При сооружении любой выработки будь то скважина или шахта производится разрушение горной породы и извлечение ее на поверхность. Вынос породы из глубоких скважин осуществляется промывочной жидкостью – буровым раствором, циркулирующим в стволе.
При бурении скважины раствор выполняет нескольких важных функций.
Вырываясь под давлением из насадок бурового долота раствор размывает рыхлые породы на забое скважины.
Раствор захватывает частички разрушенной долотом породы и удерживая их во взвешенном состоянии поднимает на устье скважины.
Гидростатическое давление столба бурового раствора препятствует поступлению в скважину пластовых флюидов и газов, предотвращая их выброс на поверхность.
Образуя корку, закрывающую поры пород раствор укрепляет стенки скважины и уменьшает потери от фильтрации в пласты.
Раствор охлаждает и очищает долото, увеличивая срок его службы и эффективность работы.
Уменьшение трения бурильной колонны о стенки скважины за счет циркулирующего раствора облегчает проходку.
Для выполнения этих функций буровой раствор должен обладать определенными свойствами.
Плотностью раствора регулируют давление гидростатического столба на забой скважины. А плотность, как мы знаем — это масса вещества, содержащаяся в единице объема (г/см3).
Отбор проб для определения плотности производят на выходе раствора из блока очистки циркуляционной системы после дегазации и освобождения от шлама.
Устройство безамбарной циркуляционной системы описано в статье: «Безамбарное бурение».
Для измерения плотности могут быть использованы весы рычажные-плотномер. Действие прибора основано на уравновешивании моментов левой и правой сторон коромысла весов относительно опоры.
Также для замера плотности применяют ареометры – устройства, реализованные на законе Архимеда о выталкивающей силе.
Плотность буровых и тампонажных растворов замеряют ареометрами типа АБР.
Условная вязкость характеризует подвижность бурового раствора и измеряется временем истечения заданного объема раствора через калиброванную вертикальную трубку.
Вискозиметр Марша – это простой прибор, состоящий из воронки, мерной кружки, секундомера и термометра. Вязкость по Маршу определяют в секундах, за которые одна кварта (946 см3) бурового раствора вытекает из наполненной воронки.
Достаточная вязкость важна для удержания частиц шлама в растворе при выносе их из скважины и также способствует уменьшению поглощений. Осаждение шлама чревато прихватом бурильного инструмента.
Однако чрезмерная вязкость ухудшает очистку раствора, повышает гидросопротивления в циркуляционной системе.
Оптимальная вязкость находится в интервале 25-30 секунд. Верхний предел в 30 сек. соответствует растворам плотностью до 1,4 г/ см3. Вязкость более плотных систем может достигать 45 сек.
Статическое напряжение сдвига (СНС) определяет стабильность структуры раствора в неподвижном состоянии.
Величина СНС должна быть минимальной, но достаточной для удержания во взвешенном состоянии частиц выбуренных пород и утяжелителя. При больших значениях СНС ухудшаются условия очистки раствора от шлама и возрастает давление на забой и стенки скважины, что повышает вероятность осложнений.
Для определения СНС используют ротационный вискозиметр.
Принцип этого прибора основан на измерении усилия необходимого для вращения цилиндра в растворе. Чем выше СНС, тем больше сопротивление вращению, которое выражается числовыми значениями. Прибор состоит из измерительной части и электропривода, смонтированных на общей плите.
Динамическое напряжение сдвига (ДНС) — это усилие, которое необходимо приложить к раствору, чтобы вызвать его течение. ДНС характеризует удерживающую способность бурового раствора во время его циркуляции в скважине.
ДНС невозможно измерить непосредственно прибором и его определяет расчетным путем. Ротационным вискозиметром производят соответствующие измерения и по полученным данным строят график и делают расчеты.
Фильтрация или водоотдача – важнейшее свойство бурового раствора, обеспечивающее безаварийное ведение работ.
При промывке глинистым раствором, из-за перепада давления, на стенках скважины образуется глинистая корка из твердой фазы, содержащейся в растворе. Отфильтрованная жидкая фаза проникает в стенки скважины в количестве пропорциональном отфильтрованной твердой фазе.
Высокая водоотдача, особенно, при проходке слабосцементированных грунтов может привести к потере устойчивости стенок скважины и обрушению.
Прибор для определения водоотдачи состоит из плунжера с грузом, вставленного в напорный цилиндр, стакана с фильтром и поддона.
Плунжер создает избыточное давление в фильтрационном стакане с раствором. Водоотдача измеряется количеством фильтрата, выделившегося из раствора через стандартный бумажный фильтр за 30 минут при перепаде давления 0,1 МПа.
Показатель фильтрации варьируется от 2 до 10 см3 и контролируется добавлением в раствор понизителей водоотдачи: углещелочных реагентов, сульфитно-спиртовой барды, целлюлозных производных, модифицированного крахмала.
Концентрацию песка определяют отношением объема песка к общему объему бурового раствора. Песком считаются все грубодисперсные частицы различного минералогического состава. В том числе и комочки нераспустившейся глины.
Отмытым песком являются собственно песчаные частицы, неразмокаемые в воде.
Количество песка характеризует степень загрязнения бурового раствора грубодисперсными фракциями.
Для определения процентного содержания песка используют металлический отстойник типа ОМ-2.
Большое количество песка может стать причиной осложнений, таких как снижение скорости проходки, увеличение фильтрационных потерь с последующим обрушением стенок скважины, увеличение трения инструмента. Также песок интенсивно изнашивает рабочие органы насосов и трубные соединения. Поэтому содержание песка не должно превышать 1%.
Продолжение читаем в статье: «Параметры бурового раствора (продолжение)».