Буровой раствор для строительства скважин в неустойчивых глинистых и несцементированных грунтах и способ его получения
DRILLING MUD FOR CONSTRUCTION OF WELLS IN UNSTABLE CLAY AND NON-CEMENTED SOILS AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Группа изобретений относится к буровому раствору для строительства скважин в неустойчивых глинистых и несцементированных грунтах и способу его получения.
Группа изобретений может быть использована в области трубопроводного транспорта, в частности, при строительстве подводных переходов трубопроводов в неустойчивых грунтах (песок, гравийно-галечниковые грунты, глины).
3
Известен буровой раствор на основе водомасляной эмульсии, включающий бентонитовый глинопорошок, каустическую соду, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), многофункциональные поверхностно-активные вещества ПАВ, пеногаситель, полимер и воду (заявка 2002112790/032002112790/03 от 26.08.2002). Буровой раствор содержит КМЦ низкой вязкости, в качестве многофункциональных ПАВ - ИКЛУБ и ИКД, в качестве пеногасителя - ИКДЕФОМ, в качестве полимера - акриламидсодержащий полимер, анионный полиэлектролит ИКСТАБ или амфолитный полиэлектролит ГТИНДРИЛ и дополнительно - кальцинированную соду при следующем соотношении ингредиентов, кг на 1 м бурового раствора: бентонитовый глинопорошок - 30-75, кальцинированная сода - 1-2,5, каустическая сода - 0,2-0,7, КМЦ низкой вязкости - 2,5-6,8, ИКЛУБ - 3-9, ИКД - 0,5-3, ИКДЕФОМ - 0,1-0,25, указанный акриламидсодержащий полимер - 2,6-4,5, вода - остальное.
К недостаткам известного раствора относится большой расход химреагентов, обусловленная этим его высокая стоимость и низкая мобильность управления свойствами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому раствору является буровой раствор (заявка: 2005137762/03, опубл. 10.06.2007) для строительства переходов под естественными и искусственными преградами методом горизонтально-направленного бурения, включающий глину, понизитель фильтрации, модифицирующую добавку и воду, отличающийся тем, что, в качестве модифицирующей добавки он содержит реагент ФК-1 при следующем соотношении компонентов, мас. %: глина 1,0-2,9; понизитель фильтрации 0,2-0,4; реагент ФК-1 3,1-5,0; вода - остальное. Недостатком известного состава является большое содержание модифицирующей добавки реагента ФК-1, что сказывается на стоимости бурового раствора.
Техническим результатом группы изобретений является получение состава бурового раствора, фильтрационные свойства которого позволяют получить скважину с устойчивыми стенками в зоне залегания неустойчивых глинистых и несцементированных грунтов.
-1
-1
Указанный технический результат достигается за счет того, что буровой раствор для строительства скважин в неустойчивых глинистых и несцементированных грунтах, согласно техническому решению, включает бентонитовый глинопорошок, водорастворимый полимер или водорастворимые полимеры и воду, при этом величина коэффициента пластичности раствора находится в диапазоне от 800 с до 3000 с при динамическом напряжении сдвига более 300 дПа и следующем соотношении компонентов, мас.%:
- бентонитовый глинопорошок - 3-8;
- водорастворимые полимеры - 0,3- 0,5;
- вода - остальное.
В части способа получения указанного бурового раствора технический результат достигается за счет того, что готовят глинистую суспензию путем перемешивания воды и бентонитового глинопорошка в течение 1 часа, затем добавляют водорастворимый полимер или водорастворимые полимеры и перемешивают в течение 30 мин.
-1
Заявляемый качественный и количественный состав компонентов бурового раствора со следующими реологическими параметрами: коэффициент пластичности в диапазоне от 800 до 3000 с, динамическое напряжение сдвига (далее - ДНС) более 300 дПа, позволяет выносить шлам разбуренных грунтов, способен обеспечить устойчивость ствола скважины в условиях залегания глиносодержащих грунтов и управлять фильтрационными свойствами несцементированных грунтов.
В составе бурового раствора используются следующие соединения:
- в качестве глины используют бентонитовый глинопорошок марки Б-1 - Б-3 по ГОСТ 25795-83 «Сырье глинистое в производстве глинопорошков для производства буровых растворов».
- в качестве регулятора реологических свойств используют водорастворимые полимеры - биополимеры и синтетические полимеры, например, полимер полианнионная целлюлоза, карбоксиметилцеллюлоза (далее - КМЦ), ксантановая смола, гидролизованный полиакрил амид и др.
Буровой раствор получают механическим смешиванием компонентов в заявленных пределах содержания. Сначала готовят глинистую суспензию путем перемешивания воды и бентонитового глинопорошка (5-8%) в течение 1 часа. Добавляют водорастворимые полимеры, например, гидролизованный полиакриламид (0,3-0,5%), перемешивают 30 мин. После получения однородного раствора определяют его свойства. Параметры, полученных буровых растворов, приведены в табл.1.
Система обладает малокомпонентным составом, поэтому отличается мобильностью управления ее свойствами.
Все измерения параметров буровых растворов допускается проводить по методикам ISO 10414-1:2008 [1].
В практической деятельности для обеспечения кольматации проницаемых грунтов нередко применяются буровые растворы, состоящие из модифицированного глинопорошка низкого качества на основе гидрослюдистых глин с меньшим выходом раствора.
При одинаковой концентрации в зависимости от вида глинопорошка, применяемого для получения бурового раствора, вязкость раствора меняется в широких пределах. Диапазон изменения свойств бурового раствора зависит от качества применяемой глины, ее коллоидных свойств, длительности гидратации, степени перемешивания, наличия электролитов, органических добавок. Влияние этих факторов затрудняет определение критериев фильтрации бурового раствора в пористую среду.
Основными реологическими параметрами, которые характеризуют буровой раствор, являются динамическое напряжение сдвига, пластическая вязкость и их производная - коэффициент пластичности.
Динамическое напряжение сдвига характеризует прочностное сопротивление бурового раствора течению и обусловлено прочностью водородных связей и индукционным периодом их образования. Величина пластической вязкости характеризует способность дискретной среды уплотняться. Коэффициент пластичности представляет собой отношение предельного динамического напряжения сдвига к пластической вязкости. Поэтому коэффициент пластичности отражает прочность взаимосвязей между компонентами раствора в процессе движения и является физической характеристикой прочности и скорости восстановления связей в структуре раствора.
Изобретение поясняется с помощью табл. 2, в которой приведены реологические параметры буровых растворов и состояние образцов мелкого песка после фильтрации глинистых суспензий. Составы растворов приведены в прилагаемой табл. 2. Состав растворов приведен в мас. %, что соответствует количеству реагентов в граммах, необходимых для приготовления 100 г раствора.
В табл. 2 приняты следующие сокращения и обозначения: КП - коэффициент пластичности; ПВ - пластическая вязкость; ДНС - динамическое напряжение сдвига; ПФ - показатель фильтрации; ПБР - полимерный бентонитовый раствор.
Пример 1. Из 93,65 г воды (93,65%) и 6 г глины (6%) (Серпуховского глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. Добавляют водорастворимый полимер, например, карбоксиметилцеллюлозу в количестве 0,2 г (0,2%) перемешивают 30 мин, затем вводят гидролизованный полиакриламид в количестве 0,15 г (0,15%) и перемешивают 15 мин. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 2. Из 95 г воды (95%) и 5 г глины (5%) (Серпуховского глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 3. Из 96 г воды (96%) и 4 г глины (4%) (Монтмориллонитового глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 4. Из 96 г воды (96%) и 4 г глины (4%) (Серпуховского глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 5. Из 95 г воды (95%) и 5 г глины (5%) (Монтмориллонитового глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 6. Из 94,85 г воды (94,85%) и 6 г глины (6%) (Монтмориллонитового глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. Добавляют водорастворимый полимер, например, ксантановую смолу в количестве 0,15 г (0,15%) перемешивают 30 мин. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 7. Из 93,7 г воды (93,7%) и 6 г глины (6%) (Серпуховского глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. Добавляют водорастворимый полимер, например, ксантановую смолу в количестве 0,3 г (0,3%) перемешивают 30 мин. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 8. Из 93,65 г воды (93,65%) и 6 г глины (6%) (Монтмориллонитового глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. Добавляют водорастворимый полимер, например, карбоксиметилцеллюлозу в количестве 0,2 г (0,2%) перемешивают 30 мин, затем вводят гидролизованный полиакриламид в количестве 0,15 г (0,15%) и перемешивают 15 мин. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
Пример 9. Из 93,6 г воды (93,6%) и 6 г глины (6%) (Монтмориллонитового глинопорошка в расчете на сухой продукт) при перемешивании в течение 1 часа готовят глинистую суспензию. Добавляют водорастворимый полимер, например, полимер полианнионную целлюлозу в количестве 0,4 г (0,4%) перемешивают 30 мин. После чего замеряют все параметры полученной суспензии. Результаты полученных параметров приведены в табл. 2.
-1
-1
Результаты проведенных исследований показали, что значение коэффициента пластичности в границах от 800 с до 2677 с (п. 6-9 табл. 2) обеспечивает прохождение процесса фильтрации в проницаемые каналы грунта с сохранением сплошности структуры бурового раствора и насыщением порового пространства глинистой составляющей с закреплением образцом из мелкого песка. Поддержание высоких значений коэффициента пластичности увеличивает транспортирующую способность потока, а также гидродинамическое давление струй бурового раствора, выходящих из насадок долота, что обеспечивает более эффективное разрушение грунта на забое и рост механической скорости бурения.
-1
При значениях коэффициента пластичности в границах от 333 до 800 с (п. 2-5 табл. 2) фильтрация бурового раствора происходила на не полную длину образца из мелкого песка, образцы при этом обладали малой прочностью.
-1
При значениях коэффициента пластичности 289 с (п. 1 табл. 2) фильтрация бурового раствора в образцы из мелкого песка не происходила, образец был разрушен.