§ 3. ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ И СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ
Увеличение содержания глинистой фазы вызывает повышение вязкости и
структурно-механических показателей бурового раствора. Повышение
реологических характеристик системы бурового раствора ухудшает очистку
забоя от выбуренной породы, повышает гидродинамические сопротивления и
давление в циркуляционной системе скважины, которые снижают проходку на
долото и механическую скорость бурения.
При бурении на больших глубинах горные породы претерпевают механическое,
физико-химическое и гидродинамическое воздействие бурильного инструмента
и бурового раствора. Влияние бурового раствора, в частности его вязкости
и структурно-механических свойств, на процесс бурения горных пород
обусловлено расходом подаваемой на забой жидкости, скоростью ее
истечения из отверстий долота, энергией удара струй жидкости по забою.
Эти факторы влияют на буримость горных пород и технические показатели
глубокого бурения. Особенно это сказывается на буримости пород при
использовании воды (рис. 8) с минимальной вязкостью и отсутствии
структурирующих эффектов и глинистого бурового раствора, обладающего как
вязкостными, так и структурирующими свойствами.
Из этой диаграммы видно, что относительная скорость проходки на долото
при переходе от промывки технической водой к глинистому раствору сильно
снижается у твердых пород (а — известняки, б — песчаники). При бурении в
глинах (е) с промывкой водой существенной разницы почти нет по сравнению
с применением глинистого раствора. Это объясняется тем, что при
разбуривании глин на технической воде происходит ее обогащение глинистой
фазой, образуется естественный глинистый раствор,
и показатели при такой промывке скважины практически не отличаются от
показателей, получаемых с промывкой обычным глинистым раствором. Так,
при обогащении бурового раствора или технической воды глинистой фазой до
плотности 1,15—1,24 г/см3 проходка на долото снижается почти обратно
пропорционально увеличению плотности: увеличение плотности бурового
раствора до 1,5 г/см3 снижает проходку на долото до 70% [70, 95].
На рис. 9 показано влияние вязкости бурового раствора на относительную
скорость бурения, из которого видно, что основное снижение скорости
бурения наступает при увеличении вязкости бурового раствора до 40— 45 сП;
дальнейшее увеличение вязкости существенно не влияет на снижение
скорости бурения [2].
Однако до сих пор существуют противоречивые выводы о влиянии вязкости и
структурно-механических свойств буровых растворов на скорость бурения.
Одни исследователи считают, что вязкость незначительно влияет на
снижение проходки на долото; другие, например Д. Ш. Аккель [21,
показывают, что механическая скорость бурения является функцией вязкости
бурового раствора. Д. Ш. Аккель измерял кинематическую вязкость при
скоростях сдвига, равных скорости истечения бурового раствора из насадок
долота (240 000с-1).
Им было установлено, что для кинематической вязкости такого порядка,
которая возникает при скоростях сдвига 240 000 с-1, механическая
скорость бурения не зависит от содержания в нем твердой фазы. При низких
скоростях сдвига, когда в системе бурового раствора происходят
структурирующие эффекты, вязкостные свойства зависят от гелеобразующих
характеристик раствора, повышающих структурно-механические свойства
системы.
Гелеобразование или загустевание бурового раствора вызывает трудности
при промывке скважин. Повышение вязкости вызывает увеличение давлений
при восстановлении циркуляции бурового раствора в скважине, а также
свабирование и пульсацию гидродинамического давления в затрубном
пространстве при спускоподъемных операциях, замедляет скорость бурения и
ухудшает очистку забоя от выбуренной породы.
С целью уменьшения влияния вязкости на технологические показатели
бурения буровые растворы обрабатывают специальными реагентами —
понизителями вязкости. К таким реагентам следует отнести: УЩР, ТЩР,
лигносульфонаты, хромгуматы, окзил, ПФЛХ, гексаметафосфат натрия, ССБ,
хроматы, хром-лигносульфонаты и др. [44].
Следует отметить, что влияние вязкости и структурно-механических свойств
буровых растворов на буримость и технические показатели бурения изучено
еще слабо. Эти вопросы являются предметом дальнейших реологических
исследований буровых растворов при скоростях сдвига, соответствующих
истечению из насадок долота, течению в затрубном пространстве, которые в
дальнейшем могут быть использованы при составлении оптимальных
гидравлических программ промывки глубоких скважин.