содержание   ..  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  ..

§ 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОМЫВКЕ СКВАЖИН ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДОЙ

Техническую воду как промывочную жидкость применяли при ударно-канатном и ударно-штанговом бурении.

С увеличением глубины скважин и развитием роторного способа бурения начали использовать лопастные и шарошечные долота, что способствовало накоплению на забое большого количества выбуренной породы. Необходимость удаления шлама с забоя привела к разработке и созданию буровых насосов, с помощью которых в скважину по трубам нагнетали воду, циркулирующую в затрубном пространстве. Наличие в скважине циркулирующей воды значительно улучшило состояние очистки забоя от выбуренной породы и увеличило проходку на долото. Применение технической воды в качестве промывочного агента позволило бурить скважины до глубин 750—1250 м и более. В этот период к воде как к промывочной среде предъявлялись следующие требования: обеспечение гидростатического противодавления на стенки бурящейся скважины с целью повышения устойчивости горных пород к действию вертикального и бокового давлений, возникающих от собственного веса вышележащих пород, а также необходимость создания циркуляции воды в скважине с целью размыва забойного осадка и выноса выбуренной породы на дневную поверхность. Выполнение только этих двух функций водой позволило резко увеличить проходку на долото и сократить время на строительство скважин глубиной 1000—1250 м.
При внедрении турбинного способа бурения скважины промывали технической водой, а в районах со сложными геологическими условиями — глинистыми буровыми растворами.

Техническая вода в этом случае оказалась наиболее подходящей промывочной средой, поскольку обеспечивала максимальную подачу жидкости к турбобуру при одновременно низких гид-дравлических потерях в циркуляционной системе скважины. В результате резко увеличилась проходка на долото. Техническая вода, кроме того, выполняла и другие технологические функции: переносила гидравлическую энергию к турбобуру и буровому долоту; обеспечивала очистку забоя и ствола скважины от выбуренной породы; охлаждала долото и забойные гидравлические двигатели в процессе их работы на забое скважины; облегчала разрушение горных пород в результате гидравлического воздействия потока воды на разрушенную породу, ее выноса с забоя и обеспечения на забое расклинивающего эффекта в зоне предразрушения по макро- и микротрещинам породы; снижала коррозию бурильного инструмента; обеспечивала нормальное проведение геофизических работ в скважине; снижала противодавление на забой до величииы гидростатического давления на пласт; позволяла получать при бурении в глинах и глинистых сланцах естественный буровой раствор за счет свойственной воде диспергирующей и гидратирующей способности.

Начиная с 1950 г. в Татарии, Башкирии, Куйбышевской, Саратовской, Волгоградской областях и в других районах техническая вода была одним из основных видов промывочной жидкости при бурении скважин до глубин 1500—1800 м. Этому в значительной мере способствовали геологические условия проводки скважин в данных районах, где до глубин 1800 м залегают устойчивые к воде горные породы карбонатно-песчаного комплекса. Применение технической воды для промывки скважин глубиной до 1500—1800 м позволило отказаться от использования многих тысяч тонн глино-материалов, химических реагентов, поверхностно-активных веществ, снизить стоимость промывки скважин и улучшить показатели бурения.

В последние годы объемы промывки скважин технической водой резко сократились. Это вызвано тем, что возросли глубины скважин, вскрыты мощные толщи глин, глинистых сланцев, солевых отложений. При использовании воды в таких условиях возникали осложнения в виде обвалов, осыпей, сужений ствола скважины, растворения солей и т. д. Кроме того, многие специалисты, занимающиеся физико-химией буровых растворов, стали считать, что для промывки глубоких скважин нельзя использовать воду.

Однако техническую воду можно широко применять при промывке, но в строгом соответствии с геолого-промысловыми условиями проводки глубоких скважин. Не следует забывать, что одним из важных свойств технической воды является повышение буримости горных пород, обусловленной, по представлениям П. А. Ребиндера, расклинивающим эффектом и адсорбционным понижением прочности твердых горных пород, а также снижением гидростатического давления на забой скважины. По мнению многих специалистов, промывка технической водой позволяет в тысячные доли секунды выравнивать дифференциальный перепад давления под долотом, возникающий между пластовым давлением флюидов и гидростатическим давлением в стволе скважины. Это способствует снятию давления в призабойной зоне, т. е. эффективному разрушению горной породы буровым долотом. Малая вязкость воды, высокая мгновенная фильтрация, отсутствие твердой фазы и структурирующих эффектов позволяет успешно разрушать и размывать на забое выбуренную породу, удалять ее в затрубное пространство, а затем выносить на дневную поверхность.

В результате использования технической воды буримость горных пород повысилась на 15—20%, а механическая скорость бурения — на 25—40% [29]. При промывке водой на стенках скважины не образуется глинистая корка, а следовательно, не создаются условия для возникновения сужений в стволе скважины и прихватов бурильного инструмента. На забое скважины выбуренная порода не глинизируется и не агрегатируется в плотную и слабопроницаемую шламовую массу. Такая «шламовая подушка» на забое легче размывается при восстановлении циркуляции воды в скважине и уносится в затрубное пространство, способствуя более совершенной очистке забоя.

Однако техническая вода как промывочная среда имеет и недостатки. При вскрытии бурением с промывкой водой глин, солей, аргиллитов, алевролитов и т. д. возникают серьезные осложнения в виде обвалов и осыпей стенок скважин, сужений и кавернообразований в стволе; соли растворяются и переходят в кристаллогидраты из-за высокой гидратирующей и растворяющей способности воды.

Вскрытие пластов, содержащих нефть и газ, с промывкой водой также вызывает тяжелые последствия. Фильтрация технической воды в продуктивные пласты резко снижает нефтеотдачу нефтегазоносного коллектора и способствует уменьшению дебита и удельной продуктивности скважин. Это серьезно затрудняет освоение и ввод в эксплуатацию скважин.

В продуктивных пластах, содержащих нефть или газ, всегда существует строгое естественное фазовое равновесие между содержанием воды и углеводородных флюидов. Попадание избыточной воды в такой пласт нарушает это равновесие и создает условия для образования стойких водонефтяных эмульсий в результате наличия в природных нефтях эмульгирующих компонентов — асфальтенов и высокомолекулярных смол, содержатцих в своем составе жирные кислоты.

В настоящее время существуют две гипотезы образования водонефтяных эмульсий в продуктивных пластах.

Первая предполагает образование водонефтяных эмульсий типа «нефть в воде» или «вода в нефти» непосредственно в среде воды; эти эмульсии, попадая в пласт, закупоривают его и снижают нефтеотдачу. Вторая гипотеза основана на представлении, что сначала вода попадает в пласт, содержащий нефть, а затем под действием природных эмульгаторов в нефти образуется стойкая водонефтяная эмульсия, закупоривающая пласт, снижая его удельную продуктивность и нефтеотдачу. Обе эти гипотезы еще не нашли четкого подтверждения, и поэтому трудно отдать предпочтение одной из них. Однако большинство специалистов в области бурения и добычи нефти склонны считать, что вторая гипотеза ближе к истине.

Попадая в продуктивный пласт, содержащий пропластки глин или глинусодержащий цемент, вода вызывает их набухание, что приводит к снижению эффективной пористости пласта иногда до полной его закупорки [5, 80].

Отфильтровывание в продуктивный пласт больших количеств воды вызывает блокирующее действие и оттеснение нефти или газа в пласт, затрудняя освоение и опробование скважин. Смачивание нефтегазоносного коллектора водой способствует образованию в его пористом пространстве адсорбционных гидратиых пленок повышенной упругости и прочности, модуль сдвига которых может достигать 200 кгс/см2 [5].

По этим причинам следует осторожно выбирать интервалы бурения с промывкой технической водой, чтобы не нанести ущерба процессам вскрытия продуктивных пластов и бурения в отложениях, содержащих глинистые минералы.

Отечественной и зарубежной практикой бурения скважин с промывкой технической водой установлено, что область ее применения как эффективной промывочной жидкости ограничена глубинами 1500—1800 м. При использовании воды для промывки скважин глубиной 2000—2500 м показатели бурения снижались вследствие ухудшения очистки забоя от выбуренной породы и осложнений в глинах и солевых отложениях. На таких глубинах гидростатического давления воды недостаточно, чтобы создать необходимое противодавление на стенки скважины и обеспечить их устойчивость.

Для снижения активности взаимодействия с глинистыми породами в воду добавляли различные защитные коллоиды (ГЭЦ, КМЦ, полиакрилаты, крахмал и т. д.), чтобы ограничить фильтрацию воды в проницаемые пласты и глинистые отложения. Эти добавки способствовали получению вязких безглинистых полимерных растворов, которые при перепаде давления 1 кгс/см2 не отфильтровывались, а при перепадах 15—20 кгс/см2 полностью отфильтровывались в проницаемые пласты [35, 72 ]. Добавки водорастворимых полимеров и жидкого стекла не улучшили качества воды как промывочного агента.

Для улучшения вскрытия продуктивных коллекторов, содержащих нефть и газ, в воду добавляют небольшие количества

оксиэтилированных, алкиларильных поверхностно-активных веществ. Добавки ПАВ к воде улучшают дебит скважин на 15— 20% по сравнению с вскрытием их на обычной технической воде [35, 36].

С увеличением глубин бурения и при вскрытии неустойчивых к воде глинистых и солевых отложений возникла необходимость в повышении гидростатического давления на стенки скважины и снижении ее гидратационных и растворяющих свойств. Для этих целей в техническую воду добавляют электролиты: NaCI, СаС12, ZnCl 2 и другие соли, насыщенные растворы имели плотность 1,18 ч-1,78 г/см3. Это создает на стенки скважины необходимое гидростатическое давление, но не полностью предупреждает гидратацию глин и их разупрочнение на стенках скважины.

При вскрытии глинистых отложений бурением с промывкой водой или водными растворами электролитов происходит их гидратация, они набухают, увлажняются, что приводит к разупрочнению глинистых сланцев и потере устойчивости стенок скважины. Гидратации и увлажнению глин сопутствуют поверхностное и капиллярное смачивание глин водой, осмотические, диффузионные явления и т. д.

Увлажнение глин водой зависит от их минералогического состава и лиофильных свойств. При увлажнении распределение ионов электролитов в поровом пространстве глины подчиняется закону Донанна. С увеличением глубины залегания, плотности глин, минерализации и прочности связей между частицами и агрегатами осмотические явления происходят медленнее. Однако это не дает основания судить о том, что промывка технической водой не вызовет осложнений из-за явлений осмоса и увлажнения глинистых пород на стенках скважины.

При использовании воды для промывки скважин часто возникает вопрос о том, что брать за критерий возможности применения воды при бурении тех или иных горных пород. Как показала практика бурения на Ромашкинском месторождении, таким критерием может служить коэффициент обвалообразований в стволе, сложенном неустойчивыми глинистыми породами.

Ю. В. Вадецкий считает, что бурение на технической воде возможно, если коэффициент обвалообразований в глинах находится в пределах 1 < К < 3. Если К > 3, то применение технической воды как промывочной жидкости нерационально из-за слишком большого расширения ствола скважины и возможного возникновения обвалов и осыпей глинистых сланцев.
 

Однако выбор возможности промывки скважины технической водой по этому критерию слишком субъективен и не для всех условий бурения оправдан. Наиболее объективным критерием определения использования технической возможности воды может служить снижение естественной прочности породы при ее взаимодействии с водой, однако такая оценка еще недостаточно изучена.

Анализируя результаты промывки скважин технической водой следует сделать следующие выводы.

1. Промывка скважин технической водой эффективна в твердых и достаточно проницаемых породах. Предельными глубинами бурения на технической воде следует считать 1500—2000 м. В этих условиях промывка водой способствует повышению буримости пород на 15 —20% и механической скорости бурения на 20—40%.

2. Низкая вязкость воды по сравнению с глинистыми растворами, небольшая ее плотность и активная способность к смачиванию горных пород, а также повышенная размывающая способность обеспечивают удовлетворительный вынос выбуренной породы с забоя, улучшают его очистку, создают минимальные гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины и благоприятные условия реализации гидромониторного эффекта и адсорбционного разупрочнения пород при их разрушении долотом.

3. Отсутствие в воде твердой фазы позволяет снизить износ бурового оборудования, турбобуров, долот, обеспечивает турбулентность потока бурового раствора в затрубном пространстве и соответствующую очистку его от выбуренной породы.

4. Промывка водой способствует активному отводу тепла от шарошек долота, забойных двигателей и охлаждению их в процессе бурения.

5. Промывка технической водой способствует мгновенному выравниванию перепада давления под долотом на забое, обеспечивая реализацию сбалансированного бурения (бурение на равновесии). Это в свою очередь улучшает условия разрушения горных пород на забое в результате высокой мгновенной фильтрации воды и реализации эффекта Ребиндера, снижает опасность возникновения прихватов из-за перепадов давления против проницаемых пластов.

6. Отсутствие глинистой корки на проницаемых породах при промывке водой не вызывает сужений ствола и позволяет бурить скважины с использованием более жестких компоновок инструмента при минимальных зазорах между бурильным инструментом и стенкой скважины.

7. Применение технической воды как промывочной среды допустимо при бурении в твердых, негидрофильных породах песчанокарбонатного комплекса, а также в гипсах, ангидритах и других отложениях, слаборастворимых в воде.

8. Для улучшения качества вскрытия продуктивных коллекторов с промывкой водой в нее следует добавлять ПАВ, повышающие нефтеотдачу скважин.
 

9. При промывке водой необходимо тщательно очищать ее от тонкоизмельченной горной породы, глинистых частиц и прочих взвесей.

10. Если в разрезе скважины имеются отложения, склонные к к обвалам и осыпям, то, не доходя до этих отложений 50—100 м, следует перейти на промывку качественным буровым раствором, соответствующим разбуриваемым породам.

11. Промывка скважин технической водой не требует применения глиноматериалов, химических реагентов и обеспечивает самую низкую стоимость промывки скважин на 1 м бурения.