Буровой раствор состоит из жидкости-носителя (воды) и добавок (бентонит и/или полимеры). Бентонит это встречающийся в природе глинистый материал (монтмориллонит), который превращается в глинистый раствор при смешивании с водой. При добыче бентонита глинистые пластины (плоские, похожие на листы частицы), которые подвергались высокому горному давлению, плотно сжимаются, и между ними почти нет воды.
«Композит» - это блок уложенных глинистых пластин. Когда вода попадает между глинистыми пластинами, она сразу же вызывает их дисперсию, разъединение глинистых пластин, как показано на рисунке. Дисперсия способствует разрезание композита высококачественным смешивающим оборудованием. Фактически, один кубический дюйм бентонита, размешанный до полного распадения на отдельные пластины, будет иметь площадь, способную накрыть 66 футбольных полей.
Схема глинистых пластин бентонита.
Буровые растворы обладают следующими характеристиками:
-
Вязкость.
Вязкость – это гидравлическое сопротивление жидкости. Промысловые испытания проводятся с помощью воронки и чаши Марша для определения вязкости. Время в секундах, требуемое для воронки Марша с раствором, чтобы сцедить одну кварту жидкости в чашу, является вязкостью по воронке Марша. У воды вязкость по воронке Марша равна 26 ± 1/2 секундам при 70 градусах по Фаренгейту. Обычная вязкость буровых растворов, используемых в ГНБ, варьируется от 40 секунд в высокодисперсном грунте до 65 секунд в песке и гравии. Измерение вязкости важно в ГНБ, но по другим причинам, чем при вертикальном бурении. Прочность геля и гель-фильтрация более важны в ГНБ, чем вязкость. Высокая вязкость может быть побочным продуктом при достижении этих параметров. Так как вязкость определяется как гидравлическое сопротивление, важно принимать во внимание, что в ГНБ целью является поддержание циркуляции жидкости. Таким образом, более важно достичь прочности геля, текучести и контроля над фильтрацией, чем просто поднять вязкость добавлением бентонита. Целью является создание «тощей» жидкости, которая будет работать, как «толстая».
-
Прочность геля
Прочность геля – это мера сил электрического притяжения внутри бурового раствора в неподвижном состоянии. Прочность геля измеряется вискозиметром или широметром для определения переменной скорости после того, как жидкость находилась в статическом состоянии 10 секунд, и затем снова, после прошествия 10 минут. Вискозиметр более точен, особенно если прочность геля увеличивается. Прочность геля измеряется в фунтах на 100 квадратных футов. Слабые статические силы, которые создают прочность геля, также связаны с пределом текучести, потому что силы притяжения между частицами влияют на оба параметра. Однако прочность геля разрушается, как только в буровом растворе начинается движение. Так как прочность геля растет, и разница между 10-секундной и 10-минутной прочностью становится больше, существует потенциал для увеличения прочности геля. Развитие прочности геля напрямую связано со способностью возобновить циркуляцию после того, как буровой раствор или гидросмесь находились в статическом со¬стоянии какое-то время. Чем больше прочность геля, тем больше понадобится начального давления, чтобы заставить этот раствор или гидросмесь прийти в движение (меньше разжижения при сдвиге). Если это давление больше, чем нужно дтя гидравлического разрыва, может произойти прекращение циркуляции или выход жидкости на поверхность. Нужно поддерживать адекватную прочность геля, чтобы взвесить буровой шлам, когда жидкость находится в статическом состоянии для поддерживания буримой скважины. Буровой раствор должен взвесить шлам и держать его в виде суспензии, пока он выводится из скважины. Результирующая пульпа (жидкость и шлам) действует, как конвейерная лента, чтобы удалить достаточное количество шлама для прокладки коммуникационного средства. Прочность геля особенно валена в крупнозернистом грунте, и может быть важна в глине и сланце, особенно при использовании расширителей большого диаметра, которые обычно производят крупный шлам. Шлам будет оставаться взвешенным в пульпе, только если прочность геля адекватная.
-
Потери бурового раствора.
Поглощение бурового раствора - это мера фильтрата (свободной воды), проходящей через буровой раствор в пористую водопроницаемую формацию. Не должно смушагь и полное поглощение жидкости формацией (поглощение промывочной жидкости). Параметры поглощения измеряются стандартным фильтр-прессом. Образец жидкости дтя тестирования помещается в ме-таллический датчик давления и сжимается в течение 7,5 минут (100 фунтов на квадратный дюйм). Фильтрат, который собирается из фильтр-пресса в градуированный цилиндр, измеряется в кубических сантиметрах. Это количество фильтрата умножается на 2 и представляет собой меру поглощения. Взвешенные частицы в буровом растворе будут осаждаться на стороне буровой скважины или в слу¬чае теста на поглощение - на фильтровальной бумаге. Эта фильтрационная корка представляет густоту, прочность, качество и гладкость фильтрационной корки. Гладкая плотная и прочная фильтрационная корка может быть и чаще всего будет толщиной только 2/32- дюйма при тестировании чистой жидкости. Вместе с опытом это также является индикатором целостности скважины ГНБ. Параметры вы¬сокого поглощения жидкости представят более толстая и рыхлая фильтрационная корка. Этот более толстый фильтрационный пирог уменьшает зазор в скважине, соответственно требуя большего давления, в виду того, что буровой раствор и шлам вынуждены двигаться в более узком проходе. Фильтрат, уходящий в формацию, может также вызвать ослабление формации до точки обвала. Низкое поглощение жидкости является индикатором тормозящих свойств этой жидкости для бурения в глине и сланце. Низкое поглощение жид¬кости является ключом к целостности скважины.
- Плотность (удельный вес) бурового раствора - это масса галлона бурового раствора. Плотность или масса бурового раствора измеря¬ется с помощью рычажных весов. Галлон воды весит 8,34 фунта. Любой добавочный вес в галлоне бурового раствора дадут активные или неактивные твердые частицы. Обычный вес чистого бентонито-полимерного бурового раствора для ГНБ составит около 8,5 фунтов на галлон жидкости или 3% твердых частиц по весу. Любой добавочный вес в этом растворе свыше 8,5 фунтов на галлон дадут актив¬ные или неактивные твердые частицы из формации. Чтобы превратить плотность раствора или пульпы в содержание твердого вещест¬ва нужно использовать следующее уравнение: ("плотность"-8,34)*8="% сухого вещества”, где плотность измеряется в фунтах на гал¬лон. Этот подсчет допускает удельную массу сухого вещества в 2,5. Значение плотности бурового раствора может' использоваться двумя путями. Во-первых, оно может использоваться, чтобы определить, не приближается ли содержание твердых частиц к неприем¬лемому уровню (9 фунтов на галлон для мелких или средних буровых установок и 10 фунтов на галлон для больших установок). Одна¬ко неприемлемый уровень может варьироваться при разных состояниях фунта, условиях размещения и насосах. Эти твердые частицы, если им позволить накопиться в системе гидроциркуляции, могут оказать очень негативный эффект на производительность всей буро¬вой системы, от разрыва жидкостной магистрали до чрезмерного износа насосов. Если это случается, нужно сократить содержание твердых частиц: 1) добавочной очисткой (т.е. более мелкими ситами, рециркуляцией в очистительной системе); 2) сокращением скоро¬сти проникновения при бурении; и 3) использованием и смешиванием нового раствора. Во-вторых, плотность флюида может быть ис-пользована дтя измерения эффективности оборудования для контроля над содержанием твердых частиц при использовании системы переработки.
-
Контроль над фильтрацией и фильтрационная корка.
Эти два параметра, хотя и непосредственно относятся к поглощению бурового раствора и друг к другу, совершенно разные. В песке очень важен фильтрационная корка. Корка работает как герметик или стабилиза¬тор жидкости, который поддерживает целостность буровой скважины. Однако хорошая фильтрационная корка не может быть достиг¬нут без приемлемого фильтрата (потеря жидкосги). Количество фильтрата в песке менее важно, чем качество фильтрационной корки. В глине все совсем наоборот: количество и качество фильтрата более важны для предотвращения гидратации, т.е. чтобы удерживать фазу жидкости от прикасания к глине и возникновения разбухания. В глине можно рассматривать фильтрационную корку как второстепен-ный фактор; однако хороший, низкий объем фильтрата не может быть достигнут без хорошего качества фильтрационной корки. Фильтрационный пирог и фильтрат могут определяться с помощью фильтр-пресса, причем фильтрационный пирог измеряется в 32-х частях дюйма, а фильтрат - в кубических сантиметрах.
-
Содержание песка.
Содержание песка - это процент объема неколлоидальных частиц или сухих веществ в буровом растворе, которые больше 200 меш или 74 микрон. Объем песка определяется с помощью Испытательного Комплекта для измерения Содержания Песка. Результатом теста станет процент твердых веществ (неколлоидальных материалов) объемом более 200 меш в буровом растворе. Объем песка имеет большое значение, т.к. он неблагоприятно воздействует на производительность системы циркуляции. Лишние частицы, возвращающиеся снова в скважину, сократят срок службы насосного оборудования, забойных двигателей и т.д. Чем больше частиц проникает в гидросистему, чем менее эффективным становится этот буровой раствор.
- Уровень pH -это выражение кислотности или щелочности, измеряемое между 0 и 14, где 7 - нейтрально. Нужно проверять pH с помо¬щью pH полосок, бумаги или измерителя кислотности на постоянной основе. Поддержание нужного pH в буровом растворе критично для работы этого раствора. Обычные муниципальные водопроводы имеют уровень pH около 6,5-7. Гидросистемы, обычно используе¬мые в проектах ГНБ, должны поддерживать уровень pH между 8 и 9. Это создаст добавкам оптимальные условия для функционирова¬ния. Добавление кальцинированной соды - самое простое средство для поднятия pH.
-
Смазывающая способность.
Смазывающая способность определяется как способность к сокращению трения. В ГНБ смазывающая способность помогает установке трубы сокращением трения между трубой и грунтом. Максимальная смазывающая способность всегда желательна, она может быть определена в лаборатории с помощью измерителя маслянистости.
Чтобы создать оптимальный буровой раствор для успешного выполнения работ методом ГНБ, нужно учитывать все приведенные выше факторы. Природный грунт оказывает самое большое влияние на выбор смеси для бурового раствора. Когда природный грунт правильно идентифицирован и характеризирован, можно разработать правильную формулу бурового раствора.
