Газожидкостные смеси

К газожидкостным смесям относят аэрированные промывочные жидкости и пены.

Газожидкостные смеси обладают рядом достоинств перед промывочными жидкостями. Основным их отличительным свойством является невысокая вязкость и плотность, способствующая снижению гидростатического давления на забой скважины и повышению механической скорости бурения.

Пена обладает повышенной закупоривающей и несущей способностью (в 7–8 раз выше способности воды), низкой водоотдачей, низкой теплоемкостью и теплопроводностью, высокими антифрикционными свойствами. Пены не загрязняют продуктивные пласты, как другие промывочные растворы.

Кроме того, по сравнению с продувкой скважин отмечается снижение энергии, почти вдвое снижаются эксплуатационные расходы на вращение снаряда. По сравнению с промывкой снижаются затраты на материалы и приготовление очистного агента.

Механическая скорость бурения с применением пены по сравнению с промывкой буровыми растворами в 1,5 раза выше, снижение осложнений и аварий повышает производительность бурения, позволяет упростить конструкцию скважин и сократить расход обсадных труб.

При бурении мерзлых пород большим преимуществом использования пен по сравнению с другими очистными агентами (промывочными жидкостями и воздухом) является отсутствие необходимости охлаждения пен.

В районах вечной мерзлоты температура воды даже в летний период не превышает 6–10 ⁰С и при температуре охлажденного первой ступенью воздуха +30 ⁰С температура пены составляет 8–15 ⁰С. Из-за малых массовых расходов и особых теплофизических свойств пена несет малый запас тепла. Поэтому в скважине она быстро приобретает температуру окружающих пород.

Пена представляет собой дисперсную систему, в которой дисперсионной средой являются пленки воды, а дисперсной фазой – газ, составляющий основную часть объема системы – 99 %. Соотношение фаз в дисперсных системах воздух-жидкость определяется степенью аэрации α, представляющей собой отношение расходов газа У_г и жидкости У_ж при атмосферном давлении, т.е.

.

Дисперсионная система при α ≤ 50 представляет аэрированную жидкость, а при α = 50–350 – пену.

Существуют различные способы получения пены. Наибольшее распространение получил способ, при котором пена получается при помощи компрессора низкого давления и дожимного устройства, смонтированного на буровом насосе.

Бурение с очисткой забоя пеной сочетает преимущества бурения с продувкой воздухом и с промывкой эмульсиями.

Пены применяют при бурении скажин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые. Они широко используются при бурении геологоразведочных скважин в многолетнемерзлых, интенсивно трещинноватых, раздробленных, перемятых, перемежающихся по твердости породах; породах, подверженных эрозийному износу при высоких скоростях восходящего потока жидкости или воздуха; в моренных отложениях; в интервалах поглощения очистного агента; в дренированных зонах разреза; в высокогорных, пустынных, арктических районах с затрудненными условиями обеспечения буровых установок технической водой.

Пену не следует применять при бурении по несцементированным рыхлым породам, в сильно обводненных породах и в высоконапорных пластах, где давление превышает давление столба пены. в Красноярском крае в Норильской комплексной геологоразведочной экспедиции пены нашли широкое распространение в 1987 г. За это время накоплен определенный опыт, позволяющий судить о достоинствах и недостатках данного метода очистки забоя скважин.

К достоинствам, наряду с перечисленными выше, можно отнести следующие:

более высокую, чем при промывке скважин растворами, механическую скорость бурения;

значительное снижение расходов материалов на приготовление очистного агента и, следовательно, снижение общих затрат по скважине;

сокращение затрат времени на предупреждение и ликвидацию поглощений промывочного агента в скважине;

возможность бурения многолетнемерзлых пород без их растепления, вызывающего обрушение скважин.

Недостатком является невозможность обеспечения устойчивости стенок скважины при бурении осадочных пород, склонных к обрушению.

Верхняя часть разреза скважин, бурящихся в Норильском районе, в основном представлена устойчивыми породами эффузивной толщи, изобилующими зонами поглощений промывочной жидкости, поэтому весьма целесообразно развивать и расширять область применения бурения скважин с очисткой забоя пеной.

Начиная с момента внедрения способа бурения с очисткой забоя пеной и до 1987 г. в Норильской КГРЭ наблюдался неуклонный росто бурения этим способом.

Области применения газожидкостных смесей:

– аэроэмульсии: слабоцементированные и водочувствительные глинистые породы; незначительные водопритоки;

– аэрированные жидкости и пены: в горных породах с интенсивностью поглощения до 5 м³/ч рекомендуется применять аэрированные жидкости; до 8–10 м³/ч – пены.

Кроме того, пены рекомендуется применять при бурении по слабоцементированным, высокопористым породам, в безводных и засушливых районах, карстовых зонах, условиях многолетнемерзлых пород и в породах, склонных к набуханию.

Получение пены основано на интенсивном смешивании водного раствора ПАВ-пенообразователя, подающегося от дозирующего насоса или дозатора, и потока свежего воздуха, нагнетаемого компрессором. В настоящее время применяют ряд обвязки устья скважины оборудованием при бурении с пенами, использующимися при определенных условиях. Создание таких схем направлено на получение хороших тхнико-экономических показателей при наиболее простой схеме генерации пены и подачи ее в скважину.. Наиболее рационально использовать их при глубине скважины до 250 м и насосно-компрессорную схему генерации пены при бурении (рис. 7.1, а).

При бурении скважин скважин с пенами такая схема(см. рис. 7.1, б) диктует необходимость использования компрессоров, развивающих большое давление, когда бурение с пенами становится экономически невыгодным. В таких случаях необходимо использовать специальное дожимное устройство для получения и нагнетания пены в скважину при использовании серийных широко распространенных компрессоров низкого давления (0,7 МПа). При бурении с пенами скважин глубиной до 1500 м используют дополнительный дозирующий насос на всасывающей линии.

Состав пен подбирают в зависимости от свойств перебуриваемых пород, а также вида осложнений и может быть рекомендован в соответствии с данными, приведенными в табл. 7.1.

К поверхностно-активным веществам (ПАВ) относят также вещества, которые способны концентрироваться на межфазных границах. Характерным свойством ПАВ является их дифильность, т.е. наличие у каждой молекулы гидрофильных (полярных) и гидрофобных (неполярных) групп. Это значит, гидрофильная часть молекулы ПАВ более активно взаимодействует с молекулами воды, а гидрофобная – с молекулами воздуха, неполярной жидкостью или твердым телом. Это также определяет стремление молекул ПАВ к концентрации на межфазных границах раздела и определенной их ориентации.

В состав молекул ПАВ входят следующие гидрофильные группы:

· гидроксильная – СООН;

· карбоксильная – СООМе, Ме – атом металла;

· сульфатная – SO₄Ме;

· фосфатная – PO₃Me;

· аминогруппа – NH₂;

· окислительная CH₂CH₂O и др.

ПАВ-пенообразователи принято подразделять на типы по характеру их электрической диссоциации в водном растворе.

Рис. 7.1. Схемы обвязки скважины при бурении с пеной:

а – глубиной до 250 м: 1 – компрессор; 2 – эжектор; 3 – устье скважины; 4 – прибор для определения кратности пены; 5 – трехходовой кран; 6 – пеногенератор; 7 – воздухопровод к эжектору; 8 – расходомер воздуха; 9 – кран; 10 – обратные клапаны; 11 – насос; 12 – емкость с раствором ПАВ; 13 – обратные клапаны; 14 – воздухопровод у пеногенератору;

15 - отводной трубопровод.

б – глубиной > 250 м: 1 – скважина; 2 – насос; 3 – компрессор; 4 – дожимное уст-

ройство; 5 – манометр; 6 – прибор определения кратности пены; 7 – расходомер воздуха; 8 - нагнетательный трубопровод; 9 – трехходовой кран; 10 – обратный клапан; 11 – трубопровод к эжектору; 12 – кран распределительный; 13 – дозирующий насос; 14 – емкость с резервуаром ПАВ; 15 – эжектор; 16 – отводной трубопровод.

Наиболее техгнологичны и эффективны в применении для получения ГЖС анионоактивные и неионогенные ПАВ. Группа анионоактивных ПАВ-пенообразователей включает:

· соли жирных, чаще всего карбоновых RCOOMe (где R - углеводородный радикал, Ме – атом металла Ca ²⁺ или Na ⁺);

· соли сульфоновых кислот (RSO₃H) – RSO₃Me (сульфонол).

Таблица 7.1.