Основные показатели свойств бурового раствора (плотность, вязкость, показатель фильтрации, содержание и состав твердой фазы) зависят, пре­жде всего, от компонентного состава. Нет ни одного материала для буро­вых растворов, который бы сугубо избирательно воздействовал на показа­тели свойств приготовленной системы. С увеличением содержания твердой фазы возрастает плотность, но уменьшается показатель фильтрации. Обра­ботка растворов полимерами с целью уменьшения показателя фильтрации сопровождается повышением вязкости системы. Разжижение бурового рас­твора, как правило, увеличивает показатели его фильтрации.

Таким образом, основные показатели технологических свойств буро­вого раствора взаимосвязаны. Однако путем комбинации реагентов удается избирательно регулировать любой показатель при фиксировании осталь­ных. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть степень влия­ния каждого показателя на эффективность работы долот и скорость буре­ния скважин. Но при вскрытии продуктивного пласта остается не решен­ной проблема ненарушения его проницаемости.

Качественные зависимости механической скорости проходки от пока­зателей свойств бурового раствора свидетельствуют о том, что эффектив­ность работы долота ухудшается по мере увеличения плотности, количества твердой фазы, вязкости раствора и уменьшения фильтрации. Однако эти зависимости не равнозначны. Наибольшее влияние на механическую ско­рость проходки оказывают плотность и наличие твердой фазы бурового раствора. Воздействие вязкости всегда заметно, но менее существенно. Что касается показателя фильтрации, то его влияние установлено, однако ско­рее обусловлено изменением вязкости: с увеличением показателя фильтра­ции уменьшается вязкость бурового раствора.

Путем обработки промысловых данных методами математической ста­тистики удалось установить, что с увеличением плотности р бурового рас­твора механическая скорость проходки гиперболически понижается. Осо­бенно это заметно в интервале р = 1,0+1,5 г/см3.

Убедительные данные получены при бурении скважин на Кубани, где уточнены требуемые значения гидростатических давлений в скважинах ряда площадей, в результате чего появилась возможность понизить плот­ность бурового раствора.

На примере площадей Днепровско-Донецкой впадины В.П. Мациев-ский показал влияние плотности бурового раствора на механическую ско­рость проходки. С увеличением плотности бурового раствора от 1,2 до 1,4 механическая скорость проходки уменьшалась почти вдвое.

Плотность бурового раствора, г/см3………………..     1,20         1,24         1,28         1,32         1,35         1,40

Механическая скорость проходки, м/ч………     7,4           6,6            6,0            5,0            4,5            4,2

Данные бурения скважин показывают отрицательное влияние твердой фазы на показатели работы долот. По мере увеличения общего содержания твердой фазы скорость vM и проходка на долото, как правило, уменьша­ются.

Влияние твердой фазы на показатели работы долот зависит от способа бурения. Результаты бурения на севере Тюменской области (М.В. Холик и др., 1980) показали, что наиболее вредно на работу долот влияет твердая фаза при турбинном бурении.

Влияние на механическую скорость проходки содержания твердой фа­зы в растворе исследовано П. Муром. Снижение содержания твердой фазы от 36 до 4 % способствует росту механической скорости проходки. При этом уменьшение количества твердой фазы в области высоких ее концен­траций, например, от 24 до 20 % приводит к увеличению vM всего на 3 %, а уменьшение в области более низких концентраций, например, от 12 до 8 % обеспечивает прирост vM на 9 %. Эта тенденция усиливается по мере даль­нейшего снижения содержания твердой фазы в растворе.

Природа воздействия твердой фазы бурового раствора на эффектив­ность разрушения горных пород выражается кроме повышения плотности

бурового раствора в ухудшении условий зарождения и распространения трещин, формирующих лунку выкола.

Более детальный анализ показывает, что разные материалы, состав­ляющие твердую фазу буровых растворов, по-разному влияют на показате­ли бурения скважин.

Материал……………………………………………………………………..        Áàðèò        Áóðîâîé øëàì       Ãëèíà

Снижение механической скорости проходки,  %,  при

увеличении содержания твердой фазы на 1 %………………..        2,6              4,8                            6,7

Примечание. Общее содержание твердой фазы 4—12 % (по объему).

При эквивалентном объемном содержании частиц бурового шлама и барита снижение скорости в первом случае в 2 раза больше, чем во вто­ром. Если учесть, что барит повышает плотность бурового раствора в 2 раза эффективней, чем шлам, то становится очевидным, что при необходи­мости увеличения плотности бурового раствора следует использовать более тяжелые материалы (например, барит), а не выбуренную породу, стремясь всегда к минимизации объемного содержания его твердой фазы.

Особенно неблагоприятно влияет на работу долота глинистая состав­ляющая бурового раствора: на каждый процент увеличения глинистых час­тиц в растворе потеря в механической скорости проходки составляет 6 — 7 %, т.е. более чем в 2,5 раза больше, чем при увеличении на 1 % концен­трации барита. Отсюда можно сделать вывод, что в буровом растворе не­обходимо иметь минимальную концентрацию глинистых частиц и тщатель­но контролировать и регулировать ее.

Влияние вязкости бурового раствора на механическую скорость про­ходки менее существенно, чем влияние плотности, однако оно часто замет­нее и однозначнее.

С увеличением условной вязкости бурового раствора в среднем от 4 — 20 до 8— 120 с (по СПВ-5) механическая скорость проходки уменьшается на 20 — 40 %. Особенно заметно это в области повышенных плотностей (1,3 — 1,4 г/см3) бурового раствора (А.Н. Яров, А.Н. Мельничук).

Особенно тесная корреляция в стендовых условиях наблюдается меж­ду механической скоростью проходки и вязкостью фильтрата бурового раствора. При изменении его вязкости от 210~3
до 810~3 Па-с механиче­ская скорость проходки линейно уменьшается как для шарошечных, так и для алмазных долот в 1,5 — 2 раза.

Итак, теоретические, лабораторные и промысловые данные подтвер­ждают, что показатель вязкости бурового раствора (или его фильтрата) влияет на эффективность разрушения долотом пород на забое: с увеличе­нием этого показателя условия разрушения пород ухудшаются.

Статистические данные о бурении скважин в Днепровско-Донецкой впадине показывают, что механическая скорость проходки надежно корре-лируется с показателем фильтрации используемого бурового раствора. Увеличение механической скорости проходки отмечается в связи с ростом показателя фильтрации во всем диапазоне изменения плотности. Особенно это заметно при повышенной плотности бурового раствора, когда при из­менении показателя фильтрации от 5 до 30 см3 за 30 мин механическая скорость проходки увеличивается в среднем на 20 — 50 %.

Природа воздействия фильтрации буровых растворов на механиче­скую скорость проходки выражается в изменении гидродинамических про­цессов в разрушаемом на забое слое породы.

Для достижения высоких vM необходимо, чтобы начальная фильтрация буровых растворов в момент разрушения породы на забое была высокой, так как это способствует быстрейшему выравниванию перепада давления. Однако при вскрытии продуктивных объектов к выбору показателя фильт­рации растворов необходимо подходить избирательно и осторожно, так как качество вскрытия пласта — основной показатель успеха бурения.

Зарубежный и отечественный опыт убеждает, что от степени совер­шенства технологии промывки скважин в значительной мере зависят ме­ханическая скорость проходки и проходка на долото — основные техниче­ские показатели бурения скважин. Правильно выбранные тип бурового раствора, показатели его технологических свойств, режим циркуляции и распределение гидродинамических давлений в циркуляционных каналах позволяют довести эти технические показатели до максимума, а вероят­ность возникновения осложнений свести к минимуму.

В современной технологии промывки скважин еще много неисполь­зованных возможностей.

Переход в зарубежной практике бурения скважин на применение бу­ровых растворов с содержанием твердой фазы на 3 — 4 % (вместо 10—12 %) позволил увеличить проходку на долото до 40 %, механическую скорость проходки — до 30 %. Снижение концентрации глинистых частиц на 1 % позволило получить приращение механической скорости проходки в сред­нем íà 6 — 7 %.

Из практики бурения скважин известно, что буровой раствор на угле­водородной основе обходится очень дорого. К тому же он создает опреде­ленные неудобства для обслуживающего персонала и часто пожароопасен. Однако с помощью таких растворов можно достичь тех результатов, кото­рых невозможно достичь растворами на водной основе, например, при вскрытии продуктивных горизонтов.

Растворы на углеводородной основе могут обеспечить высокие показа­тели работы долот. Такие растворы более устойчивы к высоким температу­рам, позволяют избежать осложнений при бурении солевых отложений и пород, склонных к набуханию в водных средах.

Положительна роль раствора при наличии сероводорода и двуокиси углерода, так как дисперсионная среда раствора неэлектропроводна. Умело регулируя водосодержание в них, можно на длительный период избежать осыпей и обвалов в неустойчивых глинистых разрезах.

В 1967 г. СР. Lawhon сообщил результаты экспериментов по определе­нию влияния воды в дизельном топливе на скорость проходки в известня­ках проницаемостью (0,35—1,3)-10~13 м2 и в песчаниках проницаемостью до 510~13 м2 при бурении шарошечным долотом малого диаметра (d я я 32 мм). Он установил, что скорость проходки с чистым дизельным топли­вом составляла 98 % скорости проходки при бурении на воде; для бурового раствора она составляла 86 %; при увеличении содержания воды от 5 до 40 % относительная скорость проходки несколько увеличилась (на 7 %).

На основе своих опытов СР. Lawhon сделал следующие выводы:

1. Маловязкий раствор на нефтяной основе, в частности дизельное то­
пливо, позволяет получить такую же скорость проходки, как и с использо­
ванием технической воды.

2.      Растворы на углеводородной основе с высокой концентрацией воды
позволяют обеспечить примерно такую же скорость проходки, как и высо­
кокачественные буровые растворы на водной основе с оптимальной добав-

кой смазывающих веществ (нефть, гудроны и др.). Позже эти выводы были подтверждены.

Положительный опыт применения в качестве бурового раствора гид­рофобной эмульсии, стабилизатором для которой служит многотоннажный продукт нефтехимической промышленности — окисленный петролатум, описан А.Г. Розенгафтом. Путем введения в эту эмульсию гидроокиси кальция достигается хорошая агрегативная устойчивость, позволяющая увеличить ее «глиноемкость» до 20 % по весу. Такая эмульсия включает в себя 45 % дизельного топлива или нефти, 50 % воды, 5 % окисленного пет-ролатума, 3 — 5% гидроокиси кальция. В зависимости от минералогического состава хемогенных пород вода может насыщаться хлористыми солями на­трия, магния или кальция.

В Мамонтовском УБР объединения «Зипсиббурнефть» разработан и внедрен маловязкий нефтеэмульсионный буровой раствор, который полу­чают, добавляя в буровой раствор на водной основе нефть совместно с эмульгатором неионогенного типа и переводя его в устойчивую эмульсию.

Применение такого раствора при бурении скважин позволило улуч­шить показатели работы долот: проходка на долото увеличилась в среднем на 15 %, а механическая скорость проходки — на 7 %.

Применение нефтеэмульсионных растворов позволяет сохранить ус­тойчивым ствол скважины в глинистых отложениях, что не ухудшает пока­затели долота, а способствует улучшению выноса керна и сохранению ес­тественной проницаемости нефтеносных горизонтов.

Преимущества растворов на углеводородной основе (РУО) по сравне­нию с растворами на водной основе объясняются следующим:

1.      Фильтрат РУО представлен углеводородами, благодаря ему исключа­
ется набухание глинистых минералов, сохраняется естественная устойчи­
вость глинистых резервов и естественная проницаемость гранулярных кол­
лекторов, в цементирующем веществе которых присутствует глина.

2.      РУО не только предотвращает диспергирование шлама, особенно
при бурении в глинах, но и агрегирует мелкие частицы в более крупные. В
результате этого не только улучшается степень очистки забоя и ствола
скважины от обломков породы, но и резко повышается эффективность
очистки промывочной жидкости от шлама.

3.      РУО обладает хорошей смазывающей способностью, в результате
чего не только уменьшается вероятность затяжек-посадок, прихватов бу­
рильной колонны, степень ее скручивания при вращении ротором, но са­
мопроизвольно увеличивается нагрузка на долото в связи с уменьшением
силы трения труб о стенки скважины при одинаковых значениях осевых
нагрузок,    определяемых    на    поверхности    по    индикатору   веса.    Это
способствует увеличению скорости проходки.

4.      Вязкость РУО уменьшается при повышенных температурах, что мо­
жет стать положительным фактором при бурении глубоких высокотемпе­
ратурных скважин, так как вызывает раннюю турбулизацию потока под
долотом.

Однако, несмотря на все эти преимущества, буровые растворы на уг­леводородной основе следует рассматривать как предназначенные главным образом для вскрытия нефтегазоносных горизонтов и бурения в разрезах, осложненных неустойчивыми глинистыми породами, хемогенными отло­жениями и массивом многолетнемерзлых пород. Более широкому их при­менению будут и впредь препятствовать высокая стоимость, неудобство в

обслуживании, взрыво- и пожароопасность, расход важных материалов, трудность хранения и утилизации после окончания бурения скважины, а также другие проблемы, связанные с качеством крепления скважин и ра­зобщения пластов, глубинными геофизическими исследованиями и охра­ной окружающей среды.