Функции и свойства промывочных жидкостей

При бурении скважин в сложных горно-геологических условиях промывочные жидкости должны выполнять следующие основные функции:

1) полностью очищать забой от частиц разбуриваемых пород и удалять их на дневную поверхность;

2) создавать давление, достаточное для предотвращения притока пластовых жидкостей и газов в скважину, как в период бурения, так и при продолжительном прекращении промывки;

3) удерживать частицы разрушенных или осыпавшихся пород и иные частицы твердой фазы во взвешенном состоянии при прекращении промывки и предотвращать осаждение их на забой;

4) интенсивно охлаждать и хорошо смазывать трущиеся поверхности долот, забойных двигателей, бурильной колонны и других узлов оборудования;

5) препятствовать проявлениям неустойчивости пород стенок скважины;

6) передавать мощность от источника на дневной поверхности к забою;

7) способствовать сохранению естественных коллекторских свойств продуктивных пластов в приствольной зоне скважины.

Удовлетворительно выполнить эти функции может лишь достаточно сложная по составу жидкость. Она должна:

а) обладать тиксотропными свойствами: быть легко подвижной во время промывки скважины, но быстро переходить в гелеобразное состояние, как только прекращается ее прокачивание;

б) быть достаточно инертной по отношению к горным породам: не растворять их, не способствовать пептизации выбуренных частиц, не снижать прочность стенок скважины;

в) допускать регулирование плотности в достаточно широком диапазоне;

г) кольматировать поры и трещины в стенках скважины, создавать в них тонкую, практически непроницаемую корку, которая предотвращала бы проникновение как самой жидкости, так и ее дисперсионной среды в продуктивные пласты;

д) быть малочувствительной к воздействию разбуриваемых пород и пластовых флюидов, но легко поддаваться обработке с целью изменения свойств в нужном направлении при добавлении малых количеств специальных химических веществ;

е) сохранять стабильность свойств в широком диапазоне изменения температур;

ж) обладать хорошей смазочной способностью и теплофизическими свойствами, достаточными для отвода тепла от трущихся поверхностей (а при бурении в многолетнемерзлых породах — малой теплоемкостью и небольшой теплопроводностью для предотвращения их растепления);

з) нейтрализовать те компоненты разбуриваемых пород и пластовых флюидов, которые могут вызвать коррозию труб и оборудования или быть сильно токсичными;

и) допускать проведение геофизических исследований в скважине;

к) содержать в основном недефицитные и недорогие материалы.

Таким образом, оптимальный процесс промывки скважин обеспечивается правильным сочетанием вида бурового раствора, режима промывки (подачи насоса) и организационных мер по поддержанию и регулированию свойств раствора в процессе бурения. Только такое сочетание позволит эффективно реализовать технологические функции процесса промывки.

В зависимости от геологического разреза и физико-механических свойств горных пород конкретного района работ одни функции промывочной жидкости являются главными, другие - второстепенными. Необходимый комплекс функций процесса промывки предъявляет к промывочному агенту требования, для удовлетворения которых он должен иметь определенные свойства. Эти свойства обусловливают вид промывочной жидкости.

Основные параметры промывочных жидкостей

Плотность — это масса единицы объема. Она влияет на давление, которое столб жидкости создает на стенки скважины, а также на гидравлические потери при турбулентном течении. На буровых плотность промывочной жидкости измеряют с помощью рычажных весов или ареометра.

Подвижность (условная вязкость). Для оперативной качественной оценки подвижности промывочной жидкости на буровой используют очень простой воронкообразный прибор — полевой вискозиметр ПВ-5. Измеренную таким прибором величину называют условной вязкостью УВ. Под условной вязкостью понимают продолжительность истечения 500 см³ тщательно перемешанной промывочной жидкости через калиброванную трубку с внутренним диаметром 5 мм и длиной 100 мм прибора ПВ-5, в который налито 700 см³ ее. При комнатной температуре 500 см³ чистой пресной воды вытекают из прибора за 15 с. Чем больше условная вязкость, тем труднее прокачивать промывочную жидкость и удалять из нее частицы разбуренной породы и газа.

Для количественного описания течения промывочных жидкостей используют разные реологические модели. В основном принята модель вязкопластичного тела. Для определения реологических характеристик используют ротационные вискозиметры. По результатам измерений строят график в координатах: скорость сдвига du/dr (по оси абсцисс) — напряжение t (по оси ординат). Величины du/dr и t вычисляют по формулам

, (8.1)

, (8.2)

где w - угловая скорость наружного цилиндра, рад/с; r_н и r_в - внутренний радиус наружного и наружный радиус внутреннего цилиндров, м; k_ф - постоянная прибора, Па/градус,

, (8.3)

j_i - показание шкалы прибора при угловой скорости w_i, градус; М_ф - крутящий момент, необходимый для закручивания пружины на 1 градус, Н×м/градус; он зависит от жесткости калиброванной пружины.

При ламинарном течении вязкопластичной жидкости все результаты измерений ложатся на прямую, которая при du/dr = 0 отсекает на оси ординат отрезок, численно равный динамическому напряжению сдвига t₀; тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс численно равен пластической вязкости h жидкости.

Тиксотропные свойства. Тиксотропией называют способность суспензии застудневать в покое и вновь превращаться в легко подвижную жидкость при перемешивании. Прочность образующейся в суспензии в покое структуры принято называть статическим напряжением сдвига (СНС). СНС - это то напряжение, которое нужно создать, чтобы разрушить структуру и восстановить текучесть системы. В покое прочность структуры растет во времени, асимптотически приближаясь к верхнему пределу. В бурении принято характеризовать промывочную жидкость двумя значениями статического напряжения сдвига: начальным q₁, которое измеряют спустя 1 мин покоя после интенсивного перемешивания, и вторым q₁₀, которое измеряют после 10-минпокоя. Измеряют статическое напряжение сдвига с помощью ротационного прибора при частоте вращения наружного цилиндра 0,2 об/мин:

, (8.4)

где j₁ - показание по шкале прибора в момент разрушения структуры, градус; j_о - начальное показание прибора перед наливом промывочной жидкости в стакан, градус; К_Ф - постоянная прибора, Па/градус.

О степени тиксотропности можно судить по разности q₁₀ — q₁: чем больше эта разность, тем тиксотропнее суспензия. Для бурения в большинстве случаев желательно применять малотиксотропные жидкости, в которых q₁ достаточно для удержания во взвешенном состоянии в покое тяжелых твердых частиц, в том числе шлама.

Фильтрационные свойства. В любой промывочной жидкости всегда содержится значительное количество свободной дисперсионной среды, которая ни физически, ни химически не связана с дисперсной фазой. Если такая жидкость вступает в контакт с проницаемой породой, а давление в скважине больше пластового в породе, промывочная жидкость стремится проникнуть по поровым каналам и трещинам в глубь породы. Так как размеры основной массы частиц дисперсной фазы близки к размерам поровых каналов или превышают их, большинство частиц задерживается на поверхности проницаемой породы или проникает в последнюю на несколько миллиметров; в глубь же породы проникает часть свободной дисперсионной среды и небольшое количество самых тонкодисперсных частиц твердой фазы. Из частиц дисперсной фазы, задержавшихся на поверхности проницаемой породы, формируется фильтрационная корка. Проницаемость корки уменьшается по мере роста ее толщины. Проницаемость тем меньше, чем больше содержание частиц коллоидных фракций и других тонкодисперсных частиц. По мере снижения проницаемости корки уменьшается скорость отфильтровывания свободной дисперсионной среды в породу.

Обычно фильтрационные свойства измеряют в статических (т. е. без перемешивания жидкости) условиях в специальных фильтр-прессах, простейший из них ВМ-6. По результатам измерения строят кривую в координатах «объем фильтрата в см³ — квадратный корень из времени от начала измерения». Прямолинейный участок этой кривой экстраполируют до пересечения с осью «объем фильтрата».

Одна из характеристик фильтрационных свойств - объем фильтрата, выделившегося за 30 мин измерения через стандартный фильтр при определенном перепаде давлений. Эту характеристику называют показателем фильтратоотдачи Ф₃₀ (в случае жидкостей на водной основе — просто водоотдачей). Вторая характеристика — показатель мгновенной фильтратоотдачи Ф_о; ему соответствует точка пересечения прямолинейного участка построенной кривой с осью «объем фильтрата».

Третьей характеристикой служит толщина корки, отложившейся на фильтре за 30 мин измерения. Чем тоньше корка, тем меньше ее проницаемость и лучше коркообразующая способность. Показатель Ф₃₀ косвенно характеризует проницаемость корки: чем меньше Ф₃₀, тем меньше проницаемость.

Показатель Ф₃₀ в статических условиях всегда существенно меньше, чем при течении промывочной жидкости. Это объясняется тем, что в покое проницаемость фильтрационной корки уменьшается по мере образования все новых ее слоев; со временем процесс отфильтровывания дисперсионной среды может вообще прекратиться. При движении же промывочной жидкости в какой-то момент наступает равновесие между отложением новых слоев корки и смывом их потоком жидкости, движущимся вдоль поверхности фильтра, и скорость отфильтровывания дисперсионной среды стабилизируется. Чем больше скорость течения, тем меньше толщина корки и ее фильтрационное сопротивление и тем выше при прочих равных условиях показатель фильтратоотдачи.

Водородный показатель рН — это логарифм концентрации водородных ионов в фильтрате промывочной жидкости, взятый с противоположным знаком. Водородный показатель электрически нейтральной среды рН = 7, щелочной среды 7 < рН £ 14, кислой рН < 7. Водородный показатель имеет весьма важное значение для оценки качества промывочных жидкостей на водной основе. Так, некоторые виды химически обработанных жидкостей стабильны лишь в определенном диапазоне рН. При рН<7 существенно интенсифицируется коррозия стальных труб. Термостабильность высокомолекулярных реагентов значительно возрастает, если поддерживают оптимальное значение рН среды. По изменению рН промывочной жидкости можно судить о притоке в скважину минерализованных вод, вскрытии хемогенных пород, а иногда — о возникновении осложнений.

Электрические свойства. Способность промывочной жидкости препятствовать протеканию электрического тока характеризуют величиной удельного сопротивления. Для оценки удельного сопротивления в промывочную жидкость погружают специальный зонд, состоящий из двух электродов; к электродам подводят разность потенциалов и измеряют силу протекающего тока и определяют удельное сопротивление. Удельное сопротивление промывочной жидкости на водной основе уменьшается с увеличением степени ее минерализации и температуры и зависит от состава солей в водной среде. По изменению удельного сопротивления можно судить о поступлении в промывочную жидкость пластовых жидкостей с существенно отличной минерализацией и водорастворимых пород. Для успешного проведения геофизических исследований в скважине, основанных на измерении электрического сопротивления пород, удельное сопротивление промывочной жидкости должно быть не менее 0,8 - 1 Ом×м. Промывочные жидкости на углеводородной основе считаются неэлектропроводными.

Седиментсщионная устойчивость. О ней обычно судят по двум показателям. Один - суточный отстой, т. е. объем дисперсионной среды, выделившейся за 1 сут покоя из 100 см³ промывочной жидкости, налитой в мерный цилиндр. Второй - разность плотностей нижнего и верхнего участков столба промывочной жидкости, налитой в стандартный цилиндр, после 1 сут покоя; эту разность называют показателем стабильности. В хороших промывочных жидкостях суточный отстой равен нулю, а показатель стабильности не превышает 20 - 30 кг/м³.

Термостабильность. Свойства промывочной жидкости существенно изменяются при изменении температуры и длительном нагреве. Эти изменения могут быть как обратимыми (при нагреве свойства изменяются, но после охлаждения до первоначальной температуры возвращаются к исходным значениям), так и необратимыми. Необратимые изменения могут происходить вследствие либо разложения (деструкции) химических реагентов, содержащихся в жидкости, либо потери частицами коллоидной фракции электрических зарядов, либо растворения некоторых компонентов твердой фазы при высокой температуре и т. д. Необратимое изменение свойств может быть признаком термической нестабильности промывочной жидкости или реагента. Для каждого вида промывочной жидкости и каждого реагента существуют критические температуры, при превышении которых в жидкости происходят необратимые изменения свойств, а регент разлагается. Эту температуру принимают за предел термостабильности.

Стабильность жидкостей на углеводородной основе. Такие жидкости очень чувствительны к присутствию воды: при поступлении излишнего количества воды происходит обращение фаз и жидкость на углеводородной основе превращается в эмульсию типа «масло в воде». Эмульсии типа «масло в воде» электропроводны. Поэтому косвенным показателем стабильности жидкости на углеводородной основе является высокое напряжение электропробоя (в жидкость опускают два электрода и постепенно увеличивают разность до величины, когда возникает разряд, эта величина - напряжение электропробоя). Если напряжение пробоя начинает быстро уменьшаться, это признак близкой потери стабильности.

Дата добавления: 2014-01-04