Жуу сұйықтығының ластануы ұңғымаларды бұрғылау тиімділігіне әсері

 

Жуу сұйықтығы оның құрамына әртүрлі қоспалардың: инертті, химиялық және басқа да қоспалардың түсу нәтижесінде ластанады. Ластану себептерін басқарылатын және басқарылмайтын болып бөлуге болады: біріншісі геологиялық жағдайлармен, ал екіншісі – тиімді технология және ұйымдасқан жұмыстардың бұзылуымен байланысты.

Ластанудың геологиялық себептері жуу сұйықтығына бұрғыланған және ұңғыма қабырғасынан опырылған таужыныстардың өтуімен байланысты. Жуу сұйықтығының механикалық қоспалармен байытылуы борпылдақ, нашар цементтелген, тез бұзылатын таужыныстар бойынша бұрғылау кезінде қарқынды жүреді. Бұрғылау үрдісінде ерітіндіге сазды бөлшектердің біршама мөлшері және әртүрлі талшықты материалдардың, мысалы асбестқұрамды шламның түсуі үлкен күрделіктерге әкеледі. Ұңғыма оқпанына таужыныстардың опырылуы ерітіндіде қатты бөлшектер құрамының іршама жоғарлауына әкеледі.

М.З. Магомедов және А.В. Орлов бұрғылаудың механикалық жылдамдығы және ерітіндіде қатты фазаның құрамы арасындағы тәуелділіктің болуы келесі формула түрінде көрсеткен:

 

, (2.1)

 

мұндағы және – бұрғылаудың қазіргі және алғашқы механикалық жылдамдылықтары; l – бұрғылаудың меншікті тежелуі деп аталтын өлшемсіз пропорционалдылық көрсеткіш және ол бұрғылау ерітіндінің қатты және сұйық фазалар арасындағы физикалық өзара әрекеттілік көлемімен сипатталады; – ерітіндіде қатты фазаның құрамы. туындысы ерітіндіде қатты фазаның кездесуінен бұрғылаудың жалпы тежелуін сипаттайды.

l мәніне байланысты келесі жағдайларда қарастырылады: егер l=1, онда төмендеуі ерітіндіде қатты фаза құрамының әсерімен анықталады; 1>1 кезінде қатты бөлшектердің өзара физикалық әрекеттесуі жүруі мүмкін, бұл ерітіндіде қатты бөлшектердің құрамының жоғарлағанын көрсетуі мүмкін; l>1 кезінде ерітіндіде ірі инетті бөлшектер (құм, барит және т.б.) кезедеседі.

l анықтау үшін V- типті графиктер салынады. Ордината осінде V= қатынасы, ал абцисса осінде – қатты фаза құрамы пайызбен көрсетілген. мәні қатты фазаның нөлдік құрамы кезінде логарифмдік масштабтағы график бойынша анықталады. Берілген химиялық құрамындағы бөлшектер үшін бірнеше еңістелген бұрыштары бар жолақ алынады. Әртүрлі химиялық табиғаттағы бөлшектер үшін барлық жолақтар нүктесінен сәуле түрінде шығады.

Ең жоғарғы жолақтың еңістелген бұрыштың көрсеткіші 1 тең деп алынады. Бұл көрсеткіш графикте төменде орналасқан барлық жолақтар үшін кезінде ең жоғарғы жолақ үшін мәнін келесі жолақ үшін мәніне бөлу арқылы анықталады. Бұл жағдайда анықталған мәнді бұрғылаудың механикалық жылдамдығының меншікті тежелуі деп алады.

Бұрғылаудың механикалық жылдамдығының жоғарлауы құрамында қатты фазаның мөлшері төмен болатын жуу сұйықтықтарын қолдану кезінде қамтамасыз етіледі. Жуу сұйықтығының құрамын таңдаған кезінде қатты және сұйық фазалардың өзара әрекеттесуін төмендету, алғашқы бөлшектерінде, сонымен қатар бұрғыланған (опырылған) таужыныстар бөлшектерінде диспергиглену үрдісін баяулату қасиеттері бар құрамдарды таңдайды. Бұрғылаудың механикалық жылдамдығына ерітіндіде қатты фазаның құрамы ғана емес, сонымен қатар оның фракционды құрамы, әсіресе коллоидты бөлігі үлкен әсер етеді. Бұл зарядталған бөлшектері бар ерітіндінің тұтқырлығы оның дисперстік дәрежесі және зарядтың абсолюттік көлемі жоғарлаған кезінде жоғарлайды. Сондықтан да ерітіндіде белсеңді колоидты бөлшектердің санын белгілі дәрежеде ұстап, оны бақылап тұру қажет.

Ерітіндіге инертті қатты бөлшектердің түсуі біріншіден оның тұтқырлығын баяу жоғарлатады, бірақ оның шектен жоғарлауы тұтқырлықтың біршама жоғарлауына әкелуі мүмкін.

Жуу сұйықтығының ерекше ластану түріне оның химиялық белсеңді қоспалармен (сульфаттармен, карбонаттармен, сульфидтермен және т.б.) байытылуы жатады және ерітінді гипс, ангидрид, карбонатты таужыныстарды, цементті, тұзды шөгінділерді және т.б. бұрғылаған кезінде ластайды.

Ангидрид және гипс шөгінділердің мүмкін болатын кездесу жақсы болжамдалады. Әдетте олар көне терең теңіз бассейндеріне ұштасқан және әктастар қабатында желілер түрінде немесе бірнеше жүздеген метр қалындығы болатын шөгінділер түрінде кездеседі.

Ангидрид бойынша бұрғыланған кезінде жуу ерітіндісіне иондары келіп түседі. Бұл жағдайда бентонитті ерітіндіге біршама агрессивті әрекеттігімен иондары ерекшеленеді және оның коагуляциясын шығарады. сазды ерітіндіге әсері көбнесе көптеген электролиттердің әсеріне ұқсас болып келеді. шамалы концентрацияларында ерітіндінің шартты тұтқырлығы және ығыспаның статикалық кернеуінің жоғарлауына және де рН төмендеуіне әкеледі. Бұл жағдайда с бергіштігі шамалы өзгереді. 1 кг бентонитке өткен кезінде сазды ерітіндінің шартты тұтқырлығы жоғарлай бастайды. Сазды ерітіндіде шоығырының жоғарлауы оның шартты тұтқырлығының кенет төмендеуіне әкеліп, су бергіштігінің жоғарлауы орын алады.

Құрамында Na саздары бар бентонитті ерітіндінің иондарына агрессивті әрекетінің мәні оларды Са-саздарға алмасуынан құралған және осыған байланысты ерітінді агрегативті тұрақсыз болып келеді.

Жуу ерітіндісінің карбонаттармен және бикарбонаттармен ластануы оған бұрғыланып жатқан таужыныстардан, қатпарлы сулардан; жуу сұйықтығына химиялық реагент ретінде біршама мөлшерде кальцийлі сода немесе натрий бикарбонатын енгізу кезінде; химиялық реагенттердің (лигнина, лигносульфоната, гуматты, КМЦ, крахмал, танинді) жылулық және бактериалды ыдарудың әрекетінен және өңделген газдардан ерітінділердің адсорбциясынан болады. Бірақ карбонаттардың және бикарбонаттардың ерітіндіге түсуі карбонатты таужыныстарды бұрғылаған кезінде олардың бұзылып еруімен және ұсақталған карбонатты шламның тұйықталған циркуляция жүйесінде ұзақ уақыт бойы айдалуымен байланысты болады. таза әктастар жоғары еру жылдамдығымен сипатталатыны белгілі, ал доломитті әктастарда еру жылдамдығы екі есе баяу. Карбонаттардың құрамында сазды минералдардың болуы кезінде олардың еру жылдамдығы сазды қабықшаның экрандалу нәтижесінде төмендейді. Еріген карбонаттар ерітіндінің рН байланысты түрінде таралуы мүмкін және олар ерітіндінің технологиялық қасиеттерін төмендетіп, қатты фазасының коагуляциясын тудыртады.

Белгілі жағдайларда жуу сұйықтығының құрамында ерітілген карбонаттардың таралуы ұңғыма қабырғасыда таужыныстардың тұрақтылығының бұзылуына әкеледі, ал бұл бұрғылау жұмыстарының өнімділігін төмендетіп, апаттың қауіптілігін жоғарлатады.

Бентонитті саздардан дайындалған ерітінділерде карбонаттардың шекті концентрациясы миллионға 40-тан 80-100 бөлігі болуы қажет. > милионның 100 – 120 бөлшегі құрамы кезінде СНС және гелдің қалыптасу жылдамдығының кенет жоғарлауына әкеледі.

Ерітіндінің коагуляциялау жылдамдығына біршама әсер етеді және ол ерітіндіде миллионға 4 бөлігі тең болатын ерітінді құрамында байқалады. Бикарбонаттың құрамы милионға 40 бөлшек болған кезінде ерітіндінің толық коагуляциясы жүреді.

Жуу сұйықтығының цементпен ластануы тура геологиялық себептермен байланысты емес. Әдетте бұл ұңғыма оқпанында әртүрлі мақсаттар үшін жасалған цементтік тығындарды, аспаларды бұрғылау кезінде орын алады. Ерітіндінің тез тұтқырлануы және қатуына байланысты бұл жағдайда жуу сұйықтығының циркуляциясының тоқтауы (КТО, каротаж, тұрып қалу) өте қауіпті, себебі құрамында цементтің белсеңді гидративті емес бөлшектері тұңған кезінде, тығыздалып, ұңғымада бұрғылау құралының тұрып қалуына әкеледі.

Жуу сұйықтығына әртүрлі қоспалардың түсуі нәтижесінде берілген технологиялық қасиеттердің бақылаусыз өзгеруі әдетте ұңғымада апаттық жағдайлардың дамуына әкелетін әртүрлі күрделіктердің пайда болуына себеп болады. Сондықтан да бұл заманауи мәселелердің бірі, әсіресе қатты пайдалы қазбаларға терең ұңғымаларды (2000-3000 м) бұрғылау кезінде, себебі одан бұрғылау жұмыстар өнімділігінің жоғарлауы, 1 м бұрғылау құнының төмендеуі, сонымен қатар ұңғыма бойынша геологиялық және геофизикалық мәліметтер сапасының жоғарлауы біршама мөлшерде байланысты болады.

Жуу сұйықтығы ластануының технологиялық себептері. Жуу технологиясының бұзылылуының ең қарапайым мысалына төмен сапалы сазматериалдарын қолдану нәтижесінде ерітіндіні дайындау кезінде оның ластануы жатады. Олардың шығыны әдетте 1 ерітіндіге 300-350 кг асады. Бұл жағдай да ұңғымаға сазды материалдардан басқа 13%, кейден одан көп мөлшерде құм түседі. Осындай ерітіндінің тұрақтылығының бұзылуы ұңғыманың қалыпты тереңдету жұмыстарының тоқтауына әкеледі. Сонымен қатар, үнемі түсіп жатқан бұрғыланған таужыныстар бөлшектері тағы да ұсақталып, жуу сұйықтықтарының химиялық өңделуі үшін кеңінен қолданатын пептизаторлар және реагенттұрақтандырғыштардың (УЩР, КМЦ, МК-1 және т.б.) ерітіндіде таралуына байланысты сақталып тұрады.

Геологиялық-барлау ұйымдарында кеңінен УЩР реагентін қолданып келеді, бұл дұрыс деп айтуға болмайды, себебі ол сазды ерітіндінің құрамында қатты фазаның мөлшерін көбейтеді.

Ерітіндінің ластануы, сонымен қатар, оны дайындау үшін жоғары қаттылығы бар техникалық суларды қолдануымен де байланысты. Ерітіндіге, мысалы, иондарының түсуі сазды бөлшектердің бетінде зарядтардың қайта таралуына әкеліп, оның коагуляциялануына әкеледі. Бұл жағдайда ерітіндінің су бергіштігі жоғарлауы да мүмкін. Осындай ерітіндіде қажетті техникалық қасиеттерді (тұтқырлықты, СНС су бергіштігі) сақтау біршама күрделіктермен және шығындармен байланысты болып келеді.

Ерітіндінің құрамында қатты фазаның біршама мөлшері тұрып қалуі қауіпін жоғарлатады. Сондықтан да бұрғылау құралы забойға дейін жетпейді, таужынысты тығындарды шаю, сонымен атар бұрғыланған арақашықтықтарды қайта бұрғылау қажеттілігі де туындауы мүмкін.

Жуу сұйықтығының түрі, оның физикалық қасиеттері бұрғылаудың механикалық жылдамдығына әсер етітіні белгілі. Дж. Эккель механикалық жылдамдылық Рейнольдс санына Re* пропорционалды екенін дәлелдеп, оны келесі тәуелділікпен көрсеткен:

 

(2.2)

 

мұндағы – бұрғылаудың механикалық жылдамдығы; m, а, b, с – константалар; Р – қашауға түсетін остік жүктеме; n – бұрғылау құралының айналу жиілігі; – ерітіндінің тығыздығы; υ – арна қимасы бойынша сұйықтықтың қозғалысының орташа көлемдік жылдамдығы; d – жуу арнасының диаметрі; η – қашаудың басы арқылы қозғалыс кезінде ерітіндінің пластикалық тұтқырлығы.

Әртүрлі тазалағыш агенттерінің тұтқырлық қасиеттерінің СА типті өздігінен қайралатын коронкалардың жұмыс қабілетіне әсерін зерттеу ЛГИ ұңғымаларды бұрғылау технологиясы және техникасы кафедрасында жүргізілген. 59 мм диаметрлі СА коронкалардың жуу арналары үшін алынған Рейнольдс саны келесіні құрады: ауа 14150, су 3948, дизелді жанармай 820 және сазды ерітінді 434. Осы реттілікпен коронкамен бұрғылау мәні де өзгереді.

Жуу сұйықтығының ағысының динамикалық күштерінің жоғарлау немесе ерітінді тұтқырлығының төмендету нәтижесінде осы параметрлердің бұрғылау құралының остік жүктемесі және айналу жиілігімен тиімді қатынастар кезінде забойдың жақсы тазалуынан механикалық жылдамдылықтың жоғарлауына қол жеткізуге болады. екінші жағынан, ұңғыма бойынша жер бетіне шлам бөлшектерін жақсы тасымалдауды қамтамасыз ету үшін тұтқырлықты жоғарлату қажет. Осыған байланысты гидромоторлы қашаулардың артықшылығы бар: еңсіз жапсырмалардың болуы, себебі олар тұтқырлы ерітіндіде забой маңы белдемінде ағыстың динамикалық күштерінің кенет жоғарлауына әкеледі, нәтижесінде бұзылу жағдайлары және забойды тазалау жағдайлары жақсарады.

Ерітіндінің тұтқырлығына келесі жағдайлар әсер етеді: алғашқы сұйық фазаның тұтқырлығы, қатты бөлшектердің саны, ірілігі және пішіні, бөлшектер арасындағы жабысу күші, сонымен қатар олар және сұйықтық арасындағы үйкеліс күші.

Ерітінді тұтқырлығының жоғарлауы біршама көлемде забойды тазалау үрдісінің, яғни оның бетінен бұрғыланған таужыныстар бөлшектерінің көтерілуін төмендеуін анықтайды; ұңғымадан ірі бөлшектерінің шығарылуын жақсарады; кеуекті және жарықшақты таужыныстарда жуу сұйықтығының шығының төмендетеді, ұңғыма қабырғасындағы цементтелмеген және суға сезімтал таужыныстардың тұрақтылығын қамтамасыз етеді; өнімді горизонттың тереңдігінің және кольматацияның жоғарлауы; жер бетіндегі циркуляциялық жүйеде ерітіндіні шламнан тазалау күрделігі және т.б. Сондықтан әртүрлі технологиялық үрдістер үшін ерітіндінің тиімді тұтқырлық дәрежелері берілу қажет.

Н.Н. Резниченко [3] сазды ерітіндінің пластикалық тұтқырлығы оның құрамындағы коллоидты компоненттің мөлшеріне (%) және органикалық химиялық реагенттердің концентрациясына тәуелділігі бойынша бағаланады және келесі теңдеумен беріледі:

 

(2.3)

мұндағы b – тұрақты көрсеткіш, 0,48; – сәйкесінше сазды ерітіндінің және судың тығыздығы, кг/ ; m – реагенттің белсеңдігін сипаттайтын көрсеткіш (КМЦ-600 үшін ол 4,0-4,5, метас үшін 8,5 УЩР 1,23 және окзил үшін 1,26 тең).

(2.3) формуласы мәндері, сәйкесінше бұрғылаудың механикалық жылдамдығын анықтайтын Рейнольдс саны бойынша жуу сұйықтығының параметрлерін тиімді жасауға мүмкіндік береді.

Кейіннен Рейнольдс санына әсер ететін бұрғылау режимінің басқа да параметрлердің өзгеруіне қарағанда жуу сұйықтығы тұтқырлығының өзгеруі механикалық жылдамдылыққа біршама үлкен әсер етеді. Жуу сұйықтығының тиімділігін бағалау үшін Re* санымен анықталатын механикалық жылдамдылық индексі (ИМС) енгізілген:

Re*< 1900 кезінде ИМС = 0,04 Re*

1900 < Re* < 50000 кезінде ИМС = 0,001 Re*

50000 ≤ Re* ≤ 500000 кезінде ИМС = 0,01 Re*

Re* > 500000 кезінде ИМС = 0,32 Re*

Re* санының белгілі мәні кезінде бұрғылаудың механикалық жылдамдығын анықтап, оны басқа мәндер үшін болжауға болады. ИМС жуу сұйықтығының қасиеттерін, сорғыштың бергіштігін, қашаудағы жапсырма диаметрі бұрғыланған таужыныстардан забойды тазалау сапасына әсер етеді. Жуу сұйықтығының түрін және сорғыштың бергіштігін біле отырып, тиімді ИМС таңдауғаболады.

Ерітіндіде өлшемдері коронканың шеткі бөлігінде түзілетін ламинарлы қабықшаның қалындығына сәйкес келетін шлам бөлшектерінің жиналуы забойдан бөлшектердің көтерілу жағдайларын күрт төмендетеді, яғни забойдың тазалануын да нашарлатады. Коронканың шеті астындағы ламинарлы қабықша қалындығы келесі формула бойынша анықталуы мүмкін[4]:

 

(2.4)

 

мұндағы δ – ламинарлы қабықша қалындығы, м; – ағын арнасының эквивалентті диаметрі, м; Re –Рейнольдс критерийі.

Н. Д. Михайлов [4] мәліметтері бойынша η=6 мПа·с тең сазды ерітіндісінің тұтқырлығы кезінде коронканың шеткі бөлігі астындағы сұйықтықтың қозғалуы ламинарлы болады.

Құрамында қатты фазасы бар жуу ерітінділерді қолдану кезінде ұңғыма забойын тазалану жағдайларының төмендеуіне ерітіндінің қатты фазасын тасымалдауға кететін энергияның шығындалуымен де байланысты. Бұл жағдайда ерітіндіде қатты фазаның мөлшеру жоғары болған сайын, забойдан шламды тазалау жағдайлары төмендейді. Ерітіндіде қатты фаза мөлшерінің төмендеуі және оны белгілі тиімді дәрежеде ұстап тұру – маңызды технологиялық мәселе болып келеді және оның шешілуінен терең ұңғымаларды барлау бұрғылау өнімділігі тәуелді болып келеді.

Осыған байланысты мүмкін болатын жерлерде сазды ерітінділерде қолданбай, дисперцияланбайтын қатты фазасы бар ерітінділерді, полимерлі және биополимерлі ерітінділерді қолданған жөн. Ұңғымадан бұрғыланған таужыныстарды шығару жағдайларын жоғарлату мақсатында мұнай және газға бұрғылау тәжірибесінде стратопакстан кескіштері рмирленген арнайы ашауларды қолдана бастады. Бұл жағдайда бұрғыланған таужыныстардың бөлшектері қарапайым алмазды қашаулаадың жұмысымен салыстырғанда ірі болады.

Забойдың ламинарлы қабатшаның әрекет ету белдемінде орналасқан бөлшектер қозғала бастайтын ұңғыманың сақиналы кеңістігінде көтеру ағысының жылдамдығын анықтау үшін (1.4) формуласын қолдануға болады.

Осыған байланысты, ұңғыма забойын тиімді тазалау және бұрғылау кезінде таужыныстарды бұзушы құралдың тозуға тұрақтылығының негізгі факторына ұңғыманың забой маңы белдемінде тазалағыш агент ағысының турбулентті дәрежесі жатады және ол негізінен, тұтқырлық қасиеттерімен анықталады, себебі бір тазалағыш агент үшін ағыстың динамикалық күштері ағыстың тасымалдаушы қабілеттігін қамтамасыз ететін жағдайлардан шыға отырып орнатылады.

Ұңғыма қабырғасының шайылуына, қуыстардың түзілуіне немесе ерітіндіде шламның, әсіресе оның коллоидты бөлшектерінің жиналуына әкелетін жуу технологиясы бұрғылаудың механикалық жылдамдығының және өнімділігінің төмендеуіне әкеледі.

Ерітіндінің ластануының ұйымдастық себептері бұрғылау бригадасының мамандану дәрежесінен, сонымен қатар кез клген түрдегі тұрып қалу жағдайларынан құралады. Жуу сұйықтығының циркуляциясы тоқтаған кезінде шлам ұңғыма забойында тұнып қалуы мүмкін. Егер оның жиналуының басында А.А. Бабичев мәліметтері бойынша забой маңы белдемі арқылы жуу сұйықтығы шығынының төмендеуіне және забойдан шламның шығару жығдайларының нашарлауына әкелетін болса, онда циркуляцияның ұзақ уақытты тотау кезінде бұрғылау құралының басында сальниктің түзілуімен тығыздалу болуы мүмкін, бұл күрделіктердің дамуына, оның ішінде ұңғымаларда апаттардың түзілуіне әкеледі.