§ 7. Регулирование плотности промывочных жидкостей на водной основе

Для удобства дальнейшего изложения материала введем поня­тие о коэффициенте аномальности пластовых давлений. Под коэф­фициентом аномальности k_а подразумевается отношение величины пластового давления в рассматриваемой точке проницаемого гори­зонта к давлению столба пресной воды, высота которого равна рас­стоянию этой точки от устья скважины:

(5.4)

где р_пл — пластовое давление в данной точке горизонта в Па; ρ_в — плотность пресной воды в кг/м³; z — глубина, на которой находится рассматриваемая точка от устья скважины в м.

Для предотвращения притока пластовых жидкостей и газов в скважину необходимо, чтобы давление столба промывочной жидко­сти в ней было несколько выше пластового. Поэтому величину плот­ности промывочной жидкости выбирают с учетом коэффициентов аномальности в тех горизонтах, которые будут вскрыты в процессе бурения интервала от башмака предыдущей колонны до глубины спуска последующей обсадной колонны. Таким образом, величина плотности промывочной жидкости, минимально необходимая для предотвращения притока пластовых жидкостей и газов,

ρ=k_бk_аρ_вz, (5.5)

где k_б— коэффициент резерва, обычно принимают k_б = 1,1÷1,15 в скважинах глубиной до 1200 м и k_б = 1,05÷1,1 в более глубоких скважинах; k_а — наибольший коэффициент аномальности пласто­вых давлений в рассматриваемом интервале; z — глубина залегания горизонта с наибольшим коэффициентом аномальности в м.

Плотность промывочной жидкости иногда приходится повышать также для предотвращения осыпания или обваливания неустойчи­вых горных пород.

Плотность промывочной жидкости, содержащей необходимое количество высокодисперсной монтмориллонитовой глины для по­лучения стабильной суспензии с небольшой водоотдачей, невелика и обычно не превышает 1050—1100 кг/м³. Сравнительно небольшое увеличение плотности (на 200—300 кг/м³ )возможно путем добавле­ния малоколлоидных глин с плотностью 2500—2700 кг/м³, как это часто делают на практике. Однако такое решение нельзя считать лучшим: даже для небольшого повышения плотности приходится значительно увеличивать концентрацию твердой фазы, так как вместе с глиной, вызывающей увеличение вязкости и чувствительной к коагулирующему влиянию минерализации, в промывочную жидкость необходимо добавлять значительное количество воды или водного раствора понизителя вязкости, а часто и понизитель водо­отдачи.

Во многих случаях для сравнительно небольшого повышения плотности промывочной жидкости вместо малоколлоидных глин целесообразно добавлять мел с плотностью 2700—2900 кг/м³. Поверх­ность мела гидрофобна, поэтому для смачивания тонкомолотого мела требуется значительно меньше воды, чем способна связывать глина, и при одинаковой по массе добавке мела вязкость промывочной жидкости увеличивается гораздо меньше, чем при добавке глины. Кроме того, мел инертен к влиянию минерализации, не растворяется в воде, и поэтому сам не оказывает вредного влияния на промывоч­ную жидкость.

Более значительное увеличение плотности промывочной жидкости достигается добавлением специальных тонкомолотых тяжелых ми­нералов (утяжелителей). Такие минералы должны иметь большую плотность, не должны быть абразивными. Утяжелители не должны содержать водорастворимые соли, способные коагулировать промы­вочный раствор.. Они должны быть достаточно тонко помолоты, и их гранулометрический состав должен изменяться в узком диапазоне, так как излишне крупные частицы могут осаждаться в покое в промы­вочной жидкости, а слишком мелкие интенсифицируют рост вязкости.

Лучшим утяжелителем является баритовый, получаемый при помоле природного минерала тяжелого шпата (сульфат бария). Плотность чистого сульфата бария достигает 4600 кг/м³. Для нужд бурения поставляются технические сорта барита, содержащие раз­личные примеси (кремнезем, известняк, доломит и др.).

Помимо барита, довольно широко используются железистые утяжелители (гематит Fe₂0₃, магнетит Fe₃0₄, концентрат колош­никовой пыли FeO • Fe₂0₃, офлюсованный агломерат), а иногда также шлаки медных и свинцовых руд. Эти утяжелители обладают гораздо большей абразивностью по сравнению с баритом. Применение их обусловлено более высокой плотностью и частично нехваткой ба­ритового утяжелителя.

Перед утяжелением из промывочной жидкости следует удалить избыток глины, а затем обработать химическими реагентами с таким расчетом, чтобы водоотдача не превышала 10 см³ за 30 мин, условная вязкость была не более 25—30 с по СПВ-5, а статическое напряжение сдвига было достаточным для удержания частиц утяжелителя, но не превышало 4—5 Па. Промывочную жидкость весьма полезно ингибировать.

Утяжелитель добавляют в промывочную жидкость во влажном состоянии. Сухой утяжелитель вводить в нее не рекомендуется, так как адсорбированные на твердых минералах частицы воздуха увеличивают условную вязкость жидкости и замедляют интенсив­ность роста плотности. Так как при добавлении утяжелителя услов­ная вязкость промывочной жидкости повышается вследствие уве­личения концентрации твердой фазы, целесообразно утяжелитель предварительно увлажнить водным раствором понизителей вязкости и водоотдачи. Это позволяет достичь более интенсивного увеличения плотности при небольшом повышении вязкости.

Необходимый расход утяжелителя (в кг) для приготовления 1 м³ утяжеленного промывочного раствора можно найти по следующей формуле, которая при т₁ = 1 впервые была получена Н. А. Кулигиным:

где ρ_у, ρ_к, ρ и ρ_ж — плотность соответственно утяжелителя, утя­желенной промывочной жидкости, исходной промывочной жидкости, водного раствора реагентов (или воды), добавляемого с утяжелите­лем для уменьшения вязкости, в кг/м³; т₁ — отношение объема вод­ного раствора реагентов (или воды), добавляемого для снижения вяз­кости, к объему вводимого утяжелителя.

В процессе бурения вязкость утяжеленного промывочного рас­твора постепенно возрастает вследствие увеличения концентрации твердой фазы за счет тонких фракций выбуренных пород и коагу­лирующего влияния солей. Для снижения вязкости раствор обычно разбавляют водой и обрабатывают понизителем водоотдачи, а так как при этом плотность снижается, добавляют новую порцию утя­желителя. В результате со временем на буровой образуется большой избыток утяжеленного раствора, сильно возрастает расход утяже­лителя и реагентов на поддержание его заданных свойств.

Расход утяжелителя и реагентов и стоимость обработки можно существенно снизить, если по мере образования избыточного рас­твора регенерировать утяжелитель из него. Для этого периодически из циркуляционной системы отбирают некоторую часть утяжелен­ного раствора, разбавляют ее водой в 3—5 раз и затем направляют в специальную гидроциклонную установку. В гидроциклоне раз­бавленный раствор под действием центробежных сил расслаивается, наиболее ценные фракции утяжелителя отделяются из раствора и удаляются через нижний слив циклона в специальную емкость (например, в глиномешалку), а сильно разбавленная глинистая суспензия с некоторой частью самых тонких и наименее ценных ча­стиц утяжелителя через верхний слив циклона отводится в отвал.

Регенерированный утяжелитель вновь вводят в циркулирующую промывочную жидкость.

При разбуривании неглинистых пород (например, карбонатных, сульфатных и др.) промывочные жидкости с плотностью до 1800 кг/м³ могут быть получены путем размалывания шлама выбуренных пород в шаровых или вибрационных мельницах мокрого помола и после­дующей стабилизации суспензии добавкой КМЦ, КССБ, ССБ или синтетических сульфоэфиров целлюлозы. Как показали опытно- промышленные испытания, такой способ может дать больший эко­номический эффект по сравнению с использованием тяжелых мине­ралов.