Бурение
.pdf
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
В пластах с разрывными нарушениями или в перфорированной обсадной колонне дифференциальный прихват может возникнуть и без фильтрационной корки. Это объясняется тем, что возможно уплотнение бурильной колонны на контакте с трещинами или перфорационными отверстиями, полностью перекрывающими поток жидкости - как пробка перекрывает слив. Поверхность контакта может быть небольшой, но на этой поверхности почти мгновенно развивается дифференциальное давление.
Чрезвычайным примером дифференциального прихвата является печальный инцидент с шестнадцатилетней школьницей по имени Таня Никенс, произошедший в мае 1996 г.1. Таня отдыхала на курорте со своими друзьями. Она глубоко нырнула и перекрыла своим телом сливное отверстие бассейна размером 12" на 12". Ее тело уплотнило слив, и возник дифференциальный прихват из-за разности между атмосферным давлением и гидростатическим давлением 3 - 4 фута на дне бассейна. Ее друзья и спасатель не смогли освободить ее, и она утонула. Работники бассейнов и курортов называют это "присасыванием", но на самом деле речь идет о дифференциальном прихвате. Для создания уплотнения, из-за которого возникает дифференциальный прихват, не нужна никакая фильтрационная корка.
Толстая проницаемая фильтрационная корка является предпосылкой для возникновения дифференциального прихвата. Для предотвращения дифференциального прихвата нужно сделать так, чтобы фильтрационная корка была тонкой, твердой и непроницаемой. Под
"твердостью" фильтрационной корки здесь понимается ее относительная несжимаемость.
Фильтрационная корка представляет собой слой твердых частиц из бурового раствора, отложившихся на стенке скважины при фильтрации бурового раствора в проницаемый пласт. Чтобы лучше понять роль фильтрационной корки, рассмотрим процесс ее образования.
Образование фильтрационной корки |
|
|
Представим себе проницаемый пласт, разбуриваемый |
|
|
с небольшой репрессией. При вскрытии этого пласта |
|
|
буровой раствор проникает в него. Твердые частицы, |
|
|
размер которых меньше отверстий пор пласта, будут |
|
|
проникать в пласт вместе с буровым раствором. |
|
|
Частицы, размер которых превышает треть диаметра |
|
|
пор, заклиниваются и образуют мост, через который |
|
|
не могут пройти следующие частицы такого же |
|
|
размера. Затем более мелкие частицы забивают |
|
|
пространство между более крупным частицами. |
|
|
Постепенно образуется такая плотная преграда, что |
|
|
пройти через фильтрационную корку не могут даже |
|
|
коллоидные частицы. Проникнуть в пласт может |
|
|
только чистый фильтрат бурового раствора (рис. 9-7). |
Формирование |
фильтрационной |
|
||
Для того чтобы мелкие частицы могли создать |
корки происходит, когда твердые |
|
плотную преграду, нужны более крупные частицы, |
частицы заклиниваются в порах |
|
образующие мост в поровом пространстве. Если бы не |
пласта. |
|
было крупных частиц, в пласт ушел бы весь буровой |
Рис. 9-7 Устойчивая фильтрационная |
|
раствор, как это происходит при поглощениях. |
|
корка |
199
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Обычно в фильтрационной корке различают три зоны или слоя8. Есть зона вторжения, где находится весь буровой раствор. Она простирается в пласт примерно на два дюйма. Далее выделяют внутреннюю фильтрационную корку, состоящая из расклинивающего материала. Она простирается в пласт лишь на несколько диаметров зерна. И, наконец, следует внешняя фильтрационная корка, состоящая, главным образом, из коллоидных частиц (рис. 9-7). Толщина этого слоя изменяется со временем и в зависимости от скорости потока в кольцевом пространстве.
Следует отметить, что фильтрационная корка проницаема. Пока существует репрессия, жидкость будет фильтроваться через корку, сложенную твердыми частицами. Это означает, что твердые частицы будут все время откладываться на поверхности фильтрационной корки, и со временем толщина корки будет увеличиваться.
Циркулирующий буровой раствор разрушает фильтрационную корку. Когда скорость эрозии станет равной скорости отложения твердых частиц, наступает равновесие, и толщина корки больше не увеличивается.
Такая корка называется устойчивой фильтрационной
коркой.
Неустойчивая фильтрационная корка толще устойчивой корки и менее проницаема.
Рис. 9-8 Неустойчивая фильтрационная корка
При прекращении циркуляции эрозия не происходит, и толщина корки продолжает увеличиваться. Такая корка называется неустойчивой фильтрационной коркой (рис. 9-8). Неустойчивая фильтрационная корка толще, поверхностный слой ее мягче. Здесь трудно определить, где кончается буровой раствор, и где начинается фильтрационная корка. Она менее проницаема, чем устойчивая фильтрационная корка. При восстановлении циркуляции часть неустойчивой фильтрационной корки, отложившейся поверх устойчивой фильтрационной корки, разрушается.
Если циркуляцию прекращают и восстанавливают несколько раз, отложится несколько слоев фильтрационной корки, подобно годовым кольцам дерева. Толщина этой сложносоставленной фильтрационной корки ограничивается механической эрозией, обусловленной вращением бурильной колонны.
Окончательная толщина фильтрационной корки зависит от количества и типа твердых частиц в буровом растворе. Скорость увеличения толщины фильтрационной корки зависит от ее проницаемости. Фильтрационная корка быстро растет сразу после того, как открытая поверхность пласта входит в контакт с буровым раствором. Постепенно скорость роста фильтрационной корки снижается, поскольку уменьшается ее проницаемость.
200
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Если все зерна материала, перекрывающего поры, имеют одинаковый размер, то фильтрационная корка будет высокопроницаемой и толстой.
Рис. 9-9 Толстая проницаемая фильтрационная корка
Представим себе разбуривание пласта, сложенного песком с зернами одинакового размера, на чистой воде в качестве бурового раствора. Представим себе, что размер зерен совершенно одинаков, и что ни одно из зерен не разрушилось в процессе бурения. Если существует репрессия, вода будет проникать в песчаный пласт, расположенный на участке ствола выше долота. Зерна выбуренного песка выносятся с забоя вверх. Поскольку часть бурового раствора проникает в пласт, на открытой поверхности пласта откладывается слой из этих зерен песка (рис. 9-9). Но один слой песка с зернами одинакового размера имеет чрезвычайно высокую проницаемость. Поскольку зерна в слое имеют такой же размер, как и зерна в пласте, скважина ведет себя так, как если бы никакой фильтрационной корки не было. Просто диаметр скважины стал меньше на удвоенный размер зерен песка.
Поскольку фильтрация жидкости в пласт продолжается, на поверхности пласта будут откладываться дополнительные слои зерен песка. Если все зерна имеют одинаковый размер, фильтрационная корка будет иметь практически такую же проницаемость, что и один слой - независимо от количества слоев. Дополнительные слои будут отлагаться до тех пор, пока скорость отложения не станет равной скорости эрозии.
Чтобы сделать фильтрационную корку менее проницаемой, мы можем добавить фактор неодинакового размера зерен. Теперь в пространстве между крупными зернами отлагаются более мелкие зерна. В пространстве между мелкими зернами отлагаются еще более мелкие зерна и т.д. Поскольку в этом случае фильтрационная корка составлена из зерен разного размера, она имеет намного меньшую проницаемость.
Размер зерен не имеет столь большого значения. Гораздо важнее разнообразие размеров, которое и делает корку непроницаемой. Если фильтрационная корка сложена зернами одинакового размера, она может иметь очень высокую проницаемость, даже если эти зерна очень мелкие.
Чтобы получить эффективную фильтрационную корку, нужна смесь частиц различного размера, от очень крупных, расклинивающихся в порах, до коллоидных. Чтобы свести к минимуму проницаемость корки, нужно большое количество коллоидных частиц. Большая часть непроницаемых фильтрационных корок сложена легко деформируемыми коллоидными частицами, такими как битум и бентонит.
Когда пласт только что вскрыт, образуется исходная фильтрационная корка, содержащая крупный шлам. Эта корка будет толстой и проницаемой. В ходе СПО исходная фильтрационная корка будет частично удалена, и вместе с ней будет удален недавно выбуренный песок. При этом часто наблюдается дополнительное сопротивление продольному перемещению колонны. Затем образуется новая фильтрационная корка, но теперь в пласте уже есть внутренняя корка. С новой коркой буровой раствор не будет так быстро проникать в пласт. Когда через этот участок скважины проходит бурильная колонна, например после очередного наращивания, то дополнительного сопротивления продольному перемещению
201
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
колонны уже не будет. Такое дополнительное сопротивление обеспечивает только недавно выбуренный и не удаленный песок, поскольку новая фильтрационная корка не очень толстая. Вероятно, она и не проницаемая. Опасность возникновения дифференциального прихвата в этом случае меньше, чем при наличии исходной корки, часть которой не удалена продвигающейся мимо нее бурильной колонной.
На глинистых породах фильтрационная корка обычно не образуется. Поры в глинистых породах настолько малы, что очень немногие, если вообще какие-либо твердые частицы могут проникнуть в них. Твердая фаза откладывается на стенках скважины, и проникнуть в глинистую породу может лишь чистый фильтрат бурового раствора (рис. 9-10). Течение фильтрата через глинистую породу будет намного медленнее, чем через фильтрационную корку, если бы она была. Это объясняется тем, что проницаемость глинистой породы примерно на два порядка меньше, чем проницаемость обычной фильтрационной корки на песчаниках. Проникновение фильтрата в глинистую породу приводит к возрастанию порового давления у стенки скважины, так что дифференциальное давление, прижимающее корку к открытой поверхности пласта, не возникает. Поток бурового раствора и механическое воздействие бурильной колонны разрушают фильтрационную корку быстрее, чем она может формироваться.
Фильтрационная корка может образоваться на поверхности глинистой породы лишь в том случае, если она сильно иссечена трещинами и проницаема. В таком случае в интервале глинистых пород может произойти дифференциальный прихват.
Поры в глинистых сланцах слишком малы, чтобы в них могли проникнуть твердые частицы.
Фильтрационная корка может образоваться на поверхности глинистого сланца лишь в том случае, если он сильно иссечен трещинами и проницаем.
Рис. 9-10 Фильтрационная корка на поверхности глинистой породы
Качество фильтрационной корки
Высококачественной считается тонкая, твердая и непроницаемая фильтрационная корка. На качество фильтрационной корки влияют несколько факторов:
•Твердые частицы
•Смазывающие добавки
•Репрессия
•Температура
202
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Твердые частицы (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)
Наличие твердых частиц и буровом растворе и в фильтрационной корке осложняет ситуацию при дифференциальном прихвате. Результаты нескольких исследований показали, что чем больше содержание твердых частиц в буровом растворе, тем труднее освободить колонну в случае дифференциального прихвата.9 Это твердая фаза бурового раствора, включая утяжелитель, а также шлам. Шлам представляет большую опасность в отношении прихвата, чем промышленные утяжелители.9
Есть несколько причин, по которым твердые частицы в буровом растворе осложняют ситуацию:
•Недеформируемые твердые частицы, такие как шлам и утяжелители, способствуют увеличению проницаемости и толщины фильтрационной корки.
•Твердые частицы приводят к увеличению коэффициента трения между бурильной колонной и фильтрационной коркой. Увеличение содержания твердых частиц в буровом растворе приводит к ускорению образования как неустойчивой, так и устойчивой фильтрационной корки.
•Твердые частицы негативно влияют на эффективность добавок к буровому раствору, предназначенных для повышения качества фильтрационной корки. Добавки адсорбируются на поверхности твердых частиц. Чем больше суммарная поверхность твердых частиц, тем больше требуется добавок.
Смазывающие добавки (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)
Смазывающие добавки вводятся в буровой раствор для снижения крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны. Кроме того, они полезны при дифференциальном прихвате. Присутствие смазывающих добавок в фильтрационной корке
обычно приводит к уменьшению усилий, требуемых для освобождения прихваченной колонны, с 33 % до 70 %.9,10,11
Если смазывающие добавки эффективно помогают уменьшить крутящий момент и сопротивление продольному перемещению колонны, то это не означает, что они обязательно помогут уменьшить крутящий момент при освобождении прихваченной колонны. David Krol считает, что механизм уменьшения крутящего момента при освобождении прихваченной колонны характеризуется сочетанием следующих факторов:
•Снижение водоотдачи бурового раствора
•Создание слоя, обволакивающего твердые частицы в буровом растворе, и
•Смачивание металлических поверхностей.10
Эффективные смазывающие добавки прилипают к поверхности бурильных труб и к твердым частицам в фильтрационной корке. Когда смазывающие добавки смачивают поверхность колонны, они уменьшают трение между колонной и фильтрационной коркой. Тем самым уменьшается удерживающая сила, обусловленная трением. Создание слоя, обволакивающего поверхность колонны приводит к уменьшению адгезии фильтрационной корки к металлу колонны. Эта пленка смазывающей добавки может также облегчить проникновение жидкости в пространство между колонной и фильтрационной коркой при расхаживании колонны.
Однако для того чтобы смазывающие добавки работали эффективно, они должны
203
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
находиться в фильтрационной корке до возникновения прихвата. Когда возник прихват,
жидкость не может пройти между колонной и фильтрационной коркой.
Если смазывающие добавки присутствуют в фильтрационной корке до возникновения прихвата, отрыв освобождаемой колонны обычно происходит по поверхности контакта колонны и фильтрационной корки1. Если смазывающих добавок в корке нет, отрыв освобождаемой колонны может произойти по поверхности контакта фильтрационной корки и пласта или, возможно, по самой фильтрационной корке. Фильтрационная корка остается прилипшей к бурильной колонне, и может даже оставаться на колонне при ее подъеме на поверхность.
Кроме прочего, смазывающие добавки уменьшают трение между частицами в фильтрационной корке. В результате уменьшается предел текучести материала фильтрационной корки, и ее легче оторвать от колонны (см. материалы о прочности горных пород). Смазочные добавки эффективны тогда, когда они обволакивают все твердые частицы в буровом растворе. Нужно учитывать всю суммарную поверхность. При увеличении количества твердых частиц или при разрушении твердых частиц на более мелкие суммарная поверхность увеличивается, и требуется дополнительное количество смазочных добавок.
Смазывающие добавки могут снизить отток жидкости из фильтрационной корки благодаря действию нескольких механизмов:
•Уменьшение площади поперечного сечения потока в поровом пространстве корки.
Когда смазывающая добавка обволакивает твердую частицу, она увеличивает ее эффективный диаметр. Оболочка смазочной добавки вокруг твердой частицы легко деформируется, поэтому твердые частицы в оболочками могут очень плотно упаковываться в фильтрационной корке. Пленка смазочного материала, окружающая твердые частицы, частично перекрывает поры, уменьшая поток фильтрата через корку.
•Увеличение вязкости фильтрата бурового раствора.
•Дефлокуляция коллоидных глин в корке диспергирующими добавками.
Когда водоотдача бурового раствора снижена, колонна может дольше оставаться неподвижной до возникновения прихвата (рис. 9-11).
Рис. 9-11 Дифференциальное давление при использовании смазывающих добавок
Некоторые смазочные добавки, такие как минеральные масла и дизельное топливо, способствуют также образованию более тонкой глинистой корки. Некоторые добавкипонизители водоотдачи для РВО фактически способствуют увеличению толщины
204
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
фильтрационной корки.8 Однако, в общем случае, при уменьшении водоотдачи скорость образования глинистой корки снижается, и устойчивая фильтрационная корка имеет меньшую толщину.
Репрессия (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)
Давление влияет на качество фильтрационной корки двояким образом:
•Способствует движению фильтрата через фильтрационную корку.
•Сжимает фильтрационную корку, делая ее более тонкой и менее проницаемой.
Эти два эффекта компенсируют друг друга. Если в фильтрационной корке содержится большое количество деформируемых коллоидных частиц, таких как частицы бентонита, скорость фильтрации через корку может фактически уменьшаться при увеличении давления. Флокулированная глина фильтрационной корки также может сжиматься при увеличении давления. Если фильтрационная корка сложена почти сферическими песчаными зернами, скорость фильтрации при увеличении давления возрастает.
Когда фильтрационная корка сжата давлением, поверхность ее контакта с колонной будет меньше, а трение между колонной и коркой больше. Большая репрессия способствует быстрому оттоку фильтрата в пласт после возникновения прихвата. При более высоком давлении удерживающая сила больше. Насколько больше - зависит от качества фильтрационной корки.
Температура (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)
Повышение температуры приводит к уменьшению вязкости фильтрата. Чем легче проходит фильтрат через корку, тем выше скорость отложения твердых частиц. Усиливается также эрозия фильтрационной корки менее вязкой жидкостью. Температура влияет также на степень флокуляции и дефлокуляции глины в корке. Изучение влияния температуры на скорость фильтрации показало, что отток фильтрата при высокой температуре невозможно спрогнозировать путем исследований при более низкой температуре. Вот почему исследования бурового раствора иногда проводят в термостатирующих установках при температуре в интересующем интервале.
Контакт колонны со стенкой скважины (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)
Прижимающая сила, которая вдавливает колонну в глинистую корку, очевидно зависит от площади поверхности контакта колонны со стенкой скважины. Прижимающая сила равна произведению дифференциального давления на площадь поверхности контакта.
Прижимающая сила = дифференциальное давление х площадь поверхности контакта
(9.1)
При увеличении поверхности контакта прижимающая сила возрастает. Площадь поверхности контакта зависит от нескольких факторов:
•Соотношение между диаметром бурильной колонны и диаметром скважины
•Диаметр бурильной колонны
205
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
•Наличие резких искривлений ствола, уступов или желобов в стенке скважины и другой сложной геометрии ствола
•Наклон скважины
•Скопления шлама в скважине
•Толщина и сжимаемость фильтрационной корки
Чем ближе диаметр бурильной колонны к диаметру скважины, тем больше угол контакта и тем больше поверхность контакта. Чем больше диаметр бурильной колонны, тем больше поверхность контакта. Следует отметить, однако, что поверхность контакта бурильной колонны малого диаметра со стенкой скважины небольшого диаметра может быть больше поверхности контакта колонны большего диаметра со стенкой скважины большого диаметра
(рис. 9-12). Статистические данные говорят о том, что большинство дифференциальных прихватов возникает в скважинах небольшого диаметра.6
Чем ближе диаметр бурильной колонны приближается к диаметру скважины, тем больше поверхность контакта.
Рис. 9-12 Зависимость поверхности контакта от соотношения диаметров колонны и скважины
Бурильная колонна может прорезать небольшие желоба в местах резких искривлений ствола или в уступах. В таких местах диаметр колонны приближается к диаметру ствола, и углы контакта очень велики (рис. 9-13).
Желоба легче прорезаются в местах резких искривлений ствола или в уступах, когда велика поперечная нагрузка. Поперечная нагрузка определяется растяжением колонны на этой глубине. Поперечная нагрузка, и, следовательно, способность прорезать желоб, становится больше при увеличении длины открытого ствола под резким искривлением ствола.
Прихваты этого типа часто происходят с канатами для спуска скважинных приборов и устройств.
206
Поверхность контакта в желобе очень велика.
Рис. 9-13 Поверхность контакта в желобе
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Если скважина вскрыла перемежающиеся пласты песчаников и глинистых пород, то в интервалах более твердых песчаников скважина будет иметь номинальный диаметр, а в более мягких пластах глинистых пород диаметр скважины будет увеличен. Таким образом, проницаемый песчаник будет выступать в скважину. В таком случае стабилизаторы могут не обеспечить зазор между УБТ и пластом песчаника (рис. 9-14). Этот вывод относится и к рыхлым пескам.
Из-за образования уступов обеспечивается полный
Рис. 9-14 Выступы в скважине
В наклонной скважине бурильная колонна будет лежать на нижней стенке (рис. 9-15). Вес колонны вдавливает ее в фильтрационную корку, и угол контакта будет больше, чем в вертикальных скважинах. Часто колонна прорезает узкие желоба в нижней стенке.
Колонна вдавливается в фильтрационную корку на нижней стенке скважины под действием собственного веса
Рис. 9-15 Бурильная колонна лежит на нижней стенке
Представляют опасность также скопления шлама в скважине, в которые погружается колонна, и которые окружают колонну. Эти скопления шлама ведут себя подобно очень толстой фильтрационной корке. Когда колонна погружена в шлам, угол контакта может достигать 1800 и даже превосходить это значение (рис. 9-16).
207
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Скопления шлама |
ведут |
Чем толще фильтрационная корка, тем |
|
себя |
подобно |
очень |
больше поверхность контакта |
толстой фильтрационной |
В |
||
корке |
|
|
|
|
|
|
|
А
Рис. 9-16 Толстая фильтрационная корка и скопления шлама в скважине
Угол контакта и, следовательно, площадь поверхности контакта зависит от толщины фильтрационной корки. Чем толще фильтрационная корка, тем больше поверхность контакта (рис. 9-16В). Фильтрационная корка, сложенная бентонитом, обычно бывает высокопористой и сжимаемой. Частицы бентонита содержат большое количество связанной воды, и поэтому легко деформируются. Такие фильтрационные корки характеризуются большой толщиной и пористостью, даже если они относительно непроницаемы.
Неподвижное состояние бурильной колонны (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)
Как упоминалось раньше, бурильная колонна должна находиться в движении, чтобы в пространстве между колонной и фильтрационной коркой находился тонкий слой жидкости. Без этого тонкого слоя жидкости силы, действующие на колонну по всем направлениям, не будут уравновешены. Из этого тонкого смазывающего слоя жидкости поступает в корку фильтрат, и без этого слоя жидкости не может быть возмещен фильтрат, уходящий в пласт из фильтрационной корки. Поэтому давление в фильтрационной корке будет ниже в зоне контакта, чем в остальной части скважины. На фильтрационной корке возникает дифференциальное давление.
Время (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)
Создание зоны пониженного давления происходит постепенно. Продолжительность периода, в течение которого давление в фильтрационной корке выравнивается с пластовым давлением, зависит от проницаемости фильтрационной корки, вязкости фильтрата бурового раствора, репрессии и, до некоторой степени, проницаемости пласта.
После исчезновения смазывающего слоя действует некоторое дифференциальное давление. Сначала оно может быть невелико, но чем дольше колонна остается неподвижной, тем дольше происходит отток фильтрата из корки в пласт, и тем больше давление в фильтрационной корке приближается к пластовому давлению, и тем сильнее будет
208