Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 38

 

 

таких  случаях  приводит  к  солюбилизации  химреагентов  и  дефлокуляции  бурового 
раствора, что как правило понижает скорость водоотдачи. 

 

Водоотдача в условиях высокой температуры и давления 

В  последние  годы  всё  больше  и  больше  внимания  уделяется  исследованию 

водоотдачи в условиях высоких температур и давления, характерных для забоя скважины 
(5).  При  проведении  настоящих  исследований  использовали  описанное  в  первой  главе 
устройство для исследования жидкостей в условиях высоких температур и давления. 

В  1961  году  комитет  по  стандартизации  и  материалам  для  приготовления  буровых 

растворов  при  АНИ  утвердил  методику  определения  скорости  водоотдачи  в  условиях 
высоких температур и давления. В соответствии с этой методикой исследования должны 
проводиться  при  давлении  500  фунт/кв.д.  и  температуре  300°F.  Иногда  условия 
проведения  исследований  приходится  изменять  в  целью  определения  параметров 
бурового  раствора  в  забойных  условиях.  Очень  часто  температура  на  забое  скважин  не 
достигает  200°  ,  а  при  температуре,  превышающей  250°F  качество  многих  материалов 
ухудшается  и  соответственно  их  эффективность  падает.  Моделирование  фактической 
температуры  на  забое  даёт  возможность  контролировать  свойства  конкретного  бурового 
раствора, применяющегося при бурении. Такой метод приемлем для исследования любого 
типа  буровых  растворов,  особенно  широко  применяющихся  в  настоящее  время  много 
численных полимерных растворов. 

Любые  изменения  в  методике  проведения  исследований  должны  заноситься  в 

ведомость для контроля за параметрами бурового раствора. 

Установлена  зависимость  между  величиной  водоотдачи  в  условиях  высоких 

температур  и  давления  и  возникающими осложнениями  в  процессе  бурения.  К  наиболее 
серьёзным относятся следующие осложнения. 

1.  Разбухание  и  обвал  стенок  скважины  сложенных  глинистыми  сланцами, 

приводящие к осложнениям при цементировании, промывке ствола, вызывающие прихват 
бурильной колонны и заполнение скважины породой. 

2.  Образование  толстой  глинистой  корки,  вызывающее  аномально  высокое 

сопротивление  вертикальному  перемещению  колонны,  прихват  бурильной  колонны  под 
воздействием дифференциального давления, гидравлический удар и свабирование. 

З.  Нарушение  эксплуатационных  качеств  продуктивного  пласта  вследствие 

образования водного барьера и воздействия водоотдачи бурового раствора на сланцы или 
глину в продуктивном пласте. 

Исследование  раствора  в  соответствии  со  стандартом  АНИ  при  100  фунт/кв.д.  и 

температуре  окружающей  среды  не  учитывает  влияние  повышенной  температуры  и 
давление  на  характер  фильтра.  Можно  иметь  два  буровых  раствора  с  абсолютно 
одинаковой водоотдачей АНИ, однако если объёмы фильтрата измерить при одной и той 
же  повышенной  температуре  и  давлении,  то  могут  получиться  совершенно  разные 
значения.  Один  раствор  будет  иметь  высокие  показатели  водоотдачи,  а  другой  -  низкие. 
Такое различие может объясняться тем, что в условиях высокой температуры и давления 
буровой  раствор  с  небольшой водоотдачей  может  иметь  сжимаемую  глинистую  корку,  а 
раствор с высокой водоотдачей - несжимаемую глинистую корку. 

Сжимаемость  глинистой  корки  можно  определить  с  помощью  двух  отдельных 

исследований водоотдачи бурового раствора (см.рис. 5). 

Точка  «А»  характеризует  стандартную  водоотдачу  АНИ  двух  различных  буровых 

растворов, определенную при комнатной температуре. Точки В и В? были получены при 
давлении 100 фунт/кв.д. и температуре 300°F. Точки С и С? были получены при давлении 
500  фунт/кв.д.  и  температуре  300°F.  Разница  в  значениях  водоотдачи,  представленной 
точками  А  и  В-В? объясняется  влиянием  температуры  на  характер  фильтрации.  Разница 
значений  точек  В-С  и  В-С? объясняется  влиянием  повышенной  температуры  и  давления 
на  характер  фильтрации.  Верхняя  часть  наклона  линии  В-С  обозначает  относительно 

 

 

несжимаемую  глинистую  порку,  в  то  время,  как  нижняя  часть  коллоидной  линии  В?-С?, 
обозначает сильно сжимаемую глинистую корку. 

 

 

Рис.5. Кривые водоотдачи в условиях высокой температуры и давления 
Лигносульфонатные  буровые  растворы,  такие,  как  Сперсен/ХР-20,  будут  иметь 

гораздо лучшие фильтрационные свойства, чем другие типы буровых растворов, особенно 
в  условиях  высоких  температур  и  давления.  Кальциевые  буровые  растворы,  содержащие 
резинекс  в  качестве  органического  регулятора  водоотдачи,  обладают  устойчивостью  в 
условиях  повышенных  температур  и  давлений.  Высокая  температура  может  вызвать 
изменения в химическом составе кальциевых буровых растворов в случае введения в них 
органических  регуляторов  водоотдачи.  Однако,  применение  Резинекса  способствует 
стабилизации буровых растворов на основе кальция и обеспечивает необходимое для этих 
буровых растворов регулирование водоотдачи в условиях высоких температур. 

 

Динамическая водоотдача 

До  сих  пор  рассматривалась  только  статическая  водоотдача,  т.е.  водоотдача, 

происходящая  при  отсутствии  и  циркуляции.  В  настоящее  время  проводится  серьезная 
лабораторная  работа  по  определению  водоотдачи  в  динамических  условиях,  т.к.  в 
процессе  циркуляции.  Было  установлено,  что  скорость  водоотдачи  в  динамических 
условиях  значительно  выше  водоотдачи  в  статических  условиях  при  одной  и  той  же 
температуре  и  давлении,  до  сих  пор  не  установлено  прямой  зависимости  между 
стандартной водоотдачей АНИ и динамической водоотдачей. Кроме того, не обнаружено 
прямой связи между динамической водоотдачей и водоотдачей АНИ в условиях высокой 
температуры и давлений. 

Т.к.  полученные  в  результате  лабораторных  исследований  данные  свидетельствуют 

об  относительно  высокой  динамической  водоотдаче,  при  отсутствии  какой-либо 
очевидной  зависимости,  возникает  вопрос  о  необходимости  проведения  статических 
исследований. 

Однако  нельзя  отрицать,  что  статические  исследования  -  это,  единственные 

практически  возможные  исследования,  с  которыми  нам  приходится  иметь  дело  в 
настоящее время. 

Многие  исследователи  серьезно  сомневаются  в  том,  что  величина  динамической 

водоотдачи  на  самом  деле  так  высока,  как  это  показывают  результаты  лабораторных 
исследований.  Это  объясняется  недостаточным  объёмом  исследований  материального 
баланса. Из всего этого очевидно, что величина водоотдачи никак не связана и абсолютно 
не  зависит  от  протяженности  необсаженного  ствола  или  же  обшей  протяженности 
необсаженной  проницаемой  породы.  Это,  возможно,  объясняет  тот  факт,  что  многие 
осложнения,  связанные  с  плохим  состоянием  ствола  скважины,  можно  ликвидировать 

 

 

путём регулирования водоотдачи АНИ в условиях высоких температур и давлений. Если 
такая  зависимость  на  самом  деле  существует,  то,  вероятно,  можно  сделать  вывод  о  том, 
что  существует  некоторая  зависимость  между  водоотдачей  АНИ  в  условиях  высоких 
температур  и  давления  и  динамической  водоотдачей.  Логический  вывод  заключается  в 
том,  что  если  значение  водоотдачи  АНИ  в  условиях  высокой  температуры  и  давления 
являются  оптимальными  относительно  статической  водоотдачи  АНИ,  то  образуется 
сжимаемая  глинистая  корка,  а  значение  динамической  водоотдачи  будут  находиться  в 
допустимом  диапазоне. 

Для  того,  чтобы  далее  развивать  допущение  о  том,  что  водоотдача  в  условиях 

высокой  температуры  и  давления  связана  с  динамической  водоотдачей,  необходимо 
понимание  того,  что  водоотдача  в  условиях  высокой  температуры  и  давления  является 
показателем того, как буровой раствор будет вести себя в данных условиях, под которыми 
подразумеваются  температура  и  давление  на  забое.  Важной  частью  этих  исследований 
является  определение  причин  водоотдачи  конкретного  бурового  раствора  по  виду 
образовавшейся  глинистой  корки.  Тонкая  глинистая  корка  свидетельствует  о  небольшой 
водоотдаче;    Рыхлая  глинистая  корка  характеризует  большую  водоотдачу  (исключение: 
глинистая  корка  из  чистого  бентонита  будет  рыхлой,  но  сильно  сжимаемой).  Важно 
определить,  какая  из  этих  корок  будет  размываться  в  динамических  условиях,  а  также 
установить  почему  глинистая  корка  толстая,  рыхлая  и  проницаемая.  Объясняется  ли  это 
влиянием  температуры  или  давлений?  Оба  ответа,  наряду  с  другими  данными 
исследования, указывают на необходимость более тщательного регулирования водоотдачи 
и  повышения  концентрации  химреагентов  в  условиях  высоких  температур.  Высокая 
температура  приводит  к  флокуляции    твёрдой  фазы  и  повышению  водоотдачи. 
Повышение  концентрации  химреагентов  может  поддерживать  стабильность  свойств 
бурового раствора в условиях высокой температуры при условии тщательного контроля за 
содержанием  твёрдой  фазы,  давление  позволит  определить  тип  и объём  твёрдой  фазы,  в 
зависимости  от  сжимаемости  глинистой  корки.  Флоккулированные  активные  частицы 
твердой  фазы  и  инертные  частицы  не  сжимаются  по  степени,  обеспечивающей 
регулирование  водоотдачи.  Введение  оптимального  количества  химреагентов  позволит 
избежать  слокулядии  системы,  чувствительной  к  воздействию  высоких  температур  и 
давлений. 

Приведенная  таблица  -  которая  может  служить  примером  анализа  водоотдачи 

бурового  раствора,  помогает  установить  параметры,  влияющие  на  свойства  бурового 
раствора. С помощью приведенной ранее таблицы 1 по вязкости воды можно определить 
величину водоотдачи. Так, буровой раствор А имеет водоотдачу АНИ=6,1 см?. По таблице 
определяем, что вязкость дистиллированной воды при температуре 86°F 

ранвна 

0,801 

сПз. Вязкость в воде при температуре 250°F 

равна 0,2316 сПз. 

Таблица 

 
 

 

 

 

 
       
 

Поэтому, используя приведенную ниже формулу, можно определить, что водоотдача 

при температуре 250°F  равна 11,3 см?. 

Q 

2

 Q

34

,

11

2316

.

801

.

1

,

6

2

1





Vis

Vis

 см? 

Сравнивая  эту  величину  с  фактическими  промысловыми  данными  получим 

отрицательную  разность,  что  указывает  на  термостойкость  раствора.  Отрицательная 

Буровой 

раствор 

Водоотдача 

АНИ 

250°F-100 

фунт/кв.д. 

250°F-500 

фунт/кв.д. 

А 

6.1 

10.8 

10.4 

В 

8.4 

26 

35.4 

С 

10.4 

36.4 

45.6 

D 

16.2 

48.0 

62.8 

Е 

5.6 

9.6 

12.0 

 

 

разность  также  свидетельствует  о  том,  что  находящиеся  в  водной  фазе  растворимые 
химреагенты  оказывают  определенное  влияние  на  вязкость  воды  и  что  эффективность 
этих химреагентов не уменьшается с возрастанием температуры. 

Продолжая  анализ,  можно  установить  влияние  давления  на  систему  бурового 

раствора  с  помощью  полученной  теоретической  водоотдачи  и  фактической  водоотдачи. 
Как видно из таблицы, водоотдача при 250°F и 500 фунт/кв.д. уменьшилась по сравнению 
со значением при 250°F и 100 фунт/кв.д. 

Это  свидетельствует  о  сжимаемости  твёрдой  фазы  при  возрастании  давления. 

Теоретически,  если  бы  глинистая  корка  оставалась  без  изменений,  то  величина 
водоотдачи изменилась бы как корень квадратный из величины давления 

Q 

2

 Q

1

2

,

24

100

500

1

,

10

1

2





P

P

 см? 

Этот теоретический расчёт показывает, что если давление не влияет на сжимаемость, 

то водоотдача будет равна 24,2 см?. Однако все глинистые корки являются сжимаемыми в 
различной степени. 

Степень  этой  сжимаемости  зависит  от  размера,  формы  и  способности  частиц 

деформироваться под действием давления. Из данных раствора А видно (см. таблицу), что 
водоотдача  понизилась  от  10,8  см?  до  10,4  см?  с  увеличением  давления.  Этот  пример 
иллюстрирует  сжимающуюся  глинистую  корку  и  термостойкую  систему  бурового 
раствора. 

В нижней части таблицы приведены результаты анализе водоотдачи и стабильности 

буровых  растворов.  Анализируя  данные  бурового  раствора  D,    можно  определить 
термостойкость  бурового  раствора  и  сжимаемость  глинистой  корки.  Анализ  показывает, 
что  для  повышения  стабильности  системы  бурового  раствора  необходимо  регулировать 
как содержание твёрдой фазы, так и вводимые химреагенты. 

Несмотря  на  конкретность  приведенного  способа  анализа  параметры  бурового 

раствора должны рассматриваться в совокупности с другими характеристиками. Ни один 
отдельно взятый эксперимент не в состоянии дать точное представление об исследуемом 
буровом растворе. 

 

Регуляторы водоотдачи 

Существует несколько типов регуляторов водоотдачи буровых растворов на водной 

основе.  Их  применение  определяется  типом  применяемого  бурового  раствора  и 
содержавшимся  в  нём  химреагентами.  Наиболее  распространенными  регуляторами 
водоотдачи являются глины. 

Глины. 

Основным  регулятором  водоотдачи  большинства  буровых  растворов  на  водной 

основе  является  растворенная  в  нём  глинистая  твёрдая  фаза.  Основным  условием, 
обеспечивающим  оптимальную  водоотдачу  бурового  раствора,  является  правильный 
грануло  -  метрический  состав  раствора.  Это  значит,  что  буровой  раствор  должен  иметь 
широкий диапазон частиц различного размера, причём большая часть этих частиц должна 
иметь размер, равный одному микрону или меньше. 

Такой  гранулометрический  состав  обеспечивает  образование  малопористой 

глинистой  корки  с  небольшой  проницаемостью  С  этой  целью  пытаются  получить 
глинистую  корку  с  максимальной  плотностью.  Это  значит,  что  размер  частиц  должен 
быть  таким,  при  котором  частицы  меньшего  размера  заполняют  пространства  между 
частицами большего размера. Этот вопрос освещен в работе 6 Гатлина и др. 

Промышленные  глины,  такие,  как  М-I  GEL,  не  только  обеспечивают  вязкость  но 

также  могут  понижать  водоотдачу.  Особенно  пригодным  для  этой  цели  является 
бентонит.  Способность  бентонита  понижать  водоотдачу  объясняется  следующим:  (1.) 
размером частиц, (2) плоской формой частиц, напоминающей пластины, (3) способностью 
частиц  гидратироваться  и  сжиматься  под  действием  давления.  При  прочих  работах