Водоотдача и толщина фильтрационной корки

Под водоотдачей В (фильтрацией) понимается способность промывочной жидкости отфильтровывать жидкую фазу в поро­ду под действием избыточного давления в скважине. Процесс водоотдачи сопровождается образованием фильтрационной корки.

Сущность водоотдачи сводится к следующему. Все горные. породы — в той или иной степени пористые и трещиноватые. Вскрытие горных пород скважиной сопровождается проникно­вением в поры и трещины промывочной жидкости. При этом частицы твердой фазы не проникают в глубь массива горных пород на большие расстояния, а отлагаются в устьях пор и тре­щин и образуют сплошную пленку, пронизанную тончайшими капиллярами. Размеры этих капилляров таковы, что через них фильтруется только вода. Частицы твердой фазы группируются вокруг каналов фильтрации и постепенно уменьшают их сече­ние. Так, на стенках скважины образуется фильтрационная корка. По мере ее утолщения сопротивление прохождению через нее жидкой фазы возрастает и скорость фильтрации сни­жается. Величина водоотдачи определяется свойствами фильт­рационной корки, образуемой данной промывочной жидкостью.

Рис. 20. Схема образования фильт­рационных корок:

а — тонкой корки при качественном глини­стом растворе; б — толстой корки при не­качественном глинистом растворе; белые кружки обозначают грубые частицы, точ­ки — коллоидные частицы, породы стенок скважины заштрихованы

Скорость образования и толщина корки различны и зависят от ряда факторов, в том числе от качества промывочной жид­кости. Высокодиспергированные растворы образуют, как пра­вило, тонкие, но плотные корки, фильтрация воды через кото­рые со временем приближается к нулю. Грубодисперсные, низ­кокачественные нестабильные растворы образуют толстые, рых­лые и неплотные корки с устойчивыми размерами капилляров, через которые продолжает протекать вода. Такие растворы ха­рактеризуются высокой водоотдачей.

Схема образования фильтрационных корок показана на рис. 20.

Фильтрационная корка характеризуется толщиной и лип­костью. Толстая рыхлая корка уменьшает диаметр скважины, приводит при выполнении спуско-подъемных операций к обра­зованию пробок и затяжкам бурильного инструмента, к росту перепадов давления на стенки скважины. Липкая корка (даже тонкая) — плотная и может привести к прихвату бурильного инструмента, особенно при бурении глубоких наклонных сква­жин. При нормальных условиях бурения толщина фильтраци­онной корки не должна превышать 2 мм.

В процессе бурения вода в поры и трещины горных пород отфильтровывается при циркуляции раствора. Динамическая фильтрация воды из промывочной жидкости происходит в два этапа. На первом этапе наблюдается нарастание фильтрацион­ной корки, на втором этапе прекращается рост толщины фильт­рационной корки и скорость фильтрации стабилизируется в связи с наступлением динамического равновесия процесса.

Описанный механизм водоотдачи сопровождается физико-химическим изменением горных пород в прискважинной зоне. Глубина и характер этих изменений определяются видом гор­ных пород и химическим составом дисперсионной среды промы­вочной жидкости. Поэтому ограничение водоотдачи имеет боль­шое значение, особенно при бурении в пористых, рыхлых и на­рушенных породах. Повышение температуры приводит к росту водоотдачи и тол­щины фильтрационной корки. Характер влияния температуры на водоотдачу глинистого раствора показан на рис. 21. Растворы с высокодиспергированной твердой фазой подвержены влиянию температуры в меньшей степени.

Рис. 21. Зависимость глинистого раствора Рис. 22. Зависимость механической от температуры скорости бурения от водоотдачи

промывочной жидкости

При увеличении давления в скважине неоднозначно изменя­ется водоотдача. Фильтрационные корки ряда промывочных жидкостей, например глинистых растворов, обработанных не­которыми реагентами, при увеличении давления могут уплот­няться, что приводит к уменьшению водоотдачи. Увеличение последней положительно сказывается на механической скорости бурения. При повышенной водоотдаче фильтрат быстрее прони­кает в породу забоя, снижая ее прочность. Более интенсивно выравнивается поровое давление в породах до гидростатическо­го в скважине. С ростом водоотдачи особенно эффективно уве­личивается механическая скорость бурения в глинах. Влияние фильтрации промывочной жидкости на механическую скорость бурения приведено на рис. 22. Однако возможность приведен­ных выше осложнений обусловливает необходимость уменьше­ния водоотдачи.

Существующие приборы для измерения водоотдачи делятся на работающие под давлением и работающие под вакуумом. Первые подразделяются на приборы, измеряющие статическую водоотдачу, и приборы, измеряющие динамическую водоотдачу (в процессе циркуляции над фильтром). Последние сложны и пока используются лишь в научных исследованиях.

К наиболее распространенным в практике разведочного бу­рения приборам относятся ВМ-6 и ВГ-1М, в которых водоотда­ча измеряется в статическом состоянии при перепаде давления 0,1 МПа. За показатель фильтрации принимается количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр площадью 28 см² за 30 мин.

Прибор ВМ-6 имеет две конструкции. Первая (рис. 23, а) состоит из трех основных узлов: напорного цилиндра с плун­жером, фильтрационного стакана и плиты с кронштейном. В фильтрационном стакане между собственно стаканом 5 и его поддоном 9, соединенными на резьбе, в специальной кольцевой выточке зажимается металлический корпус фильтра 7, на кото­рый при измерении укладывают смоченный в воде кружок фильтровальной бумаги 6. С помощью винта 11 клапан 10 с ре­зиновой прокладкой 5 прижимают к нижней стороне корпуса фильтра, перекрывая таким образом каналы фильтрации.

Фильтрационный стакан в собранном виде устанавливают в кронштейн 13 и заливают в него испытуемую жидкость 14. На резьбу горловины стакана 5 навинчивают напорный цилиндр 3 с чашкой в нижней части и проверяют, перекрыт ли дроссель­ный кран 4. После этого в цилиндр 3 заливают масло 15, уста­навливают на цилиндр плунжер 1 с грузом 2 и, выпуская лиш­нее масло с помощью дроссельного крана 4, совмещают нуле­вое деление шкалы прибора с риской в верхней части цилинд­ра. Затем открывают клапан 10 и включают секундомер.

Под действием давления от веса плунжера через фильтро­вальную бумагу и постепенно образующуюся на ней фильтра­ционную корку из промывочной жидкости отфильтровывается жидкость, стекая через отверстия в поддоне 9. По мере отделения фильтрата объем раствора уменьшается — и плунжер с грузом медленно опускается вниз. Через 30 мин по шкале и риске на цилиндре 2 фиксируют объем отфильтрованной жид­кости в см³.

Не всегда удается совместить нулевое деление с риской. В этом случае записывают показание на шкале против риски, принимая его за нуль, и из полученного значения водоотдачи вычитают число, принятое за нуль.

После взятия отсчета открывают дроссельный кран 4, выпус­кают остатки масла из цилиндра 3. Затем при открытой игле вынимают плунжер из цилиндра, отвинчивают цилиндр и сли­вают масло из чашки в подготовленную емкость. Вынув из кронштейна фильтрационный стакан, выливают из него остатки жидкости и масла и разбирают, извлекая фильтр с образовав­шейся фильтрационной коркой. Осторожно смыв с фильтраци­онной корки промывочный раствор, измеряют ее толщину по­гружением стальной линейки.

По окончании разборки все детали прибора тщательно про­мывают, протирают и прибор собирают.

В комплект прибора входит баллончик для масла и ванноч­ка 12 для сбора фильтрата. Последняя при измерении водоот­дачи устанавливается под отверстиями поддона.

Модификация прибора ВМ-6 (рис. 23, б) отличается устрой­ством нижней части. Изменена конструкция поддона 7, который приобретает функцию опорной части прибора. Поддон в нижней части имеет кольцевые канавки, соединенные сквозным отвер­стием с чашей. Отверстие перекрывается пробкой 6, играющей роль запорного клапана.

При сборке фильтрационного стакана на поддон 7 уклады­вается смоченный кружок фильтровальной бумаги 9, на кото­рый укладывается кольцевая резиновая прокладка 8, после че­го навинчивается до упора собственно стакан 5. Затем отвер­стие перекрывается пробкой 6, и узел готов к работе. Осталь­ные операции аналогичны операциям при работе с прибором описанной выше конструкции.

Максимальная водоотдача, которую можно измерить непо­средственно на приборах ВМ-6, составляет 40 см³ за 30 мин. Для того чтобы можно было измерить больший показатель, к прибору прилагаются бланки с двойной логарифмической сет­кой (рис. 24). Зависимость водоотдачи от времени на такой сетке выражается прямой линией. Измерив водоотдачу через более короткие отрезки времени, например 2 и 5 мин, и отло­жив соответствующие точки на графике, можно провести через эти точки прямую и продолжить ее до пересечения с ординатой, соответствующей 30 мин. Точка пересечения дает водоотдачу за 30 мин.

Толщина и качество фильтрационной корки при таком мето­де определения не являются показательными. Этот метод ис­пользуется и для ускорения измерения водоотдачи. При этом для большей надежности делают три-четыре измерения, напри­мер через 1, 2, 3 и 5 мин.

Водоотдачу, лежащую за пределами шкалы измерений при­бора, можно определить и расчетным путем. Решение уравнения фильтрации жидкости при переменной толщине фильтрацион­ной корки приводит к выводу, что количество отфильтровавшейся жидкости V за время t определяется равенством

V = аt ^1/2, (III.21)

где а — коэффициент, учитывающий свойства фильтрационной корки и вязкость дисперсионной среды.

Приведенное уравнение позволяет вычислить водоотдачу промывочного раствора за любой промежуток времени, если известна его величина за любой другой промежуток:

С помощью прибора ВМ-6 можно определять содержание га­за (воздуха) в структурированной промывочной жидкости. Для этого плунжер прибора закрывается изнутри пробкой, отделяю­щей воздух, находящийся в штоке, от исследуемой промывочной жидкости. На собранный для измерения водоотдачи прибор на­кладывается груз массой G. В результате сжатия газа плунжер опускается на определенное число делений п. Содержание газа V ₂(в %) в промывочной жидкости вычисляют по формуле

V ₂ =1,05(4/ G +1) n. (III.23)

Водоотдачу промывочных жидкостей, содержащих газ (воз­дух), и объем газовой фазы (в %) определяют в условиях буре­ния на приборе ВГ-1M (рис. 25). Прибор имеет удлиненные по сравнению с прибором ВМ-6 плунжер и цилиндр, а также шка­лу, разделенную на две части: нижнюю — для измерения содер­жания газа, верхнюю — для измерения водоотдачи. Шкала пе­ремещается в вертикальном направлении с помощью винтов, что необходимо для установки на нуль по шкале «газ».

Сначала определяется содержание газа. Плунжер, сжимая пробу раствора с газом, опустится. Деление шкалы «Газ», оста­новившееся против отсчетной риски на верхнем крае втулки ци­линдра, укажет процентное содержание газа в исследуемом растворе. Отсчет по шкале надо брать сразу же после останов­ки груза-шкалы.

После измерения количества газа в растворе определяют во­доотдачу. Спуская избыток масла с помощью дроссельного кра­на, совмещают нулевое деление на шкале «Водоотдача» с от­счетной риской на втулке цилиндра, открывают клапан и через 30 мин берут отсчет.

Вакуумный способ измерения применяется в стационарных лабораториях. Преимущества его — более благоприятные усло­вия измерения и возможность исследования стабильных аэри­рованных жидкостей. Схема вакуумной установки показана на рис. 26. Установка состоит из вакуумного насоса 9, вакуумного манометра 8, колбы 1, соединенной с вакуумным насосом шлан­гом 3 со стеклянным краном 4. Внутрь колбы помещается гра­дуированная пробирка 2 для сбора фильтрата, в верхней части колбы с помощью резиновой пробки 5 с отверстием установлена воронка Бюхнера 7.

Рис. 27. Прибор ПВД-8

Водоотдачу измеряют сле­дующим образом. На перфори­рованную часть воронки Бюхнера помещают два смоченных кружочка фильтровальной бу­маги 6, диаметр которых равен внутреннему диаметру цилинд­рической части воронки. При включении на короткое время вакуумного насоса фильтро­вальная бумага присасывается к воронке. Перекрыв кран 4, включают вакуумный насос и заливают в цилиндрическую часть воронки испытываемую жидкость. По достижении мак­симального разрежения от­крывают кран и включают се­кундомер. Через 30 мин пере­крывают кран, снимают во­ронку 7, достают пробирку и измеряют объем фильтрата.

В скважине процесс отфильтровывания жидкой фазы происходит при более высоких давлениях, чаще в динамических условиях. Приборы для опре­деления водоотдачи в динамических условиях сложны и исполь­зуются пока только в хорошо оснащенных лабораториях для научных исследований. Схема такого прибора (ПВД-8) пока­зана на рис. 27.

Прибор работает следующим образом. Раствор из нагнета­тельной линии через кран 1, фильтр 3 и открытую задвижку 2 поступает в кольцевое пространство, образованное корпусом 4 и фильтром 5. Площадь цилиндрической поверхности фильт­ра 5 равна площади фильтра стандартного прибора ВМ-6. От­фильтрованная жидкость, преодолевая сопротивление пружины редукционного клапана 6, стекает в измерительный цилиндр 7. Циркулирующая жидкость через распределительную муфту 8 удаляется из системы. Давление контролируется манометром 9. Прибор позволяет измерять водоотдачу при перепаде давле­ния до 15 МПа и скорости циркуляции промывочной жидкости, равной скорости подъема раствора в кольцевом пространстве скважины.

Дата добавления: 2015-07-15