Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследований 9
1.1 Факторы, влияющие на сохранение приствольной зоны продуктивных пластов при строительстве скважин 11
1.1.1.Повреждение пласта при первичном вскрытии 11
1.1.2 Повреждение пласта при цементировании 12
1.1.3. Повреждение пласта при вторичном вскрытии пласта 18
1.2 Анализ путей снижения загрязненности продуктивных пластов при креплении скважин 24
1.2.1 Вскрытие пластов на депрессии 24
1.2.2 Применение модульных отсекателей пласта 2J
1.2.3 Применение управляемой кольматации при вскрытии пласта и при подготовке скважины к спуску и цементированию об садной колонны 32
1.3. Осложнения при цементировании, связанные с фильтрацией цементных растворов
1.4 Анализ применяемых тампонажных материалов 39
1.5 Анализ технологий получения тампонажних материалов с низкой водоотдачей 47
1.6 Выводы по главе К Определение цели и задач работы,63
2 Обоснование рабочей гипотезы. методика проведения экспериментов и обработки по лученных результатов 64
2.1 Теоретическое рассмотрение процесса водоотдачи и фильтрации цементных растворов 64
2.2 Обоснование требований к реагентам для снижения водоотдачи тампонажных материалов 74
2.3 Обоснование рабочей гипотезы . 88
2.4 Методика исследований 113
2.4.1. Методика микрореологических исследований полимерных регуляторов фильтрации 13
2.4.2 Методика исследований технологических свойств тампонажных растворов 116
2.4.3 Методика исследований фильтрационных свойств цементного раствора 47
2.4.4 Экспериментальный стенд для оценки герметичности крепи скважины 121
2.5 Методика планирования и математическая обработка экспериментальных данных 123
2.6 Обоснованней выбор материалов для исследований 25
Выводы по главе 127
3 Экспериментальные исследования влияния физико-химических факторов на фильтрацию растворов 130
3.1 Микрореологические свойства фильтратов тампонажных растворов 130
3.1 Влияние ВПК-402 на микрореологические свойства фильтрата 137
3.1.2 Оценка глубины проникновения фильтрата 150
3.2 Исследование влияния реагентов - понизителей водоотдачи на свойства тампонажных растворов 151
3.2.1. Влияние ВПК-402 на водоотдачу цементного раствора 151
3-2.2. Влияние ВПК-402 на подвижность цементного раствора... 153
3.2.3. Влияние ВПК на седиментационную устойчивость цементного раствора 153
3.2.4 Влияние ВПК на прочность цементного камня 153
3.3 Влияние ВПК на герметизирующую способность цементного камня 156
Выводы по главе 3 163
4 Апробация работы и реализация ее в промышленности 166
4.1 Внедрение разработок на месторождении Амангельды (Казахстан) 166
4.1.1 Геолого-технические условия газового месторождения Амангельды , 166
4.1.2 Подбор рецептуры тампонажного раствора для крепления промежуточной колонны-,, 172
4.1.3 Цементирование промежуточной колонны (на примере скважины №110) 176
4.1.4 Подбор рецептуры тампонажного раствора для крепления эксплуатационной колонны 178
4.2 Внедрение разработок на Карашурском ПХГ 183
Выводы по главе 4 189
Основные выводы 19!
Список использованных источников 192
- Повреждение пласта при цементировании
- Анализ технологий получения тампонажних материалов с низкой водоотдачей
- Теоретическое рассмотрение процесса водоотдачи и фильтрации цементных растворов
- Микрореологические свойства фильтратов тампонажных растворов
Введение к работе
Наращивание и стабилизация добычи углеводородного сырья на уровне, обеспечивающем энергетическую безопасность России с минимальными затратами, могут быть достигнуты лишь при значительном повышении качества строительства нефтяных, газовых» газоконденсатных и глубоких разведочных скважин. Наиболее эффективными путями решения данного вопроса являются сохранение коллекторских свойств продуктивных пластов и формирование герметичного и долговечного изоляционного комплекса крепи скважин, надежно разобщающего флюидосодержащие пласты.
Широко распространенные в настоящее время технологии первичного вскрытия и разобщения пластов не во всех случаях обеспечивают необходимую сохранность их коллекторских свойств на этапах заканчивания скважин- Особенно эта проблема актуальна применительно к цементированию эксплуатационных колонн, когда загрязнение продуктивных пластов происходит фильтратом тампонажных растворов. Все это приводит к дополнительным затратам на восстановление проницаемости пластов и достижение потенциального дебита скважин, к снижению объема добываемой продукции.
Технологические приемы, ограничивающие или предупреждающие контакт цементного раствора с продуктивным пластом оказываются не всегда применимы из-за ограничений по устойчивости коллекторов, различия в пористости и проницаемости пропластков многопластовой залежи или других причин.
Наиболее перспективным направлением предупреждения загрязнения продуктивных пластов при их креплении является снижение водоотдачи тампонажных материалов. К сожалению, многие из применяемых реагентов - понизителей водоотдачи обладают отрицательными побочными эффектами, заключающимися в загущении раствора и ухудшении свойств полученного камня, Эти негативные явления могут усиливаться при смешении химически обработанных промывочных и тампонажных растворов, поскольку применяемые реагенты могут влиять на скорость твердения цементных растворов-
Несмотря на достаточно большой объем исследований в этом направлении, проблема сохранения коллекторских свойств пласта до сих пор не решена, и актуальность ее будет возрастать из-за увеличения доли наклонных и горизонтальных скважин с большим проложением в продуктивной части пласта.
Цель работы
Повышение качества заканчивания скважин на основе применения новых тампонажных растворов с пониженной водоотдачей.
Основные задачи работы
Обоснование требований к тампонажным материалам для сохранения коллекторских свойств пласта,
Исследование и выявление наиболее эффективных добавок понизителей водоотдачи цементных растворов.
Разработка рецептур тампонажных растворов различной плотности с пониженной водоотдачей,
Разработка технологии применения тампонажных растворов с пониженной водоотдачей.
Опытно-промышленные испытания новых тампонажных материалов и оценка их эффективности.
Научная новизна
Установлены неньютоновские и фильтрационные аномалии фильтратов цементных растворов в пористой среде с каналами микроскопических размеров, что может быть использовано для ограничения водоотдачи и прогнозирования загрязнения прискважинной зоны продуктивных пластов.
Впервые исследованы структурно-механические свойства фильтрата и его раствора с полимерными реагентами - понизителями водоотдачи в узких зазорах различной величины, результаты которого послужили основой для выбора наиболее приемлемых реагентов для конкретных геолого-технических условий.
Изучен механизм взаимодействия фильтрата тампонажного раствора с породообразующими минералами и полимерным реагентом, исследованы уело-
вия течения фильтрата в порах различной величины и выполнена прогнозная оценка глубины его проникновения в породы различной проницаемости.
Практическая ценность
Сформулирован комплекс требований к тампоиажным материалам, обеспечивающий сохранение коллекторских свойств пласта при цементировании обсадных колонн.
Показана эффективность применения реагента ВПК -402 в качестве добавки понизителя водоотдачи цементных растворов.
Разработаны рецептуры тампонажных растворов с пониженной водоотдачей.
4 Разработаны регламенты на крепление скважин тампонажными раство
рами с добавкой реагента ВПК-402 и проведено внедрение разработок.
Реализация работы в промышленности
Разработанные тампонажные растворы с пониженной водоотдачей на основе реагента ВПК-402 внедрены при креплении газовых скважин на месторождении Амангельды в Южном Казахстане, Карашурском ПХГ (Удмуртия).
Разработаны и утверждены нормативные документы на применение тампонажных растворов с пониженной водоотдачей на основе реагента ВПК-402,
Защищаемые положения
Обоснование целесообразности применения реагента ВПК-402 для снижения водоотдачи тампонажных растворов.
Составы тампонажных растворов с пониженной водоотдачей и технологическими свойствами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ.
Технология получения и применения тампонажных цементов с пониженной водоотдачей.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, г. Уфа, 1997-2003 тт.\
Международном научно-техническом семинаре «Проблемы нефтегазовой отрасли», Уфа, 1998;
Международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», Уфа, 1998;
2-м Международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем», Уфа, 2000;
Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса», Тюмень, 2000;
Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геофизики, геологии, освоения, переработки и использования углеводородного сырья», посвященной 20-летию образования Атырауского института нефти и газа, Атырау, 2000;
III Конгрессе нефтегазопромышленников России, Уфа, 2001;
VI международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы геологии и охраны недр», Томск, 2002;
научно-практической конференции «Минерально-сырьевая база республики Башкортостан: реальность и перспективы», Уфа, 2002;
научно-практической конференции «Передовые технологии строительства и ремонта скважин», Пермь, 2004;
Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин», посвященной памяти Мавлютова MR, Уфа, 2005;
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы нефтегазового дела». Октябрьский, 2006.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 23 печатных работах, в том числе получен один патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций- Работа изложена на 203 страницах, вклю-
8 чает 39 рисунков, 45 таблиц. Список использованной литературы включает 126 наименований.
В процессе выполнения исследований автор пользовался советами и консультациями своего научного руководителя доктора технических наук, профессора Н.Х.Каримова и научного консультанта доктора технических наук, доцента О.Ф.Кондрашева, которым автор глубоко благодарен. Автор считает своим долгом выразить признательность преподавателям и сотрудникам кафедры бурения нефтяных и газовых скважин УГНТУ, сотрудникам отдела крепления скважин ОАО «Азимут» Чезлову А.А., Кононовой Т.Г., Морозову Д.В. и Гази-зову Х.В., оказавшим неоценимую помощь в работе над диссертацией.
Повреждение пласта при цементировании
Процесс цементирования скважин является одним из наиболее опасных с точки зрения сохранности продуктивных пластов. Проблема состоит в том, что в пласт дополнительно поступает жидкость, резко отличающаяся по своим свойствам от пластовой и фильтрата промывочной жидкости.
Даже при небольшом перепаде давления при относительно хорошей проницаемости фильтра свободная вода из цементного раствора может полностью отфильтровываться за 1,5 - Зэ0 минуты. Следствием данных процессов становится ухудшение эксплуатационных свойства пласта и уменьшение отбора флюидов, искажение геологической информации, особенно, в разведочных скнажинах.
Механизм воздействия фильтрата цементного раствора на пласт-коллектор во многом аналогичен воздействию фильтрата промывочных жидкостей» Отличие состоит в том, что фильтрат цементного раствора содержит большое количество Са(ОН)2. Кроме того, с жидкой фазой в пласты, сложенные из трещиноватых и порово-трещиноватых пород, фильтруются продукты гидратации цемента и даже частицы твердой фазы, которые при определенных условиях могут образовать в порах пласта конгломераты, оказывающие дополнительное кольматирующее воздействие на поры пласта.
Хотя время контакта тампонажного раствора с продуктивным пластом значительно меньше, чем у промывочной жидкости, но значительно более высокая водоотдача цементных растворов приводит к существенному загрязнению приствольной зоны.
Вместе с тем, важный для практики вопрос о влиянии процесса цементирования скважин на изменение фильтрационных свойств продуктивного пласта до настоящего времени изучен недостаточно. Проведенные промысловые наблюдения н исследования на месторождениях Башкортостана, Татарстана и Западной Сибири показали существенное различие результатов освоения в коллекторах разного типа [15-24]. Если отрицательное влияние процесса цементирования на коллекторские свойства трещиноватых, порово-трещиноватых пород безусловно, ибо при этом в пласт проникает не только фильтрат» но и твердая фаза тампонажного раствора» то в терригенных поровых коллекторах при отсутствия поглощений воздействие тампонажного раствора на пласт может быть связано только с проникновением в него фильтрата тампонажного раствора.
На существенное ухудшение фазовой проницаемости для нефти под действием фильтрата цементного раствора указывалось и в работах других исследователей- В частности, исследования, проведенные Каримовым Н.ХМ Агзамо-вым Ф.А., Кореняко А.В. на кернах продуктивных пластов Суторминского месторождения показали, что после воздействия фильтрата цементного раствора коэффициент восстановления проницаемости кернов не превышал 60% [25 ].
По месторождениям Западной Сибири, представленным в основном норовыми коллекторами, установлено» что если репрессию на продуктивные пласты уменьшить в 3 - 4 раза, то продуктивность возрастает в 1,7 раза. По этому же региону также установлено, что скважины с открытым забоем имеют продуктивность выше в 4 раза и более по сравнению со скважинами с закрытым забоем. Отмечено, что изменение удельной продуктивности зависит от конкретных геолого-технических условий: горного и пластового давлений, градиента гидроразрыва пород продуктивного объекта, естественной его проницаемости. Так, при высокой проницаемости пластов установлено снижение продуктивности в 2 раза при цементировании, которое авторы [25] связывают с: - проникновением фильтрата тампонажного раствора в поры коллекторов; - цементированием микро- и макротрещнп пластов, служащих каналами фильтрации; - увеличением фильтрационных сопротивлений в призабойной зоне за счет наличия цементного кольца; - несовершенством забоя по характеру и степени вскрытия пласта, которое у скважин с открытым забоем снижено на 15 - 30 % в зависимости от различных способов вторичного вскрытая. В [26] проведен статистический анализ результатов эксплуатации скважин на Северо- и Южно-Харампурском месторождениях, законченных по различным технологиям. Здесь опробованы конструкции скважин как с открытым забоем, в которых продуктивный объект не подвергался воздействию тампонажного раствора, так и с закрытым забоем с различной величиной репрессии на пласт столба тампонажного раствора при одноступенчатом и двухступенчатом способах цементирования эксплуатационной колонны. Для анализа были взяты только те скважины, при цементировании которых не отмечалось поглощений тампонажного раствора, В этом случае исключалось прямое воздействие тампонажного раствора на пласт при его гидроразрыве с последующей кольматацией каналов фильтрации. Следовательно, влияние процессов вскрытия и цементирования на изменение фильтрационных свойств пород связано только с величиной репрессии на пласт, временем воздействия технологических жидкостей и глубиной их проникновения в приза-бойную зону пласта. Таким образом, авторам удалось оценить удельную продуктивность только с учетом первичного вскрытия (при открытом забое) или ее изменение при повышенных репрессиях на пласт в процессе цементирования и последующем вторичном вскрытии. Скважины были пробурены по единой технологии с использованием однотипных материалов и реагентов. Коллекторами нефти на данном месторождении являются юрские песчаники с открытой пористостыо 15 - 18 % и проницаемостью 0,02 - 0,04 мкм2, залегающие на глубинах 2900 -3200 м. Плотность бурового раствора при вскрытии продуктивного пласта составляла 1150 - 1160 кг/м3, а тампонажного раствора при цементировании 1780 -1840 кг/м3. Во всех случаях первичного вскрытия и цементирования зафиксировано снижение удельной продуктивности скважин с ростом репрессии на продук 15 тивный пласт. При репрессии бурового раствора на пласт 5 МПа при его первичном вскрытии средняя удельная продуктивность скважины с открытым забоем больше, чем у скважины с закрытым забоем в 1,5 раза. При увеличении репрессии на пласт при цементировании с 11,0 до 18,3 МПа (в 1,7 раза) удельная продуктивность скважины снижается на 35 %, Таким образом, одним из главных факторов снижения удельной продуктивности при цементировании скважин является превышение репрессии на пласт по отношению к ее значению при первичном вскрытии и вследствие этого загрязнение фильтратом тампонажного раствора. Доказательством сказанному могут служить данные по начальным деби-там скважин, зацементированных одно и двухступенчатым способом в Уфимском управлении буровых работ, приведенные в табл. 1.1 - 1.2.
Анализ технологий получения тампонажних материалов с низкой водоотдачей
В исследованиях по разработке тампонажных материалов до 70-80 годов прошлого столетия вопросам снижения водоотдачи тампонажных растворов уделялось недостаточное внимание. Основной задачей при проектировании составов тампонажных растворов становилось исключение осложнений при цементировании из-за обезвоживания цементного раствора.
Среди работ, посвященных исследованию водоотдачи тампонажных растворов, следует отметить исследования Леонидовой А.И., Соловьева Е.М. [58-60].Одним из первых они ставили вопрос о необходимости нормирования данного показателя у тампонажных растворов. Шадриным Л.Н. [47] впервые были проведены исследования водоотдачи цементных растворов в динамических условиях, моделирующих течение цементного раствора в скважине.
Подобные работы были проведены позднее Агзамовым Ф.А. [61], который показал возможность уменьшения водоотдачи при искусственной кольма-тации проницаемых пластов. Одними из первых исследований по регулированию водоотдачи тампонажних растворов были работы Н.А.Мариампольского [62]- Следует также отметить работы ПН.Хангильдина и Р.МКлявина [63, 64], показавших, что с увеличением удельной поверхности цементов их водоотдача существенно снижается.
Позднее, с усилением требований к качеству вскрытия продуктивных пластов и повышением внимания к данной проблеме, стали больше внимания обращать на вопросы загрязнения продуктивных пластов фильтратом тампонаж-ных растворов.
Большой объем исследований был проведен Мариампольским Н.А, Соловьевым Е.М., Шадриным Л.Н., Леонидовой А.И., Данюшевским B.C., Ново-хатским Д.Ф., Булатовым А.И., Рахимбаевым Ш.М., Мамаджановым УД, Ша-риповым А.У., Зозулей Г.П., Каримовым Н.Х., Шерстневым Н.М., Рябовой Л.И., Овчинниковым ВЛ., Овчинниковым П.В., Парпиевым С.К., и др. В их работах ставились и решались теоретические и практические задачи по получению тампонажных растворов с пониженной водоотдачей.
По мнению Данюпгевского B.C., предельная водоотдача и скорость водоотдачи зависят от тех же факторов, что и седиментационное водоотделение, и, кроме того, от перепада давления и плотности упаковки частиц в фильтрационной корке, которая связана с дисперсностью и конфигурацией частиц [54, 65]. Водоотделение в тампонажном растворе можно рассматривать как фильтрацию воды снизу вверх, за счет уплотнения твердых частиц при оседании вниз. Необходимо отметить, что чем больше водоцементное отношение, плотность и размеры частиц твердой фазы, тем больше жидкости будет фильтроваться из нижних в верхние сяои, образуя фильтрационные каналы в затрубном пространстве,
В облегченных тампонажных суспензиях одновременно происходит оседание цементных частиц и всплывание частиц облегчающей добавки, т.е. происходит прямая и обратная седиментация. Анализируя результаты исследований, выполненных различными исследователями в этой области, можно полагать, что водоотдача цементных растворов снижается за счет: увеличения удельной поверхности цемента; ввода в цемент добавок с большей водопотребностыо, чем цемент; ввода в цементный раствор добавок, связывающих свободную воду за-творения; ввода в цементный раствор добавок, загущающих жидкость затворения; кольматации фильтра. Рассмотрим подробнее применение данных технологических приемов. Увеличение удельной поверхности цемента - один из наиболее эффективных методов снижения водоотдачи цементов. Суть его состоит в том, что при этом большее количество воды одновременно начинает контактировать с зернами цемента и вступает с ними в химическую реакцию. Как следствие, в цементно-водной суспензии раньше возникают стесненные условия (см. 1.4), быстрее начинает формироваться коагуляционная структура, способная удерживать избыточную воду в растворе. Следует отметить, что увеличение удельной поверхности цементов может быть достигнуто методами «сухого» (мельница, дезинтегратор) или «мокрого» (кондиционирование, струйная активация) помола. Доказательством сказанному могут служить результаты исследований Каримова КХ. [66-68],, Хусида ЛБ. [69]., Зельцера П.Я. [71,]м Бережного А.И, [72,73]., Хангильдина Г.Н., Клявина P.M. [63,64], Деткова В.Щ74] и др. Каримовым Н,Х. по методике, приведенной в работе [67], исследовалось влияние дезинтеграторной активации на водоотдачу облегченных тампонажных растворов в динамическом режиме при перепаде давления 1 МПа. Оценка влияния дезинтеграторной активации тампонажных материалов на водоотдачу цементных суспензий была проведена на приборе, описанном в работе [66]. Авторы считают, что при перепаде давления в 1 МПа водоотдача тампонажных суспензий достигает своего максимального значения в течение первых 4-8 ми 50 нут. К тому же эти перепады более близки к реальным, нежели традиционные в приборе ВМ-6 (0,1 МПа). Данные эксперимента приведены в табл. 1,9. Они показывают, что увеличение частоты вращения дезинтегратора с 6000 до 18000 об/мин приводит к значительному снижению водоотдачи цементно-зольно-известкового раствора с 150-173 см /30 мин до 33-37 см /30 мин.
Теоретическое рассмотрение процесса водоотдачи и фильтрации цементных растворов
В отличие от водо отделения, где движущей силой процесса является сила гравитации, водоотдача цементного раствора - явление значительно более сложное. Водоотдача представляет собой процесс отфильтровывания избыточной {свободной воды) воды из цементного раствора под действием разности давлений по обе стороны фильтра.
Водоотделение из цементного раствора происходит, когда он залит в любой сосуд и находится в покое- Водоотдача возникает только при наличии фильтрующей поверхности и перепада давлений.
При водоотделении уплотнение структурной сетки в цементном растворе происходит только за счет седиментации частиц цемента, а при водоотдаче -под действием перепада давлений,
В процессе цементирования скважин фильтрующая среда, через которую отфильтровывается жидкая фаза из цементного раствора, состоит из нескольких слоев: проницаемой системы цементного раствора; глинистой корки, отложившейся на стенки скважины, и проницаемой породы пласта. Каждый из этих слоев резко отличается по толщине и проницаемости. Основное сопротивление процессу отфильтровывания жидкой фазы из цементного раствора при цементировании скважины оказывает глинистая корка, а также малопроницаемая порода пласта. Кроме того, отфильтровывайте жидкой фазы может быть затруднено и тем, что цементный раствор представляет собой структурированную суспензию, которая также обладает пористостью и проницаемостью. В процессе гидратации неподвижного цементного раствора происходит непрерывное упрочнение структуры во времени. Проницаемость системы постепенно уменьшается, значит, увеличивается сопротивление отфильтровывапию жидкой фазы из цементного раствора. При этом в структурированном растворе жидкая фаза продвигается к фильтру с большей скоростью, чем твердая. Жидкость перемещается вдоль твердых частиц по всей массе раствора. В этом же случае, когда цементный раствор непрерывно перемешивается, например, при турбулентном режиме течения, сопротивление водоотдаче может возрастать в основном за счет уменьшения проницаемости цементной и глинистой корки на фильтре, а также уменьшения проницаемости самого фильтра. Это значит, что при одной и той же проницаемости фильтра водоотдача из цементного раствора, структура которого постоянно разрушается, будет больше, чем из того же раствора, находящегося в покое. На это также указывал Мамаджанов У.Д. [103], показавший, что динамическая фильтрация из дисперсных систем значительно выше статической.
Необходимо подчеркнуть, что отмеченное относится к растворам на поздней стадии структурообразования, в период возникновения силикатной надмолекулярной структуры кристаллизационного типа. На начальном этапе, когда параметры тампонажного раствора определяются гидроалюминатной коагуляционной структурой с развитыми тиксотропными свойствами, влияние перемешивания на фильтрационные показатели раствора существенно меньше [104]. Учитывая, что величина водоотдачи существенно влияет на формирование цементного камня, рассмотрим механизм фильтрации более подробно и оценим факторы, влияющие на величину водоотдачи и скорость фильтрации Запишем уравнение фильтрации Дарси в виде [105]: оказываемое единицей длины слоя; / - длина слоя материала. При фильтрации жидкой фазы цементного раствора через фильтр с нанесенной глинистой коркой сопротивление фильтрат г оказывает слой самой цементной суспензии, слой частично обезвоженной части цемента (цементная корка) и фильтрационная перегородка, в качестве которой выступает глинистая корка. Следовательно [106]: Для упрощения расчетов рассмотрим случай, когда сопротивление частично обезвоженного участка суспензии (корки) значительно больше, чем сумма сопротивлений фильтрационной перегородки и не обезвоженной части суспензии, так что ею можно пренебречь. Кроме того, примем, что содержание воды в корке, а так же в не обезвоженной части суспензии не зависит от их высоты. Тогда уравнение (2Л) упростится: Между количеством выделившегося фильтрата и высотой образовавшейся при фильтрации корки существует следующая зависимость: где X - отношение объема обезвоженной части суспензии (корки) к объему выделившегося фильтрата. Подставив (2.2) в (2.3) и проинтегрировав, получим Произведение удельного сопротивления корки на ее высоту равно общему сопротивлению корки: г юр Кор отсюда: Из данного уравнения следует, что объем выделившегося фильтрата пропорционально площади фильтрации, корню квадратному из перепада давления и продолжительности фильтрации и обратно пропорционально корню квадратному из вязкости жидкой фазы, отношения объема образовавшейся корки к объему выделившегося при этом фильтрата, а так же сопротивления корки.
Микрореологические свойства фильтратов тампонажных растворов
Для количественной оценки фильтрационных качеств фильтрата в пористой среде необходимы данные о консистенции и факторах, определяющих ее в этих условиях, динамике структурно-механических свойств, характере и условиях движения в поровых каналах разной величины.
На первом этапе решения этой задачи исследовались фильтраты цементных растворов (В/Ц = 0,5 - 1,0) без каких-либо функциональных добавок.
Полученные данные свидетельствуют об аномально высоких структурно-механических свойствах фильтрата в узких зазорах микронной величины (рис.3.1, 3.2)- Из рисунков видно, что уже в начале контактного взаимодействия вязкость всех проб достигает -100 мПас, что кратно превышает объемные значения этого параметра. Дальнейшее изменение вязкости определяется величиной узкого зазора (кривые 1 и 2,3 и 4) и В/Ц (кривые 2 и 3): уменьшение этих факторов приводит к усилению неньютоновских свойств фильтрата.
Следует подчеркнуть, что все образцы жидкости в этих условиях проявляют сдвиговую упругость - способность оказывать сопротивление изменению формы, что характерно для твердого тела и несвойственно всем буровым жидкостям в обычных условиях.
Полученные нами данные однозначно свидетельствуют о необходимости учета обсуждаемых реологических эффектов при выборе реагентов - понизителей водоотдачи и прогнозировании загрязнения приствольной области.
Вместе с тем, литературный анализ показывает, что подобного рода исследований с цементными растворами не проводилось и сопоставлять полученные данные можно только с аналогичными экспериментами на безглинистых промывочных жидкостях [10]. Из сравнения с данными цитируемой работы можно сделать неожиданный и важный вывод о том, что по уровню вязкоупру-гих аномалий, их динамике фильтрат цементного раствора с В/Ц-035 не уступает лучшим образцам безглинистых биополимерных буровых растворов -эмульсионно-гелевому и полисахарид но- калиевому. Это дает основание говорить и о подобии антифильтрационных свойств сравниваемых жидкостей, а, значит, и о небольших глубинах проникновения.
Величина последней зависит не только от уровня структурно-механических свойств, но и от скорости их изменения в пористой среде, поэтому анализ их динамики имеет непосредственное практическое значение.
Па всех полученных кинетических зависимостях можно выделить несколько участков, отличающихся углом наклона, разделяющих фазы структу-рообразования - быструю и медленную (рисЗЛ, 3,2). В течение первой возникает адсорбционный слой, на второй - осуществляется более медленное формирование полимолекулярного пристенного граничного слоя, простирающегося на несколько молекулярных порядков от границы раздела, соизмеримого с размерами пор и структурирующего пластовые флюиды.
Из приведенных выше данных следует, что перечисленные выше факторы оказывают существенное влияние на все фазы структурообразования и уровень модификации структури о-механических свойств; уменьшают размеры узкого зазора (кривые 1, 2 и 3, 4) и В/Ц (кривые 3, 4), увеличивают угол наклона кривых, пропорциональный скорости формирования надмолекулярной структуры, и величину вязкоупругих свойств. Подобное действие, как показано выше (см. рис. 2Л0), оказывает цемент и на стандартные показатели тампонажных растворов, снижая растекаемость образцов и водоотдачу по мере увеличения его доли в растворе.
Принципиальным здесь является различие в компонентном и долевом составе сравниваемых образцов - собственно тампонажного раствора и его фильтрата, представляющего собой его дисперсионную среду. Влияние В/Ц в последнем случае имеет сугубо поверхностную природу и обусловлено дополнительным «объемным» структурированием фильтрата в узком зазоре на твердой фазе - частицах цемента, оставшихся в жидкой фазе после фильтрации через мембрану прибора ВМ-6, либо кристаллах гидратных образований. Механизм этого явления описан еще П.А. Ребиндером [119] и состоит в увеличении количества граничносвязанной жидкости в поровом объеме за счет контактного взаимодействия со взвешенными частицами твердой фазы, что эквивалентно усилению действия поля твердой поверхности или уменьшению величины узкого зазора. Этот механизм позволяет объяснить и более сильную зависимость микрореологических свойств фильтрата от величины В/Ц, чем от размеров узкого зазора: видно, что вязкость и упругость фильтрата с меньшим В/Ц в зазоре 5 мкм соизмеримы с такими же показателями жидкости в значительно меньшем капилляре, но с В/Ц=1,0 (кривые I и 4).
В обычных условиях такие эффекты отсутствуют, а соответствующие свойства фильтрата слабо зависят от компонентного и долевого состава тампонажного раствора.
Описанный выше механизм структурирования фильтрата в порах микронного масштаба определяет и его характер течения в этих условиях.
При выдержке фильтрата с большим В/Ц в узком зазоре свыше 20 час он приобретает свойства структурированной неньютоновской жидкости (рис.3.3), Такой закон течения характерен для коагуляционных структур, обладающих тиксотропнымн свойствами. Отсутствие начального напряжения сдвига говорит о том, что движение фильтрата в пористую среду возможно даже при малых перепадах давления, а его «водоотдача» будет высокой.
Увеличение доли цемента вдвое способствует возникновению твердооб-разной структуры, на что указывает наличие предельного напряжения сдвига и несходимость линейной части кривой течения в начало координат (рис,3.4). Подобная кривая течения характерна для более хрупких структур кристаллизационного типа на основе гидроалюмината. Течение фильтрата здесь возникает при напряжениях, превышающих критическое (-11,2 Па).