-  обеспечение эффективного охлаждения  породоразрушающего инструмента;

   - обеспечение повышения механической  скорости бурения за счет невысокой  плотности промывочного агента  и проявления эффекта Ребиндера  при использовании ПАВ;

   - обеспечение снижения аварийности  работ за счет повышения работоспособности  бурильного вала, связанной с вибрациями и трением о стенки скважины;

   - обеспечение нерастепления стенок  скважины при работе в условиях  многолетнемерзлых пород;

   - обеспечение экономии промывочной  жидкости;

   - обеспечение экологической безопасности  работ.

     Кольматационные свойства пены, определяющие ее способность укреплять стенки скважины и блокировать поры и трещины, связываются с образованием на стенках скважины тонких пленок, обладающих прочностью и упругостью , а наличие мелких пузырьков воздуха приводит к образованию в трещиноватой породе зоны малой водопроницаемости . Однако, механизм процесса кольматации авторами не раскрывается. Более детально это явление рассмотрено в. Установлено, что в сочетании с соответствующими наполнителями пены представляют собой прекрасный тампо-нажный материал. Это тем более ценно, что на устранение поглощений промывочной жидкости часто затрачивается значительное количество материалов и теряется до 10% рабочего времени .

     Основными факторами, определяющими выносную способность пены, являются ее реологические свойства и скорость восходящего потока. Установлено, что выносные свойства пены в среднем в 10 раз выше, чем у воды. При этом скорость потока обычно значительно ниже, чем при бурении с водой, и может составлять от 0,2 до 3 м/с, обеспечивая при этом полную очистку от шлама. Отмечается, что эффективность выноса обломочного материала не снижалась даже при концентрации шлама до 929 кг/м3.

     Низкая  теплоемкость пены создает определенные сложности при обеспечении достаточного охлаждения породоразрушающего инструмента, и в частности, алмазных коронок. Этот вопрос многократно исследовался применительно к различным условиям бурения и конструкциям коронок. Его решение было обеспечено созданием определенных расчетных характеристик газожидкостной смеси и конструкцией коронок.

     При бурении плановых скважины было установлено, что использование пен существенно  снижает количество аварий, связанных  с обрывами бурильных труб. В настоящее  время считается признанным, что  колонна бурильных труб в скважине имеет сложную пространственную форму и в общем случае в результате взаимодействия со стенками может одновременно вращаться вокруг своей оси и вокруг оси скважины. Трение о стенки скважины вызывает дополнительные вибрации, приводит к увеличению крутящего момента и усилий при подъеме и спуске колонны бурильных труб. В процессе промышленных испытаний было установлено, что поверхностно-активные вещества значительно снижают коэффициент трения в растворах, однако количественная оценка этого показателя зависит от многих причин и разными исследователями трактуется неодинаково. Тем не менее, при проведении промышленных испытаний, несмотря на очень низкую концентрацию ПАВ было подтверждено значительное, в десятки раз, снижение количества обрывов КБТ в условиях различных регионов и различных условий бурения.

     Плотность пен зависит от газосодержания и  может изменяться от 0,9 до 0,02 г/см3, то есть значительно снижать гидростатическое давление на забой. По данным при использовании  пены происходит интенсивная очистка  забоя от шлама гидродинамической  силой потока в сочетании с эффектом флотации.

     Весьма  малая теплоемкость пен делает рациональным их применение с целью предупреждения растепления многолетнемерзлых  пород. Примером может служить разработка американскими учеными технологии проводки скважин на акваториях Северного Ледовитого океана, а также успешное бурение разведочных скважин отечественными учеными и производственниками в зонах многолетнемерзлых пород в Норильском районе и в Якутии. Успешное бурение в условиях многолетнемерзлых пород обеспечивается подбором химреагентов, препятствующих замерзанию пены, а также незначительным количеством воды, входящей в состав газожидкостной смеси.

2.3. Особенности циркуляционных  процессов при  бурении с ГЖС

     Для эффективной очистки скважины в  процессе бурения требуется обеспечить дозированную подачу пены определенной морфологической структуры и химического состава. В этой связи особенно важно установить закономерности движения пены в бурильных трубах и по скважине с тем, чтобы обеспечить оптимальные режимы бурения и очистки от шлама при минимальных затратах мощности насосно-компрессорного оборудования.

     Наиболее  близки к пенам двухфазные системы  типа жидкость-газ, примером которых  могут служить аэрированные жидкости, применяемые при бурении нефтяных и газовых скважин.

     Аэрированная жидкость термодинамически неустойчива, так как обладает значительным запасом свободной поверхностной энергии. Пузырьки воздуха, насыщающие жидкость, имеют тенденцию к коалесценции, поскольку при этом общая свободная поверхностная энергия системы падает. При этом происходит сложное перераспределение давлений в нисходящей струе, где воздух проскальзывает навстречу потоку жидкости, и в восходящей струе, где направления движения пузырьков воздуха и жидкости совпадают.

     Наличие в составе пены поверхностно-активных веществ существенно изменяет ее структурные свойства и гидродинамику  по сравнению с аэрированной жидкостью. Добавление ПАВ снижает скорость проскальзывания воздушных пузырьков, при этом до диаметра 5...7 мм в растворах ПАВ скорость всплывания пропорциональна размерам пузырьков. Как показали исследования, от химического состава ПАВ скорость всплывания почти не зависит, зато изменение вязкости и концентрации раствора оказывает в данном случае большое влияние на поведение газовой фазы. Максимальная скорость всплывания наблюдается в дистиллированной воде, минимальная - в растворе поверхностно-активного вещества с добавками стабилизатора, например, КМЦ.

     В вертикальных потоках установлено  три основных структуры течения  газожидкостных смесей: эмульсионный, пробковый и стержневой (расслоенный). Естественно, что существуют переходные режимы и, соответственно, более дробные классификации. Так, D. Chisholm предлагает для характеристики потоков в вертикальных трубах: пузырьковую, вспененную, снарядную и кольцевую структуры. Во всех этих случаях потоки характеризуются различными относительными скоростями газовой и жидкой фаз и давлениями в трубопроводе.

     В восходящем потоке по мере уменьшения гидростатического давления объем  пузырьков увеличивается и развиваются процессы коалесценции. Средний диаметр пузырьков и общая скорость потока тоже возрастают. В случае низкой вязкости раствора ПАВ, а также чрезмерно низкой концентрации ПАВ, режим течения превращается в пробковый, сопровождаемый значительными колебаниями давления и пульсирующей циркуляцией газожидкостной смеси .

     В нисходящем потоке большую роль начинает играть истинное газосодержание, вязкость раствора и линейная скорость его  движения. В трубопроводах, сопоставимых с бурильными трубами диаметра 50 мм, ламинарное течение жидкости сохраняется до скорости 0,06...0,10 м/с, что соответствует расходу 0,004...0,007 м3/мин. Поскольку скорость всплывания пузырьков в растворе ПАВ составляет в среднем 0,10...0,15 м/с, т.е. практически равна критической скорости течения жидкости, при таком режиме циркуляции активизируются процессы слияния пузырьков с образованием воздушных пробок.

2.4. Способы получения  пен.

      Наиболее  распространен в промышленности диспергационный способ получения  пен, при котором пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха.

      Технологически  это осуществляется действием движущихся устройств (перемешивающих мешалок) на жидкость в атмосфере газа, эжектированием воздуха движущейся струей раствора, пропусканием струи газа через слой жидкости (в барботажных или аэрационных установках).

      При приготовлении и применении пен  необходимо учитывать следующие факторы:

      1) мыла жирных кислот имеют максимальную  пенообразующую способность при рН = 8+9;

      2) алкиларилсульфонаты обладают хорошей пенообразующей способностью при любых значениях рН, кроме рН > 12;

      3) пенообразующая способность ПАВ не изменяется при рН = 3+9;

      4) пенообразующая способность ПАВ увеличивается с повышением температуры до 90 °С;

      5) чем меньше поверхностное натяжение, тем выше пенообразующая 
способность;

      6) соли-жидкости подавляют пенообразование;

      7) полимерные реагенты-стабилизаторы повышают структурно-механические свойства пен.

      Приготовленную  пену нагнетают в скважину до полной очистки ее от глинистого раствора, воды и шлама.

     Для приготовления пены используются последовательно: компрессор, дозатор (один или два) с раствором ПАВ, пенногенератор или компрессор, дожимное устройство (бустер для повышения давления), насос для подачи раствора ПАВ. Иногда пену приготовляют без компрессора непосредственно в скважине. 

     Циркуляционная  система гораздо стабильнее при  использовании пены, чем аэрированного  бурового раствора. Крупный шлам может выноситься из скважины вместе с пеной при низкой скорости в затрубном пространстве. Для пены можно предусмотреть некоторую способность стабилизации сланца с использованием раствора хлорида калия и подходящего пенообразующего средства в составе пенообразующей суспензии. Основная рецептура такой суспензии приведена в Таблице 1. В эту рецептуру можно добавлять многие полимеры, обычно используемые в буровых растворах, что позволяет повышать качество пены.

Таблица 1 Рецептура приготовления стабильной пены для бурения сланца

Вода (пресная), барр. ................................. 0,75

Каустическая  сода, фунты .......................... 0,25

Хлорид натрия, фунты................................. 10,5

AQUAGEL® (предварительно  гидратированный), фунты ........................ 7,5

SURFLOTM S036, % по  объему....................... 1,0

Получается 1 баррель  суспензии.

3. Пеногасители

     Пеногасители - поверхностно-активные вещества, введение которых в буровой раствор препятствует нежелательному образованию пены или разрушает уже образовавшуюся пену. Пеногасители обладают более высокой поверхностной активностью, чем стабилизаторы пены, и поэтому вытесняют их с межфазной поверхности. Но при этом они не способны создать защитный барьер против слияния пузырей, и жидкая прослойка между пузырями легко прорывается. Для снижения ценообразования в буровые растворы часто добавляют технические продукты, содержащие высшие жирные спирты (например, сивушные масла), растворы окисленного парафина или мылонафта в жидком углеводороде, соапсток (отход масложирового производства), жидкие нелетучие сложные и простые эфиры разного состава. Эффективные пеногасители - кремнийорганические соединения (например, полиалкилсилоксановые жидкости в виде эмульсий). Применяют также твердые порошкообразные пеногасители (резиновую или полиэтиленовую крошку, гидрофобизированный кремнезем), обычно в смеси с жидким нефтепродуктом.

     Технология  вызова притока из пласта пенами с  использованием эжекторов состоит в приготовлении с помощью последних, насосного и компрессорного оборудования двухфазных пен, закачивании их в скважину для вытеснения воды и создании необходимой величины депрессии на забое за счет меньшей плотности пены и ее самоизлива. Она имеет свои особенности. Применение эжектора для приготовления пен позволяет использовать в качестве источников сжатого воздуха компрессоры пневматической системы буровых установок при кустовом и разведочном бурении. В качестве источников сжатого воздуха могут быть использованы передвижные компрессоры высокого давления. Применение эжектора при использовании компрессоров высокого давления позволяет упростить управление процессом приготовления и закачивания пены и повысить качество последней. 

4. Вопросы экологической безопасности работ при бурении с пеной

 

     Экологическая безопасность окружающей среды и  природоохранные мероприятия при  проведении геолого-разведочных работ  в настоящее время являются предметом  повышенного внимания, поскольку  при бурении осуществляется воздействие  непосредственно на природные объекты. В Российской Федерации принята экологическая доктрина, одобренная распоряжением Правительства от 31.08.2002 г. № 1225-р и учитывающая рекомендации Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро,1992 г.), а также последующих международных форумов по вопросам охраны окружающей среды и обеспечения устойчивого развития. Государственная политика Российской Федерации в области экологии направлена на сохранение природных систем, поддержание их целостности и функций для обеспечения экологической безопасности всей страны. Для этого требуется внедрение комплексного природопользования, которое включает, в частности, экологически обоснованные методы использования земельных, водных и минеральных ресурсов и минимизацию наносимого природной среде ущерба при разведке и добыче полезных ископаемых за счет внедрения ресурсосберегающих и безотходных технологий.

     Выходящая из скважины промывочная жидкость при  отсутствии системы отстойников  может загрязнять значительные территории вокруг буровой установки, а также естественные водоемы, нарушая экологическое равновесие. Попадание ПАВ в водоемы особенно нежелательно, поскольку для их окисления расходуется растворенный в воде кислород; некоторые ПАВ уже при концентрации SО₃ кг/м3 снижают на 15% скорость растворения кислорода в воде, а горький привкус в воде появляется при еще более низких концентрациях (0,3...0,4)^-10 кг/м . Рабочая концентрация ПАВ при бурении с пеной составляет 0.1-1% по активному веществу, и при стандартном расходе пенообразователя в пределах 8- 10 л/мин за 1.5 часа работы в скважину закачивается примерно 1 м³ раствора ПАВ. Некоторая часть молекул ПАВ вступает в реакцию с вмещающими породами, но основная масса - в виде десятков кубометров пены выносится на поверхность.