2024-09-02
Обзор бурового раствора
Буровой раствор - это циркулирующая промывочная среда, используемая в скважине в процессе бурения.Буровая жидкость - это кровь бурения, также известная как буровая промывочная жидкость.По своему составу буровые растворы можно разделить на чистую воду, буровой раствор, промывочную жидкость с неглинистой фазой, эмульсию, пену и сжатый воздух.Чистая вода - самая ранняя буровая жидкость, которая не требует обработки, проста в использовании и подходит для неповрежденных горных пород и районов с достаточным количеством источников воды.Раствор - это широко используемая буровая жидкость, которая в основном подходит для рыхлых, трещиноватых, легко разрушающихся и выпадающих из блока, набухающих и расслаивающихся и других нестабильных породных образований.
На ранних стадиях роторного бурения основной функцией бурового раствора является перенос каменной крошки со дна скважины на поверхность.В настоящее время считается, что буровые растворы выполняют как минимум следующие десять функций:
1) Очистка ствола скважины и вынос каменной крошки.Поддержание чистоты ствола скважины позволяет избежать повторного срезания бурового долота, снижает износ и повышает эффективность.
2) Охлаждение и смазка бурового долота и бурильной колонны.Снижение температуры бурового долота, уменьшение износа бурового инструмента и увеличение срока службы бурового инструмента.
(3) Выравнивание бокового давления породы на стенки скважины, образование фильтровальной лепешки на стенках скважины, герметизация и стабилизация стенок скважины.Предотвращение загрязнения нефтегазового пласта и разрушения стенок скважины.
4) Сбалансировать (контролировать) пластовое давление.Предотвращение продувки, утечки из скважины и загрязнения бурового раствора пластовыми флюидами.
5) Осаждение каменной крошки и утяжелителя.Уменьшите скорость оседания каменной крошки, чтобы избежать заклинивания бура тонущим песком.
6) Оседающий песок и каменная крошка могут быть удалены на уровне земли.
7) Эффективная передача гидравлической мощности.Передает мощность, необходимую для работы скважинных буровых инструментов и гидравлическую мощность бурового долота.
8) Переносит часть тяжести бурильных и обсадных труб.Плавучесть бурового раствора на буровых инструментах и обсадных трубах снижает нагрузку на подъемную систему при запуске и остановке бура.
(9) Предоставление большого количества информации о пробуриваемом пласте.Буровой раствор можно использовать для получения скважинной информации, такой как электрический каротаж и каротаж горной крошки.
(10) Гидравлическое дробление породы.Высокоскоростная струя, формируемая буровым раствором через сопло, может непосредственно разрушать или способствовать разрушению породы.
История буровых растворов
Давным-давно люди бурили скважины, как правило, в поисках воды, а не нефти.На самом деле, когда они натыкались на нефть, то очень огорчались, потому что она загрязняла воду!Изначально скважины бурили для получения пресной воды, которая использовалась для питья, стирки и орошения, и морской воды, которая служила сырьем для производства соли.Только в начале XIX века бурение скважин на нефть стало популярным, поскольку индустриализация увеличила спрос на нефтепродукты.
Самое раннее зарегистрированное бурение относится к третьему веку до нашей эры в Китае.Они использовали технику, называемую канатно-тоннельным бурением, которая заключалась в сбрасывании огромных металлических буровых инструментов и последующем сборе кусков породы в трубчатый контейнер.Китайцы опередили всех в освоении этой технологии, и Китай признан первой страной, намеренно использовавшей жидкость в процессе бурения.Жидкость, о которой здесь идет речь, - это вода.Она размягчает породу, облегчая проникновение в нее бурового инструмента, и в то же время помогает удалить обломки породы, называемые буровым шламом.(Важно удалять шлам из скважины, чтобы буровое долото могло беспрепятственно продолжать бурение).
В 1833 году французский инженер по фамилии Фловиль наблюдал за операцией по бурению скважины с помощью шнурового тоннеля.Во время бурения буровое оборудование извергало воду.В этот момент он понял, что струя воды будет очень эффективно поднимать буровой шлам из скважины.Таким образом, был заложен принцип использования текучей жидкости для удаления бурового шлама из скважины.Он разработал устройство, согласно которому насос подавал воду по внутренней поверхности бурильной трубы в скважину, а когда вода возвращалась на поверхность через зазор между трубой и стенкой скважины, она уносила с собой буровой шлам.Эта процедура используется и по сей день.
В 1900 году во время бурения нефтяной скважины в Спиндлтопе, штат Техас, бурильщики прогнали стадо крупного рогатого скота через заполненную водой яму.В луже, по которой прошел скот, образовалась грязь - вязкая, слякотная смесь воды и грязи, и бурильщики закачали ее в скважину.Сегодня буровые растворы по-прежнему называются буровым раствором, но инженеры уже не полагаются только на воду и грязь в качестве ингредиентов для буровых растворов.Они тщательно смешивают компоненты смеси, чтобы удовлетворить специфические потребности различных условий бурения.Современные буровые растворы - это действительно жизненная сила нефтяных скважин.Без них сегодня было бы невозможно бурить глубокие скважины.
Роторное бурение в значительной степени заменило канатно-тоннельное бурение.При этой технике буровое долото располагается на конце вращающейся горной трубы.Процесс бурения похож на сверление куска дерева с помощью ручной электродрели или шуруповерта.В отличие от бурения дерева, при котором просверливается всего несколько дюймов или сантиметров, современные нефтяные скважины могут уходить под землю на тысячи футов или километров.При бурении буровой шлам выводится из скважины по спиральному желобу в стволе.Этот метод эффективен для бурения неглубоких скважин, но не для бурения глубоких скважин.При бурении глубоких скважин буровой шлам поднимается на поверхность вместе с циркулирующим раствором.Чем глубже бурится скважина, тем важнее становится буровой раствор.Он используется для самых разных целей и для решения широкого круга задач, которые сильно различаются в зависимости от места.
Виды и группы буровых растворов
По дисперсионной среде (непрерывной фазе) буровые растворы можно разделить на буровые растворы на водной основе, буровые растворы на нефтяной основе, буровые растворы на газовой основе и так далее.Буровые растворы в основном состоят из жидкой фазы, твердой фазы и агента химической обработки.Жидкая фаза может представлять собой воду (пресная вода, рассол), нефть (сырая нефть, дизельное топливо) или эмульсию (смешанная нефтяная эмульсия и обращенно-фазовая эмульсия).Твердые фазы включают полезные твердые фазы (бентонит, утяжеленные материалы) и нежелательные твердые фазы (горные породы).Химические агенты обработки включают неорганические, органические и полимерные соединения.
① Буровой раствор на водной основе
Буровой раствор на водной основе представляет собой смешанную золь-гель суспензию с водой в качестве дисперсионной среды и глиной (бентонитом), утяжелителем и различными агентами химической обработки в качестве дисперсной фазы.Его основными компонентами являются вода, глина, утяжелитель и различные химические реагенты.Буровые растворы на водной основе в основном прошли пять фаз, а именно: природные буровые растворы (1904-1921), тонкодисперсные буровые растворы (1921-1946), грубодисперсные буровые растворы (1946-1973), недисперсные буровые растворы с низким содержанием твердых веществ (1966 по настоящее время), буровые растворы без твердых веществ (1968 по настоящее время), полимерные буровые растворы (1978 по настоящее время) и так далее.
Буровые растворы на водной основе также можно разделить на:
Пресноводный буровой раствор.Содержание хлорида натрия менее 10 мг/см³, содержание ионов кальция менее 0,12 мг/см³;
Буровой раствор для соленой воды (включая морскую воду и буровой раствор для солоноватой воды).Содержание хлорида натрия выше 10 мг/см³
Буровые растворы, обработанные кальцием.Содержание ионов кальция менее 0,12 мг/см³
Насыщенный рассольный буровой раствор.Насыщенный раствор, содержащий одну или несколько растворимых солей;
Смешанные эмульсионные (масло-в-воде) буровые растворы.Буровые растворы на водной основе, содержащие 3-40 % эмульгированных масел;
Буровые растворы с недиспергируемыми полимерами с низкой твердой фазой.Менее 4% твердых частиц с умеренным количеством полимера;
Буровой раствор на основе калия.Содержание хлорида калия выше 3 процентов. Начал использоваться на наших буровых площадках с 1978 года.
Полимерный буровой раствор.Это буровой раствор, состоящий из полимера (например, полианионной целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозы и т.д.) в качестве основного вещества и различных химических реагентов, таких как понизитель вязкости, понизитель потери фильтрации, антиколлапсирующий агент и смазка.Это новый тип системы бурового раствора, разработанный в 1980-х годах.Она включает в себя буровой раствор на основе катионного полимера, буровой раствор на основе амфотерного полимера, буровой раствор на основе полного катионного полимера, буровой раствор для глубоких скважин на основе полимера и буровой раствор на основе положительного электрического геля.
② Нефтяные буровые растворы непрерывной фазы
Нефтяной буровой раствор непрерывной фазы (обычно называемый буровым раствором на основе нефти) представляет собой золь-гель суспензию, смешанную с нефтью (в основном дизельным топливом или сырой нефтью) в качестве дисперсионной среды, а также отягчающим агентом, различными агентами химической обработки и водой в качестве дисперсной фазы.Ее основными компонентами являются сырая нефть, дизельное топливо, отягчающее вещество, химические реагенты и вода.В основном он прошел три стадии: буровой раствор на основе сырой нефти (начало 1930 годов), буровой раствор на основе нефти и буровой раствор "вода в нефти" (обращенно-фазовая эмульсия) (с 1960 года по настоящее время).
Буровой раствор на основе сырой нефти.Основной ингредиент - сырая нефть.
Буровая жидкость на нефтяной основе.Состоит из дизельного топлива (или сырой нефти) в качестве непрерывной фазы и окисленного асфальта в качестве дисперсной фазы, а также отягчающих веществ и различных химических реагентов.
Буровой раствор типа "вода в масле" (обращенно-фазовая эмульсия).Дизельное топливо (или сырая нефть) для непрерывной фазы, вода для дисперсной фазы в виде мелких капель, диспергированных в воде (вода может составлять 60% объема), органический бентонит (олеофильный бентонит) и окисленный асфальт и другие стабилизаторы, а затем с отягчающими агентами и различными химическими агентами обработки и т.д. Сформулировано. 1978 лет назад начал использоваться в Китае на буровой площадке.
Газовый тип бурового раствора
Газовые буровые растворы - это буровые растворы, в которых в качестве циркулирующей жидкости для бурения используется воздух или природный газ.Пенный буровой раствор - это буровой раствор, использующий пену в качестве циркулирующей жидкости для бурения.Основными компонентами являются жидкость, газ, стабилизатор пены и т. д. В 1980-х годах подкомитет по системам буровых растворов Комитета по стандартизации Китая разделил буровые растворы на восемь систем: недисперсные твердофазные полимерные буровые растворы, пресноводные буровые растворы, рассольные буровые растворы, насыщенные рассольные буровые растворы, буровые растворы, обработанные кальцием, калийные буровые растворы, буровые растворы на основе нефти, газовые буровые растворы и так далее.
Системы буровых растворов, одобренные API (Американский институт нефти) и LADC (Международная ассоциация буровых подрядчиков), следующие: недисперсные системы буровых растворов, дисперсные системы буровых растворов, системы буровых растворов, обработанных кальцием, системы полимерных буровых растворов, системы буровых растворов с низким содержанием твердых частиц, системы насыщенных буровых растворов, системы буровых растворов для ремонта и заканчивания скважин, системы буровых растворов на нефтяной основе, а также системы воздушных, туманных, пенных и газовых растворов.
Критерии выбора буровых растворов
Буровой раствор является "кровью" бурения и играет очень важную роль в буровых работах.Поэтому требования к буровому раствору очень высоки, в основном в четырех аспектах:
① Требования к циркуляции бурового раствора
Требования к циркуляции бурового раствора - низкое давление насоса (низкая вязкость), высокая способность переносить песок (высокий динамический сдвиг), низкое давление насоса при запуске (низкий статический сдвиг), хорошие смазочные характеристики, низкое трение и низкий абразивный износ (меньше твердых частиц).
② Для поддержания стабильности ствола скважины
Бурение через пласт, чтобы использовать столб давления бурового раствора и давление пласта для достижения баланса, плотность бурового раствора является стабильной; бурение нефтяных и газовых пластов, чтобы полагаться на столб давления бурового раствора, чтобы сбалансировать давление нефти и газа требует соответствующей плотности бурового раствора.Требования к буровым растворам для преодоления производительности нестабильных образований, таких как расширение аргиллита, вызванное поглощением воды скважиной сужения; конгломерат, вулканическая порода в контакте с водой, вызванной обрушением креста, соляная порода в контакте с водой и образование каверн и т.д., то есть требования различных свойств бурового раствора.
③ Требуется буровой раствор для защиты нефтегазового пласта
Чтобы буровой раствор не повредил нефтегазовый слой, необходимо, чтобы потеря воды в буровом растворе была небольшой, грязевая корка была тонкой (после потери воды буровым раствором твердые частицы под действием разности давления образуют грязевое кольцо на стенке скважины), содержание твердой фазы было низким, а эффект гидратации фильтрата был низким (химический эффект, возникающий после попадания фильтрата в пласт и жидкость в пласте) и так далее.
④Защита окружающей среды и экологии
Буровые растворы часто содержат сырую нефть, дизельное топливо и различные масла, а также большое количество химических реагентов для обработки, и для того, чтобы предотвратить возможное воздействие буровых растворов на окружающую среду и экологию, необходимо использовать безвредные и нетоксичные буровые растворы.
Основная роль буровых растворов
Суровые условия подземных буровых работ способствовали исследованию и разработке буровых растворов, которые необходимы для выполнения ряда ключевых задач в процессе бурения: суспензии, контроля давления, стабильности пласта, плавучести, смазки и охлаждения.
1.Суспензия
Буровой раствор, текущий по бурильной трубе или вверх по стволу скважины, иногда перестает двигаться.Это может произойти только по двум причинам: либо произошел сбой, либо бурильная труба была поднята из скважины во время замены долота.Когда бурение прекращается, буровой шлам, взвешенный в буровом растворе, опускается на дно скважины и закупоривает ее.Буровые растворы обладают очень интересным свойством, которое решает эту проблему.Консистенция (или вязкость) бурового раствора увеличивается по мере уменьшения скорости его потока.Когда буровой раствор перестает течь, он образует вязкий гель, который удерживает горную мелочь и не дает ей опуститься на дно скважины.Когда буровой раствор снова начинает течь, он становится все тоньше и тоньше, возвращаясь к своей прежней жидкой форме.
2 Контроль давления
Многие видели, как нефть выплескивается с буровой площадки в атмосферу, а нефтяники радуются этому.На самом деле такие случаи редки и не являются поводом для радости, поскольку цель бурения - добыча нефти контролируемым потоком.Буровой раствор предназначен для противодействия естественному давлению жидкости в пласте, что позволяет предотвратить подобные аварии.Между давлениями должен быть правильный баланс, то есть давление бурового раствора на стенки скважины должно быть достаточным, чтобы противодействовать давлению, оказываемому горной породой и нефтью или газом, но это давление не должно быть настолько большим, чтобы вызвать повреждение скважины.Если вес бурового раствора слишком велик, он может расколоть породу, в результате чего буровой раствор уйдет в землю.
Давление бурового раствора зависит от его концентрации.Добавление утяжелителя в буровой раствор повышает его концентрацию, что, в свою очередь, увеличивает давление, оказываемое им на стенки скважины.Концентрацию раствора можно регулировать в соответствии с требованиями окружающей среды в скважине.
3.Устойчивость обнаженных горных пород
Процесс бурения делится на два этапа: на первом этапе осуществляется бурение через безнефтяную горную породу с целью как можно быстрее достичь нефтеносной горной породы, т. е. пласта.На этом этапе основное внимание уделяется поддержанию стабильности обнаженной породы в стволе скважины, а также предотвращению потерь бурового раствора.Если давление бурового раствора поддерживается выше, чем давление поровой жидкости в пласте, буровой раствор будет иметь естественную тенденцию просачиваться в проницаемую породу пласта.Это можно предотвратить, добавив в буровой раствор специальные добавки.
Буровые растворы могут взаимодействовать с окружающей породой и другими способами.Например, если порода имеет высокое содержание солей, вода может растворить соли в ней, что сделает стенки скважины неустойчивыми.В таких случаях эффективнее использовать буровые растворы на нефтяной основе.Пласты с высоким содержанием глины также подвержены размыву водой.Для таких пластов используются подавляющие буровые растворы, которые поддерживают стабильность скважины и предотвращают ее расширение или размыв.По мере бурения ствол скважины защищается стальной обсадной колонной, которая укрепляется цементом, что позволяет поддерживать стабильность ствола и обеспечивает выход на поверхность нефти, добытой после достижения пласта.После достижения пласта необходимо изменить состав бурового раствора, чтобы избежать закупорки пор породы.Если поры породы не забиты, нефть более плавно поступает в скважину и затем поднимается на поверхность.
4.Плавучесть
Глубина нефтяной скважины может составлять тысячи футов или метров.Стальная бурильная труба такой длины будет весить несколько тонн.Если погрузить бурильную трубу в буровой раствор, она будет обладать плавучестью, уменьшая вес бурильной трубы и снижая давление на буровой механизм.
5.смазка и охлаждение
При бурении металла в горной породе в результате трения выделяется тепло.Буровые растворы смазывают и охлаждают буровое долото, позволяя бурению идти гладко и продлевая срок службы долота.Смазка может быть особенно важна в скважинах с большой протяженностью или горизонтальных скважинах, где трение между бурильными трубами, долотом и поверхностью породы должно быть минимальным.
Правильное обслуживание буровых растворов
Все больше буровых подрядчиков переходят на более крупные буровые установки и используют системы твердого управления.Твердые системы управления не работают с жидкостями высокой вязкости.Высоковязкие буровые растворы не проходят через сита так же легко, как низковязкие, а высоковязкие буровые растворы могут вызывать закупорку сит бурового раствора и диффузию сит.Кроме того, возросли требования к размерам гидроциклонов (десандеров, грязеуловителей и т. д.).
Что делать в таких случаях?Причина закачки большего количества бурового раствора в перевернутый глазок заключается в использовании более мощного грязевого насоса для более крупной буровой установки.В обратном проеме должно образовываться больше твердых частиц, поэтому, если нет возможности установить большой насос, необходимо использовать буровой раствор с низкой вязкостью.Добавьте воду в шламовую систему, эффект разбавления может повысить эффективность сепарационного оборудования.Для разбавления суспензии можно добавить любой разбавитель, а для смешивания добавок в суспензию можно использовать смеситель Вентури или любую мешалку, чтобы обеспечить стабилизацию суспензии для прохождения через оборудование для контроля твердых частиц.
При использовании некоторых полимерных добавок могут возникнуть проблемы, если оборудование для контроля твердых частиц используется, неправильно перемешано или в высокой концентрации. Полимеры PHPA могут инкапсулироваться и забивать сетчатые экраны, это не означает, что добавки нельзя использовать, но скорее необходимо соблюдать осторожность при добавлении полимеров и не добавлять какие-либо суспензионные добавки перед оборудованием для контроля твердых частиц.
При добавлении других сухих полимерных добавок добавляйте их медленно, используя воронку Вентури.
Негативное воздействие буровых растворов
Буровые растворы наносят определенный вред нефтегазовым пластам в процессе использования, в основном это:
1)частицы твердой фазы и грязевой кек, блокирующие нефтяные и газовые каналы;
2)Жидкость с потерями при фильтрации заставляет глину в пласте расширяться и блокировать поровое пространство пласта;
3) Ионы в фильтрате бурового раствора взаимодействуют с ионами пласта, образуя осадки и блокируя каналы;
4) Возникает эффект гидрозамка, увеличивая сопротивление потоку нефти и газа.
