Влияние размера и формы твердых частиц на проницаемость фильтрационной корки

Крумбейн и Монк исследовали проницаемости фильтров из речного песка; для этого песок разделили на десять фракций, из которых готовили две группы смесей. В одной группе смеси состояли из частиц, средний диаметр которых возрастал, но во всех смесях присутствовали частицы одного и того же диапазона размеров, определяемого -по относительной шкале (рис. 6.7). В другой группе все смеси состояли из частиц, кото­рые- имели одинаковый средний диаметр, а диапазон размеров увеличивался от смеси к смеси. Исследования показали, что проницаемость фильтра снижается с уменьшением среднего диаметра частиц и с увеличением диапазона размеров частиц

При равномерной градации частиц можно ожидать мини­мальной проницаемости фильтрационной корки. Однако экспе­рименты Бо, о которых уже говорилось, показали, что мини­мальные проницаемости достигались при избытке мельчайших частиц, а не при линейном распределении частиц по размерам . Поэтому можно предположить, что равномерная градация частиц по размерам имеет второстепенное значение. В фильтрационной корке, очевидно, не должно быть значитель­ных пустот, иначе мелкие частицы будут проходить через поры между крупными частицами.

Крумбейн и Монк показали, что проницаемость фильтраци­онной корки резко снижается с уменьшением размера частиц. Буровые растворы содержат множество коллоидных частиц, размер которых может не превышать 10 нм. Неудивительно по­этому, что проницаемость образуемых ими фильтрационных ко­рок почти полностью определяется содержанием и свойствами коллоидной фракции. Хотя данные, полученные Гейтсом и Боуи, свидетельствовали лишь об общей корреляции размера частиц и проницаемости (так как ими не была учтена различная сте­пень флокуляции частиц), группа буровых растворов с наиболее крупной коллоидной фракцией (рис. 6.9, А) образовывала филь­трационные корки проницаемостью от 0,31 до 1,5 нм², в то время как группа растворов, не содержавшая коллоидных ча­стиц (рис. 6.9, Б), образовывала фильтрационные корки настолько высокой проницаемости ,что ее невозможно было измерить.

На проницаемость корки, конечно,влияет вид коллоидных частиц, а также их число и размер. Так, фильтрационные корки, образуемые из бентонитовых суспензий в пресной воде, имеют исключительно низкие проницаемости вследствие пластинчатой структуры глинистых частиц, благодаря которой они плотно размещаются перпендикулярно к направлению потока. Органи­ческие макромолекулы крахмала, например, обязаны своим эффективным действием деформации гидролизованных ядер, а также их малому размеру. Полиэлектролиты, например карбоксиметилцеллюлоза, частично адсорбируются на глинистых частицах, а частично застревают в порах; тем самым они препятствуют движению суспензии в результате физического закупоривания, а также за счет проявления вязкостного эф­фекта и действия электрического заряда частиц .

При использовании битумных буровых растворов регулиро­вать фильтрацию можно только в том случае, если битум нахо­дится в коллоидном состоянии. Фильтрация становится некон­тролируемой, если содержание ароматической фракции в угле­водородной фазе суспензии слишком мало (анилиновая точка выше 65 °С), поскольку происходит коагуляция битума, а также если это содержание слишком высоко (анилиновая точка ниже 32 °С), так как в этом случае битум переходит в истинный раствор. При использовании других видов буровых растворов на углеводородной основе регулирование фильтрации дости­гается благодаря образованию тонкодиспергированных эмуль­сий воды в углеводородной фазе при добавлении эффективных органических эмульгаторов. . Мельчайшие, весьма устойчивые капельки воды ведут себя как деформируемые частицы твердой фазы, обеспечивая низкую проницаемость фильтрационных корок.

Влияние флокуляции и агрегации на проницаемость фильтрационной корки

При флокуляции буровых рас­творов происходит ассоциация твердых частиц с образованием рыхлой решетчатой структуры. Эта структура частично сохра­няется в фильтрационных корках, способствуя значительному увеличению проницаемости. Чем выше перепад давления при фильтрации, тем сильнее уплотняется образующаяся структура, благодаря чему снижаются как пористость, так и проницаемость корки. С увеличением степени флокуляции становятся более значительными силы притяжения между частицами, поэтому структура упрочняется и ее сопротивление давлению повы­шается (рис. 6.10). Структура делается еще более прочной, если флокуэтяция сопровождается агрегацией, поскольку в этом слу­чае структура создается из утолщенных пакетов глинистых пла­стинок. Например, в фильтрате суспензии 1 (см. рис. 6.10) со­держалось лишь 0,4 г/л хлорида, достаточного только для того, чтобы вызвать образование слабой хлопьевидной структуры. Суспензия 2 была получена добавлением в суспензию 1 хло­рида натрия (35 г/л); этого оказалось достаточно, чтобы вы­звать сильную флокуляцию и агрегацию/Следовательно, про­ницаемость и пористость фильтрационной корки, получаемой из суспензии 2, были значительно выше, чем для корки из суспен­зии 1, даже при высоких перепадах давления при фильтрации.И наоборот, пептизация бурового раствора в результате до­бавления понизителя вязкости вызывает уменьшение проницае­мости фильтрационной корки. Кроме того, большинство понизи­телей вязкости являются солями натрия, а ион натрия может вытеснить поливалентные катионы из обменных позиций на глинистых частицах, что при­водит к диспергированию аг­регатов глин и дополнитель­ному снижению проницаемо­сти корки.Таким образом, преобла­дающие в буровом растворе электрохимические условия являются решающим факто­ром, определяющим проницае­мость фильтрационной корки. В заключение следует отме­тить, что проницаемость филь­трационных корок при исполь­зовании флокулированных бу­ровых растворов имеет поря­док 1 нм², а для растворов, обработанных понизителями вязкости, — 0,1 нм².

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 .

ДИНАМИЧЕСКАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

В условиях динамической фильтрации рост фильтрационной корки ограничен эрозионным действием потока бурового рас­твора. В момент вскрытия пласта скорость фильтрации очень высока и фильтрационная корка растет быстро. Однако со вре­менем ее рост замедляется. После того как скорость роста корки становится равной скорости ее эрозии, толщина корки остается постоянной. Следовательно, в равновесных динамиче­ских условиях скорость фильтрации зависит от толщины и про­ницаемости корки и подчиняется закону Дарси (уравнение 6.3), в то время как в статических условиях толщина корки растет неопределенно долго, а скорость фильтрации определяется урав­нением (6.6). Фильтрационные корки, образующиеся в динамических и статических условиях, различаются тем, что в первых отсутствуют мягкие поверхностные слои. Это обусловлено эро­зией поверхности фильтрационной корки, определяемой отноше­нием сдвигающего усилия,-развиваемого потоком бурового рас­твора, к сдвиговой прочности верхних слоев корки.На рис. 6.12 показаны различные стадии динамической фильтрации. Во временном интервале Т₀—Т₁ скорость фильтра­ции снижается, а толщина корки возрастает. В интервале Т₁— Т₂ толщина корки остается постоянной, а скорость фильтрации все еще снижается, поскольку, согласно данным Аутмэнза , фильтрационная корка продолжает уплотняться (вероятно по­этому скорости роста и уплотнения корки равны). Другое объ­яснение дал Прокоп, предположивший, что проницаемость корки уменьшается из-за сортирующего действия потока буро­вого раствора, который способствует эрозии корки и повтор­ному отложению частиц на ее поверхности. К моменту Т₂ до­стигаются условия равновесия, поэтому скорость фильтрации и толщина корки становятся постоянными. Скорость фильтрации в этом случае определяется уравнением

Q = k₁(τ/f)^-ϑ+1/[µδ(-ϑ+l)],(6.14)

где k₁— проницаемость корки при давлении 7 кПа; τ — каса­тельное напряжение, создаваемое потоком бурового раствора; f — коэффициент внутреннего трения в поверхностном слое фильтрационной корки (определение этого параметра см. в главе 9); δ— толщина корки, подвергающейся эрозии; (—ϑ +l) — функция сжимаемости корки.

Прокоп измерил скорость динамической фильтрации на ла­бораторном стенде, в котором буровой раствор циркулировал по концентричному каналу в искусственном керне цилиндриче­ской формы. В табл. 6.4 показана толщина фильтрационной корки, полученная на этом стенде в условиях равновесия при испытании растворов ,приготовленных в лаборатории. Растворы циркулировали в 51-мм стволе в сцементированном песчанике; режим течения турбулентный, давление фильтрации 2,4МПа.

Рис. 6.12. Сопоставление статиче­ской и динамической фильтрации в стволе скважины:'

1— толщина, корки, образующейся в динамических условиях; 2 — толщина корки, образующейся в статических условиях; 3 — толщина комбинирован­ной корки постоянна; 4 — увеличивает­ся; 5 — постоянная; 6 — скорость филь­трации постоянна; 7 — снижается; 8 — асимптота

.

Фергюсон и Клотц получили данные о скоростях фильтра­ции в динамических условиях на модели, воспроизводящей гео­метрию реальной скважины. Стволы бурили в блоках искусст­венного песчаника долотами диаметром 133 и 136 мм. На ри­сунках 6.13—6.16 показаны изменения скоростей фильтрации в динамических условиях для четырех буровых растворов при различных скоростях циркуляции. На графиках показаны также экстраполированные фильтрационные потери, определенные по методике АНИ. Следует отметить, что скорости фильтрации в динамических условиях были намного выше, чем в статиче­ских. Последние определяли путем экстраполяции результатов Испытаний на фильтрационные потери по методике АНИ. Время, необходимое для получения постоянных скоростей ди­намической фильтрации, изменялось от 2 до 25 ч в зависимости от типа раствора и скорости его течения. На рис. 6.17 иллю­стрируется повышение скорости фильтрации с увеличением скорости течения раствора. Чтобы показать расхождения в зна­чениях скоростей динамической и статической фильтрации на рис. 6.17 приведены значения суммарного объема фильтрата, определенного по методике АНИ для соответствующих рас­творов.