БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

•снижается вязкость дисперсионной среды (воды), что приводит к обратимому снижению пластической вязкости;

•уменьшается толщина сольватной (гидратной) оболочки глинистых частиц, что облегчает их коагуляцию и флокуляцию, которые, в свою очередь, ведут к обратимому повышению динамического и статического напряжения сдвига (при очень высоких температурах структурные изменения могут стать необратимыми);

•ослабевают связи между элементарными чешуйками глины; при этом увеличивается степень ее диспергирования (термическая пептизация) и, как следствие этого, происходит необратимое повышение пластической вязкости и динамического напряжения сдвига;

•необратимо изменяются свойства реагентов, вплоть до химических превращений, модификации строения или расщепления макромолекул, что обычно ведет к повышению вязкости.

Характер и степень изменения вязкости под действием температуры определяются минералогическим составом и концентрацией глины, содержанием в промывочной жидкости инертных твердых частиц, наличием в ней химических реагентов

иих химическим составом, темпом и длительностью нагрева, давлением, скоростью сдвига и другими факторами. Что же касается давления, то его влияние на вязкость промывочных жидкостей на водной основе мало и связано, главным образом, с увеличением плотности дисперсионной среды в результате сжатия. Так, сжатие воды по мере роста давления от атмосферного до давления равного 70 МПа увеличивает ее вязкость примерно на 10 %.

Все это свидетельствует о необходимости проведения реометрических измерений при термобарических условиях, близких к тем, которые могут иметь место в конкретных скважинах, для чего специально выпускают высокотемпературные вискозиметры.

За рубежом для определения показателей реологических свойств промывочных жидкостей, в том числе и при высоких температурах, используют ротационные вискозиметры, выпускаемые в основном американской компанией Fann Instrument: FANN HC 34A и 34A; FANN 35A и 35SA; FANN 35A / SR12 и 35SA / SR12; FANN 70 HTHP. Измерительные узлы перечисленных вискозиметров подобны используемым в отечественных приборах типа ВСН. Различные модели вискозиметров FANN отличаются приводом (ручной, электрический); числом частот вращения наружного цилиндра (гильзы) и, соответственно, диапазоном скоростей сдвига; температурами

идавлениями, реализуемыми в ходе реометрических измерений; способами регистрации измеряемых величин.

В промысловой практике наибольшее распространение получили двухскоростные (300 и 600 мин–1) вискозиметры FANN HC 34A и 34A, первый из которых имеет ручной привод, а второй – электропривод, запитываемый от батареи напряжением 12 В. Основные характеристики измерительного узла этих вискозиметров (R = 18,415 мм; r = 17,245 мм; К = 0,511 Па/град) позволяют при принятых в США единицах измерения легко определять значения пластической вязкости, динамиче-

ского напряжения сдвига и эффективной (кажущейся) вязкости при скорости сдвига 1022 с–1 непосредственно по данным об углах поворота шкалы прибора при стандартных частотах вращения, поэтому их называют вискозиметрами с прямым отсчетом:

241

где η – пластическая вязкость, мПа с; ϕ600, ϕ300 – значения углов поворота шкалы вискозиметра при частотах вращения гильзы, равных 600 и 300 мин–1, град; τ0 – динамическое напряжение сдвига, фунт/100 фут2 (1 фунт / 100 фут2 = 0,4788 Па); ЭВ – эффективная вязкость, мПа с.

Вискозиметры FANN 35A и 35SA имеют шесть частот вращения гильзы (3, 6, 100, 200, 300, 600 мин–1), а FANN 35A / SR12 и 35SA / SR12 – двенадцать (0,9; 1,8; 3; 6; 30; 60; 90; 100; 180; 200; 300; 600 мин–1). Основные характеристики измерительного узла вискозиметров серии 35 аналогичны указанным выше для вискозиметров серии 34. При этом частота 3 мин–1 используется для определения статического напряжения сдвига после выдержки пробы промывочной жидкости в покое в течение 10 и 600 с, что соответствует стандарту Американского нефтяного института (АPI). Максимальная температура промывочной жидкости, исследуемой с помощью вискозиметров серии 35, может достигать 93,3 °С. Нагрев пробы промывочной жидкости до требуемой температуры осуществляется непосредственно в стакане вискозиметра с помощью специального съемного нагревательного блока.

Вискозиметр FANN 70 HTHP служит для определения реологических и струк- турно-механических свойств промывочных жидкостей при более высоких температурах (до 260 °С) и давлениях (до 20 МПа).

Полученная по результатам реометрии на том или ином ротационном вискозиметре совокупность (τi, Па; γi, с–1) является основой для расчета значений пласти-

где m – число использованных в процессе реометрических измерений частот вращения гильзы.

П р и м е р 1. По экспериментальным данным (табл. 4.2), полученным спомощью ротационного вискозиметра BСH-3 (r =19,81 мм; R = 22 мм; К = 0,17 Па / град), найти значения показателей реологических свойств исследуемой промывочной жидкости.

242

Для расчета η и τ0 по формулам (4.43) и (4.44) предварительно вычислим следующие суммы:

∑τi γi = 5,36 664,25 + 4,08 442,83 + 3,49 332,12 + 2,55 221,42 = 7090,85; ∑τi = 5,36 + 4,08 + 3,49 + 2,55 = 15,48;

∑γi = 664,25 + 442,03 + 332,12 + 221,42 = 1660,62;

∑(γi)2 = (664,25)2 + (442,83)2 + (332,12)2 + (221,42)2 = 796656,80.

Тогда окончательно получим:

η = [(7090,85 – 1/4 15,48 1660,62) 1000]/[(796656,80 – 1/4 (1660,62)2] = 6,2 мПа с; τ0 = 10 1/4 (15,48 – 0,001 6,2 1660,62) = 12,96 дПа;

КП = 100 12,96/6,2 = 209 с–1.

Для оперативной обработки результатов реометрии в Томском политехническом университете разработана компьютерная программа «Реология».

Идеальная с точки зрения реологии промывочная жидкость в нисходящем потоке (в бурильной колонне, гидравлическом забойном двигателе, насадках долота или промывочных каналах коронки), на забое и в очистных устройствах должна обладать вязкостью, близкой к вязкости воды, а в восходящем потоке иметь вязкость, необходимую и достаточную для транспортирования шлама на поверхность без аккумуляции его в скважине.

Желательные пределы изменения значений показателей реологических свойств промывочной жидкости, позволяющие характеризовать ее по всему выделенному комплексу показателей как отличную, хорошую и удовлетворительную, отражены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Желательные пределы изменения значений основных показателей реологических свойств промывочных жидкостей

4.4.4. Измерение и регламентирование значений условной вязкости промывочных жидкостей

Условная вязкость – величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению. В нашей стране условная вязкость (УВ, с) определяется временем истечения 500 см3 промывочной жидкости через вертикальную трубку 2 вискозиметра ВБР-1 из воронки 1, заполненной 700 см3 промывочной жидкости (рис. 4.11). В состав ВБР-1 также входят мерная кружка 3 и сетка 4.

243

Определение условной вязкости с помощью вискозиметра ВБР -1 произв одится в сле дующем порядке.

Воронку вискозиметра и мерную кружку промыть водой. Подготовить пробу промывочной ж идкости, тщательно перемешать ее и, закрыв отверстие трубки пальцем правой руки, через сетку залить в воронку до перелива исследуемую жидкость.

стие трубки и одновременно включают секундомер. Производят не менее трех замеров, среднее значение которых для пригодного к работе вискозиметра должно составлять (15 ± 0,5) с.

Вискозиметр ВБР-1 используется на каждой буровой установке для регулярных измерений условной вязкости. Н а получаемые при этом результаты существенное влияние оказывают статическое напряжение сдвига и плотность промывочной жидкости, от ве личины которых за висит, соответственно, скорость тиксотропного схватывания (загущения) и гидростатическое давление столба промывочной ж идкости в воронке ви скозиметра.

244

По этим причинам значения условной вязкости невозможно напрямую сопоставить со значениями тех показателей реологических свойств, которые измеряют с помощью ротационных вискозиметров, хотя такие попытки предпринимались неоднократно.

Для неутяжеленных промывочных жидкостей рекомендуются следующие значения условной вязкости:

где ρ – плотность промывчоной жидкости, кг/м3.

За рубежом условную вязкость промывочных жидкостей измеряют с помощью воронки Марша, которая в отличие от ВБР-1 оснащена трубкой меньшей длины (50,8 мм) и меньшего диаметра (4,7 мм), но при этом ее воронка и мерная кружка имеют большую вместимость: 1500 и 946 см3. Постоянная воронки Марша, т. е. время истечения одной кварты (946 см3) пресной воды при температуре 21 ± 3 °С, равна 26 ± 0,5 с. Порядок определения условной вязкости по воронке Марша аналогичен ВБР-1.

4.4.5. Фильтрационно-коркообразующие свойства

Столб промывочной жидкости, заполняющей скважину, создает гидростатическое давление, которое, как правило, превышает давление пластовых флюидов, находящихся в порах горных пород. Поскольку все горные породы в той или иной мере проницаемы, то при вскрытии их бурением под воздействием перепада давления происходит проникновение дисперсионной среды промывочной жидкости в околоствольное пространство. Поток дисперсионной среды перемещает частицы твердой фазы в направлении стенок скважины, и если размеры определенной части этих частиц находятся в диапазоне от чуть меньшего размера самых крупных пор до одной трети этого размера, то они застревают в суженных горловинах входа в поры и закупоривают их. Как только происходит закупорка входов в поры, в приствольной зоне порового пространства задерживаются и более мелкие частицы твердой фазы, образуя так называемую внутреннюю фильтрационную корку. Затем эти частицы откладываются уже непосредственно на стенках скважины и, таким образом, формируется наружная фильтрационная корка, через которую в околоствольное пространство поступает только фильтрат промывочной жидкости.

Следует отметить, что распространение фильтрата промывочной жидкости в радиальном направлении абсолютно не желательно, особенно при проходке слабосцементированных, рыхлых пород и вскрытии продуктивных песчано-глинистых пластов.

Поступление фильтрата промывочной жидкости в слабосцементированные и рыхлые породы вызывает их дополнительное увлажнение и связанные с этим обвалы, осыпи стенок скважины, частые и длительные проработки ее ствола, прихваты бурильной колонны и др.

Проникновение фильтрата в продуктивные песчано-глинистые пласты приводит к набуханию входящих в их состав глинистых минералов; образованию нерастворимых осадков, эмульсий и гелей, вызванному взаимодействием фильтрата с пластовыми флюидами; изменению вязкости последних и др. В результате снижает-

245

ся проницаемость приствольной зоны продуктивного пласта, что затрудняет вызов притока пластового флюида при освоении скважины и существенно уменьшает ее дебит, особенно в начальный период эксплуатации.

Полностью предупредить фильтрационные потери промывочных жидкостей на водной основе практически невозможно, их можно только минимизировать. Это достигается увеличением в промывочной жидкости доли прочносвязанной воды, которая настолько прочно удерживается частицами твердой фазы, что не может быть удалена из промывочной жидкости даже при огромных давлениях; снижением проницаемости образующейся на стенках скважин фильтрационной корки; повышением вязкости фильтрата, сопротивления его движению в поровом пространстве и др.

Доля прочносвязанной воды увеличивается с ростом адсорбционной активности твердой фазы промывочной жидкости и вводимых в нее химических реагентов, а также с повышением концентрации названных компонентов.

Адсорбционная активность глин и органических реагентов, т. е. способность их связывать воду, может быть оценена по величине адсорбции ими метиленовой сини (МС).

Известно, что максимальное количество связанной воды в глинах соответствует влажности их набухания. Максимальная влажность набухания бентонита, в зависимости от состава его обменного комплекса, находится в пределах от 1,3 до 2,3 г/г или от 3,4 до 6,0 см3/см3, а масса воды, связываемая органическими реагентами, составляет, например, для КМЦ-500 – 7,6 г/г; метаса – 14,68 г/г; М-14ВВ – 16,7 г/г.

Для проявления промывочной жидкостью способности образовывать фильтрационную корку гранулометрический состав ее твердой фазы должен подбираться с учетом размеров поровых каналов разбуриваемых пластов. Так, если размеры поровых каналов будут превосходить размеры частиц твердой фазы, то последние будут свободно проникать в поровое пространство вместе с дисперсионной средой, вызывая кольматацию приствольной зоны скважины твердой фазой; при размере частиц твердой фазы большем размеров поровых каналов они будут смываться со стенок скважины восходящим потоком промывочной жидкости, и только при указанном выше соотношении размеров поровых каналов и частиц твердой фазы на стенках скважины будет формироваться фильтрационная корка. Что же касается проницаемости фильтрационной корки, то известно, что она снижается с уменьшением среднего размера частиц твердой фазы и с расширением интервала их гранулометрического распределения от частиц чуть меньших размеров самых крупных пор до частиц коллоидных размеров. При отсутствии данных о размерах поровых каналов максимальные размеры частиц твердой фазы, обеспечивающие их закупоривание, можно выбрать, ориентируясь на проницаемость разбуриваемых пород: частицы размером менее 2 мкм обеспечивают закупоривание пород проницаемостью до 0,1 мкм2; частицы размером 10 мкм – сцементированных пород проницаемостью от 0,1 до 1,0 мкм2, а частицы размером 74 мкм – песков проницаемостью до 10 мкм2. Промывочная жидкость, содержащая частицы твердой фазы от коллоидных размеров до размеров равных 74 мкм, способна образовывать фильтрационную корку на поверхности любых пластов, за исключением гравийных и пластов с открытыми трещинами.

Проницаемость фильтрационных корок существенно снижается при обработке промывочных жидкостей химическими реагентами – понизителями фильтрации. К реагентам этой функциональной группы относятся в основном высокомолекулярные вещества (полимеры). Молекулы полимерных реагентов, несущие собственные

246

гидратные оболочки, имеют достаточно большие размеры, поэтому, встраиваясь в свободное пространство между твердыми частицами фильтрационной корки, они чисто механически снижают ее проницаемость. Присутствие в фильтрационной корке макромолекул длинноцепочечных полимеров приводит и к пластификации ее поверхности, в результате чего она становится менее подверженной эрозионному воздействию восходящего потока промывочной жидкости. Однако следует знать, что наличие в промывочной жидкости полимерных реагентов, обладающих флокулирующей способностью, может вызвать увеличение проницаемости фильтрационной корки вследствие того, что ее структура становится рыхлой.

Для того чтобы положительные стороны коркообразования проявлялись в полной мере, формируемая на стенках скважины фильтрационная корка должна быть не только малопроницаемой, но еще достаточно тонкой и прочной. Это обусловлено тем, что толстая фильтрационная корка сама может послужить причиной ряда осложнений в процессе бурения, в частности затяжек бурильной колонны при подъеме, чрезмерного крутящего момента при ее вращении, дифференциальных прихватов при остановках ее движения, импульсов давления при СПО и связанных с этим флюидопроявлений и поглощений промывочной жидкости.

Вероятность образования толстых фильтрационных корок особенно велика при вскрытии высокопроницаемых пород с крупными порами, узком гранулометрическом распределении размеров частиц твердой фазы промывочной жидкости, а также при низкой адсорбционной активности твердой фазы (высоком содержании в промывочной жидкости свободной воды). В этом случае объем фильтрата, уходящего в околоствольное пространство, и толщина образующейся фильтрационной корки могут быть настолько значительными, что промывочная жидкость, как гетерогенная дисперсная система, полностью утрачивает свои свойства в течение одного цикла циркуляции.

Что же касается требований к прочности, то она должна быть достаточной для того, чтобы фильтрационная корка обладала способностью удерживать от обрушения в ствол скважины генетически слабосвязанные горные породы и противостоять эрозионному действию восходящего потока промывочной жидкости.

При бурении имеют место два вида фильтрации: статическая, происходящая при остановках циркуляции промывочной жидкости в скважине, и динамическая – в условиях циркуляции. Очевидно, что по продолжительности своего проявления последняя явно преобладает. Кроме того, динамическая фильтрация характеризуется и более высокой скоростью. По этим причинам основная часть фильтрата (около 95 %) поступает в околоствольное пространство скважины в динамических условиях, т. е. при циркуляции промывочной жидкости.

Если предположить, что под воздействием перепада давления фильтрационная корка уплотняться (сжиматься) не способна и ее проницаемость тем самым остается неизменной, то накопленный объем фильтрата в процессе статической фильтрации может быть рассчитан по следующей формуле:

где V – накопленный объем фильтрата, м3; F – площадь фильтрационной корки, м2; k – проницаемость фильтрационной корки, м2; p – перепад давления, Па; μ – вяз-

247

кость фильтрата, Па с; Vк – объем фильтрационной корки, м3; t – продолжительность фильтрации, с.

Так как Vк = Fδ, где δ – толщина фильтрационной корки, м, то

После преобразования (4.48) получим

Скорость фильтрации (υф, м/с) равна объему фильтрата, проходящего через единицу площади фильтрационной корки (F, м2) в единицу времени (t, с):

Таким образом, с учетом (4.49)

Выражение (4.51) есть ничто иное, как линейный закон фильтрации Дарси, в соответствии с которым скорость фильтрации (υф) пропорциональна градиенту давления ( p/δ), обратно пропорциональна вязкости фильтрата (μ) и зависит от структуры пористой среды, характеризуемой коэффициентом пропорциональности (k), который имеет размерность площади и называется проницаемостью.

Из (4.48) и (4.50) следует, что в условиях статической фильтрации, когда промывочная жидкость неподвижна, скорость фильтрации снижается, а толщина фильтрационной корки увеличивается со скоростью, затухающей во времени. Таким образом, через какой-то определенный промежуток времени скорость статической фильтрации вполне может стать равной нулю. Действительно, если даже допустить, что из промывочной жидкости может быть отфильтрована вся свободная вода, то в объеме скважины ее количество вполне ограниченно (конечно).

Вусловиях динамической фильтрации рост фильтрационной корки ограничен эрозионным (разрушающим) воздействием восходящего потока промывочной жидкости. При этом степень эрозии фильтрационной корки зависит от скорости сдвига, имеющей место при течении промывочной жидкости в кольцевом пространстве скважины, и от сопротивления, которое оказывают сдвигу верхние слои фильтрационной корки.

Вмомент вскрытия пласта бурением скорость фильтрации высока и фильтрационная корка быстро растет. После того как скорость роста корки становится равной скорости ее эрозии, толщина фильтрационной корки и скорость фильтрации сохраняются постоянными, т. е. наступает период так называемой равновесной динамической фильтрации. Продолжительность времени до наступления этого периода зависит от типа промывочной жидкости и скорости ее циркуляции в кольцевом пространстве скважины. При этом независимо от типа промывочной жидкости с ростом скорости ее восходящего потока скорость равновесной динамической фильтрации увеличивается.

248

Таким образом, в динамических условиях скорость фильтрации не затухает во времени, как в с татических, а остается постоянной. Поскольку при этом объем циркулирующей промывочной жидкости, как правило, полуторократно превышает объем скважины и поддерживается постоянным, то при динамической фильтрации существ енно выше и потенциальный объем фильтрата.

Все это указывает на почти полное отсутствие какой-либо взаимосвязи между показателями, характеризу ющими статическую и динамическую фильтрацию одной и той же промы вочной жидкости. Например, с повышением содержания в промывочной жидкости глинопорошка фильтрационные потери в статических условиях снижаются, а скорость ди намическ ой фильтрации при этом остается неизменной. Единственным общим фактором, о пределяющим скорость как статической, так и дина мической фильтрации, является проницаем ость фильтрационной корки.

Между тем фильтрационно-коркообразу ющие свойства промывочных ж идкостей традиционно характеризуют лишь показателем статическо й фильтрации и толщиной фильтрационной корки.

Показатель фильтрации (Ф, см3/30 мин) численно равен объему фильтрата, прошедшего за 30 мин через фильтрационную корку диаметром 75 мм при определенном перепаде давления ( р). В нашей стране показатель фильтрации принято

249

Поверх подготовленного таким образом фильтра уложить резиновую прокладку 9, ввернуть фильтрационный стакан в основание, вставить пробку. Подготовить секундомер и положить его рядом с прибором.

Залить в фильтрационный стакан предварительно перемешанную пробу промывочной жидкости, не доливая до края на 3…4 мм.

Навернуть цилиндр 3 на стакан. Налить в цилиндр индустриальное масло И-30А, не доливая до верхнего края втулки на 10 мм. Во избежание смешивания масла с промывочной жидкостью его следует наливать слабой струей так, чтобы оно стекало по внутренним стенкам цилиндра.

Вставить плунжер 1 в цилиндр 3. Приоткрыть иглу 5 и, вращая плунжер рукой за накатку на грузе, подвести нулевое деление шкалы 2 к отсчетной риске на верхнем крае втулки 4. Если нулевое деление шкалы опустится ниже риски, то фактическое начальное показание прибора по шкале нужно принять за нулевое, вычитая его из всех промежуточных и окончательного отсчетов.

В момент вытаскивания пробки 8 включить секундомер. Все операции от заполнения стакана промывочной жидкостью до пуска секундомера следует производить с минимальной продолжительностью, чтобы исключить возможность осаждения на фильтре частиц дисперсной фазы под действием силы тяжести и искажения вследствие этого результатов измерений.

Через 30 мин взять отсчет, все это время периодически, вначале чаще, вращая плунжер 2 рукой за накатку на грузе.

После взятия отсчета открыть иглу 5, выпустить масло в чашку цилиндра и при открытой игле вынуть из него плунжер. Затем закрыть иглу, отвернуть цилиндр от стакана и слить масло из чашки в масляный бачок.

Вылить содержимое фильтрационного стакана 6 и промыть его, подставив горловину под слабую струю воды. После этого вылить воду и отвернуть стакан от основания прибора 7.

Извлечь фильтр 10 с образовавшейся на нем фильтрационной коркой и измерить ее толщину.

Известно, что если пренебречь небольшой ошибкой при значениях времени, близких к нулю, то в условиях статической фильтрации промывочной жидкости через фильтровальную бумагу объем фильтрата пропорционален корню квадратному из времени фильтрации:

где Фt – величина показателя фильтрации по истечение t минут с момента начала фильтрации, см3; Ф0 – величина ошибки при значениях времени, близких к нулю, см3; Ф30 – величина показателя фильтрации за стандартное время замера, равное 30 мин, см3.

Ошибка при значениях времени, близких к нулю, возникает в результате способности мельчайших частиц твердой фазы промывочной жидкости проходить через фильтровальную бумагу, прежде чем произойдет закупоривание ее пор. При измерениях это проявляется в скачке показаний прибора ВМ-6 от нуля до определенного значения, которое называют мгновенной фильтрацией (Ф0, см3). После этого через фильтровальную бумагу проникает только фильтрат.

250