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)

Д о сих пор мы говорили только о дифференциальном прихвате в месте контакта бурильной колонны с фильтрационной коркой на поверхности проницаемого песчаного пласта. Для возникновения дифференциального прихвата в интервале песчаного пласта требуется наличие глинистой фильтрационной корки. Если бы не было "засоренного слива" в виде фильтрационной корки, то не было бы и дифференциального давления, прижимающего колонну к поверхности пласта. Давление на стенке скважины было бы почти равным давлению в скважине (рис. 9-6). Депрессионная кривая для закачки жидкости в пласт была бы подобна депрессионной кривой отбора, только перевернутой (рис. 8-55). Благодаря эффекту "засоренного слива" в виде фильтрационной корки пластовое давление, действующее на фильтрационную корку, будет почти равно давлению в остальной части пласта.

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.