Balanced pressure drilling with continuous circulation

Maxim N. Yangazitov – candidate for master’s degree, the Gubkin University of Oil and Gas, maximyn@mail.ru;
Boris A. Dotsenko – postgraduate student, the Gubkin University of Oil and Gas, b_dotsenko@mail.com;
Alexander S. Oganov – Dr.Tech.Sci., professor, the Gubkin University of Oil and Gas, abprus@mail.ru.

Key words: continuous circulation system, coupler, top-drive connection tool, mud-diverter manifold, high power unit, control system, managed pressure drilling, balance drilling.

One of the problems arising out of balanced drilling is pressure maintenance during pulling and running operations and whilst adding a drill pipe length. As hydrostatic pressure of the mud column is not sufficient to maintain an overbalance pressure on the formation, it is required to pump portions of heavy mud or add a safety valve to the previous casing and perform pulling and running operations with a closed rotating diverter until the bit is lifted above the valve. Under the circumstances, the problem may be solved by installing a continuous circulation system at the wellhead to maintain pressure during pulling and running operations

Из резервуаров 13 очищенный и подготовленный раствор поступает в подпорные насосы 14, которые подают его в буровые насосы 1. Последние перекачивают раствор под высоким давлением (до 30 МПа - pppa.ru) по нагнетательной линии, через стояк 2, гибкий рукав 3, вертлюг 4, ведущую трубу 5 к устью скважины 6. Часть давления насосов при этом расходуется на преодоление сопротивлений в наземной системе. Далее буровой раствор проходит по бурильной колонне 7 (бурильным трубам, УБТ и забойному двигателю 9) к долоту 10. На этом пути давление раствора снижается вследствие затрат энергии на преодоление гидравлических сопротивленийЗатем буровой раствор вследствие разности давлений внутри бурильных труб и на забое скважины с большой скоростью выходит из насадок долота, очищая забой и долото от выбуренной породы. Оставшаяся часть энергии раствора затрачивается на подъем выбуренной породы и преодоление сопротивлений в затрубном кольцевом пространстве 8. Поднятый на поверхность к устью 6 отработанный раствор проходит по растворопроводу 11 в блок очистки 12, где из него удаляются в амбар 15 частицы выбуренной породы, песок, ил, газ и другие примеси, поступает в резервуары 13 с устройствами 16 для восстановления его параметров и снова направляется в подпорные насосы.

Нагнетательная линия состоит из трубопровода высокого давления, по которому раствор подается от насосов 1 к стояку 2 и гибкому рукаву 3, соединяющему стояк 2 с вертлюгом 4 - pppa.ru. Напорная линия оборудуется задвижками и контрольно-измерительной аппаратурой. Для работы в районах с холодным климатом предусматривается система обогрева трубопроводов.

Яковлев А. А., Турицына М. В. / НауковіпраціДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». Вип. 14(181). 2011 р. С. 186–190

УДК 622.244.46

Экологически и экономически эффективная

циркуляционная система при бурении скважин с

газожидкостными смесями

Яковлев А. А., Турицына М. В.

Санкт-Петербургский государственный горный институт, Россия

Поступила в редакцию 01.03.11, принята к печати 18.03.11

Аннотация

Рассмотрены различные схемы циркуляционных систем при бурении скважин с газожидкостными

промывочными смесями, оценены их достоинства и недостатки. Предложена новая экологически и

экономически эффективная замкнутая циркуляционная система закрытого типа.

Ключевые слова: циркуляционная система, газожидкостная промывочная смесь.

Проведенное маркетинговое исследование спроса на комплексную технологию бурения и

крепления скважин с газожидкостными промывочными и тампонажными смесями показало, что

она найдет широкое применение в следующих регионах РФ: стабильные пены и газожидкостные

тампонажные смеси при бурении скважин на месторождениях с интенсивными поглощениями

очистного агента − Иркутская область, Пермский и Приморский края и др.; аэрированные

жидкости без твердой фазы при средних поглощениях − Читинская область, Бурятия и др.;

аэрированные растворы с твердой фазой при проходке скважин долотами в неустойчивых

осадочных породах − Западная Сибирь, Красноярский край, Дальний Восток и др.; водо-пенные

эмульсии и аэрированные жидкости при бурении в монолитных среднетрещиноватых породах −

Центральные районы России, Башкортостан и др.

Поверхностно-активные вещества, предлагаемые для получения указанных смесей,

представляют собой биоразрушаемые реагенты (до 92 %) и используются в бытовой химии.

Концентрация отдельных добавок не превышает нормативные значения, указанные в работах [1, 5].

Для охраны окружающей среды газожидкостные промывочные смеси при выходе из

скважины должны отводится в циркуляционную систему, в которой производится их разрушение.

Эффективность __________разрушения пенных систем зависит от многих факторов. В том числе, и от

содержания в растворе поверхностно-активных веществ (ПАВ), твердой фазы (разбуренной

породы) и разного рода добавок (химические реагенты-стабилизаторы, КМЦ, ГПАА, гипан и др.).

В практике бурения скважин применяются циркуляционные системы открытого и

закрытого типа [6]. В первом случае газожидкостная промывочная смесь сбрасывается в

окружающую среду, вызывая ее загрязнение. Во втором обеспечивается ее разрушение и

регенерация раствора ПАВ для последующего его использования в технологическом процессе

проходки скважины.

Экологически и экономически наиболее эффективной является замкнутая циркуляционная

система закрытого типа, которая обеспечивает безотходную технологию промывки скважин. В

циркуляционной системе происходит выведение из газожидкостной промывочной смеси жидкой и

твердой фаз. Раствор ПАВ идет для повторного использования, а твердая фаза − для

ликвидационного тампонирования скважин.

Все существующие способы и технические средства, применяемые для разрушения

газожидкостных промывочных смесей, делятся на химические, механические, физические и

комбинированные.

Яковлев А. А., Турицына М. В. / НауковіпраціДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». Вип. 14(181). 2011 р. С. 186–190

Химический метод по данным работ [2, 6] в условиях бурения с газожидкостными

промывочными смесями не применим.

Механические способы разрушения газожидкостных промывочных смесей достаточно

детально рассмотрены в работах [2, 6]. К ним относят разрушение пены с помощью двух дисков,

вибрационным способом, с использованием вакуумных дегазаторов. Последние представлены

двумя схемами − первая с подачей жидкости в вакуумный резервуар, вторая − за счет подсоса

воздуха вакуумным насосом. Второй способ применяется в экспериментальных исследованиях [3].

В практике геологоразведочного бурения оба способа не нашли широкого применения.

Известен пеногаситель турбинного типа, в котором разрушение газожидкостной

промывочной смеси достигается за счет центробежно-ударного воздействия на нее и быстрого

снижения давления в потоке жидкости, движущейся с большой скоростью от всасывающего

патрубка по каналам, образуемыми лопастями турбины.

В б. ВНИИБТ был разработан и испытан пеноразрушитель циклонного типа. Он показал

хорошие результаты при разрушении стабильных пен, полученных на основе сульфонола.

В практике разведочного бурения наиболее широкое распространение получили

устройства эжекторного типа. Один из них (ПЭ) был разработан в ВИТРе. Для его работы

требуются относительно большие удельные расходы сжатого воздуха. В работе [4] приводится

новая конструкция эжекторногопеноразрушителя (ЭП) с кольцевой камерой.

По данным экспериментальных исследований видно, что при разрушении двухфазной

пены, состоящей из 1%-го раствора поверхностно-активных веществ, она полностью не

разрушалась. Так, например, устойчивость пены до ЭП составляла 18,2, а после − 3,5 с/см3. Не

известно, как будет работать данное устройство, имеющее кольцевую камеру с зазором

0,001÷0,002 м, при наличии в газожидкостной смеси твердой фазы.

К физическому разрушению относят термический и акустический способы. Термический

способ, в основном, реализуется путем воздействия на пену тепла, излучаемого нагреваемой

поверхностью. Примером акустического способа пеноразрушения может служить ультразвуковые

пеноразрушители типа УАДП-1 и УАДП-В-2. Однако для их работы требуется большая подача

сжатого воздуха (до 1,5 м3 на 1 м3 пены).

Все рассмотренные устройства (пеноразрушители) предназначены только для разрушения

двухфазной пены. В практике же бурения газожидкостная промывочная смесь, как правило, несет

определенное количество твердой фазы. По данным ВИТРа, при алмазном бурении содержание

твердой фазы в газожидкостной смеси с размерами фракций до 0,0003 м достигает до 96%, а при

твердосплавном до 80%. Как указывается в работе [4], частицы породы фракций от 0,0002 до

0,0003 м в статическом состоянии могут удерживаться в пене до ее полного разрушения.

Отделение твердой фазы с размерами частиц менее 5×10-6 м из промывочной жидкости

техническими средствами не обеспечивается [5]. При бурении шарошечными долотами размер

частиц разрушенной породы может достигать до 0,015 м.

В работе [2] указывается, что на забое скважины могут оставаться частицы металла и

твердого сплава из-за разрушения породоразрушающего инструмента (долото, коронка) с

эквивалентным диаметром до 0,01 м. Однако это не вызывает опасности возникновения

аварийных ситуаций, так как известно, что пена может удерживать разные материалы (песок,

оксид и сульфид железа, нефть и др.) [3]. Все транспортируемые из скважины твердые частицы

должны быть отделены от раствора ПАВ.

Рассмотрим наиболее широко применяемые при бурении скважин с пеной

циркуляционные системы.

Циркуляционная система с двумя эжекторными устройствами, разработанная

сотрудниками б. Норильской ГРЭ и б. отраслевой научно-исследовательской лабораторией

технологии и техники разведочного бурения ЛГИ представлена на рис.1. Газожидкостная

промывочная смесь, выходящая из скважины, отсасывается эжектором. Под действием струи

сжатого воздуха происходит ее частичное разрушение. В дальнейшем идет ее самопроизвольный

распад в зумпфе емкостью до 6 м3. В отстойнике происходит естественное осаждение шлама. Из

зумпфа раствор ПАВ откачивается центробежным насосом для повторного использования. Второй

эжектор служит для дополнительного разрушения пены, остающейся в зумпфе. К основным ее

недостаткам можно отнести то, что отделение твердой фазы основано на самопроизвольном

Яковлев А. А., Турицына М. В. / НауковіпраціДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». Вип. 14(181). 2011 р. С. 186–190

осаждении твердых частиц разбуренной породы под действием гравитационных сил. При этом

происходят большие потери (до 10÷20%) раствора ПАВ [5].

Рис.1. Схема циркуляционной системы с двумя эжекторными устройствами:

1 – направляющая труба, 2 – бурильные трубы, 3 – эжектор, 4 – воздухопровод, 5 – зумпф, 6 – емкость для

шлама, 7 – емкость для жидкой фазы, 8 – насос для забора раствора ПАВ, 9 – воздухопровод, 10 – эжектор

Мелкие частицы шлама не осаждаются и, чем меньше размер частиц, тем сложнее их

отделить от пены. Кроме того, затруднена чистка зумпфа от шлама; откачиваемая жидкость может

содержать тонкие (до 0,00005 м) частицы шлама, не выпавшие в отстой; и, наконец, вторым

эжектором может выбрасываться в окружающую среду воздух с частью не разрушенной

газожидкостной промывочной смесью, содержащий тонкие фракции частиц породы.

Рис. 2. Схема циркуляционной системы с циклоном:

1 – направляющая труба, 2 – бурильные трубы, 3 – герметизирующее устройство – превентор вращающегося

типа, 4 – отводная труба, 5 – циклон, 6 – заслонка, 7 – вентилятор, 8 – зумпф, 9 – крышка люка для удаления

шлама, 10 – шлам в накопителе, 11 – центробежный насос, 12 – емкость для сбора раствора ПАВ для

повторного использования

Яковлев А. А., Турицына М. В. / НауковіпраціДонНТУ. Серія«Гірничо-геологічна». Вип. 14(181). 2011 р. С. 186–190

Циркуляционная система с циклоном приведена на рис.2 [6]. Особенностью этой системы

является принудительное отделение твердой фазы из газожидкостной промывочной смеси. Из

скважины газожидкостная промывочная смесь по отводной трубе поступает в циклон, где

разделяется на жидкую пульпу, сбрасываемую в зумпф, и воздух, отсасываемый вентилятором. В

зумпфе происходит естественное осаждение твердых частиц из жидкости. Шлам извлекается из

шламонакопителя при открытии крышки люка по окончании рейса. Это улучшает геологическое

опробование в тех случаях, когда выход керна при бурении очень низок и его недостаточно для

опробования. Для достижения требуемого режима отсос воздуха вентилятором регулируется с

помощью заслонки. Недостатки этой системы сводятся к следующим: система работает только

при установке на устье скважины герметизирующего устройства; твердая и жидкая фазы

газожидкостной промывочной смеси сбрасываются в зумпф совместно; отделение твердых частиц,

как и в первой циркуляционной системе, достигается за счет гравитационных сил. Авторами

предложена новая замкнутая циркуляционная система закрытого типа для бурения скважин с

применением газожидкостных промывочных смесей, рис.3.

Яковлев А. А., Турицына М. В. / НауковіпраціДонНТУ. Серія «Гірничо-геологічна». Вип. 14(181). 2011 р. С. 186–190

логоразведочных

скважин с промывкой пеной. – СПб.: Недра, 1996, 179с.

5. Экологизация промывки при бурении скважин. / А.М. Яковлев, В.С. Литвиненко, В.И. Коваленко,

А.Н. Холодок. − СПб.: СПГГИ (ТУ), 1994, 43с.

6. Яковлев А.М., Коваленко В.И. Бурение скважин с пеной на твердые полезные ископаемые. − Л.: Недра,__

Рис. 3. Замкнутая циркуляционная система закрытого типа для бурения скважин с применением

газожидкостных промывочных смесей:

1 – направляющая обсадная труба, 2 – бурильные трубы, 3 – воздухоподводящая труба, 4 – эжектор, 5 –

циклон, 6 – вентилятор, 7 – электродвигатель, 8 – пористая шламоприемная камера, 9 – корпус

шламоуловителя, 10 – насос для забора раствора ПАВ, 11 −съемный контейнер для сбора разрушенной

породы, 12 − зумпф для сбора раствора ПАВ

В отличие от существующих в предлагаемой схеме используется эжекторный отвод пены

из скважины совмещенный с циклоном для принудительного отделения газовой фазы от

твердожидкой смеси.

Поскольку газовая фаза может включать в себя определенное количество неразрушенной

газожидкостной промывочной смеси, несущей коллоидные частички породы, применяется отсос и

отвод этой смеси в шламоулавливающее устройство. Внутри него удерживается мелкий шлам.

Далее воздух выводится в окружающую среду. Шлам из циклона сбрасывается в

специальный пористый контейнер. Жидкость, содержащая ПАВ, вытекает в зумпф, из которого

она откачивается центробежным насосом в зумпф циркуляционной системы. Шлам легко

извлекается из камеры зумпфа в специальном контейнере через люк. Полученный шлам может

быть использован для порейсового отбора проб проходимых пород и для ликвидации скважин.

Яковлев А. А., Турицына М. В. / НауковіпраціДонНТУ. Серія«Гірничо-геологічна». Вип. 14(181). 2011 р. С. 186–190

Предлагаемая система обеспечивает лучшие экологические условия, по сравнению с

существующими циркуляционными системами, исключая загрязнение окружающей среды;

облегчает отбор порейсовых проб пород при низком выходе керна; уменьшает расход

дорогостоящих ПАВ и воды, тем самым, снижая стоимость буровых работ.