Факторы, влияющие на дисперсность твердой фазы
В процессе бурения скважины образуется шлам от разрушенной горной породы. Большая часть его выносится буровым раствором, но, в зависимости от дисперсности выбуренной горной породы, остальная часть вместе с очистным агентом неизбежно проникает в трещиноватую (поровую) среду породы. Данное явление ведет к ухудшению фильтрационно-емкостных свойств пласта (ФЕС), т.е. к снижению проницаемости порового пространства горной породы [6, 13].
На процесс проникновения шлама в пласт влияют две составляющие: дисперсность твердых частиц и их проникающая способность (объемное распределение в пласте) [4].
На размер частиц шлама оказывают влияние в первую очередь технико-технологические условия. К таким условиям можно отнести энергию разрушения породоразрушающего инструмента (ПРИ) и непосредственно его тип по характеру разрушения [14]. Энергия разрушения определяется режимными параметрами бурения, а именно осевой нагрузкой, приходящейся на долото, и частотой вращения ПРИ. Расход промывочной жидкости будет уже влиять не столько на размер частиц шлама, сколько на процесс проникновения их в толщу горной породы.
Выделяют три характера разрушения горной породы: резание, скалывание или дробление. При резании осевая нагрузка действует постоянно, и в таком случае ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления усилия, прикладываемые к горной породе, действуют периодически, что вызывает дополнительные нагрузки на забой.
По характеру разрушения горной породы во время бурения ПРИ можно разделить на три типа: режуще-скалывающего типа, дробяще-скалывающего типа, режуще-истирающего типа [11].
Соответственно, при бурении различными типами ПРИ будет образовываться шлам различной дисперсности. Так, при бурении шарошечными долотами, которые являются ПРИ дробяще-скалывающего типа, будет образовываться самый крупный по фракции шлам. Далее промежуточное значение будет у шлама, образованного при бурении долотами режуще-скалывающего типа. И самый мелкий шлам образуется при использовании долот режуще-истирающего типа.
В Горном университете проведены лабораторные исследования дисперсности шлама при использовании долота PDC с учетом изменения осевой нагрузки и частоты вращения ПРИ. Для проведения исследований использовалось лопастное долото диаметром 220 мм. В качестве материала использовался каменный уголь. Выбор угля для исследований обусловлен перспективностью разработки метаноугольных пластов Кузнецкого бассейна. Размер частиц определялся на лазерном гранулометре Mastersizer, с диапазоном измерения от 0,01 мкм до 3500 мкм. На рисунке 1 представлена зависимость изменения размера частиц шлама выбуренной породы от нагрузки и частоты вращения шпинделя буровой установки.
Из рисунка 1 видно, что размер частиц шлама зависит от осевой нагрузки прямо пропорционально и обратно пропорционально – от частоты вращения. Получены уравнения регрессии для варьируемых осевых нагрузок на долото: y1 – 0,5 кН, y2 – 1,0 кН, y3 – 1,5 кН.
Из этого можно сделать вывод, что с увеличением частоты вращения преобладает истирающее действие долота, в результате которого образуются мельчайшие частицы шлама. А при увеличении осевой нагрузки преобладает режущее действие ПРИ, с образованием более крупных частиц.
Таким образом, частицы различной фракции обладают различной проникающей способностью. Самой большой проникающей способностью будут обладать частицы шлама, образованные при бурении долотами режуще-истирающего действия, так как в процессе их работы образуется шлам с частицами такого размера, способными проникать в мельчайшие поры и трещины горной породы. А под действием давления от промывочного раствора они проникают глубоко в пласт, снижая его ФЕС. Крупные же частицы шлама обладают меньшей проникающей способностью, но они все же будут кольматировать поровое пространство непосредственно около стенок скважины.
Факторы, влияющие на процесс объемного распределения бурового раствора с твердой фазой
Объемное распределение твердых частиц зависит от большего количества факторов в отличие от дисперсности. Рассмотрим данные явления на примере метаноугольных пластов.
В первую очередь угольные пласты характеризуются наличием обширной системы естественных трещин и в большинстве случаев – низким пластовым давлением. Они обеспечивают хорошую приемистость очистного агента со шламом, что позволяет проникать буровому раствору достаточно глубоко [1, 2]. Промывочная жидкость может продавливаться далеко в пласт по системе кливажей, увлекая за собой мелкодисперсный шлам, без образования фильтрационной корки, и может блокировать фильтрационные способности пласта [9, 16].
В процессе бурения метаноугольных пластов образуется репрессия, которая оказывает влияние на продуктивный горизонт. Она определяется частотой вращения компоновки низа бурильной колонны с породоразрушающим инструментом. Также репрессия обуславливается созданием торсионных колебаний буровой колонны, в результате чего образуются волновые возмущения в кольцевом пространстве скважины [12, 17]. В результате данных факторов образуется ударная волна с образованием перепада давления, которая напрямую влияет на глубину проникновения фильтрата бурового раствора и шлама в трещиновато-поровые каналы продуктивных пластов. Ввиду того, что распространение данных колебаний носит полусферический характер, потенциальная энергия будет уменьшаться с удалением от буровой колонны, и движение частиц будет преобладать в сторону пласта. При этом концентрация частиц твердой фазы около стенки скважины возрастает, а основная часть дисперсионной среды оттесняется ими в сторону от пятна контакта кольматирующего потока поверхности волнового взаимодействия раствора со стенкой, вследствие чего усиливается фильтратоотдача раствора, что способствует интенсивному процессу проникновения бурового раствора в пласт [5, 15].
Объем очистного агента, проникнувшего в пласт, зависит от следующих факторов: времени процесса, перепада давлений, вязкости как фильтрата, так и пластового флюида, проницаемости пласта и толщины глинистой корки [3]. Известно, что спустя некоторое количество времени фильтрационная корка набирает постоянную толщину, и в таком случае процесс фильтрации разделяют на мгновенную фильтрацию, фильтрацию при росте глинистой корки и фильтрацию через корку постоянной толщины [7]. Во время мгновенной фильтрации, когда фильтрационная корка еще не успела образоваться, процесс проникновения промывочной жидкости со шламом является самым интенсивным. Далее при росте глинистой корки процесс фильтрации замедляется по мере роста глинистой корки. После же образования корки интенсивность процесса проникновения промывочной жидкости с частицами шлама замедляется, но не останавливается вовсе. Так как глинистая корка также имеет некоторую проницаемость [10]. Таким образом, при оценке глубины зоны проникновения необходимо учитывать время, за которое фильтрационная глинистая корка набирает постоянную толщину.
Проведены исследования по изучению изменения проницаемости угольной породы в результате проникновения бурового раствора со шламом в образец угля.
Для проведения фильтрационного эксперимента использовалась фильтрационная установка RPS-812 (рис. 2), которая позволяла создать термобарические условия, максимально приближенные к пластовым:
· пластовая температура – 32 °С,
· боковое нагружение – 7 МПа,
· вязкость модели воды – 0,798 мПа∙с.
Перед проведением фильтрационного эксперимента в образцах кернового материала создавалась водонасыщенность фильтрацией модели пластовой воды в кернодержателе фильтрационной установки. Для насыщения использовалась модель пластовой воды – раствор гидрокарбоната натрия минерализацией 4 г/л.
В процессе первичного вскрытия продуктивных пластов репрессия, оказываемая на продуктивный горизонт, определяется частотой вращения компоновки низа бурильной колонны и породоразрушающего инструмента, созданием торсионных колебаний буровой колонны, предусматривающих создание волнового возмущения в кольцевом пространстве.
Данный перепад давления с учетом компоновки низа бурильной колонны, используемой при вскрытии продуктивных горизонтов на скважинах метаноугольных месторождений (dдол= 152,4 мм, dкнбк= 120 мм), может достигать 10 атм.
Учитывая это, моделирование первичного вскрытия пласта осуществлялось при максимальной репрессии до 10 атм. Регулировка давления осуществлялась при помощи отсекающего крана, это позволило создать импульсы давления в заданном диапазоне.
Для определения влияния шлама на глубину проникновения БР в поровое пространство при фильтрационных исследованиях использовали зашламленный раствор, с параметрами, приведенными в таблице 1. Для зашламления использовался шлам с диаметром частиц до 50 мкм, это соответствует шламу, получаемому при бурении долотами истирающего тип (PDC).
Направление закачки и фильтрации рабочих жидкостей в исследуемых образцах керна соответствует реальному направлению движения пластовых флюидов и технологических жидкостей в добывающих скважинах: прямая фильтрация соответствует процессу притока флюида из пласта в скважину и в дальнейшем – процессу «освоения» скважины; обратная фильтрация моделировала процесс первичного вскрытия скважины, заключающийся в создании перепада давления.
В первую очередь определялась исходная фазовая проницаемость образца горной породы. Для определения сходимости результатов фильтрационных экспериментов и оценки эффективности работы технологических жидкостей были проведены замеры проницаемости по модели пластовой воды (4-процентный раствор гидрокарбонат натрия). На рисунке 3 представлен график по определению проницаемости по модели пластовой воды. В результате экспериментов проницаемость образца равна 1,65 мД.
После определения исходных фазовых проницаемостей проводилось моделирование процесса первичного вскрытия пласта.
В течение 2 часов с максимальным перепадом давления 1 МПа производилась выдержка зашламленного БР (с рентгеноконтрастным веществом – йодид калия 5 % масс.) у торца керна. Направление фильтрации при этом – «обратное» (моделирование воздействия на пласт со стороны скважины).
Далее снова проводилась фильтрация воды через образец, насыщенный буровым раствором со шламом. По результатам опыта установлена проницаемость образца 0,42 мД.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что в процессе первичного вскрытия очистной агент со шламом проникает в пласт и ухудшает его ФЕС на 75 %.
Способы снижения проникновения бурового раствора со шламом в пласт
В первую очередь уменьшения количества проникающего раствора с частицами в пласт можно добиться путем снижения проницаемости фильтрационной корки за счет изменения физико-химических параметров очистного агента [8]. Увеличение скорости образования фильтрационной корки постоянной толщины также может способствовать снижению количества проникшего в пласт бурового раствора с частицами шлама. Но такого результата сложно добиться, так как изменение данных параметров может повлиять на другие функции бурового раствора, например, способность к транспортировке бурового шлама.
Также снижение репрессии, оказываемое на пласт, может способствовать уменьшению глубины зоны проникновения. Этот параметр можно контролировать за счет изменения физико-механических свойств очистного агента, но репрессия, вызванная торсионными колебаниями бурильной колонны, будет продолжать оказывать давление на пласт.
Заключение
Таким образом, были выявлены основные факторы, влияющие на проникновение бурового раствора со шламом в пласт. Современные методы контроля за глубиной зоны проникновения обращают свое внимание лишь на свойства жидкости, влияющие на процесс фильтрации. Но оставляют без внимания такие вещи, как дисперсность шлама, образующегося в процессе бурения. Однако данный фактор может оказаться решающим при определении проникающей способности шлама и его объемного распределения в толще горной породы. Данный параметр в первую очередь определяется типом ПРИ и режимными параметрами бурения. Таким образом, имеется необходимость в разработке технологии комплексного мониторинга за описанными процессами, которая позволит отслеживать параметры, влияющие на процесс проникновения бурового раствора со шламом в пласт. Необходимо провести исследования, которые позволят установить корреляцию между режимными параметрами бурения, а также возникающими волновыми эффектами, вызванными вибрациями инструмента и его несоосностью и размерностью образованных частиц шлама, определить их проникающую способность. Установить, как на процесс объемного распределения шлама влияют физико-механические и реологические свойства бурового раствора. Успешное определение данных зависимостей позволит повысить качество вскрытия продуктивных пластов за счет технологии мониторинга и прогнозирования параметров первичного вскрытия продуктивных порово-трещиноватых пластов, с целью снижения глубины проникновения твердой фазы.
