Факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата

Есть несколько факторов, способствующих возникновению дифференциального прихвата:

• Проницаемые пласты

• Репрессия

• Фильтрационная корка

• Контакт колонны со стенкой скважины

• Неподвижное состояние колонны

• Время

• Поперечная нагрузка

Рис. 9-3 Цепочка событий, ведущая к возникновению дифференциального прихвата

Обычно для возникновения дифференциального прихвата требуется наличие шести первых факторов. Если присутствуют только пять из них, то прихват маловероятен. Седьмой фактор, поперечная нагрузка, не является обязательным для возникновения прихвата, но он весьма способствует этому. Все эти факторы оказывают влияние на обусловленную дифференциальным давлением силу, прижимающую колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Давайте рассмотрим каждый из этих факторов отдельно.

Проницаемые пласты (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Дифференциальный прихват может произойти только в интервале проницаемого пласта. Прихват внутри обсадной колонны невозможен за исключением тех случаев, когда в ней появились каналы для жидкости, например перфорационные отверстия или негерметичности вследствие износа. Проницаемые пласты могут быть сложены, например, песчаниками и трещиноватыми породами. Возможен прихват в интервале глинистых пород, если они рассечены трещинами и проницаемы. Иногда прихваты возникают в обсадной колонне, в интервале перфорации или в местах потери герметичности вследствие внутреннего износа.

Если в разрезе нет проницаемого пласта, то не будет фильтрационной корки и дифференциального давления.

Для возникновения дифференциального прихвата пласт не обязательно должен иметь высокую проницаемость. Он должен лишь быть достаточно проницаемым для образования фильтрационной корки. Фильтрационная корка представляет собой " засоренный слив", через который протекает фильтрат бурового раствора. Поэтому проницаемость пласта должна быть лишь такой, чтобы обеспечить отток фильтрата от фильтрационной корки. Таким образом, нужно больше беспокоиться о проницаемости фильтрационной корки, чем о проницаемости пласта.

Неконсолидированные пласты обычно имеют более высокую проницаемость, и на их поверхности образуется более проницаемая фильтрационная корка, чем на консолидированных пластах.

Чем выше проницаемость, тем больше опасность возникновения дифференциального прихвата. Однако проницаемость способствует возникновению дифференциального прихвата в меньшей степени, чем некоторые другие факторы.

Репрессия/дифференциальное давление (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Репрессия в наибольшей степени способствует возникновению дифференциального прихвата. Это объясняется тем, что она больше других факторов влияет на силу, прижимающую колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Эта сила равна произведению дифференциального давления на площадь поверхности контакта.

Прижимающая сила ≈ дифференциальное давление х площадь поверхности контакта

(9.1)

Очевидно, что более высокое дифференциальное давление создает большую прижимающую силу. Важно отметить, что дифференциальное давление, прижимающее бурильную колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой, не равно репрессии. Репрессия означает превышение давления в скважине над пластовым давлением. Под дифференциальным давлением понимается разность давлений по обе стороны некоторой поверхности.

В системе скважина-пласт может существовать значительная репрессия, но при перемещении бурильной колонны по стволу не будет дифференциального давления, прижимающего колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой (рис. 9-2А). Причина заключается в том, что колонна при движении увлекает за собой жидкость в тонком слое, находящемся в пространстве между колонной и фильтрационной коркой. Жидкость в этом тонком слое передает давление согласно закону Паскаля, так что силы, действующие на колонну по всем направлениям, равны между собой. Толщина этого слоя жидкости составляет примерно два-три микрона.⁵

Когда колонна останавливается, жидкость из этого тонкого слоя проникает в фильтрационную корку, и появляется дифференциальное давление (рис. 9-2В). После исчезновения тонкого слоя жидкости создается уплотнение в месте контакта колонны с фильтрационной коркой. В этот момент дифференциальное давление определяется разностью между давлением в породе у стенки скважины и давлением фильтрата бурового раствора в поровом пространстве фильтрационной корки. Сначала давление на поверхности фильтрационной корки почти равно давлению в скважине.

Когда в месте контакта фильтрационной корки с бурильной колонной из корки выдавливается фильтрат бурового раствора, возникает дифференциальное давление (рис. 9-2С). Со временем из корки будет выдавлено достаточно фильтрата, чтобы поровое давление в корке уменьшилось до пластового давления в области, непосредственно прилегающей к фильтрационной корке (рис. 9-3 и 9-4).

Нельзя утверждать, что давление уменьшится до пластового на всей поверхности контакта. При снижении порового давления в фильтрационной корке часть фильтрата из области фильтрационной корки, непосредственно окружающей зону контакта, вероятно будет перетекать в зону контакта. Таким образом, давление будет самым низким в центре зоны контакта и самым высоким по ее периметру.

Несколько статистических исследований показали, что большая часть прихватов бурильной колонны на месторождениях Мексиканского залива происходит в верхней части скважины. Это объясняется тем, что по мере углубления скважины и увеличения плотности бурового раствора репрессия в верхней части скважины возрастает. Это не единственное объяснение того, что прихваты происходят в верхней части скважины, но это говорит в пользу мнения, что репрессия является самым главным фактором, способствующим возникновению дифференциального прихвата.

Фильтрационная корка (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

В пластах с разрывными нарушениями или в перфорированной обсадной колонне дифференциальный прихват может возникнуть и без фильтрационной корки. Это объясняется тем, что возможно уплотнение бурильной колонны на контакте с трещинами или перфорационными отверстиями, полностью перекрывающими поток жидкости - как пробка перекрывает слив. Поверхность контакта может быть небольшой, но на этой поверхности почти мгновенно развивается дифференциальное давление.

Чрезвычайным примером дифференциального прихвата является печальный инцидент с шестнадцатилетней школьницей по имени Таня Никенс, произошедший в мае 1996 г.¹. Таня отдыхала на курорте со своими друзьями. Она глубоко нырнула и перекрыла своим телом сливное отверстие бассейна размером 12" на 12". Ее тело уплотнило слив, и возник дифференциальный прихват из-за разности между атмосферным давлением и гидростатическим давлением 3 - 4 фута на дне бассейна. Ее друзья и спасатель не смогли освободить ее, и она утонула. Работники бассейнов и курортов называют это " присасыванием", но на самом деле речь идет о дифференциальном прихвате. Для создания уплотнения, из-за которого возникает дифференциальный прихват, не нужна никакая фильтрационная корка.

Толстая проницаемая фильтрационная корка является предпосылкой для возникновения дифференциального прихвата. Для предотвращения дифференциального прихвата нужно сделать так, чтобы фильтрационная корка была тонкой, твердой и непроницаемой. Под " твердостью" фильтрационной корки здесь понимается ее относительная несжимаемость.

Фильтрационная корка представляет собой слой твердых частиц из бурового раствора, отложившихся на стенке скважины при фильтрации бурового раствора в проницаемый пласт. Чтобы лучше понять роль фильтрационной корки, рассмотрим процесс ее образования.

Представим себе проницаемый пласт, разбуриваемый с небольшой репрессией. При вскрытии этого пласта буровой раствор проникает в него. Твердые частицы, размер которых меньше отверстий пор пласта, будут проникать в пласт вместе с буровым раствором. Частицы, размер которых превышает треть диаметра пор, заклиниваются и образуют мост, через который не могут пройти следующие частицы такого же размера. Затем более мелкие частицы забивают пространство между более крупным частицами. Постепенно образуется такая плотная преграда, что пройти через фильтрационную корку не могут даже коллоидные частицы. Проникнуть в пласт может только чистый фильтрат бурового раствора (рис. 9-7).

Для того чтобы мелкие частицы могли создать плотную преграду, нужны более крупные частицы, образующие мост в поровом пространстве. Если бы не было крупных частиц, в пласт ушел бы весь буровой раствор, как это происходит при поглощениях.

Следует отметить, что фильтрационная корка проницаема. Пока существует репрессия, жидкость будет фильтроваться через корку, сложенную твердыми частицами. Это означает, что твердые частицы будут все время откладываться на поверхности фильтрационной корки, и со временем толщина корки будет увеличиваться.

Циркулирующий буровой раствор разрушает фильтрационную корку. Когда скорость эрозии станет равной скорости отложения твердых частиц, наступает равновесие, и толщина корки больше не увеличивается. Такая корка называется устойчивой фильтрационной коркой.

При прекращении циркуляции эрозия не происходит, и толщина корки продолжает увеличиваться. Такая корка называется неустойчивой фильтрационной коркой (рис. 9-8). Неустойчивая фильтрационная корка толще, поверхностный слой ее мягче. Здесь трудно определить, где кончается буровой раствор, и где начинается фильтрационная корка. Она менее проницаема, чем устойчивая фильтрационная корка. При восстановлении циркуляции часть неустойчивой фильтрационной корки, отложившейся поверх устойчивой фильтрационной корки, разрушается.

Если циркуляцию прекращают и восстанавливают несколько раз, отложится несколько слоев фильтрационной корки, подобно годовым кольцам дерева. Толщина этой сложносоставленной фильтрационной корки ограничивается механической эрозией, обусловленной вращением бурильной колонны.

Окончательная толщина фильтрационной корки зависит от количества и типа твердых частиц в буровом растворе. Скорость увеличения толщины фильтрационной корки зависит от ее проницаемости. Фильтрационная корка быстро растет сразу после того, как открытая поверхность пласта входит в контакт с буровым раствором. Постепенно скорость роста фильтрационной корки снижается, поскольку уменьшается ее проницаемость.

Поскольку фильтрация жидкости в пласт продолжается, на поверхности пласта будут откладываться дополнительные слои зерен песка. Если все зерна имеют одинаковый размер, фильтрационная корка будет иметь практически такую же проницаемость, что и один слой -независимо от количества слоев. Дополнительные слои будут отлагаться до тех пор, пока скорость отложения не станет равной скорости эрозии.

Чтобы сделать фильтрационную корку менее проницаемой, мы можем добавить фактор неодинакового размера зерен. Теперь в пространстве между крупными зернами отлагаются более мелкие зерна. В пространстве между мелкими зернами отлагаются еще более мелкие зерна и т.д. Поскольку в этом случае фильтрационная корка составлена из зерен разного размера, она имеет намного меньшую проницаемость.

Размер зерен не имеет столь большого значения. Гораздо важнее разнообразие размеров, которое и делает корку непроницаемой. Если фильтрационная корка сложена зернами одинакового размера, она может иметь очень высокую проницаемость, даже если эти зерна очень мелкие.

Чтобы получить эффективную фильтрационную корку, нужна смесь частиц различного размера, от очень крупных, расклинивающихся в порах, до коллоидных. Чтобы свести к минимуму проницаемость корки, нужно большое количество коллоидных частиц. Большая часть непроницаемых фильтрационных корок сложена легко деформируемыми коллоидными частицами, такими как битум и бентонит.

Когда пласт только что вскрыт, образуется исходная фильтрационная корка, содержащая крупный шлам. Эта корка будет толстой и проницаемой. В ходе СПО исходная фильтрационная корка будет частично удалена, и вместе с ней будет удален недавно выбуренный песок. При этом часто наблюдается дополнительное сопротивление продольному перемещению колонны. Затем образуется новая фильтрационная корка, но теперь в пласте уже есть внутренняя корка. С новой коркой буровой раствор не будет так быстро проникать в пласт. Когда через этот участок скважины проходит бурильная колонна, например после очередного наращивания, то дополнительного сопротивления продольному перемещению колонны уже не будет. Такое дополнительное сопротивление обеспечивает только недавно выбуренный и не удаленный песок, поскольку новая фильтрационная корка не очень толстая. Вероятно, она и не проницаемая. Опасность возникновения дифференциального прихвата в этом случае меньше, чем при наличии исходной корки, часть которой не удалена продвигающейся мимо нее бурильной колонной.

На глинистых породах фильтрационная корка обычно не образуется. Поры в глинистых породах настолько малы, что очень немногие, если вообще какие-либо твердые частицы могут проникнуть в них. Твердая фаза откладывается на стенках скважины, и проникнуть в глинистую породу может лишь чистый фильтрат бурового раствора (рис. 9-10). Течение фильтрата через глинистую породу будет намного медленнее, чем через фильтрационную корку, если бы она была. Это объясняется тем, что проницаемость глинистой породы примерно на два порядка меньше, чем проницаемость обычной фильтрационной корки на песчаниках. Проникновение фильтрата в глинистую породу приводит к возрастанию порового давления у стенки скважины, так что дифференциальное давление, прижимающее корку к открытой поверхности пласта, не возникает. Поток бурового раствора и механическое воздействие бурильной колонны разрушают фильтрационную корку быстрее, чем она может формироваться.

Рис. 9-10 Фильтрационная корка на поверхности глинистой породы