СПОСОБ ОБУСТРОЙСТВА НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН В ИНТЕРВАЛЕ ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА ИСКУССТВЕННОЙ СРЕДОЙ С ФИКТИВНОЙ ПОРИСТОСТЬЮ
METHOD FOR OIL AND GAS WELLS INFRASTRUCTURE DEVELOPMENT IN INTERVAL OF PRODUCTION FORMATION BY ARTIFICIAL MEDIUM WITH FICTITIOUS POROUSNESS

Изобретение относится к области разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, в частности к способам оборудования забоя вертикальных скважин и скважин с горизонтальными и наклонными стволами сложной архитектуры.
В понятие конструкции забоя скважины входит сочетание технических решений по оборудованию забоя скважины, обеспечивающих устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, при котором скважина способна работать с максимальным дебитом, длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите. Если скважина вскрыла открытым стволом пласт, сложенный рыхлыми породами, то для борьбы с проникновением в нее песка забой перекрывают фильтром. Для предотвращения выноса песка в скважину механическим методом используются фильтры следующих конструкций [1, т.5, с.161]: изготовленные из стандартных труб с прорезанными в них отверстиями; с проволочной обмоткой; набивные забойные, заполненные песком или другими материалами на поверхности; гравийные набивки из отсортированного песка, образуемые путем заполнения затрубного пространства в интервале залегания продуктивного пласта. Наиболее простой и дешевой конструкцией гравийного фильтра является фильтр, в котором необсаженный продуктивный интервал ствола скважины заполняют гравийным материалом. В [2] гравийный состав, состоящий из гравия фракцией от 3 до 15 мм, доставляют в горизонтальный или наклонный ствол скважины в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). Циркуляцией жидкости вымывают гравийный состав из колонны НКТ в горизонтальный ствол скважины при одновременном подъеме колонны НКТ. Уплотнение гравийного состава производят за счет периодической остановки подъема колонны НКТ при промывании состава и опускания колонны НКТ до упора в образующийся гравийный фильтр.
Установка гравийных фильтров не предотвращает разрушение пород продуктивного пласта. В процессе их использования гравий в фильтре оседает и в скважину начинает поступать песок. Другим важным фактором считается соотношение между размерами зерен гравия и пластового песка [1, т.5, с.166]. Уменьшение размера частиц гравия приводит к резкому возрастанию фильтрационного сопротивления потоку пластовой жидкости. С увеличением отклонения ствола скважины от вертикали существенно возрастает сложность и стоимость ее заканчивания с гравийным фильтром в необсаженном продуктивном пласте. В скважинах с горизонтальным участком ствола, протяженность которого в 10-30 раз превышает толщину продуктивного пласта, затраты на эти работы соизмеримы со стоимостью бурения скважины и не всегда дают ожидаемые результаты [1, т.5, с.162-163].
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому способу, одновременно являющимся базовым, является гравийный фильтр блочного типа, в котором гравийная засыпка связана различными склеивающими и цементирующими веществами [3, с.62-63]. Гравийные фильтры блочного типа изготавливают на поверхности и опускают в скважину в готовом виде.
Лабораторные и полевые исследования выявили основные недостатки гравийных фильтров блочного типа [3, с.63-64].
1. Введение склеивающих веществ в массу гравия приводит к образованию тупиковых пор, в связи с чем в блоках задерживаются мелкие частицы, что резко повышает входные сопротивления в фильтрах и снижает производительность скважин.
2. При кислотных обработках гравийных фильтров с использованием клеящих веществ резко снижается механическая прочность блоков и восстановление производительности скважин.
3. Значительные повреждения при перевозках. В некоторых организациях бой фильтров достигал 40-60%.
Указанные недостатки привели к тому, что производство фильтров блочного типа и их внедрение в практику бурения ограничено [3, с.64].
Целью предлагаемого способа является повышение производительности скважин, снижение объемов и стоимости буровых работ, увеличение срока службы и надежности скважинных гравийных фильтров.
Поставленная цель достигается тем, что в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины устанавливают хвостовик с готовыми перфорационными отверстиями, внутри которого размещают гравийный фильтр блочного типа необходимой длины в готовом к применению виде. Внутреннее пространство блоков содержит пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт с кубической укладкой. Фиктивный грунт состоит из съемных элементов, представляющих собой спеченные сферические шарики одинакового размера. Положение съемных элементов жестко фиксируется внутри блоков и не изменяется в процессе эксплуатации скважин. Блоки изготавливают в заводских условиях. Непосредственно на месте применения набирают фильтр блочного типа необходимой длины, который спускают на забой скважины.
Именно размещение внутри блоков фиктивной пористой среды с кубической укладкой, состоящей из съемных элементов, положение которых жестко фиксируется внутри блоков и не изменяется в процессе эксплуатации скважин, является сущностью данного изобретения.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна». При изучении других технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия».
Конструкция забоя скважины должна обеспечивать: устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, а также длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите. Наиболее надежными считают гравийные фильтры. Наиболее простой и дешевой конструкцией гравийного фильтра может быть фильтр, в котором необсаженный продуктивный интервал ствола скважины заполняют гравийным материалом. В процессе эксплуатации скважины гравий в таком фильтре будет оседать и забиваться песком, т.е. его свойства с течением времени будут ухудшаться. Поэтому пористую среду фильтра с заданными и неизменяющимися в процессе эксплуатации свойствами необходимо формировать на поверхности в заводских условиях. Так как забивание фильтра песком неизбежно, то конструкция фильтра должна предусматривать извлечение его из скважины с целью механической или химической очистки фильтра (регенерацию).
Для гравийных фильтров, представляющих собой гравийную набивку между фильтром-каркасом и стенкой скважины, экспериментально установлено оптимальное соотношение между размерами зерен гравия и пластового песка [1, т.5, с.166]:
гр
50
d=(5-6)·d,
гр
50
50
где d - диаметр зерен гравия, d - диаметр зерен 50%-ной фракции механического состава пластового песка. При меньшем размере зерен гравия снижается проницаемость гравийной набивки в процессе эксплуатации скважины вследствие закупорки пластовым песком, а превышение оптимального соотношения ухудшает пескоудерживающую способность фильтра. Для реальных коллекторов d составляет порядка 0,2 мм. При этом размер зерен гравия должен составлять
гр
50
d=5·d=5·0,2 мм=1 мм.
Такая методика расчета диаметров шаров для фильтра с искусственной фиктивной пористостью не подходит. Во-первых, фильтр является продолжением ствола скважины и должен обеспечивать продолжительную работу скважины с оптимальным дебитом, а фильтр с диаметром шариков порядка 1 мм быстро забьется песком и выйдет из строя. Во-вторых, при таких малых диаметрах шариков значительно усложняется процесс изготовления фильтра с фиктивной пористостью.
При использовании конструкции забойной части скважины с зацементированной колонной сообщение эксплуатационной колонны с пластом осуществляется при помощи отверстий в колонне, окружающем ее цементном кольце и в породе пласта. Прострел отверстий осуществляют с помощью перфораторов различного типа. Диаметр перфорационных отверстий зависит от типа перфоратора и составляет 10-20 мм, т.е. частицы породы пласта диаметром 10-20 мм могут попасть в эксплуатационную колонну.
Ячейка фиктивного грунта с максимально возможной пористостью представляет собой квадрат со стороной d, равной диаметру шаровых частиц фиктивного грунта. Размер частиц пластового песка, которые могут попасть внутрь такого фильтра, равен
.
1
Если предположить, что ограничение размера частиц, которые могут проникать внутрь фильтра, составляет d=10 мм, то диаметр шаровых частиц фиктивного грунта должен составлять:
Коэффициент пористости m фиктивного грунта определяется формулой Слихтера [4, с.32]:
где θ - угол упаковки шаров, который изменяется в пределах от 60 до 90°. При наименее плотной упаковке шаров (кубическая укладка) θ=90° пористость фиктивного грунта составляет
Пористость фиктивного грунта не зависит от диаметра шаров, а зависит только от их взаимного расположения, т.е. определяется углом упаковки шаров θ.
Коэффициент проницаемости k фиктивного грунта можно определить по формуле Козени-Кармана [4, с.33]:
где c=5 - число Кармана, определенное экспериментально. Для рассматриваемого фиктивного грунта с диметром шаров d=25 мм и θ=90° коэффициент проницаемости равен
-15
-12
2
-13
2
Полученная величина проницаемости фиктивного грунта значительно (на 6-8 порядков) превышает величины проницаемостей реальных коллекторов, которые заключены в диапазоне 10-10 м. Причем, коллектор считается высокопроницаемым, если значение коэффициента поровой проницаемости составляет k≥10 м.
Скорость фильтрации ω нефти через пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт, по закону Дарси равна [4, с.28]:
где Q - объемная скорость фильтрации; S - площадь поперечного сечения фильтрации; k - коэффициент проницаемости поровой среды; µ - коэффициент динамической вязкости; ΔР - перепад давления; L - длина фильтрации.
-6
2
Предположим, что k=1,37·10 м; µ=3 мПа·с;  т.е. на каждый метр длины фильтра перепад давления составляет 0,01 атм.
Тогда
При площади поперечного сечения фильтра диаметром D=114 мм
объемный расход нефти составит
Следовательно, конструкция фильтра с искусственной фиктивной пористостью позволяет обеспечить необходимую производительность скважины с учетом фильтрационных свойств коллектора.
Скважина считается гидродинамически совершенной, если она вскрывает пласт на всю мощность и забой скважины открытый, т.е. вся вскрытая поверхность забоя является фильтрующей поверхностью. Для рассматриваемого способа обустройства скважины с помощью фильтра с фиктивной пористостью степень гидродинамического совершенства скважины можно оценить, как отношение площади просветов к площади внешней поверхности фильтра. Для фиктивного грунта при кубической укладке шаров θ=90° по Слихтеру [4, с.32] просветность s равна:
.
В данном случае просветность s характеризует ту часть поверхности фильтра, через которую происходит поступление пластовой жидкости внутрь фильтра с фиктивной пористостью.
Техническая сущность изобретения поясняется принципиальной схемой расположения фильтра с искусственной фиктивной пористостью в вертикальной скважине фиг.1 и конструкции блока фильтра с искусственной фиктивной пористостью фиг.2.
На фиг.1 показано вертикальное расположение фильтра блочного типа с фиктивной пористостью, который спускают в готовом виде по эксплуатационной колонне. Фильтр с фиктивной пористостью располагается внутри хвостовика 1 с перфорационными отверстиями и состоит из последовательно соединенных блоков 2 и 5. Хвостовик 1 в верхней части крепится сальниковым уплотнением 3 к эксплуатационной колонне 4. Блок 2 фильтра представляет собой контейнер решетчатой конструкции 6, в верхней части которого имеется манжета 7 для придания жесткости блоку, фиксации центральной металлической штанги 9 и направляющих стержней. Фильтр имеет приспособление 8 для захвата его ловильным инструментом. Внутреннее пространство блоков фильтра представляет собой фиктивный грунт 10 с максимальной пористостью. Решетчатая конструкция контейнера 6 защищает пористую среду от разрушения при спуско-подъемных операциях.
На фиг.2 приведена конструкция блока фильтра с искусственной фиктивной пористостью. Блок представляет собой контейнер решетчатой конструкции 6, в верхней части которого имеется манжета 7, служащая для фиксации центральной металлической штанги 9 и направляющих стержней 11. Внутри контейнера решетчатой конструкции 6 располагается фиктивная пористая среда 10, которая набирается из съемных элементов 12. Элементы 12 изготавливают в заводских условиях из прочных керамических материалов методом прессования и последующего спекания. Решетчатая конструкция 6 и направляющие стержни 11 жестко фиксируют положение элементов 12 пористой среды внутри контейнера решетчатой конструкции. Это позволяет сформировать искусственную среду с максимальной фиктивной пористостью, которая не изменяется в процессе эксплуатации скважины.
Наиболее эффективно использование фильтра блочного типа с фиктивной пористостью описанной конструкции при эксплуатации наклонных и горизонтальных скважин. Способ обустройства наклонных и горизонтальных скважин аналогичен способу обустройства вертикальных скважин. В этом случае значительно уменьшаются сложность и стоимость заканчивания скважин с фильтром в необсаженном продуктивном интервале.
Использование предлагаемого способа обустройства нефтяных и газовых скважин в интервале продуктивного пласта искусственной средой с фиктивной пористостью позволяет повысить производительность скважин, снизить объемы и стоимость буровых работ, увеличить срок службы и надежность скважинных гравийных фильтров. Конструкция заявляемого фильтра блочного типа с фиктивной пористостью предусматривает извлечение его из скважины с целью механической или химической очистки. Следовательно, обустройство забоя скважины фильтром блочного типа с фиктивной пористостью удовлетворяет основным требованиям: устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите.
Источники информации
1. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И. Теория и практика предупреждения осложнений и ремонта скважин при их строительстве и эксплуатации: Справ. пособие: В 6 т. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003.
2. Патент RU №2317404. Опубликован 20.02.2008. Способ создания гравийного фильтра в горизонтальной скважине / Кашик А.С., Гогоненков Г.Н.
3. Гаврилко В.М., Алексеев B.C. Фильтры буровых скважин. - М.: Недра, 1985, с.62-64.
4. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Каневская Р.Д., Максимов В.М. Подземная гидромеханика: Учебник для вузов. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. - 496 с.