1.4 Методы и средства улучшения свойств технологических жидкостей для первичного вскрытия продуктивных пластов

Для успешного бурения глубоких скважин, качественного вскрытия продуктивных пластов промывочные жидкости должны эффективно выполнять комплекс гидростатических, гидродинамических и физико-химических функций. Выполнение этих функций направлено на решение следующих основных технологических задач: качественное вскрытие продуктивных пластов; обеспечение получения достоверной информации по результатам геофизических исследований скважин; сохранение устойчивости стенок ствола, предупреждение осыпей и обвалов горных пород, проявлений пластовых флюидов, поглощений технологической жидкости; качественная, своевременная очистка забоя и ствола от шлама; предупреждение сальникообразований, затяжек и прихватов приборов и инструментов в скважинах; улучшение показателей работы породоразрушающих инструментов; обеспечение экологической безопасности нефтегазовой скважины как промышленного объекта. Современная глубокая бурящаяся скважина представляет собой сложную высокотехнологичную систему, успешность функционирования которой во многом определяется, наряду с высокой квалификацией персонала, качеством буровой промывочной жидкости. В мировой практике находят применение десятки составов и сотни рецептур промывочных жидкостей.

Наиболее распространёнными в буровой технологии являются промывочные жидкости на водной основе, что обусловлено их технологичностью, высокой экологической безопасностью, способностью к модифицированию, приспосабливаемостью к различным условиям бурения. Если в процессе бурения скважины хотя бы одна из перечисленных выше задач не решается в силу субъективных или объективных причин, уровень эффективности вскрытия продуктивного пласта, как и в целом строительства скважины, снижается. Поэтому в современных рецептурах промывочных жидкостей содержатся, кроме реагентов, которые можно отнести к обязательным, обеспечивающим соответствие технологических параметров геолого-техническому наряду, также и реагенты для регулирования специальных свойств растворов. Анализ показывает, что современная многофункциональная рецептура промывочной жидкости содержит не менее 8-10 компонентов. В связи с этим всегда существует необходимость изучения совместимости реагентов между собой, исследуются также вопросы создания полифункциональных реагентов [16]. В таблице 1.4 показаны рецептуры современных промывочных жидкостей используемых в настоящее время на месторождении Алибекмола и компонентный состав нашего рекомендуемого раствора для данного месторождения.

1.5 Методические особенности исследований улучшения качества технологических жидкостей для продуктивных пластов

Снижение проницаемости прискважинной зоны продуктивных пластов происходит на различных этапах заканчивания скважин по многим причинам, соответственно и используются различные методы и средства профилактики их загрязнения. Выше было показано, что на качество вскрытия продуктивных пластов и их глушения большое влияние оказывают используемые технологические жидкости (ТЖ), совершенствование которых производится по различным направлениям. Большой интерес в этой связи представляют применяемые методики исследований и обоснование их выбора для улучшения тех или иных свойств ТЖ.

Наиболее распространённой характеристикой качества вскрытия и освоения продуктивных пластов является степень изменения гидропроводности ПЗП, которая количественно определяется отношением фактической и потенциальной гидропроводностей коллектора:

, (4)

Показатель «ОП» можно определить как по результатам промысловых гидродинамических исследований, так и по лабораторным экспериментам с использованием кернов продуктивных пластов [15]. Для определения показателя «ОП» используются различные методы, включая оценку по отношению фактической продуктивности к потенциальной (идеальной) продуктивности скважины или по формулам, учитывающим относительную проницаемость и протяженность зоны загрязнения фильтратом ТЖ. Например, в [1] «ОП» рассчитан по формуле:

, (5)

где β - коэффициент восстановления проницаемости;

, - радиусы зоны проникновения фильтрата и скважины.

При анализе результатов воздействия различных технологических операций на фильтрационно-ёмкостные свойства (ФЕС) продуктивных пластов используются также сведения по затратам времени на освоение (на вызов притока), по начальным и среднесуточным дебитам, по коэффициентам удельной продуктивности (приёмистости) коллекторов, по величине «скин- эффекта», характеризующего степень загрязнения приствольной зоны продуктивного пласта.

При поисковых исследованиях методов и средств улучшения качества вскрытия продуктивных пластов совершенствованием составов и свойств ТЖ используются различные экспериментальные установки, приборы и методики [16], в той или иной степени моделирующие пластовые условия.

При решении прикладных задач современные научные исследования базируются как правило на методах физического моделирования, планирования инженерного эксперимента и статистической обработки опытных данных.

Методические особенности исследований по совершенствованию составов и свойств ТЖ для сохранения ФЕС продуктивных пластов связаны со следующими специфическими требованиями:

1 Соответствие лабораторных образцов горных пород породам продуктивных пластов по литолого-петрографическим, механическим свойствам. В большой мере это достигается использованием в опытах естественных горных пород (кернов) и искусственных образцов с заданной проницаемостью.

2 В опытах по фильтрации должны использоваться образцы пластовых флюидов или их модели с аналогичными свойствами.

3 Соответствие термобарических условий фильтрации в экспериментах и в пласте.

4 Исследуемые промывочные жидкости и составы глушения должны соответствовать общетехнологическим требованиям для эффективного выполнения основного целевого назначения. В частности, промывочные жидкости для разбуривания продуктивного пласта должны, наряду с сохранением ФЕС пород, обеспечивать безаварийную, без осложнений проводку ствола в заданные сроки.

При поисковых исследованиях и разработке методов и средств улучшения качества ТЖ, предназначенных для выполнения технологических операций на различных этапах работы с продуктивными пластами созданы соответствующие поставленным задачам методики [16].

Для тестирования влияния ТЖ на ФЕС коллекторов используются экспресс методы, основанные на изучении проницаемости специальных пористых материалов (или корок) [7]. Изучение влияния ТЖ на проницаемость фильтрационных корок очень важно для буровой технологии, поскольку именно корки сильно ограничивают поступление ТЖ и их фильтратов в продуктивные пласты. Оценку проницаемости корок проводят и с помощью приборов ВМ-6, фильтр-прессов FANN.

Проницаемость фильтрационных корок — один из нескольких показателей, характеризующих коркообразующие свойства ТЖ. Очень важными являются и такие показатели как липкость (адгезия), коэффициент трения в паре «корка-металл», толщина и показатели механических свойств корок, поскольку они во многом определяют прихватоопасность в скважинах, затраты энергии на спускоподъемные операции, сальникообразование на элементах бурильной колонны. Образование сальников приводит к повышению гидродинамических давлений в кольцевом пространстве скважин и, как следствие, к росту проникновения ТЖ и их фильтратов в продуктивный пласт. Так, в [1] показано, что рост репрессии на 19-32 % приводит к увеличению коэффициента закупорки пласта до 3,5 раз.

Адгезионные и антифрикционные свойства фильтрационных корок в целом характеризуют ТЖ как среду, в которой формируется прихватоопасная ситуация. Прихватоопасность в современной буровой технологии возросла в связи с увеличением объёмов бурения пологих скважин, боковых стволов, скважин с горизонтальным окончанием. Поэтому большое внимание исследователей уделяется разработке средств профилактики прихватов в скважинах. Используемые при этом методы экспериментального подбора профилактических смазочных добавок, как правило, незначительно моделируют скважинные условия взаимодействия корки и поверхностей элементов бурильной колонны, особенно в части формирования корки и действующих перепадов давления, усилий прижатия в паре «метал—корка».

Наиболее глубокие исследования, применительно к бурению скважин, роли структуры корки и перепада давления в формировании её свойств выполнены в бывшем ВНИИБТ под руководством профессора Э.Г. Кистера [7], которые показали важность учёта указанных факторов при разработке смазочных добавок. Однако, в связи со сложностью экспериментальной установки, эти исследования дальнейшего продолжения не получили. В настоящее время широкое распространение нашли экспресс-методы с использованием приборов (тестеров) для изучения антифрикционных свойств корок КТК-2, КСК, ЛК-1, ФСК-2М-М, тестер Fann и др.

Приборы КТК-2, КСК имеют низкую воспроизводимость опытов, по- видимому, из-за неконтролируемого изменения удельного усилия прижатия металлического пуансона к фильтрационной коре, а также трудностей обеспечения постоянной площади их контакта. Модифицированный прибор КТК-2М, как и прибор ФСК-2М-М, обеспечивает достаточно высокую воспроизводимость опытов. В КТК-2М цилиндрический пуансон заменён на плоский брусок.

Достоинством «Тестера измерения прихвата под действием перепада давления № 21150» фирмы FANN является возможность оценки «склонности трубы к прихвату» при стандартном давлении ~ 3 МПа.

Методологической особенностью современных исследований улучшения качества технологических жидкостей для работы с продуктивными пластами является разработка компонентного состава многофункционального, комплексного действия. Усложняется также технология приготовления и оперативного управления свойствами ТЖ.

Таким образом, анализ методических подходов разработки компонентного состава комплексного действия показывает целесообразность установления механизмов взаимодействия при управлении необходимыми для ТЖ свойствами и реализации одновременно нескольких из них с помощью многофункционального реагента. Анализ научно-исследовательских работ в области создания комплексных реагентов указывает на необходимость тщательного обоснования выбора методов испытаний. Конкретный выбор методов экспериментального исследования определяется целью работы и теми задачами, которые необходимо решить для её достижения.

С целью сохранения проницаемости продуктивных пластов на этапах первичного и вторичного вскрытия скважин также выполнены успешные исследования по разработке реагентов комплексного действия.

2 Обоснование выбора методов исследований

2.1 Принципы выбора методов исследований

Поставленная в работе цель улучшения качества первичного вскрытия продуктивных пластов должна быть достигнута посредством разработки и применения более современных рецептур технологических жидкостей, содержащих ограниченное количество средств управления их.

При этом логика выбора этапов первичного вскрытия продуктивных пластов заключается в том, что именно на этих этапах заканчивания скважин могут использоваться аналогичные ТЖ (промывочные растворы, составы глушения), посредством которых успешно реализуются современные методы профилактики различных блокировок пористого пространства продуктивных коллекторов. Именно разработанные к настоящему времени методы профилактики загрязнения продуктивных пластов и определяют круг потенциально возможных решений, реализуемых через ТЖ и реагенты комплексного действия.

Задачи, решаемые технологическими жидкостями на этапе первичного вскрытия продуктивных пластов, рассмотрены нами в пункте 1.5. Из приведённого обзора следует, что эти задачи имеют важное и самостоятельное значение для буровой технологии, но в большинстве своём они напрямую или опосредствованно связаны с качеством вскрытия продуктивных пластов. Разработка компонентного состава промывочных жидкостей при первичном вскрытии пластов существенно усложняется необходимостью обеспечения соответствия технологических параметров раствора требованиям проектных регламентов, ориентированных на успешную проводку скважины, включая не всегда совместимые по условиям бурения интервалы.

В целом методология разработки средств улучшения свойств технологических жидкостей для первичного вскрытия продуктивных пластов предусматривает поэтапное и последовательное изучение совместимости компонентов ТЖ, обоснование выбора ингредиентов их оптимального сочетания в зависимости от решаемых задач, а также промысловые испытания наиболее перспективных рецептур реагентов и технологических жидкостей.

При выполнении лабораторных экспериментальных исследований очень важно правильно выбрать выходной параметр (параметр оптимизации) и определяющие факторы, которые в виде обобщённых переменных и являются критериями подобия. Члены уравнения связи параметра оптимизации и определяющих факторов, используя метод нулевых размерностей, переводят в безразмерные комплексы. Это позволяет при меньшем количестве членов уравнения провести оценку уровня соответствия (уровня приближения) модели и натуры, а при необходимости и скорректировать его изменением любого члена безразмерного комплекса.

Для удобства разделим условно все методы экспериментального изучения свойств технологических жидкостей для первичного вскрытия продуктивных пластов на три группы:

1 методы, использующие стенды и экспериментальные установки, обеспечивающие физическое моделирование процессов в моделях и скважинах;

2 экспресс-методы оценки влияния состава ТЖ на их свойства, предназначенные для сокращения этапа предварительных испытаний, направленных на установление качественного влияния того или иного компонента на свойства среды, проверки рабочих гипотез при формировании компонентного состава технологических жидкостей и др.;

3 методы контроля параметров технологических жидкостей в соответствии с существующими руководящими документами.

При выполнении магистерской диссертационной работы использованы в соответствии с указанными группами: методы изучения совместимости компонентов ТЖ, ингибирующих, гидрофобизирующих, коркообразующих, поверхностно-активных, триботехнических и антикоррозионных свойств ТЖ; методы измерения общетехнологических параметров жидкостей, включая плотность, вязкость, напряжения сдвига, показатель фильтрации, рН, показатели кинетической устойчивости, биоразлагаемости, температуры застывания реагентов и др. Некоторые из вышеперечисленных методов описаны в работах других авторов. Тем не менее, считаем необходимым изложить сущность методов испытаний в диссертационной работе, тем более что часть из них являются новыми для буровой технологии или усовершенствованными под решение конкретных задач при разработке компонентного состава.