Способ оценки ингибирующих и крепящих свойств буровых растворов для скважины и испытательный стенд для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01N11/02 G01N15/08 

Настоящая группа изобретений, способ и устройство для его осуществления, относится к бурению нефтяных и газовых скважин и, в частности, к оценке свойств бурового раствора для неустойчивых горных пород и, конкретно, к оценке ингибирующих и крепящих свойств испытуемого бурового раствора. В качестве бурового раствора, то есть раствора, используемого непосредственно для бурения скважины, используют технологическую жидкость, способную к выносу из скважины разбуренной породы - шлама, на основе многокомпонентных или однокомпонентных химических реагентов, или материалов, обеспечивающих, одновременно, устойчивость пород, слагающих стенки скважины, склонных к осыпям и обвалам.

В соответствии с предлагаемой группой изобретений предусматривают возможность оценки множества буровых растворов на конкретном образце горной породы. При этом предусматривают также возможность испытания и множества самих образцов горной породы, например, для разных глубин скважин или для разных скважин. На основе этих оценок обеспечивают возможность выбора оптимального варианта в виде одного вида бурового раствора или нескольких их видов в зависимости от скважинных условий, характеризующих в той или иной мере сложность этих условий в отношении склонности скважины к осыпям и обвалам и обеспечивающих не осложненное и/или безаварийное бурение этой скважины.

Известен способ оценки свойств бурового раствора для неустойчивой горной породы скважины, в соответствии с которым предусматривают устройство для его осуществления - испытательный стенд. Для осуществления изобретения формируют образец горной породы, имитирующий породу скважины, после чего помещают его в среду оцениваемого бурового раствора и по изменчивости свойств образца горной породы в этой среде прогнозируют свойства горной породы в скважине. При этом используют испытательный стенд в виде корпуса-пресса с узлом размещения в нем образца горной породы (см. RU 2132351, 27.06.1999).

Сущность изобретения заключается в том, что образец горной породы формируют из глинопорошка или измельченного кернового материала. Образец формируют методом прессования или другим приемом уплотнения. Имитируют модель стенки скважины. После этого образец горной породы помещают в емкость с оцениваемым буровым раствором на определенное время. По истечении заданного времени и по степени погружения конуса конического пластомера в прессованный образец горной породы рассчитывают его деформационные изменения - прочность и оценивают ингибирующие и крепящие свойства используемого бурового раствора.

Недостатком известного решения является то, что в процессе исследований имитируют - моделируют только контакт стенки скважины с буровым раствором и не моделируют напряженное состояние горных пород, имитирующих условия скважины. Если даже предположить избыточное давление оцениваемого бурового раствора на поверхность образца горной породы, как естественное и потому ожидаемое, как бы с очевидностью, то такая схема не обеспечивает полноценного моделирования фильтрационных процессов в скважине, поскольку она отражает лишь насыщение порового пространства образца горной породы жидкой фазой оцениваемого бурового раствора. После насыщения порового пространства фильтратом, фильтрационный процесс прекращается, что не соответствует реальным условиям, происходящим при бурении скважин.

Известен испытательный стенд для оценки свойств бурового раствора, включающий корпус-пресс с узлом для размещения образца горной породы и узлом привода устройства в рабочее положение (см. RU 2473802, 27.01.2013).

Недостатки этого известного решения те же, что и по вышеупомянутому известному решению. Оно не предусматривает имитацию множества факторов реальной скважины и потому результаты испытаний образца горной породы в большой степени условны - не достоверны.

Другие решения по оценке свойств бурового раствора для неустойчивых горных пород, известные из предшествующего уровня техники последних лет, также не содержат каких-либо дополнительных существенных сведений в отношении вышеотмеченных особенностей (см, например, RU 2169827, 27.06.2001, RU 2620822, 30.05.2017).

Таким образом, известные решения даже в сочетании с очевидно прогнозируемыми операциями не моделируют в полной мере процессы, приводящие к потере устойчивости, осыпям и обвалам стенок скважин. Эти решения моделируют лишь горное давление вышележащих пластов, передают избыточное давление оцениваемым раствором на боковую поверхность образца горной породы, создают репрессию на пласт и обеспечивают протекание физико-химических процессов взаимодействия оцениваемого раствора с горной породой. Однако, при этом не обеспечивают полноценного моделирования фильтрационных процессов.

Процесс фильтрации больше представлен процессом насыщения порового пространства спрессованного образца жидкой фазой исследуемого раствора. После насыщения порового пространства фильтратом, фильтрационный процесс прекращается, что не соответствует реальным условиям, происходящим при бурении скважин.

Таким образом, во всех известных решениях по оценке буровых растворов, в частности их ингибирующих и крепящих свойств, не предусматривают одновременное моделирование совокупности процессов, приводящих к потере устойчивости, осыпям и обвалам стенок скважин.

Техническим результатом заявляемой группы изобретений является повышение достоверности оценки ингибирующих и крепящих свойств буровых растворов и снижение рисков потери устойчивости стенок скважины с применением оцениваемых буровых растворов.

Необходимый технический результат в части способа достигается тем, что этот способ - способ оценки свойств бурового раствора для неустойчивой горной породы скважины характеризуют тем, что оценку осуществляют на испытательном стенде с подготовленным для испытания образцом горной породы. Для этого в этом образце создают напряженное состояние, имитирующее горное давление, соответствующее выбранной глубине скважины. Одновременно через объем образца горной породы осуществляют фильтрацию оцениваемого бурового раствора в условиях, имитирующих скважинные. При этом свойства горной породы скважины прогнозируют по физико-механическим свойствам образца этой породы во времени в зависимости от его напряженного состояния и ингибирующих, а также крепящих свойств оцениваемого бурового раствора. Об этих свойствах судят на стенде, соответственно, по динамике изменчивости физико-механических свойств образца горной породы, вплоть до его разрушения, и динамике фильтрации при этом оцениваемого бурового раствора.

Кроме того:

- дополнительно на стенде имитируют напряженное состояние образца горной породы для выбранной глубины наклонной скважины при разных значениях ее зенитного угла;

- в качестве буровых растворов используют технологическую жидкость на основе многокомпонентных или однокомпонентных химических реагентов, или материалов;

- в качестве образца горной породы используют керн из скважины, характеризующий неустойчивые горные породы, или образец из аналогов пород и/или минералов со свойствами, близкими к рассматриваемым породам, или образец, полученный прессованием материалов, имитирующих породы скважины;

- напряженное состояние в образце горной породы создают путем передачи механической нагрузки по оси этого образца;

- напряженное состояние в образце горной породы создают путем передачи гидравлической нагрузки по оси этого образца;

- фильтрацию бурового раствора осуществляют через боковую поверхность образца горной породы;

- фильтрацию бурового раствора через образец горной породы осуществляют при давлении и температуре, отвечающих скважинным;

- режим осевой нагрузки на образец горной породы меняют во времени при неизменном режиме фильтрации флюидов через упомянутый образец;

- режим фильтрации принятого бурового раствора через образец горной породы меняют во времени при неизменном режиме осевой нагрузки на упомянутый образец;

- режим осевой нагрузки на образец горной породы и режим фильтрации принятого бурового раствора через этот образец меняют во времени одновременно;

- имитацию угла вскрытия горных пород осуществляют путем передачи нагрузки на образец горной породы через контакт по плоскости, наклонной к оси упомянутого образца;

- каждый из режимов воздействия на образец горной породы меняют по своему заданному закону;

- режимы воздействия на образец горной породы меняют стохастически, причем как в отдельности каждый из режимов, так и совместно.

Необходимый технический результат в части устройства - испытательного стенда для оценки свойств бурового раствора в неустойчивых горных породах достигается тем, что упомянутый стенд включает корпус-пресс в виде вертикального цилиндра с глухим основанием. В боковой стенке корпуса выполнены боковые отверстия в локальной зоне. Внутри корпуса - его цилиндре размещен поршень. В подпоршневом пространстве корпуса предусмотрена возможность размещения образца горной породы в зоне боковых отверстий. К противоположной стороне от боковых отверстий корпуса присоединен боковой патрубок для подачи бурового раствора в подпоршневое пространство. Сам поршень выполнен с возможностью передачи нагрузки на образец горной породы, имитирующей горное давление на выбранной глубине скважины. Поршень имеет датчик его хода. Боковой патрубок выполнен с возможностью подачи выбранного для испытаний бурового раствора под заданным давлением, обеспечивающим фильтрацию этого раствора через образец горной породы. Предусмотрен узел оценки динамики фильтрации бурового раствора во времени.

Кроме того:

- поршень контактирует с образцом горной поверхности по наклонной поверхности, имитирующей зенитный угол наклона скважины, для чего нижняя часть поршня выполнена скошенной с заданным углом скоса;

- поршень выполнен в верхней части со штоком для восприятия силовой нагрузки - веса или гидравлического давления, имитирующих горное давление на выбранной глубине скважины;

- узел оценки динамики фильтрации бурового раствора содержит накопительную емкость для фильтрата, связанную с электронными весами;

- боковой патрубок снабжен манометром;

- поршень выполнен с доборными кольцами для обеспечения возможности регулирования заданного его положения;

- поршень выполнен сменным и предусмотрен с разными углами скоса его нижней поверхности для имитации разных зенитных углов скважины.

Насущная необходимость использования в промышленности предлагаемой группы изобретений обусловлена тем, что проблема обеспечения устойчивости стенок скважины в горных породах, склонных к потере устойчивости, осыпям и обвалам остается актуальнейшей на протяжении многих лет. При этом, особая острота проблемы отмечается при бурении скважин с горизонтальным окончанием. Актуальность проблемы проявляется все острее в последние годы, когда однозначно определена тенденция увеличения доли бурения скважин во все более усложняющихся условиях и, в том числе, в условиях горизонтального окончания скважин. Это ведет к увеличению непроизводительных затрат времен, связанных с потерей устойчивости стенок скважины (длительные проработки и шаблонировки, увеличение случаев перебуривания и ликвидации скважин по причине нарушения устойчивости их стенок).

Актуальность данной проблемы подтверждает большое количество научных разработок и, в том числе, изобретений по данному вопросу. Существующая практика бурения скважин в вышеупомянутых условиях не всегда обеспечивает устойчивость стенок скважины, что свидетельствует о недостатке существующих решений. Нарушение устойчивости стенок скважины происходит при одновременном действии следующих условий:

- вышележащие горные породы создают горное давление и, как следствие, формируют напряженное состояние горного массива, вскрываемого скважиной;

- столб бурового раствора создает репрессию на пласт, в результате чего начинаются процессы фильтрации бурового раствора в поры и микротрещины породы с проявлением расклинивающего эффекта;

- контакт стенки скважины с буровым раствором приводит к увлажнению, набуханию и выпучиванию горной породы.

Дополнительно к этому, отмечается, что устойчивость стенок скважины сильно зависит от неоднородности пласта, зенитного угла вскрытия пород, склонных к потере устойчивости (осыпям и обвалам), нестационарности гидродинамических и механических явлений в массиве горной породы, объективно определяемых геологическими факторами, а также технологическими факторами, возникающими в процессе бурения скважин.

Способ по изобретению осуществляют с применением устройства -испытательного стенда для оценки свойств бурового раствора для неустойчивых горных пород, которое поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведено упомянутое устройство в его транспортном положении, а на фиг. 2 - это устройство в рабочем положении.

Способ осуществляют следующим образом.

Бурение скважины в условиях неустойчивой горной породы сопряжено с достаточно большими и трудно предсказуемыми осложнениями. Поэтому способ сопровождают оценкой - исследованиями образца породы, условно приписываемого скважине и/или отвечающее скважине, на испытательном стенде. Для этого подготавливают для испытания упомянутый образец горной породы. В этом образце с помощью испытательного стенда создают напряженное состояние, имитирующее горное давление, соответствующее выбранной глубине скважины и, более конкретно, соответствующее глубине (интервалу глубин) осложнения скважины, проявляющегося, например, разного рода неустойчивостью и, в том числе, обвалами. Одновременно через весь объем образца горной породы осуществляют фильтрацию оцениваемого бурового раствора в условиях. Эту операцию осуществляют также в условиях, имитирующих скважинные условия, т.е. под давлением, соответствующим давлению в реальной скважине - глубине этой скважины. При этом поведенческие свойства горной породы скважины прогнозируют по физико-механическим свойствам образца этой породы, проявляющихся во времени в зависимости от напряженного состояния испытуемого образца горной породы. При этом в поведении - реакции образца породы учитывают влияние ингибирующих, а также крепящих свойств оцениваемого бурового раствора. Об этом судят на стенде по динамике изменчивости физико-механических свойств породы, вплоть до его разрушения, и по динамике фильтрации оцениваемого бурового раствора. Далее, способ осуществляют с учетом всех частных признаков формулы, отраженных в ее зависимых пунктах 2-15.

Упомянутое выше устройство показано в транспортном положении (фиг. 1) и в рабочем положении (фиг. 2). Оно включает корпус - пресс в виде вертикального цилиндра 1, имеющего внизу глухое основание (позицией условно не обозначено). Внутри упомянутого цилиндра 1 размещен поршень 2 со штоком (условно не обозначен). В цилиндре 1 выполнены боковые отверстия 3, выполняющие роль фильтрационных отверстий. Эти отверстия выполнены с резьбой (не обозначена). В подпоршневом пространстве (камере) 4 в зоне боковых отверстий 3 цилиндра 1 предусмотрена возможность размещения образца горной породы (не показан). Устройство имеет также боковой фланец 5 с заглушкой, боковой фланец 6 цилиндра 1, уплотнительные кольца 7 на поршне 2, верхний фланец 8 цилиндра 1, защитный экран 9, металлические доборные кольца 10, груз 11, верхний уплотняющий фланец 12, боковой фланец 13, гнездо 14 для установки манометра или выхода исследуемого бурового раствора при реализации циркуляции, боковой патрубок 15 цилиндра 1, патрубок подачи 16 бурового раствора, датчик измерения 17 положения поршня 2. Боковой патрубок 15 присоединен к корпусу 1 (в виде вертикального цилиндра), с помощью упомянутых выше фланцев, для обеспечения возможности подачи бурового раствора в подпоршневое пространство (камеру) 4, где предусмотрено размещение образца горной породы в зоне боковых отверстий 3, обеспечивающих возможность фильтрации бурового раствора под необходимым давлением.

Использование испытательного стенда предусматривают по следующей схеме и со следующей последовательностью действий. Герметизируют фильтрационные отверстия 3 корпуса 1 путем вкручивания винтов (позицией условно не обозначены). Устанавливают боковой фланец с заглушкой 5 и соединяют его с боковым фланцем 6 корпуса 1 в виде цилиндра с помощью болтов (позицией условно не обозначены). Подготавливают материал для формирования образца горной породы. Материал может быть представлен глинопорошком или керновым материалом, отобранным из интервалов, склонных к потере устойчивости, осыпям и обвалам. Под подготовкой материала понимают выполнение следующих действий:

а) материал может быть раздроблен;

б) материал может быть просеян через сита определенного размера для получения требуемой зернистости и пористости образца горной породы - модели (например, через сита 200 мкм, 100 мкм, 56 мкм и др.);

в) материал может быть высушен до постоянной массы;

г) материал может быть увлажнен до требуемых значений влажности при которой обеспечивается целостность модели;

д) материал может быть выдержан в эксикаторе для сохранения постоянного значения влажности;

е) допускают применение материала без предварительной подготовки.

Подготовленный материал засыпают в камеру 4 вышеупомянутого стенда для размещения образца горной породы, либо запрессовывают в эту камеру образец керна, выпиленный из полноразмерного керна точно в соответствии с внутренними размерами упомянутой камеры в подпоршневом пространстве. Массу навески материала для формирования образца горной породы, как его модели, определяют опытным путем в зависимости от плотности, пористости, кавернозности и/или трещиноватости модели которую необходимо получить. Кроме создания изотропных моделей из одних материалов, возможно создание анизотропных моделей, состоящих из нескольких материалов. При формирование анизотропных моделей возможно их слоистое строение или с локальными включениями. Для создания анизотропных моделей используют следующие материалы и их комбинации:

а) немодифицированные глинопорошки (натриевые, калиевые и др);

б) глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, песчаники и др. горные породы;

в) галит, хлорид калия, бишофит и др. соли;

г) карбонатные породы (мрамор, мел, доломит и др.);

д) уголь и другие осадочные породы.

После размещения образца горной породы в камере 4, в корпус 1 в виде цилиндра устанавливают поршень 2 и с помощью гидравлического пресса или другого оборудования, позволяющего создавать постоянное давление (на фиг. 1, 2 условно не показан), прессуют образец модели горной породы. При применении поршня со скошенной поверхностью (условно не показано) возможно дополнительное, к вышеперечисленным условиям, моделирование влияния зенитного угла на устойчивость стенок скважины. Давление и продолжительность прессования подбирают в зависимости от моделируемых горно-геологических условий, но не ограничиваются ими, и могут регулировать в широких пределах, ограничиваясь техническими характеристиками применяемого оборудования. После прессования образца горной породы снимают нагрузку с поршня 2. При использовании в качестве образца горной породы керна, выпиленного из полноразмерного керна точно в соответствии с внутренними размерами камеры 4 корпуса 1, этап прессования сводят к запрессовыванию образца в корпус как в пресс-форму. Далее, устанавливают на поршень 2 металлические доборные кольца 10 и с помощью болтового соединения закрепляют верхний уплотняющий фланец 12 с верхним фланцем 8. Количество металлических доборных колец 10 выбирают из условия максимального совпадения их поверхности с краем корпуса. Доборные кольца 10 и верхний уплотняющий фланец 12 предназначены для предотвращения движения поршня вверх и дополнительной герметизации надпоршневого пространства при проведении дальнейших операций. Извлекают боковой фланец с заглушкой 5 и соединяют боковой фланец 6 корпуса 1 с боковым патрубком 15 для подачи бурового раствора в подпоршневое пространство 4. Заливают в накопительную емкость (на рисунке не показана) оцениваемый (исследуемый) буровой раствор. С помощью насоса (условно не показан) заполняют боковой патрубок 15 оцениваемым раствором. После этого передают избыточное давление исследуемым раствором на весь объем образца горной породы через его боковую поверхность (осуществляют объемную фильтрацию бурового раствора через образец горной породы). С помощью манометра в гнезде 14 контролируют давление. С помощью гидравлического пресса, груза 11 или другого оборудования, позволяющего создавать постоянное давление (на фиг. показан только вариант с грузом), через шток поршня 2, создают постоянное вертикальное давление на верхнее основание образца горной породы. Значение постоянного вертикального давления и величину избыточного давления оцениваемого раствора подбирают в зависимости от моделируемых горно-геологических условий, но не ограничиваются ими и могут регулировать его в широких пределах. Единственные ограничения - ограничения техническими характеристиками применяемого оборудования. В зависимости от моделируемых условий, давление в гнезде 14 принимают постоянным или переменным в соответствии с приведенными выше частными признаками, характеризующими изобретение. Колебанием давления в гнезде 14 моделируют колебания давления в скважине при спуско-подъемных операциях в ней. В процессе исследования образец горной породы подвергают выбранному давлению через поршень 2, чем создают в упомянутом образце напряженное состояние. Одновременно на образец горной породы воздействуют буровым раствором с заданными свойствами, обеспечивающими фильтрацию этого раствора в объеме образца и определяющие ингибирующие и крепящие свойства этого раствора в объеме образца породы, на основе чего прогнозируют устойчивость породы в условиях скважины. При этом, исследования на стенде осуществляют и при разрушении образца в зоне его контакта с исследуемым раствором. Разрушение определяют по погружению поршня в устройстве и повышению скорости фильтрации. Положение поршня контролируют датчиком 17, скорость фильтрации контролируют по фильтрату бурового раствора через образец горной породы и весу этого фильтрата, что контролируют с применением электронных весов, путем контроля изменения массы фильтрата во времени (на рисунке не показаны). Для моделирования скважинных условий по температуре возможно помещение устройства в терморубашку (на рисунке на показана). Регулирование условий исследований и контроль датчиков осуществляют при контроле за оборудованием (контроле за устройством в целом, насосов, весов, датчика положения поршня) с применением компьютера (на фиг. не показаны).

В итоге, исследованные и оцененные на испытательном стенде буровые растворы и рекомендованные для реальных скважинных условий, с необходимыми ингибирующими и крепящими свойствами, будут способствовать более эффективному бурению скважин за счет повышения устойчивости их стволов в условиях осложнений.

Конкретный пример осуществления изобретения в отношении способа.

В соответствии с заявленным решением герметизируют фильтрационные отверстия 3 корпуса - пресса 1 (в виде цилиндра), устанавливают боковой фланец с заглушкой 5 и соединяют его с боковым фланцем 6. Для формирования модели горной породы используют не модифицированный глинопорошок производства ООО «Бентонит Кургана». Массу навески принимают величиной 275 г. Засыпают глинопорошок в камеру 4 для размещения образца горной породы. Устанавливают в корпус - пресс 1 поршень 2 и с помощью гидравлического пресса передают нагрузку на образец горной породы. Нагрузку моделируют в соответствии с горным давлением в стволе конкретной скважины. В примере, величина этого давления составляет 10 МПа. Принятое давление поддерживают в течение 30 мин. После прессования образца горной породы снимают нагрузку с поршня 2. Устанавливают на поршень 2 металлические доборные кольца 10 и соединяют верхний уплотняющий фланец 12 с верхним фланцем 8 корпуса - пресса 1. Открывают фильтрационные отверстия 3. Вместо заглушки 5 присоединяют боковой патрубок 15. Заполняют его объем исследуемым раствором (информация по растворам показана на графиках). Создают на поршень 2 давление в 10,0 МПа. В патрубке 15 с буровым раствором создают давление 15 атм. В результате исследуемым раствором воздействуют на боковую поверхность образца горной породы. Величину этого давления принимают постоянной во времени и контролируют по показаниям манометра в гнезде 14. Эксперимент заканчивают при изменении положения поршня более 35 мм. Исследования проводят при комнатной температуре 22°С.

В качестве исследуемых растворов применяют:

- воду водопроводную;

- водный рассол хлористого калия плотностью 1100 кг/м³;

- биополимерный хлор-калиевый раствор без твердой фазы (содержание, г/л воды: калий хлористый - 175, крахмал модифицированный - 15, ксантановый биополимер - 2; параметры: плотность - 1100 кг/м³; статическое напряжение сдвига 10 с/10 м - 15/20 дПа; рН - 8,0; пластическая вязкость - 10 мПа*с; динамическое напряжение сдвига - 35 дПа) показатель фильтрации более 20 см³ /30 мин;

- аналогичный предшествующему биополимерный хлор-калиевый раствор без твердой фазы, но с микрокольматантом, показатель фильтрации 3,5 см³ /30 мин.

В результате, разрушение спрессованного образца из глиноматериала, при его нагрузке и фильтрации через него воды, наблюдают через 4 часа, обработка воды хлористым калием приводит к увеличению устойчивости образца до 7 час, что обусловлено ингибирующим эффектом упомянутой соли, снижающей скорость и величину набухания глинистых минералов. Обработка раствора хлористого калия полимерами, позволяет дополнительно замедлить процессы набухания и разрушения образца, до 24 часов. Введение микрокольматантов в раствор хлористого калия с полимерами обеспечивает снижение объемов фильтрации через образец и дальнейшее улучшение показателя ингибирующей/крепящей способности упомянутой среды.

Собственно изобретения - их группа и пример осуществления изобретения в части способа основаны на реальном эксперименте, результаты которого приложены к данному описанию («Описание эксперимента и результаты испытаний», см. приложение 1) для подтверждения достоверности данных и возможности оценки потенциальных возможностей технического решения не только в части его существенных признаков, но и в основной части частно существенных признаков.

Заявленное техническое решение, моделирующее скважинные процессы, решает новую техническую задачу - повышает точность оценки ингибирующих и крепящих свойств буровых растворов и снижает риски потери устойчивости стенок скважины в осложненных условиях.

Сочетание напряженного состояния на образце горной породы, вплоть до его разрушения, с фильтрационными процессами бурового раствора в объеме всего образца с обработкой этого объема буровым раствором с крепящими и ингибирующими свойствами является новым и явным образом не следуют из уровня техники для специалиста. Из уровня техники не известны также и совокупные решения, обеспечивающие достижение заявленного технического результата, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения условиям «Новизны» и «Изобретательский уровень».

Несложность и высокая функциональность заявляемого технического решения, в совокупности с увеличением доли бурения скважин с горизонтальным окончанием в горных породах, склонных к потере устойчивости, осыпям и обвалам позволяет сделать вывод о полезности применения заявляемого технического решения в промышленной сфере, а именно при разработке и рекомендации буровых растворов, технологических жидкостей и отдельных химических реагентов с высокими ингибирующими и крепящими свойствами.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

I. Общая информация

1. В качестве растворов, подлежащих испытанию применены:

а) вода водопроводная;

б) водный рассол KCl плотностью 1100 кг/м³;

в) биополимерный хлор-калиевый раствор без твердой фазы, рецептура и параметры раствора приведены в таблицах 1, 2;

г) биополимерный хлор-калиевый раствор без твердой фазы с микрокольматантом. Концентрация микрокольматанта 50 кг/м³.

2. В качестве материала для формирования модели горной породы применен не модифицированный глинопорошок производства ООО «Бентонит Кургана». Масса навески 275 гр.

3. Условия формирования модели горной породы: прессование образца с показанием на манометре гидравлического пресса 10,0 МПа в течение 30 минут.

II. Факторы

Постоянные факторы

1. Рецептуры буровых растворов (в данном эксперименте применяется 5 растворов).

2. Модель горной породы (в данном эксперименте применяется модель одного минералогического состава со схожими физико-механическими и петрофизическими свойствами).

Изменяемые факторы

3. X1 - Горное давление (в данном эксперименте горное давление может быть постоянным (при показании на манометре гидравлического пресса 10,0 МПа) и не

постоянным (при изменении показаний на манометре гидравлического пресса 8,0-12,0 МПа)).

5. Х2 - Температура модели горной породы и бурового раствора (в данном эксперименте температура изменяется на двух уровнях: 22°С и 75°С).

6. Х3 - Моделирование влияния зенитного угла скважины на устойчивость модели горной породы. Фактор изменяется углом поверхности поршня к поверхности модели горной породы (в данном эксперименте поверхность поршня к поверхности модели горной породы может быть горизонтальной (с углом 0 град) и скошенной (с углом 30 град).

8. Х4 - Репрессия на пласт - давление бурового раствора на боковую поверхность модели горной породы (в данном эксперименте давление бурового раствора может быть постоянным (15,0 атм) и не постоянным (10,0-20,0 атм)).

III. Матрица планирования эксперимента

В нашем эксперименте 4 фактора (X1, Х2, Х3, Х4) могут изменяться на двух уровнях каждый (в дальнейшем нижний уровень обозначим «-», а верхний уровень «+»), соответственно, количество опытов для проведения полнофакторного эксперимента будет равно 2⁴=16 опытов, в таблице 3 приведена матрица планирования полнофакторного эксперимента 2⁴.

В данной матрице планирования полнофакторного эксперимента 2⁴ приведены все возможные комбинации сочетания изменяемых факторов. На первом этапе эксперимента выполнены опыты с №1 по №5, с изменением одного фактора.

IV. Описание эксперимента

1. Загерметизировали фильтрационные отверстия 3 корпуса пресс-формы 1 путем вкручивания винтов; установили боковой фланец с заглушкой 5 и соединили его с боковым фланцем пресс-формы 6 с помощью болтов.

2. Для формирования модели горной породы использовали не модифицированный глинопорошок производства ООО «Бентонит Кургана». Масса навески 275 гр.

3. Засыпали глинопорошок в камеру размещения горной породы 4.

4. Установили в пресс-форму поршень 2 и с помощью гидравлического пресса создали на него нагрузку, показания на манометре гидравлического пресса составляли 10,0 МПа. Время создания нагрузки составляло 30 минут. В исследованиях применялось два поршня: с горизонтальной поверхностью поршня к поверхности модели горной породы и с углом 30 градусов.

5. После прессования модели горной породы сняли нагрузку с поршня 2.

6. Установили на поршень 2 металлические доборные кольца 10 и с помощью болтового соединения соединили верхний уплотняющий фланец 12 с верхним фланцем пресс-формы 8.

7. Открыли фильтрационные отверстия 3 путем выкручивания винтов.

8. Из бокового фланца пресс-формы 6 извлекли боковой фланец с заглушкой 5.

9. К боковому фланцу пресс-формы 6 с помощью болтовых соединений присоединили фланец блок-емкости 13.

10. С помощью насоса закачали в накопительную емкость исследуемый раствор (информация по растворам показана на графиках). После заполнения блок-емкости исследуемым раствором на патрубок 14 установили манометр.

11. С помощью гидравлического пресса, через шток поршня 2, создали постоянное вертикальное давление на верхнее основание модели горной породы 10,0 МПа. В опытах с моделированием изменения напряженного состояния горной породы вертикальное давление на верхнее основание модели горной породы изменяли в пределах 8-12 МПа, при наборе давления с 8 до 12 МПа в течение часа, выдержке давления в течение 2 часов, последующим снижением давления с 12 до 8 МПа, выдержке давления и повторении цикла набора и снижения давления.

12. Создали избыточное давление исследуемым раствором на боковую поверхность модели горной породы 15 атм.

13. В процессе исследований давление на гидравлическом прессе и давление на насосе поддерживали постоянным. В опытах с моделированием гидравлических колебаний в стволе скважины при СПО, периодически изменяли давление в пределах 10-20 атм.

14. Окончание эксперимента считалось законченным при изменении положения поршня более 35 мм.

15. Исследования проводились при комнатной температуре 22°С. При моделировании скважинных условий, температура модели горной породы и бурового раствора составляла 75°С.

V. Результаты эксперимента

Результаты исследований приведены на рисунках 1-5, условия опытов приведены под рисунками.

VI. Основные результаты

В таблице 4 приведены основные результаты исследований.

VII. Основные выводы

1. По силе ингибирования набухания глин и крепящей способности исследуемые растворы можно расположить в следующей последовательности (от слабых к сильным):

1) вода водопроводная;

2) водный рассол KCl плотностью 1100 кг/м³;

3) биополимерный хлор-калиевый раствор без твердой фазы;

4) биополимерный хлор-калиевый раствор без твердой фазы с микрокольматантом.

2. Обработка воды солью KCl приводит к увеличению ингибирующей/крепящей способности, что связано с ингибирующим эффектом соли, снижающей скорость и величину набухания глинистых минералов.

3. Обработка рассола KCl полимерами, позволяет дополнительно замедлить процессы набухания и разрушения образца, с увеличением ингибирующей/крепящей способности.

4. Введение микрокольматантов в рассол KCl с полимерами обеспечил целостность образца более 24 часов.

5. Все факторы, изменяемые в эксперименте, влияют на время устойчивости модели горной породы к разрушению. По силе влияния факторов на время разрушения образца можно распределить их в следующей последовательности (от слабых к сильным):

1) Х2 - Температура - незначительно сокращает время устойчивости модели горной породы за счет ускорения физико-химических процессов взаимодействия жидкой фазы с глинистыми минералами;

2) X1 - Горное давление и Х4 - Давление бурового раствора. Влияние данных факторов примерно одинаково, колебание значений данных факторов сокращает время устойчивости

модели горной породы больше чем влияние температуры - за счет ускорения фильтрационных процессов, проявления расклинивающего эффекта.

3) Х3 - Зенитный угол (угол между поверхностью поршня и осью модели горной породы) - наиболее значимый фактор из всех исследованных. При увеличении угла, значительно сокращается время устойчивости образца горной породы за счет изменения направления действия векторов напряжений.

Группа изобретений относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в частности к оценке свойств бурового раствора для неустойчивых горных пород. Сущность: оценку бурового раствора осуществляют на испытательном стенде с подготовленным для испытания образцом горной породы. Для этого в образце породы создают напряженное состояние, имитирующее горное давление, соответствующее выбранной глубине скважины. Одновременно через объем образца горной породы осуществляют фильтрацию оцениваемого бурового раствора. Это осуществляют в условиях, имитирующих скважинные условия. Свойства горной породы скважины прогнозируют по физико-механическим свойствам образца этой породы во времени в зависимости от его напряженного состояния и ингибирующих, а также крепящих свойств оцениваемого бурового раствора. О свойствах судят на стенде по динамике изменчивости физико-механических свойств образца породы, вплоть до его разрушения, и динамике фильтрации оцениваемого бурового раствора. Испытательный стенд включает корпус-пресс в виде вертикального цилиндра с глухим основанием, боковыми отверстиями в локальной зоне, поршня, размещенного в упомянутом цилиндре и образующего подпоршневое пространство для образца горной породы в зоне боковых отверстий. К корпусу присоединен боковой патрубок для подачи бурового раствора в подпоршневое пространство. Поршень выполнен с возможностью передачи нагрузки на образец горной породы, имитирующей горное давление, и имеет датчик его хода. Боковой патрубок выполнен с возможностью подачи испытуемого бурового раствора под давлением, обеспечивающим фильтрацию этого раствора через образец горной породы. Предусмотрен узел оценки динамики фильтрации раствора во времени. Технический результат: повышение достоверности оценки ингибирующих и крепящих свойств буровых растворов и снижение рисков потери устойчивости стенок скважины с применением оцениваемых буровых растворов. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оценки свойств бурового раствора для неустойчивой горной породы скважины, характеризующийся тем, что оценку осуществляют на испытательном стенде с подготовленным для испытания образцом горной породы, для чего в последнем создают напряженное состояние, имитирующее горное давление, соответствующее выбранной глубине скважины, одновременно через объем образца горной породы осуществляют фильтрацию оцениваемого бурового раствора в условиях, имитирующих скважинные, при этом свойства горной породы скважины прогнозируют по физико-механическим свойствам образца этой породы во времени в зависимости от его напряженного состояния и ингибирующих, а также крепящих свойств оцениваемого бурового раствора, о которых судят на стенде соответственно по динамике изменчивости физико-механических свойств упомянутого образца горной породы, вплоть до его разрушения, и динамике фильтрации при этом оцениваемого бурового раствора.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно на стенде имитируют напряженное состояние образца горной породы для выбранной глубины наклонной скважины при разных значениях ее зенитного угла.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве бурового раствора используют технологическую жидкость на основе многокомпонентных или однокомпонентных химических реагентов или материалов.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве образца горной породы используют керн из скважины, характеризующий неустойчивые горные породы, или образец из аналогов пород и/или минералов со свойствами, близкими к рассматриваемым породам, или образец, полученный прессованием материалов, имитирующих породы скважины.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что напряженное состояние в образце горной породы создают путем передачи механической нагрузки по оси этого образца.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что напряженное состояние в образце горной породы создают путем передачи гидравлической нагрузки по оси этого образца.

7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что фильтрацию бурового раствора осуществляют через боковую поверхность образца горной породы.

8. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что фильтрацию бурового раствора через образец горной породы осуществляют при давлении и температуре, отвечающих скважинным.

9. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что режим осевой нагрузки на образец горной породы меняют во времени при неизменном режиме фильтрации бурового раствора через упомянутый образец.

10. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что режим фильтрации бурового раствора через образец горной породы меняют во времени при неизменном режиме осевой нагрузки на упомянутый образец.

11. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что режим осевой нагрузки на образец горной породы и режим фильтрации бурового раствора через этот образец меняют во времени одновременно.

12. Способ по одному из пп. 1, 4, 5, характеризующийся тем, что имитацию вскрытия горных пород наклонной скважиной осуществляют путем передачи нагрузки на образец горной породы через контакт по плоскости, наклонной к оси упомянутого образца.

13. Способ по одному из пп. 8-10, характеризующийся тем, что каждый из режимов воздействия на образец горной породы меняют по своему заданному закону.

14. Способ по одному из пп. 8-10, характеризующийся тем, что режимы воздействия на образец горной породы меняют стохастически, причем как в отдельности каждый из режимов, так и совместно.

15. Испытательный стенд для оценки свойств бурового раствора в неустойчивых горных породах, включающий корпус-пресс в виде вертикального цилиндра с глухим основанием, боковыми отверстиями в локальной зоне, поршня, размещенного в упомянутом цилиндре и образующего подпоршневое пространство для образца горной породы в зоне боковых отверстий, в противоположной стороне от которых к корпусу присоединен боковой патрубок для подачи бурового раствора в подпоршневое пространство, при этом поршень выполнен с возможностью передачи нагрузки на образец горной породы, имитирующей горное давление на выбранной глубине скважины, и имеет датчик его хода, а боковой патрубок выполнен с возможностью подачи выбранного для испытаний бурового раствора под заданным давлением, обеспечивающим фильтрацию этого раствора через образец горной породы, для чего предусмотрен узел оценки динамики его фильтрации во времени.

16. Испытательный стенд по п. 15, характеризующийся тем, что поршень контактирует с образцом горной поверхности по наклонной поверхности, имитирующей зенитный угол наклона скважины, для чего нижняя часть поршня выполнена скошенной с заданным углом скоса.

17. Испытательный стенд по п. 15, характеризующийся тем, что поршень выполнен в верхней части со штоком для восприятия силовой нагрузки - веса или гидравлического давления, имитирующих горное давление на выбранной глубине скважины.

18. Испытательный стенд по п. 15, характеризующийся тем, что узел оценки динамики фильтрации бурового раствора содержит накопительную емкость для фильтрата, связанную с электронными весами.

19. Испытательный стенд по п. 15, характеризующийся тем, что боковой патрубок снабжен манометром.

20. Испытательный стенд по п. 15, характеризующийся тем, что поршень выполнен с доборными кольцами для обеспечения возможности регулирования заданного его положения.

21. Испытательный стенд по п. 16, характеризующийся тем, что поршень выполнен сменным и предусмотрен с разными углами скоса его нижней поверхности для имитации разных зенитных углов скважины.