Проницаемость фильтрационной корки

Проницаемость фильтрационной корки является основным параметром, от которого зависит как статическая, так и дина­мическая фильтрация. Она более точно отражает механизм фильтрации в скважине, чем любой другой параметр. В каче­стве параметра для оценки фильтрационных свойств буровых растворов с различной объемной долей твердой фазы , проницае­мость фильтрационной корки обладает существенным преиму­ществом над объемом фильтрата, поскольку, как следует из рис.4, она не зависит от объемной доли твердой фазы (не­большое увеличение проницаемости при низкой объемной доле твердой фазы, показанное на рис.4, связано с осаждением крупных частиц). Более того, проницаемость корки позволяет получить полезную информацию об электрохимических усло­виях, преобладающих в буровом растворе.

Уильяме и Кэннон при оценке проницаемости фильтрацион­ной корки получили значения от 0,2 до 0,6 нм² при давлении 0,8 МПа для буровых растворов, используемых в районах север­ного побережья Мексиканского залива, и 72 нм² для раствора, применявшегося в Западном Техасе. Бик измерил проницае­мость корки, образующейся при давлении 3,3 МПа из раство­ров, применяемых в шт. Калифорния, и получил значения от 0,46 до 7,42 нм². Измеряя проницаемость кернов (она изменя­лась от 0,01 до 14мкм ²), Бик показал, что скорость фильтра-

ции зависит только от проницаемости корки, которая по крайней мере на несколько порядков ниже проницаемости горных пород. Гейтс и Боуи определили проницаемость корки для 20 промыс­ловых и 40 лабораторных буровых растворов, она изменялась от 0,31 до 250 нм² при давлении 0,7 МПа.

Упомянутые исследователи измеряли проницаемость корки по ее толщине и скорости фильтрации в конце испытания. Гейтс и Боуи отмечали трудности точного измерения толщины корки. Этих трудностей можно избежать, если для оценки объ­ема корки воспользоваться методом Энгельгарта и Шиндевольфа. Затем проницаемость глинистой корки рассчитывается по уравнению (6), приведенному к следующему виду:

k= Q_wQ_cµ/(2tpA²) (10)

Если Q_w и Q_с выражены в кубических сантиметрах ,t – в секундах ,р- в килограммах на квадратный сантиметр , µ-в милипаскаль-секундах ,то уравнение ( 10) примет вид ,характерный для испытаний по методике АНИ.

k=1,99 Q_wQ_cµ (11)

где k — проницаемость, нм².

Этот метод используется для изучения статической фильтра­ции в лабораторных условиях. На буровой, где точность опреде­лений не имеет решающего значения, толщину фильтрационной корки удобно измерять вручную, после чего расчеты производят по уравнению (6), приведенному к следующему виду:

k =Q_whµ/(2tpA) (12)

Если hвыразить в миллиметрах ,то k=8,95 Q_whµ,

где где k — проницаемость, нм².

Влияние размера и формы твердых частиц на проницаемость фильтрационной корки

Крумбейн и Монк исследовали проницаемости фильтров из речного песка; для этого песок разделили на десять фракций, из которых готовили две группы смесей. В одной группе смеси состояли из частиц, средний диаметр которых возрастал, но во всех смесях присутствовали частицы одного и того же диапазона размеров, определяемого -по относительной шкале (рис. 6.7). В другой группе все смеси состояли из частиц, кото­рые- имели одинаковый средний диаметр, а диапазон размеров увеличивался от смеси к смеси. Исследования показали, что проницаемость фильтра снижается с уменьшением среднего диаметра частиц и с увеличением диапазона размеров частиц

При равномерной градации частиц можно ожидать мини­мальной проницаемости фильтрационной корки. Однако экспе­рименты Бо, о которых уже говорилось, показали, что мини­мальные проницаемости достигались при избытке мельчайших частиц, а не при линейном распределении частиц по размерам . Поэтому можно предположить, что равномерная градация частиц по размерам имеет второстепенное значение. В фильтрационной корке, очевидно, не должно быть значитель­ных пустот, иначе мелкие частицы будут проходить через поры между крупными частицами.

Крумбейн и Монк показали, что проницаемость фильтраци­онной корки резко снижается с уменьшением размера частиц. Буровые растворы содержат множество коллоидных частиц, размер которых может не превышать 10 нм. Неудивительно по­этому, что проницаемость образуемых ими фильтрационных ко­рок почти полностью определяется содержанием и свойствами коллоидной фракции. Хотя данные, полученные Гейтсом и Боуи, свидетельствовали лишь об общей корреляции размера частиц и проницаемости (так как ими не была учтена различная сте­пень флокуляции частиц), группа буровых растворов с наиболее крупной коллоидной фракцией (рис. 6.9, А) образовывала филь­трационные корки проницаемостью от 0,31 до 1,5 нм², в то время как группа растворов, не содержавшая коллоидных ча­стиц (рис. 6.9, Б), образовывала фильтрационные корки настолько высокой проницаемости ,что ее невозможно было измерить.

На проницаемость корки, конечно,влияет вид коллоидных частиц, а также их число и размер. Так, фильтрационные корки, образуемые из бентонитовых суспензий в пресной воде, имеют исключительно низкие проницаемости вследствие пластинчатой структуры глинистых частиц, благодаря которой они плотно размещаются перпендикулярно к направлению потока. Органи­ческие макромолекулы крахмала, например, обязаны своим эффективным действием деформации гидролизованных ядер, а также их малому размеру. Полиэлектролиты, например карбоксиметилцеллюлоза, частично адсорбируются на глинистых частицах, а частично застревают в порах; тем самым они препятствуют движению суспензии в результате физического закупоривания, а также за счет проявления вязкостного эф­фекта и действия электрического заряда частиц .

При использовании битумных буровых растворов регулиро­вать фильтрацию можно только в том случае, если битум нахо­дится в коллоидном состоянии. Фильтрация становится некон­тролируемой, если содержание ароматической фракции в угле­водородной фазе суспензии слишком мало (анилиновая точка выше 65 °С), поскольку происходит коагуляция битума, а также если это содержание слишком высоко (анилиновая точка ниже 32 °С), так как в этом случае битум переходит в истинный раствор. При использовании других видов буровых растворов на углеводородной основе регулирование фильтрации дости­гается благодаря образованию тонкодиспергированных эмуль­сий воды в углеводородной фазе при добавлении эффективных органических эмульгаторов. . Мельчайшие, весьма устойчивые капельки воды ведут себя как деформируемые частицы твердой фазы, обеспечивая низкую проницаемость фильтрационных корок.

Влияние флокуляции и агрегации на проницаемость фильтрационной корки

При флокуляции буровых рас­творов происходит ассоциация твердых частиц с образованием рыхлой решетчатой структуры. Эта структура частично сохра­няется в фильтрационных корках, способствуя значительному увеличению проницаемости. Чем выше перепад давления при фильтрации, тем сильнее уплотняется образующаяся структура, благодаря чему снижаются как пористость, так и проницаемость корки. С увеличением степени флокуляции становятся более значительными силы притяжения между частицами, поэтому структура упрочняется и ее сопротивление давлению повы­шается (рис. 6.10). Структура делается еще более прочной, если флокуэтяция сопровождается агрегацией, поскольку в этом слу­чае структура создается из утолщенных пакетов глинистых пла­стинок. Например, в фильтрате суспензии 1 (см. рис. 6.10) со­держалось лишь 0,4 г/л хлорида, достаточного только для того, чтобы вызвать образование слабой хлопьевидной структуры. Суспензия 2 была получена добавлением в суспензию 1 хло­рида натрия (35 г/л); этого оказалось достаточно, чтобы вы­звать сильную флокуляцию и агрегацию/Следовательно, про­ницаемость и пористость фильтрационной корки, получаемой из суспензии 2, были значительно выше, чем для корки из суспен­зии 1, даже при высоких перепадах давления при фильтрации.И наоборот, пептизация бурового раствора в результате до­бавления понизителя вязкости вызывает уменьшение проницае­мости фильтрационной корки. Кроме того, большинство понизи­телей вязкости являются солями натрия, а ион натрия может вытеснить поливалентные катионы из обменных позиций на глинистых частицах, что при­водит к диспергированию аг­регатов глин и дополнитель­ному снижению проницаемо­сти корки.Таким образом, преобла­дающие в буровом растворе электрохимические условия являются решающим факто­ром, определяющим проницае­мость фильтрационной корки. В заключение следует отме­тить, что проницаемость филь­трационных корок при исполь­зовании флокулированных бу­ровых растворов имеет поря­док 1 нм², а для растворов, обработанных понизителями вязкости, — 0,1 нм².