Буровий розчин

Бурови́й ро́зчин — складна багатокомпонентна дисперсна система суспензійних, емульсійних і аерованих рідин, які застосовуються для промивання свердловин у процесі буріння.

Бурильник додає в розчин піноутворювач

Буровий розчин у жолобі. Поверхневий комплекс бурової.

Бурові розчини, що використовуються під час буріння нафтових та газових свердловин та на геологорозвідувальних бурових установках, часто застосовуються і при бурінні набагато простіших свердловин, таких як свердловини для води.

Однією з основних функцій бурового розчину є видалення бурового шламу. Також бурові розчини забезпечують необхідний гідростатичний тиск для запобігання потраплянню пластових рідин у стовбур свердловини, охолоджують та очищують бур під час буріння. Певною мірою бурові розчини також обмежують корозію бурового інструменту.

Використання бурових розчинів для буріння свердловин запропоновано вперше у 1833 році французьким інженером Фловілем, який, спостерігаючи операцію канатного буріння, під час якої апарат буріння натрапив на воду, помітив, що фонтануюча вода дуже ефективно видаляє буровий шлам із свердловини. Він задумав апарат, в якому передбачалося закачувати воду під бурову штангу, звідки буровий шлам виштовхувався водою на поверхню між буровою штангою і стовбуром свердловини. Принцип залишився незмінним досі.

У 1920 р. у Прикарпатті фірма «Газоліна» вперше запровадила роторне буріння на глинистій промивальній рідині.

Лідерами світового ринку бурових розчинів є компанії M-I SWACO, Halliburton, Baker Hughes.

Призначення

Схема колонкового буріння з прямою промивкою: 1 — коронка; 2 — кернорвач; 3 — стовпчик керну; 4 — колонкова труба; 5 — перехідник; 6 — муфта; 7 — бурова труба; стрілками показано рух бурового розчину

Під час циркуляції у свердловині буровий розчин:

• очищає вибій від вибуреної породи;
• транспортує вибурену породу із свердловини і утримує її в завислому стані після припинення циркуляції;
• активізує процес руйнування гірської породи долотом;
• попереджає осипи, обвали та інше;
• забезпечує якісне розкриття продуктивних пластів;
• виявляє змащувальну і антикорозійну дію на буровий інструмент;
• охолоджує буровий інструмент;
• обертає вибійні двигуни;
• запобігає можливості виникнення ускладнень на бурових (сальнико- і каверноутворення, диференціального прихвата, поглинань і нафтогазопроявів);
• дозволяє відстежувати появу порожнин у масиві порід, зон підвищеної тріщинуватості тощо шляхом вимірювання витрат розчину під час буріння.

Приготування бурового розчину

Буровий розчин готують централізовано на глинозаводі або безпосередньо на буровій установці. Централізоване забезпечення доцільно при довгому розбурюванні великих родовищ і близькому розташуванні бурових, коли для розбурювання свердловин потрібні розчини з однаковими або близькими параметрами. У цьому випадку більш повно і економічно використовуються вихідні матеріали, потрібні менші енергетичні витрати в порівнянні з приготуванням розчину на бурових, нижче собівартість розчину, персонал бурової звільняється від важкої і трудомісткої роботи.

Схема циркуляції промивальної рідини: 1 — буровий насос; 2 — стояк; 3 — гнучкий шланг; 4 — вертлюг; 5 — ведуча труб а; 6 — гирло свердловини; 7 — бурильна колона; 8 — затрубний кільцевий простір; 9 — вибійний двигун; 10 — долото; 11 — зливна труба (розчинопровід); 12 — блок очищення; 13 — приймальні ємності; 14 — всмоктувальний патрубок; 15 — буровий шлам

Але на території України більш розповсюдженіший спосіб приготування розчину безпосередньо на буровій. Це пов'язано з їх віддаленістю одна від одної та можливих потреб у використанні розчину з різними фізико-хімічними параметрами. Для цього бурові установки обладнують блоками приготування бурового розчину.

Різновиди бурового розчину

• Глинистий розчин — основний різновид бурового розчину.
• Лігнітовий лужний розчин — буровий розчин, до якого вводять певну кількість лігнітів, які мають лужний характер.
• Вапняно-бітумний розчин — буровий розчин на нафтовій основі, дисперсійним середовищем якого є дизельне пальне або нафта, а дисперсною фазою — високоокислений бітум, оксид кальцію, барит і невелика кількість води, потрібної для гашення вапна.
• Обважнений буровий розчин — промивна рідина різного складу, яка містить у дисперсній фазі обважнювальні тонкі подрібнені порошки мінералів (барит, гематит і ін.); застосовується при бурінні в умовах високого пластового і бокового тисків.
• Полегшений буровий розчин — буровий розчин, зменшений у вазі, полегшений, який має меншу густину. Полегшений розчин застосовується для буріння і глушіння свердловин у пластах з низьким пластовим тиском.
• Полімерний буровий розчин — буровий розчин на водній основі, який містить високомолекулярні полімери лінійної будови; застосовується здебільшого при бурінні міцних порід.
• Буровий розчин на нафтовій основі — промивна рідина з неводяною (нафтовою) основою, високоокисненим бітумом як колоїдною фазою, з натрієвими або кальцієвими солями як реагентом-стабілізатором і структуроутворювачем, що володіє низькими фільтраційними властивостями і густиною, але підвищеною умовною в'язкістю і забезпечує можливості використання її для розкриття продуктивних пластів без погіршення їх властивостей фільтратом, створення умов для визначення початкової нафтонасиченості за керном, проведення спеціальних геофізичних досліджень і ін., а також при бурінні в складних умовах.
• Інгібований буровий розчин — буровий розчин, хімічний склад рідкої фази якого дає змогу сповільнювати або запобігати процесам гідратації (набухання), або диспергування глинистих шарів та сланців.
• Кальцієвий буровий розчин — буровий розчин, до якого вводять певну кількість розчинних кальцієвих сполук.
• Спеціальні бурові розчини — розчини, які застосовуються при бурінні в ускладнених умовах для боротьби з обвалом і газовиділенням у свердловинах. Готуються з високоякісних бетонітових глин, рідкого скла, солі, вапняного молока.

Класифікація бурових розчинів

В даний час використовують декілька типів бурових розчинів, серед яких виділяють:

1. Розчини на водній основі, які отримують із прісної води, інертних матеріалів для збільшення густини і різних хімреагентів для підвищення в'язкості і контролю за витіканням рідини;
2. Розчин на емульсійній основі, який отримують із різних концентрацій сирої нафти, води, інертних матеріалів і хімреагентів.
3. Розчин на синтетичній основі, який можна зіставити з емульсійним розчином, в якому емульсійна фаза заміщена синтетичною і менш небезпечна для навколишнього середовища хімічними реагентами.

Багато спеціалістів вважають розчин на емульсійній основі найбільш ефективним для буріння, але він має недоліки пов'язані з витратами і економічною дією.

В зонах з аномально низьким пластовим тиском можуть використовуватись газовані бурові розчини.

За складом дисперсійного середовища промивальні рідини можна розділити на такі групи:

1. Промивальні рідини на водній основі:

а) вода (прісна, морська, розсіл);

б) глинисті суспензії;

в) природні суспензії, які утворились при розбурюванні неглинистих порід і аргілітів;

г) суспензії на базі гідрогелів;

д) емульсії типу "масло у воді".

2. Промивальні рідини на неводній основі:

а) дегазована нафта та нафтопродукти;

б) багатокомпонентні розчини на вуглеводневій основі;

в) зворотні емульсії типу "вода у маслі".

3. Газоподібні робочі агенти (повітря, природні гази, вихлопні гази двигунів внутрішнього згорання).

4. Аеровані промивальні рідини та піни.

Склад бурових розчинів

В практиці буріння застосовують бурові розчини на водній (технічна вода, розчини солей і гідрогелі, полімерні, полімер-глинисті і глинисті розчини) і вуглеводневій (вапняно-бітумний розчин, інвертна емульсія) основах.

При бурінні в хемогенних відкладах застосовують соленасичені глинисті розчини, гідрогелі, у випадках можливих осипань і обвалів стінок свердловини — інгібіторні розчини, при впливі високих температур — термостійкі (термосолестійкі) глинисті розчини і розчини на вуглеводневій основі, які є ефективними також при розкритті продуктивних пластів і при розбурюванні теригенних і хемогенних нестійких порід.

При бурінні в умовах, що характеризуються аномально високими тисками, застосовують обважнені бурові розчини, в неускладнених умовах — технічну воду, полімерні безглинисті і полімерглинисті розчини з низьким вмістом твердої фази.

У 1962 р. при бурінні свердловин у зонах поглинання Борислава почали використовувати соляну і парафінову нафту для підвищення густини промивального глинистого розчину.

У 1974 р. на Прикарпатті вперше застосовано безперебійне обважнення глинистого розчину при газопроявах свердловин.

Властивості та їх регулювання

Розчин повинен відповідати наступним вимогам:

• виносити зруйновану породу на поверхню;
• охолоджувати і змащувати бурове долото і обладнання;
• передавати енергію на розміщенні на вибої мотори і турбіни;
• підтримувати і стабілізувати стінки свердловини;
• створювати гідростатичний тиск на пласт, який насичений рідиною і газом;
• зменшувати вагу труб завдяки ефекту плавучості;
• служити в якості середовища при проведенні каротажів;
• попереджувати розмив стовбура свердловини при турбулентному потоці або частковому розчиненні порід;
• повинен бути сумісний з пробуреними породами і наповненими їх рідиною і газом;
• попереджувати корозію долота, бурильної колони, обсадної труби і наземного обладнання;
• не допускати погіршення фільтраційних властивостей продуктивного пласта.

1. володіти тиксотропними властивостями (легко прокачуватись, швидко переходити в гелеподібний стан при зупинці прокачування);
2. бути інертною до гірських порід (не розчиняти їх, не сприяти пептизації вибурених частинок, не знижувати міцність стінок свердловини);
3. мати широкий діапазон регулювання густини;
4. кольматувати пори і тріщини в стінках свердловини та створювати в них тонку непроникну кірку;
5. зберігати стабільність властивостей при зміні температур;
6. володіти мастильною здатністю і теплофізичними властивостями, для відведення тепла від деталей, що труться;
7. нейтралізовувати компоненти порід і пластових рідин, які викликають корозію труб і обладнання та токсичні речовини;
8. не заважати проведенню геофізичних досліджень у свердловині;
9. складатися з недефіцитних та дешевих матеріалів.

Ефективність застосування бурових розчинів залежить від їх властивостей, до яких належать густина, в'язкість, водовіддача, статична напруга зсуву, структурна однорідність, вміст газів, піску; тиксотропія, вміст йонів Na, K, Mg.

Водовіддача бурового розчину характеризується об'ємом фільтрату (від 2 до 10 см³), який відділився від розчину через стандартну фільтрувальну поверхню при перепаді тиску ~100 кПа протягом 30 хв. Товщина осаду на фільтрі (фільтраційна кірка), яка утворюється під час визначення водовіддачі, змінюється в межах 1—5 мм.

Вміст твердої фази в буровому розчині характеризує концентрацію глини (3—15 %) і обважнювача (20—60 %). Для забезпечення ефективності буріння (залежно від конкретних геолого-технічних умов) властивості бурового розчину регулюють зміною співвідношення вмісту дисперсної фази і дисперсійного середовища та введенням в них спеціальних матеріалів і хімічних реагентів. Для попередження водонафтогазопроявів при аномально високих пластових тисках збільшують густину бурового розчину шляхом введення спеціальних обважнювачів (наприклад, крейдою до 1500 кг/м³, баритом і гематитом до 2500 кг/м³ і більше) або зменшують її до 1000 кг/м³ за рахунок аерації бурового розчину чи додавання до нього піноутворювачів (сульфанолу, лігносульфонату). Вміст твердої фази бурового розчину регулюється триступінчастою системою очищення на вібраційних ситах, пісковідділювачах (циклонах) і муловідділювачах (осадових центрифугах); газоподібні агенти відділяють у дегазаторах. Крім того, для регулювання вмісту твердої фази в розчин вводять селективні флокулянти.

Особливий клас реагентів застосовують при регулюванні властивостей розчинів на вуглеводневій основі. До них належать емульгатори (мила жирних кислот, емультал та інші), гідрофобізатори (сульфонол, четвертинні аміни, кремнійорганічні сполуки), знижувачі фільтрації (органогумати).

Готують бурові розчини безпосередньо перед бурінням і в його процесі при допомозі гідрозмішувачів та диспергаторів.

Технологічне обладнання для промивання свердловин

Включає:

• Систему приготування бурового розчину
• Систему очищення бурового розчину
• Систему циркуляції бурового розчину

Порядок та вимоги до приготування бурового розчину

Для приготування бурових розчинів використовуються тонкодисперсні, пластичні глини з мінімальним вмістом піску, здатні утворювати з водою в'язку, довго не осідаючу суспензію. Найкращі властивості мають істотно лужні (натрові) різновиди монтморилонітових (бентонітових глин), глинопорошки з яких застосовуються головним чином під час буріння нафтових і газових свердловин і для приготування глинистих розчинів із низькою щільністю.

Хороші солестійкі властивості мають палигорськітові глини, які застосовуються під час буріння соленосних порід. Високодисперсні бейделітові, каолінітові і гідрослюдисті глини характеризуються задовільними властивостями.

Шкідливими домішками у глинах, що погіршують стабільність глинистих розчинів, є гіпс, розчинні солі, вапняк.

Відповідно до технічних умов (ТУ У 39-688-81) основним показником якості глинистої сировини і глинопорошків, призначених для приготування бурових розчинів, є вихід розчину — кількість кубометрів розчину (суспензії) заданої в'язкості, одержуваного з 1 т глинистої сировини. Крім того, регламентуються щільність розчину і вміст піску.

Обіг (циркуляція) бурового розчину в свердловині та його очищення

Більшість бурових розчинів при бурових операціях рециркулюють по наступному циклу:

1. Буровий розчин замішується і зберігається в спеціальній «коморі»-відстійнику.
2. Спеціальний насос забирає його з відстійнику і направляє через бурильну трубу в свердловину.
3. Буровий розчин по трубі доходить до вибою свердловини, де бурове долото розбиває породу.
4. Буровий розчин у вибої омиває буровий інструмент, охолоджує і змащує його, захоплює вибурену породу.
5. Потім буровий розчин повертається на поверхню, виносячи при цьому частинки породи (шлам), які були відокремлені долотом від грудей вибою.
6. Буровий розчин піднімається по затрубу — простору між стінками свердловини і бурильною трубою. Типовий діаметр бурової труби близько 10 см. У нижній частині глибокої свердловини її діаметр може складати близько 20 см.

На поверхні буровий розчин проходить через лінію повернення — бункер-осаджувач, трубу, яка веде до дегазатора (за необхідністю), потім — до вібраційного сита (друга стадія очистки).

1. Бункер-осаджувач — це перша стадія очистки бурового розчину. Часто виготовляється безпосередньо на буровій.
2. Сито складається з низки вібруючих металевих ґрат, які використовуються для відділення розчину від шламу. Розчин протікає через ґрати і повертається у відстійник.
3. Частинки шламу потрапляють в жолоб для видалення. Перед викидом вони можуть бути очищені, виходячи з екологічних і інших міркувань. Деякі частинки шламу відбираються геологами для досліджень стану усередині свердловини.
4. Третя стадія очистки — відокремлення більш тонкого шламу в циклонах.
5. Четверта стадія очистки — відокремлення найтоншого шламу в осадових центрифугах.

Екологічні аспекти

Попри дію системи очищення завжди утворюються значні об'єми шламу, некондиційного бурового розчину і бурових стічних вод.

Некондиційний буровий розчин насичений колоїдною глиною, що не сепарується з розчину звичайними засобами очищення. Для відділення глини некондіційний розчин потрібно обробити коагулянтами і флокулянтами з подальшим розділенням в центрифузі на технічну воду і шлам. Процес обробки розчину здійснюється в блоці коагуляції і флокуляциі БКФ. Він являє систему ємностей для реагентів, насосів дозувань, витратомірів і трубопровідного обв'язування.

Продуктивнисть блоку по розчину — до 3—4 м³/год — дозволяє переробляти 40—50 м³ розчину в добу.

Важливим завданням, яке повинне бути вирішене при бурінні свердловин у природоохоронних зонах, є поховання або утилізація шламу. Поширений метод знешкодження шламу шляхом змішування його з порошкоподібними поглиначами, такими як цемент, та іншими матеріалами. Після змішування шлам набуває властивостей нешкідливого мінерального ґрунту. Продуктивність установки по шламу становить 4—5 м³/год. Вона може встановлюватися як на свердловині, так і на стаціонарному полігоні.

Інструментарій для дослідження бурового розчину

У США Американським нафтовим інститутом (API) розроблені стандартні методики дослідження бурового розчину, які поширені в ряді країн, зокрема, в Україні. Використовувані прилади показані в галереї.

Цікаві факти

• При бурінні велику роль відіграє якість глинистого розчину. Приготувати хороший розчин, що відповідає необхідним вимогам, буває деколи досить складно. Для досягнення якісних характеристик бурильники додають в нього спеціальні присадки, вливають нафту, кидають обривки паперів. Американські фахівці, наприклад, встановили, що властивості глинистого розчину значно поліпшуються, якщо додати в нього… паперові грошові знаки. З'ясувалося це випадково. Агентство з охорони довкілля США в цілях захисту повітряного басейну від сажі заборонило спалювати паперові долари, що вийшли з вживання. Спробували старі банкноти різати, перемелювати в спеціальних машинах і додавати отримувану масу в буровий розчин. Результати перевершили всі очікування: «грошовий допінг» надійно захистив промивальну рідину від коагуляції при нагріванні, понизив в'язкість розчину і додав йому ще ряд цінних якостей. Це особливо важливо при бурінні надглибоких свердловин, коли у вибої температура сягає понад 170—200 °С. Вітчизняні буровики для аналогічних цілей використовують відходи целюлозно-паперової промисловості (нітролігнін, суніл, ігетан).
• Буровий розчин називають «кров свердловини».

Див. також

• Бурова установка
• Глушіння свердловин
• Бурильні труби
• Глиномішалка
• Обважнювачі бурових розчинів
• Пісковіддільник
• Мобільні циркуляційні системи бурового розчину
• Шлам буровий
• Бункер-осаджувач
• Циркуляційна система бурового розчину
• Ситогідроциклонний сепаратор
• Конусна лійка Марша
• Лігносульфонатно-кальцієві промивальні рідини
• Полімерна інгібована промивальна рідина
• Полімерний хлоркалієвий буровий розчин
• Безглиниста промивальна рідина БІОКАР-МТ®
• Спеціальні технологічні рідини для проведення комплексу робіт із закінчування і ремонту свердловин

Примітки

1. Petroleum Engineering Handbook, Volume II: Drilling Engineering. Society of Petroleum Engineers. 2007. с. 90–95. ISBN 978-1-55563-114-7. 
2. Cheraghian, Goshtasp; Wu, Qinglin; Mostofi, Masood; Li, Mei-Chun; Afrand, Masoud; S.Sangwai, Jitendra (October 2018). Effect of a novel clay/silica nanocomposite on water-based drilling fluids: Improvements in rheological and filtration properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 555: 339–350. doi:10.1016/j.colsurfa.2018.06.072. 
3. . oilfieldteam.com. Архів оригіналу за 22 травня 2021. Процитовано 22 травня 2021. 
4. . glossary.oilfield.slb.com. Архів оригіналу за 22 травня 2021. Процитовано 22 травня 2021. 
5. Rabia, Hussain (1986). Oilwell Drilling Engineering : Principles and Practice. Springer. с. 106–111. ISBN 0860106616. 
6. CJWinter. . www.cjwinter.com. Архів оригіналу за 22 травня 2021. Процитовано 28 серпня 2017. 
7. . Drilling Contractor. Архів оригіналу за 22 травня 2021. Процитовано 28 серпня 2017. 
8. According the change of drilling fluid to understand under well condition. Drilling Mud Cleaning System. 27 грудня 2012. Процитовано 26 вересня 2013. 
9. . Архів оригіналу за 24 червня 2021. Процитовано 22 червня 2021. 
10. ТУ 39-688—81 Глинопорошок
11. http://www.prompages.ru/article.php?id_article=2857&param=show

Література

• Буріння свердловин. т.2. Київ: «Інтерпрес ЛТД», 2002. — 303 с.
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — ISBN 966-7804-14-3.
• The Oilfield Glossary [ 19 жовтня 2016 у Wayback Machine.](англ.) — Глосарій термінів з нафтовидобування.
• Білецький В. С. Основи нафтогазової інженерії [Текст]: підручник для студентів вищих навчальних закладів. / Білецький В. С., Орловський В. М., Вітрик В. Г. - Львів: «Новий Світ- 2000», 2019 – 416 с.
• ASME Shale Shaker Committee (2005). The Drilling Fluids Processing Handbook. ISBN 0-7506-7775-9.
• Kate Van Dyke (1998). Drilling Fluids, Mud Pumps, and Conditioning Equipment.
• G. V. Chilingarian & P. Vorabutr (1983). Drilling and Drilling Fluids.
• G. R. Gray, H. C. H. Darley, & W. F. Rogers (1980). The Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids.
• DCS Shale Shaker SUPPLIER. The Drilling Fluids cleaning system.