Бурения скважин в осложненных условиях

Первый подкласс - гранулированные жесткие наполнители. Они предназначены для образования в каналах поглощения каркаса перемычек, которые значительно уменьшают поперечное сечение каналов и препятствуют растеканию тампонажной смеси по пласту. Область применения гранулированных жестких наполнителей - ликвидация высокоинтенсивных поглощений в проницаемых крупнотрещиноватых кавернозных породах с раскрытием каналов фильтрации до 3 мм. Гранулированные жесткие наполнители могут быть основой для составления различных комплексов. Их применяют в сочетании с волокнистыми гранулированными упругими наполнителями. При этом жесткие частицы образуют прочный непроницаемый каркас в каналах поглощения, а легкодеформируемые мягкие частицы уплотняют каркас, делая его непроницаемым. Размер жестких частиц при изоляции каждой конкретной зоны поглощения выбирается по результатам исследований степени раскрытости каналов в породе. Установлено, что в каналы крупного сечения свободно проходят частицы, размер которых менее 1/3 диаметра канала, а в щель - частицы с диаметром менее 1/2 ее раскрытия.

Характеристика наполнителей второго класса и рекомендации по их применению.

НСО - наполнитель силикогель отработанный. Представляет собой твердые шаровидные частицы отработанного катализатора размерами от 2 до 8 мм. Плотность - 1000кг/м³. НСО - однокомпонентный наполнитель, представленный однородными частицами. Его рекомендуется применять в сочетании с волокнистыми наполнителями (кордным волокном, хлопьевидными и гранулированными упругими наполнителями). НСО успешно применяется в профилактических буровых растворах при разбуривании среднетрещиноватых горных пород с раскрытием трещин до 10 мм, а также при изоляционных работах по ликвидации поглощений интенсивностью 40…60 м³/ч в крупнотрещиноватых породах с раскрытием поглощающих каналов от 5 до 20 мм.

Скорлупа ореховая - дробленые кусочки различной формы мелкого ореха. Она бывает двух модификаций. Разница в размере частиц. Дробленая скорлупа ореховая первой модификации вводится в циркулирующий буровой раствор при роторном бурении. При раскрытости поглощающих каналов до 10…12 мм ее рекомендуется намывать в зону поглощения в виде комплекса, включающего волокнистые и пластинчатые наполнители в объемном соотношении 1:1:1.

Скорлупу ореховую второй модификации намывают в поглощающие каналы с раскрытием входных отверстий до 20…25 мм.

Жесткие гранулированные наполнители из горных пород. Получаются путем дробления или рассеивания песчаных смесей. Это наиболее доступные или дешевые закупоривающие материалы жесткого гранулированного типа. В зависимости от размера и форм частиц, природные наполнители из горных пород делятся на щебень, гравий и песок. По размеру зерен щебень и гравий подразделяются на фракции: от 5-10; 10-20; 20-40; 40-70 мм. Песок получают дроблением горных пород или рассевом природных песчано-гравийных смесей. По размеру зерен делится на крупный, средний и мелкий. Размер частиц песка находится в пределах от десятых долей до нескольких миллиметров. Природные наполнители условно делятся на легкие (400…1200 кг/м³) и тяжелые (свыше 1200 кг/м³). В качестве материала для производства легких наполнителей используются пористые породы вулканического происхождения (шлаки, пемзы, туфы) или осадочного происхождения (пористые известняки, известняки-ракушечники и другие карбонатные породы).

Тяжелые природные наполнители - щебень, гравий, песок природный. Тяжелые наполнители производятся из горных пород с объемной массой более 1800 кг/м³.

Наполнители из горных пород могут использоваться в качестве добавок в тампонажные растворы на основе цемента, глинопорошка, полимерных материалов и в комплексе наполнителей при намыве через воронку в открытый конец бурильных труб.

Второй подкласс - гранулированные упругие наполнители. Это наполнители, частицы которых имеют объемные формы и могут упруго деформироваться. Изготавливаются из материалов на основе резин, латексов, гранулированной древесины и ряда синтетических материалов.

По характеру изменения формы частиц при закупоривании каналов поглощения, упругие наполнители занимают промежуточное положение между жесткими гранулированными и волокнистыми наполнителями. Перекрывая входное отверстие канала поглощения, частицы упругих наполнителей под действием перепада давления деформируются и закупоривают его. Это свойство относятся к таким наполнителям, как ВОЛ - вулканизованные отходы латекса, поролон.

Упругие наполнители обладают большей способностью заклиниваться в каналах поглощения в сравнении с жесткими гранулированными наполнителями. Они применяются для снижения интенсивности поглощения в кавернозных и крупнотрещиноватых породах с раскрытием каналов фильтрации свыше 10 мм:

· в комплексе с волокнистыми и гранулированными жесткими наполнителями при ликвидации поглощений в горных породах с раскрытием каналов от 5 до 40 мм;

· в качестве самостоятельного закупоривающего материала при ликвидации поглощений в крупнопористых и среднепористых породах с раскрытием каналов от 1 до 5 мм.

Виды наполнителей второго подкласса и рекомендации по их применению

МКР - мелкая резиновая крошка (размеры частиц от 1 до 5 мм). Высокоэффективный наполнитель для закупоривания мелкотрещиноватых и пористых пород. МКР выпускается двух типов: с размерами частиц до 1 мм (первый тип) и размерами частиц до 5 мм (второй тип). При профилактике поглощения добавка МКР в процессе бурения может составлять от 5 до 10% (по массы на объем). При изоляционных работах ее добавляют как в сухую тампонажную смесь, так и в цементный или гельцементный раствор. Добавка 5…20% позволяет получить высокоэффективную тампонажную пасту.

Дробленная резиновая крошка. Размер частиц от 5 до 25 мм. Получают путем дробления резины до частиц различного размера. Предназначается для ликвидации поглощений в трещиноватых и пористых породах. Подразделяется на два типа: ДР-25 - измельченная резина с условным диаметром частиц 3…4 мм и длиной от 3 до 25 мм. Тип ДРХ-25 представляет собой измельченную хлопьеобразную резину, соединенную в комки, условным диаметром до 25 мм.

НДР - наполнитель дробленая резина. Крупноразмерный наполнитель. Используется для ликвидации поглощений в крупнотрещиноватых породах. В отличие от дробленой резиновой крошки в НДР введены частицы прорезиненной ткани и кордовое волокно. НДР может применяться в качестве добавки к различным тампонажным смесям и буровым растворам при намыве их через воронку в отрытый конец бурильных труб или через широкопроходной пакер. Рекомендуемые размеры частиц НДР в зависимости от раскрытия трещин приведены в таблице 13.

Таблица 11: Рекомендуемые размеры частиц НДР в зависимости от раскрытия трещин

Наполнитель	Максимальный размер частиц не более, мм	Раскрытие трещин не более, мм
НДР-10	10	25
НДР-15	15	40
НДР-25	25	70

Наполнитель ВОЛ - вулканизированные отходы латекса. Представляет собой измельченные частицы разной формы, изготовленные из отходов вулканизированного латекса. Материал подобен поролону, но более прочный, упругий и плотный. Благодаря упругости способен деформироваться при незначительных нагрузках. Наполнитель ВОЛ применяется как закупоривающий материал для уплотнения жесткого каркаса (перемычек) в каналах поглощающего пласта, образованного гранулированными наполнителями. ВОЛ может также применяется в качестве добавки в любые тампонажные растворы при цементировании обсадных колонн. Он вводится в поток тампонажного раствора, выходящего из смесителя. Выпускаются следующие типы ВОЛ: ВОЛ-10, ВОЛ-15, ВОЛ-25, ВОЛ-50 и ВОЛ-100.

Таблица 12: Размеры частиц наполнителя ВОЛ

Наполнитель	Максимальный размер частиц не более, мм	Допустимые отклонения в размере частиц
		До, мм	Не более, %
ВОЛ-10	10	15	5
ВОЛ-15	15	20	10
ВОЛ-25	25	30	15
ВОЛ-50	50	60	20
ВОЛ-100	100	120	25

Область эффективного применения ВОЛ, определенные в зависимости от строения проницаемой среды, интенсивности поглощений и размеров частиц наполнителя, приведены в таблице 15.

Таблица 13: Область эффективного применения ВОЛ

Характер пород	Размер поглощающих каналов, мм	Интенсивность поглощения, м3/ч	Рекомендуемые комплексы наполнителей
Крупнотрещиноватые, кавернозные	40	>100	ВОЛ-50, ВОЛ-100 в сочетании с технич. кошмой, гравием с последующей закачкой тампонажной пасты. Соотношение ВОЛ: кошма: гравий (по объему) = 1:1:1
Крупнотрещиноватые	20…40	60…100	ВОЛ-25, ВОЛ-50 в сочетании с гранулированными наполнителями (гравий с размером частиц до 30 мм, ПУН, НДР-25) в объемном соотношении 1:1
Среднетрещиноватые	10…15	40…60	ВОЛ-10, ВОЛ-15 в сочетании с НДР-10, кордным волокном в объемном соотношении 1:1
То же	1…10	30…40	ВОЛ-10 в сочетании с опилками, кордным волокном, мелкой резиновой крошкой в объемном соотн. 1:1:1:1.

ПУН - пластичный упругий наполнитель. Представляет собой смесь резиновых пластин круглой формы диаметром от 1 до 50 мм толщиной до 5 мм и вырубок клиновидного ремня с размерами частиц 30*10*5 мм. ПУН применяется для ликвидации поглощений в породах с крупными трещинами и карстовыми полостями. Изоляция зон поглощения этим типом наполнителя происходит за счет образования в трещиноватых породах каркаса, препятствующего проникновению тампонажной смеси, которая закачивается вслед за наполнителем. Фракционный состав ПУН позволяет на его основе создавать различные высокоэффективные комплексы из других типов наполнителей для изоляции зон поглощений высокой интенсивности.

Третий класс - чешуйчато-пластинчатые наполнители. Представлены частицами плоской формы, у которых один из габаритных размеров в десятки и более раз меньше двух других. Это частицы имеющие чешуйчатую, пластинчатую, листовую форму. Чешуйчато-пластинчатые наполнители используются для ликвидации поглощений при разбуривании крупнопористых или мелкотрещиноватых горных пород большой толщины. Небольшая толщина пластинок при значительной площади поверхности частицы способствует образованию плотной непроницаемой корки вблизи поверхности стенок ствола скважин. Частицы слюды и наполнителя из бумажного пластика способны образовывать прочный каркас, перекрывая трещины размером от 5 до 20 мм. Наиболее эффективно чешуйчато-пластинчатые наполнители используются в комплексе с другими наполнителями: волокнистыми и гранулированными. При этом значительно увеличивается их закупоривающая способность.

Некоторые типы наполнителей третьего класса и рекомендации по их применению

Целлофан - продукт измельченных отходов целлюлозной пленки. Размеры: длина до 70 мм, ширина 10 мм, толщина 25…30 мкм, плотность 1150 кг/м³. Целлофановый наполнитель добавляется к буровым растворам и тампонажным смесям. При роторном способе бурения рекомендуется вводить в буровой раствор до 3% наполнителя, а при турбинном способе бурения до 1%. При намыве целлофана на глинистом растворе количество его увеличивается до 8…10%. Целлофановый наполнитель достаточно эффективен для предупреждения и ликвидации поглощений бурового раствора при раскрытии каналов поглощающего горизонта до 3 мм.

Слюда-чешуйка - пластинки произвольной формы, получаемые при дроблении отходов слюдяных фабрик. Толщина слюды-чешуйки от 30 до 200 мкм. Плотность 2800-5200 кг/м³. Слюда-чешуйка вводится в буровой раствор в процессе ее намыва в зону поглощения, либо добавляется в циркулирующий раствордо вскрытия зоны поглощения в профилактических целях. Может применятся в тампонажных растворах в смеси с другими наполнителями (кордное волокно, древесные опилки и др.).

Целлофановая стружка - разновидность целлофанового наполнителя. Должна быть шириной не менее 2 и не более 10 мм. Длина стружки не более 100 см.

Четвертый класс - набухающие наполнители. Особенностью наполнителей этого класса является способность изменять свою структуру, объем и форму в ходе взаимодействия с буровым раствором или пластовыми флюидами. В результате взаимодействия с указанными жидкостями наполнители этого типа увеличиваются в объеме. К наиболее распространенному и широко применяемому типу набухающих наполнителей этого класса могут быть отнесены глины и глинопорошки.

Глины обладают специфическими свойствами, из которых наиболее важными являются набухаемость, пластичность, гидрофильность и способность диспергировать (распускаться) в воде на мельчайшие частицы. Глины - это водные алюмосиликаты.

Для борьбы с интенсивными и катастрофическими поглощениями бурового раствора эффективно применение гранул из сухого, спрессованного, высококоллоидального бентонита. В потоке раствора гранулы доставляются в зону поглощения и выдерживаются там в течение нескольких часов до их набухания. Затем производится опрессовка ствола скважины в интервале зоны поглощения на герметичность. Размер гранул определяется размерами каналов поглощающего горизонта из расчета максимальной проходимости в каналы с наименьшим раскрытием. В практике проведения изоляционных работ бентонит нашел широкое применение для приготовления тампонажных смесей: цементно-бентонитовый (с содержанием бентонита от 5 до 25%), тампонажных растворов с высокой водоотдачей - соляронефтебентонитовых и соляро-бентонитово-цементных паст. Тампонажные смеси на основе бентонита и цемента обладают повышенными закупоривающими свойствами по сравнению с тампонажными смесями на основе цемента. В некоторых случаях, когда зона поглощения находится недалеко от устья скважин (50…150 м), бентонит используют в сухом виде в качестве закупоривающего материала. Для этого, после спуска кондуктора и цементирования его нижней части до подошвы зоны поглощения, в затрубное пространство скважины с устья закачивается сухой бентонит с помощью компрессора специального цементовоза с последующим задавливанием бентонита в зону ухода.

Пятый класс - пластичные наполнители. К ним относят битумы, сырую глину, парафин и др.

Эффективность применения пластичных наполнителей обуславливается тем, что они обладают большой пластичностью, гидрофобностью и не размываются в потоке жидкости. Их доставляют в зону поглощения в специальных контейнерах на бурильных трубах с периодическим доливом в трубы бурового раствора. Затем пластичный материал выпрессовывают продавочной жидкостью.

Шестой класс - дисперсные наполнители. Дисперсные наполнители получают путем диспергирования резин и вулканического латекса в водной среде. Эти наполнители рекомендуются использовать в буровых растворах в количестве 5…10% при вскрытии мелкопористых проницаемых пород, в интервалах которых происходят прихваты бурильного инструмента под действием перепада давлений в системе скважина-пласт. Дисперсные наполнители вводят также в буровой раствор при вскрытии газо- или водопроявляющих горизонтов. Дисперсные наполнители рекомендуется применять в качестве добавки к буровым растворам при специальной обработке продуктивной толщины очистительными устройствами со скребками с целью удаления со стенок скважины рыхлой фильтрационной корки и образования в проницаемой среде изоляционного слоя.

Седьмой класс - наполнитель из коаголюма латекса. Получают путем коагуляции латекса водным раствором CaCl₂. Отношение по объему латекса и раствора CaCl₂ - 1:1. Латекс коагулирует на поверхности в нагнетательной линии при одновременном закачивании в скважину его и 3% водного раствора CaCl₂. Наполнителем является коагулюм латекса, который представляет собой резиноподобные образования цилиндрической формы, имеющие диаметр, равный диаметру труб, в которых происходил процесс коагуляции латекса. При непрерывном процессе ведения изоляционных работ движение коагулюма по бурильным трубам и через пакер происходит без резкого роста давления. Малоконцентрированный латекс выпускается следующих марок: СКС-30, ШХП, ДМВП-10Х, ДВХ5-70.

Наполнитель из высококонцентрированного латекса (ВКЛ) в тампонажной смеси рекомендуется применять при ликвидации высокоинтенсивных поглощениях бурового раствора в средне- и крупнотрещиноватых горных породах.

2.1.12 Рекомендации по применению отдельных типов и комплексов наполнителей для ликвидации поглощений различной интенсивности. Подбор наполнителей в комплексы

При бурении скважин с промывкой структурированными растворами большое значение играет профилактика возникновения поглощений бурового раствора за счет ввода в него наполнителей, которые не должны осложнять нормального процесса бурения, но при вскрытии поглощающих горизонтов надежно перекрывали бы каналы ухода жидкости из скважины.

Во всех изученных и описанных технологическихметодах борьбы с поглощениями успех зависит от правильного выбора наполнителей: типа материала, его свойств, размера и формы частиц.

В большинстве случаев борьбы с поглощениями, а особенно в наиболее сложных случаях, которые встречаются при бурении через трещиноватые породы, правильный выбор закупоривающего материала основывается на оптимальном подборе комплекса наполнителей. При отсутствии точной информации о форме и размерах каналов в зонах поглощения буровых и тампонажных растворов, применение смеси наполнителей различных типов дает наилучшее результаты.

Подбор наполнителей в комплексы базируется на основе практического опыта лабораторных исследований и промысловых испытаний.

Общие основы подбора в комплексы могут быть сформулированы в виде следующих положений [1]:

· при профилактике поглощений не рекомендуется вводить в буровой раствор чешуйчатые наполнители совместно с гранулированными, так как их присутствие может вызвать образование искусственных трещин, чем предупреждает их образование;

· при использовании гранулированных наполнителей значительно увеличиваются потери давления в затрубном пространстве, что приводит к увеличению забойного давления до давления раскрытия трещин и поглощения бурового раствора;

· хорошей совмещаемостью и высокой закупоривающей способностью при приготовлении мягких пробок, а также при добавке в тампонажные твердеющие смеси обладают материалы: волокнистые и чешуйчатые, волокнистые и гранулированные, , волокнистые и чешуйчатые (с размерами частиц в 2…3 раза меньше частиц наполнителя);

· при ликвидации поглощений высокой интенсивности (60…100 м³/ч и более) в крупнотрещиноватых породах следует для образования более плотного каркаса перемычек использовать крупноразмерные гранулированные наполнители из жесткого и упругого материала (например, керамзита, дробленого известняка, дробленой резины, вулканизированных отходов латекса);

· целесообразно при намыве наполнителей в зоны высокой интенсивности поглощения использовать одновременно наполнители разной плотности: всплывающие и оседающие;

· при ликвидации поглощений средней интенсивности (не более 40…60 м³/ч) хорошей результативностью отличаются комплексы, например, из следующих материалов: целлофана и слюды; шелухи зерновых или технических культур в смеси с гранулированными наполнителями, имеющими частицы различного размера;

· при совмещении в растворах наполнителей из различных материалов необходимо поддерживать правильное их соотношение по типу и размерам частиц. Рекомендуется придерживаться следующих соотношений в комплексах наполнителей;

· при использовании гранулированных и пластинчатых наполнителей, добавка последних должна составлять не более половины от объема гранулированных;

· при смешивании волокнистых материалов с гранулированными или пластинчатыми следует стремиться к тому, чтобы объем добавки волокнистых наполнителей приближался к объему гранулированных или пластинчатых.

Упругие гранулированные наполнители имеют преимущество в комплексах, особенно при необходимости создания перемычки в породах различной трещиноватости. При совмещении их с жесткими следует придерживаться соотношений от 2:1 до 5:1 (по объему).

При использовании высоких концентраций наполнителей необходимо предпринимать обычные меры предосторожности для обеспечения равномерного распределения наполнителей в жидкости-носителе перед закачиванием их в скважину.

Целенаправленное применение наполнителей даст необходимый эффект, если их выбор производить из особенностей строения горной породы в поглощающем горизонте и интенсивности поглощения бурового раствора.

При выборе способа изоляционных работ с применением наполнителей и тампонажных смесей пользуются величиной приемистости пласта, которая в различных условиях определяется по-разному. Чаще всего определяют:

· удельную приемистость пласта при избыточном давлении в 0,1 МПа;

· удельную приведенную приемистость пласта при перепаде давления в 0,5 МПа на единицу мощности поглощающего пласта;

· удельную приемистость на единицу площади проницаемого горизонта при перепаде давления 0,1 МПа.

Для наиболее сложных зон поглощения, представленных крупнотрещиноватыми породами с большей величиной раскрытия поглощающих каналов (40 мм и более), рекомендованы пробные изоляционные работы с применением высокоэффективных тампонажных смесей с наполнителями. Зоны поглощения, по которым положительные результаты не получены, целесообразно перекрывать с помощью специальных устройств (типа УПП).

2.1.13 Профилактические мероприятия по предупреждению возникновения поглощения бурового раствора с применением наполнителей

Профилактические мероприятия рекомендуется планировать во всех интервалах ожидаемых поглощений. Они могут повысить эффективность последующих изоляционных работ другими методами. Это обусловлено тем, что профилактические мероприятия, направленные на снижение перепадов давлений на проницаемые пласты, предотвращают дренирование в проницаемые горизонты.

При бурении скважин роторным способом необходимо создать условия, обеспечивающие минимальные перепады давления на проницаемые пласты и повышения закупоривающей способности бурового раствора. Снижение гидродинамических перепадов давления достигается регулированием реологических свойств бурового раствора - динамического напряжения сдвига ф и пластической вязкости ??.

При регулировании реологических и структурно-механических свойств бурового раствора и одновременном снижении его плотности рекомендуется:

· на небольших глубинах (600…800 м) с большими зазорами между колонной бурильных труб и стенкой скважины целесообразно вести бурение на растворах с повышенными значениями динамического, статического напряжений сдвига и пластической вязкости. Это обусловлено тем, что при небольшой глубине и увеличенных кольцевых зазорах, перепад давлений будет увеличиваться незначительно, а при повышенных значениях ф и ?? будет снижаться глубина проникновения бурового раствора в проницаемый пласт, а рост во времени СНС раствора, проникшего в поглощающие каналы и находящегося в покое, может привести к полной изоляции зоны поглощения;

· на глубинах превышающих 600…800 м, и при уменьшенных кольцевых зазорах бурение следует вести на пониженных значениях статического, динамического напряжений сдвига и пластической вязкости, поскольку рост ф и ?? приведет к увеличению гидродинамических давлений, а повышенная величина СНС может привести к гидроразрывам пород при СПО и вызове циркуляции.

При выборе вида наполнителя и его концентрации в профилактическом буровом растворе рекомендуется следующее:

· если ожидается зона поглощения с небольшими раскрытием поглощающих каналов, вскрытие которых приведет к частичной потере циркуляции и увеличению механической скорости проходки по сравнению с граничащими непоглощаемыми интервалами на 45…40%, в раствор следует ввести не менее двух следующих наполнителей: древесные опилки, мелкая резиновая крошка, слюда-чешуйка, мелкая скорлупа ореховая;

· при ожидаемой зоне поглощения с крупными каналами ухода бурового раствора, вскрытие которых может сопровождаться полной потерей циркуляции и резкими (в 2…4 раза) увеличениями механической скорости проходки или небольшими провалами инструмента, в раствор следует ввести не меньше трех из числа следующих наполнителей: гранулированный (крупная скорлупа ореха, силикагель отработанный, резина дробленная), волокнистый (кордное волокно, кожа-горох, хромовая стружка, опилки древесные), чешуйчато-пластинчатые (подсолнечная лузга, слюда-чешуйка). Сочетания наполнителей могут быть различны, но в их состав должны входить обязательный компонент - гранулированный наполнитель. Рекомендуемая суммарная концентрация наполнителей в буровом растворе не должна превышать 5-7% к объему раствора;

· перед вскрытием поглощающего горизонта при восстановлении циркуляции определяется равномерность содержания наполнителя в буровом растворе путем взятия проб.

При турбинном бурении применение наполнителей зависит от пропускной способности забойного двигателя. В качестве добавки в глинистый раствор может использоваться мелкая резиновая крошка с размерами частиц до 1 мм, водная дисперсия из отработанной резины, слюда-чешуйка. Первые два наполнителя могут использоваться для изоляции мелкотрещиноватых и пористых пород. Слюда-чешуйка рекомендуется для закупоривания мелко- и среднетрещиноватых пород.

Оптимальные концентрации некоторых вводимых в раствор наполнителей, при которых не нарушается нормальное бурение скважин, приведены в таблице 16.



Таблица 14: Оптимальные концентрации некоторых вводимых в раствор наполнителей

Наполнитель	Добавка наполнителей, 10 кг/м3 (по массе на объем)
	при турбинном бурении	при роторном бурении
Целлофан	0,1…1,0	1,0…3,0
Слюда-чешуйка	0,1…2,0	2,0…7,0
Кордное волокно	0,1…0,2	0,2…5,0
Кожа-«горох»	0,1…0,5	0,5…7,0
Резиновая крошка размером, мм: до 1 2…3	0,1…2,0	1,0…5,0 1,0…5,0
Подсолнечная лузга	0,1…0,5	0,5…5,0

2.1.14 Рекомендации по технологии бурения при вскрытии и прохождении поглощающих горизонтов

1. Вскрытие и прохождение потенциально поглощающего горизонта проводить с постоянным контролем свойств бурового раствора.

2. При вводе наполнителя циркуляция бурового раствора должна осуществляться, минуя вибросита и другие очистные устройства.

3. При роторном способе бурения до вскрытия проницаемого интервала и в процессе его прохождения установить производительность буровых насосов до 8-13 л/сек, а число оборотов ротора до 60 мин^-1.

4. При спуске бурильной колонны производить промежуточные промывки через 200…500 м, начиная с башмака предыдущей обсадной колонны.

5. За 100м до подхода к кровле поглощающего горизонта ограничить скорость спуска бурильной колонны до 0,5 м/с.

6. Вызов циркуляции при промежуточных промывках и на забое необходимо производить плавно с одновременным расхаживанием колонны бурильных труб и ее медленным вращением для разрушения структуры раствора.

7. Если при бурении отмечено частичное поглощение бурового раствора, необходимо увеличить концентрацию наполнителей в нем и снизить производительность буровых насосов.

8. При вскрытии зоны полного поглощения необходимо, по возможности, снизить производительность насосов и вести углубление скважины, контролируя наличие бурового раствора в приемных емкостях. Рекомендуется также постоянно вращать бурильную колонну с периодическим отрывом ее от забоя и расхаживанием. Если циркуляция к концу рейса не восстановилась, то необходимо до следующего рейса ввести в буровой раствор гранулированный наполнитель с более крупными размерами частиц по сравнению с применявшимися в предыдущем рейсе, оставив неизменными волокнистые и чешуйчато-пластинчатые типы наполнителей.

9. Для оценки эффективности закупоривания каналов поглощения бурового раствора с применяемыми типами наполнителей следует периодически определять положение динамического и статического уровней. Если происходит постоянное повышение уровней, бурение следует вести с выбранными типами наполнителей. При неизменном положении уровней необходимо увеличить фракционный состав наполнителей или приступить к другим способам изоляционных работ.

10. Очистку бурового раствора от наполнителей можно начинать только после полного восстановления циркуляции и углубление скважины не менее, чем на 50 м ниже подошвы поглощающего горизонта. Одновременно следует увеличивать производительность буровых насосов до установленной техническим проектом.

2.1.15 Способы намыва (доставки) наполнителей в зону поглощения

Намыв наполнителей в зоны интенсивных поглощений через воронку, установленную на устье.

Рисунок 10: Схема ввода наполнителей через воронку

Способ позволяет использовать наполнители с размерами частиц до 60…80 мм. Технология намыва крупного наполнителя может производиться по двум технологическим схемам:

· при постепенной закачке жидкости (бурового раствора, тампонажной смеси);

· порциями с последующей продавкой после того, как в бурильных трубах скопится достаточный объем наполнителя.

Для этого открытый конец бурильных труб устанавливают на 10-15 м выше кровли поглощающего горизонта. Наполнитель подают в воронку, установленную на устье скважины, одновременно с подачей бурового раствора через ведущую трубу буровым насосом или через отвод цементировочного агрегата. При восстановлении циркуляции ведущая труба наворачивается на бурильный инструмент.

По аналогичной схеме намывают наполнители типа дробленая резина, кордового волокна, дробленого известняка, кошмы, керамзита. Метод намыва наполнителей через воронку может применяться в скважинах, где статический уровень жидкости находится на глубине не менее 50 м.

Основным преимуществом способа намыва жидкости через воронку является возможность применения наполнителя с максимальными размерами частиц. Максимальный размер частиц наполнителя должен составлять не более 1/3 от минимального внутреннего диаметра бурильной колонны.

При намыве крупного наполнителя необходимо выполнять следующие условия:

· до начала намыва крупного наполнителя надо нормализировать процесс движения жидкости по бурильным трубам в пласт предпочтительно при добавке мелкого наполнителя;

· ввод крупного наполнителя должен быть постепенным и равномерным при установленной постоянной подаче бурового раствора в бурильные трубы;

· добавка наполнителя не должна превышать 10% (по объему к объему закачивающей жидкости);

· количество наполнителя, поданного в трубу при намыве первой порции, не должно превышать 2…5 т;

· после намыва первой порции наполнителя необходимо ее продавить до зоны поглощения. Затем открытым концом инструмента определить местоположение образовавшегося осадка;

· при наличии осадка его необходимо разрушить вращением инструмента с промывкой.

Способ намыва наполнителей с помощью цементировочных агрегатов. Приводимый способ имеет широкое применение. Большинство зон поглощения при бурении скважин через известняки имеют поглощающие каналы мелкого и среднего размера (1…2 и 5…7 мм). В связи с этим буровые предприятия используют наполнители с малыми размерами частиц, которые способны прокачиваться насосами цементировочных агрегатов. Наибольшее применение имеют наполнители: опилки, кордное волокно, резиновая крошка, слюда, кожа-горох, ореховая скорлупа и т.д.

Использование цементировочного агрегата дает возможность закачать раствор с наполнителем в скважину под высоким давлением с регулируемой подачей, не вызывая гидроразрыва пласта. Такой процесс изоляции применяется там, где ствол скважины подготавливается для бурения на растворах высокой плотности или в скважинах, в которых при цементировании обсадных колонн происходят гидроразрывы пород. Намыв наполнителей с помощью ЦА целесообразно применять до получения первых признаков начала снижения интенсивности поглощения или роста уровня жидкости в скважине.

2.1.16 Установка мостов

Целью установки мостов является:

· ликвидация поглощений буровых и тампонажных растворов;

· получение в скважине устойчивого водогазонепроницаемого цементного стакана (моста) определенной прочности для перехода на вышележащий объект;

· забуривание нового ствола скважин;

· укрепление кавернозной части ствола скважин;

· ликвидация желобных выработок;

· ликвидация нефтегазоводопроявлений;

· консервация или ликвидация скважин.

Установкой моста называется операция по доставке тампонажной смеси в определенный интервал ствола скважин и удержание ее там до схватывания.

Технологический процесс установки моста и его качество зависит от ряда условий. К этим условиям относят:

· поглощение или нефтегазопроявления в интервале установки моста;

· большая кавернозность ствола скважины;

· высокие градиенты пластового давления между разобщаемыми пластами;

· состав флюидов и их свойства в поглощающих или проявляющих горизонтах;

· температуры и давления в интервале установки моста.

Поскольку мосты выполняют конкретные задачи, к ним предъявляются следующие требования:

· долговечность, коррозионная устойчивость;

· герметичность;

· прочность;

· несущая способность;

· интервал расположения моста;

· минимальное время схватывания после доставки тампонажного материала в интервал установки моста.

Указанные требования обусловлены конкретными геолого-технологическими условиями и назначением моста. Логично, что требования к надежности и долговечности, герметизирующей способности и прочностным свойствам цементных мостов должны соответствовать требованиям, предъявленным к крепи скважины [5].

Несущая способность моста зависит от его высоты, толщины слоя фильтрационной корки на стенке скважины. При удалении рыхлой части глинистой корки достаточна высота моста 25-30 м, а при ее наличии необходимая высота моста может увеличиваться до 250 м. Герметичность моста зависит от высоты, состояния поверхности контакта, т.к. давление, при котором происходит прорыв флюида, прямо пропорционально длине моста и обратно пропорционально толщине корки.

Мосты должны быть прочными. Если при испытании на прочность мост не разрушается при создании на него удельной осевой нагрузки 3-6 МПа, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям забуривания нового ствола. К мостам для забуривания нового ствола предъявляются дополнительные требования по высоте. Это обусловлено тем, что прочность верхней части моста должна обеспечить возможность забуривания нового ствола с определенной интенсивностью искривления, а нижняя часть должна надежно изолировать старый ствол.

2.1.17 Тампонажные смеси и пасты для изоляции зон поглощений

Для изоляции зон поглощения в настоящее время широко применяют различные тампонажные смеси и пасты, получаемые на неорганической основе вяжущих материалов (гипсов, цемента), полимерных соединений, глинистого раствора с добавками наполнителей и химических реагентов.

Опыт борьбы с поглощением буровых и тампонажных растворов показывает, что успех изоляционных работ в большей степени зависит от свойств и качества применяемых тампонирующих смесей. Успех работ по перекрытию каналов ухода бурового и тампонажного растворов в пласте зависит от структурно-механических свойств тампонажных смесей, правильно подобранных рецептур и технологии доставки их в скважину.

Рисунок 11: Классификация тампонажных смесей для изоляции зон поглощений

К тампонажным смесям, применяемым для изоляции зон поглощения предъявляют следующие требования [6]:

· тампонажная смесь должна обладать хорошей текучестью и сохранять ее в течении времени, необходимого для закачивания и продавки в каналы поглощающего пласта;

· плотность смеси должна быть близкой к плотности бурового раствора, что в меньшей степени нарушает равновесие в системе скважина-пласт;

· сроки схватывания, а также пластическая прочность смеси должны легко регулироваться, время начала схватывания смеси должно превышать время, необходимое для доставки смеси в намеченный интервал и продавливание ее в пласт, на 20-25 %.

· Тампонажные смеси должны:

· образовывать в порах и трещинах горных пород тампонажный камень или прочный тампон;

· при твердении (упрочнении) не давать усадки с образованием трещин и быть непроницаемыми для жидкостей и газов;

· проникать в поры и микротрещины при избыточном давлении, но в то же время не растекаться в трещинах под действием собственной массы;

· обладать хорошей сцепляемостью со стенками трещины (поры);

· обладать закупоривающей способностью вследствии изменения физико-механических свойств в процессе движения;

· быть устойчивыми к седиментации;

· не должны ухудшать изоляционные свойства при взаимодействии с пластовыми водами поглощающего горизонта;

· оказывать на тампонируемые породы закрепляющие действие;

· смесь должна сохранять стабильность при температуре и давлении в условиях в изолируемом горизонте;

· после закачки в зону поглощений смесь должна быстро схватиться и приобрести в минимальные сроки достаточную прочность (не менее 0,5-1,4 МПа при испытании образцов на сжатие через 8-16 часов);

· смесь должна быть устойчивой к разбавлению пластовыми водами.

2.1.18 Свойства тампонажных смесей

Выбор тампонажных смесей производят по их структурно-механическим и реологическим показателям:

· подвижности (консистенции);

· срокам схватывания;

· времени загустевания;

· водоудерживающий способности;

· плотности смеси и прочности образующегося камня.

Подвижность тампонажной смеси определяет возможность ее прокачивания в скважину. От степени подвижности смеси зависит величина гидравлических сопротивлений при прокачивании ее по стволу скважины и каналу поглощающего горизонта. Гидравлические сопротивления могут быть рассчитаны, если известны реологические параметры тампонажной смеси : пластическая вязкость ??, статическое и и динамическое ф₀ напряжение сдвига.Эти величины определяют с помощью капиллярного или ротационного вискозиметра.

При проведении изоляционных работ очень важно знать время, в течение которого тампонирующая смесь в условиях конкретной скважины сохраняет подвижность (прокачиваемость) и время, когда смесь превращается в камень. Скорость схватывания зависит:

· от состава и вида компонентов, а также их свойств;

· водосмесевого отношения;

· свойств жидкости затворения и наличия в ней химических реагентов;

· свойств флюидов, находящихся в изолируемом горизонте;

· температуры и давления в скважине.

Наиболее быстро тампонирующая смесь схватывается в состоянии покоя.

В статических условиях сроки схватывания определяют по методу Вика. Сроки загустевания и схватывания тампонирующих смесей в условиях заданных температур и давлений определяют в специальных установках [6].

Процесс схватывания тампонажной смеси, находящейся в движении, проявляется в увеличении динамического напряжения сдвига ф₀ и пластической вязкости ??, что приводит к росту гидравлических сопротивлений в трубах и кольцевом пространстве и к росту давления на насосах. Это может привести к остановке агрегата и оставлению смеси в трубах.

Водоудерживающая способность тампонажной смеси характеризует, с одной стороны, ее устойчивость как дисперсной системы, а с другой - способность к образованию тампонов в трещинах в процессе водоотделения. Для некоторых видов тампонажных растворов и смесей (цементных), водоудерживающую способность надо повышать, т.к. будет возникать разделение смеси на твердую и жидкую фазу. Седиментационная неустойчивость приводит к тому, что затвердевает только нижняя часть раствора или он вообще не схватывается. В других растворах, например, глиноцементных, водоотделение нужно увеличивать. Такие растворы в процессе течения по каналам интенсивно отфильтровывают воду в пористые стенки, что сопровождается ростом реологических параметров и прекращению движения смеси. Остановка раствора в канале вызывает образование плотного тампона. Чем интенсивнее водоотделение, тем активнее протекают эти процессы. Показателем водоудерживающей способности тампонажной смеси является водоотдача. Водоотдачу определяют на приборах ВМ-6.

Плотность тампонажной смеси определяет гидростатическое давление в скважине. Замеряется плотность ареометром АГ-ЗПП.

Седиментационаая устойчивость тампонажной смеси характеризуется коэффициентом водоотделения и измеряется в процентах. Определяется седиментационная устойчивость следующим образом. Исследуемый раствор наливают в два цилиндрических сосуда, имеющих мерные деления. Емкость сосудов по 250 см³. Смесь оставляют в покое на 3 часа. Затем по делениям на стенках сосудов определяют объемы жидкости, отделившейся от смеси. По результатам измерений вычисляют коэффициент водоотдачи в %:

(37)

где V₁ - первоначальный объем тампонажной смеси, см³;

V₂ - объем осевшей тампонажной смеси, см³.

Раствор считают достаточно устойчивым, если коэффициент водоотделения не превышает 2,5 %.

Необходимо понимать, что создать тампонажные растворы и смеси, отвечающие всем требованиям, практически невозможно. Например, составы, не растекающиеся в каналах горных пород, плохо прокачиваются. Седиментационная устойчивость дисперсных тампонажных растворов и смесей с уменьшением содержания твердой фазы падает. Выполняя то или иное требование, необходимо следить за тем, в какой степени будут соблюдаться другие требования. Геолого-технические условия работ и конкретные условия в изолируемом горизонте обычно диктуют основные требования, а другие могут соблюдаться не столь строго.

Наиболее распространенным способом изоляции поглощающих горизонтов является нагнетание тампонажных смесей в естественные каналы. Тампонажная смесь должна прекратить свое движение в каналах пласта при их заполнении на некоторое расстояние от ствола скважины. Связь между структурно-механическими свойствами смеси, величиной раскрытия каналов в пласте и избыточным давлением в системе ствол скважины - пласт описывается следующей зависимостью [6]:

И=??pr/a , (38)

где И - статическое напряжение сдвига, Па;

??P - избыточное давление на поглощающий пласт, Па;

r - необходимая глубина проникновения тампонажной смеси в пласт, мм;

a - раскрытие каналов (диаметр канала, ширина трещины), мм.

Наиболее простой способ определения структурно-механических свойств тампонажных смесей - измерение изменений ее пластической прочности во времени. По величине пластической прочности можно рассчитать статическое и динамическое напряжение сдвига, используя следующие зависимости:

И=0,25 P_пр (39)

ф₀=0,029 P_пр+0,51 (40)

где P_пр - пластическая прочность смеси.

Структурно-механические свойства следует выбирать так, чтобы тампонажная смесь проникла в глубь пласта по наиболее крупным поглощающим каналам на расстояние 1-5 метров при избыточном давлении 0,5-3,0 МПа.

Рекомендуемые значения структурно-механических свойств тампонажной смеси для различных величин раскрытия каналов поглощения приведены в таблице 17.

Таблица 15: Рекомендуемые значения структурно-механических свойств тампонажной смеси для различных величин раскрытия каналов поглощения

Раскрытие каналов, мм	Статическое напряжение сдвига и, Па	Пластическая прочность Pпр, МПа
1	50-250	200-1000
3	140-660	560-2640
5	250-1250	1000-5000
10	500-2500	2000-10000
20	1000-5000	4000-20000

Структурно-механические и реологические параметры тампонажных смесей регулируются количественным соотношением компонентов в смеси, а также добавкой определенных наполнителей и химических реагентов.

Поскольку параметры, характеризующие поглощающие горизонты, не одинаковы, то составы смесей подбираются для каждого конкретного поглощающего пласта. Перед началом операции по закачке тампонажной смеси (установке моста) необходимо определить сроки загустевания и схватывания тампонажной смеси.

2.1.19 Виды тампонажных смесей и их рецептуры

Смеси на основе тампонажных цементов

Значительное число операций по изоляции поглощающих горизонтов производится закачкой растворов, смесей, паст, приготовленных на основе тампонажных цементов.

Раствор, получаемый в результате затворения тампонажного цемента водой (или другой жидкостью), обработанной химическими реагентами для повышения качества смеси и камня или облегчения проведения технологического процесса, называют тампонажным.

Тампонажные растворы применяют для изоляции поглощающих горизонтов, разобщения пластов, проведения ремонтных работ в скважинах при широком диапазоне условий:

· при температурах -15 до 250 ⁰С;

· при давлении - 1,5 - 200 МПа;

· условных диаметров каналов и трещин поглощающих горизонтов от долей миллиметра до десятков сантиметров и протяженностью до нескольких сотен метров;

· при наличии в разрезе скважин разнообразных видов пород, которые могут быть прочными и рыхлыми, подверженнымигидроразрывам и другим видам нарушений.

В сочетании таких условий, применяя цементный раствор лишь одного типа, нельзя обеспечить герметичность заколонного пространства или надежно изолировать зону поглощения. Нужен ряд растворов, изготовляемых с учетом целей и условий их применения. Это растворы, приготовленные из разных цементов с обработкой химическими реагентами с использованием различных технологических схем приготовления. Тампонажные цементы, из которых изготовляют тампонажные растворы, смеси и пасты, классифицируются по следующим признакам [3]:

1. вещественному составу в зависимости от содержания добавок тампонажные цементы разделяются на группы:

· без добавок;

· с добавками.

2. по температуре применения (⁰С):

· для условий многолетнемерзлых пород

· для низких температур (до 15);

· для нормальных температур (15 - 50);

· для умеренных температур (50 - 100);

· для повышенных температур (100 - 150);

· для высоких температур (150 - 250);

· для сверхвысоких температур (> 250);

· для циклично меняющихся температур.

3. по плотности тампонажного раствора (кг/м³) тампонажные цементы делятся на группы:

· легкие (ниже 1400);

· облегченные (1400 - 1650);

· нормальные (1650 - 1950);

· утяжеленные (1950 - 2300);

· тяжелые (>2300).

4. по устойчивости тампонажного камня к агрессии пластовых вод тампонажные цементы разделяются на группы:

· устойчивые только к хлоркальциево-натриевым водам;

· устойчивые к сульфатным водам, а также к хлор-кальциево-натриевым;

· устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) водам;

· устойчивые к магнезиальным водам.

5. по видам жидкости затворения.

Быстросхватывающиеся смеси БСС [6]. Для сокращения сроков схватывания и получения высокой прочности цементного камня на ранней стадии твердения, в тампонажный цементный растворна основе портландцемента вводят ускорители схватывания: хлористый кальций, кальцинированную соду, углекислый калий (поташ), хлористый алюминий, хлористый натрий, сернокислый глинозем, жидкое стекло, каустическую соду, высокоминерализованную пластовую воду хлоркальциевого типа и др.

Количество вводимых ускорителей обычно не превышает 6 - 8% от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Время ожидания затвердевания БСС в 3 - 4 раза меньше, чем в тампонажных растворах без добавок ускорителей.

Так как ускорители часто поступают на промыслы в виде водного раствора, то при приготовлении БСС необходимо знать концентрацию сухого вещества.

Плотность водного раствора ускорителя необходимо проверять непосредственно на буровой, т.к. при хранении и перевозке в открытой таре возможна его конденсация или разбавление атмосферными осадками.

Водные растворы ускорителей схватывания можно добавлять в воду затворения цемента и в цементный раствор, а порошкообразные ускорители - в сухую цементную смесь.

Цементные растворы с содержанием 8 - 10 % хлористого кальция [3] могут быть рекомендованы для изоляции высокопористых или мелкотрещиноватых пород, однако успешность изоляционных работ может быть достигнута в том случае, если в период транспортировки раствора к зоне поглощения не произойдет его разбавление водой.

БСС могут быть получены на основе специальных цементов - глиноземистого, гипсоглиноземистого и пуццоланового.

Глиноземистый цемент используют как добавку к тампонажному цементу в количестве не более 10 - 20 % от массы смеси. При этом начало схватывания при водоцементном отношении равным 0,5 может быть снижено до 20 мин. Предел прочности при твердении в пластовой воде через 2 сут составляет 1,4 - 1,7 МПа. При вводе в глиноземистый цемент до 4 % фтористого натрия время до начала схватывания составляет 35 мин, при этом растекаемость, плотность смеси и прочность камня изменяются незначительно. Гипсоглиноземистый цемент из-за высокой стоимости чаще применяют в смеси с другими цементами. Так, быстросхватывающуюся расширяющуюся смесь можно получить при добавлении 20 - 30 % гипсоглиноземистого цемента в тампонажный, при этом расширение камня составляет до 5%. Для облегчения такой смеси в нее добавляют до 30% доломита с влажностью не более 6%, при водоцементном отношении равным 0,8 плотность 1,55 г/см³, а начало схватывания находится в пределах от 50 мин до 1 ч 25 мин. Расширяющийся быстросхватывающийся цемент с началом схватывания до 20 мин можно получить введением в глиноземистый цемент до 25 % строительного гипса.

Пуццолановый цемент получают добавлением к тампонажному цементу активных минеральных добавок (опока, трепел) в количестве 30 - 50 % от массы цемента. Для регулирования сроков схватывания используют ускорители схватывания (хлорид кальция, кальцинированная сода и др.) в количестве 4 -6 % от массы сухой цементной смеси. Пуццолановые смеси отличаются более интенсивным загустеванием и меньшей плотностью (1,65 - 1,70 г/см³) по сравнению с цементными растворами без активных минеральных добавок.

Тампонажный раствор с высоким показателем фильтрации (ТРВВ) [6].

ТРВВ рекомендуется применять для изоляции зон поглощения бурового раствора в трещиноватых породах.

При приготовлении ТРВВ предпочтительно использовать глинистый раствор, не обработанный химическими реагентами. В цементный раствор следует вводить до 3% хлористого кальция к массе сухого цемента. Для повышения закупоривающей способности в ТРВВ добавляют инертные наполнители.

Основными показателями, определяющими изоляционные свойства ТРВВ, являются показатель фильтрации, толщина фильтрационной корки и пластическая прочность.

...