автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка методологии использования промывочных жидкостей при бурении в глинистых отложениях

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА

На правах рукописи

КОЛТЫГИНА Татьяна Ивановна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИ БУРЕНИИ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ

Специальность 05.15.10. - "Бурение скважин"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-1997

• Работа выполнена на кафедре бурения нефтяных и газовых скважин Государственной Академии нефти и газа им. И.М. Губкина'

кандидат технических наук, доцент В.И. Балаба

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор А.Г.Потапов (ВНИИГаз); кандидат технических наук Е.А. Коновалов (РАО "Газпром"). Апрелевское отделение Всероссийского научно-исследовательского геолого-разведочного нефтяного института

Защита состоится оч _ 1997 г. в 15.00 часов вауд. 731 на

заседании диссертационного Совета К.053.27.08 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Государственной .Академии нефти и газа имени И.М. Губкина (ГАНГ им. И.М. Губкина) по адресу: 117917, Москва ГСП-1, Ленинский просп., 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАНГ им.

И.М. Губкина.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., проф.

А.О. Палий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Увеличение средней глубин« скважин, а также необходимость вовлечения в разведку и разработку площадей со сложными инженерно-геологическими условиями, предопределяют усложнение конструкции скважин и технологии их бурения. В этой ситуации обеспечение качества строительства скважин предполагает повышение научной обоснованности проектных и управленческих решений. Это обусловлено также и постоянно возрастающим требованием безопасности и надежности функционирования производственных объектов.

Выбор варианта технологии бурения скважины, который обеспечивает требуемую надежность достижения проектного качества скважины, предполагает высокую степень формализации описания составляющих ее процессов. В первую очередь это относится к промывке скважины, которая в отличие от других технологических процессов, в меньшей степени поддается формализованному (количественному) описанию. Причем данная задача должна быть решена в первую очередь при бурении в глинистых отложениях. Это обусловлено тем, что:

- на глинистые породы приходится примерно 70% от общего объема проходки и до 99% зон осложнений, связанных с деформационной неустойчивостью ствола скважины;

- специфика глинистых пород состоит в высокой чувствительности к технологии промывки, в частности, к составу и свойствам буровых промывочных жидкостей. Поэтому в качестве предмета исследования в настоящей работе выбрана технология промывки ствола скважины применительно к бурению в глинистых отложениях.

Работа выполнена на основе исследований, проведенных в рамках госбюджетных НИР "Гель-технология рабочих жидкостей, применяемых при бурении, заканчиванни и капремонте глубоких скважин в сложных геологи- . ческих условиях" и '"Методические основы оценки экологической безопас-

ности скважин как горнотехнических сооружений", соисполнителем которых автор являлась в 1994-1996 годах.

Цель работы. Повысить эффективность технологии промывки скважин в глинистых отложениях на основе системного анализа технологии промывки и за счет улучшения информационного обеспечения проектных и управленческих решений.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были определены следующие основные задачи:

1. Провести системный анализ технологии промывки скважины.

2. Разработать принципы проектирования эффективной технологии промывки скважины.

3. Разработать предложения по информационному обеспечению технологии промывки скважин.

4. Изучить механизм взаимодействия буровых промывочных жидкостей (БПЖ) с глинистыми породами и на его основе разработать рекомендации по их кондиционированию.

Научная новизна. На основе системного анализа технологии промывки скважины как горнотехнического сооружения в недрах Земли и собственных экспериментов:

- предложено проектирование технологии промывки скважины начинать с обоснования качества промывочной жидкости;

- установлено, что возможные пределы изменения ингибирующих и диспергирующих свойств промывочных жидкостей на водной основе различного компонентного состава практически одинаковы; •.

- показано, что механизм ингибирующей способности калиевых промывочных жидкостей в глинистых породах, содержащих минералы группы смектита, включает два этапа: на начальном этапе их взаимодействия разупрочнение глинистых пород обусловлено только процессом их увлажнения,

на следующем - возрастающим влиянием гидрослюдизацин глинистых минералов.

- разработана интерактивная база данных (ИБД) "Промывка скважин" и внесены дополнения в терминологию отраслевого стандарта.

Практическая ценность. Предложенная методология использования буровых промывочных жидкостей позволяет повысить надежность проектных и управленческих решений при одновременном упрощении процедуры их принятия.

Разработанная интерактивная база данных позволяет повысить эффективность информационного обеспечения технологии промывки скважин, а также упростить решение практических задач.

Результаты экспериментальных исследований позволяют рационализировать кондиционирование буровых промывочных жидкостей за счет использования в качестве контролируемых параметров показателей набухания и пропитки.

Реализация работы. Основные положения диссертации используются в учебном процессе кафедры бурения и Учебно-исследовательского центра по проблемам повышения квалификации ГАНГ им И.М. Губкина.

ИБД "Промывка скважин" используется АО "Сибирская технологическая компания" (г. Нижневартовск).

Апробация работы. Вопросы, составившие содержание работы, докладывались на семинарах повышения квалификации инженеров-производственников, научном семинаре кафедры бурения нефтяных и газовых скважин ГАНГ им.И.М. Губкина," на Международной научно-технической конференции молодых-ученых и специалистов "Молодежь и научно-технический прогресс-9б"(г. Ашхабад) и на Научно-техническом совете Апрелевского отделения ВНИГНИ.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 2 научно-технических отчетах и 7 публикациях, в том числе: в учебно-

методическом пособии "Экологические проблемы строительства скважин" (изд-во "Нефть и газ").

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов и основных выводов. Общий объем работы ¿ii страниц машинописного текста, включая 11 рисунков, 27 таблиц, список использованной литературы из 123 наименований источников.

Отдельные главы диссертации обсуждались на разных этапах с сотрудниками кафедры бурения нефтяных и газовых скважин ГАНГ им. И.М. Губкина д.т.н., проф. В.И. Крыловым и к.т.н., доц. JI.B. Борисенко. Автор выражает им искреннюю благодарность'.

Автор благодарит своих коллег - сотрудников кафедры бурения ГАНГ им. И.М. Губкина за оказанное внимание и поддержку при выполнении диссертационной работы.

Особую благодарность автор выражает своим руководителям к.т.н., доц. В.И. Балабе и академику РАЕН, зав. кафедрой, д.т.н., проф. O.K. Анге-лопуло.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе диссертации проведен анализ научных и практических результатов использования промывочных жидкостей при бурении в глинистых отложениях для обоснования цели и задач исследования.

Показано, что различные аспекты технологии промывки скважин с позиции повышения ее эффективности являются предметом достаточно обстоятельных исследований. Несмотря на это, технология промывки скважины как объект управления относится к числу слабоструктурированных задач, поскольку в настоящее время существует формализованное описание (модели) лишь отдельных ее элементов, простое суммирование которых не дает целостной картины данного технологического процесса. Кроме того, многочисленность требований к процессу промывки скважин, имеющих зача-

стую взаимоисключающий характер, затрудняет выбор наилучшего из возможных вариантов технологии.

На современном этапе развития технологии промывки скважин с целью взаимоувязки различных ее элементов на стадии разработки и реализации проекта актуальным представляется сочетание экспертно-эвристических, основанных на личном опыте, и математических методов принятия решений с постепенным усилением роли последних.

Необходимыми условиями для этого являются совершенствование представлений о процессе промывки скважины как о целостном объекте и единство методологического подхода к использованиой совокупности приемов анализа и управления.

Исходя из этого, автором сделан вывод о необходимости разработки методологии (общих принщшов) использования буровых промывочных жидкостей, основанной на системном анализе технологии промывки скважины.

Эффективность использования БПЖ во многом зависит от качества используемой в процессе управления информации (проектной и оперативной), достоверности теоретических представлений о механизме возможных осложнений, связанных с реализуемой технологией промывки скважины, и совершенства технологических и технических решений по предотвращению этих осложнений. Поэтому при формулировании задач, подлежащих решению в рамках настоящего исследования, автором рассмотрены три аспекта проблемы: специфика бурения в глинистых отложениях, теоретические представления о путях повышения эффективности промывки скважин в глинистых отложениях и технология проектирования промывки скважин.

Специфические особенности глинистых пород, главной из которых является способность разупрочняться под воздействием фильтрата БПЖ, обусловливают две проблемы, которые неизбежно возникают при бурении в глинистых отложениях: деформационная неустойчивость стенок скважины и диспергирование глинистого шлама в промывочной жидкости.

Профилактика осложнений деформационного характера связана в первую очередь с использованием ингибирующих разупрочнение буровых промывочных жидкостей, которые представлены преимущественно минерализованными системами.

Анализ опыта бурения скважин показывает, что зачастую даже в пределах одной площади разбуривание глинистых отложений на протяжении многих лег осуществляется с использованием различных по составу и свойствам промывочных жидкостей, хотя опыта бурения первого десятка сквасит вполне-достаточно для отработки оптимального варианта промывки скважин.

Основными причинами такого положения являются отсутствие удобных для практического применения объективных критериев оценки эффективности буровых промывочных жидкостей, основанных на механизме их взаимодействия с глинистыми породами, а также использование широко варьирующихся непредставительных данных о прочностных и деформационных свойствах глинистых пород при решении практических задач, связанных с оценкой изменения конфигурации ствола скважины. Отсюда становится очевидной необходимость изучения механизма взаимодействия БПЖ с глинистыми породами и на его основе - разработки рекомендаций по кондиционированию БПЖ, повышения достоверности информации о свойствах глинистых пород, в том числе и за счет ее накапливания путем создания информационных банков данных.

На основании результатов проведенного в данном разделе анализа современного состояния проблемы сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во втором разделе диссертации изложены результаты системного анализа технологии буровых промывочных жидкостей, проведено исследование скважины как горнотехнического сооружения и промывки ствола как

технологического процесса строительства скважины, рассмотрены вопросы оценки его эффективности.

Показано, что системный анализ технологии буровых промывочных жидкостей может быть проведен только после выяснения места и роли процесса промывки скважины в системах вышележащего уровня.

Скважина как система представляет собой искусственно созданное единство целесообразно организованных в пространстве и времени и находящихся во взаимной связи технических и природных элементов. Поэтому имеет смысл представить ее как горнотехническое сооружение. При этом выдвижение на передний план сущностной характеристики скважины -сооружение, позволяет распространить на нее и присущие этому объекту свойства, методы его анализа и т.д. Это важно для определения степени надежности скважины на стадии проекта, строительства и эксплуатации, являющейся обязательной в соответствии с требованиями Правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности. С этой целью техническая и горная составляющие скважины должны, свою очередь, рассматриваться как системы.

Техническую систему можно представить состоящей из подсистем -обсадных колонн и совокупности элементов (обсадных труб, технологической оснастки обсадной колонны, цементной оболочки и т.д.)

Что же касается горной подсистемы, то выделение в разрезе скважины так называемых зон несовместимых условий бурения по существу представляет собой расчленение горной системы на отдельные подсистемы - интервалы бурения под соответствующие обсадные колонны.

Значимость торной подсистемы скважины особенно наглядно проявляется при бурении скважин в глинистых отложениях. При проводке скважины зокруг ствола формируется локальное поле с максимальной концентрации напряжений на стенке скважины. Поведение пород в этой области определяется соотношением их прочности и действующих напряжений. В

связи с высокой чувствительностью глинистых пород к увлажнению, одновременно с локальным полем напряжений около скважины формируется новое влажностное состояние горных пород, параметры которого зависят от новых неравномерных сжимающих напряжений и соотношения между термодинамическими активностями поровой воды и дисперсионной среды буровой промывочной жидкости.

Результаты проведенной в данном разделе оценки размеров нарушенной части горного массива показывают, что он может в 50 раз превышать номинальный диаметр скважины. При этом формирование нарушенной зоны наиболее интенсивно протекает в течение первых пяти суток после вскрытия глинистого пласта и практически завершается спустя 20-30 суток.

В диссертации на конкретных примерах показано, что ряд определений терминов технологического процесса промывки ствола скважин, регламентированных отраслевым стандартом ОСТ 39-076-79, не соответствует требованию однозначности их толкования и современному пониманию сущности этих процессов. Исходя из потребностей информационного обеспечения технологии промывки скважин и учитывая практическую значимость четкого определения терминов, внесены дополнения в терминологию отраслевого стандарта.

Кроме того, в диссертации предложено ввести понятие жизненного цикла буровых промывочных жидкостей как совокупности последовательных этапов изменения состояния системы, включающих: проектирование (подбор рецептуры), приготовление, кондиционирование и размещение (утилизация или захоронение).

Целесообразность рассмотрения проектирования как одного из этапов жизненного цикла БПЖ обусловлена тем, что как материальный объект промывочная жидкость на этом этапе еще не существует. Однако ее рецептура по сути представляет собой модель БПЖ, позволяющую прогнозировать свойства промывочной жидкости на последующих стадиях ее существова-

ни я. Что же касается этапа размещения, то отнесение его к технологии БПЖ продиктовано современным требованиям к экологичностн производственных процессов.

В диссертации на конкретных примерах рассмотрены вопросы эффективности технологии промывки и качества БПЖ. Показано, что современная номенклатура показателей свойств, используемых для оценки качества БПЖ, насчитывает не менее двух десятков наименований. Это объясняется как многообразием свойств промывочных жидкостей, так и использованием для характеристики конкретного свойства множества показателей, зачастую не-относящихся к функциональному назначению БПЖ.

Исходя из основных положений квалиметрии, предложено более четко разделить функции (способность выполнять определенную работу) и ограничения ( пределы, в рамках которых возможна реализация технологического процесса) процесса промывки сква;кин и упорядочить показатели свойств с целью соответствия их функциям.

В первом приближении перечень функций процесса промывки скважины предложено ограничить следующими: очищать скважину от выбуренной породы (шлама); создавать давление на породы, слагающие стенки скважины; подводить энергию к забойному двигателю и долоту, охлаждать долото.

В качестве ограничений должны использоваться показатели безопасности (опасные и вредные производственные факторы не должны превышать предельно допустимых уровней); экологичностн (техногенное воздействие на окружающую природную'среду должно соответствовать экологическим нормативам); экономичности (затраты на осуществление технологии, выраженные в стоимостной форме, должны быть минимальными).

Перечень функций и ограничений в зависимости от конкретных условий может быть увеличен, например, за счет ах расширенного толкования

или выделения ограничений, вытекающих из других, сопряженных с процессом промывки, технологических процессов.

Что же касается показателей, используемых для оценки качества промывочных жидкостей, то их предложено классифицировать на технологические (стандартизированные, например, по ОСТ 39-075-79) и специальные (нгстандартизированные), например, характеризующие ингибирующие, диспергирующие и др. свойства БПЖ.

В третьем разделе диссертации изложена методика исследований, приведено обоснование выбора объектов экспериментальных исследований (глин и буровых промывочных жидкостей), методик изучения ингибирующих и диспергирующих свойств БПЖ.

Объем экспериментальных исследований был определен, исходя.из потребностей разработанного алгоритма проектирования технологии БПЖ, и включал лабораторное определение технологических, ингибирующих и диспергирующих свойств промывочных жидкостей, а также рентгенострук-турный анализ глин.'

При обосновании выбора объектов экспериментальных исследований автор исходила из того, что способность разупрочняться при увлажнении в наибольшей степени свойственна минералам группы смектита. Поэтому основной объем экспериментальных исследований проведен с использованием саригюхского бентонита как характерного представителя глинистых пород. Для качественной оценки влияния на результаты исследования минералогического состава глин использовали также каолин и комовую полиминеральную глину. Результаты'рентгеноструктурного и химического анализа образцов исходных глин приведены в табл. 1.

Современная номенклатура БПЖ, разработанная во ВНИИКРнефти, включает 47 компонентных составов, относящихся к 15 видам буровых промывочных жидкостей. Для высокой представительности исследований в экспериментах в качестве исходного материала были использованы 12 разно-

Таблица I

Характеристика исследованных глин_

Тип глины Минеральный состав, % Емкость обменного комплекса, мг-экв/100 г

Монтмориллонит Каолинит Гидрослюда Общая По Na+ По Са2+

Бентонит 94 2 4 76 48 19

Каолин 3 89 8 24 7 12

Комовая полиминеральная • 37 21 42 43 ' 28 б

видностей промывочных жидкостей. .Их приготавливали на основе суспензии из модифицированных бентонитовых глинопорошков марки ПБМВ и ПБМГ. В качестве утяжелителя использовали барит.

Суть эксперимента состояла в том, что в промывочные жидкости добавляли компоненты, входившие в исходный состав, с целью получения как можно более широкого диапазона изменения технологических и специальных (показателя набухашм и показателя диспергирования) параметров. Результаты эксперимента приведены в табл. 2.

Поскольку в основе механизма разупрочнения глинистых пород лежит набухание глинистых частиц, ингибирующую способность исследованных промывочных жидкостей оценивали традиционным методом - путем определения показателя набухания Н, который характеризуется приращением объема глинопорошка, помещенного в прибор конструкции Жигача-Ярова, по сравнению с исходным. В качестве среды набухания использовали фильтраты промывочных жидкостей., ■

Диспергирующую способность промывочной жидкости определяют, как правило, путем измерения массы перешедшего в нее шлама, при интенсивном перемешивании в течение определенного интервала времени. Таким способом имитируются условия в стволе скважины. Однако этот способ с точки зрения его осуществления достаточно трудоемок и включает ряд one-

Харатсрисшка исслодонанмыч Ы1Ж

№ Ралюппдносгп Ш !Ж КОЛИ ICCT-ВО рецепта Р Р. кт/м' УВ.с М. мПа.с »п. Ih CMC,, дМл Cl IC'io, д! la Ф, см' II Д

Ишпбируюишс П11Ж

1 lijHcci копая 6 1182-1421 24-56 11,2-17,4 28-62 13-61 24-92 4-10. 1,42-2,18 1,12-1,42

2 Гписоилнссткоппя 3 1216-1324 26-64 10,7-21,6 17-48 8-24. IR-64 3-9. 1,52-2,74 1,16-1,54

.1 Хлоркалпепая 12 109-1-1346 24-42 8.4-17.5 12-24. 6-12. 8-36. 4-8. 1,34-2,56 1,24-1,66

4 Малосиликатиосолсиая 7 1221-1648 22-58 8,8-21,9 21-59 14-72 19-126 4-12. 1,41-2,29 1,14-1,52

5 Солснасыщсниая 9 1216-1680 27-78 10,6-22,7 14-39 5-11. ' 8-62. 3-9. 1,56-2,72 1,18-1,31

6 Малосмликатиая 7 1193-1354 23-72 9,3-20,7 22-67 14-81. 17-112 3-10. 1,58-2,48 1,18-1,34

7 Гилрогсльмагппсвая 8 1286-1732 23-48 7,4-15,4 11-41.' 4-11. 6-27. 5-12. 1,48-2,46 1,14-1,21

Неингибирующие БПЖ

8 Гуматная 16 1084-1620 22-48 7,9-13,6 16-33 3-9. 4-21. 5-12. 1,77-2,82 1,43-1,86

9 Пописахарндная 14 1068-1314 21-37 4.7-12,8 7-42. 6-11. 8-24. 4-8. 1,39-2,12 1,48-1,38

10 Лигносульфопатная 12' 1076-1584 22-42 5.8-16,3 8-51. 4-14. 7-39. 4-12. 1,53-2,66 1,14-1,49

11 1 kvinciicpi пруюшая 7 1042-1326 20-38 5,3-14.6 8-53. 10-14. 14-56. 4-10. 1,48-2,04 1,12-1,36

12 11олнмсрлмпюсульфопап1ая 8 1084-1564 22-46 6.8-17,4 9-46 9-16. 13-52. 4-8. 1,42-2.58 1,16-1,34

раций, которые существенно влияют на погрешность окончательного результата, в частности, выделение из промывочной жидкости шлама и измерение его массы.

С учетом явной корреляции между содержанием твердой фазы и пластической вязкостью промывочной жидкости в диссертации разработана методика оценки диспергирующей способности промывочных жидкостей, основанная на использовании этих параметров. В основе этой методики лежит косвенная связь между загущением и диспергированием. Для получения достоверных результатов была проведена предварительная отработка этой методики, включавшая изучение различных сочетаний концентраций за-шламляюшей добавки, длительности и интенсивности ее диспергирования. С учетом результатов этих исследований были установлены условия измерения пластической вязкости исследуемой промывочной жидкости, отношение конечной и начальной величины которой названо показателем диспергирования Д.

Для интерпретации экспериментальных данных по изучению ингиби-рующих и диспергирующих свойств промывочных жидкостей были привлечены результаты рентгеноструктурных исследований образцов глин после взаимодействия их с фильтратом БПЖ. Эти исследования, включая подготовку глинистых образцов, проводились по общепринятой методике.

Четвертый раздел диссертации посвящен разработке информационного обеспечения технологии буровых промывочных жидкостей, описаны

I

требования, предъявляемые к нему, а также приведена структура интерактивной базы данных "Промывка скважин".

Показано, что в общем случае информационное обеспечение технологии промывки скважин должно удовлетворять, в частности, показателям достоверности, неизбыточности, однозначности. Значимость каждого из них, которая определяется конкретной ситуацией, различна для исходной

(накопленной по предшествующим буровым работам) и оперативной (поступающей непосредственно во время реализации технологической операции) информации.

Специфика процесса промывки скважины как объекта управления состоит в том, что результат реализации управленческой директивы имеет вероятностный характер. Отсутствие достоверной информации о всей совокупности факторов, которые наряду с управляющими обусловили полученный результат, существенно снижает возможность оценки качества исходной и оперативной информации.

Из этого следуют два, имеющих практическое значение, вывода. Во-первых, проект технологии промывки ствола скважины должен быть выполнен в форме, допускающей его адаптацию в соответствии с реальными условиями (этот вопрос рассматривается в пятом разделе диссертации); во-вторых, информационное обеспечение технологии промывки должно обеспечивать возможность такой адаптации на основе предварительно установленных функциональных' зависимостей. С целью реализации последнего условия автором разработана интерактивная база данных (ИБД) "Промывка скважин". Она построена на основе прикладной программы Excel 5.0, которая позволяет для величин, представленных в виде таблицы, делать несложные математические расчеты, используя стандартные математические функции пакета, проводить статистическую обработку результатов экспериментов и регрессивный анализ, строить диаграммы и графики.

Структура ИБД принята двухуровневой. Первый уровень составляют банки данных (БД), второй - информационные массивы (ИМ). Для первой версии ИБД было" признано целесообразным ограничиться тремя банками данных: "Глинистые породы"; "Буровые промывочные жидкости" и "Источники информации", каждый из которых состоит из информационных массивов, перечень которых приведен в табл. 3.

Структура ИБД "Промывка скважин"

Банк данных Информационный массив

1. Глинистые породы 1.1. Минералогический состав пород 1.2. Физические свойства пород 1.3. Прочностные свойства пород 1.4. Деформационные свойства пород 1.5. Физико-химические свойства пород

2. Буровые промывочные жидкости 2.1. Рецептуры промывочных жидкостей 2.2. Свойства промывочных жидкостей

3. Источники информации 3.1. Нормативно-техническая документация 3.2. Техническая литература

Информационные массивы содержат соответствующие их тематике данные (табл. 4).

Вся информация, заносимая в ИБД, получает порядковый номер в пределах каждого информационного массива, а также идентификационный номер, позволяющий установить ее происхождение, исключить дублирование данных и вести поиск информации о конкретном объекте во всей базе данных.

В пятом разделе диссертации представлены результаты разработки общих принципов проектирования технологии буровых промывочных жидкостей на основе выводов, полученных в предыдущих разделах диссертации.

Центральным элементом современных методик проектирования технологии БПЖ является выбор* их типа, вида и разновидности. Однако анализ экспериментальных данных показал, что разделение промывочных жидкостей на ингибируюшие и неингибируюшие является произвольным, поскольку диапазоны изменения показателей набухания и диспергирования для БПЖ различного компонентного состава практически одинаковы (табл. 2).

Содержание информационных массивов

Наименование информационных массивов Содержание информационных массивов

Минералогический состав пород Название (тип) породы Месторождение и скважина Глубина залегания породы Глинистость породы Минералогический составе глинистых частиц

Физические свойства пород " Объемная плотность Удельная плотность Пористость Влажность

Прочностные свойства пород Предел прочности при одноосном сжатии Предел прочности при растяжении Предел прочности при срезе Сцепление ■

Деформационные свойства Модуль Юнга Модуль сдвига Модуль объемного сжатия Предел текучести Коэффициент Пуассона

Физико-химические свойства пород Емкость обменного комплекса Содержание щелочно-земельных элементов Содержание щелочных элементов Адсорбции глинистых частиц Коэффициент коллоидальности Удельная поверхность

Рецептуры промывочных жидкостей Дисперсионная среда (вода, углеводороды, растворимые химические соединения) Дисперсная фаза (активная твердая, высокомолекулярные соединения, утяжелитель) Смазочные добавки

Свойства промывочных жидкостей Технологические показатели Специальные показатели

Поэтому автором предложено изменить структуру проектирования технологии БПЖ, приняв в качестве основных принципов ее построения четкое разграничение между технологическими и специальными параметрами, приоритет количественных показателей свойств БПЖ над качественными (описательными) и формализованное представление количественных показателей свойств БПЖ. Сущность этапов проектирования сводится к следующему.

Начинать проектирование целесообразно с обоснования плотности промывочной жидкости, поскольку это единственный из параметров, величина которого регламентирована непосредственно Правилами безопасности. По известным значениям плотности можно ориентировочно оценить реологические параметры промывочной жидкости и рассчитать гидравлическую программу промывки скважины. Причем ее результатом, помимо чисто гидравлических величин, должен быть диапазон технологически приемлемых значений реологических параметров. Следующим этапом проектирования является обоснование качества промывочной жидкости (технологических и специальных параметров). Зная требуемые свойства, можно обоснованно подобрать альтернативные разновидности БПЖ и их рецептуры для каждого технологического интервала. В свою очередь, наличие конкретных рецептур позволяет оценить затраты на приготовление и замену, кондиционирование и размещение промывочных жидкостей, т.е. сравнить альтернативные варианты и точки зрения их экономичности. И только для выбранных рецептур есть

смысл разрабатывать технологию приготовления, замены, кондиционирова-%

ния и размещения промывочной жидкости.

Что же касается формализованного представления количественных показателей проектируемых свойств БПЖ, то для этого предложено использовать ИБД "Промывка скважин". В диссертации приведены конкретные примеры решения следующих практических задач:

- расчет плотности промывочной жидкости, обеспечивающей временную устойчивость стенок скважины на основе данных о прочностных и деформационных свойствах глинистых пород; ■

- обоснование реологических свойств (пластической вязкости и динамического напряжения сдвига) промывочной жидкости и их соотношения;

- использование ИБД в качестве основы и базы сравнения для анализа качества новых реагентов и материалов, определение их оптимальной концентрации для рецептур с заданными свойствами.

Возможность использования количественных показателей для оценки специальных свойств БПЖ показана на примере методики проектирования уровня их ингибирующей способности, предложенной В.И. Балабой и Е.Г. Леоновым. За ее основу авторами была принята модель разупрочнения глинистых пород, имеющая следующий вид: Кр =Р,„/(Р„ +

где Кр - коэффициент разупрочнения; Рсж - прочность образца на сжатие, МПа; И^} - скорость набухания, см/ч; 1Упр - скорость пропитки, см/ч; Ь=1,9 Ю9 (ч/см^^МПа, п = 0,709, т = 1,573 - эмпирические коэффициенты.

В диссертации приводится анализ различных вариантов повышения ингибирующей способности БПЖ путем регулирования скоростей пропитки и набухания. Поскольку монтмориллонит из всех глинистых минералов наиболее восприимчив к воздействию БПЖ, то в диссертации методика реализована для образцов из бентонитовой глины. При этом достигнуто хорошее качество аппроксимации (коэффициент корреляции г при уровне значимости а =0,05 по г-преобразованию Фишера находится в следующих доверительных границах Гпш, =0,953< г =0,975< гт1Х =0,987). Нахождение эмпирических коэффициентов Ь, п, ш для конкретного типа глинистой породы является наиболее ответственным и трудоемким этапом методики. При отсутствии достоверной информации об инженерно-геологических свойствах разбури-

ваемых пород для определения эмпирических коэффициентов предложено использовать ИБД "Промывка скважин". В этом случае возможна автоматизированная выдача искомой рецептуры промывочной жидкости и рекомендаций по ее обработке.

При реализации данной методики уменьшение скорости пропитки достигается за счет регулирования вязкостных и поверхностно-активных свойств дисперсионной среды БПЖ. Что же касается скорости набухания, то для ее снижения наиболее предпочтительным является использование композиций, содержащих вещества различных классов: электролиты, полимеры, ПАВ. В этом случае повышается вероятность реализации широкого спектра физико-химических явлений, обеспечивающих замедление процесса набухания.

Далее в диссертации изложены результаты разработки технологии кондиционирования наиболее представительной разновидности ингибирую-щих промывочных жидкостей - калиевых БПЖ. Показано, что результат их воздействия на глинистые породы зависит от интенсивности процессов увлажнения и гидрослюдизации минераллов группы смектита, влияние которой по данным рентгеноструктурного анализа становится превалирующим спустя несколько часов от начала взаимодействия. Поэтому при разработке калиевых БПЖ необходимо учитывать не только концентрацию катионов калия, но и скорость пропитки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проектирование промывки скважины предложено с обоснования требуемых свойств буровых промывочных жидкостей (технологических и специальных параметров, характеризующих их качество). Затем, экспериментально или исходя из опыта бурения, подобрать базовую рецептуру, в наибольшей степени соответствующую выбранным технологическим параметрам

и откорректировать рецептуру по специальным показателям (показатель набухания, показатель диспергирования и др.).

2. Скважина представляет собой сложную систему - горнотехническое сооружение, подсистемы которой техническая (оснащение скважины) и горная (приствольный массив пород) функционально взаимосвязаны. Формирование технической подсистемы завершается с окончанием строительства скважины, горной - после восстановления равновесного состояния массива горных пород. Потенциал влаги, накопленный глинистыми отложениями, снижает надежность скважины на стадии ее эксплуатации. Поэтому технология бурения должна обеспечивать не только временную (на период строительства), но и длительную (на период существования скважины как сооружения) надежность.

3. Систематизированы представления о промывке скважины. Введено понятие о жизненном цикле буровых промывочных жидкостей. Предложена терминология для описания основных технологических процессов промывки, дополняющая термины отраслевого стандарта.

4. Экспериментально изучен механизм взаимодействия глинистых пород с буровыми промывочными жидкостями. Показано, что в основе разупрочнения глинистых пород в стенках скважины и диспергирования шлама в циркуляционной системе лежит единый механизм - разупрочнение структурных связей глинистых частиц. Кинетика этого процесса при прочих равных условиях однозначно описывается скоростью набухания глинистых частиц и скоростью их пропитки дисперсионной средой промывочной жидкости. Для разупрочнения глинистых пород в стенках скважины превалирующее значение имеет скорость пропитки, а для диспергирования глинистых частиц - скг^ость набухания.

5. Показано, что воздействие калиевых промывочных жидкостей на глинистые породы включает два процесса: увлажнение и гидрослюдизацию

минераллов группы смектита, влияние которой по данным рентгенострукгур-ного анализа становится превалирующим спустя несколько часов от начала их взаимодействия. Поэтому при разработке калиевых БПЖ рекомендовано контролировать не только концентрацию катионов калия, но и скорость пропитки.

6. Создана многоуровневая интерактивная база данных "Промывка скважин", предназначенная для накопления и многовариантной систематизации и обработки информации. Она позволяет повысить эффективность информационного обеспечения технологии промывки скважин, а также упростить решение практических задач проектирования и управления.

Основное содержание диссертации изложено в двух фондовых научно-технических отчетах, а также опубликовано в следующих печатных работах:

1. Ангелопуло O.K., Балаба В.И., Колтыгина Т.И. Экологические проблемы строительства скважин: Учебн.-метод. пособие / Под ред. O.K. Ангелопуло. - М.: ГАНГ, 1996,- 41 с.

2. Проблемы природопользования при строительстве скважин / Ангелопуло O.K., Балаба В.И., Колтыгина Т.И.; Гос. акад. нефти и газа. - М., 1995 - 26 е.: Библиогр. 8 назв.- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 16.01.96. № 158-В96

3. О соотношении типа и свойств буровых промывочных жидкостей / Колтыгина Т.И.; Гос. акад. нефти и газа. - М., 1996 - 7 е.: Библиогр. 4 назв.-

Рус,- Деп. в ВИНИТИ 24.09.96. Ks 2867-В96 . %

4. Основные этапы проектирования технологии промывки скважин / Колтыгина Т.И.; Гос. акад. нефти и газа. - М., 1996 - 9 е.: ил. - Библиогр. 7 назв.- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 24.09.96. N° 2868-В96

5. Интерактивная база данных "Промывка скважин" / Колтыгина Т.И.; Гос. акад. нефти и газа. - М., 1996 - 13 е.: Библиогр. 4 назв.- Рус,- Деп. в ВИНИТИ 24.09.96 № 2869-В96

6. Экспресс-мегод оценки диспергирующей способности буровых промывочных жидкостей / Колтыгина Т.И.; Гос. акад. нефти и газа. - М., 1996 - 8 е.: ил. • Библиогр. 3 назв.- Рус.- Деп. в ВИНИТИ 24.09.96. № 2870-В96.

7. Колтыгина Т.И., Кулиев К.Н. Рабочие жидкости из водных растворов мицеллярных электролитов. // Тез. докл. Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Молодежь и научно-технический прогресс-96". - Ашхабад,-1996

Соискатель I Т.И. Колтыгина