Повышение скоростей бурения и дебитов скважин разработкой и совершен
..pdfне успевают прореагировать при смешивании на устье. Взаимодействие между ними продолжается в скважине, где, благодаря увеличению температуры, эффект реакции усиливается. В результате закачиваемая под давлением смесь обладает запасом собственной энергии, энергии сжатого газа, которая способна создать требуемую депрессию на пласт при снятии давления на устье.
Данной рецептуре присущ недостаток, который выражается в повышенном расходе кислоты и необходимости применения ингибиторов коррозии. К тому же полученная пена обладает низкой кратностью и малым временем жизни.
И.Ю. Юсуповым и др. [80] предложен способ освоения, основанный на снижении давления за счет взаимодействия алюминиевой пудры с водным раствором ПАВ. В результате выделяются мельчайшие пузырьки газообразного водорода, которые газируют раствор ПАВ, уменьшая его удельный вес до 600 кг/м3, что создает депрессию на продуктивный пласт. К недостаткам данного способа следует отнести его сложность и необходимость использования большого числа компонентов.
Анализ вышеприведенных составов и способов вызова притока из продуктивных пластов позволяет заключить, что все они связаны с заменой одного состава промывочной жидкости другим, что приводит к большим затратам времени и средств и обусловливает дополнительную наработку промывочных растворов. Наиболее экономичным является применение при бурении и заканчивании скважин одного и того же раствора с последующим переводом его в пену.
1.3. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЦЕПТУР,
ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
БУРОВЫХ РАСТВОРОВ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ
Наибольшее отрицательное влияние на показатели бурения оказывает активная составляющая твердой фазы бурового раствора, содержание которой, согласно [81, 82], не должно превышать 2–5 %. В связи с этим актуальным является контроль ее концентрации в буровых растворах. Последнее в значительной мере достигается путем регламентирования плотности буровых растворов.
71
71
При бурении скважин при равенстве давлений в скважине и пласте или при превышении первого над вторым не более чем на 3–5 % можно достичь улучшения условий работы породоразрушающего инструмента и повышения качества вскрытия продуктивных пластов.
Внедрение технологии бурения на равновесии давлений в скважине
ипласте и при отрицательном давлении на пласт сдерживается из-за отсутствия специального оборудования, поэтому наиболее доступным и не требующим дополнительных затрат является снижение плотности применяемых буровых растворов.
1.3.1.Классификация буровых растворов по плотности
Взависимости от давления, создаваемого буровым раствором в скважине, в сравнении с пластовым (поровым) давлением, все буровые растворы можно подразделить на три группы: буровые растворы, обеспечивающие отрицательное дифференциальное давление на разбуриваемые пласты; буровые растворы, обеспечивающие равновесие давлений в скважине и пласте; буровые растворы, создающие положительное дифференциальное давление на разбуриваемые пласты.
Однако данная классификация не определяет конкретных значений величин плотностей буровых растворов, с промывкой которыми осуществляется бурение. С целью исключения этого недостатка, исходя из значений градиентов пластовых давлений и величин ВНК, для месторождений
иплощадей Пермского Прикамья определены требуемые величины плотностей буровых растворов. В результате для условий Пермского Прикамья
иподобных ему условий Республик Башкортостан и Татарстан, Самарской области, Республики Коми и др. предложена классификация буровых растворов по величине плотности и создаваемому дифференциальному давле-
нию (табл. 1.22).
Ранее в вышеуказанных районах использовали буровые растворы плотностью 1180 кг/м3 и более. Учитывая особенности геологических и технико-технологических условий бурения, предложено снизить плотность буровых растворов с 1180–1250 до 1030–1150 кг/м3 и перейти на бурение с промывкой буровыми растворами низкой и повышенной плотности, пресными и минерализованными. В связи с этим проведены исследования по разработке рецептур, технологии приготовления и методов химической обработки буровых растворов низкой и пониженной плотности.
72
Таблица 1 . 2 2
Классификация буровых растворов по плотности и дифференциальному давлению, создаваемому на пласты
(для месторождений Урало-Поволжья)
Буровойраствор
Повеличинеплотности |
Повеличинесоздаваемого |
|
(ρ= кг3/м) |
дифференциальногодавления |
|
Легкиебуровыерастворы, |
|
|
втомчислепены, аэрированныежидкости |
Отрицательное |
|
ρ≤900 |
Равновесиеспластовымдавлением |
|
Буровыерастворынизкойплотности |
||
|
||
900 < ρ< 1050 |
Положительное (превышение гидро- |
|
Буровыерастворыпониженнойплотности |
статического давления над пластовым |
|
1050 < ρ≤1150 |
на 0,5–13 %) |
|
|
||
Буровыерастворынормальнойплотности |
Избыточное(превышениегидростати- |
|
1150 < ρ≤1250 |
||
ческогодавлениянадпластовым |
||
Утяжеленныебуровыерастворы |
ρ> 13 %) |
|
1250 < ρ≤1800 |
|
|
Сверхутяжеленныебуровыерастворы |
|
|
ρ> 1800 |
|
|
|
|
При исследованиях большое внимание уделялось минимальной стоимости строительства скважин за счет создания эффективных буровых растворов на основе доступного местного сырья, в частности тонкодисперсной составляющей карбонатных пород и пластовых вод.
1.3.2. Определение оптимальных концентраций бентонитовых глинопорошков в буровых растворах
Все свойства, определяющие поведение буровых растворов, включающих глинистый компонент, связаны с физико-химическими закономерностями систем «глина – вода». К этим свойствам относятся кинетическая и агрегативная устойчивость суспензий, их вязкость, дисперсность, структурообразование и тиксотропия, отношение к коагуляционным воздействиям и др.
73
73
Исследования показали, что расход бентонита зависит от его качества, удельной работы диспергирования и интенсивности ее приложения.
1.3.3. Исследования влияния диспергирования на показатели свойств бентонитового бурового раствора
Изменяя дисперсность твердой фазы, можно в широких пределах управлять свойствами буровых растворов. Это связано с тем, что струк- турно-механические свойства раствора определяют не общее содержание твердой фазы, а содержание коллоидных частиц [83].
Изучено влияние гидратации и времени диспергирования на показатели свойств 8%-го бентонитового раствора из обычного бентонита
и2–6%-х растворов из модифицированных бентонитов Константиновского
иИльинского заводов. Раствор из обычного бентонита (ОБ) после приготовления выдерживали в течение 24 ч с целью гидратации и набухания. Затем его перемешивали на глиномешалке МЛ-4 со скоростью 6,1 м/с
ичерез каждые 0,5 ч осуществляли контроль за изменением показателей свойств. Аналогично был проведен второй эксперимент, но при этом были исключены стадии гидратации и набухания. Установлено, что повышение степени дисперсности способствует повышению структурных свойств, но характер их нарастания имеет отличия. В экспериментах с предварительно гидратированным бентонитом максимальные значения статических напряжений сдвига бурового раствора достигнуты через 1,5 ч или при удельной работе диспергирования q = 1875 Вт · ч/кг, тогда как во второй серии экспериментов для этого потребовалось примерно 4 ч или q = 4550 Вт · ч/кг (без учета потерь мощности) (рис. 1.5).
Аналогичное отмечается в характере нарастания динамического напряжения сдвига и условий вязкости. Показатель фильтрации бурового раствора по мере повышения времени диспергирования снижается на 20 % первоначальной величины.
Изучены модифицированные глинопорошки, получаемые в результа-
те обработки саригюхского и черкасского бентонитов Na2CO3 в сочетании c метасом (БМ-1) и Na2CO3 в сочетании с М-14ВВ (БМ-2). Суспензии готовили с содержанием БМ-1 и БМ-2 2–6 масс. %. Растворы перемешивали на глиномешалке МЛ-4 со скоростью 1,5–6,3 м/с в течение 0,5–6,0 ч.
74
Рис. 1.5. Зависимость статического и динамического напряжений сдвига от времени диспергирования 8%-й бентонитовой суспензии. Удельная работа диспергирования, Вт · ч/кг:
1' – θ10 – негидратированный и предварительно гидратированный бентонит соответственно; 2' – t – негидратированный
и предварительно гидратированный бентонит соответственно
Установлено, что при концентрациях БМ-1 и БМ-2 2 и 3 масс. % исходные суспензииимеютпредельно низкиезначения статическихнапряжений сдвига, низкие показатели седиментационной устойчивости и высокие показа-
тели фильтрации. Так, 2%-я суспензия из БМ-2 имела следующие показатели:
УВ100 = 4,5 с, Ф = 32 · 10–6 м3 за 30 мин, θ1/10 = 0,2/0,3 Па, S = 10 %. С повыше-
нием концентрации БМ-1 и БМ-2 в исходных суспензиях от 4 до 6 масс. % происходит интенсивный рост условной вязкости, статических напряжений сдвигаиснижениепоказателейфильтрации(рис. 1.6).
В процессе свободной гидратации показатели 2–3%-х суспензий БМ-1 и БМ-2 изменялись незначительно (рис. 1.7). Рост статических напряжений сдвига и условной вязкости 4–6%-х суспензий БМ-1 и БМ-2 наиболее интенсивно происходит в течение первых 100–120 ч. При этом чем выше концентрация глины в исходной суспензии, тем интенсивнее нарастают условная вязкость и статистические напряжения сдвига, а при
75
75
концентрации глины более 5 % изменение структурно-механических показателей продолжалось в течение всего периода наблюдений. Показатель фильтрации также изменяется во времени и через 120 ч снижается на 10– 25 % от первоначального значения.
Рис. 1.6. Изменение УВ100, θ10 и Ф суспензий из БМ-1 и БМ-2 в зависимости от концентрации глины:
1–3 – изменение УВ100, θ10 и Ф соответственно суспензий из БМ-1;
4–6 – изменение УВ100, θ10 и Ф соответственно суспензий из БМ-2
Рис. 1.7. Изменение θ10 суспензий из БМ-1 и БМ-2 в зависимости от времени гидратации концентрации глины:
1–3 – суспензии из БМ-1 4–6%-х концентраций соответственно; 4–6 – суспензии из БМ-2 4–6%-х концентраций соответственно
76
Несмотря на положительное влияние предварительной гидратации на диспергирование и структурообразование, использовать этот технический прием не представляется возможным ввиду его длительности и необходимости оснащения буровой дополнительным оборудованием. В то же время этот фактор оказывает влияние и должен учитываться при приготовлении буровых растворов и при регулировании их свойств.
Повышение эффективности использования глинистого компонента в буровых растворах более перспективно за счет диспергирования, т.е. применения специальных диспергирующих устройств. Дополнительное диспергирование гидратированных суспензий из БМ-1 и БМ- 2, интенсивность которого регулировалась за счет увеличения времени перемешивания до 7 ч, приводит к возрастанию структурно-механи- ческих свойств буровых растворов в 1,5 раза и более (рис. 1.8), а следовательно, к сокращению расхода глинопорошка для получения буровых растворов.
Рис. 1.8. Изменение θ1, θ10 и Ф из предварительно гидратированных суспензий БМ-1 в зависимости от концентрации глины и времени диспергирования:
1–3 – изменениеθ1, θ10 иФсоответственнодиспергированиивтечение1 ч; 4–6 – изменениеθ1, θ10 иФсоответственнодиспергированиивтечение4 ч; 1′–3′ – изменениеθ1, θ10 иФсоответственнопослеобработки0,75 % УЩР
77
77
Исходя из характера изменения статических напряжений сдвига, условной вязкости, показателей фильтрации и седиментации от концентрации бентонита и времени перемешивания, сделан вывод о том, что для получения пресных буровых растворов низкой и пониженной плотности содержание предварительно гидратированных БМ-1 и БМ-2 не должно превышать 4 и 3 масс. % соответственно, а время диспергирования должно быть не менее 1 ч. Обработка этих суспензий 0,5–0,75 % УЩР позволяет получить буровые растворы с необходимыми технологическими показателями свойств. В исследованиях не учитывались возможное влияние циркуляционной системы буровой установки (движение суспензии через турбобур, бурильные трубы, затрубье и т.д.) на диспергирование глинопорошка и изменение вязкости и структурных свойств суспензии, так как анализ практики бурения показал, что они весьма незначительны.
Исследовано изменение основных технологических показателей суспензий, приготовленных из БМ-1 и БМ-2, в зависимости от интенсивности диспергирования. Выявлено, что увеличение скорости перемешивания от 1,53 до 6,3 м/с позволяет повысить структурно-механические показатели буровых растворов из модифицированных бентопорошков в 1,4–2,5 раза (рис. 1.9). При увеличении удельной работы диспергирования q (q – отношение работы в Вт · ч к массе глины в кг) с 1500 до 2100 Вт · ч/кг происходит рост статических напряжений сдвига и условной вязкости при одновременном снижении показателя фильтрации (рис. 1.10, 1.11). Более интенсивно статические напряжения сдвига и условная вязкость возрастают у суспензий из БМ-2.
На основании исследований процесса коагуляционно-тиксотроп- ного структурообразования в бентонитовых суспензиях сделан вывод, что предварительная гидратация, интенсивное и длительное диспергирование позволяют получать буровые растворы с требуемыми технологическими показателями при минимальном содержании глин. Однако при использовании серийного оборудования, в частности глиномешалок МГ2-4, не достигается требуемая дисперсность, а следовательно, и максимально возможный выход бурового раствора. Перспективным в этом отношении является физико-механическое воздействие на глину ультразвуковой обработкой [1]. Диспергирующее действие ультразвука основано на мгновенных перепадах давления, возникающих в кавитационных пузырьках. Кроме того, ультразвуковые волны, пронизывающие частицы твердой фазы, вызывают дополнительное диспергирование.
78
Рис. 1.9. Влияние скорости перемешивании
иконцентрации БМ-1 на изменение θ10 и УВ100: 1–3 – изменение θ10 при конценрации БМ-1
3, 4 и 5 масс. % соответственно; 1′–3′ – изменение УВ100 при конценрации БМ-1
3, 4 и 5 масс. % соответственно
Рис. 1.10. Влияние удельной работы диспергирования
на изменение θ1/100, УВ100 и Ф 4%-й суспензии из БМ-1: 1, 2, 3, 4 – изменение θ1, θ10, УВ100 и Ф соответственно
79
79
Рис. 1.11. Влияние удельной работы диспергирования
на изменение θ1/100, УВ100 и Ф 4%-й суспензии из БМ-2: 1, 2, 3, 4 – изменение θ1, θ10, УВ100 и Ф соответственно
Ультразвуковая обработка суспензий проводилась на приборе УЗДН-02Т номинальной мощностью 420 Вт и частотой импульсов 22 кГц. Удельная мощность диспергирования при этом составляла 26 400–79 200 Вт · ч/кг. Методика работы была следующей. Суспензия глинопорошка определенной концентрации перемешивалась в течение 1 ч в глиномешалке со скоростью 6,3 м/с. Производили замер всех показателей, обрабатывали ультразвуком в течение 0,033–0,099 ч и снова замеряли показатели раствора.
Исследования показали, что обработка ультразвуком глинистых суспензий значительно интенсифицирует процесс диспергирования твердой фазы, что приводит к резкому повышению прочности структуры, снижению показателя фильтрации (рис. 1.12) и ускорению получения стабильных буровых растворов при значительно меньшем содержании твердой фазы (табл. 1.23). Так, ультразвуковая обработка глинистых суспензий позволяет снизить в 2–2,5 раза концентрацию глин для приготовления буровых растворов с регламентированными показателями свойств в сравнении с приготовлением бурового раствора обычным способом.
Для повышения степени дисперсности глин в промысловых условиях предложена штуцерная камера. Испытания штуцерной камеры для диспергирования бентонита авторами были проведены в 1973–1974 годах в кунгурском УРБ ПО «Пермнефть». Предварительно была приготовлена суспензия из бентонита ильского завода «Утяжелитель» в объеме 5 м3 со следующими
80