Буровой раствор-кровеносная система скважины
Буровой раствор - это специально подготовленная технологическая жидкость, обеспечивающая промывку скважины на всех этапах бурения. В отличие от обычной воды, это сложная многокомпонентная дисперсная система.
Типы раствора в зависимости от состава
| Тип | Основа | Особенности применения |
| На водной основе | Техническая вода, соленые растворы, полимеры | Около 95% всех операций. Относительно недорогие и простые в приготовлении |
| На углеводородной основе | Нефть, дизельное топливо, инвертные эмульсии | Применяются при разработках неустойчивых пород, вскрытии продуктивных горизонтов и высоких температурах |
| Аэрированные | Жидкость с газовыми пузырьками, пена | Используются для снижения плотности и предотвращения поглощения |
| Газообразные | Воздух, природный газ | Применяются в специфических условиях, например с низким пластовым давлением |
Ключевые функции
Циркуляция в скважине обеспечивает решение целого ряда критических задач:
- Очистка забоя и вынос шлама. - это главная задача. Состав, вытекающий из долота, смывает частицы выбуренной породы (шлам) и транспортирует их на поверхность, где они отделяются. Без этого процесса бурение быстро бы остановилось из-за забивания забоя
- Охлаждение и смазка долота. Породоразрушающий инструмент сильно нагревается и испытывает огромное трение. Проходящая через долото смесь охлаждает его и снижает износ, продлевая срок службы
- Стабилизация стенок скважины. Гидростатическое давление столба раствора в скважине препятствует обвалам и осыпям породы. Кроме того, проникновение фильтрата в породу способствует образованию на стенках тонкой глинистой корки, которая дополнительно укрепляет их
- Предотвращение выбросов (контроль давления). Регулируя плотность бурового раствора (добавляя утяжелители), можно создавать давление на забой, превышающее пластовое. Это удерживает флюиды (воду, нефть, газ) в пласте и предотвращает их неконтролируемый выброс на поверхность
- Передача гидравлической энергии забойным двигателям. В некоторых схемах добычи (например, с использованием турбобуров) он вращает инструмент, преобразуя свою энергию в механическую
Процесс циркуляции происходит по замкнутому кругу
- Приемный резервуар (амбар). Очищенный и подготовленный состав хранится в специальных резервуарах на поверхности
- Буровой насос забирает жидкость из приемной емкости и под высоким давлением (до 30 МПа) подает его по нагнетательной линии
- Стояк и гибкий рукав (келли-хос). По трубам поднимается на вышку, проходит через стояк и гибкий шланг, соединенный с вертлюгом
- Вертлюг и ведущая труба (келли). Через вертлюг попадает во вращающуюся бурильную колонну
- Под высоким давлением движется вниз по трубам
- Долото. С большой скоростью выходит из насадок долота, смывая шлам с забоя
- Затрубное (кольцевое) пространство. Смешанный с частицами породы поднимается на поверхность по пространству между колонной и стенками скважины
- Система очистки. На поверхности поступает в систему, где последовательно очищается от шлама
- Вибросита: Отделяют крупные частицы породы
- Песко- и илоотделители (гидроциклоны). Удаляют более мелкий песок и ил
- Центрифуги Используются для тонкой очистки от мельчайших твердых частиц - Возврат в резервуар. Очищенный состав снова поступает в приемную емкость, где его параметры корректируются, и цикл повторяется
Потери бурового раствора при циркуляции: причины и способы решения
В процессе бурения часть состава неизбежно безвозвратно теряется. Эти потери могут быть как естественными за счет фильтрации в проницаемые породы, так и аварийными (полный уход в пласт). Потери могут привести к серьезным осложнениям, вплоть до прихвата инструмента или открытого фонтанирования.
Основные причины потерь:
- Высокая проницаемость пород: крупнозернистые пески, гравий, трещиноватые известняки
- Низкая пластовая нагрузка
- Слишком высокая плотность создает избыточную гидростатическую нагрузку на забой
- Гидроразрыв пласта возникает при превышении напора, критического для данной породы
Для минимизации потерь применяются превентивные меры и оперативные способы борьбы. Основные из них сведены в таблицу:
| Способ решения | Суть метода | Когда применяется |
| Снижение плотности | Уменьшение гидростатической нагрузки на забой путем разбавления или аэрации раствора | При поглощениях в зонах с низким пластовым давлением, когда требуется снизить нагрузку на породу |
| Введение вязко-эластичных добавок (полимеров) | Повышение вязкости увеличивает сопротивление фильтрации и затрудняет уход жидкости в поры | При небольших и средних потерях в проницаемые коллекторы (пески, алевролиты) |
| Добавление коллоидных и тонкодисперсных наполнителей | Частицы (мел, бентонит, графит) закупоривают поры и микротрещины, создавая малопроницаемую глинистую корку | Для предотвращения фильтрации и укрепления стенок скважины в интервалах с пористыми породами |
| Закачка вязких «тампонирующих» паст (тампонов) | Специальная густая смесь (глина, цемент, полимеры) продавливается в зону поглощения и закупоривает каналы утечки | При значительных и катастрофических потерях (более 10–15 м³/час), когда обычные добавки не помогают |
| Применение крупнообломочных материалов (слюда, скорлупа орехов, волокна) | Крупные и волокнистые частицы образуют «замки» в трещинах и крупных кавернах, перекрывая поток раствора | При зонах трещиноватости и карстовых пустот, где мелкие наполнители просто проходят насквозь |
| Цементирование зоны поглощения | Закачка тампонажного цементного состава в поглощающий горизонт для полной изоляции интервала | Самый радикальный способ при неэффективности всех других методов и когда зона поглощения четко локализована |
Помимо технических методов, важную роль играет организация контроля: постоянный замер уровня раствора в приемных емкостях, замер скорости бурения и визуальный мониторинг выходящего шлама. Это позволяет оперативно заметить начало потерь и применить адекватный способ борьбы, не дожидаясь аварийной ситуации.
Контроль качества: ключевые параметры и как их замерить
Параметры состава могут меняться в процессе бурения: он загрязняется шламом, разбавляется пластовой водой, теряет свои реологические свойства под воздействием температуры и давления. Регулярный замер ключевых показателей позволяет своевременно корректировать состав и предотвращать осложнения.
Что контролируют
1. Плотность (удельный вес) - это его масса в единице объема. Этот параметр критически важен для создания гидростатического напора на забой.
- Как замеряют: С помощью рычажных весов (весов Марша) или цифровых плотномеров. Прибор калибруется дистиллированной водой, затем в чашу заливается свежая проба раствора, и по положению уравновешенного рычага считывается значение.
- Единицы измерения: г/см³, кг/м³ или фунт/галлон (ppg).
2. Условная вязкость (ВУ) характеризует текучесть жидкости и его способность выносить шлам на поверхность. Слишком низкая вязкость ухудшает очистку забоя, слишком высокая создает избыточное гидравлическое сопротивление.
- Как замеряют: Наиболее распространенный способ - вискозиметр Марша. Это конус с сеткой на дне, из которого раствор вытекает через калиброванное отверстие. Засекается время (в секундах), за которое вытекает 1 кварта (0,946 л) раствора.
- Единицы измерения: секунды по Маршу.
3. Фильтрация (водоотдача) - это способность раствора отдавать жидкую фазу (фильтрат) в пористую породу. Избыточная фильтрация приводит к утолщению глинистой корки, сужению ствола скважины, зашламованию коллекторов и может вызвать прихват инструмента.
- Как замеряют: На фильтр-прессе (чаще всего — ВМ-6). Раствор заливается в цилиндр, к нему прикладывается давление (обычно 0,7 МПа для стандартного замера). Через 30 минут измеряется объем фильтрата, прошедшего через бумажный фильтр (в мл). Толщина образовавшейся глинистой корки замеряется линейкой.
- Единицы измерения: мл за 30 минут.
4. Статическое напряжение сдвига (СНС) характеризует прочность структуры в покое. Показывает, какое усилие необходимо приложить, чтобы сдвинуть с места коллоидную сетку, образовавшуюся в смеси. Высокий СНС мешает запуску циркуляции после остановки и способствует затяжкам инструмента.
- Как замеряют: На ротационном вискозиметре (например, Fann). После выдерживания в покое в течение 10 секунд (СНС₁) и 10 минут (СНС₁₀), измеряется момент, необходимый для сдвига покоящейся структуры.
- Единицы измерения: фунты на 100 фут² (lbs/100ft²) или дПа.
Нормативные значения для основных типов растворов
Для наглядности сведем рекомендуемые интервалы допустимых значений в таблицу. Важно понимать, что это усредненные ориентиры. Фактические нормы рассчитываются индивидуально для каждой скважины, исходя из геологического разреза, давления в пласте, диаметра ствола и типа бурильной системы.
| Параметр | Единица измерения | На водной основе (для интервала 0–2500 м) | На углеводородной основе |
| Плотность | г/см³ | 1,05 – 1,50 (корректируется под пластовое давление, может достигать 2,2–2,4 с утяжелителем) | 1,0 – 2,2 |
| Условная вязкость (по Маршу) | сек | 25 – 60 (для глубоких скважин до 80–100) | 30 – 80 |
| Фильтрация (водоотдача) | мл / 30 мин | 4 – 10 (для полимерных до 2–4) | менее 3 |
| СНС₁ (через 10 сек) | дПа | 1 – 5 | 1 – 6 |
| СНС₁₀ (через 10 мин) | дПа | 3 – 10 (не более 15–20) | 2 – 12 |
| Содержание песка | % | менее 1,0 – 1,5 | менее 0,5 |
| pH (кислотность/щелочность) | ед. pH | 8,5 – 10,5 (оптимально 9,0 – 9,5) | 7,0 – 9,0 |
Дополнительные параметры
Помимо перечисленных, в зависимости от условий бурения контролируют также:
- Содержание песка и твердой фазы определяется отстаиванием или на специальных приборах (пескомеры). Избыток песка абразивно изнашивает насосы и долота.
- Водородный показатель (pH) регулирует щелочность среды, влияющую на коррозию и эффективность полимеров. Замеряется индикаторной бумагой или pH-метром.
- Пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига - это более тонкие реологические показатели, измеряемые на ротационных вискозиметрах для расчета гидравлических сопротивлений.
Регулярный контроль (замеры проводятся не реже 2–4 раз в смену, а в ответственных интервалах непрерывно) позволяет бригаде держать руку на пульсе процесса и оперативно вносить коррективы, обеспечивая безаварийные и эффективные процессы.
Часто задаваемые вопросы
-
Технически - да, воду можно закачать в скважину. Но практически - это крайне рискованно и малоэффективно. Вода не обладает вязкостью, чтобы выносить шлам, не создает глинистую корку для укрепления стенок и не имеет нужной плотности для удержания пластового давления.
Это приведет к обвалам породы, прихвату инструмента и, скорее всего, к аварийной остановке. Вода используется лишь как временная замена или вспомогательный компонент в составе.
-
Повышение вязкости - это частый признак накопления выбуренной породы (шлама) в растворе или избыточной концентрации полимеров.
Способы решения:
- Усилить работу системы очистки (вибросита, гидроциклоны, центрифуги)
- Добавить дефлокулянты (жидкие разжижители), которые «разбивают» структуру раствора
- Частично разбавить состав водой или свежей смесью с пониженной вязкостью
Главное - это не дожидаться полной остановки циркуляции, так как запуск системы после длительной остановки может потребовать высокого давления и создать риск гидроразрыва пласта.
-
Пенообразование возникает при попадании в жидкость воздуха в ходе подсасывание через сальники насосов или турбулентное течение или из-за разложения некоторых химических реагентов. Пена снижает гидростатическое давление, так как насыщает состав газом, затрудняет работу насосов и ухудшает очистку шлама.
Борются с этим двумя способами:
- Механически: оптимизируют работу насосов и деаэраторов
- Химически: вводят пеногасители по типу PRODEFOAMER, которые разрушают пузырьки на поверхности
-
С ростом глубины температура может превышать 150–200 °C, что критически сказывается на свойствах раствора.
Основные эффекты:
- Вязкость падает, ухудшается вынос шлама
- Химические реагенты начинают разлагаться, теряя свои свойства
- Увеличивается фильтрация из-за разрушения глинистой корки
Для глубокого бурения применяют специальные термостойкие реагенты и проводят дополнительные замеры свойств при нагреве.
-
Полная замена «перебивка» - операция дорогая и трудоемкая. В идеале раствор должен служить на протяжении всего интервала бурения с периодической корректировкой свойств, добавлением реагентов, утяжелителей, разжижителей.
Полная замена требуется только в исключительных случаях:
- Несовместимость старого и нового типа при смене технологии бурения, например, переход с водной основы на углеводородную
- Катастрофическое загрязнение (засоление, попадание цемента, разложение реагентов), которое невозможно исправить добавками
- После окончания работ. Отработанный раствор утилизируется или передается на переработку. В среднем один и тот же состав с корректировками может циркулировать неделями, а иногда и месяцами.
Сертификаты
