Введение. Природный газ, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и азот применяют при поступлении в скважину углеводородов

Природный газ, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и азот применяют при поступлении в скважину углеводородов, когда использование воздуха может способствовать образованию взрывоопасных смесей. Бурение ведут как при прямой, так и при обратной схеме циркуляции, причем в последнем случае циркуляцию можно обеспечить созданием разрежения на устье скважины с помощью вакуум-насосов или вентиляторов высокого давления.

Применение газообразных агентов можно эффективно сочетать с вращательным и ударно-вращательным способами бурения (с пневмоударником), с бурением электробуром и использованием воздушных турбин.

При поступлении в скважину подземных вод и возникновении осложнений применяют туман, представляющий собой смесь газообразной и жидкой фаз в объемном соотношении до 2000. Дисперсионной средой является воздух или газ, а тонкодисперсной фазой – водный раствор поверхностно-активных веществ-пенообразователей. Если породы представлены водочувствительными сланцами, являются хрупкими или набухающими, то вносят ингибирующие добавки и хлорид калия.

Основная область применения тумана в СССР – бурение взрывных скважин на карьерах, разведочных скважин с применением пневмоударников, а также неглубоких инженерно-геологических и сейсморазведочных скважин. При значительных притоках воды в процессе бурения с продувкой поддерживать высокие скорости восходящего потока становится экономически невыгодным, а в ряде случаев невозможным в связи с отсутствием компрессоров среднего давления. В этих условиях применяют пену.

Пена – это дисперсионная смесь воздуха и водного раствора ПАВ-пенообразователя в объемном соотношении 50-300. В этой смеси жидкость является дисперсионной средой (в форме пленок), а воздух – дисперсной фазой. В практике бурения пены используются как самостоятельный очистной агент весьма низкой плотности для очистки скважины от шлама в условиях поглощения, для борьбы с осложнениями, возникающими при бурении с продувкой в условиях водопроявлений, для ремонта эксплуатационных скважин, вскрытия пластов с низким пластовым давлением, бурения в мерзлоте и в качестве изолирующей или буферной жидкости при бурении с двойной колонной бурильных труб в условиях Арктики.

В США пену подразделяют на плотную (загущенную) и стойкую. Плотную пену называют также пеной КАЭ, так как она была разработана в 50-х годах Комиссией по атомной энергетике при бурении скважин на полигоне штата Невада. Плотная пена состоит из воздуха и раствора, приготовленного на основе геля и ПАВ. Она обеспечивает эффективную очистку ствола при диаметре скважин до 5-7 м Расходы воздуха и раствора подлежат тщательнейшей регулировке, чтобы выходящая на поверхность пена имела консистенцию крема для бритья. Пена КАЭ распространения при бурении скважин другого назначения не получила из-за сильной склонности к загрязнению. Стойкая пена аналогична применяющейся в СССР при бурении разведочных скважин. Пены хорошо сочетаются с вращательным способом бурения и электробурами.

Аэрированные жидкости – также смеси, в которых дисперсионная среда представлена жидкостью, а дисперсная фаза – воздухом или другими газами. Объемное соотношение газообразного и жидкого компонентов в аэрированной жидкости обычно поддерживают в пределах 3-50. Аэрированные растворы применяют в бурении для предупреждения или уменьшения потерь очистного агента в поглощающих зонах. Установлено, что при бурении с применением аэрированных жидкостей технико-экономические показатели выше, чем при жидкостной очистке забоя, но ниже, чем при применении газообразных очистных агентов или пен. В настоящее время аэрированные растворы широко применяют в отечественной практике бурения как разведочных, так и эксплуатационных скважин в условиях сильного обводнения, обвалов стенок, поглощения промывочной жидкости.

Наиболее целесообразно применять газообразные и газожидкостные очистные агенты в районах распространения многолетней мерзлоты, в дренированных разрезах, в безводных, пустынных, высокогорных и других районах, где доставка воды сопряжена с большими трудностями и затратами средств.

Бурение скважин с применением газообразных и газожидкостных очистных агентов в благоприятных условиях обладает рядом существенных преимуществ:

1. Механическая скорость бурения увеличивается по сравнению с жидкостной промывкой в 4-5 раз в более твердых и в 2-3 раза в мягких породах вследствие уменьшения гидростатического давления на забой скважины, отсутствия на забое фильтрационной глинистой корки или толстого ламинарного подслоя, которые препятствуют удалению продуктов разрушения породы с забоя.

2. Стойкость породоразрушающего инструмента возрастает в 2-5 раз. При бурении с продувкой воздухом это объясняется отсутствием вторичного измельчения шлама на забое, практически мнгновенно выносимого непосредственно из-под рабочих органов породоразрушающих инструменттов высокотурбулентным потоком газа. В силу весьма малой плотности объемный расход воздуха (газа) при бурении, скорость его движения и турбулентность потока, степень которой определяется параметром Рейнольдса (Re), многократно выше, чем при использовании любой промывочной жидкости.

На кафедре технологии и техники бурения скважин ЛГИ исследовали влияние свойств промывочной среды на стойкость породоразрушающего инструмента. На рис. 6.1 показаны осредненные экспериментальные кривые зависимости массового износа тонкопластинчатых твердоспланых коронок СА диаметром 59 мм от проходки по абразивным блокам при постоянных осевой нагрузке и частоте вращения с использованием различных промывочных агентов, расход которых во всех случаях обеспечивал равную транспортирующую способность в кольцевом канале. При этом средние фактические значения Re на забое составляли: воздух 14150, вода 3948, дизельное топливо 820, глинистый раствор 434. В аналогичной последовательности и близком соотношении распределилась и проходка на коронку.

Наилучшие результаты работоспособности коронки получены при продувке воздухом, наихудшие – при промывке глинистым раствором. Именно при продувке установлены наивысшая скорость бурения и проходка на долото. ВНИИБТ при электрооборудовании с продувкой воздухом достигнута рейсовая проходка свыше 900 м. Есть примеры проходки на долото при бурении с продувкой выше 3000 м. Из практики бурения в США известно, что если на проходку скважины глубиной 3000 м с промывкой глинистым раствором затрачивалось 35 дней, то при использовании газообразных агентов – лишь 2-3 дня. Высокая стойкость долот и коронок при бурении с промывкой пеной объясняется ее высокой смазывающей и охлаждающей способностью.

Рис. 6.1. Зависимости массового износа самозатачивающихся коронок СА диаметром 59 мм от проходки по абразивным блокам при постоянном режиме (Р = 4,5 кН, n = 237 об/мин) и различных промывочных агентах:

1 – воздух; 2 – вода; 3 – дизельное топливо; 4 – глинистый раствор

3. Ликвидируются зависимость буровых работ от источников водоснабжения и затруднения, связанные с организацией водоснабжения в труднодоступных, засушливых и безводных районах, а также в районах Крайнего Севера.

4. Устраняются расходы на приобретение и доставку глины, воды и реагентовдля обработки буровых растворов и затраты времени, труда и средств на их приготовление.

5. Во многих случаях возможна беспрепятственная проходка интервалов полоного поглощения промывочной жидкости. При этом не затрачиваются время и средства на борьбу с поглощениями.

6. Улушаются условия труда буровой бригады, особенно при низких температурах атмосферного воздуха.

7. Упрощаются и облегчаются монтажные работы в результате устранения необходимости рыть отстойники, устраивать желобную систему и т.п. Это преимущество особенно ценно при массовом бурении мелких скважин самоходными буровыми установками.

8. Устраняются набухание, размывание стенок скважин и обвалы в породах, естесственная структура которых нарушается при смачивании водой.

9. Облегчаются гидрогеологические наблюдения в скважинах, обнаружение водо-, нефте- и газоносных горизонтов.

10. Устраняются загрязнение и обводнение призабойной зоны в разведочных и эксплуатационных скважинах, вследствие чего значительно упрощается освоение скважин, увеличиваются дебиты при эксплуатации.

11. Облегчаются спуск и извлечение подсадных труб.

12. Отсутствуют загрязнение, размывание и растворение керна промывочной жидкостью.

13. Обеспечивается опробование по шламу при бескерновом бурении с такой же достоверностью, как в горных выработках. В некоторых случаях получение геологических результатов ускоряется в 10-15 раз.

14. Снимаются проблемы захоронения отработанных буровых растворов.

15. Качество буровых работ в области распространения многолетнемерзлых пород резко возрастает, а процесс бурения облегчается и удешевляется по следующим причинам:

а) увеличивается выход керна в сцементированных льдом породах, обеспечивается получение образцов пород в их естесственном криогенном состоянии без нарушения структуры и загрязнения, что особенно важно при инженерных изысканиях.

б) отсутствует необходимость в сооружении утепленной циркуляционной системы;

в) сокращаются расходы на транспортирование топлива (для снеготаяния), глины, воды и химреагентов.

г) исключаются простои и аварии вследствие замерзания промывочной жидкости на поверхности и в скважине;

д) облегчается конструкция скважин благодаря повышению устойчивости стенок. В большинстве случаев обсадка требуется только для перекрытия верхнего участка наносов с целью установки направления и укрепления герметизирующего устройства.

16. В благоприятных условиях стоимость 1 м проходки снижается, а производительность бурения возрастает, иногда в 2 раза и более.