Процесс закупоривания

Как уже отмечалось при измерении фильтрации бурового раствора в стандартных условиях (через бумажный фильтр) до образования фильтрационной корки наблюдается мгновенная фильтрация. После этого объем фильтрата ста­новится пропорциональным квадратному корню из времени. При бурении скважины мгновенная фильтрация может быть весьма значительной, если порода имеет высокую проницае­мость, а буровой раствор не содержит частиц такого размера, который необходим для закупоривания порового пространства породы в результате образования перемычки, на которой отла­гается фильтрационная корка. Перемычки способны образовы­вать только частицы, размер которых находится в определенном соотношении с размером пор. Частицы, которые по размеру больше порового отверстия, не могут войти в поры и уносятся потоком бурового раствора; частицы значительно меньшего раз­мера, чем это отверстие, беспрепятственно проникают в породу, Однако частицы определенного критического размера застре­вают в сужениях поровых каналов и образуют сводовые пере­мычки непосредственно у поверхности пористого пласта. После образования такой перемычки начинают удерживаться частицы всё меньшего размера вплоть до мельчайших коллоидных ча­стиц, в результате в пласт проникает только фильтрат бурового раствора. Период мгновенной фильтрации весьма непродолжи­телен — максимум 1—2 с.

Рис. 6.11. Схема проникновения твердой фазы бурового раствора в проницаемую породу:

1 — поток бурового раствора в стволе скважины; 2 — внешняя фильтрационная корка; 3 — зона образования сводовой перемычки; 4 — зона проникновения твер­дой фазы при мгновенной фильтрации; 5 — незагрязненная зона пласта

В результате проявления описанного процесса на поверхности и внутри проницаемого пласта образуются три зоны, за­нимаемые частицами бурового раствора (рис. 6.11): внешняя фильтрационная корка на стенке ствола скважины; внутренняя фильтрационная корка, протяженность которой составляет при­близительно два диаметра зерен; пространство, занимаемое мельчайшими частицами, протяженностью приблизительно 2,5 мм от поверхности пласта. Результаты экспериментов, о ко­торых сообщали Крюгер и Фогель, позволили сделать предпо­ложение, что такие мельчайшие частицы сначала не вызывают заметного снижения проницаемости, но после фильтрации, про­должающейся несколько часов, проницаемость становится очень низкой, вероятно, в результате миграции частиц с последующим блокированием пор.

При отсутствии в растворе частиц, необходимых для образо­вания сводовых перемычек, испытания на фильтрацию по мето­дике АНИ могут дать совершенно ошибочные результаты. Бу­ровой раствор может обладать слабой фильтрацией через филь­тровальную бумагу и весьма значительной в проницаемую породу, вскрытую в скважине. Это обстоятельство было под­тверждено экспериментально Бисоном и Райтом, результаты их исследований приведены в табл. 6.3. Следует обратить внимание на то, что расхождение общих потерь при фильтрации через фильтровальную бумагу и в пористую среду было значитель­нее, когда последней служил несцементированный песок, даже если ее проницаемость была ниже, чем проницаемость сцемен­тированных пород. Необходимо также отметить, что несоответ­ствие потерь в основной период фильтрации через фильтроваль­ную бумагу и пористую среду становится более значительным с увеличением потерь при мгновенной фильтрации. Мгновенная фильтрация, очевидно, приводит к такой закупорке пор в керне, что перепад давления в нем становится довольно высоким, тем самым уменьшается перепад давления на фильтрационной корке и ее уплотнение ослабляется.

Критический размер частиц, необходимый для образования сводовой перемычки, изучал Коберли. Он установил, что ча­стицы, размер которых не превышает одной трети диаметра

круглого отверстия сита, способны образовывать сводовую пере­мычку у такого отверстия. Абрэмз показал, что частицы, сред­ний диаметр которых составляет около одной трети среднего размера пор в уплотненном песке проницаемостью 5 мкм², мо­гут закупорить этот песок. Поэтому для создания эффективной основы фильтрационной корки буровой раствор должен содер­жать основные сводообразующие частицы, размер которых колеблется от несколько меньшего самых крупных пор в пласте до одной трети этого размера. В буровом растворе должны со­держаться также частицы меньшего размера (вплоть до кол­лоидных) для закупоривания мелких пор в пласте и в образо­вавшейся сводовой перемычке.

Размер основных сводообразующих частиц лучше всего оп­ределять методом проб и ошибок в исследованиях на кернах, из породы, которую предполагается вскрыть. Когда это невоз­можно, общие указания о выборе таких частиц можно найти в опубликованных данных, которые связывают размер сводооб­разующих частиц с проницаемостью пород. Из этих данных сле­дует, что частицы диаметром менее 2 мкм обеспечивают заку­поривание пород проницаемостью, не превышающей 0,1 мкм²„. частицы диаметром 10 мкм — сцементированных пород прони­цаемостью 0,1—1,0 мкм², а частицы диаметром 74 мкм-—пе­сков проницаемостью до 10 мкм². Буровой раствор, содержащий набор частиц размером до 74 мкм, должен образовывать сводовую перемычку и фильтрационную корку на поверхности всех пластов, за исключением отложений с макроканалами, на­пример гравийных слоев, и пластов с открытыми трещинами, которые рассматриваются в главе 9.

Чем выше концентрация сводообразующих частиц, тем бы­стрее происходит закупоривание и тем меньше бывает мгно­венная фильтрация. В сцементированных породах проницае­мостью 0,1—1,0 мкм² для предотвращения мгновенной фильтра­ции на глубину более 25 мм концентрация сводообразующих частиц должна составлять примерно 2,8 кг/м³. В несцементиро­ванных песках эта концентрация может достигать 14—28 кг/м³.

Сводообразующие частицы указанных размеров и в необхо­димых концентрациях обычно присутствуют в любом буровом растворе, на котором пробурили хотя бы несколько метров. Ис­ключение составляет буровой раствор, из которого крупные ча­стицы удаляются в песко- и илоотделителях, во время бурения в несцементированных песках. В растворы, используемые при ремонтных работах в эксплуатационных скважинах, рекомен­дуется добавлять сводообразующие частицы .