Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ спсобов предотвращения пескования скважин 10
1.1 Причины пескопроявления скважин 10
1.2 Способы предотвращения пескования скважин 13
1.3 Конструкции гравийных фильтров 16
1.3.1 Требования кгравийным фильтрам 16
1.3.2 Размер и форма щелей фильтра-каркаса 18
1.3.3. Размер и фракционный состав гравия 19
1.3.4 Толщина гравийной обсыпки 23
1.3.5 Способы намыва гравия 24
1.3.6 Требования к жидкости- носителю гравия 27
1А Работа гравийных фильтров на скважинах подземных хранилищ газа 28
1.5 Выводы и задачи исследования 34
2 Экспериментальные исследования процессов формирования гравийного массива 36
2.1 Исследования удерживающей способности гравийного массива 36
2.1.2 Линейная модель фильтра 36
2.1.3 Объемная модель ПЗП 44
2.2 Исследование процесса кольматации щелевого (проволочного) фильтра) на стенде 56
2.2.1 Кольматация фильтра при закачке в скважину 58
2.2.2 Кольматация фильтра при отборе из скважины 59
2.3 Визуальные наблюдения за процессом намыва гравия на прозрачной модели скважины 62
3 Аналитиические исследования процессов создания полифракционного гравийного массива в скважине 73
3.1 Определение размеров ПЗП 73
3.2 Распределение гравийной обсыпки по фракциям 79
3.3 Теоретические основы фракционирования гравия в обсыпке 86
3.3.1 Общие принципы фракционирования в поперечном сечении скважины в процессе доставки гравия потоком к фильтру 86
3.3.2 Исследование процессов образования динамических слоев на
фильтре-каркасе 88
4 Опытно-экспериментальные работы на скважинах
4.1 Технология формирования полифракционного гравийного массива 96
4.2 Промысловые испытания технологии на скважинах 104
4.2.1 Скважина 122 Песчано-Уметского ПХГ 104
4.2.2 Скважина 131 Песчано-Уметского ПХГ 109
4.2.3 Газодобывающие скважины Петровско-Благодарненского ме-
сторождения 112
4.3 Оценка эффективности применения разработанной технологии 117
Заключение 125
Список использованных источников 127
Приложения
- Причины пескопроявления скважин
- Исследования удерживающей способности гравийного массива
- Определение размеров ПЗП
- Технология формирования полифракционного гравийного массива
Причины пескопроявления скважин
Газовые скважины, работающие в слабосцементированных мелкозернистых коллекторах, часто выносят на поверхность пластовый продукт с примесью песка. Это связано с процессами разрушения коллектора в призабойной зоне пласта (ПЗП), так и свободным перемещением продуктов разрушения в скважину.
Нарушение устойчивости призабойной зоны пласта происходят обычно в слабосцементированных песчаниках и песках, у которых связь между зернами отсутствует или осуществляется цементирующим материалом, не обладающим достаточной прочностью. Часто эта связь осуществляется глинистым материалом, который легко разрушается [1-8].
Устойчивость пород к разрушению определяется наличием сил трения и сцепления между частицами [9].: т = ос-Рг + С, (1.1) где X - сила устойчивости, Н; а - коэффициент трения, м2; Рг - горное давление, Н/ м ; С - сила сцепления, П.
Обычно сила сцепления слабосцементированных пород мала и устойчивость горных пород к разрушению определятся, в основном, силами трения.
При небольших депрессиях возможен длительный постепенный вынос мелких частиц (суффозия), ведущий к увеличению пористости. При достижении критического значения сдвигающих сил структура пористой среды разрушается за счет сдвига частиц песков [10].
Интенсивный вынос песка может происходить при резком возрастании депрессии на пласт при освоении и эксплуатации скважин.
Считается, что начало разрушения связано с некоторым предельным общим напряженным состоянием породы, характеризуемым безразмерным коэффициентом (К) [11] v 2sHgpn-P3a6 К = , (,.2) где 8 - коэффициент бокового распора пород; Н - глубина залегания продуктивного пласта; g - ускорение свободного падения; Рп - плотность породы; Рзаб - забойное давление; а еж " прочность породы на сжатие. При К=1 наблюдается равновесие пород и при К 1 - напряженное состояние.
Авторы [9-Ю] считают, что, перфорация скважин ухудшает сопротивляемость породы к разрушению по сравнению с открытым забоем. Поэтому забой скважин должен быть открытым, если напряженные состояния на его поверхности меньше предела прочности породы пласта, либо оборудован фильтром, если величины нагружения превосходят пределы прочности пласта.
Расчет напряженно-деформированного состояния породы на стенке скважины трудоемок, поэтому в качестве критерия устойчивости используют критические значения расходных и гидродинамических параметров работающей скважины: дебит скважины, скорость фильтраций, депрессия на пласт, градиент давления [9].
В работе [12] теоретически обосновано условие выноса мелких фракций песка - равенство градиента сил трения при фильтрации жидкости (газа) и градиента силы тяжести: grad Р = g (рп-рф), (1.3) где Рф - плотность пластового флюида.
Роль других критериев выражается через градиент сил трения. Условие (1.3) остается в силе и для случая суффозионного размыва ПЗП.
Снижение сил сцепления и трения между частицами происходит чаще всего из-за подхода воды. Так, на скважинах Московского ПХГ, где коллектор обводнен, депрессия, при которой начинается разрушение скелета, на 0,1-0,3 МПа меньше, чем на скважинах Касимовского ПХГ, работающих сухим газом из того же щигровского горизонта [9].
Аналогичное мнение высказывают авторы [13-16], что на Уренгойском и Медвежьем газовых месторождениях главной причиной активизировавшегося пескопроявления скважин газовых месторождений является постепенное обводнение «суперколлекторов» подошвенными и конденсационными водами. Увеличение их влагосодержания приводит к размыву, незначительного по содержанию, глинистого цемента, разрушению глинистых частиц, выносу песка и образованию каналов повышенной проводимости.
Для оценки интенсивности разрушения ПЗП в работе [9,17] используют критическую скорость выноса частиц породы с забоя скважины. Так отмечается, что вынос частиц породы из скважины не всегда свидетельствует о разрушении ПЗП.
Если вынос частиц во времени уменьшается, то идет процесс очищения перфорационнных и высокопроницаемых фильтрационных каналов от малосвязных частиц, а также забоя скважины от ранее разрушенной породы.
Процесс разрушения ПЗП сопровождается устойчивым темпом выноса породы или его увеличением во времени [9].
В [18] указывается, что с уменьшением пластового давления увеличивается межзерновое давление. В условиях, когда напряжения превышают силы сцепления между зернам, проявляет себя дилатансия (шелушение) объема пористой среды при изменении давления [19]. Возможны также усталостные явления при циклической эксплуатации скважин ПХГ.
Исследования удерживающей способности гравийного массива
Смоченный пластовый песок 5 вручную набивается в камеру 1, а затем засыпается исследуемая гравийная обсыпка 6, которая плотно прижимается стальным щелевым фильтром 7 с крышкой 8.
Конструкция и основные геометрические размеры экспериментальных установок здесь и далее принимались геометрически подобными ПЗП натурных газовых скважин. Исходя из требований кинематического подобия в любых сходных точках систем, стремились создать скорости движущегося флюида параллельными и равными (пропорциональными) друг другу. Требование динамического подобия выполнялось равенством градиентов давлений в модели и натуре [73]. в качестве критерия подобия, в общем случае, принята формула В.Н. Щелкачева для критического числа Рейнольдса Rещ.4 . , (2.1., m JI здесь К, m коэффициенты проницаемости и пористости среды, о - скорость фильтрации, \х, р - динамическая вязкость и плотность жидкости.
Если Re 0,032, то фильтрация осуществляется по линейному закону Дарси, если Re находится в пределах 0,032 -е- 14, то нельзя сделать определенный вывод, а при Re 14 имеет место нелинейная фильтрация. Число Рейнольдса в трубной гидравлике представляет собой отношение сил инерции к силам вязкого трения.
Эти и другие формулы приводят к широким диапазонам изменения ReKp для различных пористых сред. Это вызвано большим разнообразием свойств испытанных пористых сред, а также недостаточным учетом сложной структуры пористых сред (учет для этой цели пористости m и проницаемости К недостаточен).
В.Н.Щелкачев предложил использовать более удобные узкие интервалы чисел Re . Так для однородного крупнозернистого песка («гравия») - 3 - 10; для однородного мелкозернистого песка с преобладающей фракцией менее 0Д мм -0,24 - 0,34; для сцементированного песчаника - 0,05 - 1,4.
С целью подтверждения того, что нами соблюдены условия подобия на модели и на натуре, в таблицах приведены величины параметров и результаты вычислений.
Представленные в таблице 2.1 значения Ксщ больше критической величины 0,34 для песка с основной фракцией менее 0,1 мм, значит имела место нелинейная фильтрация в моделях и в ПЗП скважин. Кроме того, соблюдено подобие геометрии фильтрационных потоков в ПЗП скважин (оборудованных нами фильтрами) и в экспериментальных моделях.
Конструкция испытательных установок и методика экспериментирования позволили упростить моделирование изучаемых процессов по следующим причинам: для опытов в качестве пористой среды использовались пески пластов реальных подземных хранилищ газа, а также крупнозернистый песок - «гравий» с размерами, близкими к реально используемым в гравийных слоях вокруг фильтров скважин; опыты проводились с фильтрами, имевшими щели такой же ширины, как и на эксплуатационных скважинах; толщина (по горизонтали) защитного слоя гравия у фильтра была в таких же пределах, как и на реальных скважинах.
Отсюда следует, что и в призабойных зонах скважин, и в экспериментальных моделях физические процессы и режимы фильтрационных движений были идентичными.
Достоверность полученных результатов подтверждается их соответствием общепринятым законам и моделям и обеспечивалась требуемым числом экспериментов (не менее 5) на каждом режиме при коэффициенте надежности а =0,9 [74]. Коэффициент вариации при обработке данных не превышал 15-25 %, что соответствует III классу точности для расчетов технологических процессов в бурении [73].
При проведении опытов использовались измерительные приборы: 1) газосчетчик барабанный (с жидкостным затвором) типа ГСБ-400, ГОСТ 6463-53, класс точности 1, цена наименьшего деления шкалы 0,02 дм3. 2) манометры образцовые, ГОСТ 6521-60; максимальное давление 0,4 МПа; класс точ ности 0,4. 3) вибропривод ВП-С /220. 4) Набор контрольных сит С 20/50 с сеткой нормальной точности, ТУ-2-037-190-80. Номинальный размер стороны ячейки в свету - 40 мкм; 60 мкм; 80 мкм; 0,14 мм; 0,315 мм; 0,63 мм; 1,25 мм; 2,2; 5 мм. 5) Весы электронные ВЛКТ-500 -М, ГОСТ 19491-74, класс точности 4. 6) Линейка металлическая длиной 30 см, ГОСТ 427-75. 7) Мерные колбы, ГОСТ 1770-74, емкостью 25 мл; 50 мл; 100мл; 500 мл. 8) Секундомер, ГОСТ 5072-79, цена деления шкалы 0,2 с, максимальная погрешность за 60 с - 0,40.
Исходя из принятых условий, ширина щелей принята 2 мм, как у натурного фильтра, хорошо задерживающего гравий и песок в водозаборных скважинах. Длина щелей принята 40 мм (против 200 мм у натуры), как достаточная. Увеличение длины щели не изменяет удерживающую способность фильтра. Щели расположены в шахматном порядке.
Толщина гравийной обсыпки принята 100 мм [72], соответствующая расширенному диаметру скважины в продуктивном пласте.
Сжатый воздух подается при постоянном заданном давлении через редуктор 9 по коллектору 10. Давление контролируется манометрами 11. Расход воздуха замеряется газовым счетчиком, а количество выносимого песка пес-косборником 13. Подача «пластовой» воды осуществляется с помощью мерной питательной трубки 14. Величина давления воздуха при подаче в пласт или в скважину определяется исходя из обеспечения реального градиента давления в ПЗП. Предельное значение этого градиента в момент начала разрушения коллектора для слабосцементированных мелкозернистых песчаников, согласно расчетам, представленным ниже, составляет 0,1 - 0,5 МПа/м. На примере Шелковского ПХГ величина предельного градиента составляет 0,4 МПа/м. Тогда для модели длиной 250 мм избыточное давление питания должно составлять около 0 1 МПа. Это же давление должно быть и для подачи пластовой воды, т.е. питательная трубка 14 должна быть приблизительно длиной 10 м.
Конструкция камеры позволяет извлекать срезы гравийной обсыпки и пластового песка для фракционного анализа. В опытах использовался пласто вый песок Зеленой свиты Северо-Ставропольского ПХГ фракции 0,14 мм с базовым размером 0,1 мм.
Для обсыпки использовалась гравийная смесь следующего фракционного состава: 0,14-0,31 мм; 0,31 - 0,63 мм; 0,63 - 1,25 мм; 1,25 - 2,2 мм; 2,2 - 5 мм. Соотношение базовых размеров фракций между собой, равно, как и наименьшей фракции, с пластовым песком принималось равным 2-3. Наименьший размер крупных частиц превышал ширину щелей фильтра-каркаса на 10%.
В первой серии опытов в фильтрационную камеру засыпался гравий фракции 0,31-5 мм (с коэффициентом межслойности наименьшей фракции и базовым размером пластового песка, равным 6), а во второй - 0,14 - 5 мм (с коэффициентом межслойности, равным 3).
Имитировалась работа скважин при циклической эксплуатации, причем, в конце цикла отбора газа подавалась вода (обводнение скважины). После 5-го цикла «отбор - закачка» производилась осушка среды модели путем закачки газа со стороны щелей фильтра. Затем извлекались срезы гравийной обсыпки и песка, проводился фракционный анализ. Результаты этого анализа представлены на гистограмме (рис. 2.2).
Определение размеров ПЗП
Основные два фильтра расположены в непосредственной близости друг от друга, разница перепада давления на них незначительна. Поэтому толщина динамического слоя на них практически одинакова. С другой стороны, площадь боковой поверхности на них суммируется, что снижает скорость радиального потока. Поэтому в опытах с расходом Qi = 0,07-10"3 м3/с динамические слои не образовывались, а частицы гравия осаждались на дно скважины. После засыпки нижнего фильтра площадь боковой поверхности уменьшилась, а скорость возросла до значений достаточных, чтобы образовать динамический слой на неза-сыпанном фильтре. Достаточная скорость потока в обоих нижних фильтрах, видимо, имела место при увеличении расхода жидкости в два раза, поэтому динамические слои возникали на двух фильтрах одновременно.
Образованные динамические слои удерживаются гидравлическими сопротивлениями и опадают, как только исчезают эти сопротивления.
Из сравнения двух описанных процессов формирования динамических слоев замечаем, что схема с нисходящим потоком предпочтительнее, поскольку формирование гравийной обсыпки начинается с нижних фильтров. По схеме циркуляции с восходящим потоком динамический слой сначала образуется на верхнем (контрольном) фильтре, что способствует образованию висячей пробки.
Отсюда вытекает способ эффективного управления образованием динамических слоев, разместив внутри фильтров дополнительные промывочные трубки. При обратной циркуляции с выходом жидкости через эти трубы за фильтрами формируется нисходящий поток. Путем подъема промывочных трубок можно регулировать толщину и порядок образования динамических слоев.
Эксперименты с промывочной трубкой нами не проводились. Они достаточно подробно рассмотрены в книге Башкатова [3], который пытался применить нисходящий поток для фракционирования гравия в кольцевом пространстве, исходя из иных соображений, вне связи с образованием динамических слоев у щелей фильтра.
Последующие многочисленные эксперименты на модели (по рис.2.13) обнаружили, что в случае применения контрольного фильтра с меньшими щелями, чем у основного, динамический слой на нем формируется незначительной толщины. Например, когда установили контрольный фильтр со щелями 5 = 0,15 мм (на основном 5щ = 0,25 мм) динамический слой на нем не образовывался до полной засыпки «каверны».
Отсюда вытекает дополнительный и более простой способ предотвращения образования висячих пробок. Это применение контрольного фильтра с меньшими щелями, чем у основного.
Анализируя результаты наблюдений на моделях скважины (по разделу 2.2) можно заключить следующее.
При намыве гравия на фильтрах могут образовываться так называемые динамические слои из частиц диаметром больше размера щелей. Это весьма важное обстоятельство нами будет использовано для формирования гравийного массива с переменным фракционным составом по его толщине.
Установлено, что при традиционной упрощенной схеме намыва гравия (без промывочных трубок) на верхнем фильтре образуется толстый динамический слой и возникает опасность образования висячей пробки. В конечном итоге можно получить ложный сигнал о полном заполнении каверны за основным фильтром.
Для такой схемы намыва гравия нами предлагается применять контрольный фильтр с меньшим размером щелей, чем у основного.
Последний раздел настоящей главы носит описательный характер по результатам наблюдений. Для количественной оценки взаимного влияния изучаемых факторов считаем целесообразным разработать математическую модель. При её наличии расчетные показатели, проведенные по результатам экспериментальных исследований, будут больше соответствовать реальному процессу, чем расчеты по эмпирическим формулам, получаемым на физических моделях. Кроме того, математический анализ позволит более точно установить природу изучаемых процессов.
Эксплуатация скважин в слабосцементированных, мелкозернистых коллекторах часто сопровождается выносом песка. Это приводит либо к интенсивному износу оборудования, либо требует снижения депрессии на пласт, а, следовательно, и темпа отбора флюида. В главах 1 и 2 рассматривается общий подход к решению данной проблемы.
Для предотвращения разрушения такого пласта целесообразно расширить ПЗП до границ, где при заданном дебите скважины отсутствуют разрушающие градиенты, а затем, заполнить её фильтрующим материалом (гравием) разно-зернистого состава, размещаемым вокруг каркаса.
Технология формирования полифракционного гравийного массива
Как следует из аналитической части диссертации для создания противо-песочного фильтра в гравийном полифракционном массиве необходимо выполнить две группы работ: - формирование открытого ствола скважины в виде каверны заданных размеров; - установка проволочного фильтра с последующим намывом вокруг него высокопроницаемого гравийного массива.
Первая часть включает в себя следующие операции:
1) Бурение скважины до кровли продуктивного пласта и крепление вскрытого интервала эксплуатационной колонной. Это позволяет исключать контакт пласта коллектора с цементным раствором, а также применять специальные буровые растворы для вскрытия продуктивного горизонта. Башмак эксплуатационной колонны должен быть установлен не выше 5 - 10 м от кровли пласта. Иначе смыв глинистого материала со стенок скважины в покрышке пласта при намыве гравия может вызвать кольматацию тонких щелей проволочного фильтра. Сказанное подтверждается опытными работами на скважинах (см. ниже). Достаточную точность установки башмака эксплуатационной колонны можно обеспечить лишь в хорошо изученных в геологическом отношении районах, к которым можно отнести ПХГ.
При капитальном ремонте скважин, если открыта значительная толща глинистой покрышки, необходимо предварительно её изолировать, например по технологии описанной в статье [86] и в патенте [87]. Если это невозможно, намыв гравия по схеме обратной циркуляции с фильтрами ВНИИгаза, имеющих узкие щели применять нельзя. В этом случае целесообразно применение других способов, например, создание гравийного массива с последующей установкой в него каркаса фильтра. Этот способ здесь не рассматривается.
2) Вскрытие бурением продуктивной части коллектора.
3) Проведение комплекса ГИС с целью уточнения расположения продуктивных интервалов.
4) Создание каверны в ПЗП, радиусом, определяемым из условия пре дотвращения разрушения пласта коллектора по формулам из главы 3. При не возможности создать каверну требуемого размера производится расширение скважин допустимых размеров с последующим сооружением гравийного мас сива. Каверна в верхней части должна иметь конус, а угол наклона боковой по верхности к горизонтальной составляющей должен превышать угол естествен ного откоса смоченной гравийно-песчаной смеси, т.е. более 25 (как это реко мендовано в гл. 2). Верхняя и нижняя границы каверны должны отстоять от каркаса фильтра на её радиус. Это позволит иметь обсыпку одинаковой толщи ны.
Расширение производится гидромониторными расширителями селективного характера действия: серийными гидромониторами (для пескоструйной перфорации) или гидромеханическим расширителем, разработанным в ОАО «СевКавНИПИгаз» типа РГШ [44]. Расширители такого типа позволяют получать каверны значительных размеров в слабосцементированных интервалах, где происходит разрушение коллектора при эксплуатации скважин.
5) Качественная очистка каверны в ПЗП от продуктов разрушения. Применение известных схем промывки каверн больших диаметров не дает должного эффекта. Поэтому необходимо применение кольцевого гидромонитора конструкции ОАО «СевКавНИПИгаз» типа МГК [80, 88].
6) Проведение контрольной кавернометрии для определения необходимого объема гравийно-песчаной смеси.
7) Заполнение ствола скважины жидкостью-песконосителем, химически нейтральной по отношению к глинистой составляющей коллектора и его по крышки. При этом используется вышеуказанный гидромонитор, который по зволяет качественно удалить буровой раствор из каверны, а также смыть гли нистую корку на её стенке.
Как видим, указанные выше операции требуют применения специального инструмента. Он разрабатывается другими специалистами, поэтому здесь не рассматривается.
8) На колонне НКТ с левым резьбовым разъединителем в скважину спускается компоновка фильтрового оборудования, включающая традиционные элементы (рис.4.1): башмак, хвостовик-отстойник, комплект основных фильтров, дистанционные трубы (затвор), контрольный (сигнальный) фильтр, центратор, резьбовой разъединитель.
Проволочные фильтры конструкции ВНИИгаза предпочтительнее, поскольку они позволяют иметь малые, до 0,2 мм, щели и обладают повышенной прочностью на внутреннее избыточное давление, возникающее при закачке газа. Прочность проволочной оплетки обусловлена контактной сваркой. Фильтры обладают повышенной стойкостью к кольматации при отборе газа из пласта, так как оплетка из проволоки профильного сечения образует щели, расширяющиеся к оси фильтра.
Вышерасположенная часть забойного оборудования не должна иметь наружных муфтовых соединений, которые инициируют образование песчаных пробок. Кроме того, это упрощает процесс обуривания (омывания) при последующем капитальном ремонте. Длина надфильтрового комплекта должна быть от 10 до 20 метров, согласно рекомендациям ВНИИгаза, что позволяет иметь запас гравийного материала, необходимого для компенсации усадки его в каверне.
Контрольный (сигнальный) фильтр служит для установления момента «стоп» - полного заполнения гравием пространства за фильтровой компоновкой.
