ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К БУРОВЫМ РАСТВОРАМ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН

TECHNOLOGICAL REQUIREMENTS FOR DRILLING FLUIDS DURING WELL CONSTRUCTION

Shamil Iskanderov

student, Department of Oil and Gas Drilling, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

В процессе строительства возникают осложнения, связанные с проходкой в толще неустойчивых пород. В целом, при бурении скважин на территории Западной Сибири среднее содержание глинистых сланцев в разрезе составляет порядка 80%, которые по характеру поведения могут быть разделены на 4 типа: устойчивые породы, склонные к набуханию и переходу в буровой раствор породы, хрупкие и осыпающиеся породы, быстроувлажняющиеся глины с наличием солей, склонные к образованию каверн и обвалов. Бурение в толще неустойчивых пород может привести к таким осложнениям, как осыпи и обвалы, механические прихваты, затяжки и поасадки при СПО, недоход обсадной колонны до проектного забоя, сужение ствола и иные, на ликвидацию которых, согласно статистике, в среднем за год затрачивается 12-20% от общей стоимости строительства скважин. Поэтому к раствору предъявляется немаловажное требование по сохранению стенок скважины в устойчивом состоянии.

ABSTRACT

During the construction process, there are complications associated with the penetration of unstable rocks. In general, when drilling wells in Western Siberia, the average content of clay shales in the section is about 80%, which, by their behavior, can be divided into 4 types: stable rocks prone to swelling and transition to drilling fluid, brittle and crumbling rocks, rapidly moistening clays with the presence of salts, prone to the formation of cavities. and landslides. Drilling in unstable rocks can lead to complications such as scree and landslides, mechanical snags, tightening and subsidence during drilling, casing failure before the design face, narrowing of the trunk, and others, which, according to statistics, require an average of 12-20% of the total cost of well construction per year. Therefore, the solution has an important requirement to keep the walls of the well in a stable state.

Ключевые слова: буровые растворы, требования, параметры.

Keywords: oil drilling fluids, requirements, parameters.

Глинистые минералы являются слоистыми или слоисто-ленточниыми силикатами и обладают высокой дисперсностью и гидрофильностью, размеры частиц которых колеблются от 1 до 10 микрометров. Наличие даже небольшого процентного содержания данных минералов в породе существенно влияет на физические свойства, будь то пластичность, прочность, восприимчивость к воде и так далее. На данный момент, строение и свойства данных пород достаточно хорошо изучены. Известно, что это разнородные по составу минеральные соединения водных силикатов, которые образовались в процессе выветривания.

Основу слоистости этих минералов составляют тетра- и октаэдрические сетки, в центре которых могут располагаться атомы Si, Al, Fe, Mg, Zn и иные. При соединении сеток друг с другом они образуют структурный слой. Связь между слоями может быт различной в зависимости от минерала и особенностей его строения, она может быть прочной за счёт ионного характера и разноименности заряда слоев, или менее прочной за счёт остаточных молекулярных или водородных сил.

Одним из факторов, влияющих на свойства глинистых пород, является горное давление, которое вызывает в породах напряжение и возрастает с глубиной, приводя к возникновению определенных процессов в породах. Нарушение сплошности залегания при бурении приводит к росту концентрации напряжений у ствола скважины и к его последующему повреждению.

Пластическое течение как глинистых, так и хемогенных (соленосных пород) приводит к уменьшению диаметра ствола скважины, росту воздействия на цементный камень и обсадные колонны, что в критических случаях может привести к её смятию.

Взаимодействие воды и гидрофильных частиц глинистых минералов приводит к образованию пленок воды, в которой находятся коллоидные частицы, при этом происходит активный контакт между водой и минералами, приводящий к изменению их структурного состояния.

Также влияет фактор гравитационного уплотнения в процессе формирования глин. Условия естественного залегания глин определяют и формирование их структуры, и прочность. Прочность с глубиной возрастает, так как при навесе вышерасположенных пород увеличивается оказываемое давление, приводящее к отжиму воды.

В процессе бурения на породы оказывает влияние колебание давления в процессе циркуляции, что вызывает изменение напряжения пород на стенках скважины. Это может быть вызвано ростом давления гидростатики при продавке, или потерями давления при циркуляции, или ростом давления при пуске бурового насоса, при СПО инструмента и эффекте поршневания/свабирования и так далее.

Потерять устойчивость ствола возможно при достижении предельного состояния прочности ГП. Наиболее распространенный способ поддержания устойчивости внутри скважины – создание противодавления столбом бурового раствора (также возможно применение специальных крепящих составов, таких как силикатные пачки и другие). Выбор плотности раствора возможно определить посредством расчётов.

При постоянном напряженном состоянии оказывают влияние многие параметры работы скважины. К примеру, начинает играть роль температура, которая меняется в процессе циркуляции или её отсутствии. Частота циклов нагревания и охлаждение, пусть и небольшое, может привести к усталостным термонапряжениям. Аналогично играют роль постоянного перемещения бурильного инструмента, его удары о стенки скважины и так далее. Скорость уменьшения длительной прочности пород зависит от амплитуды и частоты колебаний гидродинамического давления и температуры, и она считается достаточной при условии, что её текущая прочность равна 0,85-0,95 от изначальной прочности при всестороннем сжатии.

При вскрытии горных пород на них оказывается воздействие со стороны бурового раствора вследствие физико-химических явлений на поверхности породы. Буровой раствор смачивает, увлажняет, растворяет породы и вызывает адсорбцию. Породы разделяются на гидрофильные и гидрофобные, из них первые хорошо смачиваются водой, и слабо – углеводородами. Практически все горные породы – гидрофобные. В зависимости от природы глинистого минерала, он может либо интенсивно набухать в водной среде (пример – монтмориллонитовые глины) или слабо взаимодействовать с ней (каолинитовые глины). Фильтрат раствора при проникновении в глины увлажняет их и резко снижает устойчивость, а пульсации давления и механическое воздействие лишь это усугубляют. К механизмам проникновения фильтрата относят как перепад давления между давлением столба раствора и пластами пород, так и возникающий осмос и диффузии в глинах.

Осмос возникает при движении воды из зоны с малой концентрацией растворенного вещества в область с высокой концентрацией. Высокая концентрация обуславливается малым содержанием пластовой воды после уплотнения горных пород.

Были проведены экспериментальные исследования влияния влажности глин на их прочность. Было определено, что глины с влажностью до 3% обладают высокой устойчивостью против осыпей и обвалов, а повышение влажности до 9-13%, наоборот, приводит к резкому разуплотнению и потере устойчивости.

Всего же для обработки бурового раствора зачастую используется не более 20-30 химических веществ, часть из них была отмечена выше. Причём в зависимости от концентрации компонента он может привести как к положительному, так и к отрицательному эффекту на процессы бурения и крепления скважины. Так, кальцинированная сода при малых концентрациях улучшает связывание ионов кальция, будь то разбуривание цементных мостов или реагирование с кальциевыми водами. Однако повышение концентраций до 0,7-1,5% в растворе приводит к гидратированию, разупрочнению глинистых пород, усиливает их диспергирование.

Если говорить про предъявляемые требования и требуемые решаемые задачи, то буровые растворы должны обеспечивать устойчивость стенок скважины (за счёт снижения лиофильности глин посредством ингибирования или модификации состава фильтрата), снижение фрикционных и гидравлических сопротивлений, обладать повышенной термостойкостью и солестойкостью, повышать скорости разбуривания горных пород, обладать высокой выносящей способностью, быть способными образовывать на скважине полимерную полупроницаемую мембрану и др.

Список литературы:

1. Оценка изменения фракционного состава кольматанта в промывочной жидкости в процессе строительства скважин / В. Г. Конесев, П. В. Лукьянов, И. Н. Давыдова, Е. В. Лобанков // Инженер-нефтяник. – 2024. – № S5. – С. 50-53.