Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ технологий и методов управления осложнениями, обусловленными пескопроявлениями. методы крепления призабойной зоны пласта 11
1.1 Анализ известных представлений по проблеме пескопроявления – факторы возникновения, стадии развития и обусловленные ими осложнения 11
1.2 Исследование методов и технологий управления осложнениями, обусловленных пескопроявленияи 23
1.2.1 Классификации методов борьбы с пескопроявлениями 23
1.2.2 Взаимосвязь методов борьбы с пескопроявлениями со свойствами пород коллекторов 28
Выводы к главе 1 51
ГЛАВА 2 Разработка статистической динамической модели деформационно-пространственной нестабильности песчанистых пород-коллекторов 53
2.1 Анализ современных представлений о принципах моделирования и расчёта пород-коллекторов 53
2.2 Разработка предпосылок моделирования песчанистых коллекторов 60
2.3 Разработка физической модели песчаника 66
2.4 Деформационно-пространственная стабильность и характер разрушения горных пород 71
2.4.1 Исследование прочностных свойств песчаников 71
2.4.2 Деформирование горных пород в предразрушающей области и в стадии разрушения 76
2.5 Построение статистической динамической модели песчанистых пород коллекторов з
2.5.1 Аналитические соотношения деформационно-пространственной стабильности песчанистой породы-коллектора 85
2.5.2 Аналитическое выражение для определения вероятности возникновения в песчанике слабейшего звена 88
2.5.3 Фактор дисперсии 94
2.5.4 Экспресс-параметр меры деформационно-пространственной стабильности 96
Выводы к главе 2 98
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования по отработке параметров технологии крепления призабойной зоны пласта 99
3.1 Принципы метода определения прогнозных параметров наступления критического состояния пород-коллекторов в призабойной зоне пласта с использованием статистической динамической модели деформационно-пространственной нестабильности 99
3.2 Характеристика состояния и традиционные способы ограничения пескопроявлений на месторождениях Краснодарского края 103
3.2.1 Характеристика состояния месторождений Краснодарского края с характерными признаками осложнений в виде пескопроявлений 103
3.2.2 Традиционные способы ограничения пескопроявлений на месторождениях Краснодарского края 110
3.3 Принципы вариативной технологии заканчивания 123
3.3.1 Способы приготовления образцов пород 124
3.3.2 Определение количественной меры неоднородности песчаников 132
3.3.3 Определение дисперсии песчаников естественного происхождения и критерии целесообразности применения методов химического усиления пород 136
3.3.4 Определение прогнозных параметров наступления критического состояния
пород-коллекторов в призабойной зоне пласта по методу статистической
динамической модели деформационно-пространственной нестабильности 138
Выводы к главе 3 139
Заключение 140
Список литературы 141
- Исследование методов и технологий управления осложнениями, обусловленных пескопроявленияи
- Разработка физической модели песчаника
- Характеристика состояния и традиционные способы ограничения пескопроявлений на месторождениях Краснодарского края
- Определение дисперсии песчаников естественного происхождения и критерии целесообразности применения методов химического усиления пород
Исследование методов и технологий управления осложнениями, обусловленных пескопроявленияи
Необходимо отметить, что в большинстве случаев, попытки борьбы с сильным выносом песка в течение жизни скважины экономически непривлекательны и нецелесообразны.
В работе, посвященной совершенствованию технологии добычи нефти в условиях интенсивного выноса мехпримесей (на примере Самотлорского месторождения) [9], представлены аналитические зависимости содержания мехпримесей в продукции скважин, эксплуатирующих пласт АВ\ 2 Самотлорского месторождения, от технологических параметров их работы (рисунок 1.5): - зависимость содержания мехпримесей от обводнённости продукции скважин -R2 = 0,78 для коллекторов, характеризующихся комплексным геофизическим показателем апс 0,5 (линия 1) и R2 = 0,54 для коллекторов с апс 0,5 (рисунок 1.5 а); - зависимость содержания мехпримесей от депрессии на пласт (рисунок 1.5 б), а также зависимость содержания мехпримесей от отношения забойного давления к пластовому (рисунок 1.5 в) - R2= 0,5; - зависимость содержания мехпримесей от коэффициента продуктивности скважин (рисунок 1.5 г) - R2 = 0,43.
Самотлорского месторождения На основании анализа данных вышеприведенных источников [6-11] можно заключить, что вопросы исследования причин разрушения коллектора и выноса песка изучены достаточно фрагментарно и не последовательно. Общая задача исследования причин разрушения коллектора и выноса песка не сформулирована как самостоятельная и принципиальная научно-техническая проблема [16]. В результате существенным образом затрудняется системное решение проблемы пескопроявления как сложной технической задачи.
Для решения задачи исследования причин разрушения коллектора и выноса песка необходимо последовательное рассмотрение таких вопросов как: - создание общих представлений и моделей песчаников как пород-коллекторов (описание их структуры, состава и базовых характеристик); - исследование механизмов инициации разрушения песчаников с последующим изучением стадий развития деформационно-пространственной нестабильности пород-коллекторов вплоть до разрушения; - разработка принципов и методов прогнозирования и управления механизмами деформационно-пространственной нестабильности песчаников.
Анализ последствий выноса песка. Вынос песка из пласта ведёт к образованию каверн, обрушению кровли призабойной зоны и в ряде случаев к смятию эксплуатационной колонны. К числу часто встречающихся последствий выноса песка относятся пробкообразование в скважинах, эрозия внутрискважинного оборудования, отложение песка в наземном оборудовании, трубопроводах и т.п. На устранение последствий пескопроявления затрачиваются значительные трудовые и материальные ресурсы.
Из-за большого содержания песка в добываемой жидкости преждевременно выходят из строя промысловые трубопроводы, фонтанные штуцеры, запорно-регулирующая арматура, насосно-компрессорные трубы, насосное и другое промысловое оборудование. Помимо этого, выносимый из пласта песок осаждается на забое скважины, что ведёт к преждевременному прекращению эксплуатации данной скважины и необходимости проведения дорогостоящего ремонта.
В научных источниках и статьях [15], [18-20] представлены данные по влиянию механических примесей на работу насосной установки. Так, Шакиров Э.И. в статье «Опыт применения технологий добычи и пескопроявления на пластах пачки ПК месторождений Барсуковского направления» [18] показывает, что добыча из основной части скважин ООО «РН-Пурнефтегаз» (г. Губкин) осложнена большим выносом мехпримесей, что составляет около 74 % от общего объёма осложнений (рисунок 1.6). Это скважины с содержанием КВЧ в продукции выше 100 мг/л, которыми разрабатываются пласты группы ПК (Покурская свита).
При этом в общем числе мехпримесей на долю частиц коллектора приходится значительная часть. Распределение мехпримесей по группам, отобранным из проб продукции скважин, по результатам дифракционного анализа, представлено на рисунке 1.7 [19]. Одним из важных факторов, осложняющих работу глубинонасосных установок, является присутствие механических примесей, как в скважине, так и в пластовой жидкости.
Механические примеси способствуют снижению гидродинамических характеристик скважины путём кольматации призабойной зоны пласта, засорения забоя скважины, увеличения вибрации и более интенсивного износа ЭЦН. При этом происходит порча дорогостоящего оборудования. Всё это приводит к трудоёмким и дорогим ремонтам, как скважин, так и оборудования, а в итоге к значительным потерям, как в денежном эквиваленте, так и в добыче нефти.
Присутствие мехпримесей в скважинах обусловлено несколькими причинами: - рыхлые неустойчивые породы пласта (вынос частиц породы); - занесение мехпримесей (песка) в призабойную зону пласта во время проведения ТКРС, бурения, ГРП и т.д.; - закачка в скважину неподготовленных жидкостей глушения (грязные растворы).
На рисунке 1.8 представлен внешний вид УЭЦН после непродолжительного контакта с эрозионной средой [15]. В данном случае – это засорение УЭЦН механическими примесями с наработкой двое суток (после перехода на нижележащий горизонт) и восемь суток (после проведения ОПЗ). В обоих случаях причиной засорения насоса явилась некачественная подготовка скважины к спуску оборудования.
Разработка физической модели песчаника
Как было показано в первой главе, для прогнозирования процессов пескопрояв-лений необходимо изучить причины и факторы потери пространственной устойчивости и разрушения пород-коллекторов (песчаников). В связи с этим возникает ряд задач: - формирование представлений (моделей) о природе прочности и пространственной устойчивости пород-коллекторов; - выявление факторов, при которых нарушается пространственная устойчивость пород-коллекторов; - исследование взаимосвязи между причинами пескопроявлений и сопряжёнными явлениями – песководопроявлениями [39-40] и др.; - исследование влияния локального обводнения (водной фазы) на прочность и пространственную устойчивость пород-коллекторов.
В настоящее время существует ряд направлений в моделировании и расчёте пород-коллекторов, описанных в работах [41-45]. Задача моделирования пород-коллекторов непосредственно связана с такими научными дисциплинами как нефтегазовая подземная гидромеханика [41] [115], теоретические основы формирования свойств глинистых покрышек нефтяных и газовых месторождений [42], физика горных пород [43], литология осадочных горных пород [44-45].
Существуют разные подходы к описанию характеристик пород-коллекторов: - физико-механические характеристики (прочностные и деформационные свойства), в которых породы изучаются методами механики твёрдого деформированного тела, теории упругости, пластичности и ползучести [43], [44]; - физико-химические подходы, в которых породы рассматриваются с позиции физико-химической механики дисперсных систем [42], [47]; - методы подземной гидромеханики – фильтрационные характеристики пород-коллекторов, имеющие особое значение при исследовании состояния пород в условиях заводнения [41]; - структурно- и микроструктурно-физические исследования глинистых покрышек нефтяных и газовых месторождений [42]; - механизмы и обстановки образования пород, постседиментационные изменения [45].
Физико-механические характеристики пород-коллекторов. В работе Литвинского Г.Г. «Аналитическая теория прочности горных пород и массивов» [44] отмечено, что при рассмотрении прочностных свойств массивов горных пород воз 55 никает проблема сложности строения горных пород за счёт структурных неоднород-ностей (дефектов), связанных с поверхностями раздела – контактами и трещинами. Последние имеют самые разные размеры – от микроскопических до многих сотен и даже тысяч километров. Среди неоднородностей массива доминируют трещины и их системы, которые предопределяют важнейшие свойства массива и его элементов, – прочность, параметры подземной гидродинамики, миграцию газов и др. Трещины – разрывы сплошности в горных породах, у которых раскрытие значительно меньше двух остальных размеров, – длины и ширины, трещиноватость – совокупность трещин в массиве горных пород.
Трудности, возникающие при изучении прочности горных пород, обусловлены тем, что не были изучены причины образования и развития микроповреждений разного типа. Кроме того, анализ известных теоретических подходов к описанию прочности горных пород часто ограничивается аналитическими методами, тогда как причины разрушения материала за счёт микроповреждений сдвигового и разрывного типов не исследуются.
По сути, описанный подход к исследованию прочности массивов горных пород может быть интерпретирован как моделирование горных пород с использованием представлений физики твёрдого тела, в которой прочность тела зависит от вида и числа дефектов структуры [48-50].
Физико-химические методы исследования пород-коллекторов. Существует несколько уровней иерархии моделирования пород-коллекторов: - физическое моделирование – компонентный состав и способ соединения элементов породы в пространственную структуру без учёта характера связи между элементами; - методами физической химии рассматриваются вопросы структурообразования и прочности связи в дисперсных системах [51-53]; - фильтрационные характеристики пород-коллекторов, а также другие подходы, которые будут описаны позднее. В дисперсных системах сила fc и энергия Ec взаимодействия в контактах между частицами зависят от вида (природы) контактов. На рисунке 2.1 представлены схемы основных видов контактов между частицами дисперсных фаз, образующихся в дисперсных системах согласно классификации П.А. Ребиндера [54]: - непосредственных (атомных), возникающих в высокодисперсных грунтах ( fc Ю-8 1(Г7 Н, энергия сцепления Ec 1(Г17 1(Г16 Дж); - коагуляционных, возникающих в пастах (суспензиях) или эмульсиях через тонкую прослойку жидкости (fc 1(Г10 -И (Г8 Н, Ec Ю-19 -И (Г18 Дж); - прочных, так называемых фазовых контактов, характерных для конденсационных структур дисперсных материалов (fc «10 7 -И0 6Н, Ес 10-17-н1 Г16 Дж).
Характеристика состояния и традиционные способы ограничения пескопроявлений на месторождениях Краснодарского края
Качественное описание статистической динамической модели как иерархической выстроенной системы можно отразить в следующем: - на нижнем этапе иерархии песчаник описывается в идеализированной физической модели как поликристаллическое тело, в котором дефекты (границы зёрен) равномерно распределены по объёму, и порода обладает высокой деформационно-пространственной стабильностью вследствие того, что в ней отсутствуют опасные дефекты (трещины); - техногенная дефектность пород-коллекторов в призабойной зоне, формирующаяся на этапе строительства скважины при разбуривании породы, приводит к возникновению новых по сравнению с физической моделью дефектов, что снижает деформационно-пространственную стабильность; - на следующем уровне иерархии в расчёт принимаются факторы физико-химического взаимодействия, которые в песчаниках имеют особое значение, и проявляются, в частности, в том, что под воздействием жидкой фазы глинистая связка может вымываться из породы, и деформационно-пространственная стабильность утрачивается; - динамические факторы описывают тенденции развития дефектной структуры породы-коллектора в результате комплекса эксплуатационных воздействий (обводнения, волновых и механических нагрузок и др.).
Физическая модель породы-коллектора с техногенно-инициированной дефектностью в призабойной зоне По сравнению с физической моделью песчаника (рисунок 2.8) в техногенно-дефектном песчанике могут иметь место такие опасные дефекты как трещины. Появление трещин значительно увеличивает вероятность разрушения материала (п. 2.4). В песчанике опасность трещин связана с природой его прочности, а именно с особой ролью цемента, который активно взаимодействует с водой, что в присутствии трещин ведёт к быстрому разрушению песчаника.
Ранее (п. 2.1) указывалось на то, что в горных породах имеет место эффект Pе-биндера – понижения прочности твёрдых тел под действием адсорбционных сил.
Эффект Pебиндера – одно из проявлений физико-химического фактора в природе прочности песчаника.
На этапе определения значимых параметров выделяются те характеристики песчаника, от которых зависит его деформационно-пространственная нестабильность. Состав этих параметров рассматривается как открытая система, при этом на данной стадии исследований принимаются те параметры, которые вытекают из данных моделирования. На этапе экспериментальных исследований состав параметров будет уточняться.
Состав параметров для разработки аналитических соотношений деформационно-пространственной стабильности песчаника определен на основании данных, представленных в настоящей главе, а также с использованием рабочей гипотезы, согласно которой прочность и деформационно-пространственная стабильность песчаника снижается по мере уменьшения концентрации глинистого связующего (цемента) и жидкой фазы песчаника. Также принимается, что прочность и деформационно-пространственная стабильность песчаника определяется видом и числом дефектов, которые рассматриваются как случайные величины.
Аналитические соотношения деформационно-пространственной стабильности песчанистой породы-коллектора
При разработке статистических теорий прочности пространственных твёрдых тел используется концепция наислабейшего звена, предложенная Вейбуллом [78]. В применении к породе-коллектору концепция наислабейшего звена означает, что порода-коллектор мысленно разбивается на локальные участки с разным уровнем дефектности, и принимается, что разрушение породы-коллектора начинается с самого слабого звена. Обычно распределение Вейбулла сосредоточено на полуоси от 0 до бесконечности. Если вместо границы 0 ввести параметр , что часто бывает необходимо на практике, то возникает так называемое трехпараметрическое распределение Вейбулла.
Распределение Вейбулла интенсивно используется для описания времени отказов разного типа в теории надежности и наиболее подходит для применения в данном исследовании.
Например, экспоненциальное распределение можно использовать как модель, оценивающую время наработки (эксплуатации пласта-коллектора без возникновения осложняющих факторов) до отказа (наступления разрушения) в предположении, что вероятность отказа объекта постоянна. Если вероятность отказа меняется с течением времени, применяется распределение Вейбулла. С помощью методов статистики и теории вероятностей определяют вероятность нахождения слабейшего звена. Чем выше вероятность нахождения слабейшего звена, тем более вероятно разрушение породы.
Двухпараметрическое распределение (а, Р-параметры) Вейбулла характеризуется плотностью распределения вида Графики плотности р(х) и функции распределения F(x). Сравним нормальное распределение с распределением Вейбулла. Нормальное распределение характеризуется рядом показателей - средним значением, дисперсией и плотностью распределения.
Плотность вероятности нормально распределённой случайной величины с параметрами ц (среднее значение) и а (дисперсией о2) описывается соотношением: р(х)
Плотность вероятности нормального распределения 2.5.2 Аналитическое выражение для определения вероятности возникновения в песчанике слабейшего звена
Принцип расчёта вероятности возникновения в песчанике слабейшего звена состоит использовании подхода, согласно которому слабейшая область возникает как результат сочетания случайных факторов. Как было показано выше, в состав параметров песчаника входят: где Gw - масса воды в единице объёма породы; Gs - масса твердой фазы (песчаных частиц) в единице объёма породы; Vs_c - объём, приходящийся на глинистую компоненту, в единице объёма породы; Vs_m - объём, приходящийся на песчаные частицы, в единице объёма породы. Параметры Gw и Gs относятся к числу базовых параметров горных пород
Параметры интенсивности пескопроявления и интенсивности водопроявления определяются по результатам анализа геолого-промыслового материала наблюдения за скважиной на протяжении периода эксплуатации. Выражения для определения параметров интенсивности пескопроявления и интенсивности водопроявления: где 1в_т, 1в_м - экспериментально определяемые параметры текущей и максимальной интенсивности водопроявления.
Очевидно, что параметры кп и кв меняются в пределах от 0 до 1. Определение вероятности события, которое описывается нормальным распределением, графически проиллюстрировано на рисунке 2.16.
Определение дисперсии песчаников естественного происхождения и критерии целесообразности применения методов химического усиления пород
Так, при определении размера гравия и ширины щелевого отверстия фильтра используют данные: - гранулометрический состав коллектора, определённого с помощью ситового анализа (для подробного исследования мелких частиц наиболее предпочтителен лазерный анализ образцов породы); - методов подбора гравия (проппанта) для разной степени отсортированности песчаников.
На рисунке 3.11 приведён рекомендуемый размер проппанта и ширины щели по ряду скважин месторождений Краснодарского края, определённые по вышеуказанным методам. Необходимо отметить, что применяемая в традиционной технологии методология оценивания состояния пород-коллекторов с помощью параметров гранулометрического состава песка не имеет теоретического и экспериментального подтверждения. Для оценки состояния пород необходимо использовать статистическую динамическую модель деформационно-пространственной нестабильности.
В результате анализа традиционных способов ограничения пескопроявлений, применяемых на некоторых месторождениях Краснодарского края, можно сделать следующие выводы: - указанные методы решают задачи подбора фильтров, но не пригодны для рассмотрения более принципиальной проблемы – разработки вариативной технологии заканчивания, которая включает в себя не только методы фильтрационной защиты, но и технологии химического связывания слабосцементированных пород; - применяемые в традиционной технологии ограничения пескопроявлений способы описания гранулометрического состава пород не полностью отвечают современным требованиям, оставаясь полуколичественными, и нуждаются в использовании более перспективных аналитических методов – теории вероятностей и статистической физики.
Кроме этого необходимо указать, что для разработки вариативной технологии заканчивания, которая включает в себя не только методы фильтрационной защиты, но и технологии химического усиления пород, необходимо применение методов, позволяющих контролировать состояние пород – статистическую динамическую модель деформационно-пространственной нестабильности.
Принципы вариативной технологии заканчивания Одна из задач вариативной технологии заканчивания – разработать критерии выбора технологического решения – целесообразности применения химического усиления пород. Использование методов химического усиления пород может быть эффективным средством управления факторами осложнения добычи – пескопроявлением, водопроявлением и др., – применяемым до фильтрационной защиты призабойной зоны.
Таким образом, сочетание методов химического усиления и фильтрационной защиты открывает возможности нового конфигурирования технологии управления факторами осложнения добычи. При этом необходимо иметь представление о пространственно-временных параметрах осуществления каждой технологической стадии, то есть знать, когда и в какой области породы-коллектора целесообразно и эффективно применение некоторой технологической процедуры.
Ранее в качестве количественного параметра меры деформационно-пространственной стабильности песчанистой породы-коллектора принята прочность на растяжение по ГОСТ 21153.4-84 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении». Испытания проводили на установке «INSTRON», тип установки – одноколонная испытательная система настольного типа серии 5940 для малых усилий до 2 кН [65]. Цель испытаний: - исследование зависимости прочности породы от концентрации цемента и влажности; - определение прогнозных параметров наступления критического состояния пород-коллекторов в призабойной зоне пласта по методу статистической динамической модели деформационно-пространственной нестабильности. Для исследования зависимости прочности породы от концентрации цемента и влажности использовали искусственно приготовленные образцы песчаников [93], поскольку такую работу выполнить на природных материалах невозможно.
Способы приготовления образцов пород Приготовление образцов песчаников производили из компонентов, составляющих основу связных грунтов – минеральных частиц, цементирующих соединений и воды.
Компонентный состав искусственных песчаников (ИП): - минеральный компонент – безводная химически инертная модификация окиси алюминия – Аl2O3 (корунд); - цементирующее соединение – свежеосажденная и сконцентрированная гидроокись алюминия, получаемая в результате золь-гель перехода (коллоидная компонента); - вода дистиллированная. Использование корунда в качестве минеральной компоненты связано с тем, корунд – химически инертное вещество, которое на своей поверхности не имеет активных групп, что способствует созданию однородных суспензий на этапе приготовления сырой композиции. На этой стадии следует избегать агломерированных частиц, что способствует созданию однородной структуры ИП. Концентрации компонентов подбирали из расчета соотношения минеральных компонент: цемент 95:5; 90:10 и 85:15 масс.%.
Похожие диссертации на Повышение эффективности крепления призабойной зоны пласта с целью снижения пескопроявлений (на примере месторождений Краснодарского края)
