Способ обработки бурового раствора Советский патент 1992 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в частности к средствам снижения трения бурильной колонны о стенки скважины, а также снижения ее прихватоопасности.

Известен способ снижения коэффициента трения бурового раствора.

Однако добавка к буровым растворам различных органических и химических составов в некоторых случаях приводит к свер- тыванию их в присутствии кальция с образованием комков. В растворах на водной основе происходит смачивание барита нефтью. В этом случае барит может выпасть в осадок, изменяя при этом параметры раствора. Кроме того, происходит повышенный износ резиновых уплотнительных деталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки бурового раствора, включающий введение в раствор твердых стеклянных частиц, которые имеют сферическую форму. На частицы действуют значительные радиальные нагрузки от контактирующей с ними колонны труб, что приводит к повреждению частиц и уменьшению антифрикционного эффекта. Указанные недостатки способа обработки бурового раствора с использованием сферических стеклянных частиц могли бы быть устранены путем увеличения диаметра частиц. Однако увеличение размера сферических частиц неизбежно приводит к их интенсивному разрушению в процессе циркуляции бурового раствора и, как следствие, увеличению объема добавки как при первоначальной обработке раствора, так и при рейсовой.

Целью изобретения является снижение расхода-добавки при одновременном сохранении антифрикционных свойств раствора

Указанная цель достигается тем. что со гласно способу обработки бурового раствора, включающему введение в раствор твердых стеклянных частиц, в качестве последних используют стеклянные частицы в виде эллипсоидов вращения с большой полуосью в 1.25-2.0 рззд длиннее малой полуоси в количестве не менее 2 кг/м . Использование антифрикционной добавки представляющей собой стеклянные эллипсоидные частицы, обеспечивает не только сокращение расхода частиц, поскольку уменьшится количество разрушаемых стек

-яигг

Xi

лянных частиц, но и уменьшение силы трения инструмента о породу или фильтрационную корку за счет увеличения поверхности контакта.

Стеклянные гранулы изготавливают из известково-кварцевого стекла следующего химического состава, %:

Si0261+0,5

СаО18+0,5

А 20з4,6 +0,3

Na2013,5+0,5

МдО0,3+0,1

В20з1,1+0,3

КаО 1.5 +0,5

Стеклогранулы химически инертны, нерастворимы в воде и углеводородных соединениях.

Преимущества эллипсоидных частиц перед сферическими подтверждаются следующим.

При сохранении постоянного объема стеклянной частицы замена сферической формы на эллипсоидную приводит к увеличению общей площади частицы, в том числе контактной поверхности при взаимодейст вии ее с колонной бурильных труб.

Это объясняется тем, что эллиптические частицы, введенные в буровой раствор, и находящиеся в нем во взвешенном состоянии, при взаимодействии с трубой ориентированы таким образом, что их большая ось коаксиальна оси трубы.

Из теории упругости следует, что поверхность контакта двух тел, в данном случае стеклянной сферы радиусом R. значительно меньшим радиуса бурильной трубы и может быть выражена следующей зависимостью:

Ж

-

S (К1 +K2)R P

0)

где Ki

1-й

;К2

7ГЕ1 ЯЕ2

EI и Е2 - модули Юнга стекла и стали:

v и vi - коэффициенты Пуассона стекла и стали;

Р - прикладываемые усилия.

Масимальная нагрузка q0 на стекля- ный сферический элемент от контактирующего тела определяется из выражения

( Ki + Кг ) R2

(2)

Поскольку предлагаемая антифрикционная добавка представляет собой эллипсоидные стеклянные частицы, заменив радиус R в выражениях (1) и (2) на соотношение полуосей вытянутого эллипсоида вращения получим зависимости для определения кони максимальной на

-2 г/з

: (3) .Д

)

2 ) С

74- №

где

- радиус кривизны эллипсоида в

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

yrr3 7Td2C

области контакта с трубами;

d - малая полуось эллипсоида;

С - большая полуось эллипсоида.

Преимуществом добавки является повышенная механическая стойкость стеклянной эллиптической частицы по сравнению со сферической. Для стекла разрушение его определяется максимальным напряжением, действующим по границе контакта с колонной труб в радиальном направлении(от оси скважины к ее стенке);

.qo. (5)

Для сравнения геометрических параметров стеклянных частиц, имеющих сферическую и эллипсоидную формы и одинаковые объемы, приравняем

(6)

Обозначив отношение большой и малой

С полуосей эллипсоидной частицы

преобразуя выражение (6), получим гз о,зз

«-Ф

Анализируя выражения (1)-(5) и имея в виду, что радиус кривизны эллипсоида c2/d в формулах (3) и (4) больше значений R в формулах (1) и (2) полученных для сфер, можно сделать вывод о том, что при постоянстве объемов сферических и эллипсоидных стеклянных частиц контактная поверхность эллипсоидных частиц больше сферических, а нагрузка соответственно меньше, в связи с этим и трение колонны труб по эллипсоидным частицам будет так же меньше.

На чертеже изображена зависимость отношений максимальных нагрузок q01/q0,

максимальных напряжений 02/02 и поверхностей контакта S /S для эллипсоидных и сферических элементов от отношений полуосей C:d, Как видно из чертежа, нагрузка и напряжения на эллипсоидные частицы (элементы) на 65% меньше (кривая 1), чем на сферические частицы, а площадь их контакта в 4-5 раз.увеличив ется.

Приведенные на чертеже кривые по- .строены для отношения ,5. При других

значениях C:d характер зависимостей не изменяется,

Таким образом, применение эллипсоидных стеклянных частиц не только не ухудшает антифрикционные характеристики пары трения (частица-колонна труб), но и приводит к уменьшению максимальной нагрузки и уменьшению напряжения разруше- ния и, как следствие, к уменьшению количества повреждаемых частиц. Оптимальные соотношения осей эллипсоидной частицы (эллипсоида вращения) определяем, исходя из максимално допустимого напряжения О2 (формула (5) для стекла, которое не должно превышать 6000 кгс/см2 (600 МПа).

Расчеты по формулам (4) и (5) показывают что при реально существующих в скважине усилиях прижатия колонны труб к стенкам скважины при бурении ротором соотношение осей эллипсоидной стеклянной частицы должно находиться в пределах ,25.

Расчеты проведены при значениях усилия прижатия колонны 500 кг, определенного в бурящихся вертикальных скважинах (зенитный угол 5-7°) по известным зависимостям. При несимметрично приложенной нагрузке на эллипсоидную стеклянную частицу действует изгибающий момент, под действием которого она может быть разрушена.

0

5

0

При той же нормальной нагрузке Р разрушение стеклянных эллипсоидных частиц наступает при соотношении ,0. Таким образом большая полуось част иц должна быть в 1,25-2 раза длиннее малой полуоси.

Добавка стеклянных частиц не ухудшает параметров бурового раствора и его реологических свейств. При обработке бурового раствора антифрикционной добавкой экспериментально установлено, что оптимальное содержание стеклогранул не менее 2 кг/м3. Уменьшение содержания стеклянных частиц существенно ухудшает антифрикционные свойства бурового раствора.

Преимуществом эллипсоидной антифрикционной добавки является уменьшение расхода частиц и связанных с этим затрат на бурение.

Формула изобретения Способ обработки бурового раствора, включающий введение в раствор стеклянных частиц, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода добавки при одновременном сохранении антифрикционных свойств растзора, в качестве твердых стеклянных частиц используют стеклянные частицы в виде эллипсоидов вращения с большой полуосью в 1,25-2,0 раза длиннее малой полуоси в копичестве не менее 2 кг/м3.

Использование: относится к средствам снижения трения бурильной колонны о стенки скважины, а также для снижения ее. прихватоопасности. Сущность изобретения: в раствор вводят с целью снижения расхода добавки твердые стеклянные частицы в виде эллипсоидов вращения с большой полуосью в 1,25-2 раза длиннее малой полуоси в количестве не менее 2 кг/м3. 1 ил