В процессе строительства скважин одной из проблем при разбуривании глинистых отложений долотами PDC является сальникообразование. Выбуренные глинистые частицы, адсорбируя воду из бурового раствора, становятся липкими. В результате адгезионного взаимодействия частиц глины с поверхностью металла на долоте образуется сальник, который может полностью «забить» долото, что приводит к прекращению процесса бурения (рис. 1). Кроме того, сальникообразование может происходить на колонне бурильных труб и элементах компоновки низа буровой колонны. В этих случаях образование сальника может привести к прихватам колонны бурильных труб или посадкам и затяжкам при проведении спускоподъемных операций (СПО).

Для профилактики сальникообразования в основном изменяют режим бурения (снижение осевой нагрузки на долото, увеличение расхода) или конструкцию бурового инструмента, но наиболее доступным способом является улучшение противоадгезионных свойств промывочной жидкости.
При прохождении долотом и элементами колонны бурильных труб пластичных пород, глинистые частицы взаимодействуют с металлической поверхностью. Для оценки способности бурового раствора оказывать сопротивление образованию сальника необходимо рассматривать процесс прилипания глины (пластичной породы) непосредственно к металлической поверхности в присутствии бурового раствора.
Наиболее часто используемые приборы для оценки смазывающих и противоприхватных свойств буровых растворов и добавок к
ним обеспечивают измерение параметров, которые недостаточно полно отражают процессы, происходящие при бурении. Например, в тестере смазывающей способности (Lubricity Tester производства Fann или OFITE) измеряется коэффициент трения в среде бурового раствора только пары «металл – металл». Однако при строительстве скважины основное трение происходит между буровым инструментом (металлом) и стенкой скважины (породой). В тестере дифференциального прихвата (Differential Sticking Tester, OFITE) для оценки свойств раствора используется контакт между металлической пластиной и фильтрационной коркой бурового раствора. Определение коэффициента трения в отечественном приборе КТК-2 также основывается на взаимодействии металлического цилиндра с фильтрационной коркой.
Перечисленные приборы могут помочь при оценке смазывающих свойств буровых растворов при разбуривании проницаемых пород. Однако для определения смазывающей (противоадгезионной) способности растворов при прохождении низкопроницаемых или пластичных пород эти приборы малоэффективны, поскольку в таких интервалах фильтрационная корка на стенке скважины практически не образуется.

Рис. 1. Сальникообразование на долоте

Сотрудниками Испытательной лаборатории буровых растворов (ИЛБР) ООО НПП «БУРИНТЕХ» совместно с конструкторами ООО НПП «РУБИН» разработан и изготовлен прибор для определения адгезии глины к металлической поверхности в среде бурового раствора – адгезиометр БР-1 (рис. 2), который позволяет оценить влияние различных добавок на противосальниковые свойства буровых растворов, адгезионное взаимодействие между выбуриваемой породой и поверхностью образца металла, из которого изготавливают долото
или другие элементы колонны бурильных труб, в среде бурового раствора [1].

Адгезиометр БР-1 оснащен рычажным прессом (см. рис. 2), с помощью которого моделируется процесс взаимодействия нагруженного долота с поверхностью породы в среде бурового раствора, а также электродвигателем, создающим усилие для отрыва образцов друг от друга. Цифровое измерительное устройство фиксирует силу отрыва после адгезионного взаимодействия.

Для проведения испытаний изготавливаются спрессованные глинистые и металлические образцы цилиндрической формы, которые имитируют соответственно выбуриваемую породу (шлам) и поверхность бурового инструмента. Металлический образец перед каждым испытанием обрабатывают хромовой смесью и ацетоном для исключения влияния ПАВ и других примесей, оставшихся на его поверхности при проведении предыдущих испытаний. Глинистый образец для каждого испытания изготавливается вновь.

 

Рис. 2. Адгезиометр БР-1:
1 – блок управления электродвигателем; 2 – электродвигатель; 3 – измерительное
устройство; 4, 5 – ячейка соответственно для запрессовки глинистого образца и
установки металлического образца; 6 – рычажный пресс

Работа с адгезиометром БР-1 осуществляется в следующем порядке:
– глинистый образец, имитирующий выбуриваемую породу, запрессовывают в ячейку 4 (см. рис. 2);
– металлический образец (модель поверхности долота) фиксируют в ячейке 5 (см. рис. 2);
– камеру между образцами заполняют буровым раствором и выдерживают образцы в течение некоторого времени (0; 0,5; 1; 5 мин и т.д.) в тестируемой среде без соприкосновения друг с другом (рис. 3, а);
– поверхности образцов приводят в соприкосновение с помощью рычажного пресса с удельной силой прижатия, равной примерно 170 Н/см2;
время контакта образцов под нагрузкой составляет 10 мин (см. рис. 3, б);
– образцы отрывают друг от друга с помощью электродвигателя и фиксируют усилие, приложенное для разрыва слипшихся образцов, с помощью цифрового измерительного устройства.

Рис. 3. Зона контакта образцов во время выдерживания в среде бурового раствора до нагружения (а) и во время приложения сжимающего усилия с помощью пресса (б):
1, 2 – образец соответственно спрессованный глинистый и металлический; 3, 5 – ячейка соответственно для глинистого и металлического образца; 4 – буровой раствор

В конструкции адгезиометра БР-1 обеспечивается постоянство силы прижатия образцов друг к другу и площади контакта между ними, что способствует минимизации погрешности измерений. Результаты, получаемые в ходе испытаний на адгезиометре БР-1, позволяют сделать заключение о способности буровых растворов и различных добавок к ним влиять на адгезионное взаимодействие между глиной (стенкой скважины, выбуриваемым шламом) и металлической поверхностью (элементами бурового инструмента), а также определить оптимальную концентрацию добавки к раствору, необходимую для снижения сальникообразования.

С помощью адгезиометра БР-1 можно оценить кинетику силы адгезии между контактирующими поверхностями после попадания частицы шлама в промывочный раствор. Построение зависимостей силы отрыва образцов друг от друга от времени гидратации дает возможность сравнить способность различных добавок оказывать сопротивление образованию сальника и выбрать наиболее эффективные из них (рис. 4).

Рис. 4. Типовые результаты испытаний на адгезиометре БР-1 (удельная сила прижатия глины к металлу – 175 Н/см2)

Лабораторные испытания различных смазочных добавок к буровому раствору на тестере смазывающей способности, тестере дифференциального прихвата и КТК-2 показали, что эти приборы могут значительно занижать коэффициент трения, но при испытаниях, проведенных на адгезиометре БР-1, было установлено, что не все образцы добавок оказывают значительное влияние на снижение силы адгезии глины к металлу, а в некоторых случаях приводят даже к увеличению адгезионного взаимодействия. Следовательно, оценка качества смазочной добавки только по коэффициенту трения является недостаточной. Необходим комплексный подход к испытаниям различных добавок, который учитывает не только антифрикционные, но и противоадгезионные свойства.

Методика изучения взаимодействия глинистых частиц и металла в среде бурового раствора на адгезиометре БР-1 позволяет разрабатывать промывочные растворы, обеспечивающие профилактику сальникообразования, ликвидацию прихватов, снижение трения бурового инструмента о стенки скважины, уменьшение гидратации глинистых пород их гидрофобизацией и др. На основе результатов испытаний на адгезиометре БР-1 в ИЛБР ООО НПП «БУРИНТЕХ» разработана и успешно применяется противоадгезионная добавка к буровому раствору, которая предупреждает образование сальника на элементах бурового инструмента при разбуривании пластичных пород. Промысловые испытания добавки проводились на различных месторождениях Западной Сибири [1, 2].

Выводы
1. При разработке буровых растворов для интервалов, в которых велика вероятность образования сальников, необходимо проводить дополнительные испытания с целью изучения способности раствора препятствовать образованию сальника.
2. Проведение испытаний на адгезиометре БР-1 позволяет оценить влияние буровых растворов и добавок к ним на адгезионную активность глин по отношению к металлической поверхности, а также степени обработки металлической поверхности на снижение адгезии глины.
3. Противоадгезионные добавки, эффективность которых подтверждена на адгезиометре БР-1, способствуют снижению вероятности образования сальников, а следовательно, исключению возможности прихватов при бурении, сокращению времени СПО, увеличению механической и коммерческой скоростей бурения при прохождении пластичных пород [2].

Список литературы
1. Христенко А.В. Обоснование химической обработки буровых растворов для предупреждения сальникообразования при разбуривании пластичных горных пород: дисс. на соиск.уч. степ. канд. техн. наук. – ООО НПП «БУРИНТЕХ», ГОУ ВПО УГНТУ, 2010.
2. Применение противоадгезионной добавки ОПТИБУР на Фестивальном месторождении Западной Сибири/Г.Г. Ишбаев, М.А. Тихонов, М.Р. Дильмиев [др.]//Бурение и нефть. – 2011. – № 4. – С. 40-41