ВОДООТДАЧА И ТОЛЩИНА ФИЛЬТРАЦИОННОЙ КОРКИ
Под водоотдачей В (фильтрацией) понимается способность промывочной жидкости отфильтровывать жидкую фазу в породу под действием избыточного давления в скважине. Процесс водоотдачи сопровождается образованием фильтрационной корки.
Сущность водоотдачи сводится к следующему. Все горные. породы — в той или иной степени пористые и трещиноватые. Вскрытие горных пород скважиной сопровождается проникновением в поры и трещины промывочной жидкости. При этом частицы твердой фазы не проникают в глубь массива горных пород на большие расстояния, а отлагаются в устьях пор и трещин и образуют сплошную пленку, пронизанную тончайшими капиллярами. Размеры этих капилляров таковы, что через них фильтруется только вода. Частицы твердой фазы группируются вокруг каналов фильтрации и постепенно уменьшают их сечение. Так, на стенках скважины образуется фильтрационная корка. По мере ее утолщения сопротивление прохождению через нее жидкой фазы возрастает и скорость фильтрации снижается. Величина водоотдачи определяется свойствами фильтрационной корки, образуемой данной промывочной жидкостью.
Рис. 20. Схема образования фильтрационных корок:
А — тонкой корки при качественном глинистом растворе; Б — Толстой корки при некачественном глинистом растворе; белые кружки обозначают грубые частицы, точки — коллоидные частицы, породы стенок скважины заштрихованы
Скорость образования и толщина корки различны и зависят от ряда факторов, в том числе от качества промывочной жидкости. Высокодиспергированные растворы образуют, как правило, тонкие, но плотные корки, фильтрация воды через которые со временем приближается к нулю. Грубодисперсные, низкокачественные нестабильные растворы образуют толстые, рыхлые и неплотные корки с устойчивыми размерами капилляров, через которые продолжает протекать вода. Такие растворы характеризуются высокой водоотдачей.
Схема образования фильтрационных корок показана на рис. 20.
Фильтрационная корка характеризуется толщиной и липкостью. Толстая рыхлая корка уменьшает диаметр скважины, приводит при выполнении спуско-подъемных операций к образованию пробок и затяжкам бурильного инструмента, к росту перепадов давления на стенки скважины. Липкая корка (даже тонкая) — плотная и может привести к прихвату бурильного инструмента, особенно при бурении глубоких наклонных скважин. При нормальных условиях бурения толщина фильтрационной корки не должна превышать 2 мм.
В процессе бурения вода в поры и трещины горных пород отфильтровывается при циркуляции раствора. Динамическая фильтрация воды из промывочной жидкости происходит в два этапа. На первом этапе наблюдается нарастание фильтрационной корки, на втором этапе прекращается рост толщины фильтрационной корки и скорость фильтрации стабилизируется в связи с наступлением динамического равновесия процесса.
Описанный механизм водоотдачи сопровождается физико-химическим изменением горных пород в прискважинной зоне. Глубина и характер этих изменений определяются видом горных пород и химическим составом дисперсионной среды промывочной жидкости. Поэтому ограничение водоотдачи имеет большое значение, особенно при бурении в пористых, рыхлых и нарушенных породах. Повышение температуры приводит к росту водоотдачи и толщины фильтрационной корки. Характер влияния температуры на водоотдачу глинистого раствора показан на рис. 21. Растворы с высокодиспергированной твердой фазой подвержены влиянию температуры в меньшей степени.
Рис. 21. Зависимость глинистого раствора Рис. 22. Зависимость механической от температуры скорости бурения от водоотдачи
промывочной жидкости
При увеличении давления в скважине неоднозначно изменяется водоотдача. Фильтрационные корки ряда промывочных жидкостей, например глинистых растворов, обработанных некоторыми реагентами, при увеличении давления могут уплотняться, что приводит к уменьшению водоотдачи. Увеличение последней положительно сказывается на механической скорости бурения. При повышенной водоотдаче фильтрат быстрее проникает в породу забоя, снижая ее прочность. Более интенсивно выравнивается поровое давление в породах до гидростатического в скважине. С ростом водоотдачи особенно эффективно увеличивается механическая скорость бурения в глинах. Влияние фильтрации промывочной жидкости на механическую скорость бурения приведено на рис. 22. Однако возможность приведенных выше осложнений обусловливает необходимость уменьшения водоотдачи.
Существующие приборы для измерения водоотдачи делятся на работающие под давлением и работающие под вакуумом. Первые подразделяются на приборы, измеряющие статическую водоотдачу, и приборы, измеряющие динамическую водоотдачу (в процессе циркуляции над фильтром). Последние сложны и пока используются лишь в научных исследованиях.
К наиболее распространенным в практике разведочного бурения приборам относятся ВМ-6 и ВГ-1М, в которых водоотдача измеряется в статическом состоянии при перепаде давления 0,1 МПа. За показатель фильтрации принимается количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр площадью 28 см2 за 30 мин.
Прибор ВМ-6 имеет две конструкции. Первая (рис. 23, А) Состоит из трех основных узлов: напорного цилиндра с плунжером, фильтрационного стакана и плиты с кронштейном. В фильтрационном стакане между собственно стаканом 5 и его поддоном 9, Соединенными на резьбе, в специальной кольцевой выточке зажимается металлический корпус фильтра 7, На который при измерении укладывают смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги 6. С помощью винта 11 Клапан 10 С резиновой прокладкой 5 прижимают к нижней стороне корпуса фильтра, перекрывая таким образом каналы фильтрации.
Фильтрационный стакан в собранном виде устанавливают в кронштейн 13 И заливают в него испытуемую жидкость 14. На резьбу горловины стакана 5 Навинчивают напорный цилиндр 3 С чашкой в нижней части и проверяют, перекрыт ли дроссельный кран 4. После этого в цилиндр 3 Заливают масло 15, Устанавливают на цилиндр плунжер 1 с грузом 2 И, выпуская лишнее масло с помощью дроссельного крана 4, Совмещают нулевое деление шкалы прибора с риской в верхней части цилиндра. Затем открывают клапан 10 И включают секундомер.
Под действием давления от веса плунжера через фильтровальную бумагу и постепенно образующуюся на ней фильтрационную корку из промывочной жидкости отфильтровывается жидкость, стекая через отверстия в поддоне 9. По мере отделения фильтрата объем раствора уменьшается — и плунжер с грузом медленно опускается вниз. Через 30 мин по шкале и риске на цилиндре 2 Фиксируют объем отфильтрованной жидкости в см3.
Не всегда удается совместить нулевое деление с риской. В этом случае записывают показание на шкале против риски, принимая его за нуль, и из полученного значения водоотдачи вычитают число, принятое за нуль.
После взятия отсчета открывают дроссельный кран 4, Выпускают остатки масла из цилиндра 3. Затем при открытой игле вынимают плунжер из цилиндра, отвинчивают цилиндр и сливают масло из чашки в подготовленную емкость. Вынув из кронштейна фильтрационный стакан, выливают из него остатки жидкости и масла и разбирают, извлекая фильтр с образовавшейся фильтрационной коркой. Осторожно смыв с фильтрационной корки промывочный раствор, измеряют ее толщину погружением стальной линейки.
По окончании разборки все детали прибора тщательно промывают, протирают и прибор собирают.
В комплект прибора входит баллончик для масла и ванночка 12 Для сбора фильтрата. Последняя при измерении водоотдачи устанавливается под отверстиями поддона.
Модификация прибора ВМ-6 (рис. 23, Б) Отличается устройством нижней части. Изменена конструкция поддона 7, который приобретает функцию опорной части прибора. Поддон в нижней части имеет кольцевые канавки, соединенные сквозным отверстием с чашей. Отверстие перекрывается пробкой 6, Играющей роль запорного клапана.
При сборке фильтрационного стакана на поддон 7 укладывается смоченный кружок фильтровальной бумаги 9, На который укладывается кольцевая резиновая прокладка 8, После чего навинчивается до упора собственно стакан 5. Затем отверстие перекрывается пробкой 6, И узел готов к работе. Остальные операции аналогичны операциям при работе с прибором описанной выше конструкции.
Максимальная водоотдача, которую можно измерить непосредственно на приборах ВМ-6, составляет 40 см3 за 30 мин. Для того чтобы можно было измерить больший показатель, к прибору прилагаются бланки с двойной логарифмической сеткой (рис. 24). Зависимость водоотдачи от времени на такой сетке выражается прямой линией. Измерив водоотдачу через более короткие отрезки времени, например 2 и 5 мин, и отложив соответствующие точки на графике, можно провести через эти точки прямую и продолжить ее до пересечения с ординатой, соответствующей 30 мин. Точка пересечения дает водоотдачу за 30 мин.
Толщина и качество фильтрационной корки при таком методе определения не являются показательными. Этот метод используется и для ускорения измерения водоотдачи. При этом для большей надежности делают три-четыре измерения, например через 1, 2, 3 и 5 мин.
Водоотдачу, лежащую за пределами шкалы измерений прибора, можно определить и расчетным путем. Решение уравнения фильтрации жидкости при переменной толщине фильтрационной корки приводит к выводу, что количество отфильтровавшейся жидкости V За время T Определяется равенством
V = аT1/2, (III.21)
Где А — коэффициент, учитывающий свойства фильтрационной корки и вязкость дисперсионной среды.
Приведенное уравнение позволяет вычислить водоотдачу промывочного раствора за любой промежуток времени, если известна его величина за любой другой промежуток:
С помощью прибора ВМ-6 можно определять содержание газа (воздуха) в структурированной промывочной жидкости. Для этого плунжер прибора закрывается изнутри пробкой, отделяющей воздух, находящийся в штоке, от исследуемой промывочной жидкости. На собранный для измерения водоотдачи прибор накладывается груз массой G. В результате сжатия газа плунжер опускается на определенное число делений П. Содержание газа V2 (в %) в промывочной жидкости вычисляют по формуле
V2 =1,05(4/G+1)N. (III.23)
Водоотдачу промывочных жидкостей, содержащих газ (воздух), и объем газовой фазы (в %) определяют в условиях бурения на приборе ВГ-1M (рис. 25). Прибор имеет удлиненные по сравнению с прибором ВМ-6 плунжер и цилиндр, а также шкалу, разделенную на две части: нижнюю — для измерения содержания газа, верхнюю — для измерения водоотдачи. Шкала перемещается в вертикальном направлении с помощью винтов, что необходимо для установки на нуль по шкале «газ».
Сначала определяется содержание газа. Плунжер, сжимая пробу раствора с газом, опустится. Деление шкалы «Газ», остановившееся против отсчетной риски на верхнем крае втулки цилиндра, укажет процентное содержание газа в исследуемом растворе. Отсчет по шкале надо брать сразу же после остановки груза-шкалы.
После измерения количества газа в растворе определяют водоотдачу. Спуская избыток масла с помощью дроссельного крана, совмещают нулевое деление на шкале «Водоотдача» с отсчетной риской на втулке цилиндра, открывают клапан и через 30 мин берут отсчет.
Вакуумный способ измерения применяется в стационарных лабораториях. Преимущества его — более благоприятные условия измерения и возможность исследования стабильных аэрированных жидкостей. Схема вакуумной установки показана на рис. 26. Установка состоит из вакуумного насоса 9, Вакуумного манометра 8, Колбы 1, соединенной с вакуумным насосом шлангом 3 Со стеклянным краном 4. Внутрь колбы помещается градуированная пробирка 2 Для сбора фильтрата, в верхней части колбы с помощью резиновой пробки 5 с отверстием установлена воронка Бюхнера 7.
|
Рис. 27. Прибор ПВД-8 |
Водоотдачу измеряют следующим образом. На перфорированную часть воронки Бюхнера помещают два смоченных кружочка фильтровальной бумаги 6, Диаметр которых равен внутреннему диаметру цилиндрической части воронки. При включении на короткое время вакуумного насоса фильтровальная бумага присасывается к воронке. Перекрыв кран 4, Включают вакуумный насос и заливают в цилиндрическую часть воронки испытываемую жидкость. По достижении максимального разрежения открывают кран и включают секундомер. Через 30 мин перекрывают кран, снимают воронку 7, достают пробирку и измеряют объем фильтрата.
В скважине процесс отфильтровывания жидкой фазы происходит при более высоких давлениях, чаще в динамических условиях. Приборы для определения водоотдачи в динамических условиях сложны и используются пока только в хорошо оснащенных лабораториях для научных исследований. Схема такого прибора (ПВД-8) показана на рис. 27.
Прибор работает следующим образом. Раствор из нагнетательной линии через кран 1, фильтр 3 И открытую задвижку 2 Поступает в кольцевое пространство, образованное корпусом 4 И фильтром 5. Площадь цилиндрической поверхности фильтра 5 Равна площади фильтра стандартного прибора ВМ-6. Отфильтрованная жидкость, преодолевая сопротивление пружины редукционного клапана 6, Стекает в измерительный цилиндр 7. Циркулирующая жидкость через распределительную муфту 8 Удаляется из системы. Давление контролируется манометром 9. Прибор позволяет измерять водоотдачу при перепаде давления до 15 МПа и скорости циркуляции промывочной жидкости, равной скорости подъема раствора в кольцевом пространстве скважины.