Буріння свердловин

ЗМІСТ

ВСТУП

1. Колонкове БУРІННЯ

1.1.Общая відомості

1.2.Загальна схема колонкового буріння

1.3.Інструмент колонкового буріння

2. КОНСТРУКЦІЯ Колонкове СВЕРДЛОВИН

3. БУРОВІ УСТАНОВКИ Колонкове БУРІННЯ

4. Промивання і продування СВЕРДЛОВИН

3.1.Промивка свердловин

3.2.Основние типи промивної рідини і умови застосування

3.3.Назначеніе глинистих розчинів та їх властивості

3.4.Методи вимірювання властивостей промивних розчинів

3.5.Расчет необхідної кількості глини

5. ТЕХНОЛОГІЯ Колонкове БУРІННЯ

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

В даний час буріння свердловин, багатоцільове виробництво і сучасна промисловість пропонує великий вибір технічних засобів і технологій, в яких потрібно розбиратися, щоб прийняти правильне рішення. В умовах ринкової економіки і жорсткої конкуренції між надрокористувачами до фахівців геологам пред'являються відповідні вимоги, тому що від його кваліфікації та знань, часом на рівні інтуїції, може залежати успіх всього підприємства.

1. Колонкове БУРІННЯ

1.1.Общая відомості

Колонкове буріння є основним технічним способом розвідки родовищ твердих корисних копалин. Воно також широко застосовується при інженерно-геологічних та гідрогеологічних дослідженнях і при структурно-картіровочних вишукуваннях нафтових і газових родовищ. Крім того, це буріння застосовується для різних інженерних цілей. Колонковим способом можуть буріться шурфи і розвідувальні шахти. Колонкове буріння отримало таку велике поширення з наступних причин.

1. Воно дозволяє витягати з свердловини стовпчики породи - керна, за якими можна скласти геологічний розріз родовища і випробувати корисна копалина.

2. Колонковим способом можна бурити свердловини під різними кутами до горизонту, різними породоразрушающим інструментами в породах будь-якої твердості і стійкості. З підземних виробок можна бурити повстають свердловини.

3. Бурити свердловини малих діаметрів на велику глибину, застосовуючи відносно легке обладнання.

1.2.Загальна схема колонкового буріння

Буріння свердловини починається з підготовки під'їзних шляхів та майданчики для бурової установки. Перед початком буріння на місці закладення запроектованої свердловини розрівнюється майданчик, викопуються ями під ємності для промивальної рідини і під фундаменти і збирається бурова вишка 14 з буровим будівлею 15. У вишці монтуються у потрібному напрямку буровий верстат 7, буровий насос 18, електродвигуни 19 для приводу верстата і насоса (рис.3.1). За відсутності електроенергії верстат і насос приводяться в дію через відповідну трансмісію від двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ)

Рис.3.1 Схема бурового агрегату

Після монтажу бурової установки і перевірки її роботи проводиться забурювання свердловини в заданому напрямку, після чого гирлі свердловини закріплюється напрямною трубою. Всі частини бурового снаряда з'єднуються один з одним за допомогою різьбових (герметичних) з'єднань. Верхня ведуча бурильна труба пропускається крізь шпиндель обертача бурового верстата, закріплюється в затискному патроні, потім .. на неї нагвинчується бурової сальник.

Одночасно обладнується система для очищення бурового розчину від частинок разбуренной породи. Для охолодження коронки, очищення вибою від зруйнованої породи і винесення на поверхню шламу свердловину промивають. Буріння свердловини проводиться в такій послідовності. За допомогою лебідки в свердловину спускається буровий снаряд, що збирається з наступних частин: коронки 7, колонкової труби 6, перехідника 5, колони бурильних труб 4, довжина якої збільшується в міру поглиблення свердловини, вертлюг-сальника 3, нагнітального шланга 2, що з'єднує буровий снаряд з буровим насосом 1. Обертання бурового снаряда супроводжується нагнітанням під тиском промивальної рідини буровим насосом. Розчин, насичений шламом разбуренной породи, піднімається вгору по стовбуру свердловини, де надходить по системі жолобів 8 у відстійник 9, де шлам опускається на дно, а освітлена вода в приймальний бак 10.

Рис. 3.2 Схема прямої промивки свердловин:

1 - буровий насос, 2 - нагнітальний шланг, 3 - вертлюг - сальник; 4 - колона бурильних труб; 5 - трубний фрезерний перехідник; 6 - колонкова труба; 7 - коронка; 8 - система жолобів; 9 - відстійник; 10 - приймальний бак

З промиванням і обертанням снаряд обережно доводять до забою і починають буріння. Свердловину забурюють до корінних порід і врізаються в них на 0,5-1,5 м, після чого опускають напрямну трубу, призначену для запобігання гирла свердловини від розмиву і напрямки виливається зі свердловини рідини в жолобної систему При глибокому бурінні всю товщу верхніх нестійких і водоносних порід перекривають наступної колоною обсадних труб званої кондуктором. Затрубний простір за кондуктором на всю глибину або в нижній частині має бути зацементувати, а кільцевий зазор між напрямною трубою і кондуктором загерметизований.

Залежно від фізико-механічних властивостей порід, діаметру і типу бурової коронки шпинделя і бурового снаряду повідомляють ту чи іншу частоту обертання і за допомогою регулятора подачі створюють необхідну осьове навантаження на коронку. Частота обертання інструменту підбирається в залежності від типу коронки, її діаметру і глибини свердловини. Регулятор подачі дозволяє створювати необхідний тиск різців коронки на породу забою, незалежно від ваги колони бурильних труб. Обертаючись і проникаючи в породу, коронка вибурюється кільцевої забій, формуючи керн. У міру поглиблення свердловини керн заповнює колонкову трубу

Якщо буріння ведеться по стійких порід, то для промивання свердловини застосовується технічна вода. При проходці свердловини в недостатньо стійких породах промивку ведуть глинистим розчином. При бурінні у відносно безводних свердловинах може застосовуватися продування забою стисненим повітрям.

Після того як колонкова труба наповниться керном, приступають до підйому інструменту на поверхню. При бурінні в міцних і абразивних породах іноді доводиться припиняти буріння і приступати до підйому інструменту через значне зниження швидкості буріння внаслідок затуплення різців коронки або через самозаклініванія керна в колонковому снаряді. Перед початком підйому керн повинен бути надійно заклинений в нижній частині колонкового снаряда і зірвано. Після заклинювання керна насос вимикають і буровий снаряд за допомогою лебідки піднімають на поверхню, развінчівая колону бурильних труб на окремі свічки. Довжина свічок визначається висотою бурової вишки. Свічка скручувані з двох або трьох, а іноді і чотирьох бурильних труб. Довжина свічки на 3-5 м менше висоти вежі. Свічки встановлюються на свічник. Вага жене колони можна визначати за допомогою індикатора ваги.

Після вилучення колонкового снаряду на поверхню коронку відгвинчують, керн витягують з колонкової труби, інструмент знову збирають, опускають у свердловину і буріння продовжують. При кожному підйомі коронку оглядають і в разі зносу заміняють нової. Керн промивають, очищають від глинистої кірки, заміряють і укладають у послідовному порядку в кернові ящики, відзначаючи інтервал свердловини, з якого піднято керн, і відсоток виходу керна.

Якщо свердловина перетинає нестійкі породи, які обвалюються або витріщає навіть при застосуванні спеціальних промивних розчинів, в неї опускають колону обсадних труб, перекриваючи нестійкі породи, після чого продовжують буріння свердловини коронкою меншого діаметру. Через 50-100 м проходки вимірюють кут нахилу (зенітний) і напрям (азимут) свердловини. Після того, як свердловина перетне корисна копалина і ввійде у порожні породи лежачого боки, буріння припиняють, інструмент піднімають і розбирають.

У свердловині виробляють геофізичні дослідження, (каротаж), вимірюють кривизну стовбура, температуру, перевіряють глибину свердловини, після чого приступають до ліквідації свердловини. Для цього, перш, витягають обсадні труби (якщо вони не зацементовані), потім заповнюють під тиском тампонажним розчином, щоб по стовбуру не було перетоку підземних вод. Після цього бурова установка розбирається та перевозиться на нову точку. На місці ліквідованої свердловини встановлюють репер.

У міцних породах буріння виробляють алмазними коронками. В міцних крихких породах може бути з успіхом застосована ударно-обертальне буріння з гідро-або пневмоударних механізмом. У породах середньої твердості і м'яких обертальне буріння ведеться коронками, армованими твердосплавними різцями. Якщо свердловини перетинають вже вивчені породи, то на ділянках, де корисна копалина відсутній, доцільно перейти на бескерновое буріння, яке дозволяє підвищити продуктивність буріння за рахунок значного збільшення проходки за рейс і скорочення часу на спуско-підйомні операції, а також за рахунок підвищення режимів буріння .

Глибини колонкових свердловин бувають різні - від декількох метрів до декількох тисяч метрів. Діаметри колонкових свердловин залежать від цілей їх проходки і від типу породоруйнуючого інструменту. При алмазному способі свердловини буряться в основному коронками діаметром 76, 59 і 46 мм. При твердосплавної бурінні частіше застосовують коронки діаметром 92, 76, 59 мм, При інженерно-геологічних та гідрогеологічних роботах іноді проходять колонковим способом шурфів-свердловини діаметром 500-1500 мм. Випускаються установки для буріння колонковим способом круглих стовбурів шахт діаметром більше 5 м.

1.3.Інструмент колонкового буріння

Інструмент, призначений для буріння свердловин, називається буровим інструментом і підрозділяється на технологічний, допоміжний, аварійний і спеціальний.

Технологічний інструмент призначений безпосередньо для буріння. Набір інструменту, сполученого в певній послідовності, називається буровим снарядом. Допоміжний інструмент - це буровий інструмент, призначений для обслуговування технологічного інструменту при бурінні. Аварійний інструмент призначений для ліквідації різного роду ускладнень, що перешкоджають нормальному процесу буріння, а спеціальний - для обслуговування специфічних операцій в свердловинах.

Технологічний буровий інструмент (буровий снаряд) складається з колонкового набору (бурової коронки, кернорвательного пристрою, колонкової труби, трубного перехідника, шламової труби) і бурильної колони (бурильних труб і їх з'єднань). Для кожного діаметра свердловин складається певний буровий снаряд. У зв'язку з цим стандартами передбачено по кожному типу інструменту певну кількість розмірів, взаємно уніфікованих по елементів сполучення і діаметрам (типорозміри).

Допоміжний інструмент призначений, в основному для складання - розбирання бурового снаряда і для обсадження свердловини обсадними трубами. Представлений обсадними трубами, напівавтоматичним елеватором з пробкою (грибком), елеватором, шарнірним ключем, подкладной виделкою.

Таблиця 3.1

Основні розміри обсадних труб ніпельного з'єднання і ніпелів до них (у мм)

Таблиця 3.2

Основні розміри обсадних безніппельних труб (в мм)

Для утримання снаряда в підвішеному стані застосовуються трубні хомути і трубодержателі. Для згвинчування і розгвинчування обсадних труб застосовуються двох-або трехшарнирной ключі. Кожен ключ може бути використаний для згвинчування і розгвинчування двох розмірів обсадних труб.

Для запобігання нижнього кінця обсадної колони від ушкоджень при спуску і під час буріння до нижнього її кінця приєднується черевик обсадних труб

2.КОНСТРУКЦІЯ Колонкове СВЕРДЛОВИН

Перш ніж приступити до буріння свердловини, треба скласти її проектну конструкцію Вихідними даними для вибору конструкції свердловини служать:

а) фізико-механічні властивості порід, що перетинаються свердловиною, їхня фортеця, стійкість, водонасиченому і т. д.;

б) глибина свердловини, нахил свердловини;

в) кінцевий діаметр свердловини, який залежить від виду корисної копалини;

г) спосіб буріння.

Проектування свердловини починається з вибору та обгрунтування глибини свердловини, кінцевого діаметра буріння, початкових кутів забурювання, технічної конструкції свердловини. Глибина картіровочной свердловини визначається встановленої геологічним завданням глибиною геологічного картування. Глибина розвідувальної та пошукової свердловин в загальному випадку встановлюється з необхідності перетину свердловиною тіла корисної копалини і поглиблення в підстилають породи на 2-20 м. Початкові кути забурювання залежать від кута падіння і азимута падіння тіла корисної копалини або пластів гірських порід, глибини свердловини. Бажано, щоб свердловина перетинала пласти гірських порід під кутами, близькими до 70 ⁰ -90 ^0. Якщо кути падіння пластів не перевищують 30 ^0, то свердловини проектуються вертикальними. При великих кутах падіння потребує буріння похилих або викривлених свердловин.

Кінцевий діаметр буріння визначається, перш за все, видом корисної копалини, яке потрібно розкрити, а точніше - вимогами до обсягу їх проб. Більшість твердих корисних копалин не вимагає специфічних видів аналізу. При бурінні їх алмазними коронками рекомендується приймати кінцевий діаметр свердловини 46 або 59 мм. Для твердосплавного буріння кінцевий діаметр свердловини слід брати 59, 76 мм. Буріння деяких корисних копалин, вимагає більш об'ємних проб для вивчення. Наприклад, буріння при розвідці вугільних родовищ, мінеральних солей і інших твердих корисних копалин, що залягають в товщах осадових порід, проводиться твердосплавними коронками, причому при проходці по вугільному пласту кінцевий діаметр свердловини повинен бути не менше 76 мм, а при перетині мінеральних солей - не менше 92 мм. При розвідці хімічної сировини та будматеріалів бурять свердловини діаметром 93-200 мм. Розвідка розсипних родовищ золота і платини проводиться свердловинами діаметром 150-200 мм При інженерно-геологічних дослідженнях в основному бурять свердловини діаметром 112-219 мм. При гідрогеологічні вишукування діаметри свердловин визначаються розмірами існуючих конструкцій приладів і водопідйомного обладнання і коливаються в межах 100-219 мм і більше. Діаметри експлуатаційних свердловин на воду визначаються необхідної продуктивністю свердловини і звичайно не менше 168 - 300 мм.

Основна маса цих свердловин буриться в переміжних породах пухких, м'яких і середньої міцності. Часто буріння виробляється в піщано-глинистих грунтах, що містять гравій, гальку та валуни. Породи ці схильні до обвалення. Зустрічаються породи типу пливунів. Тому в процесі поглиблення необхідно закріплювати свердловину обсадними трубами.

Після вибору кінцевого діаметра свердловини, намічають інтервали, що вимагають закріплення обсадними трубами, визначають глибини встановлення колон обсадних труб. Обсадні труби необхідно передбачати для:

1) закріплення гирла свердловини з метою запобігання від розмивання та відводу промивної рідини в жолоби (напрямна труба);

2) закріплення залягають зверху нестійких і обводнених порід і для належного напрямку стовбура свердловини (кондуктор);

3) перекриття зон зруйнованих і роздрібнених порід, галечников, слабких конгломератів і брекчий, які погано кріпляться глинистим розчином і не можуть бути затампоновані що швидко сумішами;

4) виробництва тампонажу для ізоляції водоносних горизонтів, закріплення стінок свердловини перед перетином корисної копалини, над яким залягають нестійкі породи, що дають осипи.

При проектуванні бурових робіт у нових районах необхідно передбачати резервну колону обсадних труб і відповідний резервний діаметр коронок.

Вибирають конструкцію свердловини знизу вгору. Після вибору конструкції свердловини вибирають бурову установку, потім складають специфікацію необхідного бурового обладнання та інструментів, визначають режими буріння для кожного типу породи в окремих інтервалах і розробляють геолого-технічний наряд на будівництво свердловини (табл. 4.1.). Він буде служити основним документом - керівництвом для бурової бригади. У ньому в табличній формі є інформація з геологічного розрізу, конструкція свердловини і рекомендовані параметри режиму буріння.

3.БУРОВИЕ УСТАНОВКИ Колонкове БУРІННЯ

Буровою установкою називається комплекс бурового і енергетичного обладнання, а також споруд (вежа або щогла, бурове будівля), службовець для буріння свердловин. Колонкове буріння виробляється установками, що складаються з бурового агрегату, який розміщений в буровому будівлі, і бурової вишки або щогли. Буровий агрегат включає буровий верстат, буровий насос для промивки свердловини, силові приводи до них, апаратуру контролю і регулювання процесу буріння.

Установки для колонкового буріння по транспортабельності поділяються на стаціонарні, пересувні, самохідні, переносні.

Таблиця 4.1

Стаціонарними називаються такі установки, у яких бурової агрегат і вишка монтуються у вигляді одного або декількох блоків. Ці установки не мають власної транспортної бази. Після закінчення буріння установка розбирається на складові блоки, які перевозяться на нове місце буріння, де знову монтуються. Стаціонарні бурові установки використовуються при великих витратах часу на буріння свердловин.

Пересувні бурові установки монтуються на одній або декількох рамах, встановлених на санях, колісних або гусеничних візках. Такі установки застосовують при невеликих відстанях між свердловинами і переміщають буксируванням автомобілями або тракторами.

Самохідні установки монтуються на базі автомашин, тракторів.

Бурові верстати служать для обертання колони бурильних труб з колонковим набором, регулювання осьового навантаження на породоразрушающий інструмент з подачею бурового снаряда в міру поглиблення свердловини, а також для здійснення спуско-підйомних операцій при бурінні свердловини, кріпленні її обсадними трубами і спеціальних роботах.

Основні вузли верстата для колонкового буріння: а) обертач бурового снаряда, б) багатоступенева коробка передач для регулювання частот обертання і підйому; в) лебідка для здійснення спуско-підіймальних операцій; г) головний фрикціон для включення і відключення верстата від двигуна; д) механізм подачі бурового снаряда і регулятор навантаження на породоразрушающий інструмент, е) пульт управління з контрольно-вимірювальною апаратурою.

Конструктивна схема верстата і установки в цілому істотно визначається типом обертача і механізмом подачі. Обертачі за своєю конструкцією поділяються на шпиндельні, роторні та рухливі. Обертач бурового верстата є основним робочим механізмом, який виконує технологічні операції при бурінні.

Осьове навантаження на вибій свердловини регулює механізм подачі бурового верстата. Залежно від конструкції механізму подачі бурові верстати бувають: з гідравлічною подачею; гвинтовий диференціальною подачею; важільної подачею; комбінованої важільно-диференціальною подачею; подачею з барабана лебідки (роторні верстати). Переважно застосовують шпиндельні верстати з гідравлічною системою подачі, Обертання і подача бурильної колони в цьому випадку здійснюється за допомогою шпинделя.

Установки, обладнані шпінделя або рухомим обертачів з гідравлічною подачею, володіють наступними перевагами:

1) можуть бурити вертикальні, похилі і повстають свердловини;

2) забезпечують можливість регулювання осьового зусилля на забій (створення примусового зусилля або розвантаження забою);

3) дозволяють виробляти плавну подачу бурового снаряда з необхідною швидкістю;

4) дозволяють визначати вагу снаряда в свердловині;

5) гідравлічний подача може бути використана як гідравлічний домкрат при добуванні труб і ліквідації аварій.

Всі ці переваги зумовили поширеність шпиндельного та рухомого обертача з гідравлічною подачею на установках колонкового буріння, використовуваних при розвідці твердих корисних копалин. У роторних установках ротор (обертач) на відміну від шпинделя обертається лише в горизонтальній площині і нерухомий щодо вертикальної осі, тому не може забезпечити додаткову осьове навантаження (розвантаження на буровий снаряд).

Таблиця 5.1. Технічні характеристики бурових установок з гідравлічною подачею

* Для буріння з підземних гірничих виробок.

4.ПРОМИВКА і продувки СВЕРДЛОВИН

4.1.Промивка свердловин

Колонкове буріння виробляється з промиванням свердловини. Основним призначенням промивання є:

1. Очищення забою свердловини від разбуренной породи і винесення її на поверхню.

2. Охолодження породоруйнуючого інструменту.

3. Зміцнення стінок свердловини від обвалення

Існує три способи промивання свердловин: з виходом промивної рідини на поверхню землі: пряма, зворотна і комбінована.

Пряма промивка (рис. 3.2.), Коли промивна рідина, що нагнітається насосом, проходить по колоні бурильних труб, потім (при бурінні кільцевим вибоєм) між керном і колонкової трубою омиває забій, охолоджує породоразрушающий інструмент, захоплює з забою частки зруйнованої породи, піднімається вгору по кільцевому простору між бурильними трубами і стінками свердловини і, нарешті, виходить на поверхню.

Переваги прямий промивки: 1) буровий розчин, виходячи з звужених промивних отворів коронки набуває велику швидкість і з силою вдаряє об забій, розмиваючи разбурівается породу, що сприяє збільшенню швидкості буріння, 2) застосовуючи спеціальні промивальні рідини при бурінні в сипучих, пухких і тріщинуватих породах забезпечує закріплення стінок свердловини шляхом скріплення частинок нестійкою породи.

Недоліки прямий промивки: 1) можливий розмив стінок свердловини при бурінні в м'яких породах внаслідок великої швидкості висхідного потоку; 2) знижений відсоток виходу керна в результаті динамічного впливу струменя на верхній торець керна, що призводить до його розмиву; 3) при бурінні свердловин великого діаметру підвищена витрата промивальної рідини, необхідний для створення такої швидкості висхідного потоку, при якій всі разбуренной частинки породи будуть виноситися на поверхню. Пряма промивка має переважне застосування в практиці розвідувального буріння.

Зворотній промивка, коли промивна рідина рухається до вибою по кільцевому простору між бурильними трубами і стінками свердловини, омиває забій, входить в отвори породоруйнуючого інструменту, за наявності керна проходить п o кільцевому зазору між керном і колонкової трубою, проходить по внутрішньому каналу бурильної колони і, збагачена шламом, виходить на поверхню землі.

Переваги зворотної промивки: інтенсивне очищення вибою від частинок зруйнованої породи і можливість гідравлічного транспорту кернів через бурильні труби на поверхню. Основний недолік зворотного промивання - неможливість забезпечення нормального процесу буріння при наявності в розрізі поглинаючих горизонтів, у яких втрачається повністю або частково промивна рідина. У зв'язку з більш складною організацією зворотного промивання вона має обмежене застосування.

Комбінована промивка, коли рух промивної рідини над колонкової трубою здійснюється за схемою прямої промивки, а нижче за допомогою спеціальних пристроїв за схемою зворотного промивання. Технічне виконання комбінованої промивання пов'язано із застосуванням пристроїв, що перетворюють пряму промивку у зворотний в привибійній зоні. Комбінована промивка застосовується з метою підвищення виходу керна.

4.2.Основние типи промивної рідини і умови застосування

1. Технічна вода (прісна, морська, розсоли) застосовується при бурінні в стійких породах.

2. Глинисті розчини застосовуються в тріщинуватих, пухких сипучих, пливучіх та інших слабостійких породах для запобігання обвалів, а також у тріщинуватих скельних породах для боротьби з втратою циркуляції.

Крім того, при бурінні в особливо складних і специфічних умовах застосовують більш складні розчини з спеціальними добавками.:

1. Для приготування легких хімічно аерованих бурових розчинів застосовують Глинопорошки, поверхнево-активні речовини (0,1-0,2%), реагенти-структуроутворювачі (каустична сода 0,1-0,2%) або кальцинована сода (0,5-2, 5%).

2. Обтяжені глинисті розчини застосовуються при розкритті пластів з великим пластовим тиском для попередження викидів з гирла свердловини фонтанної води, нафти чи газу. Для виготовлення утяжеленного глинистого розчину до нього додають інертний порошкоподібний матеріал - обважнювач, виготовлений з важких мінералів: - бариту (BaSO _4); гематиту (Fe ₂ O ₃₎ та ін. Після задавливания фонтану під дією гідростатичного тиску утяжеленного розчину, над гирлом свердловини встановлюють противикидні арматуру, промивають свердловину полегшеним аерованих глинистим розчином або технічною водою, видаляють важкий розчин і фонтанування свердловини відновлюється.

3. Емульсійні бурові розчини. Емульсією називається система, що складається з двох (або декількох) взаємно нерозчинних рідких фаз, одна з яких дисперговані в іншій. Розрізняють два типи емульсії. Емульсії першого роду - «масло у воді» (М / В), коли масло у водному середовищі знаходиться у вигляді дрібних кульок.

Емульсії другого роду, звані інвертний або зворотними, - «вода в маслі» (В / М), коли вода у вигляді дрібних кульок розподілена в олії. Для додання емульсії стійкості застосовують спеціальні реагенти - емульгатори. Емульсійні розчини першого роду знайшли широке застосування при алмазному високошвидкісному бурінні з метою гасіння вібрації та зниження потужності на обертання бурильної колони.

4. Розчини на нафтовій основі (РНО), застосовують для розтину нафтових і газових пластів для збереження їх природної проникності. Ці розчини складні за своїм складом, більш дорогі, ніж бурові розчини на водній основі.

5. Термостійкі промивні рідини

4.3.Назначеніе глинистих розчинів та їх властивості

Глинисті розчини мають наступні призначення: 1) глінізація стінок свердловин; 2) утримання вибуреної породи в підвішеному стані при припиненні циркуляції; 3) створення підвищеного протитиску на пласт; 4) полегшення транспортування по стовбуру; 5) запобігання бурового інструменту від корозії завдяки тонкій глинистої кірці , що покриває поверхню інструмента.

За розмірами диспергованих (роздроблених) часток розрізняють два види рідких дисперсних систем: 1) колоїдні розчини та 2) суспензії.

Колоїдні частинки в рідкому розчиннику (наприклад, воді) під дією сили тяжіння практично не осідають. Суспензією називається суспензія, тобто дисперсна система, що складається з двох фаз - рідкої і твердої, в якій дрібні тверді частинки розміром від 0,1 до 10 мкм і більше зважені в рідині. З плином часу, під дією сили тяжіння, зважені частинки осідають на дно посудини.

Глина це дисперсна система, що складається з води і зважених у них частинок розміром від колоїдних до частинок суспензій. Кількість колоїдних частинок в глинистому розчині залежить від сорту глини і від способу його приготування. Чим більше колоїдних частинок в розчині, тим краще його якість. У нормальному глинистому розчині сумарна поверхня колоїдних частинок внаслідок малих розмірів і великої їх кількості перевершує сумарну поверхню частинок суспензій. Тому глинистий розчин є колоїдно-суспензійна система, яка має властивості колоїдного розчину.

У глинистому розчині колоїдні частинки заряджені негативними електричними зарядами, а іони води, позитивними зарядами. Частинки глини як заряджені однойменною електрикою відштовхуються один від одного. Внаслідок дуже малих розмірів і маси колоїдних частинок переважаюче значення для них має дію сил електричних зарядів, а не сила тяжіння. Відштовхування колоїдних частинок, заряджених однойменною електрикою, сприяє знаходженню частинок в підвішеному стані.

Глинисті розчини є гідрофільними колоїдними розчинами, в яких частинки глини змочуються водою. Явище змочуваності частинок глини водою пояснюється тим, що сили притягання між молекулами глини і води значно більше, ніж між молекулами води, Воду, що входить до складу глинистого розчину, можна розділити на адсорбовану і вільну.

Адсорбована вода пов'язана з частинками глини силами тяжіння, утворює навколо них гідратів оболонки і за своїми властивостями значно відрізняється від звичайної води (наприклад, має велику щільність, більшу в'язкість та ін.)

Вільна вода в глинистому розчині є дисперсійним середовищем, в якій знаходяться глинисті частинки з адсорбированной водною оболонкою. Практичне значення змочуваності полягає в тому, що при зіткненні частинок з гідратної оболонки вони не злипаються. Між частинками залишається прошарок молекул вільної води. Змочуваність частинок забезпечує стійкість глинистих розчинів, що складаються з добре змочуються колоїдних частинок.

Стабільністю називають властивість колоїдних частинок, що знаходяться в колоїдному розчині в підвішеному стані. Стабільність забезпечується: 1) високим ступенем дисперсності частинок і, отже, їх дуже малою масою, 2) наявністю у колоїдних частинок однойменних електричних зарядів, що викликають взаємне відштовхування; 3) гідрофільністю колоїдів, тобто наявністю навколо колоїдних частинок ущільнених гідратних оболонок, які оберігають частки від злипання і подальшого осідання. Тому глинистий розчин протягом довгого часу зберігається в рідкому стані і здатний перекачуватися насосом.

Структуроутворення називається здатність глинистих розчинів, що знаходяться у спокої, утворювати всередині себе структуру. Причина утворення структури та її подальшого зростання в глинистому розчині полягає в тому, що глинисті частинки мають форму тонких пластинок, які несуть електричний заряд за своєю широкою боковій поверхні і тому поверхня добре змочується водою. За товщиною контуру ці пластинки мають слабкий електричний заряд або він відсутній. Тому по тонких контурним поверхням частки погано змочуються водою. Зіткнення окремих колоїдних частинок з погано змоченими поверхнями призводить до їх злипання. З плином часу кількість злиплих частинок збільшується і в розчині утворюється просторовий гратчастий каркас із колоїдних часток, злиплих тонкими бічними поверхнями. Вода залишається в осередках цієї сітки і не може вільно переміщатися. Розчин стає густим, схожим на холодець чи гель.

При струшуванні або перемішуванні загустели глинистого розчину структура його руйнується і глинистий розчин набуває властивостей рідкого розчину.

Тиксотропией називається властивість глинистого розчину загусати при стоянні і розріджуватися при струшуванні або перемішуванні. Тиксотропией володіють не всі колоїдні розчини, а тільки деякі, у тому числі глинисті розчини тиксотропність називається швидкість утворення структури, а після перемішування - швидкість відновлення структури.

Утримує здатністю глинистого розчину називається здатність глинистого розчину утримувати частинки породи при структуроутворенні. Це властивість глинистого розчину запобігає осадження частинок породи на забій при припиненні циркуляції.

Коагуляцією, або згортанням, колоїдів називається процес злипання колоїдних часток в агрегатні групи з подальшим осадженням цих частинок під впливом сили тяжіння. Коагуляція колоїдів відбувається, якщо колоїдні частинки зробити нейтральними, вони при зіткненні будуть з'єднуватися, а групи, агрегати осідати під впливом сили тяжіння. Коагуляція глинистого колоїду походить від додавання до води коагулянтів, наприклад деякої кількості кухонної солі NaCl, яка розпадається під дією молекул води з утворенням позитивних іонів натрію, нейтралізуючих глинисті частинки, заряджені негативною електрикою. Якщо свердловиною пересічені соленосні породи або водоносний горизонт з солоною водою, глинистий розчин, що протікає по стовбуру свердловини, може піддаватися коагуляції. Оборотними колоїдами називаються такі колоїди, які при належному електричному стані середовища здатні відновлюватися з скоагульованого стану.

Пептизація називається процес перетворення скоагульованого колоїду, згорнутого у вигляді грудочок, в колоїдний розчин. Для використання властивостей оборотності колоїдів до глинистому розчину в якості пептизаторів додають речовини, що відновлюють негативні електричні заряди у глинистих частинок. До числа пептизаторів відносяться: луги (каустична сода, їдкий натр NaOH, кальцинована сода Na 2 CO 3 та ін) або колоїди, що мають негативні електричні заряди, наприклад гумінових кислот.

Вміст у глині ​​оксидів і солей. Глини можуть містити домішки окису заліза (Fe 2 O 3), окису натрію (Na 2 O), окису кальцію (СаО), окису магнію (MgO), оксиду калію (К2О) і ін Наявністю переважної домішки часто визначаються властивості глини. Чим більше в глині ​​міститься натрію, тим краще її якість. Наявність солей (NaCl, СаС12, CaSO 4 та ін) погіршує якість глини. Сильно засолені глини можна застосовувати для приготування глинистих розчинів, але при цьому необхідна додаткова їх хімічна обробка.

Набухання глин. Набуханням називається властивість глин збільшуватися в обсязі при поглинанні води. Натрієві бентонітові глини можуть при замочуванні збільшуватися в об'ємі в 8-10 разів, і легко розпадаються у воді на окремі частки. У кислих лужних та сольових розчинах бентоніт не набухає. Гідрослюдисті і палігорськитові глини мають нижчу здатність набухати. Каолінові глини не набухають, розщеплюються в воді погано, розчини, приготовлені з них, нестійкі і швидко поділяються на тверду фазу і рідина. Глінізація стінок свердловини використовується при бурінні з промиванням глинистим розчином в нестійких породах для зміцнення стінок свердловини і для ізоляції пластів. Після впровадження глинистого розчину в порожнечі порід і його загусання в них кільцева зона породи навколо стовбура свердловини зміцнюється. Після утворення глинистої кірки на стінках свердловини припиняється надходження вільної води з бурового розчину в порожнечі порід. Крім того, якщо пласти порід містять воду, нафту газ і якщо величина пластового тиску не перевищує величину гідростатичного тиску промивальної рідини на стінки свердловини, то вода, нафта і газ не надійдуть з пласта в свердловину. Відбувається ізоляція пластів і припинення руху рідини чи газу в системі свердловина-пласт. Для успішної глінізаціі в глинистому розчині повинні переважати дрібні колоїдні частинки, над великими частками суспензій. Найбільш колоїдальних є бентонітові глини, які забезпечують знижену водовіддачу, підвищену в'язкість і підвищені тиксотропні властивості глинистих розчинів.

Глинистий розчин з недостатньою кількістю колоїдних часток не має здатність закупорювати всі отвори між частинками породи. Товста кірка пропускає воду, погано зв'язується з породами і легко обвалюється. Вода, яка проникла в пласт, зменшує силу тертя між частками і тому знижує стійкість стінок свердловини. При підйомі та спуску бурильних труб товста шкірка набирається на замкові з'єднання труб, утворюючи сальники, що сприяє прихватами інструменту. Товста кірка утрудняє спуск обсадної колони і нерідко призводить до прихопи останньої.

Глінізація стінок свердловини є великий недолік при розкритті водоносного або нафтогазоносного пласта, оскільки запобігає або зменшує приплив води або нафти і газу з пласта в стовбур свердловини. Тому розтин водоносного горизонту повинно проводитися з промиванням водою, безгліністим самораспадающімся (водогіпановим або крохмальним) розчином.

4.4.Методи вимірювання властивостей промивних розчинів

Щоб уникнути зашламованія свердловини різницю питомої ваги рідини, що виходить із свердловини, і питомої ваги промивної рідини, що нагнітається в свердловину, повинна бути в межах 0,01 - 0,03; тому необхідно періодично заміряти ці параметри

Щільність тіла - це відношення маси тіла до його об'єму промивної рідини необхідно: 1) для судження про ступінь насиченості глинистого розчину глиною, 2) для судження про ступінь насиченості промивної рідини шламом разбуренной порід 3) для визначення гідростатичного тиску ..

Щільність нормального глинистого розчину в залежності від необхідного гідростатичного тиску повинна бути в межах 1,08-1,45 г/см3; аерірованной (насиченого повітрям) 0,7 - 0,9 г/см3; утяжеленного (з добавкою порошку бариту або гематиту) до 2,30 г/см3.

Щільність промивної рідини вимірюють ареометрами постійного обсягу

В'язкість глинистих розчинів. Під в'язкістю розуміється внутрішнє тертя, що існує між шарами рідини, що рухаються один відносно одного з різною швидкістю. Умовна в'язкість визначається за допомогою стандартного польового візкозіметра (СПВ-5). Частіше застосовуються розчини, 500 см3 яких випливають за 18-24 с (в'язкість 18 - 24 с). Для боротьби з поглинанням застосовуються розчини підвищеної в'язкості (40-80 с і більше).

Зміст піску в глинистому розчині. При значному вмісті піску в розчині відбувається швидкий знос деталей насоса, бурового сальника (вертлюга) та іншого обладнання. Під час зупинки циркуляції пісок осідає на забій свердловини і може прихопити колонковий снаряд. Під піском розуміється вміст твердих частинок разбуренной порід і грудочок глини. Зміст піску визначається розбавленням розчину водою у відношенні 1: 9 і відстоїмо протягом 1 хв. За цей час в осад випадають фракції піску більше 0,1 мм. Для більш повного осадження всіх фракцій піску, залишають розчин у спокої протягом 3 хв. Для визначення змісту піску застосовується відстійник ОМ-2. У нормальному глинистому розчині зміст піску повинно бути менше 4%.

Добовий відстій характеризує стабільність глинистого розчину, тобто здатність протягом тривалого часу не розшаровуватися на тверду і рідку фази .. Нормальні глинисті розчини повинні за добу давати відстій не більше 3-4%. Стабільність глинистого розчину визначається за допомогою приладу ЦС-2. У нормальних розчинів ця різниця не повинна перевищувати 0,02 г/см3.

Водовіддача характеризує здатність глинистого розчину фільтрувати воду в пористі породи. Показник водовіддачі характеризується обсягом води в кубічних сантиметрах, відфільтровує протягом 30 хв з 100 см3 глинистого розчину через паперовий фільтр діаметром 75 мм під надлишковим тиском 0,1 МПа. Водовіддача має велике значення при бурінні в пористих породах. Глинисті розчини з великою водоотдачей утворюють пухку кірку, звужує стовбур свердловини і викликає затягування бурового інструменту при підйомі. Проникнення води в глинисті породи викликає їх набухання і випинання у стовбур свердловини. Зниження водовіддачі глинистого розчину сприяє усуненню цих явищ. Величина водовіддачі залежить: 1) від якості глини, 2) від якості води: (жорстка і засолоненних вода підвищує водовіддачу), 3) від способу приготування розчину (недостатнє розмішування глини приводить до підвищення водовіддачі), 4) належна хімічна обробка розчину знижує водовіддачу.

Водовіддачу глинистого розчину визначають на приладі ВМ-6

Нормальною для глинистих розчинів вважається водовіддача не більше 25 см3 за 30 хв. Для боротьби з прихватами і обвалами знижують водовіддачу допомогою хімічної обробки до 5 - 6 рідше до 2-3 см3 за 30 хв. Розчини, що мають водовіддачу понад 25 см3 за 30 хв, можуть створювати ускладнення при бурінні в пористих породах.

Статична напруга зсуву θ характеризує здатність глинистих розчинів утримувати в підвішеному стані частки породи.

Так як зв'язку між частинками глини в тиксотропної розчині встановлюються поступово, то величина θ залежить від часу стояння розчину в спокої. Спочатку θ швидко зростає, а потім повільно підвищується до певної межі. Вимірюється θ в приладах, званих пластометрамі.

Статична напруга зсуву θ характеризує здатність глинистого розчину утримувати в підвішеному стані частки шламу.

Вибір глини. Оцінку придатності глини найкраще робити за якістю приготованого з цієї глини розчину. З невеликої кількості випробуваної глини готують глинистий розчин з умовною в'язкістю i = 18-24 с. Проводять вимірювання показників властивостей отриманого глинистого розчину. Порівнюють результати вимірювань з параметрами глинистого розчину для нормальних умов буріння і роблять висновок про придатність отриманого розчину для цілей буріння без його хімічної обробки.

Глинопорошки виготовляють на глінозаводах, транспортують у паперових мішках і застосовують для приготування глинистого розчину для прискорення розпаду глини на колоїдальних частинки. На заводі при виготовленні глинопорошків до них можуть бути додані хімічні реагенти, які підвищують якість розчину.

4.5.Расчет необхідної кількості глини

Кількість глини для виготовлення одиниці об'єму глинистого розчину, що має певну в'язкість, залежить від ступеня колоїдальному глини. Глини прийнято порівнювати з виходу одержуваного з них розчину встановленої в'язкості.

Виходом глинистого розчину VB називається обсяг глинистого розчину в м3 встановленої в'язкості з 1 т глини.

Кількісні показники глинистого розчину для глин різного ступеня колоїдальному при щільності глини рг = = 2,5 т / м ³ та умовної в'язкості глинистого розчину 25 - 30 з наведені в табл. 6.1.

Таблиця 6.1

Кількісні показники глинистих розчинів різної колоїдальному

Визначення обсягу глини V г для приготування V р1 м ³ глинистого розчину.

Нехай: Рг - щільність глини (природні глини в повітряно-сухому стані мають щільність від 2,2 до 2,8 т/м3, в середньому »2,5 т/м3); Рв = 1 т / м ³ - щільність води; Рр - щільність глинистого розчину, т / м ³ (див. табл. 25); V г - обсяг глини для приготування 1 м ³ глинистого розчину, м ^3. Складемо рівняння мас в обсязі 1 м ^3: (маса глини) + (маса води) = (маса розчину). Замінивши маси на відповідні їм твори обсягу на щільність, враховуючи, що об'єм води можна уявити як різниця обсягу розчину і обсягу глини і прийнявши за одиницю об'єм розчину, отримаємо

VrPr + V ВРВ = VpPp;

Vr + V в = V р

Так як Vp = 1

V в = 1 - V г

VrPr + (1 - Vr) Рв = Рр

VrPr + Рв - V грв = Рр

Vr (Рг - Рв) = Рр - P в

Vr = Рр - P в / Рг - Рв)

Визначення маси глини m для приготування 1 м ³ розчину m = Vr * Pr

Обсяг глинистого розчину V для буріння заданої свердловини V = V 1 + V 2 + V 3, м ³ де V1 = обсяг свердловини = Дср * Н (тут Д - середній діаметр свердловини, Н - глибина свердловини)

V 2 - об'єм резервуарів для зберігання глинистого розчину (2-5 м ^3); V 3 - втрата глинистого розчину в свердловині - залежить від ступеня тріщино-ватості порід (V 3 = 2-5 V х і більше).

Маса глини М для буріння заданої свердловини

М = mV, т

де м-маса глини для приготування 1 м ³ розчину, т, V - обсяг глинистого розчину для буріння заданої свердловини, м ^3. Насипна маса (глина має пористість з сумарним об'ємом порожнеч = 20%) буде менше за рахунок пористості, тому M = m * V * 0.8

5.ТЕХНОЛОГІЯ Колонкове БУРІННЯ

Залежно від категорії порід можна задавати різні режими буріння, параметрами якого є: частота обертання бурового снаряда, осьове навантаження і обсяг подачі промивної рідини в одиницю часу. Режими буріння різні для побідитового і алмазного буріння. Коронки також виготовляються різними по конструкції для різних категорій порід.

Навантаження на коронку задається, виходячи з кількості основних (об'ємних) різців, їх розмірів і твердості порід. Загальне навантаження на коронку повинна бути дорівнює С = m * q

де m - число об'ємних (основних) різців; q - рекомендований тиск на 1 різець, Η (див. табл. 7.1).

Частота обертання коронки повинно бути n = 60 V / η D ср де V - окружна швидкість коронки 0,6-1,6 м / с, D ср - середній діаметр коронки, м

Подача промивної рідини визначається, виходячи з швидкості висхідного потоку Vn і діаметра свердловини; V π = 0,25 - 0,6 м / с. Чим більше швидкість буріння, тим більше і V π. При бурінні в тріщинуватих і абразивних породах необхідно знижувати окружну швидкість і осьове навантаження.

Промивка при алмазному бурінні повинна забезпечувати гарне охолодження алмазів, так як вони при сильному нагріванні вони графітізіруются. Швидкість висхідного потоку між бурильної колоною і стінками свердловини повинна бути в межах 0,4 - 0,8 м / с.

При наповненні колонкової труби керном буровий інструмент піднімають на поверхню. Для цього над коронкою поміщають кернорвателі, який зриває керн від вибою. Піднята коронка відвертатися й оглядається. Керн з колонкової труби обережно і послідовно витягується, документується й укладається в кернові ящики.

Таблиця 7.1

Характеристика твердосплавних коронок