Содержание к диссертации
Введение
1 Гидродинамические условия проводки скважин многофункционального назначения 9
1.1 Существующие методы оценки технического состояния необсаженного ствола скважины 13
1.2 Характеристика гидродинамического поведения скважины в процессе бурения, СПО и промывке , 18
1.3 Показатели технического состояния ствола и гидродинамического поведения скважины применительно к технологическим расчетам, 32
1.4 Промысловая оценка фильтрационных характеристик проницаемых пластов 35
2 Формирование открытого забоя в различных геолого- технических условиях строительства скважин 41
2.1 Технология селективной гидромониторной обработки приствольной зоны продуктивных отложений 43
2.2 Технология глубоких и малых проникновений 48
2.3 Технология установки гидроизолирующих экранов в водонасыщенных пластах 55
2.3.1 Методы расчета технологических параметров процесса установки водоизолирующих экранов 68
2.4 Технология «щадящей» кольматадии в процессе углубления забоя и устройство для ее реализации 70
2.5 Технология первичного вскрытия с использованием струйно-волнового кольмататора и материала «кварц» 71
3 Теоретические основы использования волновых и вибрационных процессов при бурении и добыче 75
3.1 Постановка проблемы. Существо использования волновых и вибрационных процессов 75
3.2 Эффекты односторнне направленных движений включений, взвешенных в колеблющейся жидкости 78
3.3 Эффект ускорения течения жидкости в капиллярах и пористых средах , 84
3.4 Проблемы передачи энергии колебаний в нефтеносные пласты 88
4 Технологии, обеспечивающие герметичность заколонного пространства 95
4.1 Опеспечение герметичности заколонного пространства многофункциональных скважин 95
4.2 Струйная обработка стенок скважины ...95
4.3 Струйно-волновая кольматация 98
4.3.1 Влияние струйно-волнового воздействия на процесс фильтрации глинистого раствора и кольматацию пористых сред 99
4.3.2 Результаты исследований по оценке кольматации порового пространства породы вязко-упругим раствором 105
4.4 Технологии первичного выкрытия пласто продуктивной толщи в водонефтяных зонах и их разобщение с использованием гидрофобных буровых и тампонажных растворов 109
4.5 Разработка и исследование гидрофобного тампонажного материала 112
4.5.1 Физико-химическая природа процесса структурообразования тампонажных суспензий 115
4.6 Перспективы реализации волновых технологий в добывающих и нагнетательных скважинах 122
5 Факторы, влияющие на изменение проницаемости продуктивных пластов при углублении скважины и методы управления ими 124
5.1 Исследование потоков жидкости в призабойной части ствола при углублении забоя 124
5.2 Усовершенствование конструкции наддолотного устройства с целью повышения технико-экономических показателей при бурении 130
5.3 Влияние факторов на проникновение твердой фазы в пласты-коллекторы (кольматация) 131
5.4 Экспериментальные исследования процессов фильтрации промывочной жидкости и кольматации пористой среды при волновом воздействии 141
5.4.1 Исследование процессов фильтрации промьшочной жидкости и кольматации на образцах кернов 141
5.4.2 Исследование влияния концентрации глинистых частиц, температуры окружающей среды и интенсивности излучения на процесс фильтрации промьшочной жидкости и кольматации на образцах кернов 144
5.5 Теоретические основы возможности тспользования кремний-органических
соединений для гидрофобизации поверхности 147
6 Разработка и усовершенствование технологий сохранения и восстановления коллекторских характеристик пласта 152
6.1 Метод изготовления щелей в скважине с конструкцией забоя открытого типа 152
6.1.1 Основные закономерности разрушения горных пород струей жидкости 152
6.1.2 Методика создания щелей 160
6.2 Метод формирования протяженных каналов фильтрации сверлящим перфоратором .,...164
6.3 Разработка технического устройства для осуществления процесса кольматации проницаемых пластов 168
7 Утилизация промышленных стоков и складирование многотоннажных отходов химических производств в специально созданных подземных хранилищах 172
7.1 Разработка способа подземного складирования жидких отходов производств 172
7.2 Теоретические предпосьшки замены стальных обсадных труб пластмассовыми 174
7.2.1 Обоснование применения полиэтиленовых труб 174
7.2.2 Технические данные полиэтиленовых труб (ЗАО «Сибгазаппарат») 175
7.2.3 Результаты расчета на прочность полиэтиленовых труб производства ЗАО «Сибгазаппарат», 176
7.2.4 Результаты стендовых испытаний физико-механических свойств поливинилхлоридных труб 177
7.2.5 Примеры расчетов на прочность зарубежных пластмассовых поливинилхлоридных труб 178
7.3 Технологии строительства специальных скважин для складирования вредных отходов в подземные хранилища 185
7.3 Л Разработка технологии заканчивания скважин ...185
7.3.1.1 Обоснование требований к тампонажному материалу и его выбор 185
7.3.1.2 Технология вибровоздействия на тампонажный раствор в период его приготовления и превращения в камень , 187
7.3.1.3 Технология вскрытия объекта под закачку 190
7.3.1.4 Принцип работы электроимпульсного скважинного устройства, его конструкция и технические характеристики 192
7.3.2 Требования к оборудованию обсадной колонны 194
7.3.3 Разработка технологии закачки сточных вод 194
7.3.4 Разработка технологии соединения полиэтиленовых труб и спуска их в скважину 198
Основные выводы и рекомендации 200
Список использованной литературы 203
- Существующие методы оценки технического состояния необсаженного ствола скважины
- Технология селективной гидромониторной обработки приствольной зоны продуктивных отложений
- Постановка проблемы. Существо использования волновых и вибрационных процессов
- Опеспечение герметичности заколонного пространства многофункциональных скважин
Введение к работе
Современный этап становления рыночных отношений предполагает коренную перестройку всего топливно-энергетического комплекса, перевод его на ресурсосберегающий путь развития при постоянном внимании к экологическим проблемам.
В последнее время все больше вводятся в разработку сравнительно небольшие месторождения, литологически экранированные и представляющие собой готовый подземный резервуар для складирования в нем различных жидких отходов многотоннажных химических производств, бальнеологических и других вредных стоков, а также для подземного хранения стратегического сырья, различных отходов отработанных ядерных топлив и др.
В этой связи к скважине предъявляются «жесткие» требования по долговременной надежности всех ее элементов, что влечет за собой увеличение затрат на строительство, но, зато экономическая целесообразность, окупаемость затрат резко увеличиваются. Таким образом, по-новому, может быть рассмотрена концепция вложения средств в, кажущееся на первый взгляд нерентабельным, мероприятие, такое как обустройство небольшого нефтяного или газового месторождения, с целью использования его, после извлечения полезного ископаемого, как резервуара для складирования различных жидких и газообразных отходов современных производств.
В этом случае уже при проектировании таких сооружений следует по-новому подойти к вопросам обеспечения требуемой надежности скважины по коррозионной стойкости всех ее элементов (колонна, резьбовые соединения, тампонажные композиции), герметизации заколонного и межколонного пространства и др.
Складирование отходов в изолированных пластах во-первых, улучшает экологическую обстановку в районах их скопления и во-вторых, позволяет вернуться к их промышленному использованию по мере развития технологий переработки вторичного сырья. Одним из путей решения проблемы является складирование их в глубоких проницаемых пластах с использованием новейших технических достижений. К настоящему времени подземное складирование осуществляют как за рубежом (США, Италия, Япония), так и в странах СНГ (Одесский, Оренбургский районы, Татарстан). В Западной Сибири он начал использоваться в последние годы, но широкого применения не получил, в основном, из-за быстрой коррозии оборудования и обсадных труб, значительной стоимости строительства нагнетательных скважин с применением стальных конструкций.
Для решения этих задач необходимо тщательно изучить гидродинамические и геологические условия проводки скважин, знать технологии обеспечения герметичности крепи и, что самое важное, научиться формировать гидродинамически совершенный открытый забой в различных геолого-технических условиях строительства многофункциональных скважин.
При строительстве многофункциональных скважин очень важным является предупреждение отрицательного воздействия процессов, происходящих в призабойной зоне продуктивньгх пластов при заканчивании скважин. Главными факторами снижения продуктивности скважин и раннего нарушения герметичности крепи являются дифференциация пластовых давлений по разрезу и площади месторождения, высокие градиенты давления между разнонапорными пластами, нестациопарность гидродинамического состояния и поведения многопластовой залежи. Действие отмеченных факторов интенсифицирует процессы загрязнения призабойной зоны продуктивной толщи и заколонные межпластовые перетоки при заканчивании и эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин.
Немаловажная роль в этих негативных процессах принадлежит применяемым конструкциям забоя скважин, технические и эксплуатационные характеристики которых в большинстве случаев не соответствует возросшим требованиям значительно изменившихся геолого-промысловых условий разработки месторождений в поздней и завершающей стадиях. Формируемая в интервале продуктивных отложений составная крепь (обсадная колонна - цементное кольцо - стенки скважины), как показывает отечественный и зарубежный опыт, не только не обеспечивает герметичности ее элементов (цементного кольца и его контактных зон с обсадными трубами и стенками скважины), но и значительно усложняет в дальнейшем производство ремонтно-изоляционных работ (РИР), обработку призабойной зоны (ОПЗ) и других операций по интенсификации добычи нефти. Результативность РИР в скважинах, несовершенных по характеру и степени вскрытия составляет в среднем 12-20% и не превышает 50%.
Следует отметить, что проблема заканчивания скважин открытым забоем имеет достаточно давнюю историю, всегда привлекала внимание технологов, как наиболее перспективная с точки зрения совершенства вскрытия продуктивных горизонтов. Но отсутствие уверенности в долговременной эксплуатации открытого фильтра таких скважин при наличии суффозии, возможных флюи-доперетоков между разнонапорными пластами и отсутствии технологии первичного вскрытия на депрессии или равновесии сдерживала развитие и внедрение подобных способов. Для реализации таких перспективных технологий необходимо было сначала сформулировать требования к фильтру скважины в различных геолого-технических условиях, выявить причину и основные факторы некачественного первичного вскрытия скважин и разобщения пластов с целью формирования конструкций забоя в различных гидродинамических условиях. Затем необходимо было решить проблему обеспечения герметичности за-колонного пространства над башмаком эксплуатационной колонны на весь период работы скважины. Это было достаточно трудно, так как не было технологий, обеспечивающих борьбу с так называемым "зависанием" цементного раствора за колонной в период превращения его в камень, контракционными, суф-фозионными и другими процессами, происходящими в период ОЗЦ.
Для формирования открытого забоя многопластовых залежей в различных геолого-технических условиях строительства скважин необходимо разработать комплекс технологий, учитывающий необходимость изоляции разнонапорных пластов, дренирования приствольной зоны с последующей изоляцией ее твер-
деющими растворами и тампонирования высокопроницаемых водонасыщенных пластов продуктивной толщи.
Для восстановления коллекторских характеристик пласта необходимы технологии, обеспечивающие увеличение поверхности фильтрации и формирование такой формы забоя, которая позволяла бы более успешно применять перспективные методы увеличения добывных возможностей скважины передачей волновой энергии в отдаленные от забоя скважины зоны пласта.
В этой связи цель работы сформулирована следующим образом: повыше
ние качества строительства скважин многофункционального назначения путем
разработки научно обоснованных технологий, обеспечивающих герметизацию
заколонного пространства на весь период эксплуатации в режимах отбора и на
гнетания.
Основные задачи исследований
Обоснование концепции строительства скважин многофункциональ-ного назначения для полной выработки залежей топлива и последующей закачки жидких отходов для подземного складирования.
Исследование гидродинамических условий проводки скважин и обоснование возможности формирования открытого забоя в различных геолого-технических условиях строительства скважин.
Разработка теоретических основ использования волновых и вибрационных процессов в технологиях строительства и эксплуатации скважин в режимах отбора и нагнетания.
Исследование и разработка методических основ заканчивания скважин многофункционального назначения.
Исследование и разработка технологий, обеспечивающих долговременную герметизацию заколонного пространства.
Разработка технологий сохранения и восстановления коллекторских характеристик пласта в условиях открытого забоя скважин.
Разработка проекта подземного складирования многотоннажных жидких отходов различных производств после извлечения запасов углеводородов.
Научная новизна работы
Разработаны научно обоснованные принципы подземного складирования жидких отходов химических производств, бальнеологических промышленных стоков в выработанных залежах с возможностью последующего использования хранимых отходов в качестве вторичного сырья.
На основании изучения механизма физико-химического взаимодействия на границе раздела фаз буровых и тампонажных растворов с проницаемыми флюидонасыщенными пластами научно обоснована концепция заканчивания скважин многофункционального назначения.
Научно обоснована концепция формирования фильтровой части скважин многофункционального назначения в виде открытого забоя с протяженными каналами заданной формы для подачи волновой энергии в удаленные зоны пла-
стов с целью повышения нефтеотдачи низкопроницаемых коллекторов и последующего закачивания жидких отходов.
На принципах нелинейной волновой механики разработана теория, объясняющая создание в продуктивном пласте кольматациоыных зон, экранирующих остаточные запасы в коллекторах. Теоретически обоснованы параметры источников колебаний для извлечения остаточных запасов из заблокированных зон с учетом взаимодействия в поровом пространстве пластовых флюидов и твердых включений.
Практическая ценность
Разработана экологическая программа складирования вредных отходов многотоннаж-ных-производств в подземные-х-ра-ни-л-и-ща--с использованием в качестве обсадных колонн высокопрочных труб из химически стойкого полиэтилена. Разработан экспериментальный проект.
Предложены методы оценки технического состояния необсаженного ствола скважины при различных технологических операциях (бурение, спуско-подъемные операции, промывка), а также разработаны методические подходы к промысловой оценке фильтрационных и прочностных характеристик проницаемых флюидонасыщенных пластов с целью определения оптимальных технологических параметров отбора и нагнетания при работе скважин многофункционального назначения.
Предложен комплекс технологий формирования открытого забоя в различных геолого-технических условиях строительства скважин многофункционального назначения с учетом геологических и технических условий эксплуатации объекта. Предложена технология гидрофобизации призабойной зоны при первичном вскрытии продуктивного пласта с применением струйно-волнового кольмататора с целью изменения фазовой проницаемости коллектора при отборе и закачивании флюидов.
Разработан рабочий проект «Технологическая схема разработки Тевриз-ского месторождения с проектными решениями по использованию недр после извлечения запасов углеводородов».
Существующие методы оценки технического состояния необсаженного ствола скважины
Непрерывное изменение фильтрационных и прочностных характеристик ствола в процессе бурения скважины и неконтролируемое воздействие на забой и стенки гидродинамических давлений, величина которых достигает 7-12 МПа и более, вызывает различные осложнения технологии буровых работ. Такое положение привело в начале 70-х годов к разработке и широкому внедрению на практике оперативных методов контроля технического состояния ствола при бурении до кровли продуктивных отложений на разбуриваемых месторождениях Башкортостана и Татарстана [17-19]. В настоящее время это направление ауч"но-прйклад"ньТх " "работ "получило "дальнейшее "развитие за счет усовершенствования методов контроля технического состояния ствола бурящихся скважин и расширения области их эффективного применения [1,20-22].
Методы гидромеханических испытаний ствола предназначены для оперативного контроля фильтрационных и прочностных характеристик интервалов проницаемых, неустойчивых и с низким градиентом гидроразрыва горных пород в процессе бурения и заканчивания нефтяных и газовых скважин. Отсюда определение термина «техническое состояние ствола скважины» как характеристики текущих показателей герметичности и гидромеханической прочности ствола и их изменение в процессе углубления скважины.
Техническое состояние ствола скважины оценивается комплексом критериев, устанавливаемых по результатам оперативных, промысловых гидромеханических испытаний и геофизических исследований (каверно- или профилем етрии).
Герметичность необсаженного ствола в заданном интервале характеризуется коэффициентом полной приемистости (К) К = Qon / ДРоп, (мЗ/с МПа (1.1) где Qon - расход жидкости при опрессовке ствола, мЗ/с; ДРоп - давление опрессовки ствола по манометру на устье, МПа. Величина допустимого давления опрессовки ствола (ДРоп) определяется уравнением или с помощью номограммы [23]. ДРоп - gH(K3pn - рр), МПа (1,2) где g - гравитационная постоянная, равная 9,8 м/с2; Н - глубина кровли испытуемого интервала, м; КЗ - коэффициент запаса на допустимое давление опрессовки, не приводящее к гидромеханическому нарушению стенок скважины (гидроразрыв горных пород, раскрытие сомкнутых трещин). Величина КЗ принимается в расчетах по формуле (1.2) с учетом конкретных геолого-лромысловых условий бурения и может изменяться от 0,60 до 0,85 [1,20]; рп - средняя (или минимальная) плотность горных пород в испытуемом интервале и принимается по данным ГТН или геологической службы, кг/мЗ; рр - плотность промывочной жидкости, кг/мЗ.
При проведении гидромеханических испытаний расход промывочной жидкости принимается достаточным для достижения расчетного давления опрессовки ДРоп. Гидромеханическая прочность необсаженного ствола характеризуется градиентом давления (ДР) испытания стенок скважины расчетным давлением [1,-20] ДР = ДРоп/Н, МПа/м (1.3) Неустойчивость стенок необсаженной скважины характеризуется наличием в стволе расширений, сужений и кавернообразований, выявляемых методами каверно- или профилеметрии и определяемых по формуле Кст = Дс/Дд, (1.4) где Кет - показатель состояния стенок необсаженной скважины; Дс - фактический диаметр скважины, м; Дд - диаметр применяемого при бурении долота, м.
Этот показатель позволяет выявить формирование технологически опасных интервалов в скважине, связанных с сужением и расширением ствола, кавернообразованием, осыпанием стенок скважины, желобообразованием.
Для оценки показателей технического состояния ствола применяется метод гидромеханических испытаний созданием в необсаженном интервале скважины репрессий и депрессий [1, 20]. В первом случае оценивается уровень гидромеханической прочности ствола, при котором возникновение гидроразрыва горных пород и раскрытие сомкнутых трещин с последующим поглощением промывочной жидкости и цементного раствора маловероятно. Если при этом К 0,002 мЗ/с МПа, ДР 0,018 МПа/м, ствол скважины считается технически подготовленным и, практически, исключает нарушения технологии буровых работ при повышении давлений до расчетного градиента давления (ДР).
В случаях, когда К 0,002 мЗ/с МПа необходимо снижение коэффициента полной приемистости пласта в испытуемом интервале производством изоляционных работ и повышением герметичности ствола до регламентированных пределов.
Во втором случае (испытание депрессией) оценивается герметичность ствола на приток пластовых флюидов в случаях непредвиденного снижения давления промывочной жидкости в скважине (поглощение, гидроразрыв, раскрытие сомкнутых трещин и т. д.). Этот вид промысловых испытаний проводится при бурении несовместимых интервалов и первичном вскрытии продуктивной толщи [1] в случаях, когда бурение скважины совмещается с технологией обработки ствола гидромониторными струями промывочной жидкости на основе глин. При серийной (репрессионной) технологии бурения скважин эти испытания не проводятся, т. к. формируемые в этих условиях фильтрационная корка и приствольная кольматационная зона глубиной до 10-15 мм не выдерживают депрессии больших 0,8-1,3 МПа [1].
Поскольку метод опрессовки ствола репрессией широко известен и достаточно полно описан в литературе, рассмотрим относительно новый для бурения и ограниченно применяемый в промысловой практике метод испытания необсаженного ствола депрессией [1].
Этот вид гидромеханических испытаний ствола скважины, как ранее отмечалось, применяется только в тех случаях, когда бурение ствола производится одновременно с обработкой проницаемых и неустойчивых интервалов горных пород гидромониторными струями промывочных жидкостей и тампонажных растворов. Промысловая оценка гидроизолирующих характеристик приствольного кальматационного экрана производится созданием расчетной депрессии в кровле испытуемого интервала при подготовке скважины к креплению обсадной колонны или продолжению бурения несовместимых по геолого-физическим условиям интервалов.
Для этого пакер многоразового использования в компоновке с глубинными манометрами и колонной бурильных труб спускается в скважину и устанавливается на глубине кровли испытуемого проницаемого пласта. На поверхности колонна бурильных труб (поз.7, рис. 1.1) через шаровой клапан (12), ведущую трубу (13), буровой шланг (15), стояк (16) и технологический отвод (17) обвязывается с ЦА (18), мерные емкости которого заполняются водой. Перед закачиванием воды в колонну бурильных труб пакер устанавливается на упорный узел (3) с созданием осевой нагрузки, позволяющей совершать круговую циркуляцию жидкости в скважине. Затем в бурильные трубы (7) при открытой выкидной линии (21) закачивают расчетный объем воды с одновременным вытеснением в приемные емкости буровых насосов промывочной жидкости через желобную линию (20).
Технология селективной гидромониторной обработки приствольной зоны продуктивных отложений
Под термином «формирование открытого забоя» подразумевается создание таких технологий заканчивания скважин, которые совмещали бы в себе поэтапное углубление ствола скважины в проектном горизонте с одновременной гидроизоляцией водоносных пластов, упрочнением неустойчивых интервалов пород и сохранением фильтрационно-емкостных свойств нефтегазонасыщен-ных пропластков.
Основываясь на практических результатах эксплуатации скважин открытым забоем в терригенных и карбонатных коллекторах нефти и газа, необходимо отметить, что общим для открытых забоев является сокращение сроков освоения и ввода скважин в эксплуатацию, достижению близких к потенциальному дебитов с начала эксплуатации, увеличение суммарной добычи углеводородного сырья. Это обеспечивает устойчивый рост добычи нефти и газа с первого года эксплуатации, создает условия активного воздействия на залежь различными методами увеличения нефтеотдачи (МУН), интенсифицирует процесс добычи.
Следует заметить, что первичное вскрытие продуктивных отложений при сбалансированных и отрицательных забойных давлениях в аномальных геолого-промысловых условиях практически неприменимо из-за сложности регулирования этих давлений в безопасной области, а вскрытие при несбалансированных забойных давлениях во многих случаях осложняет технологию работ и снижает фильтрационные характеристики продуктивных пластов в призабой-ной и удаленной зонах [29, 78, 79].
Цементирование эксплуатационных колонн в условиях АВПД и АНПД, характерных для поздней стадии разработки месторождений, не обеспечивает долговременного и надежного разобщения пластов продуктивных отложений. Большинство законченных строительством скважин уже на этапе освоения обводняются пластовыми и закачиваемыми водами [1, 80, 81]. Промысловая практика показывает, что применяемые для повышения качества работ новшества по оптимизации свойств тампонажных систем, режимов цементирования, применению различных рецептур буферных жидкостей, технологических схем цементирования эксплуатационных колонн, оснастки их скребками, турбулиза-торами, центрирующими и разобщающими (заколонные пакеры) устройствами, не приводят к заметному повышению качества крепления скважин [1, 61, 81-83].
Следует повторить, что негативное влияние на техническое состояние крепи и качество разобщения пластов оказывают методы вторичного вскрытия продуктивных пластов - техника и технология перфорационных работ [11, 80, 84-86]. Деформация обсадных труб и нарушение сплошности цементного кольца в заколонном пространстве в интервале перфорации продуктивных пластов создают каналы для межпластовых перетоков жидкости и гидродинамически сложные условия производства водоизоляционных работ на весь период экс плуатации скважин.
Тенденция усложнения геолого-промысловых условий заканчивания скважин на поздней и завершающей стадиях разработки нефтегазовых месторождений ужесточает требования к качеству вскрытия продуктивных отложений, герметичности крепи и гидродинамическому совершенству конструкции забоя скважин [1, 21, 61, 81, 85, 87-90].
Аномальность геолого-промысловых условий заканчивания скважин выражается в снижении текущего пластового давления по отношению к начальному (17,5-18,1 МПа) на 11-30 %, т.е. на 2-5 МПа. Соответственно на эти же величины возросли забойные дифференциальные давления (репрессии) при первичном вскрытии продуктивной толщи. И если ранее пределы их изменения в условиях гидростатики при плотности промывочной жидкости 1120-1140 кг/м3 составляли 2,0-2,5 МПа, т.е. соответствовали установленным регламентам [86], то в изменившихся условиях репрессии возросли при тех же параметрах промывочной жидкости до.14,8 - 7,4 МПа. При учете гидродинамической составляющей дифференциального давления, действующей в процессе бурения., промывки и проработки скважины или при производстве спуско - подъемных работ, общая репрессия на интервал продуктивной толщи достигает 9-10 МПа. Это, в свою очередь, повышает вероятность возникновения таких осложнений, как гидроразрыв горных пород, поглощения промывочных и тампонажных растворов, необратимо снижающих коллекторские свойства нефтенасыщенных пластов. Оптимизировать гидродинамические условия первичного вскрытия продуктивной толщи регулированием параметров промывочных жидкостей и технологических режимов при применении репрессионного метода невозможно из-за повышения опасности ведения буровых работ и вероятности возникновения различных осложнений.
При креплении скважин в рассматриваемых гидродинамических условиях фактор снижения начального пластового давления привел к росту забойных репрессий до 18-21 МПа при подъеме цементного раствора до устья скважин (до 1800 м). Это интенсифицировало процессы загрязнения призабойной зоны нефтенасыщенных пластов фильтратом цементного раствора и нарушения однородности цементного камня по плотности и механической прочности в интервале продуктивной толщи.
С другой стороны, градиент давления между разнонапорными пластами (нефте- и водонасыщенными) приводит в период ОЗЦ к нарушению сплошности цементного кольца в заколонном пространстве под действием перепада давления от 2 до 5 МПа.
Для решения этих сложных технических проблем в аномальных геолого-промысловых условиях техногенного происхождения в последние годы находит технология, совмещающая процессы разрушения горных пород и углубления забоя скважин с кольматацией проницаемых стенок ствола различными способами [1,20,21, 83, 90, 91].
С этой целью разработаны технологии создания в проницаемых пластах кольматационных экранов различного функционального назначения, которые условно можно разделить на два основных класса: - технологии создания глубоких закольматированных зон с долговремен ной и необратимой изоляцией пластовых флюидов; - технологии создания неглубоких (по проникновению в пласт) защитных экранов, временно защищающих продуктивные пласты от проникновения в них технологических жидкостей и их фильтратов.
Рассмотрим эти технологии.
Технология предназначена для долговременной изоляции проницаемых пластов, вскрываемых как при традиционной технологии (при репрессионном или сбалансированном.давлении), так и гидромониторной технологией.
На этапе формирования фильтра или конструкции открытого забоя скважины гидроизолирующие обработки могут проводиться по одной из двух технологических схем.
Первая схема, представленная на рис. 2.1. реализуется после полного вскрытия продуктивной толщи и проведения окончательного каротажа. Выделенные для изоляции проницаемые объекты последовательно снизу вверх подвергаются гидромониторной обработке твердеющими растворами.
Вторая схема обработки предусматривает изоляцию проницаемых объектов по мере вскрытия каждого из них бурением на полную мощность, т.е. последовательно сверху вниз.
Поскольку задачей второго этапа формирования фильтра скважины является долговременная изоляция проницаемых объектов, гидромониторная обработка включает две без разрыва во времени операции - дренирование приствольной зоны моющими жидкостями (вода, водный раствор полимера и т.д.) и тампонирование твердеющими растворами (цементный, гельцементный и др.). Технология и техника изоляционных работ заключается в следующем.
Собирается компоновка низа инструмента, включающая: гидромониторное долото с двумя насадками расчетного диаметра, наддолотныи переводник с одной насадкой диаметром не менее 12,7 мм, колонна бурильных труб.
Постановка проблемы. Существо использования волновых и вибрационных процессов
Основы волновой технологии созданы в Российской академии наук коллективом ученых под руководством академика Р.Ф. Ганиева. Они в основном представлены в следующих публикациях [27-30]. Здесь будет дана дальнейшая их разработка совместно с Р.К. Ишкаевым и развитие применительно к Процесссам эффективного извлечения остаточных запасов нефти на поздней стадии разработк1Т1иёсторождений"с целью выработки требований к фильтровой части скважин.
Основная идея волновых технологий заключена в том, чтобы преобразовать вибрационные воздействия в односторонне-направленное монотонное движение, реализующее необходимый технологический процесс. Во многих процессах эффективного извлечения остаточных запасов нефти как раз и требуется осуществлять такого рода движения. Например, для очистки призабойных зон добывающих скважин с положительным скин-эффектом, требуется обеспечить направленное в одну сторону движение засоряющих коллектор твердых частиц и удаление их оттуда. Это улучшит коллекторские свойства и будет стимулировать приток углеводородов к скважине. Наоборот, для обеспечения изоляции водоносных пластов в ряде случаев необходимо создать низкопроницаемый, непреодолимый для воды барьер. Для этого следует обеспечить движение изолирующих каналы движения воды частиц в определенные зоны пласта. Такого же рода задача возникает в случаях, когда нефть и вода образуют в коллекторах пласта так называемые неточные структуры, которые удерживаются в пласте значительными капиллярными силами. В этом случае, необходимо обеспечить в пласте направленное в определенную сторону движение, но не твердых частиц, а флюида.
Все перечисленные виды движений могут быть реализованы в пластах с помощью особых волн определенного вида, возбуждаемых благодаря прецессионным воздействиям. Эти волны, распространяясь по нелинейной среде, которой являются насыщенные жидкостью пористые среды, при выполнении определенных резонансных условий трансформируют колебательные движения (вибрацию) в направленные в одну сторону монотонные движения.
Для описания такого рода процессов обычно используются механические и математические модели. Простейшей из них является движение взвешенных в жидкости частиц в волновых полях. Для математического описания происходящих при этом динамических процессов используется модель многофазной среды «жидкость - твердые частицы».
Уравнения движения такой среды могут быть записаны следующим образом рр - плотность частицы; h - коэффициент, зависящие от вязкости жидкости и размеров частицы; F2 - внешняя объемная сила, действующая на частицу; P{t,r); V(t,r); W{t,r) - нелинейные функции координат: давление, скорость и ускорение жидкости, вычисленные исходя из решения системы (3.3, 3.4), дополненной определенными граничными условиями.
Уравнения (3.3 - -.5), дополненные определенными граничными и начальными условиями, позволяют выявить условия, при которых внешние виПроцессПные воздействия трансформируются в направленные в одну сторону упорядоченные монотонные движения.
Математически это будет означать, что уравнение (3.5) имеет частные решения следующих видов г const, г 0 (3.6) или г = const (3.7) .
Решения вида (3.6) (квазиравновесные положения) соответствуют тому, что частицы при своем движении в волновом поле могут оставаться вблизи каПрй - -ибо точки, а решения вида (3.7) (квазиравномерные движения) соответствуют односторонне направленному перемещению частиц.
Для реального осуществления таких движений на практике они должны быть устойчивыми. Исследование устойчивости может быть проведено стандартным путем составления уравнений в вариациях и вычисления знаков вещественных частей корней характеристического уравнения.
Для целого ряда задач определение квазиравновесных положений или квазиравномерных движений может быть проведено аналитически, и окончательные результаты могут быть получены в виде простых формул.
Такие исследования позволяют выявить механизмы вибрационной устойчивости (локализация частиц в жидкости) и вибрационного движения (направленное в одну сторону перемещение частиц). Реализация установленных механизмов на практике открывает новые пути для технологий осуществления эффективного извлечения запасов нефти на поздней стадии разработки месторождений.
Другим важным аспектом, определяющим практическое значение волн в процессах извлечения нефти, является вопрос о распространении волн по насыщенным жидкостью пористым средам. Дело в том, что волна только в тех участках пластов может возбудить описанные выше эффекты, где ее амплитуда достаточно велика. Решение задачи о накачке волновой энергии в пласты решается современной теорией нелинейных колебаний многофазных систем путем использования резонансных свойств призабойных зон скважин и залежей в целом. Конкретное развитие и практическое осуществление этих идей примени тельно к технологиям осуществления эффективного извлечения запасов нефти на поздней стадии разработки месторождений также будет описано и рассмотрено в этом разделе.
Для иллюстрации возможностей, открывающихся перед вибротехнологиями извлечения остаточных запасов нефти, опишем качественно некоторые из эффектов, установленных при исследовании движения твердых частиц и капель в жидкости, по которой распространяются волны, а также некоторые теоретические вопросы распространения волн по насыщенным жидкостью пористым средам.
В качестве первого примера рассмотрим движение частиц в одномерной стоячей волне. Уравнения движения жидкости (3.3) и (3.4) дополним соответствующими граничными условиями. Будем считать, что жидкость со взвешенными в ней частицами помещена в расположенную вертикально трубу длиной / с жесткими боковыми стенками и крышкой. На дне задается переменное во времени гармоническим образом с частотой о) и амплитудой є давление. Внутренней вязкостью жидкости пренебрегаем. Ограничимся рассмотрением одномерных движений вдоль вертикальной оси. То есть, принимаем, что единственными ненулевыми компонентами всех векторов являются вертикальные. Система, описывающая движение жидкости, принимает при сделанных предположениях следующий вид
Опеспечение герметичности заколонного пространства многофункциональных скважин
Условия, способствующие проникновению флюида в за-трубное пространство, несмотря на большое количество работ в этой области, изучены недостаточно; недостаточно не выяснены также и причины этого явления. Так как наиболее опасным является прорыв газа, то анализ следует сосредоточить в этом направлении. Анализ материалов, проведенный В.Д. Мале-ванским по Газли и Шебелинке, и многим другим месторождениям показал, что, например, газопроявления начинают возникать после цементирования через 3-48 часов [45-47].
В практике бурения были случаи, когда газопроявления отмечаются через более поздний срок, когда цементный камень уже сформировался [47-50].
В общем случае, все авторы отмечают следующие возможные пути продвижения газа в затрубном пространстве скважин: 1. По каналам, образованным вследствие негерметичности резьбовых соединений; 2. По каналам из-за негерметичности соединений частей колонной головки; 3. По нарушениям целостности обсадных колонн; 4. По каналам, возникшим в самом цементном камне при его твердении; 5. По каналам, на контактных зонах цементного камня.
В работе [47] указывалось, что иногда через затрубное пространство скважин в сутки проникало десятки-сотни м3 воды и газа (скв. 1 Джаваламуки, скв. 14 Южно-Советская и т.д.). Это указывает на наличие значительных каналов в затрубном пространстве.
Известны случаи, когда даже при соблюдении всех требований, которые выработала практика к цементам и процессу цементирования, в скважинах происходили затрубные проявления. В результате возник ряд гипотез, в которых делались попытки объяснить причины движения пластовых флюидов.
Рассмотрим основные технологии, направленные на обеспечение герметичного заколонного пространства. Наиболее простая и достаточно надежная из них это струйная кольматация, впервые предложенная профессором В.Н. Поляковым.
Струйная обработка стенок скважины
Струйная обработка стенок скважины изначально использовалась как метод борьбы с поглощениями бурового раствора. Однако из-за отсутствия идеологии применение этого метода в одних случаях приводило к хорошим поло жительным результатам, а в других — результатов не было. Поэтому долгое время, с середины 60-х до конца 70-х годов, метод обработки стенок высокоскоростными струями использовался с переменным успехом. В течение 80-х годов струйная обработка стенок пережила бурное развитие. Были проведены широкие теоретические, стендовые и промысловые исследования. К концу 80-х — началу 90-х годов бум затих и начались планомерные исследования границ применения струйной обработки. Как любой метод, струйная обработка стенок должна иметь определенные, наиболее благоприятные условия применения и не может обеспечивать,, положительные результаты во всех возможных геологических условиях проводки скважин.
Суть струйной-обработки-стенок-скважины заключается в том, что вытекающая из внутренней части бурильной колонны через калиброванное отверстие струя бурового раствора с высокой скоростью воздействует на стенку скважины, т,е. закупорка пористых сред осуществляется использованием кинетической энергии высокоскоростных гидромониторных струй [1, 36, 51]. По данным [1, 36, 51] процесс формирования гидроизолирующего кольматацион-ного слоя в околоскважиннои зоне гидромониторными струями суспензий включает два последовательно протекающих и тесно взаимосвязанных этапа.
На первом этапе гидромеханического процесса изменение структуры проницаемой среды и ее фильтрационных и прочностных свойств происходит в процессе реализации гидромеханических эффектов, связанных с воздействием кинетической энергии гидромониторных струй на проницаемый объект. Основными энергетическими параметрами при этом являются скорость истечения рабочих агентов, осевое динамическое давление струи (сила кинетического удара) и перепад давления в скважине и пласте в зоне формирования кольмата-ционного слоя.
Скоростной напор струи и физико-химические свойства глинистых растворов на данном этапе гидромеханического процесса при взаимодействии с коллекторами интенсифицируют и повышают эффективность очистки поверхности проницаемых каналов от адсорбированных пластовых флюидов, коллоидных растворов и твердых частиц, суспензий и т.д. и выноса их продуктов из зоны кольматации. Одновременно очищенные поры заполняются дисперсной фазой рабочего раствора и подвергаются плотной упаковке в области кольма-тационного слоя.
Второй этап формирования гидроизолирующего кольматационного слоя в проницаемых породах характеризуется активным проявлением эффектов, связанных с поверхностными силами. Обусловлено это проявлением как исходных реологических свойств суспензий вследствие их эффективной гидродисперга-ции и гидратации, так и изменением этих свойств при столкновении высокоскоростных струй со стенкой скважины.
Рост тонкодисперсных фракций в твердой фазе полидисперсных систем значительно повышает ее суммарную поверхность, а с ней и число гидратиро-ванных ионов вблизи поверхности. С повышением потенциала свободной поверхностной энергии значительно интенсифицируются электрокинетические эффекты, обменные процессы, процессы пептизации, адсорбции и коагуляции. В результате теоретических и стендовых исследований установлено, что струйная обработка обеспечивает очистку стенок от глинистой корки при одновременном заполнении пор и каналов горных пород твердыми частицами бурового раствора, соразмерными условному диаметру пор и каналов, за счет кинетической энергии струи. При истечении струи бурового раствора из насадки твердым частицам передается кинетическая энергия EK=0,5mrv , (4.1) где Ек — кинетическая энергия твердой частицы в струе, Дж; тг. масса твердой частицы, .кг, mr=prvr; vr — объем твердой частицы, м3; рг — плотность твердой частицы, кг/м , Принимая частицу в форме шара vr=i/6ndr, где йг — условный диаметр твердой частицы, м получаем Ек=1/12 np4rW; (4.2) где v — скорость твердой частицы, м/с. Учитывая, что твердые частицы равномерно распределены в буровом растворе, полагаем, что скорость твердой частицы равна скорости дисперсионной среды (жидкой фазы раствора).
Из выражения (4.2) видно, что уровень кинетической энергии, передаваемой твердой частице струей бурового раствора, зависит от плотности частицы, диаметра твердой частицы в третьей степени и скорости движения во второй степени. Из (4.2) следует, что в одном и том же потоке бурового раствора более крупная твердая частица приобретает более высокий уровень кинетической энергии. Вероятно, это является одной из причин неоднозначности результатов применения струйной обработки стенок. В тех случаях, когда скелет породы не подвергается разрушению от воздействия крупной твердой частицы, происходит заполнение (закупоривание) пор и каналов, увеличивается герметичность пласта. Когда скелет породы разрушается от воздействия крупной твердой частицы, наряду с заполнением (закупориванием) пор и каналов происходит их разрушение, в результате чего проницаемость пласта не уменьшается, а в отдельных случаях может возрастать. В рыхлых породах, слабосцементирован-ных песчаниках возможно увеличение диаметра ствола скважины.
Следует отметить, что струя бурового раствора сообщает кинетическую энергию не только твердой частице. В буровом растворе каждая частица окружена адсорбционным и диффузным слоями, т.е. образуется мицелла, что придает стабильность раствору, так как диффузные слои обеспечивают состояние статического и динамического равновесия системы.
