книги / Предупреждение и борьба с авариями в бурении

Г л а в а 111 БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ

i. ВВЕДЕНИЕ

Проблема получения качественных буровых растворов настолько тесно связана с процессом бурения, что практически от него неот­ делима. В связи с этим рассмотрим некоторые свойства глинистого раствора, связанные с возможностью возникновения и предупрежде­ ния технических аварий.

Глинистый раствор может быть основной причиной возникнове­ ния технических аварий, если не выполнять определенных необхо­ димых условий. Так, например, возможны: газо-, нефте- и водопроявления или открытые фонтаны в результате применения при бурении глинистого раствора с недостаточным удельным весом; прихваты колонны бурильных труб независимо от характера про­ ходимого разреза вследствие плохих показателей фильтрации или других параметров глинистого раствора.

2.ФИЛЬТРАЦИЯ

А.Понятие о фильтрации буровых растворов соответствует явлению отдачи в пласт свободной воды из глинистого раствора; величина, полученная для текущей жидкости, называется динами­ ческой фильтрацией, а величина для статического состояния — статической фильтрацией.

Водоотдача характеризует в основном коллоидальность дисперс­ ной системы вода — глина и зависит от давления, температуры, времени.

Величина водоотдачи, т. е. фильтрация, возрастает с увеличе­ нием давления, температуры и времени и уменьшается, если диспер­ сия глины в воде приобретает более глубокий коллоидальный характер.

Раствор находится в коллоидном состоянии, если размеры ча­

стиц дисперсной среды будут от 10-5 до 10~7 см.

Процесс дробления веществ на мелкие частицы называется диспергированием, а степень дробления вещества называется сте­ пенью дисперсности.

Коллоидная система состоит из двух (или многих) фаз, а именно: из коллоидных частиц, образующих дисперсную фазу, и окружаю­ щего вещества, называемого дисперсионной средой. Таким образом, коллоидные системы являются неоднородными. Основной причиной появления коллоидных свойств являются особенности поверхност­ ного слоя частиц.

Поверхность раздела между фазами в коллоидных системах очень велика.

4*

5t

Взависимости от характера связи коллоидных частиц с моле­ кулами вещества, являющегося дисперсионной средой, наблю­ даются большие отличия свойств коллоидных систем.

Вотдельных коллоидных системах частицы прочно связывают большое число молекул дисперсионной среды и удерживаются на них прк сепарации частиц из раствора. Такие коллоиды называются лиофильными. При выделении их из системы они увлекают большие количества дисперсионной среды, образуя желеобразные вещества, называемые гелями.

Вдругих коллоидных системах не наблюдается подобного взаимо­ действия или же оно происходит в незначительном масштабе. Такие коллоиды называются лиофобными. При выделении их из системы получаются порошкообразные вещества тонкого помола.

Для области применения буровых растворов большой интерес представляют такие коллоидные системы, где дисперсионная среда представлена жидкостью.

Б. Основное уравнение фильтрации

dQf _	К*р_
dt	и Qs ’

где Qi — объем фильтрующейся жидкости за время t; р — перепад давления; ц — вязкость фильтрата (жидкая фаза); Qs — объем твердой фазы в глинистой корке; К — константа.

Объем твердых частиц, отложившихся при фильтрации, пропор­ ционален объему фильтрующейся жидкости:

Отсюда можно получить следующее уравнение:

после интегрирования которого получаем:

т. е. расход жидкости при фильтрации пропорционален корню квадратному из давления, времени и отношения В. и обратно пропор­ ционален корню квадратному из вязкости жидкой фазы.

Упростим последнее уравнение, допуская, что глинистая корка несжимаема и ее проницаемость не изменяется во времени.

Рассмотрим влияние отдельных факторов, считая остальные постоянными.

Время t. Для времени tx и t2 соответственно получаем

Qi

Vfi ’

Q2 = K 2 V t 2

пли

Если предположить, что	tx = 0, то
Q =	К х V I .

Иными словами, зная предварительно некоторое заданное время, можно определить фильтрацию для любого времени.

Водоотдачу определяют либо иа приборе ВМ-6, либо прессом Баройда. Продолжительность фильтрации принимается 30 мин. Можно определять фильтрацию для более короткого времени и экс­ траполировать результат для 30 мин.

Температура косвенно влияет на фильтрацию (за счет изменения вязкости фильтрата). Соотношение между вязкостью воды и темпе­ ратурой приводится ниже.

Темпе­	Динамиче­		Тем-	Динами­
			пера-	ческая
рату­	ская вяз­	У В	ту-	вязкость	У п
ра»	кость т}» сан-		ра,	т|, саити-
град.	тппуазы		град.	пуазы
0	1,792	1,339	40	0,656	0,810
10	1,308	1,144	60	0,469	0,685
20	1,005	1,000	80	0,3565	0,597
30	0,801	0,895	100	0,2838	0,523

Для определенного глинистого раствора произведение объема

фильтрата Q на У ц должно быть постоянным, т. е. с уменьшением вязкости водоотдача и толщина корки возрастают.

Для различных промывочных жидкостей эта закономерность устанавливается экспериментально, за исключением жидкостей, находящихся под действием высоких температур, когда потеря воды вследствие хлопьеобразования — флокуляции глинистого рас­ твора, сопровождаемой увеличением проницаемости твердого осадка (корки), возрастает очень сильно:

Q = K , V J .

Если корка несжимаема, а другие факторы постоянны, то филь­ трация возрастает с увеличением давления.

Опыты не подтверждают этой закономерности, так как показа­

тель степени рх меняется и в основном он меньше 0,5 (в зависи­ мости от качества глинистого раствора).

Эту зависимость можно выразить следующим уравнением:

Q = к аР*.

На рис. 15 приводятся графики трех опытов по фильтрации. Кривая В была получена при работе с естественным глинистым

раствором, показатель степени получился х = 0,2.

Кривая С снята для глинистого раствора, состоящего из 5% геля, она указывает на возрастание объема фильтрата с увеличением дав­ ления; кривая D — для глинистого раствора, изготовленного из вы­ сококачественного бентонита (аквагеля) с цементом, она показывает даже некоторое уменьшение объема фильтрата.

Эти аномалии происходят вследствие уменьшения проницае­ мости корки в результате сжатия и некоторых физических явлений,

характеризуемых наличием бентонитов.

одинаковым с перво­

Состав отложения (корки)

сохраняется

начальным

составом

гли­

нистого

раствора

и

отли­

чается

лишь

тем,

что

содержит

тем

меньше

воды,

чем

выше

давление

(табл. 6).

У качественных глини­

стых

растворов

содержа­

ние твердой фазы в корке

меняется

незначительно,

даже

если

в

соответству­

ющих

глинистых

раство­

рах

концентрация

колло­

идного материала

колеб­

Рис. 15. Изменение объема фильтрата с

дав­ лется

в

более

широких

лением.

пределах.

Приведем данные о гли­

нистых корках, полученные при давлении 7 am:

16,5%

глинистый раствор

с 3,17%

аквагеля — корка

содержит

твердой

фазы;

глинистый раствор

с 4,53%

аквагеля — корка

содержит

15,0%

твердой

фазы;

Таблица б

Изменение состава глинистой корки

с давлением по Ларсену

Давление,

Твердая фаза в осадив, %

кГ/см2

гель—4,53

глина—30,2

глина—24>2

0

14,4

62

40,7

7

15

64,8

45,1

35

16,1

68

47,2

70

16,7

69,4

53

140

—

—

52,8

210

—

—

53,1

54

глинистый раствор с 6,80% аквагеля — корка содержит 15,2% твердой фазы.

В утяжеленных гли н и сты х растворах толщина корки и объем фильтрата увеличиваются. Присутствие песка в глинистом растворе дает аналогичный эффект. Например, толщина глинистого раствора вязкостью 5 сантипуаз, содержащего 15% песка, составила около 8,5 мм на прессе Бароида. После удаления из раствора песка тол­ щина корки уменьшилась на '3 мм.

Результаты лабораторных измерений, полученные на обычных приборах, имеют только относительное значение и не предназна­ чаются ни в коем случае для точного описания явлений фильтрации в стволе скважины, где условия работы совершенно иные: 1) пере­ пад давления достигает 100 am; 2) время фильтрации практически не лимитируется; 3) породы, куда происходит водоотдача, имеют различные характеристики.

Знание процессов фильтрации в стволе скважины является очень важным с точки зрения предупреждения трудностей в бурении (аварий или осложнений). Однако в этом направлении проделано мало обоснованных работ и потому интерпретация этих процессов базируется в лучшем случае на гипотезах.

Одной из основных причин, создающих отклонения от класси­ ческого уравнения фильтрации, является структурообразование глинистого раствора.

Теория электрических свойств коллоидных систем

При воздействии электрического тока на коллоидный раствор коллоидальные частицы перемещаются по направлению к аноду или катоду (электрофорез), подтверждая тем самым наличие элек­ трических зарядов па их поверхности.

Образование электрических зарядов имеет следующее объяснение. Материальные точки, составляющие коллоидную частицу, под действием сил притяжения удерживаются тесно связанными между собой. Эти силы уравновешены полностью внутри частицы, но на поверхности они остаются частично неуравновешенными и оказы­ вают притягивающее воздействие на ионы дисперсионной среды. Ионы определенного вида (катионы или анионы) фиксируются на поверхности частицы, образуя ионный слой, сообщающий на осно­ вании их электрических зарядов частице определенный электриче­ ский потенциал. Это есть первичный ионный слой (электрический), благодаря которому возникает отталкивающее действие между

подобными частицами.

В дисперсионной среде находятся анионы и катионы, поэтому после образования первого ионного слоя возникает второй внешний электрический слой (рис. 16) благодаря притяжению, развиваемому первоначально адсорбировавшимися ионами на ионы с противопо­ ложными электрическими зарядами, находящимися в дисперсион­ ной среде.

55

Рис. 16. Двойной слой ионов.

В этом втором слое распределение ионов более рассеянное, а притяжение, которому они подвергаются, тем слабее, чем они дальше удалены от первого слоя.

Переход от связанного попа к свободному происходит посте­ пенно, а вся совокупность называется «ионной атмосферой».

Первым следствием, вытекающим из наличия второго слоя, является понижение электрического потенциала, а, следовательно, уменьшение сил отталкивания между различными частицами.

Установлено, что электрически заряженные частицы переме­ щаются, окруженные «мантией» воды. Каждый ион возбуждает вокруг себя электромагнитное силовое поле, притягивающее моле­

кулы воды, которые являются		электрическими диполями.
	Диполи воды ориентируются вокруг си­
ловых линий электромагнитного поля иона
и,	следовательно,		отрицательным полюсом
к	центру катиона.		гидратацию коллоидных
	Так	объясняют

частиц. Захваченные молекулы воды ста­ новятся едины вследствие гидратации с кол­ лоидными частицами. В результате этого увеличивается кажущийся диаметр частиц. Отсюда появляется вязкость, зависящая от состояния перемешивания раствора, и воз­ никает тиксотропия 1 коллоидных суспензий. При взбалтывании раствора большая часть молекул' воды высвобождается вследствие

введения дополнительной энергии. В статическом состоянии они снова притягиваются и суспензия принимает полутвердое состоя­ ние (гель).

Возникновение тиксотропии для глинистых частиц (бентонито­ вых) связано с особенностью их формы. Глинистые частицы состоят из кристаллической решетки, вытянутой в пластинки, состоящие из прилегающих листочков с признаками напластования. Разбуха­ ние бентонита (гидратация) в присутствии воды является результа­ том проникновения последней между поверхностями молекул сили­ ката. При этом расстояние между поверхностями напластования увеличивается, что вызывает рост объема (8—10 раз при бентоните натрия) или даже лептизацшо бентонита.

Повышение степени диспергирования со временем объясняет непрерывное нарастание вязкости (старение дисперсии) рас­ твора.

Частицы бентонита, диспергированные в воде, имеют электриче­ ские заряды по следующим причинам:

1) катионы, покрывающие плоские поверхности молекул, иони­ зируют отрицательно эти поверхности;

1 Тиксотропия — изотерма механически обратимого преобразования золя в гель.

56!

2) глинистая частица характеризуется гранями (поверхно­ стями расщепления), которые в зависимости от того,-как проис­ ходило расщепление, имеют свободные валентности различногопорядка. Если расщепление произошло по направлению атомов; кремния, заряд положителен, если же в направлении атомов кисло­ рода — заряд отрицателен.

Граничные валентности могут связываться с различными ионами, находящимися в растворе, увеличивая или уменьшая ионную атмо­ сферу, т. е. изменяя вязкость и стабильность глинистого раствора.

Собственно говоря, одна гидратация не объясняет тиксотропии бентонитовых дисперсий. Установлено, что тиксотропия их возра­ стает со временем, достигая максимальной величины за очень большой, но ограниченный промежуток времени.

Предполагают, что тиксотропия является следствием механиче­ ского сцепления пластинок по граням, в результате чего образуется агрегатная структура.

Граничные валентности бентонитовых частиц способствуют уве­ личению тиксотропии глинистого раствора. Эти валентности гасятся граничными валеитиостями соседних частиц, вызывая упрочнение- и распространение в объеме структурной сетки.

Наибольшая часть молекул воды в бентонитовом глинистом растворе удерживается в статическом состоянии по периферии мицелл, образуя полутвердое состояние.

В динамическом состоянии слои присоединенных молекул воды уменьшаются, пока не наступит равновесие энергии движения с энергией гидратации. При этом увеличивается количество свобод­ ной воды в системе и уменьшается кажущийся объем твердои фазы.

Фильтрация в стволе скважины

Если глинистый раствор находится под давлением перед пори­ стой стенкой, то количество фильтрующейся воды из него зависит от следующих причин: пути, проходимого молекулами воды; ско­ рости молекул воды (температурная зависимость); расстояния между мицеллами в объеме; принимается, что оно зависит от давления (или же мицеллы поддаются сжатию); статического состояния или перемешивания системы; диаметра пор и проницаемости фильтрую­ щей среды; присутствия в растворе агентов, изменяющих степень ионизации на поверхности элементарных частиц.

Отсюда следует, что в процессе циркуляции через стенки ствола скважины фильтруется больше воды, отнесенной ко времени, чем при отсутствии циркуляции. Поэтому можно предположить, что во время бурения па стейках ствола скважины отлагается значи­ тельный объем глинистого материала (корки). Вследствие непрерыв­ ного увеличения толщины глинистой корки колонна бурильных труб может быть прихвачена в какой-то момент времени. Однако это случается не всегда благодаря воздействию на стенки скважины

вращающейся колонны бурильных труб и циркуляционному эффекту, удаляющему оседающие материалы выше определенного предела даже при тонкой корке.

На практике некоторые опытные буровые бригады обычно выну­ жденыприподнимать колонну бурильных труб с долотом выше забоя вследствие непредвиденных обстоятельств (разрыва цепей, аварии двигателя, отключения электрического тока и т. д.) или даже держать колонну бурильных труб без движения, а тагоке пре­ кращать циркуляцию раствора. Было замечено, что возможность прихвата в этих случаях намного меньше, чем эт© вытекает из теоре­ тических предположений.

Проведенные относительно недавно исследования подтверждают эту точку зрения. Остановимся вкратце на работе «Фильтрация глинистого раствора во время бурения» [I. A. Klotz. (I. Р. Т., 1954 de С. К. Fergusson)!.

Автор изготовил экспериментальную «скважину», в которой воспроизводил механические и гидравлические явления, происхо­ дящие в стволе реальной скважины. При этом предполагалось, что механическое воздействие на процесс фильтрации дает анало­ гичные результаты.

Детальное изучение поведения глинистого раствора позволило установить некоторые отклонения фильтрации (водоотдачи) от клас­ сических законов.

Из классических законов вытекает, что собранный объем пропор­ ционален проницаемости глинистой корки и перепаду давления на фильтрующую среду. Графически объем фильтрата в функции от корня квадратного из времени характеризуется прямой линией, пока проницаемость корки и перепад давления на фильтрующую среду являются постоянными, что подтверждается практикой для многих глинистых растворов. Но для тех же глинистых растворов фильтрация является практически независимой от давления. Следо­ вательно, с одной стороны проницаемость постоянна, а с другой — она изменяется в зависимости от давления. Однако парадокс является кажущимся, потому что фактически проницаемость глини­ стой корки уменьшается с увеличением давления.

Во время динамической фильтрации толщина корки намного меньше толщины, вычисленной при сравнении возникающих филь­ трационных сил и взаимно уничтожающихся гидравлических сил. Во время циркуляции раствора происходит значительная водоотдача, особенно у промывочных жидкостей, приготовленных на нефтяной основе. Однако по мере затухания циркуляции сейчас же резко уменьшается и фильтрация.

Вполне возможно, что на фильтрационное сопротивление глини­ стой корки влияет и тиксотропия глинистого раствора. Так как желатинизация глинистого раствора зависит очень мало от измене­ ния давления, то объем фильтрата особенно не меняется при усло­ вии роста давления фильтрации. Гипотеза о появлении дополни­

58

тельного сопротивления, характеризуемого желатинизацией, может явиться объяснением парадокса статической фильтрации.

Эта гипотеза о желатинизации глинистого раствора может ча­ стично объяснить причину выделения большого количества филь­ трата во время циркуляции промывочной жидкости. В суспензии, фильтрующейся в соответствии с классической теорией, жидкие и твердые частицы направляются к фильтрационной корке с одина­ ковой линейной скоростью. Согласно гипотезе дополнительного сопротивления геля жидкие частицы направляются к фильтрацион­ ной корке с большей скоростью, чем твердые. Вследствие этого фильтрация суспензии с проявлением сопротивления геля должна быть меньше, чем фильтрация идентичных не желатннизирующихся суспензий, т. е. эти суспензии образуют корку с одинаковой прони­ цаемостью.

Наоборот, если гель будет постоянно разрушаться по сравнению со статическим случаем фильтрации, фильтрация суспензий с сопро­ тивлением геля должна быть больше. Большой объем фильтрата будет получаться при циркулирующем глинистом растворе по ■Сравнению с глинистым раствором, находящимся в статическом состоянии. Это явление было замечено и другими исследователями.

. Вследствие взаимосвязи желатинизации с фильтрацией невоз­ можно четко определить поверхность корки. На рис. 17 приведена кривая содержания твердых частиц в функции расстояния от поверх­ ности фильтрации по сравнению с несжимаемой коркой классиче­ ского типа.

Переходная зона между суспензией и коркой имеет определенную толщину, характерную для любого глинистого раствора. Эта зона влияет на динамическую фильтрацию и может объяснить толщину кажущегося равновесия фильтрационной корки, наблюдаемой при динамической фильтрации.

В результате того, что сопротивление сдвигу корки достаточно высокое, гидродинамическая сила сдвига не проявляется. Сопроти­ вление сдвигу верхней части переходной зоны составляет только 0,00035 кГ/см2, т. е. она может быть удалена движущейся цирку­ ляционной жидкостью при обычном градиенте давления. Во время динамической фильтрации этот переходный слой постоянно уничто­ жается, т. е. корка ограничивается толщиной компактной зоны.

В этот момент толщина корки и скорость фильтрации становятся постоянными, если условия циркуляции не изменяются.

Эксперименты по динамической фильтрации, проведенные 'для глинистых растворов различных типов (бентонитовые на водяной основе, на нефтяной основе, на основе известь — крахмал и на основе эмульсии), показали одинаковое поведение. Вначале филь­ трация велика, к впоследствии она быстро уменьшается, так что спустя некоторое время (около 15 час.) объем фильтруемой ж и д к о с т и становится приблизительно постоянным во времени, в то время как фильтрация при статических условиях продолжает умень­ шаться. В равновесном состоянии дебит динамической фильтрации

59

является приблизительно линейной функцией скорости восходя­ щего потока глинистого раствора, что подтверждает высказанную ранее гипотезу.

На рис. 18 схематически показано типичное явление фильтра­ ции в стволе скважины. Различают несколько специфичных зон, свойства которых влияют на процесс бурения.

Зона проникновения фильтрата зависит от средней проницае­ мости проводимого пласта. Эта зона играет большую роль при вскры-

частиц

Рис. 17. Переходная зона между	Рис. 18. Фильтрация в стволе скважины,
глинистым раствором и глинистой	— гель	(достоянный); 2 — фильтрующийся
коркои.	глинистый	раствор; з — глина;	d — песок;
	5 — обводненная зона; 6 — глина;		7 — жид­
	кий глинистый раствор (в движении); 8 —
		бурильные трубы.

тии песков, но ею можно пренебречь при бурении глинистых и мер­ гелистых слоев, так как в последнем случае объем фильтрата не­ сравнимо мал. Эффект такой инфильтрации способствует в отдель­ ных случаях большим затруднениям при бурении.

Явления адсорбции и гидратации, проявляющиеся вследствие разбухания, могут вызвать обвалы стенок ствола скважины.

Независимо от характеристики жидкости, фильтрующейся вдоль поверхностей разрывов, скольжения или напластования, помимо гидратации, происходит смазка по указанным поверхностям, что облегчает движение блоков породы.

Водоотдача глинистого раствора происходит непрерывно. Это явление было зарегистрировано на электрокаротажных диаграммах, снятых в различное время против одного и того же пласта. Каро­ тажные диаграммы показывают непрерывный рост сопротивления, вызванного все более п более глубоким проникновением пресной воды в пласт.

60