При бурении скважин в терригенных отложениях на 1000 м проходки
выбуривается от 80 до 150т глинистых пород. Количество выбуренной породы
зависит от диаметра бурящейся скважины и наличия отложений глин в
разбуриваемом разрезе. При бурении в глинистых отложениях только часть
их удаляется с забоя в виде крупного шлама, а остальная
тонкоизмельченная фракция переходит в буровой раствор. Эта фракция под
действием содержащихся в нем химических реагентов, а также гидродинамики
течения в затрубном пространстве дополнительно диспергируется жидкой
фазой раствора до коллоидного состояния или чаще всего до размеров 20—80
мкм и затем переходит во взвешенное состояние, образуя грубую водную
дисперсию глинистой породы в воде.
Темп диспергирования и измельчения выбуренной глинистой породы в
скважине зависит от её природы, минералогического состава, типа долота,
способа и режима бурения, технологии промывки скважины, очистки бурового
раствора и т. д.
Чаще всего естественные глинистые растворы получают при разбуривании
глин на технической воде с добавками в нее каустика, кальцинированной
соды или какого-либо другого реагента-диспер-гатора. Получив устойчивую
глинистую дисперсию, ее обрабатывают защитным реагентом, чаще всего УЩР.
При этом понижается водоотдача естественного глинистого раствора и
улучшаются коллоидные свойства. Если требуется повысить термостойкость,
то такой раствор обрабатывают хромпиком, окзилом, лигносульфа-тами, ФХЛС
и другими реагентами. При этом снижаются реологические и фильтрационные
свойства бурового раствора. Естественным глинистым растворам свойственны
все те недостатки и преимущества, которые присущи обычным глинистым
буровым растворам на водной основе
Большой вклад в создание рецептур и внедрение в практику бурения
естественных буровых растворов внесли С. Н. Ятров, И. Е. Шевалдин, Г. И.
Летуновский, Н. Ф. Семенко и др. [91 ].
Буровые растворы на основе выбуренных глинистых пород представляют собой
многокомпонентные полидисперсные системы, реологические и фильтрационные
свойства которых регулируются реагентами-структурообразователями и
понизителями вязкости. Кинетика образования и качество таких систем
буровых растворов во многом зависят от физико-химических свойств
разбуриваемых глин, их дисперсности, литофильности, активности к
диспергированию в среде водного раствора. Для обработки естественных
буровых растворов широко применяются УЩР, ССБ, КССБ, КМЦ, окисленный
лигнин, окзил, нитролигнин, каустическая и кальцинированная сода,
гексаметафосфат натрия и др.
Однако не вся выбуренная порода переходит в буровой раствор; часть ее
выпадает в осадок в желобной системе, емкостях, отстойниках. Поэтому для
повышения качества такого раствора и улучшения его диспергирования часто
применяют специальные диспергирующие устройства: фрезерно-метательные и
струйные мельницы, струйные дезинтеграторы, гидромешалки и т. д.
Иногда при бурении скважин долотами малого диаметра или колонковыми
снарядами возникают трудности в приготовлении естественных буровых
растворов, вызванные небольшим объемом выбуренной породы, низкими
скоростями бурения при сплошном отборе керна, что препятствует переходу
выбуренной глины в раствор. При использовании алмазных долот,
твердосплавных коронок, измельчающих и истирающих породы, обеспечивается
интенсивный переход глины в раствор, часто не требующий дополнительной
диспергации.
Естественные буровые растворы можно получить и на основе неглинистых
пород, измельченных долотом на забое до тонких фракций. Однако
неглипистые частицы минералов пород имеют изо-диаметрическую форму,
значительно большую по сравнению с глинами прочность, микротвердость и
весьма низкую обменную емкость — порядка от 1,78 до 10,8 мг-экв. Высокая
гидрофобность и слабая гидратируемость затрудняют приготовление таких
буровых растворов непосредственно в скважине. Гидрофильность неглинистых
частиц и кинетическая их устойчивость в водных дисперсиях повышаются
вследствие образования на них адсорбированных слоев ПАВ —
структурообразователей и полимерных коагулянтов, которые обеспечивают
устойчивость твердых частиц в водной среде. Обычно для обработки
неглинистых буровых растворов применяют те же реагенты, что и для
получения растворов из глинистых пород, но расходы этих реагентов
увеличиваются в 2 раза и более.
Для поддержания на необходимом уровне структурно-механических свойств
неглинистые буровые растворы обрабатывают реагентами-коагулянтами, чаще
всего полиэлектролитами (КМЦ, гипаном, метасом, крахмалом, ССБ, КССБ и
др.).
Для структурообразования в неглинистых буровых растворах применяют
каустик, фосфатные соли, карбонат натрия, жидкое стекло, хлористый
кальций, хлорид натрия; в качестве защитных реагентов используют
крахмал, КМЦ, окзил, гипан, метас и другие реагенты. Чтобы обеспечить
длительную структурно-механическую прочность таких растворов и сократить
затраты реагентов на их стабилизацию, добавляют от 2 до 5% бентонитового
глинопорошка. Для повышения кинетической и агрегативной устойчивости
таких систем дисперсий необходимо измельчить частицы до 2—0,5 мкм.
Измельчение частиц неглинистых буровых растворов можно повысить путем их
механического диспергирования во фрезерно-метательных мельницах,
струйных диспергаторах, гидравлических смесителях и т. д.
Естественные буровые растворы широко применяются при бурении скважин в
Волгоградской, Саратовской, Куйбышевской областях, кайнозойских и
мезозойских отложений глин Кубани, Северного Кавказа, Перми, Западной
Сибири и в других районах. Такие растворы просты в приготовлении и
эксплуатации, но они абразивны, и регулировать их свойства сложно.
Разбавление их водой не эффективно и приводит к снижению плотности и
увеличению водоотдачи. Неглинистые разновидности буровых растворов могут
быть получены при бурении в отложениях мела, рыхлых известняков,
мергелей, гипсов и других пород. Для получения иеглинистого раствора
плотностью 1,18 г/см3 необходимо, чтобы в растворе находилось около 300
г/л тонкоизмельченных частиц породы. При наличии большого количества
грубо дисперсных частиц в таких системах растворы становятся
седиментационно неустойчивыми в статических условиях. В связи с этим при
промывке неглинистыми буровыми растворами необходимо перед рейсом долота
тщательно промыть скважину и выровнять показатели вязкости и
структурно-механические свойства бурового раствора.
Добавки бентонита и химических реагентов улучшают
каллои-дально-химическую характеристику растворов. Использование
растворов без добавок бентонита приводили к большим расходам химических
реагентов и удорожанию стоимости промывки на 1 м бурения.
Естественные буровые растворы можно классифицировать по содержанию и
природе их твердой фазы (рис. 47). Различаются глинистые, карбонатные,
мергелисто-меловые, аргиллитовые, алев-ролитовые и солевые естественные
растворы.
По сравнению с глинистыми естественные буровые растворы обладают
следующими преимуществами:
1) при приготовлении естественных буровых растворов сокращаются затраты
времени, рабочей силы и глинопорошков;
2) сходство минералогических составов горных пород
придает растворам высокую коагуляционную устойчивость, повышенную
глиноемкость;
3) стоимость приготовления таких растворов в 2 раза ниже стоимости
растворов, приготовленных на основе глинистых материалов.
К недостаткам таких систем растворов следует отнести следующие:
1) повышение расхода химических реагентов на лиофилизацию частиц и их
лиофобную коагуляцию при структурообразовании и снижение фильтрационных
свойств;
2) высокую абразивность из-за наличия в растворе большого количества
частиц высокой микротвердости, активно изнашивающих бурильный
инструмент;
3) снижение механических скоростей бурения, проходки на долото,
буримости горных пород и преждевременный износ бурового оборудования и
породоразрушающего инструмента вследствие высокого содержания в растворе
твердой фазы;
4) загрязнение забоя шламовым осадком после остановки циркуляции
бурового раствора, в результате необходимо проводить несколько циклов
циркуляции раствора до и после каждого рейса долота до полной очистки
ствола от выбуренной породы;
5) необходимость применения механических и гидравлических устройств для
тонкого диспергирования глинистых и неглинистых частиц выбуренных пород
при приготовлении таких растворов.
Несмотря на указанные недостатки естественные буровые растворы могут
применяться в ряде районов страны.
Например, в Тюменской области (Западная Сибирь) в настоящее время
получены минимальные затраты времени и химических реагентов на
приготовление раствора и промывку скважин по сравнению с другими
районами бурения. Это объясняется широким применением в этом районе
естественных глинистых растворов, получаемых в процессе разбуривания
глинистых отложений.
Абразивность естественных буровых растворов может быть снижена добавками
в раствор 5—6% нефти с 1,5% графита или обработкой раствора специальными
смазочными добавками: смадом, окисленным или сульфированным гудроном и
др.
До вскрытия зон возможных осложнений ствола скважины следует провести
необходимую химическую обработку для получения стабильного и
коллоидального бурового раствора.
Естественный раствор может быть утяжелен до получения плотности 2,2—2,3
г/см3. Утяжеление такого раствора до плотности 1,9 г/см3 протекает без
существенного изменения реологических свойств, что указывает на
повышенную глиноемкость естественных буровых растворов.
При промывке зон поглощений такие растворы могут быть поглощены
трещиноватыми и высокопроницаемыми породами вследствие повышенных
плотностей раствора. Чтобы не допустить поглощения естественного
бурового раствора, необходимо его аэрировать до вскрытия зоны
поглощения, а затем восстановить его первоначальную плотность путем
дегазации.
В случае чрезмерного загустевания раствора от пересыщения твердой фазой
его следует частично разбивать водой или обрабатывать водным раствором
одного из реагентов — понизителей вязкости (окисленным лигнином или
окзилом).
Применение естественных буровых растворов целесообразно, когда разрез
скважины не слишком осложнен обвалами, осыпями или сложен глинами,
период гидратации которых составляет 20—30 сут и более. Интервалы, в
которых создается естественный раствор, желательно перекрывать колонной
до начала наступления осложнений, обусловленных кавернообразованием.