Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Согласно высказыванию ряда специалистов [70], в возникновении прихватов существенную роль играют такие факторы, как про­ницаемость породы в зоне прихвата А[3 и физико-механические свойства фильтрационных корок Х3, характеризующие физиче­ские свойства среды. Известно, что фильтрационные корки интенсивно формируются на высокопроницаемых участках ствола скважины.

В общем случае толщина фильтрационной корки опреде­ляется как

где h — толщина корки; а — коэффициент, зависящий от формы поровых каналов, размеров зерен, свойств бурового раствора и т. д.; t — время формирования корки.

Механизм процессов, происходящих при образовании филь­трационных корок, наиболее полно объяснен В. С. Барановым, который впервые ввел понятие «сжимаемость глинистых корок» и объяснил проявление этого свойства различным действием химических реагентов.

Фильтрационная корка неоднородна по плотности и влаж­ности. На состав корки существенно влияет состав бурового раствора (содержание глины, утяжелителя, размеры их частиц),
а на формирование корки — процесс кольматации пор пласта твердыми частицами из бурового раствора и гидравлические сопротивления в системе корка — стенка скважины.

Согласно проведенным исследованиям [32], проницаемость фильтрационных корок, которые сформировались из растворов, приготовленных с использованием бентонита Дружковского ме­сторождения и обработанных УЩР, КМЦ и окзилом, составляет (0,62ч-0,10) • 10-8 Д, причем с увеличением перепада давления проницаемость снижается. При утяжелении раствора от 1,34 до 2,04 г/см3 проницаемость корок снизилась от 0,21 • 10-8 до 0,10-10-8 Д (при перепаде давления 30 кгс/см2). Отмечено также, что фильтрационные корки при перепаде давления 30 кгс/см2 предельно уплотняются, причем изменение их струк­турных свойств прекращается.

Проницаемость корки, определенная с использованием рас­четной схемы М. Маскета, равна 6,8-10-6 Д.

М. А. Галимов при испытаниях на экспериментальной буро­вой ВНИИКРнефти с использованием кассеты с цилиндриче­скими металлокерамическими фильтрами установил проницае­мость фильтрационных корок (1ч-3)-10_3 Д, сформированных из бурового раствора со следующими свойствами:

1,62 40 4

Плотность, г/см3 Вязкость, с. . Водоотдача, см3 СНС|у10, мгс/см2

37/75

Косвенно о влиянии проницаемости фильтрационной корки на силу прихвата можно судить по тому факту, что при умень­шении времени формирования корки значительно увеличивается сила прихвата. Так, при контакте пуансона с фильтрационной коркой, образованной в течение 100 мин фильтрации, сила при­хвата составляла 0,1 кгс/см2, а если корка образовывалась в течение 10 мин фильтрации—1,6 кгс/см2. При контакте пуан­сона непосредственно с поверхностью, на которой еще не обра­зовалась фильтрационная корка, сила прихвата становится в 40 раз больше, чем при контакте с коркой, сформированной в течение 100 мин. Следовательно, чрезвычайную опасность представляет непосредственный контакт труб в скважине с про­ницаемыми породами, слагающими ее стенки.

Для фильтрационной корки характерна способность прояв­лять свойства полупроницаемой перегородки. Как известно, необходимым условием для осмотического массопереноса яв­ляется наличие областей с разной концентрацией растворов или температурой, разделенных полупроницаемой перегородкой. Движущей силой возникновения таких перетоков в системе скважина — пласт могут выступать разная степень минерализа­ции и разность температур пластового флюида и водного ком-

понента бурового раствора, разделенных фильтрационной коркой.

Добавки к глинистому раствору	Плотность, г/см3	‘ Вязкость, С	Водоотдача, см3
_	1,07	50	14
4% УЩР	1,07	45	10
4% УЩР+4%	1,06	37	9
нефти
4% УЩР+5%	1,09	35	9
смаз очной
добавки СЖК

Для проведения специаль­ных экспериментов [4] был применен стеклянный осмо­метр. Корки формировались в течение 1 ч на металлокера­мическом фильтрате диамет­ром 50 мм и высотой 10 мм при перепаде давления 1 кгс/см2 из обработанных и необработанных реагентами суспензий бентонитовой глины на пресной воде. Показатели глинистых растворов приведены в табл. 15.

Опыты проводили с водорастворимыми соединениями, вхо­дящими в состав пластового флюида и бурового раствора. Осмотические пары были представлены пластовой водой и рас­твором реагента. В качестве пластовой воды использовали рас­творы хлористого натрия и хлористого калия в соотношении 3:2 со степенью минерализации 10%, в качестве растворов реаген­тов— 1%-ные растворы КМЦ, метаса, 5%-ные растворы ССБ, гипана, 12%-ный раствор силиката натрия и УЩР (10:2). В качестве смазочных добавок использовали нефть плотностью 0,85 г/см3 и натриевое мыло синтетических жирных кислот (СЖК) Невинномысского химкомбината.

Как видно из результатов исследования (табл, 16), во всех случаях наблюдается переток пластовой воды через глинистую корку в сторону раствора реагента, несмотря на то, что степень минерализации пластовой воды выше, чем у раствора реагента (с учетом неодинаковой плотности). Установлено также, что темп повышения уровня у реагента ниже, чем у пластовой воды. Для различных типов корок наблюдается изменение интенсив­ности перетоков. Содержание смазочных добавок (нефть) в корке интенсифицирует перетоки пластовой воды в сторону растворов метаса, силиката натрия, КМЦ и ССБ, а при исполь­зовании раствора гипана подобного явления не наблюдается. При добавлении мыла СЖК к глинистому раствору, применяе­мому для формирования корок, перетоки в сторону растворов реагентов интенсифицируются по сравнению с перетоками без смазочной добавки. В случае использования смазочных добавок уменьшается разброс данных о перепаде давлений на границах исследованных осмотических пар.

Указанные перетоки свидетельствуют о существовании ано­мального явления осмоса через фильтрационную корку, сформи­рованную из глинистого раствора. Под действием перепада дав­ления иммобилизованная жидкость удаляется из суспензии, в

Добавки к раствору, из которого сформирована корка	Реагент, раствор которого использо ван в осмотической паре	Показатели*		Изменение показателей, см,	в зависимости от	продолжительности процесса, ч
0,5	1	2	3	4	5	6	16	18	20	22	24
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	1 1	12	13	14	15
	Силикат натрия		0,50	0,7	0,8	}—’	1,5	1,7	2,0	3,0	5,0			3,0
		+	0,30	0,3	0,4		0,5	0,8	0,8	1,0	1,0	>_	■—	1,0
		Ah	0,80	1,0	1,2		2,0	2,5	2,8	4,0	4,0			4,0
	ССБ		0,30	0,5	1,0	1,5	1,8	2,0		3,5		3,5	,	3,5
		+	0,30	0,3	0,5	0,8	1,0	1,2	—	2,0	—1	2,0	— ,	2,0
		Ah	0,60	0,8	1,5	2,3	2,8	3,2		5,5		5,5		6,5
4%УЩР	Гипан		0,50	1,0	1,3	2,5	2,8		3,5	5,5	5,5	6,0	5,5	5,5
		+	0,00	0,3	0,6	1,0	1,3	—	1,8	3,0	3,0	3,0	3,0	3,0
		Ah	0,50	1,9	1,8	3,5	4,1		5,3	8,5	9,0	8,5	8,5	8,5
	кмц		1,00	1,5	2,0	2,3	2,5		2,8	3,6		3,5	3,5
		■Г	0,50	0,8	1,0	1,3	1,5	—	1,8	2,0	(—	2,0	2,0	—
		Ah	1,50	2,3	3,0	3,6	4,0	■—	4,6	5,5	—’	5,5	5,5	■—
	Метас		0,50	0,5	1,0	1,0	,_	1,0	1,2	1,5	1,5	1,5	_	—
		Н-	0,30	0,5	0,5	0,6	—,	1,0	1,2	1,3	1,3	1,3	—	— —
		Ah	0,60	1,0	1,5	1,6	—1	2,0	2,4	2,8	2,8	2,8	—	—

Добавки к раствору, из которого сформирована корка	Реагент, раствор которого использован в осмотической паре	Показатели*	Изменение показателей, см, в зависимости от продолжительности процесса, ч
0,5	1	2	3	4	5	6	16	18	20	22	24
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
	Силикат натрия		0,50	0,8	1,0	1,8	2,0	2,5	2,3		5,5		5,5
		+	0,00	0,2	0,2	0,3	0,5	0,5	0,8	—	2,0	—	2,0	—,
		A h	0,50	1,0	1,2	2,1	2,5	3,0	4,1		7,5		7,5	1
	ССБ		1,00	2,2	2,8	5,3	3,5	3,8	3,8			1—
		+	0,20	0,2	0,5	0,5	0,5	0,5	0,8	,—	1—	г—	—	—
		A h	1,20	2,4	3,3	3,8	4,0	4,3	4,6
4о/0 УЩР-|-4%	Гипан		0,50	0,8	2,0	2,8	3,8	4,3			7,0	7,0	7,0
		+	0,20	0,5	0,5	0,8	1,0	1,3	—1	—	2,0	2,0	2,0	—1
		Ah	0,70	1,3	2,5	3,6	4,8	5,6			9,0	9,0	9,0
	КМЦ		1,50	1,5	2,5	3,5	4,0	4,7		6,5	6,5	6,5
		+	0,20	0,5	0,7	1,0	1,1	1,2	—	2,0	2,0	2,0	—(	—1
		Ah	1,70	2,0	3,2	4,5	5,1	5,9	—	8,5	8,5	8,5	-н	—1
	Метас		0,50	0,8	1,0	1,8	_ _	2,3	2,5
		+	0,20	0,2	0,2	0,5	—	0,5	0,8
		Ah	0,70	1,0	1,2	2,3	—	2,8	3,3	—	—	—	—	—

Добавки к раствору, из которого сформирована корка	Реагент, раствор которого использован в осмотической паре	Показатели*		Изменение показателей, см, в	зависимости от продолжительности процесс;	, ч
0,5	1	2	3	4	5	6	1 6	18	20	22	24
	2	3	4	5	6	7	8	9	10	1 1	12	13	14	15
	Силикат натрия		0,80	1,2	1,5	1,8		2,5	3,5			3,5		3,5
—		+	0,30	0,8	1,2	1,5	—■	1,8	2,0	—	—	2,5	—	2,5
		A h	1,10	2,0	2,7	3,3		4,3	5,5			6,0		6,0
	ССБ		0,50	0,8	1,2	1,5	2,3	2,4		7,0	7,0	7,0		7,0
		+	0,20	0,2	0,5	0,8	0,8	0,9	— !	1,0	1,0	1,0	—,	1,0
		A h	0,70	1,0	1,7	2,3	3,1	3,3	— *	8,0	8,0	8,0	—	8,0
4% УШР+50/о	Г ипан		2,00	2,2	2,5	3,0	3,5	3,8	_	6,8	6,8	6,8		6,8
смазочной		+	0,20	0,5	0,5	0,5	0,7	0,8	— ,	0,8	0,8	0,8	—	0,8
добавки СЖК		Ah	2,20	2,7	3,0	3,5	4,2	4,6	—	7,6	7,6	7,6	■—	7,6
	кмц		3,00	3,2	3,5	3,7	3,7	3,7		_ ,	4,5		4,5	4,5
		+	0,20	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	—	—	0,5	—	0,5	0,5
		Ah	3,20	3,7	4,0	4,2	4,2	4,2	— ‘	—	5,0	—	5,0	5,0
	Метас		0,50	0„8	1,2	2,5	2,7	2,7			4,0		4,0	4,0
		+	0,20	0,5	1,0	1,2	1,5	1,5	—	—	1,5	—	1,5	1,5
		Ah	0,70	1,3	2,2	3,7	4,2	4,2	—	—	5,5	—1	5,5	5,5

* Знак Н рост уровня раствора реагента; знак падение уровня пластовой воды; Д/г — разность уровней раствора реагента и пластовой

результате гелеобразные глинистые частицы частично разру­шаются и деформируются [25]. Перепад давления при формиро­вании корки приводит к образованию анизотропной структуры, особенно по направлению к зоне фильтрата. На границе с фильтром наиболее ярко проявляется эффект ультрапористости, которая обусловливает полупроницаемость таких структур [52]. При контакте подобной фильтрационной корки с пластовой во­дой и растворами реагентов возникают явления сорбции и осмоса (капиллярный осмос).

На первой стадии процесса преобладают сорбционные явле­ния и интермицеллярное набухание корки, вызывая рост по­ристости и затухание перетоков, обусловленных капиллярным осмосом. Переток пластовой воды заканчивается после насы­щения глинистой корки электролитом, изменяющим термодина­мическую обстановку в полупроницаемой системе. При этом нарушается первоначальное состояние фильтрационной корки — происходит коагуляция. Явные признаки коагуляции наблюдали по истечении 16 ч.

Полученные результаты показывают возможность регулиро­вания процесса массопереноса в системе скважина — пласт, а также в самой фильтрационной корке правильным подбором реагентов для обработки буровых растворов. Величины осмоти­ческих давлений могут колебаться от нескольких десятков до нескольких сотен килограмм-сила на квадратный сантиметр [4].

Температура в стволе в момент прихвата в результате априорного опроса отнесена к группе несущественных факто­ров [70].

Для изучения влияния этого фактора на установке, позво­ляющей замерять силы сопротивления при сдвиге металличе­ского пуансона по корке в условиях действия высоких перепадов давления и температур (соответственно до 100 кгс/см2 и 200°С), провели специальные исследования. На модели пласта (рис. 5), представленной металлокерамическим фильтром 6 с проницае­мостью 500 мД, формируется фильтрационная корка 21 из рас­твора, заливаемого в стакан 11, помещенный в рабочую ка­меру 3. Давление в камере создается с помощью сжатого азота, температура — нагревательными элементами с авторегуляцией. После сформирования в течение 30 мин при Ар = 40 кгс/см2 на корку устанавливают металлический пуансон 7 диаметром 30 мм, свободно соединенный со штоком 8, а через него с систе­мой сдвоенных плунжерных пар 15, 16, выполняющих роль гидравлических уплотнителей, диском 17 и полиспастом 22. После выдержки в течение определенного времени в неподвиж­ном контакте с коркой (при соответствующих температуре и перепаде давления) пуансон сдвигают, замеряя силу сдвига динамометром 23.

Опыты, проведенные с применением раствора с определен­ными свойствами, показали (рис. 6), чтб увеличение темпера-

Рис. 5. Схема установки для исследования прихватов:

1 — кран; 2 — крышка; 3 — камера; 4 — основание стакана; 5 — манжета; 6 — фильтр; 7 — пуансон; 8 — шток; 9 — электроизоляция; 10 — термоизоляция; 11—стакан; 12 — ли­ния высокого давления; 13 — ограничитель; 14 — гайка прижимная; 15 — плунжер; 16 — корпус плунжера; 17 — диск; 18 — стержень; 19 — электроконтактный термометр; 20 — нагревательные элементы; 21 — корка; 22 — полиспаст; 23 — динамометр; 24 — стой­ка; 25—редуктор газовый; 26 — баллон азотный; 27 — основание стола

туры в зоне прихвата от 20 до 80° С приводит к росту силы сопротивления на 22%, а от 20 до 140° С — на 45%.

Свойства раствора

TOC o "1-5" h z Плотность, г/см3……………………………………………….. 1,173

Вязкость, с………………………………………………………….. 25

СНС1/10, мгс/см2………………………………………………. 150/174

Водоотдача по ВМ-6, см3……………………………………… 6

Рис. 6. График влияния температуры на сопротивление сдвигу пуансона по корке:

113*56 Время неподвижного контакта, ч

2 80

3 140

№ кривой на рисунке. . …………………………………………………………. 1

Температура, °С……………………………………………………………….. ’… 20

Силы суммарных сопротивлений Адгезионные силы………………………….. Температура, °С. . . …

‘ г. j 4 5 Бремя неподвижного контакта,

Рис. 7. График влияния температуры на изменение суммарных сил сопро­тивления и адгезионных сил:

/ II III

12 3

20 80 140

Рис. 8. График влияния температуры на коэффициент трения и силу адге­зии:

TOC o "1-5" h z Коэффициенты трения…. I II

Силы сопротивления 1 2

Температура, °С 20 80

С увеличением температуры, наряду с интенсификацией кор­кообразующих и фильтрационных процессов, вероятно, обра­зуются пленки окислов и других соединений в контактной зоне, а также происходит усиление диффузионных процессов, улуч­шающих взаимодействие металла с коркой. Следует иметь в виду, что с увеличением температуры уменьшается толщина адсорбционных слоев, вызывая сближение контактирующих поверхностей и усиление фрикционной связи металла с коркой.

Если принять, что сила сопротивления, измеренная при сдвиге пуансона под давлением в камере, соответствует сум­марной силе трения и адгезии, а при отсутствии давления — только силе адгезии, то с увеличением температуры возрастают и суммарные силы сопротивления и адгезионные силы (рис. 7). Причем адгезионные силы составляют, например, после 6-ч кон­такта 40—50 %; от общих сил сопротивления. Как видно из рис. 8, увеличение температуры больше влияет на рост адгезион­

ных сил о, чем на коэффициент трения металла по фильтра­ционной корке.

Таким образом, при прочих равных условиях, возникновение прихвата в интервалах бурения с высокими геотермическими градиентами более вероятно, чем в интервалах обычных тем­ператур. Поэтому для предотвращения прихватов в подобных случаях должны приниматься более эффективные меры (термо­стойкие реагенты, снижение до минимума времени оставления инструмента без движения, повышение смазочной способности раствора).

В результате обработки данных исследования получили следующие модели процессов:

а) для бентонитового раствора плотностью 1,129 г/см3

Fx = [10 + 2t+T(—0,6 +10*— 1,3/2)]-{-

TOC o "1-5" h z + у [3 + 11 ,4/ — 1,2/2 + Т (3,7 — 0,8/)]; (20)

б) для бентонитового раствора плотностью 1,129 г/см3 с со­держанием нефти 10%

= [5 + 4,5/ — 0,5/2 + Т (3 + 2,2/)] +

+ */ [5,5 + 9/ — /2 + 77 (4,8 — 0,4/)]; (21)

в) для бентонитового раствора плотностью 1,129 г/см3, со­держащего 10% нефти и 0,05%. CuS04

F3 = [5 + 1,6/ + Т (3,5 + /)] + у [5 + 7/ — 0,5/2 +

+ Т(1,5 + 6,6Г-1,15/2)], (22)

где /.= /,-1; Г=Ш=2-; у = ^; F=10f„;

to — время неподвижного контакта (0—6 ч); Т0 — температура во время опыта (20—80° С); у0 — перепад давления

(0—40 кгс/см2); Fo — сила сопротивления, кгс/см2.

Нетрудно убедиться, что первый член каждой модели про­цесса соответствует силе адгезии, а второй — силе трения.

Увеличение перепада давления практически не влияет на изменение коэффициента трения р, однако приводит к пропор­циональному росту сил адгезии о и, как следствие, общих сил сопротивления /:

TOC o "1-5" h z Перепад давления Ар, кгс/см2 …. 10 21 40

Удельное сопротивление сдвигу f,

кгс/см2 …………………………………………. . 0,45 0,85 1,78

Удельная сила адгезии а, кгс/см2 . . 0,26 0,44 1,02

Коэффициент трения р……………… 0,0194…………… 0,0193 0,0190

Эти данные получены при исследованиях с применением бу­рового раствора со следующими свойствами:

Плотность, r/см3 Вязкость, с. . CHCj/jq, мгс/см2

1,129 21 21/30

Водоотдача по ВМ-6, см3/30 мин

Условия опыта

Температура, °С……………………….. Время неподвижного контакта, ч Толщина корки, см……………………

9,5 20 5,5

Комментарии запрещены.