Бурение буровыми растворами

Буровым раствором называется дисперсная система, имеющая сложный многокомпонентный состав, суспензионных, эмульсионных и аэрированных жидкостей, которые используются с целью промывания скважин во время бурения.

Бурение буровыми растворами применяется на практике с первой половины XIX века. Использование буровых растворов впервые предложил в 1833 году Фовелл, французский инженер. Именно он в процессе канатного бурения он наткнулся на воду и заметил, что фонтанирующая вода является достаточно эффективным средством, удаляющим буровой шлам из скважины. Увиденное подтолкнуло его на создание аппарата, конструкция которого позволяла закачивать воду под буровую штангу, из которой  буровой шлам вымывался водой на поверхность между буровой штангой и стволом скважины.

Буровой раствор при бурении скважин играет очень важную роль, поэтому к нему предъявляются особые требования. Во время циркуляции в скважине он должен:

• создавать давление, противоположное поровому давлению;
• очищать забой от вырубленной породы, что является главной задачей бурового раствора;
• формировать фильтрационную корку на стенках скважины, тем самым делая крепче неустойчивые отложения;
• снижать воздействие фильтрата бурового раствора на породы путем разобщения разбуриваемых пластов и открытого ствола;
• транспортировать породу, которая вырубается, из скважинного ствола и удерживать ее во взвешенном состоянии после того, как циркуляция завершается;
• передавать гидравлическую энергию на забойный двигатель и долото;
• предупреждать обвалы;
• обеспечивать высокое качество вскрытия продуктивных пластов;
• обеспечивать смазывающее действие на буровой инструмент, а также предотвращать образование коррозии на нем;
• охлаждать и смазывать долото;
• обеспечивать охрану окружающей среды;
• не допускать появления каких-либо осложнений во время бурения, к которым относится дифференциальный прихват, поглощение, нефтегазопроявление и др.;
• предоставлять информацию о геологическом разрезе.

В связи с этим, существует несколько типов  буровых растворов, которые различны между собой по своему составу.

Состав бурового раствора может быть разным. Таким образом, во время вращательного бурения нефтяных и газовых скважин в качестве промывочных жидкостей могут быть использованы следующие:

• агенты, в основе которых присутствует вода;
• агенты на основе углеводорода;
• эмульсионные агенты;
• газообразные и аэрированные агенты.

К агентам на водной основе относятся:

• техническая вода;
• естественные буровые растворы;
• глинистые растворы;
• неглинистые растворы.

Из всех вышеперечисленных агентов самой доступной и бюджетной промывочной жидкостью является техническая вода. Они обладает такими свойствами, как низкая вязкость, в связи с чем очень легко прокачивается, а также хорошо справляется с удалением шлама с забоя скважины. В связи с этим, техническая вода максимально охлаждает долото. Однако, она имеет и свои минусы, к которым относится плохая способность удерживать частицы вырубленной породы, особенно во время завершения циркуляции, а также не способность образования упрочняющей корки на стенке скважины. Кроме этого, низконапорные пласты достаточно хорошо впитывают воду, что приводит к набуханию глинистых пород и ухудшению проницаемости нефтегазовых коллекторов.

К естественным буровым растворам относится водная суспензия, которая образуется в скважине при диспергировании шлама горных пород, которые разбуриваются на воде. Главным преимуществом использования естественных буровых растворов является существенное снижение востребованности привозных материалов, что значительно экономит бюджет. Однако, на качество и свойства таких растворов имеет значительное влияние минералогический состав, а также природные разбуриваемые глины, способ и режим бурения, тип породоразрушающего инструмента и т.д. Зачастую они имеют большое содержание в своем составе абразивных частиц. В связи с этим, применение естественных буровых растворов является наиболее целесообразным тогда, когда геолого-стратиграфические условия свидетельствуют о том, что нет необходимости в промывочной жидкости высокого качества.

Наибольшая популярность при бурении скважин принадлежит глинистым буровым растворам. В буровом деле главное место принадлежит трем группам глинистых минералов: бентонитовым (монтмориллонит, бейделлит, нонтроиит, сапонит и др.), каолиновым (каолинит, галлуазит, накрит и др.), гидрослюдистым (иллит, бравиазит и др.).  С точки зрения приготовления бурового раствора самые лучшие качества присущи монтмориллониту и другим бентонитовым минералам. Таким образом, чтобы приготовить 15 кубометров глинистого раствора высокого качества, требуется 1 тонна бентонитовой глины, в то время, как то же количество глины среднего качество при приготовлении раствора даст всего лишь 4-8 кубометров, а из низкосортной глины получится всего лишь 3 кубометра раствора.

Глинистые буровые растворы способы глинизировать скважинные стенки, в результате чего образуется тонкая и плотная корка. Благодаря этому фильтрат не попадает в пласты. Растворы обладают такой плотностью и вязкостью, что они способны удерживать шлам разбуренной породы даже в состоянии покоя, препятствуя оседанию на забой во время пауз в промывке. Утяжеленные глинистые растворы создают высокое противоположное давление на пласты, тем самым предупреждая просачивание пластовых вод, нефти, а также газа в скважину и открытое фонтанирование во время бурения. Но данные свойства являются как положительными и отрицательными одновременно, ведь по этим же причинам частицы породы в циркуляционной системе бурового раствора отделяются с трудом.

Кроме этого также используются и многие другие буровые растворы, основным компонентом которых является вода. К ним относятся малоглинистые, соленасщенные, ингибированные и многие другие.

Неглинистыми буровыми растворами называются такие растворы, приготовление которых осуществляется без добавления глины. При приготовлении неглинистого бурового раствора с конденсированной твердой фазой используется в качестве основного компонента вода. Дисперсная фаза в таком растворе формируется в результате химической реакции, которая приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния. Таким образом, раствор становится гелеобразным и после химической обработки становится седиментационно устойчивой системой. Структурно-механические свойства подобного раствора остаются неизменными, не смотря на любую минерализацию. В связи с этим, целесообразность его применения состоит в обеспечении высокой устойчивости скважинных стенок. Однако, контролировать и регулировать минерализацию раствора, даже не смотря на все ранее сказанное, достаточно трудно. Еще одним видом неглинистых растворов являются биополимерные растворы.

Растворы, в основе которых находится углеводород, являются многокомпонентной системой, в которой основной средой является нефть или жидкие нефтепродукты, а в качестве дисперсной фазы выступает окисленный битум, асфальт или же глина, прошедшая специальную обработку. Растворы данного типа не оказывают негативного воздействия на нефтегазовые коллекторы. Кроме этого им присущи смазывающие свойства, благодаря которым, значительно снижается расход мощности на холостое вращение бурильной колонны в стволе скважины, а также уменьшается износ бурильных труб и долот. Но большим минусом применения данного вида буровых растворов является их достаточно высокая стоимость, а также их высокая пожароопасность и трудности во время очистки инструментов и оборудования.  Поэтому, данные растворы целесообразно использовать при повышении эффективности бурения в породах-коллекторах и сохранения их нефтегазоотдачи на начальном уровне, а также во время бурения скважин в сложных условиях при разбуривании мощных пачек набухающих глин и растворимых солей.

Эмульсионные буровые растворы применяются во время бурения в глинистых отложениях и солевые толщах. Им присущи хорошие смазочные свойства. Кроме этого, они предотвращают прихват инструмента в скважине.

К аэрированным буровым растворам относятся смеси пузырьков воздуха с промывочными жидкостями, которыми являются вода, нефтяные эмульсии и другие. Соотношение эмульсий и воздуха должно быть до 1:30. В состав таких растворов часто добавляют специальные реагенты – поверхностно-активные вещества и пенообразователи. Это делается с целью увеличения стабильности данных растворов.

Система очистки бурового раствора

Такие свойства раствора, как его плотность, вязкость, статическое напряжение сдвига и т.д., определяются типом и количеством твердой фазы бурового раствора, которая оказывает огромное влияние на скорость бурения, вращение, а также стабильность ствола скважины.

В связи с этим, очень целесообразно использовать механическое оборудование, позволяющее контролировать содержание твердой фазы в растворе.  Работа механического оборудования очистки осуществляется с помощью силы ускорения или же центробежной силы, благодаря чему становится возможным существенно повысить уровень сепарации в сравнении с процессом осаждения. Система очистки бурового раствора может состоять из одного или нескольких модулей.

Система очистки буровых растворов должна соответствовать следующим требованиям:

• обработка всего количества циркуляции;
• согласование очередности установки согласно размеру частиц, которые будут отделяться;
• правильность монтажа, точная настройка, благодаря чему значительно повышается эффективность работы следующей ступени;
• оптимизация процесса сепарации – обработка от четверти до половины объема циркуляции.