авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Обоснование химической обработки буровых растворов для предупреждения сальникообразования при разбуривании пластичных горных пород

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ХРИСТЕНКО АЛЕКСЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ САЛЬНИКООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАЗБУРИВАНИИ ПЛАСТИЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 25.00.15 Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа – 2010

Работа выполнена в ООО НПП «БУРИНТЕХ» и на кафедре бурения нефтяных и газовых скважин УГНТУ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ишбаев Гиният Гарифуллович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кузнецов Владимир Григорьевич

кандидат технических наук,

Четвертнёва Ирина Амировна

Ведущая организация: ООО "БашНИПИ нефть"

Защита состоится «23» декабря 2010 года в 10-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «22» ноября 2010 г.

Ученый секретарь совета В.У. Ямалиев

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В России преобладают горные породы невысокой прочности. Большинство разрезов скважин (особенно в Западной Сибири) сложено глинистыми породами. Такие породы при бурении буровыми растворами на водной основе склонны к гидратации, прилипанию к долоту и элементам компоновки низа бурильной колонны (КНБК), что снижает скорость бурения и приводит к различным осложнениям.

Достаточно часто в практике бурения пластичных глин на современных полимерных ингибированных промывочных растворах скорость проходки падает в 2-3 раза. Анализ подобного падения механической скорости указывает в качестве наиболее влияющей причины образование сальника на долоте и КНБК. Для устранения этого осложнения при бурении пластичных пород необходимо применение технических и технологических решений. Необходима разработка профилактических мероприятий, способных повысить технико-экономические показатели бурения пластичных пород. Одним из решений является применение специальных реагентов, предотвращающих сальникообразование и улучшающих буримость пластичных горных пород.

Существующие направления решения указанной проблемы при бурении в пластичных породах связаны в основном с совершенствованием конструкции долота, улучшением качества и организации потока промывочной жидкости.

Совершенствование конструкции долота осуществляется оптимизацией профиля вооружения долота; гидравлического профиля; количества, размеров, углов атаки и формы режущих элементов; расположения и направления промывочных насадок долота.

В современной буровой технологии для безаварийной проходки пластичных пород часто применяются полимерные ингибированные промывочные жидкости. Улучшение их качества достигается введением в рецептуру дополнительных добавок, выбор которых производится на основе специальных научно-исследовательских работ.

Известные добавки к буровым промывочным жидкостям, препятствующие образованию сальников при бурении долотами режуще-скалывающего действия (РСД), не в полной мере обеспечивают высокий уровень эффективности строительства скважин. Учитывая, что более 50% разбуриваемых в России пород – глинистые, разработка таких реагентов перспективна и актуальна.

Цель работы Предупреждение осложнений, обусловленных сальникообразованием при разбуривании пластичных горных пород, применением промывочных растворов с улучшенными гидрофобизирующими, антифрикционными и поверхностно-активными свойствами.

Основные задачи работы

1. Обоснование методов исследований влияния технико-технологических и физико-химических факторов на адгезионное взаимодействие глинистого шлама с металлической поверхностью в среде промывочного раствора.

2. На основании результатов исследований установить возможные механизмы предотвращения сальникообразования при бурении пластичных пород.

3. Обосновать выбор компонентов нового реагента комплексного действия «ОПТИБУР» для профилактики сальникообразования и улучшения технико-экономических показателей бурения.

4. Разработать техническую документацию для промысловых испытаний комплексного реагента «ОПТИБУР» и внедрить разработанную добавку.

5. Разработать технологические рекомендации по профилактике сальникообразования.

Методы решения задач

Теоретические и экспериментальные исследования с использованием специальных методов определения: способности глинистых частиц образовывать сальник, прочности адгезионного взаимодействия глины с поверхностью металла в тестируемых растворах. Стандартные методы изучения общих технологических свойств буровых растворов. Применение методов планирования эксперимента, математического моделирования и регрессионного анализа.

Научная новизна

1. Разработан механизм образования глинистых сальников на элементах КНБК, заключающийся в адгезионном прилипании глинистой породы к металлу и аутогезионном – к слою уже прилипшей глины. При этом после выбуривания глина интенсивно впитывает влагу из промывочного раствора, а прочность её адгезионного контакта с металлической поверхностью резко увеличивается.

2. Установлены закономерности влияния различных факторов на сальникообразование. Прочность адгезионного контакта частиц выбуренной породы с элементами КНБК возрастает при увеличении времени гидратации выбуренных частиц, предшествующего их контакту с металлом; уменьшении начальной влажности разбуриваемых горных пород; увеличении силы прижатия частиц; увеличении шероховатости поверхности металла; увеличении давления промывочной жидкости на забое.

3. Определено, что образование на поверхности частиц выбуренной породы слоёв неполярных жидкостей (полиальфаолефинов и метиловых эфиров жирных кислот или биодизеля) значительно снижает адгезию и аутогезию этих частиц.

Основные защищаемые положения

1. Результаты изучения адгезионного и аутогезионного взаимодействий глинистых частиц и металла в среде промывочного раствора.

2. Представления о механизме образования глинистых сальников на элементах КНБК и методы профилактики данного осложнения.

3. Рецептура реагента комплексного действия «ОПТИБУР» и технология его применения.

Практическая ценность

1. Разработан и используется полевыми инженерами Управления по бурению «БУРИНТЕХ» регламент по оптимизации отработки долот РСД производства ООО НПП «БУРИНТЕХ» и предотвращению сальникообразования.

2. Разработан, испытан при бурении на Ново-Пурпейском месторождении и применяется при строительстве скважин с использованием собственных (ООО НПП «БУРИНТЕХ») промывочных растворов состав экологически безопасной противоадгезионной добавки для профилактики образования глинистых сальников - «ОПТИБУР».

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на:

  • Второй Всероссийской учебно-научно-методической конференции (Уфа, УГНТУ, 2004 г.)
  • 57-й Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (2006 г.)
  • IV Ежегодной конференции «Инновации и эффективность: развитие технологий бурения и ремонта скважин» Уфа, УГНТУ, 2008.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе четыре в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК и патент на изобретение (Пат. №2369625 РФ).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 111 наименований, 7 приложений.

Общий объем работы - 188 страниц машинописного текста, включая 61 рисунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цель и задачи исследований, приведена научная новизна и практическая значимость результатов.

В первой главе выполнен литературный обзор и проведен анализ современного состояния проблемы сальникообразования при бурении долотами РСД в пластичных породах.

Образование сальников на элементах КНБК в глубоком бурении представляет одно из осложнений, препятствующих нормальной проходке скважин. Сальники создают вероятность тяжёлых прихватов бурового инструмента, не дают возможности углубления забоя, создают эффект поршневания при спускоподъемных операциях и вызывают ряд других негативных последствий.

Для борьбы с сальниками необходимо знать причины и условия их возникновения, иметь технические и технологические средства для их предупреждения или ликвидации.

Большой вклад в исследования адгезионного взаимодействия глинистой породы (корки) с металлической поверхностью в среде бурового раствора внесли: Бабичев, А.А., Баранов, В.С., Доронов, И.П., Иванников, В.И., Кистер, Э.Г.,
Конесев, Г.В., Мавлютов, М.Р., Михеев, В.Л., Шерстнев, Н.М. и другие, Armagost, W.K., Azar, J.J., Bland, R., Cheatham, J., Civan, F., Darly, G., Glowka, D., Grey, J.P., Halliday, B., Illerhaus, R., Isbell, M., Knapp, R., McDonald, S., Melaugh, J.F., Ohen, H. A., Pessier, R., Smith, M., Teale, R., Warren, T.M.

В результате обзора исследовательских работ сделаны некоторые обобщения. С целью снижения вероятности сальникообразования на долоте РСД необходимо обеспечить достаточный объем открытого очистного пространства и площади межлопастных отверстий в долоте для выноса бурового шлама, оптимизировать размещение насадок и обеспечить достаточную гидравлическую мощность.

Снижение непроизводительного времени из-за образования сальников на элементах КНБК может быть достигнуто ограничением механической скорости бурения в пластичных породах, использованием ингибирующих водных промывочных жидкостей со специальными добавками или растворов на углеводородной основе (РУО), снижением концентрации выбуренной породы в растворе и др.

Выделяют три основные проблемы при бурении пластичных глинистых пород: измельчение шлама, неустойчивость ствола скважины и сальникообразование на долоте. Данные проблемы решаются сходными приёмами: ингибированием и инкапсулированием глин; уменьшением их гидратации путем повышения вязкости фильтрата, блокированием пор или стимуляцией осмотического перетока порового флюида в промывочный раствор и т.п.

В решении проблемы сальникообразования есть и некоторые особенности. Сальник образуется сразу после попадания выбуренных глинистых частиц в промывочный раствор. Его появление сопряжено с дополнительными прижимающими нагрузками на выбуренные частицы и с образованием адгезионного контакта. Адгезионный контакт глинистой частицы и твёрдой поверхности в основном происходит под влиянием молекулярных сил притяжения и механического зацепления. Внешнее прижатие частиц шлама к элементам КНБК происходит из-за относительно малого зазора между долотом и стенками скважины и вращения долота.

Впитывая воду, частица шлама может прилипать к смоченному водой долоту и к другой частице. Глины характеризуются небольшими силами внутреннего сцепления. Прилипание зависит от разности адгезионных и когезионных сил. Если силы когезии малы, а силы адгезии значительны, то происходит прилипание материала к твёрдой поверхности.

Когезионные силы внутри глинистой частицы ослабевают при впитывании ею влаги из раствора. Одновременно увеличивается пластичность глинистого материала, зависящая в свою очередь от содержания воды и глины (рисунок 1).

  Влияние влажности глины на образование сальников /Эрик Ван Оорт/ -1

Рисунок 1 – Влияние влажности глины на образование сальников /Эрик Ван Оорт/

Глинистые частицы, состояние которых соответствует пластичной зоне
(рисунок 1) имеют склонность к образованию сальника на долоте и КНБК, чем вызывают вышеописанные проблемы.

В первоначально сухой глине материал слишком сух, чтобы иметь значительную склонность к прилипанию. Однако при увеличении содержания воды пластичность глины повышается, и увеличивается склонность к прилипанию. При дальнейшем увеличении содержания воды в глине она становится настолько пластичной и слабо связанной, что легко диспергируется. Такой слабосвязанный материал легко смывается струями промывочного раствора. Таким образом, из графика видно, что существует зона повышенного риска образования сальника, относящаяся к пластичному состоянию разбуриваемой глинистой породы, в котором слабы когезионные силы. Положение этой зоны будет зависеть от типа сланца, вида и содержания в нём глинистых минералов и его давления набухания.

Если разбуриваются сланцы, склонные к образованию сальника (попадают в среднюю зону), избежать проблем можно следующим образом:

1. Дегидратация шлама с целью его перехода из пластичной зоны в «сухую». Она может быть достигнута использованием промывочного раствора, способного образовывать мембрану на поверхности глинистой частицы и осмотически (из-за разности концентраций солей в растворе и в порах) дегидратировать глинистую породу. Этот способ также осуществляется применением РУО или раствора с активностью водной фазы ниже активности воды в разбуриваемых глинах.

2. Гидратация шлама до его перехода в зону текучести: шлам диспергируется и легко смывается с поверхности долота. Достигается использованием диспергирующих промывочных растворов. Однако применение таких промывочных растворов может вызвать проблемы с устойчивостью ствола скважины и с ухудшением реологии раствора из-за повышенной наработки твёрдой фазы.

3. Образование на частицах шлама граничного слоя (например, липофилизация поверхности с помощью ПАВ) для предотвращения адгезии глинистых частиц между собой и с поверхностью долота.

Первый и второй подходы применимы только в случае, если содержание воды в глинистой породе и её склонность к прилипанию известны заранее. То есть, можно было бы применить эту стратегию, если есть очевидная проблема сальникообразования и известно, что разбуриваемая порода находится в пластичной зоне.

В противном случае шлам, первоначально находящийся в «сухой» зоне, можно увлажнить до пластичного состояния, создав тем самым проблему образования сальника там, где её не было. Эта ситуация может встретиться при разбуривании хорошо уплотнённых глинистых сланцев с низкой реакционной способностью на диспергирующем растворе. Также существует вероятность осушить глинистый шлам, находящийся в зоне повышенной пластичности, и снова увеличить опасность сальникообразования. Такая ситуация может встречаться при бурении молодых глинистых сланцев с высокой реакционной способностью на ингибирующем растворе или растворе со способностью к сильной осмотической дегидратации.

Руководствуясь описанными способами предотвращения образования глинистых сальников, можно выдвинуть гипотезу о том, что наиболее эффективным и универсальным способом предотвращения сальникообразования является формирование граничных слоёв на поверхности частиц шлама, предотвращающих их слипание между собой и с поверхностью бурильного инструмента.

Во второй главе обоснован выбор методик экспериментальных исследований, которые использовались при выполнении диссертационной работы.

Для достижения поставленных целей необходимо оценить: способность глинистых частиц образовывать сальник в растворах тестируемых химических реагентов; силу адгезионного взаимодействия глинистого шлама с поверхностью металла в среде промывочных жидкостей; влияние добавок к промывочным жидкостям на их диспергирующую активность; влияние компонентов промывочного раствора на гидрофобизацию поверхности металла и поверхностное натяжение воды; смазочную и пенообразующую способности компонентов разрабатываемой добавки; влияние разрабатываемой добавки на ингибирующую способность и общие технологические параметры промывочных жидкостей.

Для проведения экспериментов по изучению влияния свойств промывочных растворов на процесс сальникообразования была сконструирована экспериментальная установка (рисунок 2).

1 – вращающаяся с определённой частотой ячейка, способная выдерживать заданные температуру и давление до 7 МПа; 2 – металлический стержень (d=23мм, L=150 мм); 3 – тестируемый буровой раствор; 4 – металлические вращающиеся валы, передающие вращательное движение цилиндрической ячейке с тестируемым раствором; 5 – глинистый шлам; 6 – термостатируемый шкаф.

Рисунок 2 – Принципиальная схема экспериментальной установки для тестирования противоадгезионных свойств раствора (Образование сальника на вращающемся металлическом стержне)

50 г шлама равномерно размещается вокруг стержня, погруженного в тестируемый раствор. Ячейка с раствором закрывается и помещается в роллерную печь. По истечении заданного времени вращения стержень с образовавшимся сальником высушивается. Высохший шлам удаляется со стержня и взвешивается (m). Удельная масса сальника на металлическом стержне (г/см2) рассчитывается по формуле: mс уд = m/108,33.

Методика достаточно хорошо воспроизводит процесс сальникообразования на элементах КНБК и позволяет оценить влияние компонентов промывочной жидкости на прилипание глинистого шлама к металлу в среде бурового раствора при динамических условиях.

Для определения силы адгезии к металлу и аутогезии частиц выбуренного глинистого шлама друг к другу была сконструирована экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рисунке 3. Принцип работы установки заимствован у одноимённого прибора, предназначенного для измерения и контроля адгезионной прочности покрытия на различных конструкциях. Результаты, полученные с помощью данной экспериментальной установки, позволяют оценить влияние различных добавок к промывочному раствору на силу адгезии спрессованного глинистого материала с металлической поверхностью в среде раствора.

1 – металлический цилиндр; 2' и 2'' – цилиндрический образец из спрессованного глинистого сланца или 2'' – из металла; 3 – направляющий металлический обод, предотвращающий перекосы между контактирующими плоскостями во время прижатия или отрыва; 4 – промывочный раствор; 5 – сила прижатия создаётся, гидравлическим прессом; 6 – механический привод; 7 – электронный динамометр; 8 – видеокамера; 9 – компьютер; 10 – основание; 11 – железная дужка для отрыва образцов.

Рисунок 3 – Принципиальная схема экспериментальной установки для тестирования противоадгезионных свойств раствора (Тест на «Адгезиометре»)



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.