Воздействие на фильтрацию различных факторов

Время. В соответствии с законом Дарси, если все прочие параметры постоянны (давление, площадь, вязкость, проницаемость), фильтрация и рост фильтрационной корки со временем замедляются. Для того, чтобы рассчитать объем фильтрата, V_F2, за интересующий период времени, t₂, на основе замеров фильтрации, V_F1, выполненных за период времени t_1, объем собранного фильтрата будет являться функцией от квадратного корня из соотношения двух временных интервалов:

где:

V_F2 = неизвестный объем фильтрата за время t₂

V_F1 = объем фильтрата за время t₁

t₁ = интересующий период времени

t₂ = Временной период для V_F1

Если замерить объем фильтрата, V_F1, за один час, а затем, по прошествии 4-х часов, второй объем фильтрата, V_F2, окажется в два раза, а не в четыре раза больше первого объема.

При известном объеме фильтрата за определенный период времени проведения одного теста, можно рассчитать объем фильтрата и для времени проведения второго теста. Продолжительность измерений по методике АНИ – 30 минут. В промысловой практике принято определять объем фильтрата за 30 минут по удвоенному значению этого параметра для 7,5 минут.

Внимание! Данная практика может привести к большой погрешности при записи результатов измерений фильтрации по методу АНИ. При большой мгновенной фильтрации раствора удвоенный объем фильтрата за 7,5 мин будет превышать объем фильтрата за 30 мин. В случае, если раствор имеет низкую фильтрацию, объем фильтрата, который заполняет пустой путь проникновения потока в фильтровальной ячейке до того, как фильтрат будет собран, снизит двойной объем фильтрата за 7,5 мин по сравнению с истинным значением фильтрации по АНИ за 30 мин.

Тест на высокотемпературную фильтрацию под высоким давлением (HTHP) по методике АНИ всегда должен проводится в течение 30-ти минут. Вследствие воздействия высоких температур и объема фильтрата, находящегося в ячейке, данные замеров за 7,5 мин становятся бессмысленными.

На рис.3 показан график линейной зависимости объема фильтрата от времени, причем на оси абсцисс отложены значения, соответствующие квадратному корню из указанного времени. Объем фильтрата увеличивается прямо пропорционально к корню квадратному из времени. Прямая линия, построенная на основании различных временных значений, обыкновенно не проходит через начало координат; следовательно, как минимум две точки на линии должны использоваться для экстраполяции в более продолжительные периоды времени.

При высоких значениях мгновенной фильтрации график пересечется со шкалой ординат в положительной области, как показано на рис. 3. Это означает, что струя фильтрата прошла через фильтровальную бумагу до того, как сформировалась фильтрационная корка, затруднив проникновение потока фильтрата. При низкой фильтрации и сухой ячейке с некоторым объемом подсеточного пространства график фильтрации от времени пересечет ось y в отрицательной области. Это происходит потому, что этот некоторый объем подсеточного пространства должен заполнить фильтрат прежде, чем можно будет отобрать первую каплю фильтрата, поэтому истинный объем фильтрата не будет собран. Эта ошибка становится наиболее выраженной при проведении замеров за короткие промежутки времени, в этом случае можно получить отсутствие фильтрата в сборнике.

Перепад давления – сжимаемость фильтрационной корки.Согласно закону Дарси, объем фильтрата при двух различных значениях давления должен быть пропорционален квадратному корню из этих величин, если принять, что все прочие параметры (время, площадь, вязкость и проницаемость) неизменны. Это условие в действительности не выполняется, так как фильтрационная корка, формируемая большинством буровых растворов, сжимаема, поэтому проницаемость ее непостоянна и уменьшается с повышением давления. Сжимаемость фильтрационной корки и снижение проницаемости являются благоприятными факторами, способствующими снижению фильтрации и толщины фильтрационной корки. Увеличение сжимаемости фильтрационной корки лучше всего обеспечивается высококачественным бентонитом, прогидратированным надлежащим образом. Однако, независимо от степени сжимаемости фильтрационной корки, высокая фильтрация обычно обусловлена высоким дифференциальным давлением.

Сжимаемость фильтрационной корки можно определить путем замера объема фильтрата при двух значительно отличающихся друг от друга значениях давления. Первый способ – сравнить объем фильтрата, собранный при 500 и 100 psi, как показано на рис. 4. Для испытания отбираются две пробы буровых растворов, имеющих одинаковую водоотдачу по АНИ, которую обозначают на графике как пункт А. Результаты высокотемпературных испытаний, проводимых при давлении 100 psi, нанесены как пункты B и B', тогда как объем фильтрата, полученный в результате испытаний на HTHP фильтрацию, обозначен пунктами С и С'. (В соответствии с другой методикой две пробы раствора тестируются при давлении 200 и 100 psi и при комнатной температуре). Данные испытания, рассчитанные на условия высоких давлений, проводятся в HTHP ячейке при комнатной или высокой температуре.

При формировании буровым раствором сжимаемой глинистой корки объем фильтрата, полученный под высоким давлением, должен быть только немного выше объема фильтрата, образующегося в условиях низкого давления. Несжимаемая фильтрационная корка, в соответствии с законом Дарси, способствует увеличению объема фильтрата при высоком давлении. Эта величина равна величине объема фильтрата, полученного при низком давлении, V_F1, и умноженного на корень квадратный из ∆P₂/∆P₁.

V_F2 = неизвестный объем фильтрата при перепаде давления ∆P₂

V_F1 = объем фильтрата при перепаде давления ∆P₁

∆P₁ = перепад давления для V_F1

∆P₂ = перепад давления для V_F2

Данное соотношение не должно использоваться для определения фильтрационных свойств раствора при другом давлении. Однако, для того, чтобы оценить сжимаемость корки иногда прибегают к сравнению соотношения V_F2/V_F1 и квадратного корня из ∆P₂/∆P_1. Если V_F2/V_F1 меньше величины, равной квадратному корню из ∆P₂/∆P_1, это означает, что корка сжимаема.

Квадратный корень из ∆P₂/∆P₁ отражает на графике (рис.4) наклон нанесенной пунктиром линии. Раствор 1 (B'-C') формирует фильтрационную корку, которая хорошо сжимается (см. рис.4., наклон в отрицательной области). Корка, формируемая Раствором 2 (B–C), относительно несжимаема, это отражено на графике в виде наклона в положительной области. Корень квадратный из ∆P₂/∆P₁ для Раствора 1 (несжимаемая корка) = 2,0, что приближается к величине множителя 2,23( ), рассчитанного по закону Дарси.

Проницаемость фильтрационной корки.Проницаемость фильтрационной корки является фактором, который регулирует фильтрацию в пласт. На проницаемость фильтрационной корки влияет размер и форма твердых частиц, их способность деформироваться под действием давления. Растворы с высоким содержанием мелких частиц формируют низкопроницаемую фильтрационную корку. Наибольшее снижение водоотдачи обычно обеспечивается коллоидными частицами (частицы размером менее 2 мкм), такими, как бентонит. Оптимальный результат достигается в том случае, если корка сформирована частицами различных размеров. Более мелкие частицы закупоривают пустоты между более крупными частицами, формируя низкопроницаемую корку.

Плоские частицы с большой площадью поверхности, такие как частицы бентонита, могут образовывать фильтрационную корку, по форме напоминающую черепичную крышу. Плоские частицы более эффективны по сравнению с частицами, имеющими сферическую или неправильную формы, так как благодаря своей структуре они размещаются более плотно, способствуя снижению проницаемости корки. К тому же, как отмечалось ранее, фильтрационные корки, сформированные бентонитовыми суспензиями, более сжимаемы. Для получения низкопроницаемой фильтрационной корки необходимо наличие высококачественного прогидратированного бентонита. Частицы бентонита невелики по размеру (многие менее 0,05 мкм); они имеют большую площадь поверхности; плоскую, пластинчатую форму и могут легко деформироваться. По мере увеличения гидратации частиц проницаемость образуемой фильтрационной корки снижается. Фильтрационные корки, образуемые бентонитовыми растворами на основе пресной воды, имеют проницаемость около 1 микродарси.

Необходимо помнить, что низкая проницаемость фильтрационной корки снижает водоотдачу и толщину корки. И еще, проницаемость фильтрационной корки измеряется в микродарси, в то время, как проницаемость коллектора – в миллидарси, т.е. во много раз больше проницаемости корки. Проницаемость качественной фильтрационной корки в 1000 раз меньше проницаемости пласта, на котором она откладывается. Качество фильтрационной корки зависит от того, насколько оптимально подобран состав твердой фазы бурового раствора с тем, чтобы концентрация попадающей в раствор выбуренной породы не снизила рабочих показателей бентонита и добавок, регулирующих водоотдачу.

При бурении в высокопроницаемых породах с крупными порами может возникнуть необходимость в использовании кольматирующих материалов для предотвращения ухода всего раствора в пласт. Для закупоривания наиболее крупных отверстий и начала формирования фильтрационной корки необходимы более крупные частицы. Размер частиц подобных кольматирующих материалов должен быть как минимум в половину меньше размера самого крупного отверстия в породе. Средние и мелкие частицы соответственно закупоривают более мелкие пустоты. Дальнейшее снижение проницаемости обеспечивается глинистыми коллоидными частицами, другими добавками к буровым растворам, регуляторами фильтрации, частицами асфальта, гильсонита и небольшими количествами эмульгированной нефти (или рассола). В качестве кольматантов могут использоваться такие продукты, как карбонат кальция, измельченная целлюлоза (M-I-X^TM II) и большое количество других материалов для борьбы с поглощением.

Функциональная зависимость толщины фильтрационной корки и скорости фильтрации от проницаемости фильтрационной корки выражается в виде квадратного корня (также как и зависимость от времени). Однако эта зависимость не используется в расчетах из-за сложности проведения замеров и контроля изменений проницаемости фильтрационной корки.

Температура	Вязкость воды	Температура	Вязкость воды
OF	OC	сП	OF	OC	сП
		1,005		148,9	0,184
		0,801			0,174
		0,656			0,160
		0,549		176,6	0,1535
		0,469			0,150
		0,406			0,142
		0,356			0,134
		0,316			0,127
		0,284			0,121
		0,256			0,116
		0,232		232,2	0,1136
		0,2316			0,1004
		0,212		287,7	0,0899
		0,196			0,086

Таблица 1. Вязкость воды при различных температурах

Вязкость. При прочих равных условиях (время, площадь, давление, проницаемость), по закону Дарси, если имеются два фильтрата, обладающие различными вязкостями, объем фильтрата обратно пропорционален квадратному корню из соотношения вязкостей. Рост вязкости фильтрата снижет фильтрацию и толщину фильтрационной корки. Многие добавки, регулирующие водоотдачу, способствуют увеличению вязкости фильтрата и снижению проницаемости фильтрационной корки.

Повышение температуры ведет к снижению вязкости фильтрата…

При повышении температуры вязкость фильтрата снижается, что, в свою очередь, увеличивает фильтрацию. Данным снижением вязкости обусловлено повышение водоотдачи буровых растворов при высоких температурах, независимо от их основы, это могут быть и водные растворы, и растворы на основе рассолов, а также растворы на синтетической или углеводородной основе. Единственным исключением является свежеприготовленный бентонитовый раствор на основе пресной воды, который может иметь низкую водоотдачу, когда он впервые подвергается воздействию слегка повышенных температур. Это происходит за счет увеличения дисперсии и гидратации частиц бентонита.

Хотя вода и не считается вязкой жидкостью, изменения температуры в достаточной степени влияют на вязкость воды, в результате чего значительно возрастает объем фильтрата. В таблице 1 приведены значения вязкости воды при различных температурах. Воспользовавшись приведенными данными, а также следующим уравнением, можно рассчитать объем фильтрата в различных температурных условиях. Соотношение между объемом фильтрата и изменениями вязкости выглядит следующим образом:

V_F2 = неизвестный объем фильтрата при вязкости фильтрата μ₂

V_F1 = объем фильтрата при вязкости фильтрата μ₁

μ₁ = вязкость фильтрата для V_F1

μ_{2 =} вязкость фильтрата, которая нас интересует (при температуре 2)

Если при 68^ОF (20^ОС) фильтрация равна 5 см³, то объем фильтрата при забойной температуре (300^ОF (149^ОС)), можно определить путем замены величины вязкости фильтрата. Вязкость воды при 68^OF (20^OC) составляет 1,0005 сП, а при 300^ОF (149^ОС) – 0,184 сП. Подставив эти данные в уравнение, получим, что увеличение температуры повлечет и повышение водоотдачи:

= 5 x 2,34 = 11,7 см³

ВНИМАНИЕ! В приведенном примере рассматриваются экстремальные перепады температур, хотя с помощью данных вычислений можно получить более точные результаты не для таких значительных изменений температур. При экстремальных значениях температуры может произойти флокуляция глин, следовательно, проницаемость фильтрационной корки увеличится, также может произойти разложение добавок, регулирующих водоотдачу, в этом случае данный метод вычисления нельзя считать надежным.

Настоящий метод больше всего подходит для определения термостабильности флюида. Значения HTHP водоотдачи термоустойчивых флюидов близки к расчетным величинам.

Флюиды или растворы с высоковязкими фильтратами – такими, как рассолы с высокой концентрацией биополимеров – способны регулировать водоотдачу за счет своих вязкостных свойств. Высоковязкие полимерные растворы используются, как при бурении, так и при проведении капитального ремонта скважин. У них очень низкая фильтрация даже при небольшом объеме твердой фазы в составе раствора и полностью отсутствуют кольматанты, так что истинная фильтрационная корка не образуется. Для этих целей, контроля фильтрации, предпочтительно применение полимерных растворов, обладающих свойствами неньютоновских жидкостей (которые становятся более вязкими при низких скоростях сдвига).

Поскольку эти растворы попадают из ствола скважины в пласт посредством радиального потока, скорость сдвига снижается за счет увеличения зоны притока в скважине с увеличенным диаметром. Возросшая вследствие этого вязкость раствора способствует еще большему снижению фильтрации.

Состав и расположение частиц твердой фазы.Твердая фаза бурового раствора может состоять как из глинистых частиц с высокой активностью, биополимеров, так и из инертных частиц, таких как карбонат кальция, барит и гематит. Влияние, оказываемое на скорость фильтрации твердой фазой раствора, обусловлено такими факторами, как размер, форма и гранулометрический состав частиц; соотношение между активными и инертными частицами твердой фазы; а также как взаимодействуют твердые частицы с окружающей средой. При равной концентрации в растворе различных твердых частиц можно получить значительно отличающиеся друг от друга величины фильтрации.