При бурений скважины фильтрация протекает в динамических условиях, пока буровой раствор циркулирует, и в статических условиях, когда циркуляцию прекращают для наращивания колонны, смены долота и т. д. Таким образом, в статических условиях твердые частицы откладываются поверх корки, образовавшейся в динамических условиях, поэтому скорость фильтрации снижается, а толщина фильтрационной корки увеличивается, как это видно на рис. 6.12 (временной промежуток Т3—Т4). Объем фильтрата, проникающего в пласт в этих условиях, можно приближенно рассчитать по уравнению (6.6), если предположить, что вся корка образовалась в статических условиях, и на основании испытаний в статических условиях получить значения Qw и t, соответствующие толщине корки, отложившейся в динамических условиях. Такие расчеты показывают, что количество фильтрата, проникающего в пласт в статических условиях, сравнительно мало даже при продолжительной остановке насосов (рис. 6.18).
При возобновлении циркуляции мягкие верхние слои корки, отложившиеся при статической фильтрации, смываются и толщина корки убывает (см. рис. 6.12, интервал Т4—Т5).
Рис. 6.18. Статическая фильтрация бентонитового раствора:
1 — скорость динамической фильтрации 0,068 см3/(см2 • 2 ч); 2 — водоотдача по методике АНИ 9,1 см3; 3 — кривая А; 4 — кривая А с поправкой на цилиндрический фильтр; 5 — экспериментальные данные, полученные на модели скважины
Но большая часть корки, образовавшейся в статических условиях, сохраняется. В период Т5—Т6 толщина корки снова остается постоянной, а скорость фильтрации снижается до нового равновесного значения. Таким образом, на каждом цикле фильтрации (динамическая плюс статическая) толщина корки возрастает, но абсолютное значение этого прироста мало.
Рост фильтрационной корки ограничивается также в результате механического износа при вращении бурильной колонны и абразивного износа при подъеме или спуске колонны, однако количественно оценить эти эффекты не представляется возможным.
Фильтрация ниже долота
На забое скважины за счет действия высокоэрозионных струй бурового раствора, а также вследствие обнажения свежей поверхности породы при каждом ударе зуба долота образуется очень тонкая фильтрационная корка. Когда-то считали, что проникновение фильтрата самое значительное ниже долота, однако ряд последующих исследований показал, что фильтрацию в породы под долотом существенно ограничивает образующаяся внутренняя глинистая корка. Действительно, даже в том случае, когда в качестве бурового раствора используется вода,
Таблица 6.5
ПРОГРАММА БУРЕНИЯ И ПРОНИКНОВЕНИЕ ФИЛЬТРАТА В ПЛАСТ
| Буровые операции | Время, ч | Объем фильтрата, мл/см2 | Радиус проникновения фильтрата в пласт, см | Толщина зоны проникновения фильтрата, см |
| Разбуривание зоны со ско | 18,54 | 8,89 | ||
| ростью 1,524 м/ч | ||||
| Бурение "ниже зоны со ско- | 18,6 | 46,74 | 37,08 | |
| ростью 1,524 м/ч | ||||
| Спуско-подъемные операции | 0,54 | 46,74 | 37,59 | |
| для смены долота | ||||
| Бурение ниже зоны со ско- | 9,53 | 53,59 | - 43,94 | |
| ростью 1,524 м/ч | ||||
| Подъем колонны, каротаж, | 0,45 | 54,10 | 44,45 | |
| спуск колонны | ||||
| Подготовка ствола к спуску | ||||
| обсадной колонны: | ||||
| промывка ствола | 0,45 | 54,61 | 44,96 | |
| скважины | ||||
| подъем бурильной | — | — | ||
| колонны | ||||
| спуск обсадной колонны, | 0,45 | 55,12 | 45,47 | |
| ее цементирование | ||||
| Суммарная фильтрация | 29,76 | 55,12 | 45,47 | |
| раствора |
фильтрация ограничена (хотя и в меньшей степени), так как поры забиваются частицами выбуренной породы.
Фергюсон и Клотц оценили объем фильтрата, проникающего на различных этапах бурения и заканчивания гипотетической скважины, в пласт, вскрываемый на глубине 2100 м, при проектной ее глубине 2250 м. Результаты расчетов (табл. 6.5) свидетельствуют о том, что около 95 % фильтрата внедряется в пласт при динамических условиях фильтрации (во время бурения) и только 5 % — при статических условиях (во время спуско-подъемных операций и заканчивания скважины).
Хавенаар вывел следующее уравнение для фильтрации на забое скважины в процессе бурения:
(6.15)
где Q — скорость фильтрации, см3/с; n — число шарошек в долоте, работающем с частотой вращения m с-1; С — константа, определяемая из уравнения (6.8) с использованием результатов испытания на фильтрацию по методике АНИ.
В табл. 6.6 сравниваются скорости фильтрации, рассчитанные по уравнению (6.15), с экспериментальными данными Фергюсона и Клотца. Значительное расхождение данных для фильтрации раствора на углеводородной основе, вероятно, обусловлено тем, что образующаяся корка легко подвергается эрозии, а в уравнении (6.15) эрозия корки струями бурового раствора не учитывается.
Исходя из данных, приведенных на рис. 6.17, можно было ожидать, что скорость фильтрации ниже долота ничего общего не имеет с фильтрационными потерями, определяемыми по методике АНИ. Отсутствие какой-либо корреляции между этими величинами было отчетливо продемонстрировано Хорнером, измерившим скорости динамической фильтрации во время
Таблица 6.6
РАСЧЕТНЫЕ И ИЗМЕРЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУТЕМ СКОРОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ НА ЗАБОЕ
| Cкорость фильтрации на забое Q, см3/с | |||||
| Буровой раствор | Скорость | ||||
| V3Q, см3 | С, с/см2 | бурения, м/ч | расчетная | измеренная | |
| Промысловый | 10,1 | 7,2-104 | 3,44 | 1,6 | 3,7 |
| Бентонитовый | 10,5 | 6,7-104 | 3,54 | 1,6 | 3,6 |
| » | 10,5 | 6,7-104 | 1,89 | 1,6 | 2,5 |
| На углеводородной основе | 0,2 | 1,8-108 | 9,75 | 0,04 | 0,52 |
| Известковый, обработанный | 4,1 | 4,4-105 | 5,79 | 0,73 | 0,60 |
| крахмалом | |||||
| То же | 4,1 | 4,1 •105 | 13,11 | 0,73 | 0,6—4 |
Рис. 6.19.
Корреляция динамической фильтрации ниже долота с фильтрационными потерями, определяемыми за 30 мин по методике АНИ:1— кривая второго порядка; 2 — растворы на водной основе; 3 — эмульсии (нефти воде); 4 — инвертные эмульсии; 5 — растворы на углеводородной основе
Рис. 6.20. Влияние проницаемости породы на динамическую фильтрацию ниже долота. Условия испытаний; скорость бурения 0,46—0,61 м/ч; расход бурового раствора 0,38 л/с; противодавление 34,5 кПа; жидкость, насыщающая породу, — дистиллированная вода:
1 — песчаник торпедо, k=1,5—2,0 мкм2; 2 — песчаник бандера, k=0,2—0,3 мкм2; 3 — песчаник бартлесвилл, k=0,04—0,05 мкм2; 4 — песчаник береа, k==0,006—0,008 мкм2
испытаний на микродолотном буровом стенде в условиях, когда почти весь фильтрат поступал из-под долота (рис. 6.19). Результаты этих исследований показали, что на скорости фильтрации ниже долота (в отличие от скоростей фильтрации на стенке скважины) влияет проницаемость пласта (рис. 6.20). Испытания на микродолотном буровом стенде, проведенные Лохоном, также подтвердили отсутствие какой-либо корреляции с фильтрационными потерями, измеряемыми по методике АНИ.
