Разработка составов и регулирования свойств утяжеленного бурового раствора на основе кембрийской глины

Цель исследования
Снижение стоимости строительства скважин в условиях аномально высоких пластовых давлений.

Задачи исследования
1) анализ современного состояния рынка буровых растворов для бурения в условиях АВПД;
2) разработка методики исследования глинистой суспензии на основе кембрийской глины;
3) разработка составов утяжеленных буровых растворов с заданными технологическими свойствами на основе кембрийской глины.
Полученный раствор может применяться при бурении неустойчивых горных пород, при строительстве горизонтально-направленных скважин, в разведочном бурении в условиях аномально высоких пластовых давлений (АВПД) для создания достаточного противодавления при коэффициенте аномальности до 1,5.
Введение
Вскрытие зон аномально высоких пластовых давлений часто сопровождается осыпями, обвалами, сужением ствола скважины из-за набухания глинистых пород, вследствие чего возникают затяжки и посадки при спуске и подъеме колонны бурильных труб, а также прихваты и слом бурового оборудования.
Главными факторами обрушений и обвалов являются геологические условия формирования скелета породы и технологические требования, кроме того, прохождение фильтрата буровой жидкости в стенки скважины на существенную глубину. Значительное влияние на интенсивность обрушения стенок скважины оказывают: плотность буровой жидкости, невысокая механическая скорость бурения, многократные остановки и продолжительные простои [29].
Для предупреждения этих осложнений применяют разнообразные методы: использование растворов на углеводородной основе, утяжеленных полимерглиннистых буровых растворов, повышение плотности раствора и уменьшение водоотдачи, установка битумных или силикатных ванн, метод электрохимического закрепления горных пород или перекрытие неустойчивого интервала обсадной колонной [1–9].
На основании проделанного анализа источников, был подобрана методика применения полимерной утяжеленной глинистой буровой жидкости. Так как данные растворы в полной мере отвечают условиям промывки скважины, характеризуются низким показателем фильтрации, высокими реологическими, ингибирующими и смазывающими признаками, не проявляют отрицательного воздействия на потенциал продуктивного пласта [29].
Показатели растворов корректируются в широком диапазоне с учетом геологических и иных условий [11–13].

Основная часть
Глинистые породы являются самым распространенным типом отложений в осадочной оболочке Земли. Из числа осадочных пород на долю глинистых приходится около 70 %. По минеральному составу глинистые породы представляют собой полиминеральные образования, состоящие, как правило, из минералов каолинитовой, гидрослюдистой и монтмориллонитовой группы. Глины в качестве материала для приготовления буровых растворов можно разделить на три вида: монтмориллонитовые, каолинит-гидрослюдистые и палыгорскитовые глины, из которых преимущественное распространение получили первые, названные бентонитом. Бентонитовые глины являются центральным и ведущим сырьем для производства глинопорошков. Они обеспечивают наибольший выход из 1 т глины, что ведет к падению концентрации твердой фазы в растворе, отличаются ярко выраженными тиксотропными свойствами. Каолинитовые глины в чистом виде для создания буровых растворов не используются, поскольку трудно диспергируются в воде, однако они являются составной частью глин иных видов. Гидрослюдистые глины свободно применяются как местные материалы для буровых растворов. Для гидрослюдистых минералов характерна высокая коллоидальность, хорошие адсорбционные качества. Палыгорскитовая глина имеет волокнистое строение и высокую гидрофильность. При приготовлении буровых жидкостей применяют, преимущественно, глинопорошки, состоящие из бентонитовых, гидрослюдистых и палыгорскитовых глин. Использование бентонитовых глинопорошков экономически выгодно, так как позволяет уменьшить затраты материалов. Применение гидрослюдистых глинопорошков ведет к удорожанию бурового раствора в сопоставлении с растворами из местных комовых глин [15–17].
Рассмотрим особенности и состав красноярских кембрийских серо-голубых глин. Обозреваемая система наиболее ясно описана нижним отделом. К кембрийской системе нижнего отдела относим калтатскую и торгашинскую свиты. Выделены 3 типа разреза, представленные следующими отложениями: карбонатные отложения, мощность которых составляет около 800–900 м.; второй тип содержит известняковый состав с прослоями темно-голубых глинистых доломитов; третий тип сложен преимущественно темными известняками, зеленовато-серыми и голубыми глинистыми алевролитами, мергелями, а также редкими доломитами, имеющими неоднородный состав. Для рассмотренных типов характерна горизонтальная слоистость. Что касается торгашинской свиты, то для нее присуще сложение светло-розовыми гравелитами, брекчиями, а также известняками. Кроме того, свита имеет довольно мощный пласт темно-серых мергелей с ярко выраженными прослоями глинистых отложений. Глинистая составляющая рассмотренной выше свиты в основном хлоритовая. Данная особенность связана с притоком высокоминерализованных вод, имеющих немалую хлоридность, в дополнение зафиксировано содержание брома с низким хлор-бромовым коэффициентом (около 1,13). Отмечены такие акцессорные минералы как: ильменит, магнетит, циркон, анастаз, апатит и турмалин. Пластичность обозреваемых глин умеренная (около 21, 26). Химический состав исследуемого сырья: SiO2 (64,72 %); Al2O3 (21,16 %); Fe2O3 (1,40%); CaO(1,20%); MgO(0,56 %); P2O5 (0,3 %);
∆mпрк (10,73 %).
Кембрийские системы Красноярского края и Ленинградской области существенно различны не только слагающими данные системы горными породами, но и мощностью представленных глин, а главное свойствами. Кембрийская система Красноярского края весьма сложна и насыщена многообразием отложений. Нижнекембрийские глины Ленинградской области отличаются от «красноярских» постоянством химического состава (SiO2 (60,64 %); Al2O3 (18,00 %.);Fe2O3 (4,79 %); FeO (2,61 %)), а главное, хорошей пластичностью. Помимо этого, глины Ленинградской области обладают повышенной влажностью, что отличает их от «красноярских». Так как по влажности допускается косвенно судить о плотностных свойствах, следовательно, данные глины имеют пониженную плотность в отличие от «красноярских», что указывает на их высокую степень разуплотнения. Из общего выделим гидрослюдистый состав, преимущественно у «красноярских» глин.

Методы исследования
Поэтапно разберем методику исследования представленных выше глин и выведем некоторые зависимости в виде графического материала. Первой ступенью работ является приготовление растворов до максимальных плотностей: 1050, 1100, 1200, 1500 и 1700 кг/м³. Далее необходимо удостовериться в точности заданных плотностей, соответственно, данную процедуру проводим с использованием прибора «ареометр АБР-1», который ориентирован на определение плотности глинистых и цементных растворов. Затем определялись условные вязкости растворов, после чего было сделано заключение о том, что наиболее ориентированными на дальнейшее изучение оказались растворы, имеющие плотности, равные 1200 и 1500 кг/м³.
Измерение условной вязкости буровых растворов осуществляется с помощью прибора СПВ-5. Порядок проведения исследования следующий: условная вязкость измеряется временем истечения 500 см³ раствора через трубку вискозиметра диаметром 5 мм, воронка которого заполняется 700 см³. Ровно через сутки устанавливаем суточные отстои растворов. По полученным результатам выявляем, что суточный отстой раствора, имеющий плотность 1200 кг/м³ – равен 28 %, а суточный отстой раствора плотностью 1500 кг/м³ – равен 2 %. Помимо этого, в ходе работы были определены такие важные параметры, как структурная вязкость, динамическое напряжение сдвига и статическое напряжение сдвига для всех растворов. Структурная вязкость и ДНС получены с использованием прибора ВСН-3, на котором были сняты показания углов закручивания шкалы прибора при 600 и 300 об./мин. СНС растворов рассчитываются после определения на приборе СНС-2 начального и максимального углов закручивания. Заключительным этапом в определении показателей является измерение водоотдачи и толщины фильтрационной корки на приборе ВМ-6 для растворов с плотностями 1200 и 1500 кг/м³. Проанализировав полученные параметры, отметим высокие показатели структурной вязкости, ДНС, водоотдачи и толщины фильтрационных корок рассмотренных выше растворов. Следовательно, прибегаем к использованию полимеров (полимеризация растворов). Раствор плотностью 1200 кг/м³ поэтапно обрабатываем полимером, называемый полиэтилцеллюлоза (табл. 1). Имеет смысл подчеркнуть эффективность действия этого полимера в отношении раствора: повышение условной вязкости в 1,5 раза (рис. 1), значительное снижение суточного отстоя (в 28 раз) (рис. 2), увеличение структурной вязкости и ДНС примерно в 2 раза (рис. 3, 4, 5); самое важное – снижение водоотдачи в 8 раз (рис. 6), а также величины толщины фильтрационной корки в 2 раза (рис. 7).

При обработке раствора плотностью 1500 кг/м³ полимером «полиэтилцеллюлоза» настолько высокую результативность отметить нельзя, наоборот, отмечается значительное повышение водоотдачи и величины толщины фильтрационной корки, чего быть, само собой разумеется, не должно. Таким образом, проведем серию экспериментов с добавлением другого полимера– ПАЦ-В, который является полимером высокой вязкости, применяется для контроля вязкости и водоотдачи растворов на водной основе. Представленный реагент использовался при различных концентрациях. Наиболее оптимальные параметры при добавлении 1; 1,5; 2 г полимера в раствор (табл. 2). При определении реологических параметров применялся прибор Вискозиметр FANN 35SA (рис. 8). В подобных вискозиметрах испытуемый раствор находится в кольцевом зазоре между цилиндром и бобом. Вращение внешнего цилиндра устанавливается с известной скоростью посредством системы прецизионного управления частоты вращения электродвигателя. Сопротивление вязкости раствора создает момент на внутреннем полом или цельном диагностирующем теле. Соответственно, данный момент подается на прецизионную пружину, отход которой определяется, далее регулируется, принимая во внимание положения испытания и постоянные механизма. Такая система допускает осуществлять действительное моделирование наиболее важных условий технологических разработок, концентрирующихся в условиях производства. Анализ полученных данных свидетельствует о заметном снижении и стремлении к минимуму структурной вязкости и динамического напряжения сдвига, что представляет практический интерес в использовании раствора. Помимо этого, подчеркнем уменьшение водоотдачи и толщины фильтрационной корки примерно в 5 раз (рис. 9, 10).

Результаты
Результаты, выводы и направления использования полученных составов буровых растворов могут быть применены на предприятиях, осуществляющих буровые работы, как в нормальных геологических условиях, так и при наличии зон АВПД. Подводя итоги, подчеркнем положительную динамику изменения параметров при обработке растворов полимерами полиэтилцеллюлоза и ПАЦ-В. Особенно результативной для раствора плотностью 1200 кг/м³ оказалась обработка полиэтилцеллюлозой, для раствора плотностью 1500 кг/м³ – ПАЦ-В.
Помимо действенной обработки растворов следует отметить экономическую составляющую используемых глин. Сравнение ценового диапазона необработанной глины и бентонитовой глины, применяемой при горизонтально-направленном бурении, показало наиболее целесообразным применение первой, так как средняя цена данного глинопорошка дешевле примерно в 2 раза.

Заключение
Полученный раствор может применяться при бурении неустойчивых горных пород, строительстве горизонтально-направленных скважин, в разведочном бурении в условиях АВПД для создания достаточного противодавления при коэффициенте аномальности до 1,5. Направлением дальнейших исследований применения кембрийских глин в качестве твердой фазы бурового раствора является исследование их свойств в условиях высоких температур и солевой агрессии пластовых флюидов.