Виды бурового раствора

В процессе реализации работ по вращательному бурению нефтяных и газовых скважин в обязательном порядке применяются специальные промывочные жидкости, которые обозначаются единым определением – «буровой раствор». Однако этот термин является весьма обобщенным и подразумевает по своему смыслу целый ряд технических жидких сред, которые по своему составу и способу получения могут быть как простыми на водной основе, так и сложными многокомпонентными составами с разными характеристиками и физико-механическими свойствами.

Буровые растворы имеют комплексное целевое предназначение:

удаление частиц выбуренной породы из зоны бурения и забоя в целом;
удерживание частиц бурового шлама во взвешенном состоянии в моменты остановки циркуляционного движения раствора в забое;
обеспечение эффекта противодавления на пласт;
передача гидравлической мощности к бурильным двигателям в забое;
охлаждение бурильного долота и облегчение деформации призабойной зоны пласта;
обеспечение физико-химического воздействия на стенки скважины с целью предупреждения их разрушения и обрушения;
содействие образованию глинистой корки на стенках скважины;
обеспечение проницаемости продуктивных пластов при их вскрытии и пр.

Чтобы буровые растворы могли качественно выполнять свои функции и быть технологичными, к ним предъявляются определенные требования:

отсутствие загрязняющего воздействия на разрабатываемые пласты;
способность легко очищаться от шлама и дегазироваться;
способность к гибкому регулированию и восстановлению своих свойств;
достаточная термостойкость и химическая устойчивость (солестойкость);
экологичность;
доступность.

Буровые растворы, применяемые в качестве промывочных жидкостей при вращательном бурении нефтяных и газовых скважин, классифицируются следующим образом:

растворы на водной основе – это техническая вода, естественные буровые растворы, а также растворы на глинистой (бентонитовой) и неглинистой основах;
растворы на углеводородной основе;
растворы на основе эмульсий;
растворы (агенты) газообразные и аэрированные.

Рассмотрим особенности наиболее распространенных типов буровых растворов:

Техническая вода – это самый доступный и дешевый вид промывочной жидкости. Преимущества: незначительная вязкость; способность легко прокачиваться и циркулировать в системе скважины; способность эффективно удалять буровой шлам с забоя скважины; более эффективное по сравнению с другими типами промывочных жидкостей охлаждение бурильного долота. Недостатки: плохая способность удерживать шламовые частицы, что особенно актуально при прекращении циркуляции; не образует упрочняющего слоя на стенках скважины; низконапорные пласты являются весьма проницаемыми для технической воды; может проявляться чрезмерное набухание глинистых пород; ухудшается проницаемость нефтяных и газовых коллекторов.
Естественный буровой раствор – это суспензия на водной основе, которая образуется непосредственно в скважине за счет измельчения шлама горной породы, разбуриваемой с помощью воды. Преимущества: существенное снижение потребности в привозных материалах и соответственно значительное сокращение расходов на подготовку и обработку буровых растворов, что делает данный тип растворов одним из наиболее дешевых вариантов. Недостатки: высокая чувствительность естественных буровых растворов к минералогическому составу и природным особенностям разбуриваемых пород, а также способу и режимам бурения, типу бурильного инструмента. Кроме этого, данный тип промывочной жидкости часто демонстрирует повышенное содержание абразивных частиц. Таким образом, наиболее рациональной областью применения естественных буровых растворов являются случаи, когда по геолого-стратиграфическим условиям можно обойтись промывочной жидкостью рядового качества, т.е. без каких-либо специальных технологических свойств.
Глинистые буровые растворы – это наиболее распространение виды промывочных жидкостей, используемых при бурении скважин. Для глинистых растворов наибольший интерес представляют только три группы глинистых минералов, а именно: бентонитовые (монтмориллонитовые), каолиновые (каолинитовые) и гидрослюдистые (иллитовые) глины. Наиболее оптимальным комплексом свойств с точки зрения бурильных работ обладают бентонитовые глины, которые обеспечивают возможность получения из 1 тонны исходного бентонита в среднем 15 куб. метров качественной глинистой промывочной жидкости. Преимущества глинистых растворов: глинизирование стенок скважины с образованием на их поверхности тонкой и плотной корки, препятствующей проникновению фильтрата в пласты; высокая плотность и вязкость, что создает благоприятные условия для удержания раствором бурового шлама даже в состоянии покоя, при этом исключается оседание шламовых частиц на забой при вынужденных простоях в процессе промывки. Недостаток: затрудненное отделение частиц выбуренной породы из глинистого бурового раствора в общей циркуляционной системе промывочной жидкости.
Безглинистые буровые растворы, также называемые растворами с конденсированной твердой фазой – также как глинистые приготавливаются на водной основе. При этом дисперсная фаза в растворах данного типа образуется за счет химического взаимодействия компонентов раствора, как правило, магнийсодержащих солей и щелочей. В результате такого взаимодействия раствор приобретает гелеобразное состояние с высоким показателем седиментационной устойчивости. Раствор такого типа надолго сохраняет на стабильном уровне свои структурно-механические свойства не зависимо от характера минерализации. В связи с этими особенностями безглинистые синтетические растворы применяют при бурильных работах, когда требуется организовать высокую стабильность стенок скважины.
Буровые растворы на углеводородной основе – это многокомпонентные системы, в которых несущей дисперсионной фазой является нефть или жидкие углеводороды на ее основе, например дизельное топливо, а в роли взвешенной дисперсной среды может выступать окисленный битум или специальный гидрофобизированный глинистый минерал.

Параметры буровых растворов

Ключевыми параметрами буровых растворов являются: плотность, вязкость, показатель фильтрации, статическое напряжение сдвига, стабильность, суточный отстой, содержание песчаной фракции, водородный показатель.

Плотность. Для разных видов буровых растворов плотность варьируется в широком интервале значений, например, у растворов на углеводородной основе — 890…980 ед., у малоглинистых растворов — 1050…1060 ед., для утяжеленных буровых растворов — до 2200 ед. и выше.
Вязкость – это свойство, характеризующее способность раствора оказывать сопротивление его движению.
Показатель фильтрации – способность раствора в определенных условиях насыщать водой пористые разновидности пород (при снижении в растворе содержания свободной воды и уменьшении в нем концентрации глинистых частиц способность раствора к проникновению в пласты возрастает).
Статическое напряжение сдвига – свойство, характеризующее усилие, которое необходимо приложить к раствору, чтобы вывести его из состояния покоя.
Стабильность (седиментационная устойчивость) – способность раствора удерживать частицы во взвешенном состоянии.
Суточный отстой – количество воды, выделяющееся из раствора в течение суток при условии его неподвижного хранения. Высокостабильные растворы характеризуются нулевым показателем суточного отстоя.
Содержание песчаных фракций – параметр, характеризующий содержание в растворе частиц породы и глиноподобных комков, не способных растворяться в воде.
Величина водородного показателя (рН) – характеризует щелочность применяемой промывочной жидкости.