Разработка составов и регулирование свойств промывочных жидкостей для бурения геологоразведочных скважин в слабосвязных породах

Блинов, Павел Александрович

Автореферат диссертации по теме "Разработка составов и регулирование свойств промывочных жидкостей для бурения геологоразведочных скважин в слабосвязных породах"

" ' 1 На правахрукопйси

БЛИНОВ Павел Александрович

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН В СЛАБОСВЯЗНЫХ ПОРОДАХ

Специальность 25.00.14 - Технология и техника

геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В.Плеханова (технического университета).

Научный руководитель -доктор технических наук

Ведущая организация - ООО "Геоизол".

Защита диссертации состоится 27 ноября 2003 г. в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 23 октября 2003 г.

Юрий Аркадьевич Нифонтов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юрий Михайлович Парийский,

кандидат технических наук

Виталий Сергеевич Прокопенко

диссертационного совета д.т.н., профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

2гъо5-А " 17

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Результаты бурения геологоразведочных скважин и, как следствие, динамика прироста запасов полезных ископаемых, во многом зависят от эффективности проходки бурением интервалов скважин, представленных толщей слабосвязных и несвязных горных пород.

При бурении геологоразведочных скважин традиционными способами в слабосвязных и несвязных породах, представленных песками, валунно-галечными и моренными отложениями происходит сужение и обрушение ствола скважины, что приводит к прихватам бурового инструмента, перебурке уже пройденных интервалов и обуславливает усложнение конструкций скважин, увеличение металлоемкости за счет постановки дополнительных обсадных колонн и удорожание процесса бурения.

В настоящее время эта проблема решается либо путем создания технических средств и технологий бурения с одновременным креплением ствола скважины колонной обсадных труб, либо за счет разработки специальных составов промывочной жидкости, способной за счет своих крепящих свойств удерживать ствол скважины в устойчивом состоянии. Применение специальных составов промывочных жидкостей является неотъемлемой частью первого способа и по экономическим и технологическим параметрам более выгодно.

Исследованием проблемы беструбного крепления скважин при проходке неустойчивых интервалов скважин в разное время занимались следующие ученые и специалисты в области бурения: A.M. Яковлев, Б.Б. Кудряшов, JI.K. Горшков, B.C. Литвиненко, Н.И. Николаев, A.M. Жуков, A.C. Коржуев, В.А. Никишин, Н.К. Липатов, Л.А. Терещенко, В.Г. Поротов, Э.А. Бочко, Л.М. Ивачев, А.П. Руденко, М.К. Раскопин, М. Роберте, М.У. Шаусманов, Ю.А. Нифонтов, Н.И. Герасименко, С.Н. Смагин и др.

Таким образом, в интервалах залегания слабосвязных и несвязных горных пород особую актуальность приобретает решение проблемы их проходки без дополнительного крепления обсадными трубами.

Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что исследования выполнялись в соответствии с планом НИР кафедры технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института, выполняемых за счет госбюджетных ассигнований.

Целью работы является повышение эффективности проходки толщи слбосвязных горных пород при бурении геологоразведочных скважин.

Идея работы заключается в создании условий для формирования зоны консолидации в толще несвязных горных пород приствольной зоны геологоразведочной скважины за счет проникающего и структурообразующего воздействия адгезивов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

• Изучение механических свойств несвязных пород, влияющих на устойчивость ствола скважины;

• Разработка и обоснование экспресс-метода, позволяющего определять крепящие свойства промывочной жидкости по величине относительной продольной деформации;

• Исследование механических свойств несвязных пород, обработанных промывочной жидкостью;

• Исследование механизма структурообразования толщи несвязных горных пород в приствольной зоне геологоразведочной скважины при проникающем воздействии промывочных жидкостей, обогащенных адгезивами;

• Определение параметров промывочной жидкости, влияющих на механические свойства несвязных пород.

Методика исследований включает в себя комплекс теоретических, экспериментальных и стендовых исследований с использованием как стандартных, так и специально созданных методик, приборов и установок. Планирование экспериментов и статистическая их обработка проводилась с использованием ПК с помощью современного программного обеспечения.

Основные научные результаты, полученные лично автором:

• анализ современного состояния проблемы бурения толщи несвязных горных пород, позволивший сформулировать цель и задачи исследований;

• методика исследований крепящих свойств промывочных жидкостей;

•результаты исследований механизма структурообразования консолидированных массивов в толще несвязных горных пород приствольной зоны геологоразведочной скважины;

•экспресс-методика определения крепящих свойств промывочных жидкостей;

• установление закономерности проникновения различных типов промывочной жидкости в приствольной зоне толщи несвязных горных пород;

• разработка оптимальной рецептуры промывочной жидкости для проходки толщи несвязных горных пород.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерности консолидирующего воздействия промывочной жидкости на состояние стенок ствола скважины и механизма структурообразования консолидированных массивов в толще несвязных горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяются современным уровнем теоретических и экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и многократной воспроизводимостью полученных данных при последующих исследованиях.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы в виде экспресс-методики и макета прибора для экспресс-исследований крепящих свойств промывочных жидкостей, которые могут быть рекомендованы для практического использования в производственных геологических предприятиях, ведущих буровые работы. Результаты исследований используются при чтении лекций и при проведении лабораторных занятий для студентов специальностей 080700 и 090800 по дисциплинам "Буровые промывочные и тампонажные растворы", "Бурение нефтяных и газовых скважин", "Бурение скважин на нефть и газ", "Заканчивание скважин",

"Осложнения и аварии при бурении". Материалы исследований использованы при подготовке учебного пособия "Буровые промывочные жидкости".

Практическая значимость работы.

1. Разработка экспресс-метода для определения крепящих свойств промывочных жидкостей;

2. Создание оригинальной конструкции стенда для визуального наблюдения и оценки результатов экспериментов;

3. Разработка рекомендаций по применению ОТП при бурении несвязных пород.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) 2001, 2002 и 2003 гг.; международной конференции Streszczenia referatow XIV miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna, Zakopane (Польша), 2003 г.; на заседаниях кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в т.ч. одно учебное пособие.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 59 наименований. Материал диссертации изложен на 140 страницах машинописного текста, включает 30 таблиц, 25 рисунков и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определены цель, задачи, идея работы, основные защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен обзор современного состояния проблемы бурения геологоразведочных скважин в интервалах залегания несвязных пород.

Во второй главе диссертации изложена методика исследований, включающая теоретические и экспериментальные исследования, планирование экспериментов и статистическую обработку результатов.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований крепящих свойств промывочных жидкостей и механизма структурообразования консолидированной толщи несвязных горных пород в приствольной зоне скважины в результате проникающего воздействия промывочных жидкостей, обогащенных адге-зивами.

В четвертой главе приведены результаты разработки оптимальной рецептуры промывочной жидкости для бурения толщи несвязных горных пород, а также рекомендации по выбору промывочных жидкостей для бурения несвязных пород.

Основные выводы и рекомендации отражают обобщенные результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Структурообразующие процессы закрепления слабосвязных горных пород методом холодной битумизации сопровождаются возникновением новообразований, представленных первичными и вторичными субстрат-связующими комплексами, прочностные показатели которых зависят от физико-химических свойств субстрата (зерен горных пород), типа адгезивов и условий их применения.

Упрочнение слабосвязных горных пород в процессе бурения представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия разобщенных твердых частиц. Возникновение новообразований происходит за счет непосредственных контактов частиц между собой или через прослойки воды и адгезивов при прокачивании последних в системе скважина - массив горных пород. Механизм структурообразования, во многом, зависит от условий контактирования твердых частиц, покрытых клеевой пленкой, в период проходки пород бурением.

Процесс структурообразования в этом случае следует рассматривать как склеивание адгезивами разобщенных твердых материалов. Система горная порода - промывочная жидкость является дисперсной системой, где дисперсионная среда - промывочная жид-

кость, обогащенная адгезивом, а дисперсная фаза - зерна (частицы) горной породы. Для нее характерны специфические процессы взаимного расположения и взаимосвязи отдельных элементов, которые могут быть объяснены с позиций явлений адгезии, аутогезии и коге-зии. Образование структуры в такой дисперсной системе происходит в виде следующих стадий: проникновение адгезива в составе промывочной жидкости в толщу горных пород; их адсорбирование на поверхности твердых частиц с перекрытием свободного порового пространства и созданием связей в системе субстрат - адгезив; набор пластической прочности клеевой прослойки и, соответственно, системы горная порода - промывочная жидкость (субстрат - адгезив). Каждому этапу структурообразования присущи свои специфические особенности и характерные требования.

Общая картина механизма структурообразования в толще слабосвязных горных пород следующая. Процессы адгезионного взаимодействия твердых частиц с адгезивом (омыленным таловым пеком - ОТП) приводят к интенсивному их прилипанию (табл. 1). В результате в адгезиве (ОТП) происходят значительные структурно-химические изменения. В клеевой пленке появляются два слоя: адсорбционный, вязкость, плотность и прочность которого убывают по мере удаления от твердой поверхности, и объемный, который по своим свойствам не отличается от исходного адгезива. Дальнейшие процессы структурообразования обусловлены аутогезией. Для нее характерно - прилипание контактирующих пленок связующего. В поровое пространство в процессе бурения проникают все новые и новые порции промывочной жидкости, содержащей ОТП, что приводит к постепенному наращиванию толщины клеевых пленок на частицах горных пород. За счет этого на поверхности частиц наблюдается процесс возникновения коалесценции пленок адгезива (ОТП).

Таблица 1

Определение коэффициента липкости_

Состав бурового раствора Коэффициент липкости, Кл

1 мин 10 мин 30 мин

10 % глины 0,38 0,47 0,71

10 % глины, 2 % ОТП 0,54 0,78 0,94

Промывочная жидкость, адсорбирующая на поверхность по-рового пространства ОТП, продвигается вглубь толщи пород, удаляясь от приствольной зоны скважины (рис. 1, табл. 2). Несмотря на непрерывное наращивание адсорбционных слоев ОТП на поверхности порового пространства, обеспечить равномерное покрытие клеевой пленкой каждое твердое зерно невозможно. Поэтому, в период взаимодействия субстрата (зерен породы) и адгезива (ОТП), происходит определенная коалесценция твердых зерен вокруг тонкодисперсных частиц ОТП. Образуются малопрочные субстрат-связующие комплексы (ССК) (рис. 2).

а б в

Рис. 1. Проникновение окрашенных растворов: а - вода; б - глинистый раствор; в - глинистый раствор с добавкой ОТП

Таблица 2

Сравнение глубин проникновения в породу воды, глины и ОТП

Раствор Глубина проникновения, м -10"3

Максимальная Минимальная Средняя

Вода 20 300 250

10 % глинистый раствор 0 20 10

10% глинистый раствор с добавкой ОТП 2% 30 300 200

Рис. 2. Первичные структурные элементы системы субстрат - связующий комплекс различных видов: 1-3 - первый, второй, третий типы; 4 - отдельные зерна, покрытые адгезивом

С повышением вязкости дисперсной системы субстрат-связующие комплексы и отдельные зерна, покрытые ОТП, контактируют между собой, в результате образуются более крупные объединения - вторичные ассоциаты. (рис. 3). Взаимодействие внутри ассоциатов происходит за счет аутогезион-ных связей. В начальный момент контакты идут по объемным слоям. В дальнейшем усиливаются диффузионные процессы. На прочность аутогезии влияют связи, возникшие за счет механического застревания молекул связующего, переходящих из одного слоя в другой. В зависимости от эффекта наполнения ССК и обволакивания отдельных зерен адгезивом внутри вторичных ассоциатов создается различная энергия аутогезии. Если преобладают ССК и круп-

Рис. 3. Вторичные ассоциаты

ные зерна с большим содержанием объемного слоя адгезива то образуются очень большие ассоциаты или их целый массив (рис. 2). Поверхность их покрывается пленкой высоковязкого и липкого клея. Вновь образованные структуры (массивы) низкопрочны и легко слипаются. При повышении вязкости аутогезионная связь между сильно структурированными оболочками ССК может вообще не возникнуть. В этом случае агрегированию будут подвергнуты лишь первичные образования. Для их уплотнения потребуются дополнительные большие усилия, которые сложно создать в скважинных условиях. Возникнут чрезмерно высокие упругие деформации, которые ослабят структурный каркас новообразований. Максимальная аутогезия достигается, когда во вторичных ассоциатах преобладают ССК третьего типа. Для этих ассоциатов характерно образование прочно упакованных структур с минимальным упругим последействием.

Массивы отвечают максимальным значениям прочности и сдвиговым деформациям.

Образования таких массивов обусловлено наличием бокового давления, давлением потоков промывочной жидкости, расклинивающих усилий, адсорбирующихся на поверхности зерен породы адгезивов и давления вышележащих горных пород, которые создают плотную упаковку отдельных зерен, субстрат - связующих комплексов и вторичных ассоциатов. В элементарном объеме такого массива давление уплотнения вызывает контактирование по адсорбционным слоям клеевой пленки и высокое внутреннее трение всей системы. Отдельные стадии уплотнения системы показаны на рис. 4. В момент соприкосновения разобщенных вторичных ассоциатов связь

Рис. 4. Отдельные стадии уплотнения системы при структурообразовании: а - начальная стадия структурообразования; б - контактирование по адсорбционным слоям пленки адгезива; в - конечная фаза структурообразования

между ними осуществляется исключительно за счет аутогезионных контактов по объемному слою адгезива. Расстояние между вторичными ассоциатами превышает сумму толщины структурированных оболочек адгезива. Сила сцепления внутри такой рыхлой и вязкой системы мала (рис. 4а). Под действием сил гравитации и давления потоков промывочной жидкости начинается процесс аутогезионного упрочения системы. Адгезив начинает течь, и самодиффузия приобретает направленный характер. Уплотняющие усилия обеспечивают начало сближения твердых зерен и ССК до соприкосновения адсорбционных слоев адгезива (рис. 46). Объемный слой адгезива под действием деформационных напряжений сравнительно легко начинает переходить в пустоты структурного каркаса. Это способствует дополнительному упрочению структуры. Дальнейшее нарастание давления приводит к сближению твердых зерен и ССК на расстояние, меньшее суммы толщин адсорбционных слоев (рис. 4в). В результате аутогезия образовавшейся новой структуры приближается к когезии адсорбционных структурированных оболочек. Равенство аутогезии и когезии достигается, когда клеевые прослойки близки к толщине одного граничного слоя. К этому времени происходит предельное заполнение пустот объемным адгезивом, играющим роль упругого демпфера.

В процессе структурообразования важным фактором, повышающим общую прочность системы, является интенсивное внутреннее трение зерен горных пород. Усиление контактов за счет трения выступающих граней частиц служит источником дополнительной энергии повышения плотности упаковки зерен в системе. Мак-

симальная прочность возникающих новообразований достигается при отсутствии динамических нагрузок на стенки скважины, то есть в период подготовки к креплению скважины, либо в период простоев. Когезия адгезивов в этот период приобретает максимальные значения.

2. Крепящие свойства промывочных жидкостей, используемых при бурении геологоразведочных скважин в интервалах залегания несвязных пород, могут быть выражены величиной относительной продольной деформации (е — Ак/Н) образцов горной породы и достоверно определяются экспресс-методом непосредственно на буровой.

При выборе рецептуры промывочной жидкости необходимо определять свойства бурового раствора, оказывающие наибольшее влияние на устойчивость ствола скважины.

Зависимость устойчивости стенок скважин от технологических свойств промывочной жидкости может быть установлена путем исследования прочностных характеристик пород, обработанных буровым раствором: напряжения сдвига и пластической прочности.

Исследование и подбор промывочных жидкостей для бурения слабосвязных пород при помощи стандартных методов может вестись в лабораторных условиях, занимает достаточно много времени и требует специальной инженерной подготовки персонала. Для оперативного определения прочностных свойств промывочной жидкости, непосредственно на буровой, разработана экспресс-методика, которая заключается в определении продольной деформации цилиндрического образца породы, обработанного буровым раствором.

Принята следующая методика определения (рис. 5): в полый металлический цилиндр 1, диаметром 5-10"2м и высотой Н-0,12 м, помещается приготовленная порода; цилиндр медленно поднимается; образцы породы деформируются под действием собственного веса (рис.6); высота оседания породы /г измеряется при помощи тонкого стеклянного щупа; вычисляется величина относительной продольной деформации 8= АМН, где А1г =#-//.

В качестве исследуемой породы брался среднезернистый кварцево-полевошпатовый песок 10 % влажности. Образцы породы обрабатывались буровым раствором по методу смешения. Плот-

ность образцов доводилась до 3000 кг/м3. В качестве промывочной жидкости использовались глинистые растворы на основе бентонитового глинопорошка Черкасского карьера. Концентрации буровых растворов составляли 5,1, 10 и 15 %. В раствор вводились добавки кальцинированной соды в объеме 0,3 % от общей массы для снижения жесткости водопроводной воды путем нейтрализации ионов Са++ и М§++.

На основании проведенных исследований были получены следующие зависимости продольной деформации образцов несвязной породы, обработанной буровым раствором.

Зависимость содержания глины в буровом растворе от продольной деформации имеет не линейный характер (рис.7). При увеличении содержания глины в растворе от 0 до 10 % наблюдалось уменьшение продольной деформации, после которого ее значения стабилизировались. Значение продольной деформации образца породы, при содержании 10% глины в буровом растворе, составляет 0,2.

Для проверки достоверности результатов исследований полученных экспресс-методом, были проведены сравнительные испытания образцов стан-

Рис.5. Схема экспресс - метода для определения крепящих свойств: 1 — полый металлический цилиндр; 2 - подставка; 3 - стекло

Рис.6. Образцы, получаемые при помощи экспресс - метода

дартными методами, а именно по методу Ребиндера-Винарского и сдвиговом приборе.

Известно, что пределу пластичности соответствуют вполне определенные величины предельной прочности пород, выявляемые методом пенетрации. При этом для оценки результатов пенетраци-онных испытаний применятся величина пластической прочности Рт (условное предельное сопротивление сдвигу), Па:

-в, (О

Рт= Ка

где Ка - коэффициент, зависящий от угла конуса; б мой системы, Н; И - глубина погружения конуса, м.

вес погружае-

0

10

- С, %

15

Рис.7. Зависимость продольной деформации е от концентрации глины (С)

в буровом растворе

В качестве наконечника использовался металлический конус с углом при вершине 45° (Ка=0,656). Испытания проводились при нескольких значениях веса погружаемой системы (4, 6, 9, И и 14Н).

Результаты обработки экспериментальных данных показывают, что с увеличением содержания глинопорошка в растворе до 10 % происходит интенсивный рост пластической прочности образцов (рис.8). Пластическая прочность образцов при обработке 10 % глинистым раствором возрастает на 56% по отношению исходному образцу.

Для описания прочностных характеристик несвязных пород используется теория Мора-Кулона:

тпР + (2)

где тпр - предельное напряжение сдвига; с - удельное сцепление; о„ - нормальное к площадке скольжения напряжение; ф - угол внутреннего трения грунта.

Рт, х103 Па

Рис.8. Зависимость пластической прочности образцов породы от концентрации глины (С) в промывочной жидкости

Характер изменения предельного напряжения сдвига исследовался на срезном приборе конструкции "Гидропроекта" по ГОСТ 12248-66. Определение угла внутреннего трения и сцепления породы производились при пяти удельных вертикальных уплотняющих нагрузках(5,0-104; 1,0-105; 1,5-105; 2,0-Ю5; 2,5-105 и 3,0-105 Н/м2).

Исследования показали, что повышение напряжения сдвига образцов породы, при обработке их глинистым буровым раствором, связано, в основном, с повышением угла внутреннего трения (рис. 9). Величина сцепления при этом слабо выражена. С увеличением содержания глинопорошка в растворе угол внутреннего трения образцов возрастает. Наибольшая интенсивность роста, как и при исследованиях пластической прочности, наблюдается при содержании глины до 10 % (рис.8).

О 5 10 15

Рис. 9. Зависимость угла внутреннего трения образцов породы от концентрации глины (С) в буровом растворе

Сопоставление результатов исследований представленных на рис. 7, 8 и 9 показывает, что изменение прочностных свойств пород в зависимости от концентрации глины в буровом растворе имеет идентичный характер в диапазоне от 0 до 15%. Это, в свою очередь, свидетельствует о возможности оценки крепящих свойств растворов по разработанной экспресс - методике.

3. При бурении несвязных горных пород временная устойчивость ствола скважины может быть обеспечена за счет использования в качестве промывочной жидкости глинобитумных растворов на основе омыленного талового пека (ОТП).

При бурении геологоразведочных скважин в несвязных породах требуется временная устойчивость их стенок, необходимая для обеспечения максимально возможной углубки скважины и ее последующего закрепления обсадными трубами. Такая устойчивость обеспечивается применением высококачественных промывочных жидкостей. Одним из способов улучшения качества буровых растворов является их обработка битумными эмульсиями. При взаимодействии таких систем с грунтами, на поверхности частиц, в результате сорбционных реакций, возникают битумные пленки, обуслав-

ливающие формирование в породе эластичных водоустойчивых структурных связей.

В качестве битумной эмульсии, использовались буровые растворы с концентрацией омыленного талового пека (ОТП) 1, 2, 3 и 4%.

Результаты этих исследований показывают, что влияние содержания ОТП на прочностные характеристики пород были исследованы вышеизложенными методами.

Добавка в глинистый раствор 2 % ОТП приводит к меньшим значениям продольной деформации, возрастание которой происходит до 10 % содержания глины в растворе (рис.10).

е

Рис.10. Зависимость продольной деформации от концентрации глины в буровом растворе с добавкой 2 % ОТП

Кроме того, выявлено, что с увеличением содержания ОТП в растворе увеличивается пластическая прочность испытуемого образца (рис.11). Интенсивный рост наблюдается в интервале от 0 до 2 % содержания в растворе ОТП. Пластическая прочность образцов обработанных глинистым раствором с добавкой ОТП выше, чем безглинистых растворов ОТП. Тем не менее, упрочнение образцов про-

исходит и при использовании безглинистого бурового раствора, но в существенно меньшей степени.

Рт, х103 Па

Содержание ОТП, %

Рис. 11. Зависимость пластической прочности песка от содержания ОТП в промывочной жидкости: 1 - 10% глинистый раствор с добавкой ОТП;

2 - безглинистый раствор ОТП

Пластическая прочность образцов при обработке 10% глинистым раствором возрастает на 56% по отношению исходному образцу, а тем же раствором с добавкой ОТП 2 % на 93 %.

При использовании 10% глинистого бурового раствора угол внутреннего трения возрастает с 33 до 40°, а с добавкой 2 % ОТП -до 47° (рис. 12).

Применением в качестве промывочной жидкости глинобитум-ных растворов на основе ОТП при бурении несвязных пород обеспечивает устойчивость стенок скважины на более длительный срок, чем при брении с глинистым раствором без добавок ОТП.

С целью проверки полученных данных в условиях скважины был разработан экспериментальный стенд (рис. 13), который состоит из:

- модели несвязных пород, представляющей собой короб из оргстекла высотой и длиной 1 м, шириной - 0,5 м, заполненный

!

Рис.12. Зависимость угла внутреннего трения от концентрации глины в промывочной жидкости: 1 - глинистый раствор с добавкой ОТП - 2%;

2 - глинистый раствор без ОТП

среднезернистым песком;

- бурового снаряда диаметром 2-10'2 м с наконечником диаметром 3,8-10"2 м;

- регулируемой системы подачи бурового раствора;

- бурового станка СКБ-4.

Было пробурено девять скважин с постоянной механической скоростью 8,3-10° м/с, частотой вращения 2,583 с"1 (155 об/мин)и подачей бурового раствора 2,5-Ю-4 м3/с (15 л/мин).

Промыва скважины осуществлялась 10 % глинистым раствором, 10 % глинистым раствором с добавкой 2 % ОТП и водой. Для визуальной оценки результатов бурения, буровой раствор окрашивался анилиновыми красителями.

После окончания бурения ствол скважины заполнялся цементным раствором (часть скважин - сразу после бурения, часть -через сутки).

После окончания опытов модель разбиралась, определялся радиус проникновения фильтрата бурового раствора и геометрические размеры ствола (по застывшим цементным кернам).

Рис. 13. Схема экспериментального стенда: 1 - сальник; 2 - устье скважины; 3 - цемент; 4 - песок; 5 - наконечник; 6 - бурильная труба; 7 - дозатор; 8 - зона проникновения фильтрата; 9 - шаровой кран

При использовании воды ствол скважины увеличивался в диаметре, в среднем, на 30 % (по отношению к диаметру наконечника) и по истечении суток полностью затягивался. Проникновение окрашенной воды в породу составляло более 0,25 м (рис. 1-а).

При использовании глинистого раствора (рис. 1-6) зона коль-матации (зона кольматации состоит из глинистой корки и зоны проникновения твердой фазы бурового раствора в приствольную часть скважины) составила 10~2 м. Увеличение диаметра ствола скважин -24 %. По истечении суток ствол скважины сужался на 10 % (по отношению к диаметру наконечника).

При использовании глинистого раствора с добавками ОТП (рис. 1-в) толщина глинистой корки составила 5-10"3 м. Проникнове-

ние в породу отчетливо видно и в среднем составляет 0,15 м. Разработка ствола скважины составляет 13 %. По истечении суток ствол скважины не изменял своего диаметра.

По сравнению с глинистым раствором глинобитумный раствор обладает значительно большей фильтрационной способностью, меньшим (на 10 %) размывающим эффектом и большим крепящим свойством (за сутки диаметр ствола скважины практически не изменялся).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований предложен способ решения проблемы бурения несвязных горных пород посредством использования специальных промывочных жидкостей, обладающих высоким уровнем крепящих свойств. При этом:

1. Установлено, что оценка крепящих свойств буровых растворов для бурения несвязных пород может быть достоверно выполнена при помощи обобщенного критерия, характеризуемого показателями их прочностных свойств - пластической прочностью и углом внутреннего трения.

2. Экспериментально доказано наличие консолидирующего воздействия адгезионных промывочных жидкостей на основе ОТП на формирование ствола скважины и приствольной зоны несвязных пород, характеризуемое увеличением их пластической прочности и коэффициента продольной деформации на 30-38 %.

3. Разработана и подтверждена, стандартными лабораторными методами, экспресс - методика определения крепящих свойств бурового раствора, основанная на сравнении величин продольной деформации образцов системы: горная порода - буровой раствор.

4. Установлен механизм структурообразования консолидированных массивов в толще несвязных горных пород приствольной зоны скважины, который представляет собой комплекс новообразований, мощность которых зависит от глубины проникновения промывочной жидкости и интенсивности адсорбции адгезива на поверхности поровых каналов.

5. Установлена закономерность распространения промывочной жидкости в толще несвязных горных пород приствольной зоны скважин.

6. Разработана конструкция лабораторного стенда для исследования крепящих свойств бурового раствора моделированием условий буровой скважины. Изготовлен экспериментальный экземпляр.

7. Разработана и апробирована (в экспериментальных условиях) рецептура бурового раствора на основе ОТП для бурения несвязных пород.

8. В результате экспериментальных исследований установлено, что использование разработанного глинобитумного раствора на основе ОТП обеспечивает увеличение устойчивости толщи несвязных пород на 37 %.

Основные положения и научные результаты работы опубликованы в следующих печатных трудах:

1. Анализ и классификация методов и технических средств для бурения скважин в четвертичных отложениях/ Сборник трудов молодых учёных СПГГИ(ТУ)/СПГГИ, СПб, 1999. Вып. 5, С. 84-87.

2. Буровые промывочные жидкости/ учебное пособие, СПГТИ (ТУ), СПб, 2002, 102 е., (соавторы: Николаев Н.И., Нифонтов Ю.А.).

3. О методике определения крепящих свойств промывочной жидкости для бурения слабосвязных пород/ "Полезные ископаемые России и их освоение" в сб. Записки горного института, СПб, Т. 152, С. 18-20.

4. Опыт применения специальных промывочных жидкостей при брении скважин в осложненных условиях на Воркутском угольном месторождении / Народное хозяйство республики Коми, Город в Заполярье. Проблемы и решения, материалы конф. ВГИ СПГТИ (ТУ), Т. 12, номер 4, 2003 г., Воркута-Ухта-Сыктывкар, 6 с. (соавторы: Нифонтов Ю.А., Герасименко Н.И.).

5. Проходка моренных отложений с одновременным креплением колонной обсадных труб/ Науков1 пращ ДонДТУ. Cepiя прничо-геолопчна. Випуск 24/ Редкол.: Башков Э.О. (голова) та

шш. - Донецьк, ДонДТУ, 2001, С. 9-12, (соавторы: Гореликов В.Г., Яковлев A.M.).

6. Применение сополимеров карбоновых кислот при бурении нефтяных и газовых скважин/ Streszczenia referatow XIV miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna, Zakopane, 11-13 czerwca, 2003, C. 53, (соавторы: Николаев Н.И., Нифонтов Ю.А., Тойб Р.Р.).

РИЦ СПГГИ. 16.10.2003. 3.487 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

1 t

Р17760 2ооз- А

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Блинов, Павел Александрович

Введение.

Глава 1. Особенности бурения скважин в интервалах залегания слабосвязных и несвязных пород.

1.1. Геологические условия залегания слабосвязных горных пород и их свойства.

1.2. Анализ методов бурения слабосвязных пород.

1.3. Анализ промывочных жидкостей используемых при бурении слабосвязных и несвязных пород.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка методики исследования.

2.1. Структурообразующие процессы закрепления слабосвязных горных пород.

2.2. Методика определения свойств промывочной жидкости

2.3. Методы определения физико-механических характеристик несвязных горных пород.

2.4. Метод исследования в условиях скважины.

2.5. Методика обработки результатов эксперимента.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1. Исследование свойств промывочной жидкости.

3.2. Определение пластической прочности.

3.3. Определение механических характеристик на срезном приборе

3.4. Экспресс-метод определения крепящих свойств промывочных жидкостей.

3.5. Исследования на экспериментальном стенде.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Технико-экономическая оценка и экологическая безопасность промывочных жидкостей при бурении слабосвязных горных пород.

4.1. Результаты экспериментально-промышленных испытаний рецептур промывочных жидкостей. Технико-экономическая оценка.

4.2. Влияние разработанных промывочных жидкостей на окружающую среду.

Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка составов и регулирование свойств промывочных жидкостей для бурения геологоразведочных скважин в слабосвязных породах"

Результаты бурения геологоразведочных скважин и, как следствие, динамика прироста запасов полезных ископаемых, во многом зависят от эффективности проходки бурением интервалов скважин, представленных толщей слабосвязных и несвязных горных пород.

При бурении геологоразведочных скважин традиционными способами в слабосвязных и несвязных породах, представленных песками, валунно-галечными и моренными отложениями происходит сужение и обрушение ствола скважины, что приводит к прихватам бурового инструмента, перебурке уже пройденных интервалов и обуславливает усложнение конструкций скважин, увеличение металлоемкости за счет постановки дополнительных обсадных колонн и удорожание процесса бурения.

В настоящее время эта проблема решается либо путем создания технических средств и технологий бурения с одновременным креплением ствола скважины колонной обсадных труб, либо за счет разработки специальных составов промывочной жидкости, способной за счет своих крепящих свойств удерживать ствол скважины в устойчивом состоянии. Применение специальных составов промывочных жидкостей является неотъемлемой частью первого способа и по экономическим и технологическим параметрам более выгодно.

Исследованием проблемы беструбного крепления скважин при проходке неустойчивых интервалов скважин в разное время занимались следующие ученые и специалисты в области бурения: A.M. Яковлев, Б.Б. Кудряшов, Л.К. Горшков, B.C. Литвиненко, Н.И. Николаев, A.M. Жуков, А.С. Коржуев, В.А. Никишин, Н.К. Липатов, Л.А. Терещенко, В.Г. Поротов, Э.А. Бочко, Л.М. Ивачев, А.П. Руденко, М.К. Раскопин, М. Роберте, М.У. Шаусманов, Ю.А. Нифонтов, Н.И. Герасименко, С.Н. Смагин и др.