12.2. Поглощение промывочной жидкости в трещиноватых породах

В связи с тем, что большая часть всех осложнений связана с водопоглощениями, основные усилия технологическая служба геологоразведочных экспедиций направляет на борьбу с поглощениями. Это одна из труднейших и важнейших проблем. Проведем расчет потерь и промывочной жидкости.

Для приведения жидкости, находящейся в трещине, в движение необходимо приложить усилие, равное по величине гидравлическому сопротивлению. Гидравлическое сопротивление определяется силой трения движущейся жидкости

F_тр=P (12.2)

где  - коэффициент трения; Р - нормальное давление жидкости. Нормальное давление жидкости равно

Р = Р_удS_бок=р_уд2bl (12.3)

где р_уд - удельное давление жидкости на единицу поверхности стенок трещины; S_бок - поверхность стенок трещины; b - ширина трещины; 1 - длина трещины.

Удельное нормальное давление равно разности давлений у стенок р_о и в центре трещины

,

, (12.4)

здесь - плотность жидкости: _ц - скорость течения жидкости в центре.

Тогда гидравлическое сопротивление трещин

  , (12.5)

где S₀ - поперечное сечение потока жидкости;  - величина раскрытия трещины.

Коэффициент трения жидкости  зависит от ее межмолекулярного взаимодействия. Межмолекулярное взаимодействие двух молекул воды или молекулы воды с молекулами (мельчайшими частицами) твердой фазы оказывается весьма значительным. У самой поверхности глинистой частицы, как отмечено выше, сила взаимодействия молекул воды и частицы достигает тысяч мегапаскалей [2]. Молекулы воды, удерживаемые этими силами, образуют гидратную пленку.

Если, по данным Е.М. Сергеева, ван-дер-ваальсовые силы вблизи глинистой частицы начинают действовать на расстоянии 4мкм, то в контакте воды с поверхностью стенок трещины эти силы действуют на значительно большие расстояния. Исследования автора на щелевом имитаторе, изготовленном из стальных дисков (рис.12.2), показали, что связанная вода наблюдается даже при раскрытии трещины 70 мкм. Это можно объяснить высокой поверхностной энергией дисков.

За пределами ван-дер-ваальсовых сил (электромолекулярных) действуют только электрические (кулоновские) силы, величина которых зависит от поверхностной энергии твердого тела:

, (12.6)

Таким образом, в зависимости от толщины слоя воды (раскрытости трещины) его прочности (межмолекулярное взаимодействие) и коэффициент трения резко изменяются. Существенное влияние на коэффициент трения оказывает и скорость течения жидкости .

С увеличением скорости и коэффициент трения понижается в соответствии с уравнением [34]

, (12.7)

где n - показатель степени, зависящий от толщины слоя воды и сил взаимодействия воды с твердым телом, для ван-дер-ваальсового взаимодействия n= 3, кулоновского n =,1; к -показатель степени, зависящий от структуры воды и режима течения; для связанной (структурированной) воды (в микротрещинах, структурированных растворах) к = 2  1; для ламинарного течения к = 1; для турбулентного течения к = 0.

При увеличении скорости течения структурированной воды сначала показатель степени понижается до 1 (в результате дезориентирования молекул связанной воды), затем понижается с 1 до 0 (в результате превышения нормального давления над электромолекулярными силами и их дезориентации).

В последнем случае коэффициент трения зависит преимущественно от сопротивления частиц молекул воды, перемещающихся (под воздействием разности давления на периферии и в центре течения) от стенок трещины к центру и, учитывая вышесказанное, гидравлическое сопротивление течения жидкости в трещинах можно записать в виде:

для структурного режима (при _ц=2)

, (12.8)

для ламинарного режима (при _ц=2)

, (12.9)

для турбулентного режима (при _ц=2)

, (12.10)

Заменяя значения и решая относительно Q. Определим расход (потерю) воды в трещинах с величиной при структурном режиме

, (12.11)

при ламинарном режиме

, (12.12)

при турбулентном режиме

, (12.13)

В зависимости от расхода (потерь) промывочной жидкости выделяют: частичное (до 90 л/мин), сильное (90-170 л/мин), полное (170-250 л/мин) и катастрофическое (более 250 л/мин) поглощения.

По величине раскрытия трещин A.M. Гончаренко поглощение подразделяет на четыре категории:

I при  < 7 мм ; II при  = 7 - 20 мм; III при  = 20-30 мм; IV при  > 30 мм.

Для своевременного принятия мер по предупреждению поглощений промывочных жидкостей ведут оперативные наблюдения за изменением статического уровня в скважине, объема промывочной жидкости в отстойниках с помощью различных уровнемеров, наблюдения за количеством промывочной жидкости, входящей в скважину и выходящей из скважины с помощью расходомеров, наблюдения за изменением давления на насосе и т.д.

Величина раскрытия трещин может определяться по различным методикам.

Одной из таких методик является определение величины раскрытия трещин по шламу. Считается, что в трещину вместе с промывочной жидкостью поступают частицы шлама размером меньшим, чем величина ее раскрытия. Если известны размеры частиц шлама, поступающих из скважины до бурения скважины и после бурения, то можно судить и о величине частиц шлама, унесенных жидкостью в трещины, а значит, и размерах самих трещин.

Существует методика определения величины раскрытия трещин (разработанная Б.М. Курочкиным [10]) по механической скорости бурения.

Б.М. Курочкин установил эмпирическую зависимость между приращением механической скорости ∆_м =/₀ в зоне поглощений от степени раскрытия трещин  (рис.11.1). Здесь , ₀ - механические скорости бурения в трещиноватом и нетрещиноватом интервале одной и той же породы.

Рис. 12.1. Зависимость степени раскрытия трещин от приращения механической скорости бурени

Наиболее широко распространены гидродинамические методы определения величины раскрытия трещин [41]. Для этого при различном давлении (уровне столба жидкости в скважине) определяют расход (потерю) промывочной жидкости. Затем определяют коэффициенты A=P/Q и B= = Р/Q² и по специальным номограммам находят величину раскрытия трещин.

Автором работы разработан метод определения величины раскрытия трещин по расходу двух видов промывочной жидкости (например, воды) при турбулентном режиме и при ламинарном режиме (структурированной жидкости).

Для этого определяют давление на пласт трещиноватой породы Р и расход Q сначала применяемого для промывки скважины бурового раствора, затем жидкости с отличным от применяемого бурового раствора технологическими параметрами. Закачивание последней можно делать по бурильной колонне с пакером. Подставляя значения параметров в формулы (12.12) и (12.13) и решая систему двух уравнений, определяем значения  и l.