23.2. Технология бурения

Выбор промывочной жидкости при бурении в мерзлых породах Мерзлые горные породы по своим свойствам сходны с соленосными горными породами. Толь­ко место соли в пооолах занимает лед. По структуре и свойствам лед близок к соли. Как соль, так и лед - кристаллические вещества. Как соль, так и лед растворя­ются в воде, только растворение льда происходит при более низ­кой температуре. Интенсивность растворения льда так же, как и соли зависит от температуры и состава промывочной жидкости, наличия и концентрации соли (электролитов), твердой фазы (глины, конденсированной фазы) полимеров, неполярных жидко­стей и смазывающих добавок. Подобно растворению соли, интенсивность растворения льда зависит от гидрофильности солей раствора. Растворы с бо­лее гидрофильными солями растворяют лед при одинаковой тем­пературе раствора с меньшей интенсивностью.

Основной проблемой при промывке скважин в мерзлых породах является температура промывочной жидкости. При раз­ведочном бурении как мерзлых, так и талых пород чаще всего применяют растворы на водной основе. Температура чистой во­ды в естественном состоянии составляет не менее +4° С . Исполь­зование растворов с такой температурой приводит к растеплению мерзлых пород, их обвалу и авариям, а под воздействием темпе­ратуры скважины сама промывочная жидкость при прекращении циркуляции замерзает. Поэтому в буровой раствор добавляют различные компоненты, понижающие температуру его замерза­ния, что позволяет охладить буровой раствор до температуры мерзлой породы.

Для понижения температуры замерзания раствора обычно используют электролиты NaCl, KСl, СаСl₂. Понижают темпера­туру замерзания раствора и другие компоненты раствора, в том числе твердая фаза (глина, конденсированная фаза), полимеры и другие гидрофильные добавки.

Известно, что температура замерзания воды зависит от ее вида. Гидратированная вода может иметь температуру замерза­ния -78°С, а прочносвязанная вода даже -186°С. Таким образом, с увеличением гидрофильности компонентов при одинаковой их концентрации количество связанной воды возрастает, следова­тельно, температура замерзания понижается. Например, при оди­наковой концентрации солей NaCl и СаСl₂, равной 3%, и одина­ковой температуре через 0,5, 1,0 и 1,5 часа потеря массы образца льда в растворе менее гидрофильного элемента NaCl составит, соответственно,0,62, 0,96 и 1,96 г, в растворе более гидрофильно­го электролита СаСl₂, соответственно, - 0,30, 0,39 и 0,70 г.

С увеличением концентрации компонентов раствора коли­чество связанной воды возрастает, а температура замерзания понижается. Так, с увеличением количества соли NaCl на 1 м³ рас­твора 12-15 кг температура замерзания понижается на 1°С.

Количество других компонентов, обеспечивающих пони­жение температуры до требуемого значения, можно ориентиро­вочно определить по формуле

где - желаемое понижение температуры замерзания раствора; М - молекулярная масса добавки; — масса воды.

Чаще всего для понижения температуры замерзания в рас­твор вводят электролиты. Помимо основного своего назначения, электролиты способствуют и ингибированию разупрочнения глинистых пород. Однако при значительной концентрации элек­тролитов их ионы начинают активно взаимодействовать с моле­кулами льда. В результате взаимодействия (гидратации ионов) температура возрастает и лед разрушается (тает). Так при увели­чении в растворе NaCl от 25 до 106 кг/м³ скорость растворения льда при t = -1°С возросла от 0,0163 до 0,0882 кг/г. Полому вве­дение в раствор электролитов более 5% не допускается.

Растворение льда резко снижается (в 3-4 раза) при введе­нии в раствор глины, еще больше - при введении и солеглинистый раствор полимеров. Так как кальций - весьма гидрофильный ион, то лучшей глиной считается кальциевый монтморилонит.

Растворение льда значительно понижают и поверхностно-активные вещества. Так, добавка и 6%-й раствор NaCl 0,05% OП-7 и 0,05% сульфонола снижает растворимость льда с 0,82 до 0,2 г за один час, а введение смеси 0,5% ОП-7 и 0,05% АПП-2 с 0,1 до 0, г за час.

Для бурения в мерзлых породах в настоящее время приме­няют следующие промывочные жидкости: соленая вода, эмуль­сии, глинистые, полимерглинистые и полимерсолевые растворы и их комбинации.

Соленая вода - промывочная жидкость, состоящая из воды с добавками поваренной соли. Этот наиболее дешевый буровой раствор применяют в устойчивых морозных породах, а также в мерзлых породах с жидкой минерализованной водой. Температу­ра раствора должна быть не более чем на 2-3°С выше температуры в скважине. Для бурения мерзлых пород с температурой от 0 до -2,5°С температуру раствора достаточно понизить до -1°С. Полимермалоглинистые растворы применяют при бурении мерзлых неустойчивых и гравийно-галечниковых пород. В каче­стве полимеров используют М-14, КМЦ, ПАА и ГПАА (0,5-2,0%); лучшими глинами являются кальциевые монтморилониты (3-6%).

Повышения морозостойкости раствора достигают добавле­нием в него электролитов (не более 5%).

Для предотвращения обрушения стенок скважин раствор можно утяжелять до 1300 кг/м . При бурении мерзлых устойчи­вых пород хорошие результаты падает использование полимерсолевых растворов (полиакриламидхлоркалиевые, гипановосоле-вые и др.) с концентрацией полимеров: ПАА - 0,3 0,5%, гипана - 1-5%, электролитов - до 5%.

Полимеркалиевые растворы применяют для бурения мерз­лых глинистых пород. Вязкие полимеркалиевые растворы (ПАА до 1,5%) могут быть рекомендованы [4] для бурения мерзлых гравийных отложений.

При использовании глинистого раствора начальная температура промывочной жидкости t = -2 С, солевого раствора t = -2,5 -3,0°C .

Охлаждение жидкости проводят в специальных теплооб­менниках и холодильных установках. Во ВНИИКР нефти разра­ботаны теплообменники с эвтектическим льдом, намороженным в зимний период. В летний период раствор охлаждают специ­альными смесями, добавлением в раствор льда и снега, в шурфах со льдом, зимой - в металлических емкостях, установленных под открытым небом.

П

Выбор параметров технологических режимов бурения

араметры режимов бурения существенно сказываются на растепляемости и растворении льда забоя. Повышение температуры про­мывочной жидкости прямо пропорционально мощности, затра­чиваемой на разрушение породы, а мощность, в свою очередь, прямо пропорциональна осевой нагрузке и скорости вращения снаряда:

где N - мощность, расходуемая при разрушении забоя; G - мас­совый расход промывочной жидкости, кг/с; с - удельная тепло­емкость раствора; - осевая нагрузка на забой; - число обо­ротов бурового снаряда; К - коэффициент.

Таким образом, для предотвращения растепления стенок скважин необходимо ограничивать параметры режимов бурения. Но с понижением параметров уменьшится скорость бурения, след вательно, возрастает время действия промывочной жидко­сти на стенки скважин, которые сильнее размываются, особенно при наличии в растворе шлама.