ЛекцииПЖ_1_2013

Если из А выразить τ0 и подставить вместо η его значение η ≈α600 −α300

(1)η ≈α600 −α300 при этом τ0 = 3(2α600 −α300 ) = 3(αзад −η)

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СТЕПЕННОЙ МОДЕЛИ

τ = K(dVdr )n прологарифмируем данное выражение получим : lgτ = lg K + n lg dVdr

В двойных логарифмических координатах зависимость lgτ = f (lg dVdr ) - есть прямая линия( см.

рис )

				lg α600		lg	α600		lg	α600
Из геометрических соображений :n =tgγ =	lgα600	−lgα300	=		n =		α300			α300
	lgω600	−lgω300		lgα300		lg 2			0,301

n = 3,32lg

α600

dV

α300

dV

Если τ =αm и

=

2ω

то при n = 300 об/мин

= 300c−1

−(

R1

2

dr

dr

1

)

R2

К =

τ

=

mα300

=

0,0322α300

, где К= мера консистенции.

dV

330n

(

)

n

330n

dr

ЭФФЕКТИВНАЯ ВЯЗКОСТЬ

	Модель Бингама
	τ =η	dV	+τ0	поделим правую и левую части уравнения на	dV	получим
		dr			dr

21

τdr

=η +

τ0

η

=

τ

τ =η

dV

- это выражение соответствует

dV

dV

эфф

dV

эфф

dr

dr

dr

реологической модели ньютоновских жидкостей.

Эффективная вязкость неньютоноской жидкости это эквивалент динамической вязкости некоторой воображаемой ньютоновской жидкости у которой при какой-то скорости сдвига напряжение сдвига такое же, как у неньютоновской жидкости.

Эффективная вязкость Бингамовской жидкости зависит от:

-пластической вязкости;

-динамического напряжения сдвига

- скорости сдвига.

При увеличении скорости сдвига эффективная вязкость понижается у вязкопластичных и псевдопластичных жидкостей.

Принято измерять эффективную вязкость ηэф при n-= 600 об/мин

ηэф = α2600 мПа*с

УСЛОВНАЯ ВЯЗКОСТЬ

Характеризует подвижность бурового раствора. Измеряется стандартным полевым вискозиметром ВБР-1.

Время истечения раствора из воронки зависит от:

-внутреннего трения в жидкости;

-интенсивности структурообразования;

-плотности бурового раствора.

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И КОРКООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ.

Статическое давление столба бурового раствора больше давления P пл вскрываемого пласта.

Рст = ρgZ0

∆P = Pст − Рпл

Под влиянием ∆Р буровой раствор входит в трещины горной породы.Размер пор αпор ≤ 3αт.ч.

твердые частицы задерживаются в породах., фильтрат продолжает уходить в породу на стенке образуется фильтрационная корка из частиц диспрсной фазы( твердых,жидких и газообразных)

Процесс отфильтрования, происходящий при циркуляции бурового раствора называется динамической фильтрацией, а при отсутствии движения бурового раствора – статической фильтрацией.

СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ.

1. Процесс фильтрации начинается при углублении скважины, когда работает долото и идет циркуляция бурового раствора., то есть коркообразование начинается в динамических условиях. Происходит динамическая фильтрация.

Идет первоначальное формирование корки. Сопротивление корки проникновению фильтрата увеличивается. Скорость фильтрации dVdt постепенно уменьшается.Толщина корки нарастает с замедлением.

22

2.В результате двух процессов: отложение дисперсной фазы в корке и размыва корки потоком растворастабилизируется толщина корки и ее проницаемость. Темп фильтратоотдачи остается практически постоянным – устанавливается динамическая фильтрация.

3.Насосы отключены. Циркуляция отсутствует – статическая фильтрация.. Преобладает тенденция к отложению корки. Толщина ее увеличивается. Проницаемость ухудшается. Темп фильтратотдачи снижается.

4.Возобновление ицркуляции(динамическая фильтрация) = размыв верхних наиболее рыхлых слоев фильтрационной корки. Уменьшение ее толщины, некоторое увеличение проницаемости. Повышение темпа фильтратоотдачи до момента установления динамического равновесия, стабилизация толщины корки и темпа фильтратоотдачи.

5.Установившаяся динамическая фильтрация.= Постоянная толщина корки и постоянный темп фильтратоотдачи.

Формирование и увеличение толщины фильтрационной корки – при статической фильтрации. Проникновение фильтрата в породу – в основном при динамической фильтрации ( до 80% фильтрата)

РОЛЬ КОРКООБРАЗОВАНИЯ И ФИЛЬТРАТООТДЕЛЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН.

МАЛОПРОНИЦАЕМАЯ ТОНКАЯ,ПРОЧНАЯ	ХОРОШО ПРОНИЦАЕМАЯ ТОЛСТАЯ,
КОРКА,МАЛАЯ ФИЛЬТРАТООТДАЧА	РЫХЛАЯ КОРКА, БОЛЬШАЯ
	ФИЛЬТРАТООТДАЧА
- небольшая потеря промывочной жидкости и	- большая потеря раствора глубокое
неглубокое проникновение фильтрата в горную	проникновение фильтрата в горную породу
породу	- возможно сильное загрязнение продуктивного
- корка укрепляет стенки скважины в рыхлых,	пласта
слабосцементированных породах	- затруднена интерпретация результатов
- уменьшение силы трения труб о стенки	электрокаротажа.
скважины
- корка, образующаяся на забое затрудняет	Глинистые породы всасывают фильтрат за счет
выравнивание давления, затрудняет удаление	гидратации , корка разрушается и отваливается.
обломков горной породы с забоя скважины,	- сужение ствола скважины способствует
разрушение горной породы и падает	образованию сальников, повышается опасность
механическая скорость.	затяжек и прихватов
	- препятствует контакту цементного камня с
	породой и прочному сцеплению между ними,
	способствует некачественному разобщению
	пластов при цементировании – проры пластовых
	вод в продуктивный пласт.

Необходимо поддерживать максимально допустимую фильтратоотдачу, при которой не возникает осложнений.

ОЦЕНКА ФИЛЬТРАЦИОННЫХ КОРКООБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ.

1. Фильтратоотдача(водоотдача) – объем фильтрата, выделившийся из пробы бурового раствора при статической фильтрации в стандартных условиях

Стандартные условия по РД и АНИ
Диаметр фильтра		75 мм ) 3’ – 76, 2 мм )
Перепад давления		700 кПа
Продолжительность фильтрации		30 минут
Температура	окружающего воздуха.

Приборы ФЛР-12 – отвечает стандарту ВМ-6 – не соответствует по величине перепада давления.

2. Толщина фильтрационной корки мм;

23

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТАТИЧЕСКОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Объем фильтрата при статической фильтрации с одновременным образованием несжимаемого

осадка Vф = S*	2∆РТ
	µ * r

Где ∆P −перепад давления в скважине.

Т– продолжительность фильтрации

µ- динамическая вязкость фильтрата

r – сопротивление осадка (корки) - величина обратная проницаемости корки. S – площадь поверхности фильтрата.

Зависимость объема фильтрата Vф от времени Vф = f(T) и ее использование.

Формулу для объема фильтрата можно привести к виду: Vф = С1 Т Пролагорифмируем данную функцию получим следующее выражение:

lgVф= lgC+0,5 lgT – в двойных логарифмических координатах – это прямая линия. Приближенный ускоренный метод оценки фильтратоотдачи. Отсчет объема фильтрата через

1,2,3,5,10 минут. Нанести точки на график,провести через них прямую до вертикали lg30м Точка пересечения даст значение фильтратоотдачи за 30 минут.

Расчетный метод:

Допустим V30				= 2VТ	Т=?
V30	=	30
V		T
T
2VT	=	30	;	30	= 2	30	= 4 , следовательно Т= 7,5 минут
V		T		Т		Т
T

Следовательно взяв показание по шкале ВМ-6 после 7,5 минут с начала замера можно вычислить приближенное значение фильтратоотдачи за 30 минут В=VФ30 = 2VФ7,5

Зависимость Vф= f (∆P) и ее особенности В общем виде зависимсоть имеет вид:

Vф = С1∆Рв

В формуле для объема фильтрата при образовании несжимаемой корки в=0,5 Фильтрационные корки буровых растворов сжимаемы и при повышении давления уплотняются.,

следовательно для реальных растворов в меньше 0,5 Для глинистых растворов благодаря чешуйчатой форме частиц бентонита обычно в меньше 0,2.

Малой сжимаемостью обладают корки утяжеленных буровых растворов за счет жесткого каркаса частиц утяжелителя. Сильно сжимаемы корки растворов, обработанных лигносульфонатами.

24

Зависимость Vф = f (µ) и влияние температуры на фильтратоотдачу

VФ = С3 µ1

Чем меньше вязкость фильтрата тем больше фильтратоотдача и наоборот.

Вязкость воды при температуре 20 град.С равна 1 мПас, а при температуре 90 град.С = 0,32 мПа*с

Vф20

=

µ

90

тогда V

ф90

=V

ф20

µ

20

=10 *

1

=17,7см3

Vф90

0,32

µ20

µ90

При нагреве глинистого раствора только за счет понижения вязкости фильтрата водоотдача повышается.

Если повысить вязкость дисперсионной среды ( например вводом полимера ) – воотдача понизится.

ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ТВЕРДОЙ НА ФИЛЬТРАТООТДАЧУ.

Vф = С4 1r

Фильтратоотдача уменьшается при увеличении сопротивления корки движению фильтрата. Сопротивление корки зависит от содержания в буровом растворе коллоидных частиц. Чем больше в твердой фазе частиц коллоидных размеров тем больше сопротивление корки и меньше фильтратоотдача. Сопротивление корки увеличивается:

-при добавлении бентонитовой коллоидной глины;

-при вводе полимеров

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРАВИЛО ПРОВЕРКИ достаточности содержания коллоидных частиц в буровом растворе.

Если при повышении перепада давления в 2 раза фильтратоотдача увеличивается более чем на 10%, то это значит, что в растворе недостаточно коллоидных частиц и в него нужно вводить бентонит.

ФИЛЬТРАТООТДАЧА В ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЯХ.

Отличие забойных условий от лабораторных.:

1.температура в скважине всегда больше чем в лаборатории и может достигать 200 град С и

более.

2.перепад давления больше стандартного ( 700 кПа) и может достигать нескольких мегапаскалей

Результаты стандартного лабораторного измерения не характеризуют фильтрационные свойства буровых растворов в забойных условиях отсюда необходимо оценивать фильтрационные свойства в условиях температуры и давления соответствующих забойным.

Были разработаны приборы для измерения водоотдачи в таких условиях. АНИ ∆Р = 3,5мПа,t =150 ºС, в России не регламентровано

Аппаратура ФП-200	∆Р = 5,0мПа,t = 200 ºС
УИВ-2	∆Р = 5,0мПа,t = 250 ºС

Прибор называется НТ-НР , где HT – hight temperature? HP – hight pressure

Наш аналог ФП-200( фильтр –пресс 200 ) и УиВ-2

УСТАНОВЛЕНО:

25

1.отсутствует соответствия между стандартной статической фильтратоотдачей и фильтрацией в забойных условиях. Два раствора с одинаковой стандартной волоотдачей могут иметь совершенно разную водоотдачу при повышенных температуре и давлении;

2.Фильтратоотдача при повышенной температуре и давлении лучше характеризует способность бурового раствора обеспечивать нормальные условия бурения.

3.Рекомендация при t=tзаб и ∆Р = 3,5мПаводоотдача долна быть не более В

≤10см3 / 30мин

ДИНАМИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ.

Потребность в оценке фильтратоотдачи при динамической фильтрации. Критерии оценки:

- не определены, пользуются по аналогии фильтратоотдачей за 30 минут, но ,,, иногда формирование корки щанимает больше 30 минут. Можно принять за критерий объем фильтрата за 60 минут. Уравнение прямолинейного участка кривой Vф=f(T) имеет вид Vф=V0 + кТ за критерии принять значение к и V0.

Влияние температуры и давления на динамическую фильтратоотдачу такое же как на статическую.

Зависимость от времени – линейная ( при установившейся фильтрации )

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА НА ФИЛЬТРАТООТДАЧУ

Чем выше скорость потока, тем сильнее размыв фильтрационной корки и больше темп фильтратоотдачи. При увеличении скорости потока фильтратоотдача повышается.

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ ФИЛЬТРАТООТДАЧИ.

Статическая фильтратоотдача не характеризует фильтрационных свойств в динамических условиях соответствующих забойным.

Технические средства

ФП-200 и УИВ-2 приближенно моделируют динамические условия ( перемешивание мешалкой в фильтрационной камеры )

За рубежом – фирма Бароид Дриллинг Флюидс – прибор с вращающимся цилиндром ( M-I Drilling Fluids – прибор с мешалкой)

В России серийного выпуска оборудования для определения фильтрации нет, есть только НИР установки для проведения исследований.

ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ.

Ионное произведение воды при 20ºС имеет следующий вид:

Кв = СНСОН =10−14

СН = СОН =10−7 для дистиллированной воды

26

рН = lg	1	= lg	1	= lg107 pH = 7 - для дважды дистиллированной воды.
			10−7
	СН

Если pH больше 7 – это щелочная среда Если pH меньше 7 – это кислая среда.

Буровые растворы на водной основе должны иметь рН больше 7 , то есть иметь щелочную среду.

РОЛЬ ВОДОРОДНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ В БУРОВЫХ РАСТВОРАХ И ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН.

1.Создание щелочной среды для обеспечения растворения химических реагентов нерастворимых в воде при нейтральной среде( гуматы, нитролигнин,метас,крахмал и т.д.)

2.Создание щелочной среды для эффективного действия реагентов-защитных коллоидов( ФХЛС,Окзил,КМЦ) анионных полиэлектролито

3.Замедление коррозии стальных труб в щелочной среде. При рН больше 10 сильная коррозия алюминиевых труб

4.Предотвращение выделения из раствора молекулярного сероводорода при рН больше 10 в условиях сероводородной агрессии.

5.Изменение рН глинистого раствора может указать на проникновение в раствор посторонних электролитов H2S, CaSO4,NaCl, пластовая вода – понижение рН, цемент – повышение рН

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ pH

1.калориметрический метод по изменению цвета индикатороной бумаги и сравнению цвета с эталоном

2.электрометрический метод – используется рН-метр – по величине ЭДС возникающей в электрическом элементе, имеющем электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода.

ПЛОТНОСТЬ БУРОВОГО РАСТВОРА

- масса единицы объема, единицы измерения – кг/м3,г/л,г/см3, относительная плотность

величина безразмерная = ρ

ρв

РОЛЬ ПЛОТНОСТИ БР ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН.

Определяем величину статического давления бурового раствора равно произведению плотности бурового раствора в г/см3 умноженное на ускорение свободного падения g=9,81 и Z – глубину скважины, условие Рст=(1,04-1,15) Рпл

	Или К =	Рпл	, где К- коэффициент аномальности.
		ρgZ

Недостаточная плотность бурового раствора		Большие величины плотности бурового раствора
1)	возникновение нефтегазоводопроявлений	1) возможность поглощения бурового раствора
2)	обвал стенок скважины	2) увеличение опасности прихватов, вызванных
		действием повышенной плотности бурового

27

раствора 3) повышение фильтратоотдачи

4) повышенное угнетающее давление

5) снижение механической скорости бурения.

Измерение плотности бурового раствора осуществляется различными способами с помощью рычажных весов, ареометра( пикнометра).

СОДЕРЖАНИЕ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ

При высоком содержании абразивных частиц усиливается износ втулок и поршней бурового насоса, Оценивают содержанием песка в буровом растворе с помощью ОМ-2.

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ.

Причины, обуславливающие необходимость регулирования:

1.Необходимость придать определенные свойства свежеприготовленному глинистому раствору.

2.Изменение фильтрационных, реологических и структурных свойств в процессе бурения под действием внешних факторов; Обогащение твердой фазой

Действие посторонних элетролитов( загустевание, рост водоотдачи) нагрев до высокой темепературы;

3.Изменение пластовых давлений с глубиной повышение Рпл – повышение плотности БР Понижение Рпл – понижение плотности БР

4.Изменение литологического состава пород, вскрытие неустойчивых глинистых пород – необходимлость изменения состава раствора, понижения водоотдачи, повышения вязкости;

5.Вскрытие продуктивных пластов – изменение состава и свойств глинистого раствора с целью минимального загрязнения продуктвного платса.

28

ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ БУРОВОГО РАСТВОРА

Изменение свойств поверхности раздела глинистых частиц с дисперсионной средой реализуется посредством химической обработки бурового раствора.

изменение концентрации и вида дисперсной фазы, реализуется путем:

-разбавление водой

-удаление частиц твердой фазы

-ввод утяжелителя

-ввод жидкой углеводородной фазы и сводообразующих материалов;

-ввод наполнителя;

-ввод газообразной дисперсной фазы;

ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ.

неорганические электролиты; органические защитные коллоиды.

			С О Л И
Гидроксиды	карбонаты	фосфаты	сидликаты	хлорид	хромат	сульфа
				ы	ы	ты
Каустическая	Кальцинирова	NaHPO3 -	Жидкое	KCl,	Na2CrO4,	Строите
сода – NaOH	нная сода –	гексаметафосфат	стекло-	NaCl,	K2CrO4?	льный
KOH	Na2CO3	Na5 P3O10 −трип	Na2OSiO2 n +	CaCl2	Na2Cr2O7	алебастр
Ca(OH)2	Пищевая сода	олифосфат			K2Cr2O7-	–
	– NaHCO3	Na4 P2O7 −4-х			бихрома	CaSO4*1
	ПоташСаСО3				ты от	/2H2O
	ВаСО3	замещенный			хромпик	KAl(SO
		гидрофосфат			а.	4)2*12
		натрия				H2O-
		Na2 H 2 P2 −кисл				алюмин
		ый пирофосфат				иевые
		натрия				квасцы

ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ С АКТИВНЫМ АНИОНОМ.( фосфаты, силикаты, хроматы – гидроксиды )

Электролиты с индифферентными анионами ( хлориды, сульфаты )

Действие электролита с активным анионом на глинистый раствор ( раствор из Са-глины+ кальцинированная сода ( Na2CO3 )

29

Исходный глинистый буровой раствор

-раствор находится в начальной стадии гидрофильной коагуляции

-элементарных чешуек в растворе немного. Глина находится в состоянии неразделенных

пакетов

-высокая концентрация глины для придания раствору стандартной вязкости

-корка довольно хорошо проницаема, фильтратоотдача довольно высока.

2.В раствор введена Na2CO3 в малой концентрации – происходит обменная адсорбция катионов

Са-глина+ Na2CO3 → Сa CO3 ↓ +Na − глина

-глина из Са превращается в Na;

-усиливается гидратация, облегчается диспергирование. Пакеты разъединяются на элементарные чешуйки.

-увеличивается толщина диффузного слоя и гидратных оболочек глинистых частиц; отсюда повышается агрегативная устойчивость системы;

-увеличение числа индивидуальных частиц.

-увеличение количества связанной воды – загустевание растворов за счет усиления внутреннего трения;

-уменьшение проницаемости фильтрационной корки откуда понижение водоотдачи

ДВЕ ТЕНДЕНЦИИ:

А) повышение агрегативной устойчивости ведет к ослаблению структурирования; Б) увеличение число частиц дисперсной фазы ведет к увеличению числа контактов между частицами, откуда усиление структурообразования.

РЕЗУЛЬТАТ:

При очень малых концентрациях реагента – понижается СНС. При увеличении концентрации реагента – растет СНС, за счет увеличения числа контактов.

Область I концентрации Na2CO3 - область стабилизации.

Ввод дополнительного количества реагента

Процесс обменной адсорбции катионов завершен. Концентрация катионов Na в дисперсионной среде стала больше, чем в единице объема диффузного слоя отсюда выравнивание концентрации иона Na+ в дисперсионной среде и диффузном слое путем:

–перехода части катионов из диффузного слоя непосредственно в неподвижный слой;

–уменьшение объема ( сжатие) диффузного слоя.

РЕЗУЛЬТАТ:

Уменьшение толщины диффузного слоя, частично разрушение гидратной оболочки откуда ухудшение агрегативной устойчивости системы = коагуляция глинистых частиц.

Усиление структурообразования рост СНС и ДНС, высвобождение части ранее связанной воды уменьшение внутреннего трения понижение вязкости. Поскольку ДНС растет сильнее, чем понижается вязкость увеличивается эффективная и УВ. УВ может повысится до «нетекучей» При формировании фильтрационной корки в нее попадают блоки очень прочной структуры в связи с этим проницаемость корки увеличивается и начинается рост водоотдачи.

При усилении структурообразования свободная вода остается в ячейках структуры и не отделяетсягидрофильная коагуляция, сопровождающаяся коагуляционным загустением глинистого раствора.

Область II концентраций Na2CO3 - область гидрофильной коагуляции. 3. Ввод избыточного количества Na2CO3

Концентрация ионов натрия в дисперсионной среде еще больше увеличивается диффузный глинистых частиц еще больше сжимается. Частицы почти полностью теряют гидратные оболочки

30