Качество фильтрационной корки

Высококачественной считается тонкая, твердая и непроницаемая фильтрационная корка. На качество фильтрационной корки влияют несколько факторов:

• Твердые частицы

• Смазывающие добавки

• Репрессия

• Температура

Твердые частицы (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)

Наличие твердых частиц и буровом растворе и в фильтрационной корке осложняет ситуацию при дифференциальном прихвате. Результаты нескольких исследований показали, что чем больше содержание твердых частиц в буровом растворе, тем труднее освободить колонну в случае дифференциального прихвата.⁹ Это твердая фаза бурового раствора, включая утяжелитель, а также шлам. Шлам представляет большую опасность в отношении прихвата, чем промышленные утяжелители.⁹

Есть несколько причин, по которым твердые частицы в буровом растворе осложняют ситуацию:

• Недеформируемые твердые частицы, такие как шлам и утяжелители, способствуют увеличению проницаемости и толщины фильтрационной корки.

• Твердые частицы приводят к увеличению коэффициента трения между бурильной колонной и фильтрационной коркой. Увеличение содержания твердых частиц в буровом растворе приводит к ускорению образования как неустойчивой, так и устойчивой фильтрационной корки.

• Твердые частицы негативно влияют на эффективность добавок к буровому раствору, предназначенных для повышения качества фильтрационной корки. Добавки адсорбируются на поверхности твердых частиц. Чем больше суммарная поверхность твердых частиц, тем больше требуется добавок.

Смазывающие добавки (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)

Смазывающие добавки вводятся в буровой раствор для снижения крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны. Кроме того, они полезны при дифференциальном прихвате. Присутствие смазывающих добавок в фильтрационной корке обычно приводит к уменьшению усилий, требуемых для освобождения прихваченной колонны, с 33 % до 70 %.^{9, 10, 11}

Если смазывающие добавки эффективно помогают уменьшить крутящий момент и сопротивление продольному перемещению колонны, то это не означает, что они обязательно помогут уменьшить крутящий момент при освобождении прихваченной колонны. David Krol считает, что механизм уменьшения крутящего момента при освобождении прихваченной колонны характеризуется сочетанием следующих факторов:

• Снижение водоотдачи бурового раствора

• Создание слоя, обволакивающего твердые частицы в буровом растворе, и

• Смачивание металлических поверхностей.¹⁰

Эффективные смазывающие добавки прилипают к поверхности бурильных труб и к твердым частицам в фильтрационной корке. Когда смазывающие добавки смачивают поверхность колонны, они уменьшают трение между колонной и фильтрационной коркой. Тем самым уменьшается удерживающая сила, обусловленная трением. Создание слоя, обволакивающего поверхность колонны приводит к уменьшению адгезии фильтрационной корки к металлу колонны. Эта пленка смазывающей добавки может также облегчить проникновение жидкости в пространство между колонной и фильтрационной коркой при расхаживании колонны. Однако для того чтобы смазывающие добавки работали эффективно, они должны находиться в фильтрационной корке до возникновения прихвата. Когда возник прихват, жидкость не может пройти между колонной и фильтрационной коркой.

Если смазывающие добавки присутствуют в фильтрационной корке до возникновения прихвата, отрыв освобождаемой колонны обычно происходит по поверхности контакта колонны и фильтрационной корки¹. Если смазывающих добавок в корке нет, отрыв освобождаемой колонны может произойти по поверхности контакта фильтрационной корки и пласта или, возможно, по самой фильтрационной корке. Фильтрационная корка остается прилипшей к бурильной колонне, и может даже оставаться на колонне при ее подъеме на поверхность.

Кроме прочего, смазывающие добавки уменьшают трение между частицами в фильтрационной корке. В результате уменьшается предел текучести материала фильтрационной корки, и ее легче оторвать от колонны (см. материалы о прочности горных пород). Смазочные добавки эффективны тогда, когда они обволакивают все твердые частицы в буровом растворе. Нужно учитывать всю суммарную поверхность. При увеличении количества твердых частиц или при разрушении твердых частиц на более мелкие суммарная поверхность увеличивается, и требуется дополнительное количество смазочных добавок.

Смазывающие добавки могут снизить отток жидкости из фильтрационной корки благодаря действию нескольких механизмов:

• Уменьшение площади поперечного сечения потока в поровом пространстве корки. Когда смазывающая добавка обволакивает твердую частицу, она увеличивает ее эффективный диаметр. Оболочка смазочной добавки вокруг твердой частицы легко деформируется, поэтому твердые частицы в оболочками могут очень плотно упаковываться в фильтрационной корке. Пленка смазочного материала, окружающая твердые частицы, частично перекрывает поры, уменьшая поток фильтрата через корку.

• Увеличение вязкости фильтрата бурового раствора.

• Дефлокуляция коллоидных глин в корке диспергирующими добавками.

Когда водоотдача бурового раствора снижена, колонна может дольше оставаться неподвижной до возникновения прихвата (рис.9-11).

Рис. 9-11 Дифференциальное давление при использовании смазывающих добавок

Некоторые смазочные добавки, такие как минеральные масла и дизельное топливо, способствуют также образованию более тонкой глинистой корки. Некоторые добавки-понизители водоотдачи для РВО фактически способствуют увеличению толщины фильтрационной корки.⁸ Однако, в общем случае, при уменьшении водоотдачи скорость образования глинистой корки снижается, и устойчивая фильтрационная корка имеет меньшую толщину.

Репрессия (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)

Давление влияет на качество фильтрационной корки двояким образом:

• Способствует движению фильтрата через фильтрационную корку.

• Сжимает фильтрационную корку, делая ее более тонкой и менее проницаемой.

Эти два эффекта компенсируют друг друга. Если в фильтрационной корке содержится большое количество деформируемых коллоидных частиц, таких как частицы бентонита, скорость фильтрации через корку может фактически уменьшаться при увеличении давления. Флокулированная глина фильтрационной корки также может сжиматься при увеличении давления. Если фильтрационная корка сложена почти сферическими песчаными зернами, скорость фильтрации при увеличении давления возрастает.

Когда фильтрационная корка сжата давлением, поверхность ее контакта с колонной будет меньше, а трение между колонной и коркой больше. Большая репрессия способствует быстрому оттоку фильтрата в пласт после возникновения прихвата. При более высоком давлении удерживающая сила больше. Насколько больше - зависит от качества фильтрационной корки.

Температура (факторы, влияющие на качество фильтрационной корки)

Повышение температуры приводит к уменьшению вязкости фильтрата. Чем легче проходит фильтрат через корку, тем выше скорость отложения твердых частиц. Усиливается также эрозия фильтрационной корки менее вязкой жидкостью. Температура влияет также на степень флокуляции и дефлокуляции глины в корке. Изучение влияния температуры на скорость фильтрации показало, что отток фильтрата при высокой температуре невозможно спрогнозировать путем исследований при более низкой температуре. Вот почему исследования бурового раствора иногда проводят в термостатирующих установках при температуре в интересующем интервале.

Контакт колонны со стенкой скважины (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Прижимающая сила, которая вдавливает колонну в глинистую корку, очевидно зависит от площади поверхности контакта колонны со стенкой скважины. Прижимающая сила равна произведению дифференциального давления на площадь поверхности контакта.

Прижимающая сила = дифференциальное давление х площадь поверхности контакта

(9.1)

При увеличении поверхности контакта прижимающая сила возрастает. Площадь поверхности контакта зависит от нескольких факторов:

• Соотношение между диаметром бурильной колонны и диаметром скважины

• Диаметр бурильной колонны

• Наличие резких искривлений ствола, уступов или желобов в стенке скважины и другой сложной геометрии ствола

• Наклон скважины

• Скопления шлама в скважине

• Толщина и сжимаемость фильтрационной корки

Чем ближе диаметр бурильной колонны к диаметру скважины, тем больше угол контакта и тем больше поверхность контакта. Чем больше диаметр бурильной колонны, тем больше поверхность контакта. Следует отметить, однако, что поверхность контакта бурильной колонны малого диаметра со стенкой скважины небольшого диаметра может быть больше поверхности контакта колонны большего диаметра со стенкой скважины большого диаметра (рис. 9-12). Статистические данные говорят о том, что большинство дифференциальных прихватов возникает в скважинах небольшого диаметра.⁶

Желоба легче прорезаются в местах резких искривлений ствола или в уступах, когда велика поперечная нагрузка. Поперечная нагрузка определяется растяжением колонны на этой глубине. Поперечная нагрузка, и, следовательно, способность прорезать желоб, становится больше при увеличении длины открытого ствола под резким искривлением ствола.

Прихваты этого типа часто происходят с канатами для спуска скважинных приборов и устройств.

В наклонной скважине бурильная колонна будет лежать на нижней стенке (рис. 9-15). Вес колонны вдавливает ее в фильтрационную корку, и угол контакта будет больше, чем в вертикальных скважинах. Часто колонна прорезает узкие желоба в нижней стенке.

Представляют опасность также скопления шлама в скважине, в которые погружается колонна, и которые окружают колонну. Эти скопления шлама ведут себя подобно очень толстой фильтрационной корке. Когда колонна погружена в шлам, угол контакта может достигать 180⁰ и даже превосходить это значение (рис. 9-16).

Рис. 9-16 Толстая фильтрационная корка и скопления шлама в скважине

Угол контакта и, следовательно, площадь поверхности контакта зависит от толщины фильтрационной корки. Чем толще фильтрационная корка, тем больше поверхность контакта (рис. 9-16В). Фильтрационная корка, сложенная бентонитом, обычно бывает высокопористой и сжимаемой. Частицы бентонита содержат большое количество связанной воды, и поэтому легко деформируются. Такие фильтрационные корки характеризуются большой толщиной и пористостью, даже если они относительно непроницаемы.

Неподвижное состояние бурильной колонны (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Как упоминалось раньше, бурильная колонна должна находиться в движении, чтобы в пространстве между колонной и фильтрационной коркой находился тонкий слой жидкости. Без этого тонкого слоя жидкости силы, действующие на колонну по всем направлениям, не будут уравновешены. Из этого тонкого смазывающего слоя жидкости поступает в корку фильтрат, и без этого слоя жидкости не может быть возмещен фильтрат, уходящий в пласт из фильтрационной корки. Поэтому давление в фильтрационной корке будет ниже в зоне контакта, чем в остальной части скважины. На фильтрационной корке возникает дифференциальное давление.

Время (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Создание зоны пониженного давления происходит постепенно. Продолжительность периода, в течение которого давление в фильтрационной корке выравнивается с пластовым давлением, зависит от проницаемости фильтрационной корки, вязкости фильтрата бурового раствора, репрессии и, до некоторой степени, проницаемости пласта.

После исчезновения смазывающего слоя действует некоторое дифференциальное давление. Сначала оно может быть невелико, но чем дольше колонна остается неподвижной, тем дольше происходит отток фильтрата из корки в пласт, и тем больше давление в фильтрационной корке приближается к пластовому давлению, и тем сильнее будет прихвачена колонна. Прижимающая сила все время возрастает, пока весь фильтрат не уйдет из фильтрационной корки в пласт. После этого прижимающая сила остается относительно неизменной²'^{4, 9} (рис. 9-17).

Давление в зоне контакта уменьшается пропорционально корню квадратному из времени. Толщина неустойчивой фильтрационной корки увеличивается также пропорционально корню квадратному из времени. Поэтому прижимающая сила также возрастает пропорционально корню квадратному из времени (цикл формирования фильтрационной корки).

Поперечные нагрузки (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Поперечные нагрузки способствуют возникновению дифференциального прихвата, но не обязательно вызывают его. Поперечные нагрузки могут быть вызваны сильным натяжением бурильной колонны,

прижатой к стенке скважины в месте резкого искривления, или давлением колонны на нижнюю стенку скважины под действием собственного веса (рис. 9-18). Как мы помним, дифференциальный прихват начинается с исчезновения смазывающего слоя и возникновения дифференциального давления на фильтрационной корке в зоне ее контакта с колонной. Прижимающая сила достигает своего максимума, когда фильтрат уходит из фильтрационной корки, и корка сжимается. Поперечные нагрузки ускоряют этот процесс.

Поперечные нагрузки дополняют силу, вызванную дифференциальным давлением. Трение создается обеими этими силами совместно.

Свежие статистические данные показывают, что более половины дифференциальных прихватов в Мексиканском заливе происходит в верхней части скважины, с бурильной колонной (не с КНБК)⁶. В качестве одной из причин можно указать увеличение репрессии в верхней части скважины при ее углублении. С увеличением глубины возрастает вес бурильной колонны, в результате чего возрастает и растяжение бурильной колонны и поперечные нагрузки в верхней части скважины. При разбуривании верхних интервалов дифференциальный прихват КНБК не происходит, а при углублении скважины может произойти дифференциальный прихват бурильной колонны в тех же интервалах. Причиной является сочетание большой репрессии и увеличенных поперечных нагрузок.

Все эти факторы влияют на прижимающую силу. Однако это не есть удерживающая сила. Это только сила, прижимающая бурильную колонну к стенке скважины. Удерживающая сила обусловлена трением между колонной и фильтрационной коркой.

Обычно силу трения рассчитывают по следующей формуле:

F = μ • N (9.2)

Где:

F = сила трения, препятствующая перемещению.

μ = коэффициент трения между двумя поверхностями

N = нормальная сила

Под нормальной силой понимается сумма всех сил, действующих по нормали к поверхности пласта. Эта сила прижимает колонну к стенке скважины. Иногда под этой силой понимают поперечные нагрузки.

Если дифференциальный прихват происходит в прямой вертикальной скважине, то нормальная сила будет равна произведению дифференциального давления на площадь поверхности контакта. Отсюда следует, что силу трения, препятствующую перемещению колонны, можно рассчитать по следующей формуле:

F = μ • [A•(p_m – p_f)] (9.3)

где

А = площадь поверхности контакта

p_m = давление бурового раствора в скважине

p_f - давление фильтрата бурового раствора в фильтрационной

корке

μ = коэффициент трения между сталью и материалом фильтрационной корки

Для условий, показанных на рис. 9-20:

F = 0, 3 х [(2" х 30' х 12 дюйм/фут) х (1400 фунт/дюйм²)]

F = 302400 фунтов!

Однако это лишь теоретическое максимальное значение силы трения, которое обычно не наблюдается на месторождениях. Как указывалось в материалах по дифференциальному давлению, дифференциальное давление не остается постоянным на всей поверхности контакта бурильной колонны с фильтрационной коркой. Дифференциальное давление будет самым низким в центре зоны контакта и самым высоким по ее периметру.

Более реалистичным будет учитывать среднее дифференциальное
давление, примерно равное половине максимального. Практическая
формула для расчета силы, требуемой для страгивания с места колонны,
прихваченной в интервале песков, будет выглядеть следующим образом:

F = ¹/₂•μ • [A•(p_m – p_f)] (9.4)

Это трение обусловлено только дифференциальным давлением. Может появиться дополнительная сила трения, когда бурильная колонна лежит на нижней стенке наклонной скважины или натянута и прижимается к стенке в месте резкого искривления ствола. Эти дополнительные поперечные нагрузки нужно учесть в нормальной силе при определении фактической силы трения, которую нужно преодолеть.

F = ¹/₂•μ • [A•(p_m – p_f)] + поперечные нагрузки (9.5)

Удерживающая сила, обусловленная липкостью фильтрационной корки

В нескольких работах показана степень влияния адгезии на дифференциальный прихват.⁹¹¹ При очень низких значениях дифференциального давления адгезия становится важным фактором, влияющим на трение. При более высоких значениях дифференциального давления роль адгезии уменьшается (рис. 9-21). Это объясняется тем, что адгезия остается относительно неизменной, а сила трения, обусловленная дифференциальным давлением, значительно возрастает с увеличением дифференциального давления.

Часто бывает, что при подъеме на поверхность освобожденной колонны на ней видны остатки прилипшей фильтрационной корки. Такие остатки говорят о том, что произошел дифференциальный прихват.

Эффект адгезии значительно уменьшается при введении в буровой раствор смазывающих добавок.

Заключение

Когда следует ожидать дифференциальный прихват

Дифференциальный прихват происходит, когда колонна труб находится без движения в интервале проницаемых пород достаточно долго для того, чтобы на поверхности контакта стальных труб и фильтрационной корки развилось дифференциальное давление. Если скважина наклонная, или ствол имеет участки с резкими искривлениями или другими сложными геометрическими характеристиками, при прохождении которых возникают поперечные нагрузки, вжимающие колонну в фильтрационную корку, то дифференциальный прихват может произойти быстрее, и ликвидировать его будет труднее.

Есть несколько факторов, способствующих возникновению дифференциального прихвата:

• Проницаемые пласты

• Большая репрессия

• Флокулированная глина в фильтрационной корке

• Высокое содержание твердой фазы в РВО

• Высокая скорость проходки

• Протяженные открытые участки ствола

• Небольшой диаметр скважины

• Небольшая разница между диаметрами колонны и скважины

• Длинная нежесткая КНБК или обсадная колонна

• Наличие резких искривлений ствола в интервалах проницаемых песков в верхней части разреза

Предупредительные меры

Для предотвращения дифференциального прихвата нужно минимизировать влияние семи факторов, способствующих возникновению прихвата. Большую часть этих факторов устранить нельзя, поэтому нужно сосредоточиться на тех, которые поддаются контролю.