Учитывая характер осложнений при продувке забоя в работе [52] предлагается ряд способов и методов предупреждения возникновения и ликвидации осложнений в зависимости от условий залегания воды и её дебита (табл. 8.1).
Таблица 8.1 – Методы предупреждения и борьбы с осложнениями при продувке
| Тип воды по условиям залегания | Давление компрессоров | Дебит воды, л/мин. | ||
| до 8 (малый) | 8-120 (средний) | > 120 (обильный) | ||
| Верховодка и грун- товые безнапорные (артезианские) пластовые воды | Достаточно для работы эрлифта | Нагнетание стеаратов и вспенивателей | Возможно нормаль- ное бурение, при необходимости добавление вспени- вателей, тампонаж | Тампонаж, бурение с промывкой аэрированной жидкостью |
| Не достаточно для работы эрлифта | Добавление вспенивателей | Добавление вспени- вателей, тампонаж | Тампонаж, спуск обсадной колонны | |
| Трещинные и карстовые воды | Достаточно для работы эрлифта | Нагнетание стеаратов и вспенивателей | Возможно нормаль- ное бурение, при необходимости добавление вспени- вателей, тампонаж | Бурение с промывкой аэрированной жидкостью |
| Не достаточно для работы эрлифта | Добавление вспенивателей | Добавление вспенивателей | Переход на промывку скважины буровым раствором |
Кроме представленных в таблице 8.1 методов предупреждения и ликвидации осложнений, возникающих при продувке забоя, разработан ряд других способов:
1) Добавление в поток нагнетаемого воздуха органических жидкостей типа керосина или дизельного топлива и воды, вплоть до перехода на бурение с аэриро- ваннойжидкостью.
2) Использование компрессоров с повышенными параметрами по давлению и расходу воздуха.
3) Добавление при бурении с продувкой в аэрированную жидкостьПАВ.
Органические жидкости типа керосина или дизельного топлива, растворимые в нефти смолы, мыла тяжёлых металлов и так далее нашли широкое применение за рубе-жом для предупреждения образования сальников. Жидкости, введённые в скважину, об- разуют водонепроницаемую плёнку на стенках скважины и частицах шлама, но в случае их избытка происходит образование массы типа оконной замазки, извлечение которой из скважины весьма затруднено. Это обстоятельство является серьёзным препятствием распространения такого способа предупреждения сальникообразования.
Увеличение подачи воздуха и использование компрессоров с высоким рабочим давлением при малых водопритоках не обеспечивает подъёма на поверхность обра- зующейся при бурении густой, липкой шламовой пульпы, а поскольку пульпа не вы- носится, то происходит интенсивное сальникообразование. Увеличение производительности компрессоров даёт положительный эффект при средних и обильных водопритоках.
Добавление ПАВ в воздушный поток при одновременном увеличении расхода воздуха на 20-30% согласно [30, 74] будет способствовать:
1. Снижению степени слипания частиц шлама между собой и налипания их на стенки скважины и буровой инструмент. Это происходит за счёт молекулярной структуры и баланса полярных и неполярных свойств ПАВ. Молекулы ПАВ концен- трируются на поверхностях раздела воды с воздухом, причём полярная (гидрофиль- ная) группа обращена в сторону воды, а неполярная (гидрофобная) – в сторону воздуха. Понижение поверхностной энергии и образование ориентированного слоя молекул ПАВ на границе раздела воды с воздухом облегчает возникновение большо- го количества воздушных пузырьков и предохраняет их от слияния друг с другом. На поверхности горной породы также происходит повышение концентрации (адсорбция) ПАВ с образованием ориентируемого слоя его молекул толщиной в одну молекулу мономолекулярного слоя. Этот слой обладает гидрофобными свойствами и уменьша- ет силы слипания частиц шлама между собой и налипание их на стенки скважины и бурильныйинструмент.
2. Снижению и стабилизации давления на компрессорах за счёт уменьшения трения при движении смеси воздуха, жидкости и шлама о стенки скважины и буриль- ныйинструмент.
3. Более равномерному перемешиванию всех частиц шлама в воздушном пото- ке. Образующиеся газообразная и жидкая фазы более равномерно распределяются по сечению кольцевого пространства ствола скважины за счёт интенсивного пенообра- зования и механической прочностипены.
4. Улучшению смазывающих свойств потока, уменьшению пульсации дав- ления, что снижает вероятность усталостного разрушения породы на стенках скважины.
Выбор наиболее эффективного ПАВ определяется степенью минерализации и химическим составом солей, растворённых в воде, температурой и свойствами горной породы [74]. Определённое влияние оказывают скорость бурения, геомет- рические характеристики инструмента и скважины, расход воздуха и дебит воды. Например, согласно иностранным исследователям бурение с продувкой с приме- нением ПАВ экономически не выгодно при интенсивности водопритока более 160л/мин.
Характеристика ПАВ для бурения с применением воздуха (газа) по данным ВНИИБТ представлена в таблице 8.2.
Таблица 8.2 – Характеристика ПАВ для бурения с применением воздуха (по данным ВНИИБТ)
| ПАВ | Класс ПАВ | Внешний вид | Концентрация активного вещества, % | Упаковка |
| ОП-7, ОП-10 | неионогенные | маслянистая, светло- коричневая паста | 25-30 | металлические бочки |
| ДБ | неионогенные | вязкая, жёлто- коричневая жидкость | металлические бочки | |
| Синтанол ДСП | неионогенные | тёмно-коричневая жидкость | металлические бочки | |
| Синтамид-5 | неионогенные | светло-коричневая жидкость | металлические бочки | |
| Превоцелл W-ON-100 | неионогенные | вязкая, жёлто- коричневая жидкость | металлические бочки | |
| Превоцелл W-OF-100 | неионогенные | белая паста | металлические бочки | |
| Сульфонат | анионоактивные | порошок | крафт-мешки | |
| Лотос | анионоактивные | порошок | крафт-мешки | |
| Сульфонол | анионоактивные | тёмно-коричневая жидкость | 24-40 | металлические бочки |
| Прогресс | анионоактивные | тёмная жидкость, иногда прозрачная | металлические бочки | |
| ПО-3А | анионоактивные | светло-жёлтая жидкость | металлические бочки | |
| Препарат 8М | смесь неионогенных и анионоактивных | светло-коричневая жидкость | металлические бочки |
Концентрация ПАВ в воде (табл. 8.2) для пресных и слабоминерализованных вод плотностью до 1 001,5 кг/м3 составляет 0,10-0,23% в пересчёте на активное вещество, для вод средней минерализации плотностью 1 001,5-1 028,3 кг/м3 соответственно в диа- пазоне 0,20-0,38%, для рассолов плотностью 1 028,4-1 190,0 кг/м3, особенно хлоркальци- евого типа, необходимо применять сульфонат и прогресс при концентрации 1,1-1,2%. Оптимальная температура пластовой воды должна находиться в пределах 15-50°С [74]. Расход воды с ПАВ должен подбираться опытным путём. При этом с увеличением водо- притока объём подаваемой воды с ПАВ необходимо уменьшать. Обычно подача воды с ПАВ в воздушную линию осуществляется дозирующим насосом с расходом до 3-5 л/с. Основным признаком достаточной подачи воды с ПАВ является стабилизация выходя- щего на устье потока смеси (шлам, туман,пена).
Предельный расход водопритока, необходимый для удаления воды из скважи- ны в один приём и ограниченный допустимым давлением компрессора, определяется по формуле [74]:
Q = Vпп t
= Pк × Sкп,
r в × g × t
(8.1)
где Vп – предельный объём воды,м3;
t – время технологического перерыва (СПО, смена долота и др.), с;
Рк – допустимое давление компрессора, Па;
Sкп – средневзвешенная по длине скважины площадь кольцевого пространства, м2; ρ в – плотность пластовой воды, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м2/с.
Для наглядности определим предельное время технологического перерыва в бурении по формуле (8.1) при роторном способе бурения скважины с продувкой. Ис-
ходные данные для расчёта: рабочее давление компрессора (Рк) – 5 МПа, диаметр скважины (Dс) – 295,3 мм, коэффициент кавернозности (k) – 1,1, дебит воды (Vп) – 0,8 м3/ч, плотность пластовой воды (ρ в) – 1 100 кг/м3, длина УБТ (LУБТ) – 80 м, диа- метр УБТ (DУБТ) – 229 мм, длина бурильных труб (LБТ) – 820 м, диаметр бурильных труб (DБТ) – 140мм.
Определим площади затрубного пространства в интервале УБТ (SУБТ) и бу- рильных труб (SБТ):
|
|
|
|
Найдём площадь скважины при отсутствии в ней инструмента:
|
Учитывая, что гидростатическое давление, соответствующее длине столба во- ды (Lв) в кольцевом пространстве при её выбрасывании из скважины сжатым возду- хом, по условиям данного примера должно быть равно рабочему давлению компрессора:
Lв = Рк/ (ρ в·g) = 5·106/(1 100·9,8) = 464 м.
Найдём объём воды в затрубном пространстве при длине столба 464 м (ин-
струмент спущен в скважину):
Vп = SУБТ·LУБТ + SБТ· (Lв – LУБТ) = 0,0341·80 + 0,0599·(464 – 80) = 25,7 м3.
Определим высоту столба воды в скважине при отсутствии в ней инструмента:
h = Vп/Sс = 25,7/0,0753 = 343 м.
Из формулы (8.1) оцениваем допустимое время технологического перерыва в бурении:
t = Vп/Qп = 25,7/0,8 = 32,1 ч.
Для качественной очистки забоя скважины от шлама расход воздуха или газа при нормальном атмосферном давлении должен определяться по формуле (м3/с)[24]:
|
|
где Vвп – скорость восходящего потока газообразного агента, м/с. (при бурении сплош- ным забоем шарошечными долотами рекомендуется 15-25 м/с, при бурении алмазными долотами–15-18м/с,прибурениибурголовками–10-12м/с)[24];
k 1 – коэффициент, учитывающий неравномерность скорости потока по стволу из-за наличия каверн (рекомендуется 1,1-1,3) [24];
k 2 – коэффициент, учитывающий водоприток в скважину (при малых и средних водопритоках рекомендуется 1,15-1,20) [24];
k 3 – коэффициент, учитывающий увеличение потерь давления в кольцевом про- странстве с ростом глубины (при глубинах до 200 м рекомендуется 1, при глубинах более 200 м – 1,08-1,25) [24];
Dc – диаметр скважины, м;
DБТ – наружный диаметр бурильных труб, м.
В реальных условиях действительный расход с ростом глубины можно опреде- лить по формуле (м3/с):
Qд = Q ×, (8.3)
где Рзаб. – давление в призабойной зоне кольцевого пространства скважины,Па;
Ратм. – атмосферное давление на поверхности, Па.
На основании расчётов требуемого расхода газообразного агента по таблице 8.3 выбирается компрессор или группа компрессоров, подача которых в сумме была бы равна или больше расчётной.
Таблица 8.3 – Технические данные передвижных компрессоров
| Параметры | ЗИФ-55 | ПКС-5 | ДК-9М | ПК-10 | ЭК-9М | ЗИФ-51 | КСЭ-5М |
| Подача, м3/мин. | 10,5 | 4,65 | |||||
| Рабочее давление, МПа | 0,7 | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,6 | 0,7 | 0,8 |
| Мощность на валу компрессора, кВт | 43,7 | 33,8 | 67,6 | 63,2 | |||
| Двигатель компрессора | бензиновый | дизельный | электродвигатель |