8.2 Статична та динамічна фільтрація бурових промивальних рідин

Під час буріння свердловин спостерігається два види фільтрації: статична, яка відбувається коли буровий розчин не циркулює і він не заважає росту фільтраційної кірки, та динамічна, яка відбувається в умовах, коли буровий розчин циркулює, а збільшення фільтраційної кірки не спостерігається.

Під час фільтраційних процесів у свердловині спостерігається закупорювання проникних горизонтів (рис. 8.1). Коли ми замірюємо фільтрацію бурового розчину у стандартних умовах до утворення фільтраційної кірки спостерігається миттєва фільтрація. Отже, миттєва фільтрація – це фільтрація заміряна в початковий момент часу до утворення фільтраційної кірки. Після цього об’єм фільтрату стає пропорційним квадратному кореню із часу фільтрації. Під час буріння свердловини миттєва фільтрація може бути значною, якщо гірські породи мають високу проникність, а буровий розчин не містить частинок такого розміру, які необхідні для закупорювання порового простору породи в результаті утворення перемичок, на яких формується фільтраційна кірка. Перемички здатні утворювати тільки ті частинки, розмір яких знаходиться у певному співвідношенні із розміром пор.

Частинки, які за розмірами більші від пор і не можуть потрапити у пори, змиваються потоком бурового розчину; частинки значно меншого розміру ніж пори без перепон проникають у породу. Але частинки певного критичного розміру застрявають у звуженнях порових каналів і формують склепінчасті перемички безпосередньо на поверхні пористого пласта.

Після формування такої перемички починають утримуватися частинки все меншого розміру в тому числі і найдрібніші колоїдні частинки. Вже після цього у пласт проникає лише фільтрат бурового розчину, час миттєвої фільтрації досить короткий, максимум 1-2 сек.

Рисунок 8.1 – Утворення фільтраційної кірки на стінках свердловини

В результаті прояву вищеописаного процесу на поверхні та всередині проникного горизонту формується кілька ділянок (рис. 8.2), найважливіші із яких:

– фільтраційна кірка на стінках свердловини (2);

– ділянка утворення склепінчастих перемичок (3);

– ділянка проникнення твердої фази (ділянка кольматації). Товщина цієї ділянки до10 мм (4).

1 – потік бурового розчину; 2 – фільтраційна кірка; 3 – склепінчасті перемички; 4 – зона кольматації; 5 – ділянка поступлення фільтрату бурового розчину

Рисунок 8.2 – Забруднення проникнених горизонтів буровим розчином

На початковій стадії найдрібніші частинки не викликають помітного зменшення проникності, але після фільтрації, яка триває кілька годин проникність стає низькою внаслідок руху твердих частинок із наступним блокуванням пор гірських порід.

В умовах динамічної фільтрації потовщення фільтраційної кірки обмежено змиваючою дією потоку бурового розчину. В момент розкриття проникних пластів швидкість фільтрації зростає швидко, але з часом її зростання сповільнюється. Після того, як швидкість зростання кірки стає рівною швидкості її змивання, товщина кірки стає постійною. Отже, в динамічних умовах швидкість фільтрації залежить від товщини та проникності кірки і описується законом Дарсі. В статичних умовах товщина кірки зростає довго, а швидкість фільтрації визначається основним рівнянням фільтрації.

Фільтраційні кірки, які сформовані в статичних умовах, відрізняються тим, що їхні верхні шари м’які і не ущільнені і легко змиваються потоком бурового розчину.

На рис. 8.3. Наведені різні стадії статичної та динамічної фільтрації.

1 – товщина фільтраційної кірки, утвореної в динамічних умовах;

2 – товщина кірки утвореної в статичних умовах; 3 – товщина комбінованої кірки (постійна); 4 – товщина кірки збільшується; 5 – товщина кірки постійна; 6 – швидкість фільтрації постійна; 7 – швидкість фільтрації зменшується

Рисунок 8.3 – Порівняння статичної та динамічної фільтрації у

свердловині

Ділянка –а-в – динамічна фільтрація.

Т₀-Т₁ – швидкість фільтрації зменшується, а товщина фільтраційної кірки зростає.

Т₁-Т₂ – товщина фільтраційної кірки залишається постійною, а швидкість фільтрації все ще зменшується через ущільнення кірки кірки. В момент часу Т₂ досягаються умови рівноваги.

Т₂-Т₃ – швидкість фільтрації та товщина фільтраційної кірки стають постійними.

Ділянка в-с – статична фільтрація, відновлення циркуляції.

Т₃-Т₄ – швидкість фільтрації зменшується, а товщина фільтраційної кірки збільшується, так як після припинення циркуляції бурового розчину тверді частинки осідають на кірку. Сформовану у динамічних умовах і при цьому товщина кірки збільшується.

Т₄-Т₅ – час відновлення циркуляції. Швидкість фільтрації зростає, а товщина фільтрації кірки зменшується, але частина кірки сформованої у статичних умовах ще зберігається.

Ділянка с-d – динамічна фільтрація, ерозійне зшивання м’якого шару кірки.

Т₅-Т₆ – товщина фільтраційної кірки залишається постійною, а швидкість несуттєво зменшується.

Т₆-Т₇ – товщина фільтраційної кірки і швидкість фільтрації залишаються постійними.

Таким чином, під час кожного циклу фільтрації (динамічної і статистичної) товщина фільтраційної кірки збільшується, але абсолютне значення цього потовщення надзвичайно мале. Слід також зауважити, що потовщення фільтраційної кірки обмежується через тертя до неї бурильного інструменту під час обертання та під час спуско-підіймальних операцій.

Важливо відзначити, що біля 70-90 % фільтрату проникає в пласт при динамічних умовах і тільки 10-30 % при статичних умовах.

На вибої свердловини за рахунок високо ерозійних ступенів бурового розчину, а також внаслідок оголення свіжої поверхні породи під час кожного удару зуба долота утворюється дуже тонка фільтраційна кірочка, яка також обмежує проникнення фільтрату в гірські породи під долотом.

Хавенаар вивів наступне рівняння для фільтрації вибою свердловини в процесі буріння:

, (8.10)

де: Q – швидкість фільтрації см³/с; n – число шарошок в долоті; w – частота обертання долота с^-1; c – постійна .

Для покращення бури мості порід необхідно, щоб миттєва фільтрація була максимальною. За малий проміжок часу під дією перепаду тиску фільтрується мала кількість розчину, яка проникає в зону руйнування через площу вибою. Ця фільтрація сприяє вирівнюванню тисків під долотом і в зоні перед що і підвищує механічну швидкість буріння.