Содержание

Аннотация

     В данной курсовой работе рассказывается об очистном агенте, а именно пене. Дана классификация буровых растворов. Рассмотрены различные методы получения пены, влияние промывочной жидкости на окружающие среды. Приведены примеры применения пены.  Представлена таблица.  

     Annotation.

     In the this course work it is told about the clearing agent, namely foam. Classification of chisel solutions is given. Various methods of definition of reception of foam, influence drilling fluid on environments are considered. The example of application of foam are resulted. The table is presented. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Значительная часть финансируемых разведочных работ, связанных с бурением скважин, проводиться в зонах осадочных комплексов, для которых характерно присутствие зон закарстованных слабо сцементированных и склонных к обрушению пород, поэтому изучение и внедрение промывочных агентов, существенно повышающих производительность работ, остается актуальной задачей и в настоящее время.

     Острая необходимость в повышении производительности труда и снижении стоимости метра бурения привели к появлению и внедрению в практику буровых работ большого количества новых рецептур очистных агентов. Важное место в этом ряду занимают газожидкостные системы, и в том числе пены, получившие широкое распространение, особенно при бурении в сложных геологических условиях.

     Весьма  малая теплоемкость пен делает рациональным их применение с целью предупреждения растепления многолетнемерзлых пород. Это становится тем более важным, если учесть, что более 49% территории страны занимают многолетнемерзлые породы, бурение в которых всегда сопровождается многочисленными осложнениями. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Промывка  скважин

1. Промывка скважин - одна из самых ответственных операций, выполняемых при бурении. Первоначально назначение промывки ограничивалось очисткой забоя от частичек выбуренной породы и их выносом из скважины, а также охлаждением долота. Однако по мере развития бурового дела функции бурового раствора расширились. Теперь сюда входят:
1. вынос частиц выбуренной породы из скважины;
2. передача энергии турбобуру или винтовому двигателю;
3. предупреждение поступления в скважину нефти, газа и воды;
4. удержание частичек разбуренной породы во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции;
5. охлаждение и смазывание трущихся деталей долота;
6. уменьшение трения бурильных труб о стенки скважины;
7. предотвращение обвалов пород со стенок скважины;
8. уменьшение проницаемости стенок скважины, благодаря коркообразованию.

Соответственно  буровые растворы должны удовлетворять ряду требований:

1. выполнять возложенные функции;
2. не оказывать вредного влияния на бурильный инструмент и забойные двигатели (коррозия, абразивный износ и т.д.);
3. легко прокачиваться и очищаться от шлама и газа;
4. быть безопасными для обслуживающего персонала и окружающей среды;
5. быть удобными для приготовления и очистки;
6. быть доступными, недорогими, допускать возможность многократного использования.

2. Классификация буровых растворов

    Буровые растворы делят на типы и группы по составу, свойствам и назначению. По химической природе дисперсионной  среды (основы) выделяют две неравнозначные по объемам применения и назначению группы буровых растворов: системы на водной и неводной основе. К первой группе относятся все основные буровые растворы массового применения, ко второй - системы специального применения, главным образом для вскрытия продуктивных пластов и разбуривания хемогенных и чувствительных к воздействию водной фазы терригенных отложений.

    По  содержанию твердой фазы различают  растворы с низким содержанием твердой  глинистой фазы (обычно до 7 %) и безглинистые растворы, по плотности - утяжеленные (с  добавками специальных порошкообразных  материалов высокой плотности) и облегченные (аэрированные).

    По  характеру воздействия на разбуриваемую  породу различают диспергирующие и  недиспергирующие (ингибирующие) буровые  растворы. В среде первых облегчен распад относительно крупных частиц выбуренной породы или специально введенного в раствор глинистого минерала на более мелкие (коллоидные) частицы. В среде вторых, наоборот, распад крупных частиц на более мелкие затруднен, замедлен или вовсе невозможен.

    Распространен принцип деления буровых растворов  на группы по химической природе основного (главного) реагента или характерной структурной особенности. Например, выделяют полимерглинистые, лигносульфонатные, гуматные, известково-битумные, хлоркалиевые, гидрогелевые растворы и другие.

    Классификация буровых растворов не является строгой и всеобъемлющей. Названия некоторых систем буровых растворов довольно условны и используются по установившейся традиции или по номенклатуре фирм-разработчиков.

3. Требования  к буровым растворам

    Общие требования к буровым растворам  любого типа можно сформулировать кратко.

    А. Буровые растворы должны обеспечивать высокие технико-экономические показатели бурения. Основные условия выполнения этого требования:

    • бурение при максимальной скорости, без аварий и осложнений;

• высокое качество бурения (устойчивость и близкие к номинальным геометрические параметры ствола скважины),
• высокое качество вскрытия продуктивного пласта (сохранение природной проницаемости нефтеносной породы в приствольной зоне).

    Б. Буровые растворы должны быть безопасны  для людей и окружающей природной среды в процессе приготовления, применения и утилизации отходов бурения. Выполнение этого требования - необходимое условие внедрения новых разработок в области технологии буровых растворов.

    Конкретные  требования к технологическим и гигиеническим свойствам буровых растворов, применяемых в тех или иных геолого-технических условиях бурения, определяются проектной документацией на строительство скважины, а также геологическими, географическими и социально-демографическими особенностями региона, в котором осуществляются буровые работы. 

2. Пены

1. Пена

      Пеноцементы, пенополимерные композиции используются для изоляции зон аномально низких пластовых давлений, для цементирования разведочных и эксплуатационных скважин при наличии зон поглощений в затрубном пространстве (в условиях, опасных по гидроразрыву пласта), в мёрзлых породах.

      Пена  – это гетерогенная полидисперсная многокомпонентная и относительно однородная система, состоящая из ячеек - пузырьков газа, разделенных тонкими оболочками (около 1 мкм) жидкости. В пенах дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой – жидкость, содержащая пенообразователи. Пенообразователи - поверхностно-активные вещества (ПАВ), способные резко снижать коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела двух фаз – спирты, жирные кислоты, мыла, белки. Благодаря особой структуре пены обладают механической прочностью, оцениваемой предельным напряжением сдвига. Прочность и устойчивость пен зависит от свойств пленочного каркаса, который определяется природой и концентрацией ПАВ на границе раздела воздух - жидкость.

      Степень адсорбции ПАВ из растворов на поверхности шлама зависит от минералогического состава, концентрации и типа пенообразователя. Концентрация ПАВ в растворе не рекомендуется более 1 %, так как при превышении этого значения возрастает давление и растет эрозия стенок скважины.

      Пенообразующую  способность характеризует кратность  пены – отношение объема пены к  объему раствора ПАВ

      Рецептура пенообразователя, дополнительных реагентов  и их концентрация подбирается для  обеспечения соответствующих структурно-механических свойств пены в зависимости от конкретных условий. Пенообразующий раствор  представляет собой водный раствор сульфонола с концентрацией 0,2-0,5 % по активному веществу, обеспечивающий достаточную стабильность пены при степени аэрации 50-250 для бурения в условиях устойчивого разреза. При появлении в скважине водопритоков с минерализацией до 2,5 г/л концентрация ПАВ увеличивается до 1-1,5 %. В неустойчивых слабосцементированных породах, особенно при забуривании скважины, используется высокостабильная пена на основе раствора ПАВ 0,5-1 % и 4-5 % глинопорошка, обеспечивающая создание на стенках скважины закрепляющей корки даже при наличии водопритоков.

      При бурении в зонах распространения  многолетнемерзлых пород и в  условиях отрицательных температур окружающего воздуха для предотвращения замерзания пены в стволе скважины, пенообразующего раствора в отстойнике за время СПО в раствор вводят до 10 % CaCl₂ или NaCl, одновременно повышая концентрацию ПАВ до 1-1,5 %. Рассолы с более высокой концентрацией обладают размораживающим действием.

      Для повышения стабильности пен в  них добавляют реагенты-стабилизаторы (КМЦ, ПАА, ПВС), увеличивающие вязкость растворителя и способствующие замедлению процесса истечения жидкости из пленок.Из неорганических анионов в наибольшей степени способствуют ценообразованию фосфаты.

      В состав менее устойчивых пен вводят 0,5—10 г/л пенообразующего ПАВ, остальное вода.

      Всесторонне пенную систему можно охарактеризовать следующими основными свойствами:

      1) пенообразующей способностью (вспениваемостью)  — объемом пены (в мл) или высотой ее столба (в мм), который образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение данного времени;

      2) кратностью пены р — отношением объема пены Vn к объему раствора Уж, который требуется для ее образования:

      Р = Vï/Væ;

      3) стабильностью (устойчивостью) пены, временем существования определенного объема пены;

      4) дисперсностью — средним размером пузырьков или распределением пузырьков по размерам;

      5) механическими свойствами  —  относительной плотностью, зависящей от соотношения жидкой и газовой фаз, которая может колебаться от 0,5 р (где р — плотность жидкости) до 0, и прочностью структуры (СНС).

2.2. Основные технологические  функции пены

     Острая  необходимость в повышении производительности труда и снижении стоимости метра  бурения привели к появлению  и внедрению в практику буровых работ большого количества новых рецептур очистных агентов. Важное место в этом ряду занимают газожидкостные системы, и в том числе пены, получившие широкое распространение, особенно при бурении в сложных геологических условиях. Химико-физические свойства пен достаточно давно и детально изучаются специалистами, занимающимися вопросами обогащения полезных ископаемых, и в частности, пенной флотацией. Именно некоторое сходство процесса выноса шлама из скважины с пенной флотацией и позволило успешно применить пену при проходке скважин.

     Весьма  малая теплоемкость пен делает рациональным их применение с целью предупреждения растепления многолетнемерзлых  пород.

     Ограниченный  потребный расход жидкости, не более 0,412 -10³ м³/с (25 л/мин), делает бурение с пеной экономически выгодным при проходке зон водопоглощений и закарстованных пород, при проведении буровых работ в безводных и засушливых районах, а также в условиях Крайнего Севера, в гористой местности и т.д.

     Перечисленные задачи определяют основные технологические функции, которые должен выполнять промывочный агент, и в частности, газожидкостная смесь (пена):

   - обеспечение устойчивости стенок  скважины при прохождении интервалов  слабо сцементированных и разрушенных  пород, а также в условиях  водопритоков и водопоглощения;

   - обеспечение качественной очистки  ствола скважины от выбуренной  породы в условиях как колонкового,  так и бескернового бурения,  в том числе на форсированных  режимах;

   -  обеспечение эффективного охлаждения  породоразрушающего инструмента;

   - обеспечение повышения механической  скорости бурения за счет невысокой  плотности промывочного агента  и проявления эффекта Ребиндера  при использовании ПАВ;

   - обеспечение снижения аварийности  работ за счет повышения работоспособности  бурильного вала, связанной с вибрациями и трением о стенки скважины;

   - обеспечение нерастепления стенок  скважины при работе в условиях  многолетнемерзлых пород;

   - обеспечение экономии промывочной  жидкости;

   - обеспечение экологической безопасности  работ.

     Кольматационные свойства пены, определяющие ее способность укреплять стенки скважины и блокировать поры и трещины, связываются с образованием на стенках скважины тонких пленок, обладающих прочностью и упругостью , а наличие мелких пузырьков воздуха приводит к образованию в трещиноватой породе зоны малой водопроницаемости . Однако, механизм процесса кольматации авторами не раскрывается. Более детально это явление рассмотрено в. Установлено, что в сочетании с соответствующими наполнителями пены представляют собой прекрасный тампо-нажный материал. Это тем более ценно, что на устранение поглощений промывочной жидкости часто затрачивается значительное количество материалов и теряется до 10% рабочего времени .

     Основными факторами, определяющими выносную способность пены, являются ее реологические свойства и скорость восходящего потока. Установлено, что выносные свойства пены в среднем в 10 раз выше, чем у воды. При этом скорость потока обычно значительно ниже, чем при бурении с водой, и может составлять от 0,2 до 3 м/с, обеспечивая при этом полную очистку от шлама. Отмечается, что эффективность выноса обломочного материала не снижалась даже при концентрации шлама до 929 кг/м3.

     Низкая  теплоемкость пены создает определенные сложности при обеспечении достаточного охлаждения породоразрушающего инструмента, и в частности, алмазных коронок. Этот вопрос многократно исследовался применительно к различным условиям бурения и конструкциям коронок. Его решение было обеспечено созданием определенных расчетных характеристик газожидкостной смеси и конструкцией коронок.

     При бурении плановых скважины было установлено, что использование пен существенно  снижает количество аварий, связанных  с обрывами бурильных труб. В настоящее  время считается признанным, что  колонна бурильных труб в скважине имеет сложную пространственную форму и в общем случае в результате взаимодействия со стенками может одновременно вращаться вокруг своей оси и вокруг оси скважины. Трение о стенки скважины вызывает дополнительные вибрации, приводит к увеличению крутящего момента и усилий при подъеме и спуске колонны бурильных труб. В процессе промышленных испытаний было установлено, что поверхностно-активные вещества значительно снижают коэффициент трения в растворах, однако количественная оценка этого показателя зависит от многих причин и разными исследователями трактуется неодинаково. Тем не менее, при проведении промышленных испытаний, несмотря на очень низкую концентрацию ПАВ было подтверждено значительное, в десятки раз, снижение количества обрывов КБТ в условиях различных регионов и различных условий бурения.

     Плотность пен зависит от газосодержания и  может изменяться от 0,9 до 0,02 г/см3, то есть значительно снижать гидростатическое давление на забой. По данным при использовании  пены происходит интенсивная очистка  забоя от шлама гидродинамической  силой потока в сочетании с эффектом флотации.

     Весьма  малая теплоемкость пен делает рациональным их применение с целью предупреждения растепления многолетнемерзлых  пород. Примером может служить разработка американскими учеными технологии проводки скважин на акваториях Северного Ледовитого океана, а также успешное бурение разведочных скважин отечественными учеными и производственниками в зонах многолетнемерзлых пород в Норильском районе и в Якутии. Успешное бурение в условиях многолетнемерзлых пород обеспечивается подбором химреагентов, препятствующих замерзанию пены, а также незначительным количеством воды, входящей в состав газожидкостной смеси.

2.3. Особенности циркуляционных  процессов при  бурении с ГЖС

     Для эффективной очистки скважины в  процессе бурения требуется обеспечить дозированную подачу пены определенной морфологической структуры и химического состава. В этой связи особенно важно установить закономерности движения пены в бурильных трубах и по скважине с тем, чтобы обеспечить оптимальные режимы бурения и очистки от шлама при минимальных затратах мощности насосно-компрессорного оборудования.

     Наиболее  близки к пенам двухфазные системы  типа жидкость-газ, примером которых  могут служить аэрированные жидкости, применяемые при бурении нефтяных и газовых скважин.

     Аэрированная жидкость термодинамически неустойчива, так как обладает значительным запасом свободной поверхностной энергии. Пузырьки воздуха, насыщающие жидкость, имеют тенденцию к коалесценции, поскольку при этом общая свободная поверхностная энергия системы падает. При этом происходит сложное перераспределение давлений в нисходящей струе, где воздух проскальзывает навстречу потоку жидкости, и в восходящей струе, где направления движения пузырьков воздуха и жидкости совпадают.

     Наличие в составе пены поверхностно-активных веществ существенно изменяет ее структурные свойства и гидродинамику  по сравнению с аэрированной жидкостью. Добавление ПАВ снижает скорость проскальзывания воздушных пузырьков, при этом до диаметра 5...7 мм в растворах ПАВ скорость всплывания пропорциональна размерам пузырьков. Как показали исследования, от химического состава ПАВ скорость всплывания почти не зависит, зато изменение вязкости и концентрации раствора оказывает в данном случае большое влияние на поведение газовой фазы. Максимальная скорость всплывания наблюдается в дистиллированной воде, минимальная - в растворе поверхностно-активного вещества с добавками стабилизатора, например, КМЦ.

     В вертикальных потоках установлено  три основных структуры течения  газожидкостных смесей: эмульсионный, пробковый и стержневой (расслоенный). Естественно, что существуют переходные режимы и, соответственно, более дробные классификации. Так, D. Chisholm предлагает для характеристики потоков в вертикальных трубах: пузырьковую, вспененную, снарядную и кольцевую структуры. Во всех этих случаях потоки характеризуются различными относительными скоростями газовой и жидкой фаз и давлениями в трубопроводе.

     В восходящем потоке по мере уменьшения гидростатического давления объем  пузырьков увеличивается и развиваются процессы коалесценции. Средний диаметр пузырьков и общая скорость потока тоже возрастают. В случае низкой вязкости раствора ПАВ, а также чрезмерно низкой концентрации ПАВ, режим течения превращается в пробковый, сопровождаемый значительными колебаниями давления и пульсирующей циркуляцией газожидкостной смеси .

     В нисходящем потоке большую роль начинает играть истинное газосодержание, вязкость раствора и линейная скорость его  движения. В трубопроводах, сопоставимых с бурильными трубами диаметра 50 мм, ламинарное течение жидкости сохраняется до скорости 0,06...0,10 м/с, что соответствует расходу 0,004...0,007 м3/мин. Поскольку скорость всплывания пузырьков в растворе ПАВ составляет в среднем 0,10...0,15 м/с, т.е. практически равна критической скорости течения жидкости, при таком режиме циркуляции активизируются процессы слияния пузырьков с образованием воздушных пробок.

2.4. Способы получения  пен.

      Наиболее  распространен в промышленности диспергационный способ получения  пен, при котором пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха.

      Технологически  это осуществляется действием движущихся устройств (перемешивающих мешалок) на жидкость в атмосфере газа, эжектированием воздуха движущейся струей раствора, пропусканием струи газа через слой жидкости (в барботажных или аэрационных установках).

      При приготовлении и применении пен  необходимо учитывать следующие факторы:

      1) мыла жирных кислот имеют максимальную  пенообразующую способность при рН = 8+9;

      2) алкиларилсульфонаты обладают хорошей пенообразующей способностью при любых значениях рН, кроме рН > 12;

      3) пенообразующая способность ПАВ не изменяется при рН = 3+9;

      4) пенообразующая способность ПАВ увеличивается с повышением температуры до 90 °С;

      5) чем меньше поверхностное натяжение, тем выше пенообразующая 
способность;

      6) соли-жидкости подавляют пенообразование;

      7) полимерные реагенты-стабилизаторы повышают структурно-механические свойства пен.

      Приготовленную  пену нагнетают в скважину до полной очистки ее от глинистого раствора, воды и шлама.

     Для приготовления пены используются последовательно: компрессор, дозатор (один или два) с раствором ПАВ, пенногенератор или компрессор, дожимное устройство (бустер для повышения давления), насос для подачи раствора ПАВ. Иногда пену приготовляют без компрессора непосредственно в скважине. 

     Циркуляционная  система гораздо стабильнее при  использовании пены, чем аэрированного  бурового раствора. Крупный шлам может выноситься из скважины вместе с пеной при низкой скорости в затрубном пространстве. Для пены можно предусмотреть некоторую способность стабилизации сланца с использованием раствора хлорида калия и подходящего пенообразующего средства в составе пенообразующей суспензии. Основная рецептура такой суспензии приведена в Таблице 1. В эту рецептуру можно добавлять многие полимеры, обычно используемые в буровых растворах, что позволяет повышать качество пены.

Таблица 1 Рецептура приготовления стабильной пены для бурения сланца

Вода (пресная), барр. ................................. 0,75

Каустическая  сода, фунты .......................... 0,25

Хлорид натрия, фунты................................. 10,5

AQUAGEL® (предварительно  гидратированный), фунты ........................ 7,5

SURFLOTM S036, % по  объему....................... 1,0

Получается 1 баррель  суспензии.

3. Пеногасители

     Пеногасители - поверхностно-активные вещества, введение которых в буровой раствор препятствует нежелательному образованию пены или разрушает уже образовавшуюся пену. Пеногасители обладают более высокой поверхностной активностью, чем стабилизаторы пены, и поэтому вытесняют их с межфазной поверхности. Но при этом они не способны создать защитный барьер против слияния пузырей, и жидкая прослойка между пузырями легко прорывается. Для снижения ценообразования в буровые растворы часто добавляют технические продукты, содержащие высшие жирные спирты (например, сивушные масла), растворы окисленного парафина или мылонафта в жидком углеводороде, соапсток (отход масложирового производства), жидкие нелетучие сложные и простые эфиры разного состава. Эффективные пеногасители - кремнийорганические соединения (например, полиалкилсилоксановые жидкости в виде эмульсий). Применяют также твердые порошкообразные пеногасители (резиновую или полиэтиленовую крошку, гидрофобизированный кремнезем), обычно в смеси с жидким нефтепродуктом.

     Технология  вызова притока из пласта пенами с  использованием эжекторов состоит в приготовлении с помощью последних, насосного и компрессорного оборудования двухфазных пен, закачивании их в скважину для вытеснения воды и создании необходимой величины депрессии на забое за счет меньшей плотности пены и ее самоизлива. Она имеет свои особенности. Применение эжектора для приготовления пен позволяет использовать в качестве источников сжатого воздуха компрессоры пневматической системы буровых установок при кустовом и разведочном бурении. В качестве источников сжатого воздуха могут быть использованы передвижные компрессоры высокого давления. Применение эжектора при использовании компрессоров высокого давления позволяет упростить управление процессом приготовления и закачивания пены и повысить качество последней. 

4. Вопросы экологической безопасности работ при бурении с пеной

     Экологическая безопасность окружающей среды и  природоохранные мероприятия при  проведении геолого-разведочных работ  в настоящее время являются предметом  повышенного внимания, поскольку  при бурении осуществляется воздействие  непосредственно на природные объекты. В Российской Федерации принята экологическая доктрина, одобренная распоряжением Правительства от 31.08.2002 г. № 1225-р и учитывающая рекомендации Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро,1992 г.), а также последующих международных форумов по вопросам охраны окружающей среды и обеспечения устойчивого развития. Государственная политика Российской Федерации в области экологии направлена на сохранение природных систем, поддержание их целостности и функций для обеспечения экологической безопасности всей страны. Для этого требуется внедрение комплексного природопользования, которое включает, в частности, экологически обоснованные методы использования земельных, водных и минеральных ресурсов и минимизацию наносимого природной среде ущерба при разведке и добыче полезных ископаемых за счет внедрения ресурсосберегающих и безотходных технологий.

     Выходящая из скважины промывочная жидкость при  отсутствии системы отстойников  может загрязнять значительные территории вокруг буровой установки, а также естественные водоемы, нарушая экологическое равновесие. Попадание ПАВ в водоемы особенно нежелательно, поскольку для их окисления расходуется растворенный в воде кислород; некоторые ПАВ уже при концентрации SО₃ кг/м3 снижают на 15% скорость растворения кислорода в воде, а горький привкус в воде появляется при еще более низких концентрациях (0,3...0,4)^-10 кг/м . Рабочая концентрация ПАВ при бурении с пеной составляет 0.1-1% по активному веществу, и при стандартном расходе пенообразователя в пределах 8- 10 л/мин за 1.5 часа работы в скважину закачивается примерно 1 м³ раствора ПАВ. Некоторая часть молекул ПАВ вступает в реакцию с вмещающими породами, но основная масса - в виде десятков кубометров пены выносится на поверхность.