ПОГЛОЩЕНИЕ ПРИ ВСКРЫТИИ ПЛАСТА С ПРОМЫВКОЙ водой
В практике бурения поглощение промывочной жидкости принят считать одним из наиболее часто встречающихся осложнении. В настоящей работе этот процесс рассматривается не как
27
осложнение при бурении, а как предвиденный заранее элемент, сопутствующий технологическому процессу вскрытия водоносных горизонтов, представленных рыхлыми отложениями, при бурении вращательным способом с применением воды в качестве промывочного агента. Использование воды позволяет сооружать гидродинамически более совершенные скважины по способу вскрытия пласта. Однако при этом процесс бурения неизбежно связан с поглощением промывочной жидкости, величина которого зависит от фильтрационных свойств вскрываемого пласта, избыточного гидростатического и гидродинамического давлений на пласт, а также от степени загрязнения воды продуктами разрушения проходимых пород.
Исследованиями, проведенными за последние 15—20 лет, выявлены основные причины, вызывающие поглощение, что позволило более конкретно оценивать этот процесс.
Ц. Гавотти рассматривает скважину и вскрываемый пласт как единую гидродинамическую систему. Фильтрацию жидкости через стенки скважины он рассматривает как нарушение равновесия между гидростатическим давлением жидкости в скважине и пластовым давлением [41].
К. Гетлин [23] считает, что потеря циркуляции происходит в том случае, когда поры породы настолько велики, что не закупориваются твердыми частицами глины и шлама, содержащимися в промывочном растворе. А. С. Шарутин и Б. И. Есьман [77] указывают, что интенсивность поглощения зависит от двух факторов: перепада давления в системе пласт—скважина и литологии поглощающего пласта. В процессе бурения и промывки на смену статическому равновесию приходит динамическое равновесие системы пласт — скважина, которое выражается следующим равенством:
Рст 4“ Рап = Рлл Н" Реп, (1-4)
где рСт — гидростатическое давление столба промывочной жидкости в скважине, кгс/см2; рки — падение напора промывочной жидкости в затрубном (кольцевом) пространстве при бурении, кгс/см2; рпл — пластовое давление, кгс/см2; рш — падение напора промывочной жидкости при движении в пласте, кгс/см2.
Перепад давления, т. е. избыточное давление на пласт, выражается формулой:
Р = Рст Рнп рпл> (1-5)
Т. е.
Р = Рсп — (1-5а)
Составляющая перепада давления в кольцевом пространстве выше зоны поглощения, обусловленная гидравлическим сопротивлением, для растворов, описываемых моделью Шведова —;
Бингама (вязкопластические среды), определяется зависимостью [47]
(1.6)
где То — предельное напряжение сдвига; Н — глубина поглощающего пласта; /?0 и /?бк — радиусы соответственно скважины и бурильной колонны.
Из формулы (1.6) следует, что зоны поглощения необходимо проходить растворами с небольшими значениями предельных напряжений сдвига и вязкости при увеличенном кольцевом зазоре между стенками скважины и бурильной колонной.
А. X. Мирзаджанзаде [47] отмечает, что геологофизическая сущность поглощения не везде одинакова. Поглощение возникает, если вскрытые скважиной породы обладают достаточно высокой гидропроводностью, а избыточное давление на пласт выше определенного критического значения, необходимого для преодоления гидравлического сопротивления движению жидкости в пласте.
Для определения величины дополнительного гидродинамического давления, вызванного преодолеванием инерции промывочной жидкости во время спуска бурового инструмента, Я — М. Расизаде предложил формулу
(1.7)
О,1192 у1 |
где — у — плотность раствора, г/см3; I — глубина скважины, м; £> и 4 — диаметры соответственно скважины и инструмента, см; Т — время, отсчитываемое с момента спуска свечи, с.
(1.8) |
В практике бурения нефтяных скважин замечено, что поглощение часто увеличивается при спуско-подъемных операциях. Исследователями предложен ряд формул для расчета давления на пласт при спуско-подъемных операциях. Н. А. Гукасов и
А. М. Пирвердян [29] предложили следующую формулу для расчета давления на пласт:
Ар = Д рг + фДр2,
где Др1 — давление, учитывающее вязкость раствора и скорость перемещения труб в скважине, кгс/см2; Др2 — давление, учитывающее предельное напряжение сдвига раствора, кгс/см2; ср — опытный коэффициент, зависящий от соотношения радиусов скважины и труб.
Для определения расхода промывочной жидкости при встрече поглощающего горизонта в бурении на нефть применяют зависимости, основанные на формуле Дарси — Вейсбаха. Условно •заменяя поры, трещины и каверны каналами с приведенным
диаметром (1, А. А. Гайворонский получил следующую зависимость:
(1.9)
Методика приближенного определения поглощающей способности пласта изложена в работе И. И. Рафиенко [58]. Обозначив
(1.10) |
1(2 _ ДО2
8 и ’
получим
SHAPE \* MERGEFORMAT
(1.11) |
к |
а
/дя ’
где 0, — расход промывочной жидкости, л/с; й — приведенный диаметр, мм; К — коэффициент трения; АН— напор, представляющий собой разность отметок статического и динамического уровней в скважине при закачке в нее промывочной жидкости объемом (2; К — коэффициент, характеризующий гидравлическое сопротивление поглощающего пласта, т. е. — размеры каналов, по которым происходит утечка жидкости из скважины.
Исходя из значений К, выделяют шесть категорий поглощений:
I категория — К= 1, IV категория — К=5-г-15,
п » — /с= 1-=-3, III * _/<=зч_5) |
у » _/(= 15-н25,
VI » —/(>25.
В зависимости от категории поглощения предлагаются различные меры борьбы с ним: для I категории — переход от бурения с применением воды на бурение с глинистым раствором; для II—IV категорий — применение быстросхватывающихся тампонажных смесей; для V—VI категорий — закачка в скважину инертных материалов и спуск обсадной колонны.
Приведенные выше уравнения позволяют дать количественную оценку поглощения и факторов, влияющих на него в частных случаях, причем не во всех: при промывке — формулы
(1.5), (1.6), при спуско-подъемных операциях— (1.7), (1.8), при поддерживании избыточного давления на пласт путем долива промывочной жидкости— (1.9).
На практике поглощение сопутствует прежде всего процессу углубки, когда на поглощающую зону одновременно воздействует множество факторов, из которых главными являются: избыточное гидростатическое давление, гидродинамическое давление, вызванное вращательным и поступательным (проработка) движением инструмента, перепад давления жидкости, зависящий от скорости движения ее в кольцевом пространстве, характеристика проходимых пород и промывочной жидкости, интенси*в-
ность удаления продуктов разрушения пород (шламовый режим).
Найти аналитическое решение столь многосложной задачи очень трудно. Вполне вероятно, что функциональная зависимость здесь отсутствует. Поэтому для определения интенсивности поглощения при вскрытии пластов целесообразно применить одно из известных уравнений с подбором опытным путем коэффициентов, обобщенно учитывающих воздействие на поглощение всех основных факторов. Наиболее соответствует этой цели уравнение (1.11).
Так, по результатам наблюдений за поглощением воды при вскрытии водоносных горизонтов, представленных мелкими песками при использовании формулы (1.11), были получены следующие коэффициенты поглощения (табл. 3). Величина из-
Таблица 3
Вид работ в скважине |
[Коэффициент поглощения |
Углубка |
0,0150—0,0040 |
Подъем инструмента |
0,0358—0,0106 |
Проработка ствола |
0,1000—0,0100 |
Промывка |
0,0056—0,0017 |
быточного давления на пласт при этом изменялась от 1,5 до
11, 0 кгс/см2.
Исходя из изложенных соображений, формулу (1.9) можно записать в виде:
(2= Я/Л#. (1.12)
Как видно из табл. 3, все вычисленные коэффициенты значительно меньше значений, приведенных в расчетной формуле (1-11), и, следовательно, никаких специальных мер по борьбе с поглощением в рассматриваемых условиях применять не надо. Небольшая интенсивность поглощения объясняется тем, что водоносные горизонты, вскрываемые с промывкой водой, представлены мелкими и тонкозернистыми песками небольшой мощности, иногда содержат глинистые минералы и не обладают большой проницаемостью. Как известно, проницаемость породы контролируется размерами пор, а не пористостью. Для песчаных и гравийных отложений характерно увеличение размеров пор с увеличением крупности частиц. Для мелких, тонкозернистых и пылевидных фракций характерны минимальные размеры пор и соответственно низкая проницаемость.
Ьолее интенсивное поглощение наблюдается при вскрытии водоносных горизонтов, представленных разнозернистыми и крупнозернистыми песками. Так, при бурении скважин глубиной г Ь0 до 135 м в Поволжье, в Тамбовской и Курской областях
расход воды на бурение скважины составлял от 4 до 10 м3 [7]. На вскрытие водоносных песков диаметром 0,1-—0,5 мм и мощностью 10 м расходуется 5—8 м3 воды при глубине скважины 60 м [42].
Обобщенная количественная оценка поглощения по результатам наблюдений на юге Молдавии приведена в табл. 4.
Таблица 4
№ скважины |
||||
Объем |
658 |
171 |
658 |
624 |
Геометрический объем скважины У, м3 |
44,75 |
19,24 |
40,80 |
43,48 |
Объем поглощенной воды ^сум, м3 |
1,740 |
0,622 |
3,820 |
1,165 |
ГСсум 100% |
3,9 |
3,2 |
9,3 |
2,7 |
V? |
Из табл. 4 следует, что объем поглощенной воды за весь период проведения работ от начала вскрытия пласта до окончания подъема инструмента колеблется от 0,622 до 3,820 м3, что составляет 2,7- 9,3% геометрического объема скважины.
Тем не менее, несмотря на столь незначительное поглощение, в нем довольно четко проявляется зависимость интенсивности поглощения от выполняемых видов работ и литологии проходимых пород. Рассмотрим с этой точки зрения приведенные на рис. 4 характеристические графики изменения интенсивности поглощения при вскрытии водоносных песков с промывкой водой.
Скв. 624 вскрыты пески мощностью 15,5 м; скв. 558 — пески мощностью 12 м и глинистые пески мощностью 7 м; скв. 171 — пески мощностью 12 м и глины мощностью 10 м; скв. 658 — пески с прослоями известняков общей мощностью 25,5 м. Интенсивность поглощения изменяется во времени в зависимости от выполняемых видов работ следующим образом. В процессе уг — лубки она составляет обычно 3,6—7 л/мин. Объем поглощенноН воды за весь период бурения при этом составляет 51,5—76% оТ общего объема поглощения за весь период производства работ.
Интенсивность поглощения наиболее значительна при проработке ствола (до 63 л/мин), однако ввиду того, что продолжительность этих работ в общем балансе затрат времени весьма невелика, количество поглощенной воды при этом составляе! несколько процентов от общего объема поглощенной воды. Интенсивность поглощения при прекращении углубки резко уменьшается и не превышает 1,5—2,0 л/мин. Объем поглощенной по0 при этом в зависимости от продолжительности простоя состаР’з-
!Й с> * ^ |
дтсаи |
|
1 <Ь 1 ^ 1 ск ^ СМ |
Рис. 4. Зависимость поглощения от выполняемых в скважине видов работ при вскрытии пластов с промывкой водой |
|
|
|
|
|
|
|
|
ляет 9,8—24% от общего объема поглощения. Промывка существенно не влияет на интенсивность поглощения. Только продолжительная интенсивная промывка приводит к увеличению поглощения в результате размыва закольматированных стенок скважины.
Характерно изменение поглощения в процессе подъема бурового инструмента. Объем поглощенной воды за период подъема инструмента составляет обычно 150—510 л (11,8—29,3% от общего объема поглощенной воды). Интенсивность поглощения
Рис. 5. Кривые изменения интенсивности поглощения воды № во времени в зависимости от скорости подъема труб V и длины инструмента I |
динамически изменяется в процессе подъема инструмента. Совмещенный график (рис. 5) подтверждает, что основными факторами, влияющими на интенсивность поглощения, являются длина инструмента, погруженного в жидкость, и скорость егс подъема. На практике средняя скорость подъема инструмента, как правило, изменяется в пределах 0,1—1,0 м/с. Усредненная скорость с учетом затрат времени на развинчивание и укладку труб составляет 0,02—0,07 м/с (1-—4 м/мин).
На рис. 5 показана усредненная скорость подъема инструмента с учетом затрат времени на остановки, развинчивание и укладку инструмента, так как поглощение регистрировалось обобщенно, с учетом влияния на него таких факторов, как остановка и начало движения инструмента, обратное движение при постановке его на стол ротора. Из рис. 5 видно, что поглощение наиболее интенсивно в начальный период подъема, соответствующий максимальной длине инструмента, хотя скорость подъема в этот период близка к минимальной.
При увеличении скорости подъема интенсивность поглощения снижается в результате уменьшения длины погруженного в жидкость инструмента. И лишь при достижении определенной величины скорости подъема (в нашем примере она в 2 раза выше первоначальной) интенсивность поглощения в скв. 624 увеличивается, несмотря на уменьшение длины инструмента-
В скв. 658 этого явления не наблюдалось. В дальнейшем, как видно из графика, с уменьшением скорости подъема и длины инструмента интенсивность поглощения быстро уменьшается.
При подъеме инструмента промывочная жидкость в скважине создает дополнительное знакопеременное давление на стенки скважины по отношению к статическим условиям вследствие поршневого эффекта, изменения скорости подъема, остановки и обратного движения колонны труб при установке их на стол ротора.
Дж. А. Буркхардт [41 ], основываясь на опытных данных, сообщает, что при подъеме инструмента понижение давления может достигать 15,7 кгс/см2 и максимальное положительное давление совпадает с наибольшей скоростью спуска труб. Мгновенные изменения давления в затрубном пространстве при спуско-подъемных операциях он объясняет давлениями для преодоления статического напряжения сдвига, вязкостным сопротивлением промывочной жидкости и инерцией раствора при ускорении или замедлении движения потока жидкости. По данным В. И. Бондарева др. [52] гидродинамическое давление, возникающее в скважине при движении колонны труб, представляет собой ударный импульс, образующийся и распространяющийся по волновым законам. Колебания давления возникают после остановки колонны и продолжаются некоторое время, постепенно затухая.
Опыты указанных авторов проводились в скважинах с непроницаемыми стенками, и возникающая при движении инструмента энергия проявлялась в виде дополнительного избыточного давления жидкости на стенки скважины. При наличии же гидравлической связи скважины с пластом поглотительная способность пласта в определенной степени зависит от энергии, возникающей при движении инструмента.
Так, из анализируемых результатов наблюдения за поглощением следует, что при создании гидродинамического давления на пласт за счет вращательного и поступательного движения бурового инструмента поглощение увеличивается иногда более чем в 10 раз по сравнению с поглощением при действии только избыточного гидростатического давления. В еще большей степени увеличивается поглощение при проработке ствола. Это явление обусловлено в основном тем, что энергия от бурового инструмента передается при его работе промывочной жидкости, находящейся в стволе скважины и имеющей гидравлическую связь с пластовой жидкостью. Интенсивность поглощения при этом зависит от количества такой энергии и степени совершенства гидравлической системы пласт — скважина, т. е. от проницаемости вскрываемого пласта и призабойной зоны. В процессе Клубки скважины в водоносных песках обе величины динамически изменяются.
Следовательно, физическая сущность поглощения состоит
в поглощении пластом кинетической энергии, возникающей при движении инструмента (при гидродинамических условиях) и в превращении потенциальной энергии жидкости, находящейся в скважине, в кинетическую (при гидростатических условиях). Количество поглощенной жидкости должно быть соизмеримо с затраченной энергией.
Согласно формуле (1.9) интенсивность поглощения зависит от избыточного гидростатического давления (фактор гидродинамического давления этой формулой не учитывается).
Но тем не менее величина избыточного гидростатического давления существенно влияет также на интенсивность поглощения при возникновении гидродинамического давления, связанного с вращением бурового инструмента, проработкой скважины, спуско-подъемными операциями и, наконец, с резким включением и остановкой промывки. В целом, при равных прочих условиях, чем выше избыточное гидростатическое давление на пласт, тем в большей мере проявляется поглотительная способность пласта. Однако при возникновении гидродинамического давления на стенки скважины (особенно в процессе углубки и проработки) оказывают влияние изменяющиеся во времени и трудноучитываемые факторы, которые в большой степени искажают при выполнении наблюдений существующую зависимость поглощения от избыточного давления на пласт.
К числу таких факторов относятся степень насыщенности промывочного агента глинистыми частицами и мелким шламом выбуренной породы, продолжительность его контакта с призабойной зоной, литологические особенности и степень проницаемости вскрываемых бурением пород. Поэтому найти однозначную функциональную зависимость поглощения от избыточного гидростатического давления при нынешнем состоянии изученности этого процесса практически невозможно. Ввиду этого попытаемся из имеющихся в нашем распоряжении данных наблюдений за поглощением определить общую закономерность поглощения с помощью графика (рис. 6).
Из графика следует общая закономерность увеличения интенсивности поглощения при наличии гидродинамического давления (углубка и подъем инструмента) по сравнению с поглощением при наличии только избыточного гидростатического давления. Влияние величины избыточного гидростатического давления на интенсивность поглощения при одновременном действии таких факторов, как подъем инструмента и промывка, здесь четко не проявляется вследствие того, что скважины, на которых проводились замеры, кроме глубин статических уровней, отличаются между собой другими показателями, влияющими на поглощение. Так, после вскрытия водоносных песков с промывкой водой скв. 171 бурение продолжалось в глинаХ (см. рис. 4), что вызвало увеличение кольматации призабойной зоны. Этим объясняется уменьшение интенсивности поглощения
при подъеме бурового инструмента по сравнению с поглощением при бурении.
Рис. 6. Связь между интенсивностью поглощения и избыточным гидростатическим давлением при вскрытии пласта с промывкой водой: |
Аналогичное явление и низкая поглотительная способность при высоком избыточном давлении на пласт наблюдались на скв. 624 вследствие того, что. здесь разрез представлен мелкими глинистыми песками, а пласт вскрыт при недостаточном количестве воды для промывки. По этим причинам пласт был вскрыт при неблагоприятном шламовом режиме, а подъем инструмента осуществлялся, когда вода в скважине не была полностью очищена от глинистых частиц и шлама. Осаждающиеся на забой частицы шлама и глинистые минералы в процессе подъема инструмента уменьшили поглотительную способность пласта.
1 — после прекращения углубки и промывки; 2—при углубке; 3— при подъеме инструмента |
В меньшей степени сказались указанные выше факторы на скв. 558 и 658, и поэтому проведенные здесь замеры в большей степени отражают влияние избыточного пластового давления на поглощение при выполнении в скважине различных видов работ и при отсутствии последних.
Интересно, что при избыточном гидростатическом давлении, превышающем 10 кгс/см2, поглощение в статических условиях не превышает 1—1,5 л/мин (скв. 624).
Удельное водопоглощение в данном случае оказалось меньше удельного дебита, полученного при пробной откачке, более чем в 400 раз. Это явление объясняется противоположной направленностью процессов: при поглощении в процессе бурения происходит кольматация призабойной зоны, так как в пласт нагнетается фактически вода, обогащенная шламом разбуриваемых пород, а при откачке — наоборот, — удаление продуктов кольматации из призабойной зоны.
Поглощение воды само по себе существенно не влияет на фильтрационные свойства призабойной зоны. Однако в провесе бурения вода обогащается разбуренными частицами по — Р Д и в том числе — глинистыми минералами. Вскрытая часть ласта, поглощая воду, обогащенную частицами выбуренной
породы, частично кольматпруется последними, уменьшая тем самым поглотительную способность вскрытого пласта. Поэтому, как видно из рис. 4, интенсивность поглощения почти не зависит от вскрытой мощности водоносных пород.
Если в статических условиях поглотительная способность скважины зависит от избыточного давления на пласт и проницаемости пород, слагающих стенки скважины, то в условиях, когда жидкость приведена в движение, проявляются инерционные силы, зависящие от массы жидкости, приведенной в движение. В данном случае на поглощение существенное влияние оказывает масса промывочной жидкости, находящаяся в стволе скважины и неуравновешенная давлением пластовой жидкости. Поэтому при прочих равных условиях интенсивность поглощения, обусловленная гидродинамическими факторами, должна увеличиваться с увеличением диаметра бурения и глубины скважины и связанным с этим увеличением массы промывочной жидкости, неуравновешенной пластовым давлением.
Характерно, что при вскрытии пластов с использованием промывочной воды наблюдается максимум поглощения в момент пересечения долотом кровли водоносных пород. При дальнейшей углубке по водоносным породам процесс поглощения стабилизируется. Особенно характерно это явление для бурения скважин большого диаметра. Так, при бурении одной из скважин в пойме р. ^Днестр диаметром 1140 мм с обратной про-мывкой водой в момент перехода долота из глин в мелкие пески на глубине 18 м наблюдалось интенсивное поглощение с потерей циркуляции. При дальнейшей углубке в песках с Кф=Ь~7 м/сут, а затем — в гравийных отложениях с Кф более 130 м/сут поглощение находилось в допустимых пределах и не осложняло процесса бурения. Это свидетельствует о том, что при работе долота в водоносных породах промывочная вода, обогащенная мелкими частицами выбуренной породы, проникает в поры водоносных пород, находящихся ниже забоя, на определенную глубину, оказывая тем самым регулирующее действие на поглощение и выполняя при этом роль экрана, препятствующего поглощению.
Если углубка идет быстрее, чем скорость формирования экрана в породе, непосредственно соприкасающейся с рабочими органами долота, интенсивность поглощения увеличивается и может выйти за допустимые пределы. Максимум поглощения в данном случае соответствует моменту, когда противофильтра — ционный экран в зоне работы долота не успел образоваться.
Из приведенных на рис. 4 графиков также видно, насколько существенное влияние на поглотительную способность пласта оказывает литология пород. Так, при вскрытии водоносных песков скв. 171 наблюдалось поглощение воды, равное 4 л/мин. Дальнейшая углубка ее в подстилающих водоносный горизонт глинах привела к кольматации его и полному прекращению по — тлощения при выполнении последующих работ (бурения, про — мывки и проработки ствола). На практике, как правило, углубка скважины на 0,5—1 м в глинах сводит на нет эффект вскрытия пласта с промывкой водой. При вскрытии скв. 558 глинистых песков в подошве водоносного пласта (см. рис. 4) произошло уменьшение интенсивности поглощения с 6 до 1—1,5 л/мин. При встрече в толще песков прослоев песчаников и других твердых пород наблюдается увеличение интенсивности поглощения. Произведенные наблюдения подтверждают, что интенсивность поглощения при вскрытии водоносных пластов с промывкой водой в значительной степени зависит от наличия глинистых минералов и прослоев глин в толще вскрываемых пород.
Таким образом, анализ поглощения при вскрытии мелких песков с промывкой водой показал следующее:
1) вскрытие водоносных пород с промывкой водой уменьшает кольматацию пород призабойной зоны и повышает гидродинамическое совершенство скважин по способу вскрытия пласта;
2) при вскрытии водоносных мелких песков вращательным способом с промывкой водой наблюдается поглощение, величина которого обычно не превышает 10% геометрического объема скважины. Такое незначительное поглощение не нарушает нормальный процесс бурения и спуско-подъемных операций в скважине. Более интенсивное поглощение происходит при вскрытии средне — и крупнозернистых песков;
■ 3) при наличии только, гидростатического избыточного давления на пласт интенсивность поглощения в мелких песках, как правило, не превышает 1,5—2,0 л/мин. При создании гидродинамического давления на пласт в результате вращательного движения инструмента при углубке и поступательного при спуско — подъемных’операциях интенсивность поглощения соответственно увеличивается до 5—7 и 6—16 л/мин. Наиболее интенсивное поглощение наблюдается при проработке ствола в процессе уг лубки;
4) при подъеме инструмента интенсивность поглощения зависит главным образом от длины погруженного в жидкость инструмента и скорости его подъема;
5) углубка в подстилающих водоносный горизонт глинистых породах приводит к прекращению поглощения за счет кольма — тации и сводит на нет эффект вскрытия пласта с промывкой во-