Обоснование выбора конструкции забоя для предотвращения выноса песка

 

Эта конструкция забоев применяется для предотвращения выноса песка в слабосцементированном коллекторе, представленном мелко-, средне- и крупнозернистыми песчаниками и характеризующемся разрушением призабой-ной зоны пласта и выносом песка при эксплуатации скважины, а также при раздельном способе эксплуатации продуктивного объекта.

Допустимую депрессию на слабосцементированный пласт в конструкции забоя, показанной на рис. 1.2, ж, определяют из выражения

 

(1.6)

 

где с - сила сцепления горных пород, МПа; R_к - радиус контура питания, принимаемый равным половине расстояния до ближней эксплуатационной скважины, м; r_с - радиус скважины, К - проницаемость, мкм²; e — коэффициент прочности поровых каналов.

 

(1.7)

 

m_э - эффективная пористость; m_п - полная пористость.

Значение параметра с слабосцементированных пород колеблется в пределах 0,2 - 1,4 МПа. Среднее значение параметра с = 0,5 - 1,0 МПа.

Примем r_с = 0,1 м, R_к = 200 м, К = 0,2 мкм², m_э = 24 %, m_п = 26%, с = 1 МПа.

Допустимая депрессия на пласт составит

 

Ширину щелей забойного фильтра выбирают по условию

 

(1.8)

 

где d₁, d₂ - соответственно размеры наиболее мелких и наиболее крупных зерен пластового песка, мм.

Применяют и проницаемый полимерный тампонажный состав Контарен-2.

Материал включает состав ТС- 10, уротропин, наполнитель ШРС-С, получаемый при совместном помоле шлака, руды и соли (хлористого натрия), и водный раствор едкого натра. Начальная прочность материала при сжатии составляет не ниже 6 МПа, а после вымывания из него соли 3,5 - 5,0 МПа; соответственно проницаемость камня равна 0,12 - 0,20 и 1 - 5 мкм². Вымывание солевого наполнителя осуществляют при прокачивании через искусственный фильтр водных растворов ПАВ с концентрацией 0,5 - 1,0% из расчета 1 - 2 м³ на 1 м интервала перфорации. Материал устойчив к воздействию кислот и не разрушается при температурах до 200° С.

Выбор конструкции забоя для предотвращения выноса песка производят в следующем порядке. Устанавливают соответствие условий залегания и эксплуатации продуктивного объекта. Определяют средний фракционный состав пластового песка по следующей схеме. Просушивают в сушильном шкафу до постоянного значения пробу песка массой 1,2 - 1,5 кг, из которой отбирают 1 кг песка и производят его рассев на ситах с размером ячеек 1,2, 0,6, 0,3 и 0,15 мм, фиксируя при этом частные и полные остатки на ситах. Результаты рассева вносятся в табл. 1.2 аналогично тому, как показано в приводимом ниже примере.

Определяют средний размер песка:

 

 

Песок является мелкозернистым.

 

Таблица 1.2.

Результаты рассева песка

Размеры ячеек сит, мм	Частные остатки на ситах	Полные остатки на ситах, %
часть	%
1,2 0,6 0,3 0,15 < 0,15		2,5 2,5	2,5 –

 

В скважинах со средне- и крупнозернистыми песчаниками используют конструкцию забоя вида рис. 1.2, ж. В скважинах с мелкозернистым песчаником применяют только конструкцию забоя вида рис. 1.2, з, которая может быть использована в скважинах со средне- и крупнозернистыми песчаниками.

Конструкция забоя вида рис. 1.2, ж включает зацементированную эксплуатационную колонну и забойный фильтр (щелевой, с проволочной обмоткой, металлокерамический, титановый), установленный в интервале перфорации.

Конструкция забоя вида 1.2, з отличается от предыдущей конструкции тем, что забойный фильтр не устанавливают, а вынос песка предотвращают путем создания в перфорационных каналах искусственного фильтра из проницаемого тампонажного материала Контарен-2. Для этого после перфорации колонны осуществляют вызов притока, отрабатывают скважину в течение 1 - 5 сут., проверяют приемистость пласта и заканчивают на поглощение тампонажный состав Контарен-2. Предельно допустимая депрессия на пласт после крепления призабойной зоны составом Контарен-2 не должна превышать 3 МПа.

Общая схема выбора конструкции забоя скважины для различных типов коллекторов с учетом влияния основных факторов приведена на рис. 1.7.

 

 

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ

НЕСОВЕРШЕНСТВО СКВАЖИН

 

Известно, что приток жидкости к забою гидродинамически совершенной скважины описывается уравнением Дюпюи:

 

(1.9)

 

где Q_с - дебит скважины, м³/с; k - коэффициент проницаемости пласта в зоне дренирования, м²; h - эффективная нефтенасыщенная толщина пласта, м; р_пл - давление в пласте на контуре питания скважины, Па; р_з - давление в скважине в интервале продуктивного пласта (забойное давление), Па; Dр - разность давлений, под действием которой пластовая жидкость продвигается к забою скважины (депрессия на пласт), Па; m - динамическая вязкость жидкости, Па·с; r_с - радиус скважины (по долоту), м.

Гидродинамически совершенной считается скважина, размещенная в центре кругового пласта с радиусом R_к, свойства которого изотопны во всех направлениях. При этом жидкость поступает к открытому забою и является однофазной и несжимаемой. Из рис. 1.8 видим, что в гидродинамически совершенной скважине основная доля перепада давления сосредоточена в зоне пласта непосредственно вокруг ствола скважины. Так, если приток осуществляется от контура питания, находящегося на расстоянии 300 м, до стенки скважины радиусом 0,1 м, то половина всего перепада давления расходуется на продвижение

 

 

Рис. 1.7. Схема выбора конструкции забоя скважин

 

Рис. 1.8. Схема притока в гидродинамически совершенную (а) и гидродинамически несовершенную скважину по качеству (б), степени (в) и характеру (г) вскрытия продуктивного пласта

жидкости в пористом пространстве только в зоне 5,5 м вокруг скважины. Следовательно, призабойная зона играет решающую роль в притоке жидкости к скважине.

Приток жидкости в реальную скважину отличается от притока в гидродинамически совершенную скважину скважину тем, что в призабойной зоне и на забое скважины возникают дополнительные фильтрационные сопротивления из-за искривления и сгущения линий токов. Выделяют три типа гидродинамического несовершенства скважин:

1) по степени вскрытия пласта, когда скважина вскрывает продуктивный пласт не на всю его толщину;

2) по характеру вскрытия пласта, когда связь пласта со скважиной осуществляется не через открытый забой, а через перфорационные каналы;

3) по качеству вскрытия пласта, когда проницаемость пористой сферы в призабойной зоне уменьшена по отношению к природной проницаемости пласта.

Известно, что в общем случае в пласте вокруг скважины образуются две зоны с измененной проницаемостью – зона проникновения фильтрата радиусом R_з.п. и зона кольматации радиусом r_к (рис. 1.9). Такую скважину называют несовершенной по качеству вскрытия пласта.

Обозначим давление на радиусе R_з.п. через р₂ и на радиусе кольматации r_к через р₁ и примем, что приток идет от контура питания R_к с скважине с воображаемым радиусом R_з.п.. Согласно формуле1.9. дебит ее будет равен:

 

Рис. 1.9. Схема призабойной зоны после вскрытия продуктивного пласта бурением:

1 – стенка скважины; 2 – глинистая корка; 3 – зона кольматации; 4 – зона проникновения фильтрата бурового раствора; k, k₁, k₂ – проницаемость соответственно природная, в зоне кольматации и в зоне проникновения фильтрата

 

(1.10)

 

Аналогично для движения жидкости в зоне проникновения R_з.п ® r_к.

 

(1.11)

 

и для движения жидкости через зону кольматации

 

(1.12)

 

Исходя из условия неразрывности потока, когда Q_с = Q_з.п. = Q_з.к. и, сравнив их, получим:

 

(1.13)

 

или

 

(1.14)

 

Отношения и показывает, насколько проницаемости зон проникновения и кольматации ухудшены по сравнению с природной. В нефтегазовой практике дополнительные фильтрационные сопротивления за счет изменения проницаемости породы в призабойной зоне называют скин-эффектом S.

Тогда формула 1.14 может быть приведена к следующему виду:

 

(1.15)

 

где , т. е. скин-эффект за счет бурения состоит из суммы скин-эффектов в обеих призабойных зонах – кольматации и проникновения фильтрата.

Из формул 1.14 и 1.15 получается, что

 

(1.16)

 

Если зона кольматации отсутствует, т.е. , то формула 1.16 принимает вид:

 

(1.17)

 

И наоборот, если применяют принудительную кольматацию, в результате которой невозможна фильтрация в пласт, то

 

(1.18)

 

Для оценки влияния глубины и степени загрязнения призабойной зоны на добывающие возможности скважины, несовершенной по качеству вскрытия продуктивного пласта бурением, вводится коэффициент гидродинамического совершенства j = Q_ф/Q_c.

Тогда

 

(1.19)

 

В этой формуле числитель характеризует величину основных фильтрационных сопротивлений, возникающих при плоскорадиальной фильтрации от радиуса контура питания скважины до ее забоя. При равномерной сетке расположения скважин с расстоянием между ними 600 м и при радиусе скважины по долоту 0,1 м значение числителя равно 8. На рис. 1.10 и 1.11 изображено, как изменяется коэффициент гидродинамического совершенства скважины в зависимости от параметров зоны кольматации и зоны проникновения. При этом если проницаемость пористой среды в зоне кольматации размером 5 см ухудшена в 20 раз, то скважина будет работать только на 51 % своих потенциальных возможностей, а если в 100 раз (что возможно), то на 18 %.

Как было отмечено ранее, скважина, имеющая перфорированный забой, называется несовершенной по характеру вскрытия продуктивного пласта. Если продуктивный пласт вскрыт бурением не на всю его толщину, то такая скважина несовершенна по степени вскрытия пласта. В обоих случаях фактический дебит при общих одинаковых условиях будет меньше дебита скважины с открытым забоем из-за возникновения дополнительных фильтрационных сопротивлений, вызываемых искривлением и сгущением линий токов жидкости и газа в околоскважинной зоне пласта и на стенке скважины, вернее на границе скважина - пласт. Сгущение токов, в свою очередь, обусловлено тем, что уменьшилась площадь поверхности скважины, граничащая с пластом, по сравнению со случаем открытого забоя скважины, который вскрыл бы продуктивный пласт на всю его толщину.

Таким образом, несовершенное по степени и характеру вскрытие продуктивного пласта характеризуется коэффициентом гидродинамического несовершенства:

 

(1.20)

 

Рис. 1.11. Влияние параметров зоны проникновения фильтрата на коэффициент гидродинамического совершенства скважины при b₂ = 1.

Шифр кривых – степень снижения проницаемости b₁.

где С₁, С₂ - безразмерные коэффициенты, учитывающие дополнительные фильтрационные сопротивления из-за несовершенства скважины соответственно по степени и характеру вскрытия продуктивного пласта.

Коэффициент С₁ определяется степенью вскрытия продуктивного пласта, а коэффициент С₂ зависит от длины l_К и диаметра d_К перфорационных каналов и плотности перфорации. Эти коэффициенты находятся по известным графикам В.И. Щурова, построенным по результатам экспериментов. При этом принимается, что перфорационные каналы идеальны в геометрическом и гидродинамическом отношении, т.е. имеют правильную цилиндрическую форму, являются чистыми по всей своей длине и вокруг них нет зоны с пониженной проницаемостью. Для такой идеализированной картины графики В.И. Щурова, как показали сравнения с математическим решением числовым методом М. Харриса задачи о притоке жидкости к геометрически несовершенной скважине, дают довольно точный результат в пределах исследованных значений параметров перфорации.

Из рис. 1.11 видно, что увеличение плотности перфорации более 20 отверстий на 1 м может быть оправдано только в случаях очень низкой пробивной способности перфораторов.

Анализ рассмотренных рисунков позволяет сделать следующие выводы:

1) при длине перфорационных каналов не менее 150 мм оптимальной плотностью перфорации следует считать плотность не более 12 - 16 отверстий на 1 м;

2) при плотности перфорации 12 - 16 отверстий на 1 м и длине перфорационных каналов 150 мм увеличение диаметра канала более 6 - 8 мм практически не приводит к возрастанию степени совершенства скважин.

Рис. 1.12. Схематическое изображение призабойной зоны и забоя перфорированной скважины: d - толщина зоны ухудшенной проницаемости вокруг перфорированного канала; k₃ – проницаемость породы в зоне вокруг перфорированного канала

 

Указанные выводы справедливы только для идеальных условий притока в скважину, когда поровая среда во всех точках пласта имеет одинаковую проницаемость, а цилиндрические каналы чисты по всей длине. Реальная картина далека от идеализированной. Схематическое изображение призабойной зоны перфорированной скважины показано на рис. 1.12. Из этого рисунка следует, что в формуле для определения коэффициента гидродинамического совершенства скважины необходимо ввести еще и коэффициент S_п (скин-эффект перфорации), учитывающий дополнительные фильтрационные сопротивления в призабойной зоне вокруг перфорационных каналов. Если скин-эффект может быть определен с помощью, например, геофизических исследований в скважине по параметрам зон ухудшенной проницаемости, то определить скин-эффект S_п по промысловым данным не удается.

Для оценки качества гидродинамической связи скважины с пластом при помощи перфорационных каналов, полученных в разных условиях, введено понятие коэффициента совершенства канала К_с, под которым подразумевается отношение расхода жидкости через перфорированную в реальных условиях цель к расходу жидкости через идеальный канал этих же размеров.

 

Рис. 1.13 иллюстрирует зависимость коэффициента совершенства скважины от глубины перфорационных каналов при наличии вокруг скважины зоны проникновения толщиной 100 мм с ухудшенной проницаемостью до 20 раз. При длине каналов меньше глубины зоны проникновения фильтрата коэффициент совершенства имеет очень малые значения, при выходе каналов перфорации за пределы зоны проникновения коэффициент совершенства резко возрастает. Действительно, для одной и той же плотности перфорации 13 отверстий на 1 м и при снижении проницаемости породы в зоне проникновения фильтрата в 20 раз коэффициент совершенства равен 0,15; 0,20 и 0,73 при длине перфорационных каналов соответственно 50, 85 и 125 мм. Таким образом, для достижения продуктивности скважины, близкой к потенциальной, необходимо, чтобы длина каналов перфорации хотя бы в 1,5 раза была больше толщины зоны проникновения вокруг скважины. Поскольку радиус зоны проникновения обычно превышает 0,5 м, а длина каналов наиболее мощных кумулятивных перфораторов не превышает 200 - 300 мм, то выполнить указанные условия на данном уровне развития кумулятивной перфорации не удается.

На основании сказанного выше формула дебита реальной скважины, пробуренной на нефтяной пласт и имеющей все виды гидродинамического несовершенства, принимает вид:

 

(1.21)

 

При этом дополнительные фильтрационные сопротивления

 

 

Для расчетов притока жидкости или времени для системы взаимодействующих несовершенных скважин важное значение имеет понятие приведенного радиуса. Это радиус такой фиктивной скважины, дебит которой при остальных равных условиях равен дебиту реальной гидродинамически несовершенной скважины.

Исходя из этого, формулу 1.21 можно записать в следующем виде:

(1.22)

 

Отсюда выражение для оценки приведенного радиуса скважины имеет вид:

 

(1.23)

 

Коэффициент гидродинамического совершенства скважины может быть выражен зависимостью:

 

(1.24)

 

В то же время изменение проницаемости породы в призабойной зоне и геометрия забоя скважины с гидродинамической точки зрения имеют очень сложную картину и не поддаются точному математическому описанию. Действительно, в реальной скважине в промысловых условиях технологи не знают, например, размеры и форму полученных перфорационных каналов, степень изменения проницаемости пород вокруг перфорационных каналов и т.д. Технологи также не имеют доскональной информации и о других параметрах, по которым определяются значения дополнительных фильтрационных сопротивлений. Поэтому определить степень гидродинамического совершенства скважины по формуле 1.24 обычно невозможно, так как неизвестны точные значения безразмерных коэффициентов, учитывающих дополнительные фильтрационные сопротивления.

В то же время, базируясь на гидродинамических методах исследования скважин, можно получить формулу для определения коэффициента гидродинамического совершенства, если в формулу дебита реальной скважины ввести коэффициент гидропроводности

 

 

Тогда

 

(1.25)

 

Преобразовав эту формулу относительно знаменателя, видим, что сумма

 

(1.26)

дополнительных фильтрационных сопротивлений может быть выражена через известные гидродинамические параметры – коэффициенты гидропроводности и продуктивности скважины.

Подставляя 1.26 в 1.25, получаем следующую формулу для определения коэффициента гидродинамического совершенства скважины:

 

(1.27)

 

В формуле 1.27 величина продуктивности h_ф определяется по результатам исследований скважины при стабильных режимах ее работы, т.е. по индикаторной диаграмме (ИД). Величина коэффициента гидропроводности пласта определяется по углу наклона прямолинейного участка кривой восстановления давления (КВД), построенной в полулогарифмических координатах Dр – Int. Из теоретических основ гидродинамических исследований на стабильных и нестабильных режимах работы вытекает, что коэффициент продуктивности, определенный по ИД, характеризует всю зону дренирования – от контура питания до стенки скважины, а коэффициент гидропроводности, определенный по КВД, характеризует так называемую удаленную от скважины зону пласта с природными фильтрационными свойствами. Этот конечный вывод позволяет интегрально оценивать зависимость изменения продуктивности скважины от суммы факторов в процессе ее строительства. На основании этих данных следует предусматривать мероприятия, направленные на интенсификацию притока из пласта.