Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Восходящий поток бурового раствора, транспортируя частицы шлама от забоя до устья, одновременно выполняет и другую важ­ную задачу —■ глинизирует стенки необсаженного ствола сква­жины. Эта задача выполняется за счет способности бурового рас­твора под воздействием избыточного давления отфильтровать жидкую фазу в поры или трещины горных пород. Взаимосвязь ос­новных факторов, характеризующих это явление определяется за­коном Дарси, согласно которому скорость фильтрации w npondp — циональна градиенту давления Ap/AL:

k Ар

w=— — f, (IX.57)

р A L

где k — коэффициент проницаемости; ц — динамическая вязкость.

Коэффициент проницаемости k характеризует свойства пори­стой среды и показывает, как велика способность этой среды про­пускать жидкость и газы.

По аналогии с трубной гидравликой можно предположить (по И. А. Парному) существование зависимости

Ар я w2 р

И = (1Х’68)

Й

где Яф=Аф/Кеп; Аф — некоторое число, постоянное для данной пористой среды.

Если Хф = const, а п= 1, то режим течения ламинарный и закон Дарси соблюдается. При пФ 1 наступает переходный режим, а затем турбулентный, для которых закон Дарси теряет свою силу. В этом случае зависимость для Хф проще всего выразить двучлен­ной формулой типа

где А и В — некоторые постоянные.

Параметр Рейнольдса для условий фильтрации определяется по обычной формуле, но вместо диаметра подставляется некото­рый линейный размер а, являющийся геометрической характери­стикой пористой среды:

„ дара..

Re = —— . (IX.59)

Ц

Логичнее всего этот линейный размер а определять через гидравлический радиус, но выбор наиболее рациональной фор­
мулы для определения самого гидравлического радиуса в усло­виях пористой среды является задачей, до сих пор окончательно не решенной. Не вдаваясь в детали, в качестве примера приведем лишь две наиболее известные формулы для определения парамет­ра Рейнольдса в условиях движения жидкости в пористой среде. Одна из них

• 10 wl/k ‘

Re = ——— —————- р

предложена В. Н. Щелкачевым и содержит в качестве линейного размера величину ]/&, т. е. корень квадратный из значения прони­цаемости, что по размерности соответствует длине. При таком определении а критическое значение числа Рейнольдса находится в интервале l<ReKp< 12. ‘

Несколько иначе выглядит формула М. Д. Миллионщикова:

1 /~ k

I/ —р

Re

У т

Здесь a—yk/m, а критическое значение числа Рейнольдса нахо­дится в интервале 0,022<ReKP<0,29.

Задача намного усложняется, если в пористой среде движется вязко-пластичная жидкость.‘.Как было установлено Р. И. Шищен­ко и Б. Д. Баклановым, в Этом случае под влиянием разности давления Ар между пластом и вязко-пластичной жидкостью по­следняя начинает фильтровать в пласт только при условии, что имеющийся перепад Ар на некоторой длине I будет в состоянии преодолеть сопротивление начального сдвига то.

Опираясь на результаты своих исследований, Б. И. Султанов представляет закон Дарси для случая фильтрации вязко-пластич­ной жидкости в виде 4

— к’р Ак’ V, рх. ео,

1ц VK л ’

где k — проницаемость пористой среды при фильтрации вязко­пластичной жидкости; kB — воздухопроницаемость; А — постоян­ный коэффициент, значение которого из опытов на маслах «вапор» и «брайтсток» получено равным 1,66-Г0~2.

Если размеры пор соизмеримы с размерами частиц суспензии, то в этом случае при контакте с пористой средой на ее границе образуется корка из отфильтрованных глинистых частиц, которая сравнительно быстро уплотняется и препятствует проникновению бурового раствора и даже его фильтрата в поры пласта. Фильтра­ция в этом случае лимитируется проницаемостью корки (прони­цаемость нормальной глинистой корки изменяется от 1 до 50X X I О-6 мкм2), которая зависит от свойств раствора. При наличии корки внутреннее давление жидкости в скважине поддерживает

ее стенки от обрушения и не дает возможности флюидам попадать в скважину. ‘

100	—
f~50 —		^1 |
	‘S 1.	1 1 1 II
	, 60 ‘ “1»	120 180 200 ..►{ Время, мин

£

°Q

s А,4 A«.

Рис. 56. График для определения динамической водоотдачи: [V^ = at+b a={Vi.—b)lti]

Способность глинистого раствора отфильтровывать воду в со­стоянии покоя называется статической водоотдачей (В), которая измеряется количеством отфильтровавшейся из раствора жидко­сти в миллилитрах за 30 мин под действием перепада давления 0,0981 МПа при температуре 20 °С с площади фильтрата 44 см2. Однако в реальных условиях бурящейся скважины буровой раствор все время находится в движении и фильтрат проника­ет в пласт при наличии осево­го потока при соответствую­щем гидродинамическом дав­лении. Такую водоотдачу на­зывают динамической (Уд).

Наиболее обширные и интерес­ные исследования, посвящен­ные изучению динамической фильтрации, выполнены

У. Д. Мамаджановым [40].

В частности, им было показано, что в динамических условиях су­ществует совершенно иной механизм отделения воды от раствора, что в принципе отличает динамическую водоотдачу от статической. Для динамической водоотдачи характерны два участка, из которых первый связан с формированием глинистой корки, а второй соот­ветствует динамическому равновесию между водоотдачей и ростом толщины корки. Динамическая водоотдача оценивается тангенсом угла наклона второго участка водоотдачи к оси абсцисс (см. рис.

56):

VR = ef+*. ‘ (IX.61)

Замечено, что с увеличением скорости осевого потока в коль­цевом пространстве водоотдача возрастает, а толщина глинистой корки уменьшается. Однако динамическая водоотдача зависит не столько от толщины корки, сколько от ее проницаемости.

При помощи специально созданной аппаратуры [40] удалось установить, что динамическая фильтрация сопровождается фор­мированием весьма тонкого пристенного слоя, который примыкает непосредственно к глинистой корке. Между этим пристенным сло­ем и основным потоком бурового раствора образуется второй слой, в котором концентрация твердой фазы примерно на 4 % ниже, чем в основном потоке. Таким образом, по У. Д. Мамаджа — нову, поток бурового раствора, движущегося в трубе с проницае­мыми стенками, состоит как бы из трех частей: пристенного

слоя; слоя, обедненного твердой фазой, и основного потока, дви­жущегося в центральной зоне. При этом пристенный слой течет со значительно меньшей скоростью, чем основной поток, который как бы скользит по кольцу пристенного слоя.

В зависимости от содержания химических реагентов, концен­трации твердой фазы и других факторов из пристенного слоя мо­жет выделяться водный слой, который контактирует с глинистой коркой. Этот слой получил название прозрачного слоя. Для его формирования необходимы определенные критические скорости потока, величина которых обусловлена многочисленными факто­рами. В тех случаях, когда прозрачный слой не образуется, то непосредственно к корке примыкает слой с пониженной концен­трацией твердой фазы (или «слой, обогащенный водной фазой раствора»), который течет также с небольшой скоростью.

С появлением пристенного слоя начинается вторичное, хотя и медленное нарастание глинистой корки, а также утолщение про­зрачной части пристенного слоя1. Если пристенный слой исчезает, прекращается и динамическая водоотдача, отсюда вывод, что в условиях динамической, водоотдачи фильтрат отделяется за счет пристенного слоя.

Замечено, что при больших скоростях (v^2 м/с) образование пристенного слоя возможно и в трубах, не имеющих проницаемых стенок. .

По утверждению У. Д. Мамаджанова, наличие прозрачного слоя (так же как и пристенного слоя без прозрачной. части) за­метно влияет на величину гидравлического сопротивления в тру­бах, особенно при значительных скоростях потока. Так, по дан­ным опытов [40], потери давления в трубах при наличии пристен­ного слоя и скоростях потока 2—3 м/с оказались на 30—40 % меньше расчетных, полученных по общеизвестным формулам гид­равлики. Однако столь большие скорости при обычных условиях бурения не существуют в силу чего вопрос об образовании при­стенного слоя и об его влиянии на гидравлические сопротивления на сегодняшнем этапе развития техники и технологии бурения имеет ,в основном теоретическое значение. .

Несколько иначе происходит процесс фильтрации в трещино­ватых пластах. Так, например, в работе [41] установлено, что с увеличением раскрытое™ трещин (при одном и том же перепаде давления) глубина проникновения растет, причем тем больше, чем меньше вязкость и плотность раствора. В то же время при раскрытое™ трещин больше 0,5 мм и перепаде давления 0,078 МПа глубина проникновения раствора не ограничена и прак­тически не зависит от его типа.

Установлено также, что при движении раствора в трещинах происходит разделение фаз, т. е. переход связанной воды в сво­бодное состояние. При этом интенсивность перехода тем выше, чем меньше раскрытое™ трещины. Особенно четко данное явление наблюдается в химически необработанных растворах. Поскольку растворы в ‘трещинах находились при определенных перепадах давления, то авторы работы [41] данное разделение фаз, связан­ное с водоотдачей, относят к процессу, аналогичному коркообра — зованию на стенке скважины. ^

Обнаружено, что через глинистые корки могут протекать осмо­

тические[20] процессы. С этой точки зрения глинистые корки явля­ются, пользуясь терминологией А. А. Свиридова и В. И. Рябченко [59], анизотропными гетеродисперсными сжимаемыми несовер­шенными, осмотическими перегородками. Разделяя пластовые и буровые растворы, глинистые корки тем самым играют роль мем­бран, пропускающих сквозь только растворитель. В процессе дви­жения частиц растворенного вещества может возникнуть особого рода давление, называемое осмотическим. Многочисленными опы­тами доказано, что при этом растворитель движется в направле­нии выравнивания осмотического давления двух растворов, т. е. диффундирует через перегородку от раствора с меньшей концен­трацией к раствору с большей концентрацией. Таким образом, осмотическое давление может рассматриваться как избыточное гидростатическое давление раствора, препятствующее диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку. Оно обуслов­лено различием значений химического потенциала растворителя по обе стороны мембраны. В общем случае осмотическое давление л определяется из формулы Вант-Гоффа:

. я = cRT,

где — газовая постоянная; Т—абсолютная температура; с — концентрация раствора, моль/л; c — nlV, причем п — число молей растворенного неэлектролита; V — объем раствора, л.

Осмотическое давление растворов может достигать значитель­ных величин; например, для морской воды оно составляет около 2,8 МПа? Поэтому в настоящее время осмотическое давление рас­сматривается как одна из возможных причин нарушения устойчи­вости пород приствольной зоны скважины и связанных с этим осложнений. Указанное обстоятельство побуждает к более деталь­ному исследованию явления, связанного с осмотическими перето­ками и распределением давления за глинистой коркой.

Одна из таких работ была выполнена в АзНИПИнефти на экспериментальной установке, моделирующей условия бурящейся скважины [60]. В результате проведенных опытов было обнару­жено, что стабилизация осмотических процессов может происхо­дить не только за счет выравнивания концентраций солей по обе стороны глинистой корки, но и за счет того, что со временем глина теряет свои свойства полупроницаемое™, причем в динами­ческих условиях быстрее, чем, в статических. ■

В динамических условиях интенсивность процесса осмотиче­ского перетока (во времени) выше, чем в статических условиях, хотя время стабилизации при циркуляции всегда меньше, чем без нее!

Весьма важным является вывод о том, что влияние осмоса на целостность стенок скважины зависит как от его направления, так и от типа пород, слагающих стенки, а также от степени мине­рализации пластовых вод бурового раствора. Наглядное представ­ление о характере проявления осмотических процессов в скважине с учетом всех возможных сочетаний пластовых и гидростатических давлений (при условии, что максимальное значение перепада дав­лений не превышает осмотического давления), а также о степени минерализации пластовых вод и бурового раствора дает таблица, составленная авторами работы [60] на основе своих эксперимен­тальных данных. Упрощенный вариант такой таблицы представ­лен ниже (табл. 25).

Таблица 25 Соотношение величин ссясп Рс и РП Направление действия осмоса Возможные осложнения £с==Сп Рс=Рп Рс>Рп Рс<Рп Осмотическое равновесие Не ожидаются Рс=Рп Рс>Рп Рс<Рп Из пласта в скважину Не ожидаются, но возможно образова­ние каверн сс<сп Рс=Рп Рс>Рп Рс<Рп Из скважины в пласт В зависимости от свойств пород воз­можны сужения ствола, затяжки и при­хваты бурильного инструмента, потеря ствола и т. п.

Примечание. рс, рп — гидростатическое и пластовое давления; сс, сд — минера­лизации бурового раствора и пластовых вод.

Дальнейшими исследованиями [67] было, установлено, что» степень проявления осмотического эффекта зависит не только от минерализации пластовых вод и бурового раствора, но и от физико-химических особенностей бурового раствора и пласта, с которым он взаимодействует, от водоотдачи бурового раствора, влажности породы и т. д.

Протекающие через’ глинистые корки осмотические процессы изменяют перепад гидростатического давления в приствольной зо­не скважины пропорционально времени существования глинистой корки. 13 случае отсутствия корки перепад давления выражается разностью

Ар = Рс — Рп-

При наличии же глинистой корки общий перепад давленияе определяется из зависимости

Ар’ = рс — рк» .

Где рк — среднее давление в корке.

Величина рк может быть выражена как часть гидростатиче­ского давления, для чего достаточно ввести некоторый коэффи­циент (5, который может изменяться во времени. Тогда

Рк = Р(0Рс и Др’ = рс — Р^Рс-

Следует иметь в виду, что значение динамического пластового давления за глинистой коркой первоначально увеличивается ин­тенсивно, а затем остается почти постоянным. При этом повы­шение давления в основном зависит от соотношения проницае­мостей породы и глинистой корки (kn/k,;) и практически мало зависит от толщины корки, водоотдачи и статического напряже­ния сдвига бурового раствора [46].

Нельзя не отметить, что как аналитическое, так и экспери­ментальное решение задач, связанных с изучением осмотических явлений, происходящих в реальных скважинах, сопряжено с боль­шими трудностями и поэтому осуществляется сравнительно мед­ленно. Что касается изучения влияния ка процессы фильтрации осмотических перетоков и глубинной температуры, то об. этом пока имеются самые незначительные сведения. Но и на основании имеющихся данных можно говорить о существенном влиянии тем­пературы на все эти процессы. Так, например, в работе [60] экс­периментальным путем было определено, что с увеличением температуры интенсивность осмотических процессов во времени растет, а время стабилизации уменьшается. Г. П. Бочкаревым,

С. 3. Зариповым было найдено, что температура, при которой происходит фильтрация, в гораздо большей мере влияет на филь­трационные свойства глинистых растворов, чем перепад давления; при этом динамическая водоотдача растворов, как правило, уве­личивается, что необходимо иметь в виду при решении соответ­ствующих задач практического характера.

Весьма важным вопросом, связанным с движением восходя­щего потока бурового раствора, является его тепловое взаимо­действие со стенками необсаженного ствола скважины. Темпера­тура и гидродинамическое давление, многократно изменяясь в зависимости от тех или иных операций, проводимых в скважине, могут вызвать в конце концов усталостное разрушение горных пород, и привести к серьезным осложнениям. Однако исследова­ния, предпринятые В. В. Булатовым; Ф. Г. Фараджаевым с со­авторами; Б. В. Байдюком и Р. С. Яремийчуком; Т. Б. Малачи- хановым и Г. А. Матаевым; Н. И. Ягубовым и др., показывают, что вопрос изменения прочности ствола под воздействием указан­ных факторов очень сложен и предста! вляет собой, по сути дела, самостоятельную проблему, выходящую за рамки термогидрав­лики.

Комментарии запрещены.