Проблемы промывки наклонно-направленных скважин

Технология разведки и разработки полезных ископаемых

УДК 622. 243

ПРОБЛЕМЫ ПРОМЫВКИ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

1 2 П.С. Пушмин Г.Р. Романов

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, Лермонтова, 83.

Процесс бурения наклонно-направленных скважин может сопровождаться осаждением частиц разрушенной горной породы на забой и стенки скважины. Зачастую это вызвано неэффективным режимом очистки забоя и ствола скважины от частиц выбуренной горной породы. Следовательно, одной из основных задач геологоразведочного и эксплуатационного бурения является регулирование показателей промывки стволов наклонно-направленных скважин. С целью поиска решения поставленной задачи на данном этапе проведено теоретическое исследование, направленное на выявление и анализ факторов, вызывающих осложнения в процессе очистки стволов наклонно -направленных скважин. В результате исследования выделен ряд основных факторов, влияющих на эффективность выноса бурового шлама из наклонного ствола скважины. Исследование также показало, что правильно подобранные свойства очистного агента при оптимальных технологических параметрах процесса бурения позволят достичь высокой производительности и качества буровых работ, что подразумевает необходимость проведения дальнейшей теоретической и экспериментальной работы в данном направлении.

Библиогр. 4 назв. Ил. 3. Табл. 1

Ключевые слова: наклонно-направленное бурение; очистка стволов скважин; промывочная жидкость; эффект Бойкотта.

PROBLEMS OF SLANT DIRECTED WELLS CLEANING P.S. Pushmin, G.R. Romanov

Irkutsk State Technical University. 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Controlled directional drilling can be followed by the sedimentation of destroyed rock particles on the face and well walls. It is often caused by the inefficient cleaning of the face and borehole from drilling cuttings. Therefore, one of the main objectives of prospecting and development drilling is regulation of cleaning indicators of boreholes of the slant directed wells. To find the solution of the specified objective at this stage the authors have undertaken the theoretical research directed at the revelation and analysis of the factors causing complications during cleaning of the slant directed boreholes. The research resulted in the identification of a number of major factors influencing the efficiency of lifting drilling cuttings from a slant borehole. According to the research results, correctly selected properties of the clearing agent under optimum technological parameters of drilling will ensure high efficiency and quality of drilling operations. This fact proves the need for further theoretical and experimental work in the specified field.

4 sources. 3 figures, 1 tables

Key words: controlled directional drilling; cleaning boreholes; flushing water; Boykott's effect.

Современные требования к проведению геологоразведочных работ предполагают бурение большого количества наклонно-направленных скважин с це-

лью более детального изучения геологического разреза.

В процессе бурения наклонно-направленных скважин зачастую возни-

1Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, e-mail: pps@istu.irk.ru, тел.: (3952) 405737.

Pushmin Pavel, Candidate of technical sciences, Associate Professor, e-mail: pps@istu.irk.ru, tel.: (3952) 405737.

2Романов Григорий Родионович, аспирант, e-mail: grom123456@mail.ru, тел.: (3952) 405737. Romanov Gregory, Post-graduate student, e-mail: grom123456@mail.ru, tel.: (3952) 405737.

кают проблемы с очисткой забоя скважины и выносом разрушенной горной породы на поверхность по причине осаждения частиц горной породы на забой или стенки скважины при неэффективном режиме очистки. При этом эффективность очистки ствола скважины от частиц выбуренной горной породы зависит не только от основных гидродинамических показателей и технологических параметров режима бурения [2], но и от геометрии затрубного пространства и профиля ствола скважины. В свою очередь, геометрия затрубного пространства зачастую определяется эксцентричным расположением бурильной колонны в стволе скважины, а профиль ствола - зенитным углом.

Известны различные классификации зенитных углов ствола скважины, влияющих на степень очистки от частиц выбуренной породы. Как правило, выделяют три отличных друг от друга интервала, характеризующихся различным поведением частиц шлама в за-трубном пространстве.

При малых зенитных углах ствола

о

скважины (0-10) сила тяжести, действующая на каждую частицу выбуренного шлама, заставляет их оседать в направлении забоя (рис. 1, а). С ростом

о

зенитного угла (10-30) плотность и вязкость частиц шлама увеличивается, в связи с чем возможно накопление осадка на стенке скважины. Вместе с тем, тенденция к скольжению частиц к забою сохраняется (рис. 1, б).

Дальнейшее повышение зенитного угла (ориентировочно до 45-60) способствует возрастанию сил трения и замедлению скорости скольжения частиц шлама вплоть до полной остановки, что, вероятно, вызвано возникновением эффекта Бойкотта - эффекта ускоренного осаждения примеси в сосудах с наклонными стенками. Данный эффект, открытый в 1920 г., нередко проявляется в различных дисперсных средах при бурении скважин с зенитными углами 3060, а наиболее интенсивно - с углами

о

40-50 (рис. 1, в) и заключается в накоп-

лении шлама и некоторой части твердой фазы очистного агента при его движении или в состоянии покоя на стенке ствола наклонно-направленной скважины. Другими словами, частицы шлама из зоны суспензии осаждаются в вертикальном направлении к нижней стенке скважины и образуют осадок в наклонном стволе.

б

Рис. 1. Поведение шлама в скважине в интервалах с разными зенитными углами а:

а - 0-10°; б - 10-30°; в - 30-60°; г - 60-90°; густота крапа отражает концентрацию частиц шлама

Формирующийся шлам может сползать вниз и собираться на забое, вызывая различные осложнения в процессе бурения, в частности являться причиной зашламования забоя скважины.

Одновременно со сползанием осадка нарушается равновесие давления за счет изменения направления вектора плотности в поперечном сечении, что приводит к выталкиванию более легкой фазы раствора вверх, а более тяжелой -вниз - проявляется эффект конвекции [1]. Осаждение частиц шлама в области суспензии ускоряется.

Заметим, что наиболее очевидным способом регулирования скорости выпадения частиц в осадок является добавление в промывочный раствор реагентов, повышающих прочность геля,

а

вязкость при низких скоростях сдвига (ВНС).

Тенденция к скоплению шлама в интервалах уменьшения скорости течения промывочной жидкости (каверны, трещины) приводит к закупориванию затрубного пространства по причине скольжения (при углах менее 50 ) скопившихся частиц обратно в ствол скважины (рис. 2). В этом случае увеличение скорости движения жидкости в за-трубном пространстве, вероятно, позволит повысить эффективность очистки скважины посредством уменьшения количества шлама, оседающего в местах локального снижения скорости потока.

Рис. 2. Скопление шлама в каверне и его движение к забою

В наклонной скважине при зенитном угле от 20 колонна бурильных труб будет «лежать» на нижней стенке скважины (рис. 3), что препятствует равномерной скорости течения жидкости в верхней (над колонной) и нижней частях поперечного сечения ствола скважины. Такой вид течения жидкости в кольцевом пространстве не обеспечивает полноценной очистки скважины от шлама, так как в зоне снижения скорости потока, то есть на нижней стенке, будет образовываться шламовая подушка. В данной ситуации для решения проблемы возможно применение инструмента со смещенным центром тяжести. Так, эксцентриситет вращения колонны бурильных труб и колонкового снаряда будет создавать поперечные течения и завихрения потока жидкости (подобие турбулентности), в результате

чего шлам будет удаляться из ствола без дополнительных затруднений.

Рис. 3. Скопление шлама на нижней стенке скважины:

1 - колонна бурильных труб; 2 - скорость потока над колонной; 3 - скорость потока возле колонны; 4 — шламовая подушка

Последнее предположение позволяет выделить еще один важный фактор очистки стволов скважин - режим течения промывочной жидкости в затруб-ном пространстве.

Ламинарный режим течения наиболее эффективен при зенитных углах до 45 при использовании вязкого раствора. Такой режим способствует эффективной очистке скважины от шлама за счет реологических свойств раствора.

При турбулентном режиме течения потока реология оказывает гораздо меньшее влияние на транспортировку частиц выбуренной породы, поэтому данный режим течения будет эффективен при углах наклона ствола от 45 в том случае, если стенки скважины и керн устойчивы к размыванию промывочной жидкостью.

С.А. Тунгусовым [4] предлагается применение для промывки субгоризонтальных и наклонно-направленных скважин пульсирующего потока очистного агента, что, по мнению авторов, позволит снизить расход очистного агента относительно рекомендованного в конкретных геологических условиях и улучшить показатели выноса выбуренной горной породы на поверхность без

ущерба целостности стенок скважины и керновых проб.

Проведение буровых работ в условиях дефицита технической воды для приготовления бурового раствора предполагает применение альтернативных способов очистки забоя или использование замкнутого цикла циркуляции очистного агента, не требующего большого количества технической воды, не загрязняющего окружающую среду сливом отработанного бурового раствора. Вместе с тем, применение подобной схемы очистки скважин требует дополнительных затрат и иногда может вызывать некоторые осложнения.

При использовании замкнутой циркуляции очистного агента буровой раствор, поднятый с забоя вместе с продуктами разрушения горных пород, снова закачивается в скважину. При этом шлам, находящийся в растворе, зачастую попадает в ствол скважины, так как обычных отстойников для качественной очистки бурового раствора недостаточно. На эффективность очистки раствора от шлама естественным путем влияет размер частиц шлама, его способность к диспергированию в растворе, а также рецептура очистного агента.

Известно, что содержание твердой фазы в буровом растворе отрицательно влияет на механическую скорость бурения, ресурс породоразрушающего инструмента и бурильных труб, создает чрезмерное гидростатическое давление столба жидкости, а также способствует закупориванию мелких зазоров и отверстий в элементах двойных колонковых снарядов, в том числе ССК.

Твердая фаза (таблица), как правило, добавляется в буровой раствор для регулирования таких параметров, как фильтрация (водоотдача), плотность, вязкость (растворы на глинистой основе). Однако на механическую скорость оказывает влияние не только и не столько процентное содержание твердой фазы, сколько диспергированность, распределение по объему жидкости

частиц. Чем меньше размер частиц, тем больше помех они будут создавать на забое при разрушении горной породы.

Влияние вида твердой фазы бурового раствора на скорость бурения [3]

Вид твердой фазы Снижение механической скорости при увеличении содержания твердой фазы на 1% объема, %

Барит 2,6

Кальцит 4,8

Глина 6,7

Из таблицы видно, что глинистая фаза имеет наиболее существенное влияние на механическую скорость. Это подтверждает тезис о том, что скорость проходки скважины зависит не только от объемного содержания твердой фазы, но и от характера распределения их по размерам. Так, при использовании раствора, в котором содержатся частицы размером до 1 мкм, механическая скорость на порядок ниже, чем при бурении с раствором, содержащим то же объемное количество твердых частиц, но размером более 1 мкм [3].

Таким образом, твердые частицы размером менее 1 мкм на забое забивают поры и микротрещины, создаваемые в процессе разрушения горной породы, вклиниваются между породой и резцами породоразрушающего инструмента, снижая углубку за оборот и величину осевого усилия, а также создают помехи для движения очистного агента, скапливаясь в межконтактных зазорах.

Крупные частицы, образующиеся в основном при бурении твердосплавным инструментом пород средней крепости (У-УШ категории по буримости), легко оседают на дне отстойника естественным путем, поэтому возникновения дополнительных осложнений в этом случае не ожидается. Алмазное бурение предполагает разрушение более крепких пород с высокой угловой скоростью и сравнительно умеренной осевой нагрузкой. Размер частиц шлама в таких усло-

виях может достигать примерно 3-5 мкм, что при определенных реологических свойствах раствора способствует образованию стойкой суспензии со взвешенными частицами.

Таким образом, для замкнутой циркуляции бурового раствора при бурении алмазным инструментом требуется применение дополнительного очистного оборудования, позволяющего осуществлять повторное использование очистного агента без большого риска возникновения осложнений по причине присутствия в растворе шлама, в частности, чрезмерного значения гидростатического давления на забой скважины.

Известны результаты экспериментальных работ, которые доказывают существенное снижение механической скорости бурения с увеличением гидростатического давления на забой, проявляющееся тем в большей мере, чем выше пластические свойства горной породы, находящейся в состоянии всестороннего сжатия в процессе разрушения на забое скважины.

В заключение отметим, что регулирование показателей промывки скважин является одной из основных задач при геологоразведочном и эксплуатационном бурении, следовательно, правильно подобранные свойства очистного агента при оптимальных технологических параметрах процесса бурения позволят достичь высокой производительности и качества буровых работ.

доцент Иркутского

В настоящее время особое научное значение приобретает проведение натурных экспериментальных исследований в конкретных геологических условиях, а также математическое и компьютерное моделирование, в частности, методами планирования полного факторного эксперимента и конечно-элементного инженерного анализа.

Библиографический список

1. Параметры скважины [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ftk-nnov.ru/problemy-promyvki-skvazhm-s-gorizontalnymi/parametry-skvazhiny.html. - (дата обращения 23.05.2014).

2. Пушмин П.С. Факторы регулирования гидродинамических показателей для оптимизации процесса алмазного бурения // Известия СО секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. Вып. 2 (37). С. 167-172.

3. Снижение механической скорости бурения при уменьшении водоотдачи [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ftk-nnov.ru/promyvka-skvazhin/snizhenie-mexanicheskoj -skorosti-bureniya-pri.html. - (дата обращения 22.05.2014).

4. Тунгусов С.А. Повышение эффективности промывки скважин за счет использования пульсирующего потока: дис. ... канд. геол.-минералог. наук. М., 2009. 106 с.

Рецензент кандидат технических наук, венного технического университета А.И. Ламбин