Фильтрационный цикл при бурении скважины

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 Q_w 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.