Способ выбора бурового раствора для бурения в неустойчивых глинистых породах

Способ выбора бурового раствора для бурения в неустойчивых глинистых породах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ВЫБОРА БУРОВОГО РАСТВОРА ДЛЯ БУРЕНИЯ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ путем измерения пре- . дельного напряжения сдвига бурового раствора в системе глинистая порода - жидкость и .показателей набухания глинистых пород, определения обобщенного показателя устойчивости глинистых пород с последующим выбором бурового раствора по наибольшему обобщенному показателю устойчивости , отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа , дополнительно устанавливают тип структурных связей глинистых пород, а обобщенный показатель устойчивости определяют из следующих математических выражений: для глинистых пород с коагуляционным типом структурных связей - /Z --Р. m ж г& / для глинистых пород с конденсацийонно-кристаллизационным типом структурных связей - Кг& Z В m 3Kt С, г PmE. Z ж ,j - обобщенные показатели где устойчивости . , Рт х .предельное напряжение сдвига jсистемы жид . кость-вода для воды и для жидкости соответственно; Л коэффициенты, показыгж вающие сколько жидкости набухания (в см ) связывает 1 г глинистой породы| . время набухания в Zg,2 ж воде и жидкости соответственно ,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

СЮ 4 С 09 К 7/00

z 8 Рмтк

z x . Рмб

K@6

С1- К

1 гВ, К >к

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ1ТИЙ (21) 3742557/23-03 (22) 27.03.84 (46) 30,12.85. Бюл. М - 48 (71) Архангельский отдел Апрелевс«. ° кого отделения Всесоюзного научноисследовательского геологоразведочного нефтяного института (72 ) А.Ф. Усынин (53) 622. 243. 144 (088. 8) (56) Войтенко В.С. и др. Физико-химическое воздействие буровых растворов на горные породы.-М.: Недра, 1983, с.39-41.

Авторское свидетельство СССР

Р 991236, кл. 6 О1 N 7/00, 1983.

Городнов В.Д. Физико-химичес-. кие методы предупреждения осложнений в бурении. -N.: Недра, 1977, с.271. (54)(57) СПОСОБ ВЫБОРА БУРОВОГО PACTВОРА ДЛЯ БУРЕНИЯ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОДАХ путем измерения предельного напряжения сдвига бурового раствора в системе глинистая порода — жидкость и показателей набухании глинистых пород, определения обобщенного показателя устойчивости глинистых пород с последующим выбором бурового раствора по наибольшему обобщенному показателю устойчивости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности споÄÄSUÄÄ 1201291 A соба, дополнительно устанавливают тип структурных связей глинистых пород, а обобщенный показатель устойчивости определяют из следующих математических выражений: для глинистых пород с коагуляционным типом структурных связей для глинистых пород с конденсаци " онно-кристаллизационным типом структурных связей обобщенные показатели устойчивости ,предельное напряжение сдвига системы жидI кость-вода для воды и для жидкости соответственно; коэффициенты, показывающие, сколько жидкости набухания 1,в см ) связывает 1 г глинистой породы, вреюг набухания в воде и жидкости соответственно.

120! 2(11

11л1 61 Г .те .))))е от))осит(л к сис ) емам цлл бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к способам выбора эффективного бурового раствора для бурения в неустойчивых глинистых породах, Цель изобретения — повышение точности способа.

Испытания проводили на образцах глинистых пород двух видов. Образцы первого вида получали прессоваглинопорошка аскангеля и уемской карьерной глины под давлением

300 МПа, образцы второго вида изготовили иэ керна, поднятого иэ скв. 1)- 53 Наульской с глубины 1132 м с .сохранением естественной структуры.

Результаты испытания на набуха ние некоторых глин и результаты деформирования глинистых образцов того же состава, но отличающихся определенным типом структурных связей, даны в табл.1 и 2.

Физические свойства образцов представлены в табл. 3.

Деформирование образцов осущес) вляли по известной методике согласно которой определяли показатели . деформирования — время, скорость и относительную продольную деформацию, 11о этим показателям рассчитывали коэффициент устойчивости глинистого образца в среде определенного аство а: р uL Ь Р где ь . — время деформирования; — скорость деформирования, определяемая отношением

6z

У

Е Z — относительная продольная деформация образца за л время

Значения коэффициента устойчивости X. были приняты в качестве эталонных.

Тип структурных связей искусственных и естественных образцов определяли согласно известному способу. Для этого измерили .прочность исходных образцов на воздухе и прочность образцов, выдержан- . ных в течение 3 сут. в жидкостях с различнымн диэлектрическими цроницдел)остлл))). Ко )ффнциент К, характеризующий с теиень но деистнил к))))кости ня ст)) 4 к )урные с )) 8 )ll ))о н дн рассчитыЮали по формуле:

Я -1 о — 1

Р г1

Ра наименьшая прочность образцов при нагружении в сред ах (жидко стях ); прочность образцов при нагружении на воздухе; диэлектрическая проницаемость среды, в которой образец обладает наименьшей прочностью диэлектрическая проницаемость воды. где P—

15

20 Данные испытаний приведены в табл. 4.

С рук урные связи прессованных образцов аскангеля и уемской глины относятся к коагуляционному типу (К C 1) а структурные связи естественных

?5 образцов наульской глины - к конденсационно-кристаллизационному типу (К > 1) (см.табл,4) .

Связность прессованных образцов обусловлена молекулярными силами, ЗО а их структурные связи характеризуются как коагуляционные, В отличие от образцов аскангеля и уемской глины образцы наульской -глины имеют конденсационно-кристаллизационную

35 структуру сформирова шуюся в Резуль тате процессов конденсации, а также частичной перекристаллизации исходного глинистого материала.

В качестве жидких сред были исполь4р зованы водные растворы электролитов, которые наиболее часто применяются как добавки к буровым растворам и весьма эффективно влияют на процессы набухания и деформирования глинистых

45 пород.

С целью получения корреляционных зависимостей между показателями деформирования глинистых образцов и показателями набухания глин и Ри) системы глина-жидкость провели систематизированное сопоставление данных набухания и деформирования (см.табл.

1 и 2). Сравнение полученных результатов осуществляли в рамках определенного раствора с различной концентрацией вещества, и наоборот, в пределах одной концентрации Разных растворов.

1201291

РЬ г р

ЭО

Pm +cp ч

K 8 2В

:C= -,т

P g о.>ср- <

45 татов.

Р -

Ри 6

55 ратная зависимость, согласно ко-торой коэффициент устойчивости X установлено, что между изменением показателей набухания Рщ, а также изменением показателей деформирования существует определенная зависимость, согласно которой время устойчивого состояния глинистых образцов с коагуляционным типом структурных связей снижается с уменьшением

К1и Z, и с увеличением td ð и Р (табл,l), т.е. обобщенный показатель устойчивости таких пород можно аппроксимировать формулой:

Р„„g 1 zcp 1ср. 6

С =

4 Р „ K 6 Z 0 дср. р

Сопоставление показателей набухания и Р „системы глина-жидкость. с показателями деформирования наульс. кой глины (табл. 2) показало, что время устойчивого состояния образцов возрастает с увеличением Р, с,асср и уменьшается с увеличением

К1 и Z.. В этом случае обобщенный показатель устойчивости для глинистых пород с конденсационно-кристаллизационными связями соответствует следующей формуле:

Однако, увеличение средней скорости набухания наульской глины, происходящее на фоне снижения К, и Z за счет более быстрого темпа снижения;т .по сравнению с К,, не соответствует аналогичному изменению скорости деформирования образцов этой глины (табл.2), т.е. с увеличением С (вес.X) снижается.

1 4 )с -

Поэтому еоотношенне вЂ Ш вЂ” в

cJc.р-8 выражении целесообразно опустить в связи с его несостоятельностью в оценке физической сущности показателя устойчивости. А показатель С удобнее обозначить зависимостью:

Результаты определения обобщенных показателей устойчивости С, С, 5

С и коэффициента устойчивости по данным испытания на набухание и деформирование глин и глинистых образцов представлены в табл.5 и 6.

Из табл. 5 и 6 следует, что С аскангеля, уемской и наульской глин с увеличением концентрации электролита в растворе снижается. Исключение составляют щелочные растворы

Яа Р> О и Na<(Оэ, в которых до концентрации 1, О и О, 5 ве с. 7 отмечается рост С аскангеля и наульской глины, Деформирование глинистых образцов с коагуляционным типом структурных связей (аскангеля и уемской глины!1 в основном подтверждает достоверность информации об устойчивости этих пород по результатам набухания— определения С, но имеются и некоторые несоответствия между отдельными значениями С и Ж .. Например, сильно завышены С для уемской глины в

0,17.-ном растворе Na ОН и аскангеля в 1,0Х-ном растворе йа5Р О1о. А значения С аскангеля в растворе Я аС! (1,0 и 2,0 вес.7} превосходят аналогичные значения в растворе Na $0y в результате чего нарушается общая зависимость, согласно которой Х и

С убывают в направлении: Й а5Р501, Ма СО, Na ОН, HaSOq, Иа Сl, На Си<0 .

Данные табл.5 в которой представлены значения С,у аскангеля и уемской глинй свидетельствуют о том, что для С„в отличие от С отмечается единичное несоответствие значению g, аскангеля в растворе 1 1а1СО с концентрацией вещества О, 1 вес. X.

Таким образом подтверждается справедливость формулы для С в оценке устойчивости глинистых пород и высо- кая надежность получаемых резульЕсли испытание глинистых образцов с коагуляционными связями свиецетельствует в основном об изменении значений Х и С в4каком-то определенном взаимно согласованном направлении, то при испытании образцов с конденсационно-кристаллизационными связями такого соответствия йет. Здесь прослеживается обс увеличением концентрации электролита в растворе, как правило,возрасб

В практической деятельности из-за отсутствия в необходимом количестве керновогэ материала и специального оборудования гораздо удобнее исследо5 вать набухание потенциально неустойчивых глинистых отложений, чем изучать их деформационные свойства, 201291

Аскангель и уемская

Еонцентрация, вес. Е

Электролит

l,36

984

Дист нлл пров анна я вода

Иа3Р3 0<»

8 >?0 1Э> 50

1,23

1,20

725

0,1 0,87

0,551 7,28 15,62

0,624 7,62 16>66

0>832 7>85 16>ll

0,643 8,82 !6,37

0,50, 05 085

1,0 0,80

2,0 0 84

1700

0,52

1538

1050

0,80

1,150 7,44 16,08

1,20

0,1 0,73

608 н а1 С03

1,200 7 44 16,25

0,5 0> 71

789.0,90

10 074 336

2,20

1,060 8,08 12,75

2,0 0,76

0,l 1,20

05 140

i 0 0,70

2,0 0„62

О> 1 0,91

0,5 0,7Э

190

4,00

0,890 8,80 7,25

0,90

Иа OH!

333

7,18 13,40

9,02 12,58

9>19 3>83

737!,90

3,70

129

4,80

9„42 1,33

0,814 7,31 !2,83

0,832 7,76 6,42

0,863 7>88 !,75

1,35

3>4О

214

1>0 0,66 . 168

3 93

2,0 0,61

0,1 0,80

0,5 0,71

1,О О> 62

2,0 0,54

0,01 6> 48.

0,05 0,56

0,10 0,62

0,50 0,58

Нас l

348.

2,30

0,946 9,50 11,75

1,045 10,00 Э,ОО !,151 10 90 0,88

1>268 1 1 >90 О>50

3,80

4,10, 187

151

6,40

1,ll8 9,68 13,92

Й ь.сг о!

436

1 l0

5,80

0,772 10,80 14,90

24

5 1 тает, а обобщенный показатель устойчивости С снижается (табл.б) .

Значения С наульской глины, рассчитанные по формуле с достаточной степенью надежности, согласуются со значениями g наульской глины в растворах соответствующей концентрации и состава (табл.6}, 6,30 0,930 8,18 1,30

12,90 0,663 10,90 11,50

24,20 О, 720 1,50 2,92

Таблица! глина

Уемская глина

-)

0,19 312 0 ° 60 1,081 12,4 4,00 3,10

0,64

0,22

0,47

733 0 30 1 047 19 6 5,87 3,34

0,46

0,21

0,20

617

0,34 1,170 20,0 6,06

3,30

0,40 1 240 20,3

0,48 1,3)6 16,8

0,49

500

6,00 3,37

5,06

0,54

0,16

333

3,32

Оэ30 750

0,47

0,40 0,942 18,2 6,75

2,70

0,46

0@34 566 Ою60 Оэ982 1 9>8 5э25 3 ° 77

0,63 . 0,37 4)1

0,90 0,905 16,6 3,00 5,53

0,38

)92) 146 2,60 0,896 14,9 2,00 7,45

0,54

0,17

425

0,40 1,399 17,8

5 а 87 3в03

0,24 280 0,86 1,277 19,0 4,82 3,94

0,72

2,40

l,06 1,105 20,9

0,28

264

2, 12 9,86

0,67 26,4) 7,08. 0,27

73 3 70 l,)79 17 7

Оэ)8 257 0 ° 70 Оэ902 18в3 5в25 Зэ49

0,57

1 21

0,16

145

1,10 1,020 18,6

2,75 7,67

1,50 11,40

1,40 1,137

4,50

0,)4

)СО

17,) 6,29

0,13

3,80 ),267 13;9

1,00 13 90

188 0,8 0,909 16,3

0,8) 4,12 3,96

0 15

1)5 1,3 l 076 !40 1,00 )400

3,33

0,15

0,37 33,51

23,80 0,12 33

3;6

1,316!

1,8 0,25 47,20

0,72

l,1 0,922 20,5 4,11 4„99

l,8 1,076 20,4 2 25 9 070,20 182

0,95

0,15

3,94. 0,13 25

0,75 20,13

5,2 1,295 15,1

В такой ситуации наряду с определением показателей набухания и

P системы глина-жидкость треЩ буется установить природу структурных связей глинистой породы.

Сведения о структурном типе породы позволяют облегчить вычисле12 39 0,14 78 1,8 1,277 12,4

0,70 0,22 220 1,0 0,895

1201291 8 ние обобщенного показателя устойчивости С ) и .С1. Наиболее благоприят" ным с точки зрения повышения устойчивости глинистых пород в стенках скважин считается буровой раствор с максимальным значением С„. или С2.

1201291 азатели набухания

144

0,13

0,90

172

0,1

0,19

1,10

0,5

0,21

216

0,97

1,0

0,24

0»31.

768

2,0

0,20

264

0,7.5

192

0,1

0,15

0,78

0 5

0,23

276

0,83

l,0

0,20

2,04

2,0

0,20

2,78

Й аОН

0,1

0,18

252

0,71

0 5

0,18

172

1,04

1,0

0,17

2,36

3,54

2,0

0,17

0,1

3,96

0,19

NaC1

0,18

0,5

3,75

1,0

0,17

7,08

2,0

0,17

7 08

0,16

3,33

0,15

3,13

1эО

0,16

6,67

2,0

0,16

6,67

На ЗО

0,l

О, 14

1,94

0,15

2,50

0,5

1,0

0,16

3,33

2 0

О 18

Электролит

Дистиллированная вода

Na5 РЪ 01D йа С От ь

Концентрация,вес.7

О

Наульская а, 10 м5/кг, ч глина

Концентрация, вес.Ж

Р(9

МПа

z. )0

13,0

6,50

2,0

13,7

12,23

18,00

12,10

1,12

0,1

22,5

0 5

1,25

1,0

24,2

2,00

2,50

2,5

26,6

10,64

0,1

12,9

1,33

9,70

8,00

0,5

)2,0

1,50

),0

11,8.

5,24

2,25

11,0

2;5

4,40

2,50

0,1

14,2

9,47

1,50

1,580

0 5

12,5.

),50

8,33

1,0

10,0

2,50

4,00

2,50

2,5

3,80

0,!

14,2

2,00

7,10

11,9

4 33

1,0

10,7

2,04

5,25

1,73

2,5

9,5

5,50

0,1

18,0

2,25

8,00.

10,9

0,5

3,00

1,0

3,10

6,6

3 25

2,03

1,50

0,1 1 3,8

9,20

12,2

0,5

1,50

8., 13

2,50

1, 170

1,0

11,0

4,40

1 160

10 2

2 0

1,060

1,350

Ь,490

1,570

1,970 .1,230

1,300

1,320

1,490

1,240

2,480

2,950

0,920

0,990

1,140 . 1,320

0,990

1,000

0,990

0,990

1,210

1,170

120!291

Г а б л и ц а 2

Показатели деформирования з б ч М), 10 !

/ч

2,25 4,84

1201291

Таблица 3

Физические свойства образцов

Глина

Порис Прочтость ность

М1а

Диаметр, Высомм та,мм

ПлотДавление Й11а ностьх ,1 О-Ь кг мь

0 19 10 9 2 9

023 148 26

0,19 15,17 6,8

2,22

37,6 33,6

34,0

2,38

37,6

2,24 наульская

Таблица4

Среда енная прочность на сжаИПа ц Образец из ан уемской глины

Образец из наульской глины

10,9

14,8

1,0

Воздух

9,14

8,62

2,0

Керосин

4,7

3,04

2,10

9,35

Хлороформ

Лце тон

6,54

20,9

0,9

81,0

Вода

109,5

0,6

Формамид

0,250 0,250

1,427

Коэффициент К аскангель 300 уемская 300

Площадь 21,0 поперечного сечения

23 х 23

1иэлектрическая проницаемость

15, 17

14,01

Ко эффициент вариации прочности Я

1201291

Таблица5

Электролит

0,42

0,1

1,60

1,35

Иа Г О о

0,5 2,78 6,51

1,59

3 41 Зр97

1,0

2,0 1,11 2,41

Оэ 1 Оэ 89 0,47

1,44

1,67

Na СО

1 69

0 5 167 072

1,0

0,96

2,0

0,29

1,07 и а 5ОН

01 0 49 078

0,5 0,08 0,07

0,26

1,0

0,06

0,05

0,02

2,0

0,03 0,02

0,01

8аС1

0,1

0,20

0,18

0,69

0,5 0,08 0,05

0,04

0,003

10 007+ 0 03

2,0 0,04 0,01

0,001

1Ча > Си От 0,01 1,00 0,23

0 96

0,02

0,02 0,97

0,05

О, 10 0,004 0,005

0,58

0,50

Концентрация, вес.7

Аскангель и уемская глина стойчивость аскангеля

0,24 0 15

0,06 0,06

0,001 0,001 О, 03

l?01291

Устойчивость уемской глины

Электролит

1,36

3,88

5,69

0,1

Маб ЪО о

0,5

1,39

3,60

3,35

1,0

2,59

2,23.

1,37

0,94

1,91

2,0

1,18

1,96

6, 63

1,94

0,1

3,59

0,5

1907

1,0

0,42

2,03

0,39

0,26

2,0

0,20

1,43

0,1

N SOq

1,51

0,94

0,69

0,55

0 5

1,0

0,69

0,37

0,17

0,03

2,0

0 05

0,02

0 6l

1,16

0i8l

0,1 йаСГ

0,32

0 5

0,28

0,23

0,19

1,0

0,10

0,10

2,0

0,03

0,06

0,01

0,43

1 г oq

0,1

0,47

0 81

0,5

0,21

0,14

0,06

0,13

1,0

0,05

2,0

0,01

0,03

Концентрация, вес.X

0,044

2,92

Продолжение табл. 5

0,008

0,004

1(3

Таблицаб

Наульская глина

Электролит

Устойчивость

Г"

Рз О о

0,72

0,83

0,30

0,1

0,5

0,23

1,21

0,58

0,54

l2,48 0,15

1,0

2,0/2,5+

2,69

0,67

Na СО

0,1

0,76

0„45

1,52

1,44

0,36

0 5

0,61

1,20

0,24

1,39

1,0

2,0/2,5 0,16

1,83

1,88 0,48

0,1

N aOH

0,52

0,56

0,5

0,90

1 9

1,0

0,34 3,56

2,03

2,0/2,5+

0,17 6,29

2,14

0,1

Ма О

0,25

2,12

0 53

0,14 2,30

0,5

0,60

0,08 2,67

190

1,84

2,0/2,5%

0,04

3,17

1,98

М аС1

0,1

0 05

1,78

0,92

2,01

0,5

0,05

2,10

1,0

0,02 4,92

8,35

2,0/2,5+ 0,02

5,65

10, 36

0,1

0,07

)! а С) О

2,26

0,91

0,5

0,07

2,45

1 51

4,52

3,15

0,02

2,0/2,5" 0,02 4,52

5,20 ) С и С определяли для концентрации

? 0 вес.7., Я. — для концентрации 2,5 вес.X.

ВНИИПИ Заказ 7924

Филиал ППП "Патент", Концентра ция,вес,7

0,77 э