Основная роль бурового раствора - стабилизировать стенки скважины (предотвращая обвалы), выносить шлам (осколки породы) на поверхность, смазывать и охлаждать долото, а также уменьшать трение, что снижает износ оборудования, ускоряет процесс бурения, делая его более экономичным и безопасным.
Плотность бурового раствора влияет на создаваемое им давление в стволе, обеспечивает безопасность бурения, поддерживая ствол от обрушения и создавая противодавление, которое не позволяет нефти или газу из пласта внезапно прорваться в скважину, а также удерживает керн на подъеме.
Что такое плотность бурового раствора
Плотность бурового раствора — это масса единицы его объема, обычно выражаемая в граммах на кубический сантиметр (г/см³) или килограммах на кубический метр (кг/м³).
.jpg "Формула плотности бурового раствора")
Главная функция плотности заключается в создании гидростатического давления столба жидкости в скважине, которое должно выполнять две важные задачи:
- Противодействовать пластовому давлению из вскрываемых горных пород, предотвращая внезапный выброс флюидов (нефти, газа, воды) на поверхность.
- Обеспечивать устойчивость стенок скважины, сдерживая горное давление, стремящееся сомкнуть ствол.
Таким образом, плотность — это основной параметр поддержания баланса давлений в скважине. Его расчет ведется на основе прогнозируемых геолого-технических условий с обязательным запасом безопасности. Нарушение этого баланса ведет либо к газонефтеводопроявлению, либо к его гидроразрыву, что чревато авариями.
Роль бентонита в буровом растворе
В большинстве водных буровых растворов важную роль играет бентонит — природная глина, которая при смешивании с водой сильно набухает и образует устойчивую взвесь. Именно благодаря этому раствор приобретает нужную густоту и способность удерживать выбуренную породу.
Бентонит помогает укреплять стенки скважины, снижает потери жидкости в пласт и предотвращает осыпание пород. При остановке циркуляции он не дает шламу оседать на забое, что облегчает возобновление бурения.
Важно понимать, что бентонит сам по себе не предназначен для увеличения плотности бурового раствора. Его основная задача — формировать стабильную структуру раствора и обеспечивать удержание во взвешенном состоянии применяемых утяжелителей, которые уже создают необходимое давление в скважине.
ООО «Баулюкс» производит бентонитовые материалы для бурения торговой марки «Bentolux»: универсальный бентонит, малополимеризованные бентонитовые глинопорошки, бентонитовые структурообразователи буровых растворов и другие виды материалов.
Методы измерения плотности бурового раствора
Точное измерение плотности проводится в соответствии с установленными отраслевыми методиками и стандартами. Конкретные процедуры и периодичность контроля определяются проектом на строительство скважины (планом), разработанным с учетом геологических особенностей. Замеры выполняются в ключевых точках циркуляционной системы для получения репрезентативной пробы.
Непосредственно на буровой:
Ручной ареометр (лоток для раствора) — это основной и обязательный к применению прибор. Это прибор для измерения плотности жидкостей, выполненный в виде стеклянного поплавка с градуированной шкалой. Ареометр погружают в цилиндрическую емкость с исследуемым раствором.
Системный отбор проб:
- Для анализа на содержание газа — в начале желобов (непосредственно после выхода из скважины).
- Для определения реологических свойств и плотности — на выходе из системы очистки (после дегазатора и очистных устройств).
- Для полной характеристики раствора, закачиваемого в скважину, из рабочего мерника.
Влияние плотности раствора на процесс бурения
Отклонение плотности от оптимального расчетного значения немедленно сказывается на процессе бурения.
Если плотность НИЖЕ требуемой:
- Угроза проявления и выброса (ГНВП). Гидростатическое давление становится меньше пластового. Флюиды из коллектора поступают в скважину, что может перерасти в неконтролируемый выброс.
- Обрушение слабых пород. Недостаточное давление для поддержки стенок приводит к их обвалу, затяжкам инструмента.
Если плотность ВЫШЕ требуемой:
- Разрыв пласта и поглощение. Избыточное давление может расколоть горную породу, создав трещины, в которые уйдет большой объем раствора.
- Снижение скорости бурения. Чрезмерно тяжелый раствор создает высокое давление на забое, «прижимая» долото к породе и затрудняя ее разрушение.
- Ухудшение состояния продуктивного пласта. Тяжелый раствор с высокой фильтрационной способностью может глубоко проникнуть в поры коллектора, снизив его проницаемость.
- Повышенный износ оборудования. Рост перепадного давления в системе циркуляции повышает нагрузку на насосы и создаёт избыточную прижимающую силу на буровой инструмент, что увеличивает вероятность дифференциального прихвата в проницаемых грунтах
Контроль и поддержание оптимальной плотности раствора
Контроль плотности — это непрерывный процесс, регламентированный планом контроля конкретной скважины. Его главная цель — своевременно получать достоверную информацию для регулирования свойств раствора и обеспечения безопасности.
Регламент замеров.
Периодичность отбора проб и замеров определяется планом. Частота увеличивается при вскрытии неустойчивых интервалов, зон аномального давления или при обнаружении признаков осложнений (например, изменения уровня в емкостях, расхода на выходе).
Анализ тенденций.
Ключевой показатель — расхождение плотности на входе в скважину и на выходе из нее. Снижение плотности на выходе может указывать на приток более легкого пластового флюида, что является одним из ранних признаков проявления.
Комплексный мониторинг.
Плотность анализируется в связке с другими параметрами: реологией, показаниями датчиков давления, газового каротажа, что позволяет принимать взвешенные решения по ее корректировке.
Корректировка плотности раствора
Для приведения плотности к требуемому значению используются специальные добавки и методы.
Повышение плотности бурового раствора
Для повышения плотности наиболее часто применяют:
- Барит (BaSO₄) — наиболее распространенный, химически инертный и эффективный утяжелитель.
- Гематит (Fe₂O₃) — используется для создания растворов очень высокой плотности.
- Карбонат кальция (CaCO₃) —применяется, когда необходима добавка, растворимая в кислоте (например, для вскрытия продуктивного пласта).
- Галит (NaCl) — широко применяется для повышения плотности в определенных условиях (например, в солевых растворах или для предотвращения гидратации глинистых пород).
Понижение плотности бурового раствора
Снижение плотности бурового раствора достигается, прежде всего, за счет разбавления базовой жидкостью. Для водных буровых растворов в качестве разбавителя используется вода, а для углеводородных систем — соответствующая базовая нефть, дизельное топливо либо современные низкотоксичные синтетические жидкости.
Дополнительным методом временного уменьшения плотности является аэрация бурового раствора газом, как правило азотом. Такой подход используется в специальных технологических условиях и позволяет кратковременно снизить гидростатическое давление столба раствора.
Оборудование системы очистки бурового раствора (вибросита, песко- и илоотделители, центрифуги) предназначено для удаления выбуренной породы и поддержания требуемых реологических свойств раствора. Эти установки не применяются в качестве метода регулирования плотности, так как утяжелители, такие как барит, должны сохраняться в системе для обеспечения стабильных параметров бурения.
Определение и управление плотностью бурового раствора — строго регламентированный процесс. Он основан на системном подходе, предписанном проектными и нормативными документами. От точности следования этим предписаниям, квалификации персонала и комплексного анализа данных напрямую зависят безаварийность проводки скважины, минимизация воздействия на окружающую среду и экономический успех проекта.