Бурение скважин на воду | Технология | Оборудование | Цены | Фото и видео | Техническая литература
    
   




 

Техническая литература:

Колодцы

Схема гидрогеологических областей и районов СССР

Словарь по гидрогеологии А-Г

Словарь по гидрогеологии Д-О

Словарь по гидрогеологии П-Я



Справочник по бурению скважин на воду

Станок для бурения БУР-50:
Бурение скважин

 

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ КОЛЬМАТАЦИИ ПЛАСТА

Оглавление книги - Бурение скважин на воду

Г лава VI
ВСКРЫТИЕ И ОСВОЕНИЕ ВОДОНОСНЫХ ПЛАСТОВ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ КОЛЬМАТАЦИИ ПЛАСТА
Кольматация — сложный физико-механический процесс снижения проницаемости пласта, протекающий во времени.
Различают три зоны кольматации пласта: проникновения частиц бурового шлама (механический кольматаж), глинистого раствора и фильтрата глинистого раствора.
Зона механического кольматажа в рыхлых водосо-держащих породах невелика — не более 10—15 мм. По мере вскрытия пласта с глинистым раствором на стенках скважины образуется плотная глинистая корка толщиной 3—б мм, что, в свою очередь, ограничивает поступление глинистого материала и шлама в пласт. В трещиноватых горных породах частицы бурового шлама могут проникать достаточно глубоко (до нескольких десятков метров), что зависит от размера и конфигурации трещин, а также от перепада давления на пласт (репрессии).
Глубина проникновения глинистого раствора в пески, по данным различных исследователей, колеблется в широких пределах. Н. И. Шацов считает, что глубина проникновения глинистого раствора в пласт и толщина глинистой корки зависят от состава песка (табл. 23).
Большой интерес представляют исследования М. Кир-сена, С. Персонса и Г. Кэннона по проникновению глинистого раствора в пласт в зависимости от перепада давления на пласт (табл.24).
И. Н. Бандырский в лабораторных условиях установил, что глубина проникновения глинистого раствора в водонасыщенные мелкозернистые пески составляет 50— 100 мм, а в среднезернистые— 100—200 мм. Такая от носительно большая глубина проникновения раствора в пласт объясняется, очевидно, тем, что опыты проводились в стендовых условиях, где пески имели разрыхленное состояние. В песчаниках глубина проникновения глинистого раствора значительно меньше — в среднем не более 20 мм. В трещиноватых породах эта величина может достигать нескольких десятков и сотен метров. В общем случае глубина проникновения глинистого раствора в пласт увеличивается с возрастанием репрессии на пласт [^Р — — Рпл^ и выражается формулой: (70) где / — глубина проникновения глинистого раствора в пласт, см; А — коэффициент, учитывающий сопротивление движению жидкости в зависимости от размера зерен породы, их формы и т. д.; АР— репрессия на пласт, МПа; То — начальное сопротивление раствора сдвигу, МПа; уг-р — плотность глинистого раствора, г/см3; Рпл — пластовое давление, МПа; Н — глубина залегания пласта, м. В формуле (70) принято, что фильтрация глинистого раствора в пласт происходит при постоянном перепаде давления. Это искажает1 физику процесса, так как при бурении имеют место проработка ствола скважины, спус-ко-подъемные операции с буровым инструментом и обсадными трубами, что ведет к динамической фильтрации глинистого раствора, т. е. к более интенсивному поглощению раствора пластом.
Глинистая корка на стенках скважины формируется в течение от нескольких минут до 30 минут. Ее проницаемость обычно в 1000—10 000 раз меньше проницаемости пласта, поэтому после формирования глинистой корки в пласт попадает только фильтрат глинистого раствора, содержащий тонкодисперсные и коллоидные частицы глины, которые набухают и способствуют снижению проницаемости пласта.
Количество отфильтровавшейся жидкости в пласт — показатель распространения и характера зоны кольма-тации.
Количество жидкости, отфильтровавшейся в пласт при аскрытии пласта, определяется экспериментально или на основании теоретических расчетов (Башкатов, Олоновский, Дрягалин, 1969).
С. К. Фергюссон и И. А. Клотц при исследовании водоотдачи промывочных растворов на модели скважины пришли к заключению, что из общего объема фильтрата на долю статической водоотдачи приходится 10—20 и 80—90 на фильтрат, выделяемый при гидродинамических условиях. Общее количество фильтрата, поступающего в пласт Ч, складывается из фильтратов раствора, поступающего при статических №с и гидродинамических условиях:
№ = №с-1-№д. (71)
Глинистые частицы набухают в водной среде, в результате изменяется внутренняя геометрия порового пространства, причем проницаемость породы при этом может уменьшаться до 50 раз и более. Процесс набухания глинистых частиц развивается во времени и в зависимости от состава глин может достигать предельной величины (для тонкодисперсных систем) через 24—л420 часов. Наибольшее набухание свойственно Иа- и Ы-бентонито-вым (до 840) и естественным бентонитовым (до 252) глинам.

Вокруг частиц породы образуются гидратные слои, которые при имеющихся на практике перепадах давления не участвуют в фильтрации. Увеличение дисперсности глинистых частиц приводит к сильному снижению проницаемости, причем во времени прочность этих связей возрастает. Фильтрат глинистого раствора, проникая в пласт и взаимодействуя с пластовой водой, вызывает выпадение в осадок некоторых продуктов реакции и набухание во-донасыщенной породы.

Наблюдается глинизация и самого фильтра (Башкатов, Олоновский, Дрягалин, 1969). Различают глинизацию статическую (фильтр установлен в скважине, заполненной глинистым раствором) и динамическую (фильтр опускается в скважину, заполненную глинистым раствором) . Динамическая и статическая глинизация фильтра увеличивается во времени, причем по абсолютной величине динамическая глинизация (для сетчатых фильтров в 4—5 раз) больше статической. Снижение скорости спуска фильтра в скважину до 0,2—0,25 м/с способствует снижению его кольматации.

Показатель несовершенства скважин достигает 70—80, а соответствующие этому дополнительные понижения составляют до 70 общего понижения уровня.

Спуско-подъемные операции бурового инструмента и труб приводят к повышению давления на пласт на 20— 30, что вызывает более интенсивную кольматацию пласта.

При вскрытии неустойчивых водовмещающих пород плотность промывочной жидкости подбирают таким образом, чтобы не допустить обрушения стенок скважины, но, с другой стороны, необходимо предотвратить или свести к минимуму поступление раствора и его фильтрата в пласт.

В устойчивых водовмещающих породах пласт должен вскрываться, когда ДР меньше 0.
Снижение противодавления на пласт достигается применением облегченных и аэрированных растворов. Испытания показали, что поверхностно-активные вещества (ПАВ) снижают кольматацию продуктивного пласта и обеспечивают дебиты на уровне дебита скважин ударного бурения.
Аэрацию раствора можно проводить комбинированно — введением ПАВ и насыщением раствора, подаваемого от компрессора сжатым воздухом. Для этой цели можно использовать также аэратор.
Адсорбция ПАВ на поверхности раздела фаз определяет активность воздействия этих веществ на раствор. Поверхностное натяжение на границе раздела фаз тем меньше, чем выше активность ПАВ. Эта связь выражается уравнением Гиббса (Паус, 1967):
где Г — величина адсорбции;
а — поверхностное натяжение;
с — концентрация веществ в одной из фаз, образующих поверхность раздела (молярная); Р — газовая постоянная; Т — абсолютная температура. Поверхностно-активные вещества на разделе двух фаз могут в тысячи раз превышать концентрацию в объеме и в 2—3 раза снижать поверхностное натяжение.
По химическим свойствам ПАВ подразделяются на неионогенные и анионогенные. Наиболее широкое распространение получили неионогенные ПАВ: ОП-10, ОП-7, ОП-4, ОФ-20, ОФ-30, КАУФ14, УФ8 и др. Электрическая нейтральность молекул способствует устойчивости этих ПАВ против воздействия на них минеральных солей. Поверхностно-активные вещества сохраняют достаточную активность в широком диапазоне температур в щелочной и кислотной среде.
В этом отношении анионактивные ПАВ (сульфонал, сульфонат, прогресс, новость, НП-1, азоляты А и Б и др.), составляющие с катионактивными (катапин А, катамин, карбозолин О и др.) группу ионогенных ПАВ, не обладают достаточной устойчивостью против минеральных солей и, соединяясь с катионами поливалентных металлов, выпадают в осадок.
Кроме этого, ПАВ снижают силы сопротивления вращению бурильных труб и долота, а также гидравлические потери в системе труба — скважина. Все это увеличивает проходку на долото и механическую скорость бурения.
Если вода имеет повышенную минерализацию (жесткость), то требуется ее предварительное смягчение путем выведения реагентов-электролитов (ЫаОН, Ыа2С03 и др.). В этом случае эффективна сульфидо-спиртовая барда.
Поверхностно-активные вещества добавляют в раствор в количестве до 1—2. Введение большего количества не дает эффекта (Паус, 1967). Для воды как растворителя, имеющего большое поверхностное натяжение, многие органические вещества являются поверхностно-активными (кислоты, спирты и т. д.).
В водах различного химического состава разные ПАВ обеспечивают неодинаковый эффект по снижению плотности раствора.
Снижение зоны кольматации пласта в случае применения аэрированных растворов объясняется также тем, что поровые каналы как бы закупориваются мелкими пузырьками воздуха, препятствующими проникновению в пласт бурового раствора и его фильтрата. Противодавление на пласт можно снизить с помощью буровых снарядов с призабойной циркуляцией промывочной жидкости (Сулакшин, 1973). В рыхлых водовмещающих породах (пески, супеси) проблема восстановления проницаемости прифильтровых зон является наиболее сложной. Чем больше время вскрытия пласта, тем благоприятнее условия для кольматации пласта, то же следует сказать о статической и динамической глинизации фильтра. Поэтому надо стремиться к уменьшению времени контакта раствора с пластом и фильтром. Это обстоятельство требует от буровой бригады выполнения работ по вскрытию пласта и оборудованию его фильтром в сжатые сроки, без простоев.
При бурении с водой в устойчивых трещиноватых породах происходит кольматация трещин шламом. По данным исследований В. А. Парфияновича, при колонковом бурении размер шлама составляет 0,05 мм и выше, что зависит от типа и характера буримых пород и способа бурения.
Заполнение трещин шламом происходит главным образом при движении фильтрационного потока в пласт. При малых скоростях фильтрационного потока шлам заполняет в трещине лишь зону, непосредственно примыкающую к стволу скважины
Радиус зоны кольматации трещины В. А. Парфияно-вич рекомендует определять по формуле:
.где Р — радиус зоны кольматации, м;
(2 — начальный расход потока, л/мин; vк — критическая скорость потока, см/с; е — ширина щели, см;
а — коэффициент, учитывающий рост осадка шлама в трещине (а-1). Для уменьшения кольматации пласта в трещиноватых породах используют шламовые трубы. Это снижает количество шлама в восходящем потоке промывочной жидкости. Применение снарядов с призабойной циркуляцией промывочной жидкости также позволяет снизить кольматацию пласта за счет уменьшения перепада давления на пласт. Чтобы очистить трещины пласта от скопившегося в них шлама, необходимо обеспечить достаточные для размыва и удаления скорости потока воды из пласта в зону ствола скважины
Скорость потока жидкости для размыва шлама должна быть значительно больше скорости, при которой происходило выпадение частиц шлама в осадок. Весьма эффективный способ де-кольматации пласта — нагнетание чистой воды в интервал ствола, ограниченный тампонами. При этом шлам не удаляется, а переносится по трещинам в периферийную часть пласта. Это ведет к очистке зоны пласта от шлама в непосредственной близости от ствола скважины.