Промывка и продувка скважин: схемы, жидкости, методы

Промывка (продувка) скважин в процессе бурения является необходимой операцией, которая предусматривает непрерывную циркуляцию промывочной среды в скважине для выполнения следующих задач:
1) очистки забоя от разрушенной породы и выноса продуктов разрушения (шлама) на поверхность;
2) охлаждения породоразрушающего инструмента;
3) закрепления стенок скважины при проходке слабо связных, рыхлых пород;
4) предупреждения возможности прорыва пластовых вод в скважину в процессе бурения.

Кроме перечисленного имеется еще ряд требований, которым должны удовлетворять организация промывки и качество промывочного агента в конкретных условиях, определяемых глубиной скважины, характером пересекаемых пород, используемым буровым инструментом, геологическими задачами и др.

Существуют четыре схемы циркуляции промывочной среды: прямая, обратная, комбинированная и призабойная (местная).

При прямой циркуляции промывочная среда принудительно (с помощью насоса) подается с поверхности по колонне бурильных труб к забою, а затем поднимается по кольцевому пространству между стенками скважины и бурильными трубами, вынося на поверхность шлам. Прямая циркуляция легко осуществима и поэтому пользуется наиболее широким распространением.

При обратной циркуляции промывочная среда нагнетается к забою скважины по кольцевому каналу и поднимается на поверхность вместе со шламом по колонне бурильных труб. При использовании этой схемы устье скважины должно быть герметизировано. При бурении по трещиноватым и поверхностным породам, где происходит большая потеря промывочной среды, обратная циркуляция неприменима.

При использовании жидких промывочных сред осуществляется замкнутая циркуляция: буровой раствор и другие промывочные жидкости после выхода из скважины очищаются в системе желобов и отстойников и вновь насосами подаются к забою.

При любой схеме циркуляции возможны потери промывочной среды вследствие поглощения ее породами. Потеря может быть частичной, полной и катастрофической. В первом случае на поверхность выходит меньшее количество жидкости, чем подается в скважину, во втором — жидкость вообще не выходит на поверхность. Катастрофическая потеря происходит при внезапном попадании скважины в крупные полости (трещины, каверны и др.), что обычно сопровождается прихватом снаряда, обрушением стенок скважины и другими осложнениями.

При продувке скважин циркуляция незамкнута: воздух после пылеулавливания выходит в атмосферу, а если для продувки используется природный газ, то после выхода из скважины он сжигается.

Комбинированная схема циркуляции осуществляется путем нагнетания с поверхности по колонне бурильных труб жидкой или газообразной среды как при прямой циркуляции. Однако в призабойной части создается местная, обычно обратная циркуляция, что достигается применением специальных снарядов (пакерных, эрлифтных и др.) или использованием погружных насосов различного типа.

Призабойная местная циркуляция используется при безнасосном бурении, когда имеющаяся в скважине подземная вода или вода, добавляемая в нее в результате специального режима бурения (“расхаживания” бурового снаряда — подъем и опускание его) или применения погружных (чаще эрлифтных) насосов, осуществляет все основные функции промывки, не поступая на поверхность. Шлам при этом скапливается в колонковой трубе.

В зависимости от конкретных условий, в первую очередь от свойств буримых пород в качестве промывочной среды используют капельные жидкости (техническая вода, солевые растворы, жидкие углеводороды), структурные жидкости (глинистые, неглинистые, шламовые растворы, эмульсии), газы и газожидкостные двухфазные смеси (рис. 10).

Рис. 10. Классификация видов очистных агентов

При бурении скважин в устойчивых породах можно использовать техническую воду как пресную, так и минерализованную, в том числе морскую. Повсеместному использованию воды препятствуют свойственные ей недостатки: высокая фильтрационная способность; активное размывающее и растворяющее действие; отсутствие способности удерживать шлам при прекращении циркуляции; воздействие на породы, приводящее к их разбуханию, обрушениям; замерзание при отрицательной температуре и др.

Глинистые растворы широко используются при бурении, особенно в малоустойчивых породах. Помимо очистки забоя и охлаждения инструмента они обеспечивают:
1) закрепление стенок скважины в результате образования тонкой глинистой корки;
2) предупреждение оседания шлама на забой при прекращении циркуляции из-за быстрого превращения раствора в гель (застудневания);
3) устранение потерь циркуляции в пористых и трещиноватых породах.

Перечисленные свойства объясняются тем, что глинистый раствор представляет собой коллоидно-дисперсную систему. Для приготовления глинистых растворов используют природные глины, наилучшими из которых являются бентонитовые глины, состоящие в основном из монтмориллонита. Качество глинистых растворов определяется явлениями, происходящими на границе раздела частиц глинистых минералов с водой. Эти частицы окружены гидратной оболочкой, препятствующей слипанию их между собой. Однако на острых гранях и углах частиц оболочка утоняется, силы отталкивания ослабевают, и частицы могут слипаться между собой, вызывая коагуляцию. Различают гидрофобную, необратимую коагуляцию, когда частицы полностью лишены защитных оболочек, и гидрофильную, когда частицы образуют пространственную решетку (каркас), пронизывающую весь объем. Вода закупоривается в отдельных ячейках, раствор теряет подвижность, превращается в гель. Это обратимое явление называется структурообразованием, или тиксотропией.

Свойства глинистых растворов можно регулировать, воздействуя на них различными реагентами. В этих целях используются электролиты, защитные коллоиды и поверхностно-активные вещества. Электролиты изменяют кислотность-щелочность среды, воздействуют на ионные оболочки, окружающие глинистые частицы, изменяя их толщину, заряд, и таким образом влияют на коллоидные свойства системы. Защитные коллоиды и поверхностно-активные вещества способствуют созданию на поверхности частиц защитного слоя вследствие адсорбции содержащихся в них веществ; растворы приобретают большую устойчивость и плотность.

Глинистые растворы приготавливают на пресной и минерализованной воде. В ряде случаев для предупреждения обвалов стенок скважины при проходке ее в неустойчивых породах используют утяжеленные глинистые растворы с удельной массой более 1,3-1,35; это достигается добавлением утяжелителей — тонко размолотых порошков барита или гематита. Для приготовления глинистых растворов обычно используют глиномешалки.

Широко используются для промывки скважин шламовые буровые растворы, образующиеся в процессе бурения вследствие измельчения и перемешивания с водой частиц проходимых скважиной пород. При бурении глин, известняков, аргиллитов, сульфатных отложений образуются естественные растворы, качества которых можно улучшить добавлением в них поверхностноактивных веществ, повышающими стабильность и способность к структурообразованию.

При бурении скважин в соленосных отложениях для предотвращения кавернообразования и растворения керна для промывки используют солевые растворы, приготовленные растворением в пресной технической воде NaCl, СаСl₂ или других солей. При проходке пластов солей применяют насыщенные растворы — рассолы. Солевые рассолы благодаря низкой отрицательной температуре замерзания используют также при бурении скважин в многолетнемерзлых породах. Одной из разновидностей солевых растворов является солегель, получаемый воздействием щелочи и силикатов на рассолы кальция и магния, что приводит к образованию лучистых микрокристаллов и аморфных тел, придающих этому раствору структурные свойства.

При бурении в мерзлых породах и сплошных льдах применяются для промывки жидкие углеводороды — керосин и беспарафинное дизельное топливо. Эти жидкости используются так же, как промывочные агенты-хладоносителй при бурении во влагонасыщенных и неустойчивых породах с одновременным их замораживанием: они охлаждаются на поверхности сухой углекислотой до температур -35 - -40°С и подаются насосом к забою скважины, обеспечивая замораживание забоя, стенок и керна.

При алмазном бурении широко применяются специальные эмульсионные промывочные жидкости, которые помимо выполнения основных функций промывки обладают повышенными смазочными и антивибрационными свойствами и активно воздействуют на процесс разрушения горных пород. Эти жидкости приготовляются из товарных продуктов нефтеперерабатывающей, химической и лесотехнической промышленности.

В практике геологоразведочного бурения используются также полимерные промывочные жидкости, Иногда содержащие бентонит. Полимерные растворы обладают повышенной вязкостью, способностью образовывать прочные изолирующие пленки на поверхностях стенок скважин и бурильных труб. По своим техническим свойствам они превосходят воду и глинистые растворы: повышают устойчивость стеной скважин, обеспечивают смазочный аффект, исключают прихваты бурового снаряда при длительных остановках бурения и т. д.

В сложных геологических и климатических условиях применяется бурение с продувкой скважин сжатым воздухом. Наиболее эффективен этот метод при бурении в. льдистых, мерзлых породах, которые при промывке водой оттаивают, оползают; в неустойчивых породах, способных к набуханию и обваливанию при обработке их промывочной жидкостью; а также при бурении в высокогорных и пустынных районах, где имеются трудности с водоснабжением.

Воздух как агент для очистки скважин обладает рядом достоинств. В любом месте он имеется в неограниченных количествах, характеризуется весьма малой вязкостью и плотностью, легко сжимается, имеет низкую теплоемкость и теплопроводность. Эти особенности позволяют получить высокие скорости воздушного потока в затрубном пространстве с высокой турбулентностью, что обеспечивает полноту удаления разбуренной породы. Кроме того, отсутствие столба жидкости в скважине создает благоприятные условия для работы породоразрушающего инструмента и получения керна.

Источником сжатого воздуха служат компрессоры. При работе в многолетнемерзлых породах сжатый воздух перед подачей в скважину охлаждается до -5 - -10°С. Устье скважины оборудуется герметизирующим устройством; для избежание загрязнения атмосферы вредными пылевыми выбросами устанавливают шламоуловители циклонного типа, отделяющие шлам от потока воздуха и собирающие его.

В ряде случаев для повышения эффективности процесса бурения, для предупреждения осложнений, а также при наличии водопритока в скважине в поток воздуха добавляют пенообразователи, поверхностно-активные вещества.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.