Газожидкостные смеси для бурения

Сущность метода бурения с очисткой забоя газожидкостными смесями (ГЖС) - пенами или аэрированными жидкостями - заключается в нагнетании в скважину смеси воздуха или газа с промывочной жидкостью или с водным раствором ПАВ в необходимых для различных горно-геологических условий бурения соотношениях. При этом газожидкостная или воздухожидкостная смесь выполняет все функции очистного агента.

Разделение ГЖС на пены и аэрированные жидкости производится на основе показателя кратности К: при К < 3,8 будет получена аэрированная жидкость, при К > 3,8 - пена. Кратность ГЖС определяют из соотношения объемов смеси (объем воздуха и жидкости) и жидкости Гв + Гж / Гж.

Первая скважина с применением пены пробурена в 50-х годах XX столетия в штате Невада (США).

Первой особенностью аэрированных жидкостей и особенно пен является малая плотность.

Вторая особенность пен - большая вязкость, причем пены уникальны тем, что повышение вязкости происходит с уменьшением их плотности.

Первая особенность делает пены очень эффективными для снижения угнетающего давления на забой скважины, что приводит к повышению механической скорости бурения и ресурса инструмента. Первая и вторая особенности делают ГЖС уникальным средством бурения в условиях полного и даже катастрофического поглощения промывочной жидкости.

Третья особенность - высокие смазывающие свойства и низкое поверхностное натяжение позволяют реализовать высокочастотный режим бурения твердых горных пород на больших глубинах и повысить механическую скорость бурения на 25-30 %.

Пены обладают низкой теплопроводностью, что позволяет их эффективно использовать при бурении многолетнемерзлых горных пород. Пены также успешно применяют при бурении соленосных толщ, особенно если в разрезе имеются водопоглощающие горизонты.

ПАВ в составе ГЖС для бурения скважин способствуют лучшему диспергированию воздуха в потоке жидкости и увеличивают прочность воздушных пузырьков. Молекулы ПАВ укрепляют гидратные оболочки воздушных пузырьков и препятствуют их разрушению при столкновении. Под воздействием ПАВ увеличивается выносная способность ГЖС, снижается давление в нагнетательной линии, устанавливается более равномерное движение выходящего из скважины потока ГЖС.

^ Диспергирование (от лат. сИяре^о - рассеиваю, рассыпаю) - тонкое измельчение твердых или жидких тел.

В качестве пенообразователей в бурении используют неионогенные ПАВ -превоцелл, ОП-Ю, ОП-7, смачиватель ДБ и ионогенные ПАВ - сульфонол, сульфонат, мотеон, «Прогресс», ламепон и др.

Обычно ПАВ вводится в промывочную жидкость, с применением которой пройдены верхние интервалы геологического разреза. Такой жидкостью может оказаться, например, хлоркальциевый глинистый раствор. Глинистые растворы с ПАВ дают относительно стабильную пену и без применения реагента-стабилизатора. Поэтому при бурении скважин применяются ГЖС, представляющие собой смеси воздуха и промывочной жидкости с ПАВ и реагентом-стабилизатором или без него.

Наиболее универсальным с позиций применения в разнообразных геологических условиях является пенообразующий состав из сульфоната с соответствующей промывочной жидкостью. Для бурения в условиях водопоглощения или при бурении солей в ГЖС должно быть больше воздуха, а раствор, в который вводится ПАВ (особенно при бурении слабых осадочных пород), необходимо выбирать с «крепящими» стенки скважины свойствами, например, глинистый раствор.

Некоторые рецептуры пенообразующих составов и их основные свойства приведены в табл. 9.2 [1]. Из приведенных данных видно, что по мере повышения кратности наблюдается снижение стабильности при увеличении ПАВ до 1,5-2 %. Более высокое содержание ПАВ не увеличивает пенообразующую способность. Из табл. 9.2 также видно, что ГЖС, содержащие глинистые растворы, стабильны и устойчивы в течение нескольких часов и даже суток.

Таблица 9.2

Рецептуры ненообразующнх составов и их основные свойства

Состав смеси

Свойства

Концентрация ПАВ, г/л

2

6

12

16

20

Вода + сульфонол

Кратность Стабильность, ч/100 мл

4,8

  • 14,6
  • 0,13
  • 16,6
  • 0,07
  • 15,6
  • 0,07

15,0

Вода + сульфонол + НП-3

Кратность

Стабильность,

2,8

6,0

12,4

15,6

15,6

ч/100 мл

2,0

0,83

0,27

,13

Вода + сульфонат

Кратность Стабильность, ч/100 мл

  • 5,5
  • 0,5
  • 7,8
  • 0,42
  • 10,1
  • 0,15
  • 10,6
  • 0,1
  • 10,1
  • 0,13

Вода + смачиватель

ДБ

Кратность

Стабильность,

2,8

3,8

5,4

6,6

11,0

ч/ЮО мл

1,26

0,22

0,15

0,13

Глинистый раствор (р = 1,05 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

3,3

6,5

8,0

9,8

9,2

сульфонол

ч/ мл

2/110

2/440

2/710

-

Глинистый раствор (р = 1,05 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

2,2

4.6

7,2

7,3

8,6

сульфонол + НП-3

2 ч/мл

20,0

50,0

200,0

200,0

Глинистый раствор (р = 1,05 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

4,0

6,3

11,0

12,2

10,2

сульфонат

ч/ мл

2/30

2/50

2/240

Глинистый раствор (р = 1,05 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

2,6

3,3

4,0

5,2

6,2

смачиватель ДБ

ч/ мл

2/20

2/100

2/240

Глинистый раствор (р = 1,1 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

2,2

3,0

5,5

7,6

8,2

сульфонол

ч/ мл

24/25

24/140

Глинистый раствор (р = 1,1 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

2,4

4,1

5,5

7,2

7,2

сульфонол + НП-3

ч/ мл

24/30

Глинистый раствор (р = 1,1 г/см3) +

Кратность

Стабильность,

2,6

4.4

7,4

8,3

8,5

сульфонат

ч/ мл

24/120

24/130

При выборе пенообразующего состава для применения на конкретном объекте нужно иметь в виду, что слишком стабильные ГЖС требуют специальных средств разрушения при выходе их из скважины. Смесь должна быть в скважине стабильной, сохранять свою структуру и удерживать шлам, а после выхода из скважины распадаться на жидкую и газовую составляющие.

При использовании ГЖС в бурении скважин определяют их кратность, стабильность, плотность и условную вязкость. Для определения этих свойств необходимо иметь 0,5 л исходного раствора ПАВ (концентрация ПАВ в

исходной жидкости 20-30 г/л). Из исходного раствора приготавливают по 100— 150 мл рабочих растворов с концентрацией от 0,2 до 2,0 % ПАВ, например, 2, 6, 10, 14, 18 и 20 г/л. Объем исходного раствора определяется из соотношения

^ р

с,

СХ

Кс =

где С], С2 - концентрация исходного и рабочего растворов, г/л;

ИР - объем рабочего раствора, л.

В два мерных цилиндра объемом по 1 000 мл вливается по 50 мл исследуемых рабочих растворов осторожно, не допуская их взбалтывания и вспенивания. После этого цилиндры закрывают пробками и энергично встряхивают 30 с в горизонтальном положении. После встряхивания сразу определяют плотность и вязкость раствора.

Другой цилиндр с пеной ставят вертикально и по шкале на стенке цилиндра определить объем полученной ГЖС. После этого следует понаблюдать за разрушением пены до уменьшения объема на 100 мл и отметить время разрушения этого объема. Показателем стабильности ГЖС будет время разрушения 100 мл объема. Для стабильных ГЖС это время может составлять несколько часов и даже суток. Если время наблюдения ограничено, то указывают время и соответствующий этому времени разрушенный объем пены, например, 20 ч/80 мл.

Свойства циркулирующей через скважину ГЖС могут меняться в широких пределах, поэтому нужно вести контроль параметров смеси. Для оценки выносной способности ГЖС определяется содержание шлама в нагнетаемой и выходящей из скважины ГЖС.

Схемы получения и нагнетания ГЖС в скважину

В зависимости от необходимого соотношения воздуха и жидкости, геологических условий бурения и технических возможностей применяются различные схемы получения и нагнетания смесей в скважину [3].

  • 1. Введение ПАВ непосредственно в промывочную жидкость, находящуюся в открытой емкости, перемешивание всего состава глиномешалкой или миксером и нагнетание в скважину буровым насосом.
  • 2. Эжекция воздуха потоком промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину буровым насосом через нагнетательную линию с эжектором.

^ Эжектор (струйный насос) - (от франц. е]ес1ег - выбрасывать) - насос трения, в котором жидкость (газ) перемещается, увлекаемая потоком (струей) жидкой или газообразной среды. Эжектор обеспечивает отсасывание жидкости (газа), в отличие от инжектора, который обеспечивает нагнетание.

  • 3. Прямая схема генерации и нагнетания смеси, при которой в общую нагнетательную линию подается воздух компрессором, а жидкость закачивается насосом. Для реализации такой схемы необходимы компрессоры высокого давления, смесители, а если ГЖС представляет собой пену, то необходимы также герметизаторы устья скважины, псноразрушители, обратные клапаны и задвижки на отдельных участках линии.
  • 4. Нагнетание воздуха компрессором и жидкости дозирующим насосом во всасывающую линию бурового (дожимного насоса) с последующим нагнетанием смеси дожимным насосом. Реализация этой схемы возможна с компрессором низкого давления. Схема требует наличия не менее двух насосов.

Первая схема применяется, когда соотношение воздуха и жидкости в ней составляет до 1:3, а плотность засасываемой насосом смеси - не менее 0,7— 0,75 гр/см3. В данном случае на выходе получается аэрированная жидкость.

По второй схеме в нагнетательной линии промывочной жидкости устанавливается эжекторное устройство. При прохождении нагнетаемой буровым насосом жидкости через эжектор в наиболее узком его сечении образуется разряжение и подсасывание воздуха из атмосферы в нагнетательную магистраль. Полученная ГЖС подается тем же насосом в скважину. По этой схеме возможно получение и нагнетание смеси плотностью до 0,35-0,5 г/см3.

Третья схема является универсальной. Она позволяет в широких пределах варьировать соотношение воздуха и жидкости в смеси и практически реализовать бурение с очисткой забоя сжатым воздухом, пенами, аэрированными и обычными промывочными жидкостями, а также оперативно осуществлять переход с одного очистного агента на другой.

Четвертая схема получения пен предназначена для бурения глубоких скважин на нефть и газ. Поэтому в качестве основной следует рассматривать схему номер три.

> Контрольные вопросы и задания к гл. 9

  • 1. Назовите основное назначение буровых агентов их виды.
  • 2. Назовите основные параметры буровых растворов.
  • 3. Назовите основные виды буровых растворов и их назначение.
  • 4. Назовите основные реагенты и виды буровых растворов компании Baroid.
  • 5. Назовите основные реагенты и виды буровых растворов компании Atlas Copco.
  • 6. Назовите назначение и технологии применения реагента ЛП.
  • 7. В чём существо метода «сухого» тампонирования скважин.
  • 8. Каковы особенности свойств и применения в бурении газожидкостных смесей
  • (ГЖС)?
  • 9. Назовите возможные составы ГЖС.
  • 10. Приведите схемы приготовления и очистки буровых растворов. Каково

назначение гидроциклонов?

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >