Полимерные промывочные жидкости для бурения скважин в глиносодержащих породах в условиях минерализации и электроосмоса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.14, кандидат технических наук Степанов, Константин Викторович

• Степанов, Константин Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанов, Константин Викторович

Введение

Глава 1. Анализ существующих технологий бурения в глиносодержащих горных породах.

1.1 Анализ осложнений, возникающих при бурении скважин в глиносодержащих породах.

1.2 Виды промывочных жидкостей для бурения в глинистых породах.

1.3 Особенности технологии бурения в глиносодержащих породах.

1.4 Влияние электроосмотического перетока на устойчивость глиносодержащих горных пород.

1.5 Влияние показателя фильтрации буровых растворов на устойчивость глиносодержащих горных пород.

1.6 Набухание глинистых пород в среде различных видов промывочных жидкостей.

1.7 Выводы и задачи исследований.

Глава 2. Методика исследований

2.1 Анализ литологического разреза по скважинам водозаборного узла.

2.2 Методика исследований электроосмотического перетока в глиносодержащих породах

2.3 Методика исследований набухающей способности глиносодержащих пород.

Глава 3. Теоретические исследования перетока водной фазы промывочных жидкостей в глиносодержащих горных породах

3.1. Взаимодействие полимерных добавок с глинистой породой и их перспективные виды

3.2. Теоретические вопросы формирования электроосмотического перетока в глиносодержащих породах

3.3 Механизм формирования полупроницаемой мембраны в условиях электроосмотического перетока

3.4 Взаимодействие водной фазы промывочной жидкости с глиносодержащей горной породой

Глава 4. Экспериментальные исследования электроосмотического перетока, набухания глиносодержащих пород и мембранообразующей способности полимерных промывочных жидкостей

4.1 Исследования технологических свойств полимерных промывочных жидкостей в условиях минерализации

4.2 Моделирование электроосмотического перетока водной фазы полимерных промывочных жидкостей

4.3 Исследования набухания и мембранообразующей способности глин в среде полимерных промывочных жидкостей в условиях электроосмоса

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Полимерные промывочные жидкости для бурения скважин в глиносодержащих породах в условиях минерализации и электроосмоса»

При бурении скважин в глиносодержащих горных породах возникает ряд осложнений, которые значительно снижают эффективность буровых работ. К таким осложнениям относятся обвалы, осыпи, сужение ствола скважин, сальники, налипание глиносодержащей породы на буровой инструмент и т.п. Эти осложнения связаны с воздействием водной фазы промывочных жидкостей на глинистые минералы, являющиеся цементирующим материалом глиносодержащих пород и глинистых отложений.

Глиносодержащие породы при контакте с фильтратами промывочных жидкостей на водной основе набухают и самопроизвольно диспергируются за счёт их увлажнения.

Причинами потери устойчивости стенок скважин, сложенных глиносодержащими горными породами, являются:

- избыточное боковое давление под воздействием геостатического давления вышезалегающих горных пород;

- фильтрация водной фазы промывочных жидкостей под воздействием гидростатического давления;

- электроосмотический переток водной фазы промывочных жидкостей.

Как показывают расчёты по определению величины бокового давления условие превышения гидростатического давления над боковым сохраняется на значительных глубинах и этот фактор нет необходимости учитывать особенно при увеличении степени уплотнения глин при росте глубины скважины.

Для снижения влияния второй причины необходимо использовать обработку промывочных жидкостей полимерными реагентами с целью снижения показателя фильтрации. Однако, как показывает опыт бурения, снижение показателя фильтрации даже до нулевого значения не гарантирует исключение проникновения фильтрата в глиносодержащие горные породы и его воздействие на глинистые минералы. Причиной этого является электроосмотический переток водной фазы промывочных жидкостей под воздействием электрического потенциала между средой в скважине и глиносодержащими обводненными глинами в её стенках.

Бурение гидрогеологических и водозаборных скважин осуществляется в геологических разрезах, в которых от 20 до 45-55% залегают глиносодержащие горные породы. Поэтому наиболее частые осложнения связаны с потерей устойчивости ствола скважины. Эта проблема решается за счёт использования глинистых растворов, применение которых требует дополнительных материальных затрат и оборудования. Кроме того, их использование диктует необходимость применения другой промывочной жидкости для вскрытия водоносных горизонтов с целью исключения их кольматации глинистыми частицами.

Проблема, связанная с бурением скважин в глиносодержащих породах, решалась с различной степенью детальности, с тех пор, как только начинались внедрятся эффективные вращательные способы бурения с применением промывочных жидкостей. Первые исследования в этом направлении принадлежат А. Хегману и Д. Полларду (1914г.). Значительные исследования выполнены B.C. Фёдоровым начиная с 1933г., которые позволили объяснить механизм обвалов в скважинах глинистых пород природой и свойствами самих глин, а так же проникновением в них водной фазы промывочных жидкостей [23]. Были получены результаты, которые позволяли утверждать, что основным фактором потери устойчивости глин в стенках скважины следует считать взаимодействие глины с водой, приводящее к набуханию, намоканию этих глин в пристенной части скважин. Следовательно, этот этап исследований завершался рекомендациями по снижению показателя фильтрации промывочных жидкостей. Однако, ограниченный перечень химических реагентов-регуляторов водоотдачи не позволил внедрить в практику буровых работ эффективные методы регулирования водоотдачи и снижения количества фильтрата, поступающего в глинистые отложения в процессе бурения.

Это отразилось в дальнейшем на внедрении неэффективных методов повышения устойчивости стенок скважин за счёт утяжеления промывочных жидкостей.

И только получившее начало в 50-ых годах физико-химическое направление, которое предложил Динник А.Н., обосновавший необходимость проведения таких исследований, позволило получить результаты по увеличению устойчивости глиносодержащих пород за счёт воздействия химическими реагентами, содержащимися в промывочной жидкости на глинистые породы в стенках скважины, находящиеся в напряжённом состоянии [23].

Необходимость и правомочность таких исследований в 70-х годах подтвердили Байдюк Б.В. и Шрейнер JI.A., которые предложили рассматривать физико-химические процессы на контакте глинистая порода - водная фаза буровых растворов. В дальнейшем эти исследования проводились и рассматривались с позиций адсорбционных, осмотических и других физико-химических процессов, которые позволяли раскрыть механизм гидратации глинистых минералов и выработать рекомендации по повышению устойчивости ствола скважины при бурении в глиносодержащих породах.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Степанов, Константин Викторович

1.7. Выводы и задачи исследований.

В результате анализа существующих рекомендаций по выбору промывочных жидкостей и технологии бурения в глиносодержащих породах были сделаны следующие выводы:

1. Наиболее частыми осложнениями при бурении скважин в глиносодержащих горных породах являются обвалы и осыпание стенок скважин.

2. Основной причиной таких осложнений является гидратация и увлажнение глинистых минералов, входящих в глиносодержащие породы, которые под воздействием водной фазы промывочных жидкостей набухают, увеличиваются в объёме, распускаются и теряют связность.

3. Для исключения осложнений, связанных с потерей устойчивости стенок скважин, многие исследователи рекомендуют применять ингибированные промывочные жидкости, в составе которых в качестве ингибирующих добавок используются электролиты. Однако использование ингибирующих добавок не устраняет полностью гидратацию и разупрочнение глиносодержащих горных пород, что является результатом избыточного значения показателя фильтрации промывочных жидкостей.

4. Для существенного снижения показателя фильтрации промывочных жидкостей многие исследователи рекомендуют применять химические реагенты органического происхождения и полимерные добавки.

5. Многие исследователи отмечают, что снижение показателя фильтрации даже до нулевого значения не может исключить поступление водной фазы промывочной жидкости в глиносодержащие горные породы, что обусловливает их гидратацию и разупрочнение в стенках скважин.

6. Причиной гидратации и разупрочнения глиносодержащих горных пород при бурении является электроосмотический переток в них водной фазы промывочных жидкостей, что обусловливает потерю устойчивости стенок скважины.

7. Полученные закономерности электроосмотического перетока водной фазы промывочных жидкостей обусловливают рекомендации по его устранению, которые предусматривают использование электролитов и полимерных добавок в составе промывочных жидкостей. Однако, в своей большей части, эти рекомендации не содержат конкретные данные по составу промывочных жидкостей для исключения электроосмотического перетока в конкретных разновидностях глиносодержащих пород.

Исходя из сделанных выводов нами были сформулированные следующие задачи исследований:

1. Проанализировать условия бурения и оборудования водозаборных скважин для Черноголовского водного узла, выделить в геологическом разрезе наиболее типичные глиносодержащие горные породы и сопоставить эти условия с применяемой технологией бурения.

2. Исследовать гидрохимический состав подземных вод водозаборного узла, которые будут составлять гидратационную и поровую жидкость исследуемых глин.

3. Проанализировать применяемые для регулирования свойств промывочных жидкостей существующие современные виды полимерных добавок и выбрать из них наиболее перспективные.

4. Исследовать влияние добавок полимерных реагентов на технологические свойства промывочных жидкостей в условиях естественной минерализации пластовых вод и выбрать их рациональные концентрации для получения технологически достаточных параметров таких жидкостей.

5. Провести теоретическое обоснование и разработать механизм взаимодействия молекул полимерных реагентов с частицами глиносодержащих минералов в присутствии молекул воды (водной фазы промывочных жидкостей), разработать рецептуру полимерных промывочных жидкостей и предложить методику оценки их технологических свойств для бурения в конкретных условиях.

6. Выполнить исследования свойств полимерных промывочных жидкостей на предмет получения закономерностей электроосмотического перетока водной фазы промывочных жидкостей в глинах типичного состава и минерализации подземной воды, на основе которой будут приготовляться эти жидкости.

7. Провести теоретические исследования электроосмотического перетока водной фазы промывочных жидкостей и установить основные параметры, обусловливающих интенсивность этого перетока.

8. Разработать конструкцию экспериментальной модельной установки электроосмотического перетока, выбрать и обосновать её основные параметры, обусловливающие возможность получения закономерностей течения водной фазы в условиях, моделирующих реальные.

9. Разработать и уточнить основные положения механизма мембранообразования при использовании в составе промывочных жидкостей полимерных реагентов и его влияния на регулирование скорости электроосмотического перетока водной фазы промывочных жидкостей.

10. Исследовать набухающую способность глин в среде полимерных промывочных жидкостей с учётом закономерностей электроосмотического перетока водной фазы и уточнить их рецептуры, исключающие электроосмотический переток и набухание глиносодержащих горных пород.

11. Разработать рекомендации по использованию технологических отходов подготовки подземной воды для получения полимерных промывочных жидкостей при бурении в глиносодержащих горных породах.

Глава 2. Методика исследований

2.1 Анализ литологического разреза по скважинам водозаборного узла.

При бурении скважин на воду наибольшую трудность представляют глиносодержащие отложения, которые под воздействием ряда факторов могут обрушаться, загрязнять приемную часть водозаборной скважины, усложнять процесс цементирования обсадных колонн, а также усиливать коррозионный износ обсадной колонны при эксплуатации водоносного горизонта. Основными причинами потери устойчивости стенок скважины в глинистых горных породах являются:

- геостатическое давление вышезалегающих горных пород, создающие боковое давление;

- избыточный фильтрат промывочной жидкости, обусловливающий размокание и набухание глиносодержащих пород;

- электроосмотический переток фильтрата-растворителя в глинистый пласт с последующим его размоканием и увеличением в объеме.

Анализ литологического разреза по скважинам №1,2,3 показывает, что начиная с глубины 26-27м основную массу составляют известняки, переслаивающиеся с глинами. В таких породах обрушение стенок, сложенных глинистыми породами за счет избыточного бокового давления можно исключить.

Геофизические исследования по скважинам №1,2,3 показали, что глиносодержащие горные породы залегают в интервалах: 17,2-21,4; 27,0-38,0; 42,4-46,1; 53,1-54,4; 64,7-73,5; 88,4-89,8; 89,8-101,6 м.

Исключение вредного действия фильтрата промывочной жидкости на устойчивость этих отложений можно получить за счет введения в их состав современных полимерных реагентов, обусловливающих стабилизацию глинистых минералов за счет существенного снижения показателя фильтрации и обволакивающего действия молекул полимера относительно глинистых частиц.

Однако, даже существенное снижение показателя фильтрации (меньше 8 см за 30 мин) может не привести к положительному действию по закреплению стенок в глинистых породах, если в системе скважина-глинистый пласт возникает электроосмотический переток фильтрата-растворителя (пресной воды) в глинистые отложения с последующим их набуханием и обрушением стенок. Это явление оказывает вредные воздействия как при перебуривании глин, так и при эксплуатации водоносных горизонтов, когда движущаяся по эксплуатационной колонне вода из водоносного горизонта вызывает возникновение электрического поля между глинистым пластом и поверхностью обсадной колонны, что приводит к усилению коррозии обсадной колонны и обогащению катионами железа пластовой жидкости. Следовательно, использование промывочной жидкости в процессе бурения должно снижать насыщение глинистого пласа фильтратом, уменьшать электростатический потенциала пласта, что положительно скажется на уменьшении коррозии обсадных колонн при эксплуатации водоносных горизонтов.

С этой целью нами проведены исследования по подбору и обоснованию перспективных видов полимерных реагентов, их влиянию на свойства промывочных жидкостей, приготовляемых на воде различной минерализации, а также решению экологически важной задачи по использованию концентрата пластовой воды после ее обработки на установке «Осмос».

Для приготовления малоглинистого полимерного раствора использовалась пластовая вода из скважин, состав которой представлен в табл. 2.1., а также концентрат (рассол) после обработки его с помощью установки «Осмос». Свойства и состав рассола приводятся ниже (данные на 15.03.2005г).

Состав рассола:

• рН-8,01

• общая жесткость -19мг экв/л

• железо - 0,08 мг/л

• окисляемость - 2,5

• кальций - 270 мг/л

• магний - 70 мг/л

• гидрокарбонаты -13 00 мг/л

• сульфаты - 43 мг/л

• медь<0,05 мг/л

• нитраты - 0,3 мг/л

• нитриты<0,01 мг/л

• фосфаты - 0,5 мг/л

• аммоний - 0,08 мг/л

• хлориды - нет реактивов

• марганец<0,02

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Степанов, Константин Викторович, 2007 год

1. Аветисян Н.Г., Шеметов В.Ю. и др. Определение необходимой степени минерализации бурового раствора при бурении в неустойчивых породах - РНТС Бурение. -М.ВННИИОЭНТ, 1979 г. Вып. 4

2. Агабальянц Э.Г. Промывочные жидкости для осожненнных условий бурения. М, Недра, 1982 г.

3. Адельсон И.В. Исследование мембранообразующей способности промывочных жидкостей для бурения в неустойчивых глинистых породах. Бурение и испытание поисковых и разведочных скважин. М., ВНИГНИ, вып. 238,1982 г.

4. Белоусова А.П. Комплексная оценка гидрогеохимического состояния подземных вод с помощью индикаторов и индексов, характеризующих устойчивость к загрязнению. Изв. ВУЗов, №5,2001г.

5. Белорусов В.О. Технология борьбы с осложнениями при бурении скважин. М. Недра, 1967 г.

6. Бочевер Ф.М. и др. Защита подземных вод от загрязнения. Недра, М., 1979г.

7. Быстров М.М., Мавмотов М.Р. и др. Буровые растворы для проводки скважин в неустойчивых породах прикоспийского нефтегазового региона. Сб. Техн. и технол. геологоразв. работ, выпуск 6, ВИЭМС, М., 1988 г.

8. Булатов А.И., Аветисов В.Г. Справочник инженера по бурению. T.l, М., недра, 1985 г.

9. Войтенко B.C. Управление горным давлением при бурении скважин. Недра, М., 1985г.

10. Гаврилко В.М., Алексеев B.C. Фильтры буровых скважин. М., Недра, 1985г.

11. Гольдпггейн М.Н. Механические свойства грунтов. Т.1 и 2. М. стройиздат, 1971 г.

12. Григорьев О.Н. Электрокинетические явления. 1973 г.

13. Городнов В.Д., Тесленко В.Н. и др. Исследование глин и новые рецептуры глинистых растворов. Недра, М., 1975 г.

14. Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. Недра, М., 1984 г.

15. Дж. Р. Грей, Г.С.Г. Дарли Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей). М., Недра, 1985 г.

16. Духин С.С. Электропроводность и электрические свойства дисперсныхсистем. Киев, 1975 г.

17. Духин С.С, Дерягин Б.В. Электофорез, М, 1976 г.

18. Дедусенко Г.Я. и др. Буровые растворы с малым содержанием твёрдой фазы. Недра, М., 1985 г.

19. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в осложненныхусловиях. Недра, М. 1987 г.

20. Липкес М.И. и др. Высокомолекулярные сополимеры априлового ряда в качестве реагентов для буровых растворов. Уфа. 1983 г.

21. Лиманов Е.Л. и др. О стабилизации буровых растворов. Алма Ата, 1985 г.

22. Лимащева О.А. Многомерный графоаналитический анализ гидрогеологического режима родниковых вод Москвы. Изв. ВУЗов, геология и разведка, №6,2002г.

23. Михеев В.Л. Технологические свойства буровых растворов. Недра, М, 1979 г.

24. Мирзаджанидзе А.Х., Ентов В.М., Гидродинамика в бурении. Недра, М., 1985г.

25. Маккрек А.У., Коле Ф.У. Технология бурения нефтяных скважин. Гостоптехиздат, М., 1963 г.

26. Новиков B.C. Критерии ингибирующих свойств бурового раствора. Нефтяное хозяйство, №6,1999 г.

27. Овчинников А.М. Гидрогеохимия. Недра, М., 1970г.

28. Овчаренко Ф.Д., Круглицкий Н.Н. и др. Термоустойчивые промывочные жидкости на основе палигорскита. М., Недра, 1970 г.

29. Пеньков А.И. Буровые растворы для проводки скважин в сложных условиях. РНТС бурение. М., Вып.7, 1983 г.

30. Серяков А.С. Электрическая природа прихватов и борьба с ними при бурении скважин Сб. техно и технол. геологоразв. работ. Обзор, ВИЭМС, М, 1981 г.

31. Сеид-Рза М.К. и др. Устойчивость стенок скважин. М., Недра, 1981 г.

32. Степанов Н.В. Моделирование и прогноз осложнений при бурении скважин. М., Недра, 1989 г.

33. Сутягин В.В. Снижение проницаемости межпластовой изоляции в скважине.1. Недра, М., 1989г.

34. Уляшева Н.И. Полимерные буровые растворы. (Промывка и крепление скважин). Уфа, 1984 г.

35. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления вдисперсных системах. «Химия», М., 1989 г.

36. Хаиров Г.Б. Экологически безопасная технология строительства глубоких разведочных скважин. ВНИИОЭНГ, М., 1996 г.

37. Хасаев P.M., Халилова Р.А.Осмотическое давление на стенках бурящейся скважины. Нефтяное хозяйство, №11,1971 г.

38. Шаламов И.В., Мухин JI.K. и др. Получение малоглинистых буровых растворов с заданными характеристиками по их электрофизическим свойствам. Техника. Обзор, ВИЭМС, М., 1986 г.

39. Язиков Е.Г. и др. Индикаторная роль солевых образований при геохимическом мониторинге. Изв. ВУЗов, геология и разведка, №1,2004г.

40. Яковлев A.M., Береснева Д.И. Бурение скважин в глинистых породах. Техника и технология геологоразведочных работ. Обзорная информация. Выпуск 12. ВЭМС. 1989 г.