Технология бурения скважин на саморазрушающихся пенах

Технология разведки и разработки полезных ископаемых

УДК 622.276.6

ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН НА САМОРАЗРУШАЮЩИХСЯ ПЕНАХ В.Г. Заливин1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермоннтова, 83.

Приведены результаты исследования технологии бурения скважин с применением "Композита СП". Предложены рациональные концентрации исходных компонентов для получения композиции саморазрушающейся пены.

Библиогр. 3 назв. Ил. 4.

Ключевые слова: установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены; "Композит СП", соотношение его компонентов.

SELF-DESTRUCTIVE FOAM-BASED DRILLING TECHNOLOGY V.G. Zalivin

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

The article introduces the results of researching the well drilling technology using "Composite SP". Rational concentrations of primary components for self-destructing foam composition preparation are proposed.

3 sources. 4 figures.

Key words: installation for circulation and regeneration of self-destructing foam; "Composite SP", its components ratio.

Ранее проведёнными исследованиями [1-3] установлено, что при бурении газожидкостными смесями технологически оправдано и экономически целесообразно применение саморазрушающихся пен.

Основным недостатком применения пен в режиме промывки является их высокая стабильность, что не позволяет осуществить замкнутую циркуляцию очистного агента. Это требует применения дополнительных технических средств и специального оборудования для пеногашения и приводит к необоснованным затратам дорогостоящих реагентов пеногасителей, а также определяет невозможность повторного использования пенообразующего раствора.

В то же время высокая стабильность пен в состоянии покоя при бурении скважин неоправдана. После остановки бурения и подъема колонны бурильных труб в скважине остается пена, содержащая выбуренную породу. Из пены происходит истечение пенообра-зующей жидкости вместе с тонкоиз-мельченной породой. Жидкость или уходит в трещины, или накапливается на забое. Помимо этого в скважину поступает пластовая вода, так что на забой всегда поступает жидкость, независимо от того будет пена разрушаться полностью или нет. Выбуренная порода, содержащаяся в пене, едва ли будет способствовать проявлению осложнений в

:Заливин Владимир Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952) 405278, 89041402749.

Zalivin Vladimir, Candidate of Technical sciences, Associate Professor, tel.: (3952) 405278, 89041402749.

скважине (прихваты снаряда) после полного разрушения пены, так как содержание ее в пене невелико.

Разработанные пенообразующие составы позволяют получить пены с регулируемыми сроками саморазрушения в состоянии покоя после выхода их из скважины, при этом не требуется применения специального оборудования для принудительного разрушения. Композиция, образующая стабильную при циркуляции и легко разрушаемую в статике пену, содержит в своем составе пенообразователь, стабилизатор и деста-билизатор, механизм действия которых зависит от режима течения пены.

Эффективность применения технологии бурения пенами, имеющими регулируемые сроки разрушения, определяется видом и концентрацией:

• полимера,

• пенообразователя,

• химически активных добавок.

Установлено, что период полураспада пен зависит от содержания в растворе соли двухвалентного металла II группы, а с увеличением концентрации соли период полураспада пен уменьшается. Для практических целей при создании пен с регулируемыми сроками разрушения могут быть рекомендованы соли кальция. Стабильность и устойчивость пены в значительной степени определяется содержанием в растворе карбамидной смолы. Как избыток, так и недостаток карбамидной смолы приводит к повышению стабильности пен, и в этом случае введение хлористого кальция или не влияет на период полураспада, или увеличивает его. В качестве по

верхностно-активного вещества - пенообразователя целесообразно применять анионный ПАВ, алкилбензолсульфонат натрия - сульфанол.

В целом регулирование стабильности пены должно осуществляться на создании расклинивающего давления, путем регулирования скорости истечения межплёночной жидкости (регулирование времени истечения 50% пено-образующей жидкости), что связано с понижением эластичности плёнок пузырьков пены.

С увеличением содержания хлорида кальция в растворе уменьшаются период полураспада и кратность пены, а стабильность и устойчивость пены в значительной степени определяются содержанием в растворе карбамидной смолы. По периоду полураспада целесообразны для условий геологоразведочного бурения пены, имеющие этот показатель в пределах 120-1200 с. По этому показателю целесообразно определять область содержания хлорида кальция для саморазрушаемых пен: 0,3-0,4 г/л или 0,51,5 мас.%.

Исследования показали, что при получении быстроразрушающихся пен должно соблюдаться строгое соотношение компонентов, что практически трудно сделать в условиях буровой. Проблема решается путем приготовления композиции, содержащей все три компонента в оптимальном соотношении.

На рис. 1-3 отображены рациональные концентрации исходных компонентов для получения композиции, назовём её "Композит СП" (компози-

Рис. 1. Зависимость изменения кратности пены от концентрации пенообразователя

Рис. 2. Зависимость времени истечения 50% пенообразующей жидкости от содержания карбамидной смолы

Концентрация хлорида кальция, мае. % Рис. 3. Зависимость времени жизни пены от концентрации хлорида кальция

ция саморазрушающихся пен).

На рис. 1 представлена зависимость изменения кратности пены от концентрации пенообразователя (в мас.%).

На рис. 2 представлена зависимость времени истечения 50% пенообра-зующей жидкости (в секундах) от содержания карбамидной смолы (в мас.%). На рис. 3 представлена зависимость времени жизни пены (в секундах) от концентрации хлорида кальция (в мас.%).

Из приведённых графиков следует, что оптимальные концентрации в % для сульфонола находятся в пределах 2,53,0; карбамидной смолы - 6,25-7,0; хлорида кальция - 0,5-1,5.

Экспериментально найдено оптимальное соотношение компонентов в композиции (массовое отношение: суль-фанол - смола КФ-Ж = 1:2,5). Установлено изменение параметров пен в зависимости от содержания хлорида кальция, при этом за базовую пенообразующую композицию взят состав (мас.%): карбамидная смола - 6,25 и сульфанол - 2,5.

На рис. 4 схематически представлена установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены, поясняющая схему обвязки устья скважины при получении пены с регулируемыми сроками разрушения и создании замкнутого цикла циркуляции. Установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены содержит циркуляционную

Рис. 4. Схема установки для получения саморазрушающихся пен

систему, состоящую из узла генерации пены и подачи её в колонну бурильных труб 7, устьевого герметизатора 11, же-лобной системы 12, блока разрушения пены, выполненного в виде отстойника 13, и возвратной линии деструктуриро-ванной пены, состоящей из возвратного трубопровода 15 и центробежного насоса 14. Причем для уменьшения скорости потока шламовой пены в отстойнике 13 выполнены вертикальные перегородки (на чертеже не показаны) высотой, обеспечивающей свободное её перетекание, например, в пределах от высоты отстойника 1/3-2/3. Узел генерации пены состоит из зумпфа 1, всасывающего трубопровода 3, бурового насоса 2, компрес-сорно-дожимного устройства 5 и компрессора 8. Устройство работает следующим образом. В зумпфе 1 приготавливается водный раствор композиции са-

моразрушающейся пены, состоящей из расчётных количеств карбамидной смолы, пенообразователя (сульфанола) и хлорида кальция. Буровой насос 2 через всасывающий трубопровод 3 подаёт приготовленный водный раствор в блок компрессорно-дожимного устройства 5. Компрессорно-дожимное устройство (КДУ - это система клапанов, регулирующих заданную подачу компонентов композиции), которое перемешивает и нагнетает в скважину воздух от компрессора 8 и сульфанол (ПАВ) от дозировочного насоса, смонтировано в нагнетательной линии бурового насоса. Буровая установка 6 направляет полученную пену внутрь колонны бурильных труб 7, компоненты пенообразующей композиции в процессе нагнетания интенсивно перемешиваются и получается ячеистая, структурированная, стабиль-

ная пена. Выходя из-под породоразру-шающего инструмента 9, пена омывает забой, обогащается шламом выбуренных пород и по затрубному пространству 10 нагнетается к устью скважины, где установлен устьевой герметизатор 11. Попадая в желобную систему 12 и далее в отстойник 13, пена замедляет движение и в течение, по крайней мере, трёх минут деструктурируется, то есть разрушается. При этом происходит интенсивное схло-пывание пузырьков и разрушение ячеек пены. Далее центробежный насос 14 подаёт деструктурированную пену (пено-образующую жидкость) по возвратному трубопроводу 15 в зумпф 1. Затем буровой насос подаёт полученную после де-структуризации пенообразующую жидкость в компрессорно-дожимное устройство 5, где при включённом компрессоре 8 и подаче воздуха происходит их перемешивание и вновь образование структурированной пены. Циркуляционный цикл замкнулся.

Технология бурения на пенах с регулируемыми сроками разрушения применима при бурении геологоразведочных скважин, многолетнемёрзлых пород, зон с аномально низким пластовым давлением. При этом в процессе циркуляции пены ведут себя так же, как обычные стабильные пены, получаемые традиционными способами,

и не подвергаются в скважине значительному разрушению под воздействием изменяющихся условий бурения, но при выходе из скважины в состоянии покоя саморазрушаются, а при дальнейшем нагнетании вновь образуют в циркуляционной системе стабильную газожидкостную смесь.

Библиографический список

1. Заливин В.Г. Анализ теоретических представлений о механизме устойчивости пен, применяемых в процессе бурения и сооружения скважин // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2007. №1, т. 1. С. 79-85.

2. Заливин В.Г., Сапожников Ю.М. Влияние солей металлов на технологические параметры стабилизированных карбамидной смолой пен // Известия СО Секции наук о Земле РАЕН. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. №2 (39). С. 177188.

3. Заливин В.Г. Пенообразующие составы для получения пен с регулируемыми сроками разрушения // Известия СО Секции наук о Земле РАЕН. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. №2 (41). С. 126-132.

Рецензент кандидат технических наук, доцент Иркутского государственного технического университета А.И. Ламбин