в глиномешалке в течение 1,5...2 ч и вливают в циркулирующий глинистый раствор. Обычно к 1 м3 глинистого раствора добавляют 50...100 л реагента.
Карбоксиметилцеллюлозу выпускают марки 500 или 600 в виде светло-желтого порошка или волокнистого материала и растворяют в воде. Вводят ее в глинистый раствор в количестве 10...15 кг на 1 м3 раствора. Промывочная жидкость, обработанная карбоксиметилцеллюлозой, имеет пониженную водоотдачу.
Глинистые растворы приготавливают в гидравлических или механических глиномешалках.
В гидравлических глиномешалках (рис. 62) порошкообразную глину, засыпанную в бункер 1, струя воды, поданная с большой скоростью буровым насосом, увлекает в камеру смешения 2, а затем в бак 4, где глина перемешивается с водой. Готовый глинистый раствор поступает в приемную емкость циркуляционной системы по трубе 5.

В механических глиномешалках, например ГМЭ-0,75 (рис. 63), глину с водой перемешивают закрепленные на двух параллельно расположенных валах стальные лопасти 2. Для приготовления глинистого раствора половину объема глиномешалки заполняют чистой водой, затем засыпают туда необходимое количество глины и все перемешивают в течение 30...35 мин (в зависимости от качества глины). Потом, не прекращая перемешивания, заполняют весь объем глиномешалки водой и, если требуется, добавляют химические реагенты. Приготовленный раствор сливают в приемную емкость.

В процессе бурения глинистый раствор очищают от шлама в циркуляционной системе (рис. 64). Желоба (из досок) делают шириной 30...40 см, высотой 30...35 см, длиной не менее 15 м с уклоном 0,01...0,02. На дне их на расстоянии 1,5...2 м устанавливают перегородки высотой 15...20 см. В процессе перетекания раствора через перегородки его пространственная структура разрушается и частицы шлама выпадают на дно желоба.
Аэрированные растворы. Используют при бурении в зонах поглощений промывочной жидкости и при вскрытии низконапорных водоносных горизонтов. Аэрированная жидкость представляет смесь воды или глинистого раствора и воздуха. Степень аэрации жидкой среды достигает 50, а плотность регулируют в пределах 0,4...1 г/см3.
При вскрытии низконапорных водоносных горизонтов плотность аэрированной жидкости должна быть такой, чтобы гидростатическое давление ее столба в скважине не превышало пластовое давление.
Если пластовое давление равно гидростатическому, фильтрация промывочной жидкости прекращается и существенно снижается степень загрязненности водоносного горизонта твердыми частицами и фильтратом раствора.
Жидкую среду можно аэрировать двумя способами: компрессорным и бескомпрессорным. При компрессорном способе в смеситель одновременно подают воду буровым насосом и сжатый воздух компрессором. При бескомпрессорном способе промывочную жидкость обрабатывают специальными реагентами — поверхностноактивными веществами или используют смесители эжекторного типа, позволяющие подсасывать воздух в струю промывочной жидкости.

Распадающийся промывочный раствор на основе технического крахмала. Предназначен для бурения слабонапорных водоносных горизонтов, представленных тонко-и мелкозернистыми песками. Он состоит из воды и технического модифицированного крахмала: на 1 м3 воды добавляют 40...50 кг сухого порошка крахмала. Приготавливают его перед началом бурения в гидросмесителе или глиномешалке. Время перемешивания в глиномешалке около 1 ч. Приготовленный раствор распадается через 3...4 сут. Время распада можно сократить до 6 ч введением в раствор ферментативной добавки — амилосубтилина (из расчета 0,02...0,03% массы сухого крахмала).
Раствор с концентрацией крахмала 5% имеет следующие параметры (определяют теми же приборами, что и для глинистых растворов): плотность 1 г/см3, условная вязкость 20...25 с (по СПВ-5), водоотдача 10...15 см3 за 30 мин.
Технология бурения скважин с распадающимся раствором на основе крахмала не отличается от технологии бурения с глинистым. Применение распадающихся растворов при вращательном бурении позволяет сохранить естественную проницаемость водоносных песчаных горизонтов и отказаться от длительных и дорогостоящих работ по их разглинизации.
Водогипановые растворы. Применяют при бурении песчаных водоносных горизонтов. Для них характерна условная вязкость 17...30 с (по СПВ-5), высокая выносная способность. Они содержат 5...6% гипана. Гипан хорошо растворяется в воде, длительное время сохраняет свои свойства, обладает необходимой вязкостью для образования на стенках скважины эластичной корки (легко удаляется по завершении бурения). Приготавливают его в глиномешалке. Время перемешивания не превышает 10 мин. При бурении скважин следует избегать обогащения водогипанового раствора глинистыми частицами, что может происходить при бурении глин, так как это приводит к закупорке пор водоносного горизонта. Частота вращения бурового снаряда не должна превышать 3 с-1.
Меловые растворы. Используют при вскрытии песчаных водоносных горизонтов. Они содержат водный раствор мела (до 25%), углещелочной реагент (10%), жидкое стекло (4%) и поверхностно-активные вещества (0,5%). Реже применяют растворы, состоящие из мела (до 15%), глины (5%) и кальцинированной соды (0,2%). Такие растворы обладают хорошей транспортирующей способностью, образуют плотную корку на стенках скважины. По окончании бурения для ликвидации корки скважину обрабатывают 10...15%-ным раствором соляной кислоты (он растворяет меловую составляющую). Разрушенные частицы корки извлекают на поверхность эрлифтом.

title-icon Подобные новости