Совершенствование технологий ограничения выноса частиц породы при разработке месторождений углеводородов

УДК 553.98: 622.245. 67:622.257.1

В.П. Малюков, Ю.И. Старовойтова

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫНОСА ЧАСТИЦ ПОРОДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДОВ

Рассмотрена инновационная технология ограничения пескопроявлений для уменьшения осложнений и обводненности при разработке месторождений углеводородов. Установлено, что причиной нарушения целостности призабойной зоны служит изменение напряженного состояния пород в зоне отбора флюидов, в результате чего происходит разрушение слабосцементированных пород, которое усиливается фильтрационными процессами при перемещении пластовых флюидов к забою скважин. В исследованиях, связанных с обоснованием технологии крепления слабосцементированных песчаников в призабойной зоне нефтяных и газовых скважин химическим способом, показано, что имеет место избирательный характер разрушения слабосцементированных песчаников, обусловленный образованием высокопроницаемых каналов вдоль трещин, развитых в продуктивном пласте по вертикали и вдоль плоскостей напластования слойков. В настоящее время проводятся исследования по применению физико-химических и химических методов предупреждения пескопроявления. Для крепления призабойной зоны пласта пескопроявляющих газовых скважин подтверждено эффективное использование тампо-нажных составов с отверждающими агентами. Проблема контроля пескопроявлений при разработке месторождений углеводородов исследуется с применением нанотехнологий для борьбы с повреждениями коллекторов.

Ключевые слова: скважина, призабойная зона, пескопроявления, фильтры, обводненность, падение пластового давления, наночастицы.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-61-68

Разработка нефтегазовых месторождений в сложных горно-геологических условиях эксплуатация сопряжена с различными осложнениями — падением пластового давления, увеличением обводненности добываемой продукции и количества механических примесей, разрушение целостности призабойной зоны скважин. Анализ источников показывает, что пескопроявление — многофакторная и многоэлементная сложноустроен-ная техническая система [1—3, 9—11].

Задача управления процессами пескопроявления включает в себя такие элементы, как прогнозирование песко-проявления и эффективные методы воздействия на фазы пескопроявления с целью снижения негативных последствий. В исследованиях, связанных с обоснованием технологии крепления слабосцементированных песчаников в призабойной зоне нефтяных и газовых скважин химическим способом, показано, что имеет место избирательный характер раз-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 3. С. 61-68. © В.П. Малюков, Ю.И. Старовойтова. 2018.

рушения слабосцементированных песчаников, обусловленный образованием высокопроницаемых каналов вдоль трещин, развитых в продуктивном пласте по вертикали и вдоль плоскостей напластования слойков.

Исследования подтверждают, что при выносе частиц породы из пласта в процессе эксплуатации скважин в призабой-ной зоне пласта (ПЗП) образуются высокопроницаемые каналы различной ширины и длины вдоль трещин и плоскостей напластования (рис. 1), по которым фильтруется основная масса газа и пластовой воды.

При рассмотрении результативности геолого-технических мероприятий (ГТМ) на фонде скважин ОАО «Газпром» по направлению ликвидации пескопроявле-ний — технологии вывода скважин из бездействия, приводятся причины и факторы пескопроявлений:

• слабосцементированный коллектор;

• вязкость пластового флюида;

• скорость движения частиц флюида в пласте;

• депрессия;

• напряжения в призабойной зоне пласта;

С "ТТТГГГ7~,

• загрязненность призабойной зоны пласта.

В работе «Роль интеллектуальных скважин в осуществлении контроля над пе-ско-проявлением» указывается, что механизмами, вызывающими отделение песка от основной породы коллектора и его дальнейший вынос, могут быть:

• превышение максимально-допустимой депрессии на забое;

• прорыв воды;

• истощение пласта;

• аномальное распределение вертикальных и горизонтальных стрессов в пласте;

• частые изменения перепадов давления на забое как результат внезапных и частых остановок скважины.

Специалисты Корпоративного научно-технического центра ОАО «НК «Роснефть» указывают на то, что причины выноса песка (рис. 2) могут быть разделены на три группы.

Анализ последствий выноса

песка

Вынос песка из пласта ведет к образованию каверн, обрушению кровли призабойной зоны и в ряде случаев к

Рис. 1. Схема разрушения призабойной зоны пласта: образование высокопроницаемых каналов в призабойной зоне пласта, полученное в результате анализа работы скважин (а); разрушение терригенных девонских песчаников из обнажений коренных пород (б); 1 — слабосцементированный песчаник; 2 — тектоническая трещиноватость; 3 — высокопроницаемые каналы в песчанике

Предпосылки

• отсутствие или деградация цемента

• неглубоко залегающие пласты

• высокие температуры

• кислотные обработки

• технологии закачки пара

• снижение порового давления

• режим истощения

• низкие забойные давления

• большие силы трения

• высокиедебиты

• высоковязкие нефти

• перепад давления

• увеличение обводненности

• снижение межфазного натяжения

• необходимость увеличения депрессии для рентабельности добычи

Причины

Неконсолидированные породы

Результат

Превышение компрессорных сил

Миграция мелких частиц

Рис. 2. Причины выноса песка при извлечении нефти из продуктивного пласта

смятию эксплуатационной колонны. К числу часто встречающихся последствий выноса песка относятся пробкообразо-вание в скважинах, эрозия внутрисква-жинного оборудования, отложение песка в наземном оборудовании, трубопроводах и т.п.

На устранение последствий пескопроявления затрачиваются значительные трудовые и материальные ресурсы.

Из-за большого содержания песка в добываемой жидкости преждевременно выходят из строя промысловые трубопроводы, фонтанные штуцеры, запорно-ре-гулирующая арматура, насосно-компрес-сорные трубы, насосное и другое промысловое оборудование.

Помимо этого, выносимый из пласта песок осаждается на забое скважины, что ведет к преждевременному прекращению эксплуатации данной скважины и необходимости проведения дорогостоящего ремонта.

Присутствие мехпримесей в скважинах обусловлено несколькими причинами:

• рыхлые неустойчивые породы пласта (вынос частиц породы);

• занесение мехпримесей (песка) в призабойную зону пласта во время проведения капитального ремонта скважин, бурения, гидроразрыва пласта и т.д.;

• закачка в скважину неподготовленных жидкостей глушения (грязные растворы).

Рассмотрена классификация современных способов борьбы с выносом песка из продуктивных пластов

Для ограничения пескопроявлений из продуктивного пласта применяют фильтры [4, 5].

Фильтр—это специальное устройство, устанавливаемое в скважину с целью очистки добываемого из пласта флюида от пластового песка и других инородных примесей. Фильтр должен пропускать флюид, при этом иметь минимальные гидравлические сопротивления, надежно предохранять скважину от проникновения твердой фазы, образования пробок и существенного снижения дебита.

Рис. 3. Классификация современных способов борьбы с выносом песка из продуктивных пластов

Предлагается разделение фильтров на классы по принципу устройства фильтрующего элемента:

• намывные гравийные фильтры;

• щелевые фильтры;

• проволочные фильтры;

• перфорированные фильтры.

В практике применяются фильтры, комбинирующие несколько принципов устройств, дополняющих друг друга (рис. 4).

Рис. 4. Скважинные фильтры: гравийный фильтр

Опытно-промышленные испытания фильтров различных конструкций на Ванкорском месторождении

В течение 2010 г. были проведены опытно-промышленные испытания (ОПИ) фильтров различной конструкции: щелевых и многослойных сетчатых. К данным фильтрам был предъявлен ряд технических требований.

Фильтр спускается на неизвлекаемом пакере в зону интервала перфорации (рис. 5) и размещается напротив всего интервала с целью минимизации скин-эффекта. Скважина эксплуатируется с помощью высокодебитной установки элект-ро-центробежного насоса (УЭЦН).

На базе 168 мм колонны фильтры общей длиной около 200 м опускаются в интервалы перфорации. Стандартный срок службы фильтра 24 месяца. За фильтром образуется еще один — естественный фильтр.

На основании проведенных мероприятий по опытно-промышленным испытаниям противопесочных фильтров было принято решение оборудовать весь фонд водозаборных скважин Ванкорского месторождения забойными фильтрами сетчатого типа. Действующий фонд водозаборных скважин за скользящий год составляет 31 скважину, 29 из которых оборудованы фильтрами сетчатого типа.

Опыт эксплуатации противопесочных фильтров на скважинах водозаборного фонда Ванкорского месторождения

Несмотря на оснащение водозаборных скважин Ванкорского месторождения противопесочными забойными фильтрами, вынос мехпримесей остается основным осложняющим фактором при их эксплуатации. Так, пересыпание скважинного фильтра приводит к снижению притока скважины, нарушению целостности фильтра и прорывам газа

с >

1111 11111

ннт

Ы-ПЭН

-Обсадная труба

Пакер

Фильтр

Рис. 5. Схема компоновки фильтра

из газовой шапки. Для предотвращения этих явлений требуется разработка и проведение планово-предупредительных ремонтов и других специальных мероприятий.

Организация системы поддержания пластового давления (ППД) на Ванкорском месторождении предполагает использование как попутно добываемой воды, так и воды из водозаборных скважин. Водозаборные скважины эксплуатируют два водоносных горизонта — на-сон и долган. В зависимости от водона-сыщенности в каждой скважине могут быть проперфорированы или оба горизонта, или каждый в отдельности.

Влияние выноса примесей

При запуске первых скважин Ванкорского месторождения для нужд системы ППД проявились и первые проблемы, связанные с эксплуатацией. Вынос мехпримесей стал основным осложняющим фактором при эксплуатации УЭЦН. После запуска и начала освоения скважин

произошли три преждевременных отказа УЭЦН, которые были вызваны высокими значениями выноса мехпримесей.

Установлено, что причиной нарушения целостности призабойной зоны служит изменение напряженного состояния пород в зоне отбора флюидов, в результате чего происходит разрушение слабо-сцементированных пород, которое усиливается фильтрационными процессами при перемещении пластовых флюидов к забою скважин. Причиной этого, в свою очередь, послужил неверный дизайн за-канчивания водозаборных скважин при проектировании, а именно неприменение пескозащитной технологии. Такая ситуация, если не предпринимать специальных мер, могла привести к невозможности обеспечения плановых уровней добычи воды и, как следствие, плановых объемов закачки воды для ППД.

Внедрение забойных

противопесочных фильтров

По результатам анализа геолого-технических условий эксплуатации водозаборных скважин и особенностей водоносных горизонтов Ванкорского месторождения для снижения влияния выноса мехпримесей решено было применять

забойные противопесочные фильтры. В течение 2010 г. проводились опытно-промышленные испытания (ОПИ) фильтров щелевого и сетчатого типа: фильтры спускались на пакере в зону интервала перфорации. Результаты ОПИ были признаны успешными, что дало основание для принятия решения о внедрении фильтров в промышленных масштабах.

По состоянию на сентябрь 2011 г. на Ванкорском месторождении все водозаборные скважины эксплуатационного фонда оснащены противопесочными фильтрами сетчатого и щелевого типов.

В настоящее время проводятся исследования по применению физико-химических и химических методов предупреждения пескопроявления [8].

Для крепления призабойной зоны пласта пескопроявляющих газовых скважин подтверждено эффективное использование тампонажных составов с отвер-ждающими агентами.

Проблема контроля пескопроявлений при разработке месторождений углеводородов исследуется с применением на-нотехнологий для борьбы с повреждениями коллекторов [7]. Проводятся исследования по связыванию пород коллектора с применением наночастиц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриевский А. Н., Климов Д. М., Карев В. И., Максимов В. М. От новых знаний в области механики к инновационным нефтегазовым технологиям // Ученые записки Казанского университета. Серия: Физико-математические науки. — 2015. — Т. 157. — Кн 3. — С. 7—20.

2. Лаврентьев А. В., Антониади Д. Г. Анализ причин и последствий пескопроявлений на завершающей стадии разработки нефтяных и газовых месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 4. Специальный выпуск № 10 (отдельные статьи). — 32 с.

3. Бондаренко В.А., Савенок О.В. Анализ современных методов и технологий управления процессами пескопроявлений при эксплуатации скважин / Сборник научных статей по итогам Международной заочной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в экономике, управлении проектами, педагогике, праве культурологи, языкознании, природопользовании, биологии, зоологии, химии, политологии, психологии, медицине, филологии, философии, социологии, математике, технике, физике, информатике», г. Санкт-Петербург. — СПб.: Изд-во «Культ-ИнформПресс», 2014. — С. 44—46.

4. Силин М.А., Ефимов Н. Н., Магадова Л.А., Нескин В.А., Мышенков И. В. Разработка и внедрение кремнийорганического полимерного состава для ликвидации выноса песка в скважинах ПХГ // Нефть. Газ. Новации. - 2013. - № 8 (175). - С. 73-75

5. Папков С. П., Кузин Р. А. Инновационная система борьбы с пескопроявлениями — керамический песчаный фильтр 3М // Нефть. Газ. Новации. — 2015. — № 7. — С. 62—64.

6. Хавкин А.Я. Нанотехнологии в добыче нефти и газа. Учебное пособие. М.: Изд-во «Нефть и газ», 2016. — 358 с.

7. БабазадеЭ. М. Роль интеллектуальных скважин в осуществлении контроля над пескопро-явлением // SOCAR Proceedings. Научные труды НИПИ «Нефтегаз» ГНКАР. — 2011. — № 3. — С. 39—43.

8. Камалетдинов Р. С., Лазарев А. Б. Обзор существующих методов борьбы с мехприме-сями // Инженерная практика. — 2010. — № 2. — С. 6—13.

9. Stavland A., Vilcane O., Skrettingland K. In-Depth Water Diversion Using Sodium Silicate on Snorre-Factors Controlling In-Depth Placement // Paper SPE 143836. — 2011. — 12 p.

10. Kotlar H. K., Moen A., Haaland T. Field Experience with Chemical Sand Consolidation as a Remedial Sand Control Option, Offshore Technology Conference, Texas, U.S.A., 5—8 May 2008.

11. Kurawle, Mahalle N., Kaul M., Nair A., Kulkarni N. Silanol Resin Consolidation System for Deepwater Completions and Production Optimization, SPE Europeane Formation Damag Conference held in Scheveningen, The Netherlands, 27—29 May, 2009. итш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Малюков Валерий Павлович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: v.malyukov@mail.ru, Старовойтова Юлия Игоревна1 — магистр, e-mail: st.julia2010@yandex.ru, 1 Российский университет дружбы народов.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 3, pp. 61-68.

V.P. Malyukov, Yu.I. Starovoytova

IMPROVING TECHNOLOGIES THAT LIMIT PRODUCTION OF SOLIDS IN HYDROCARBON RECOVERY

An innovation technology of lower sand production to reduce complications and water-cut in hydrocarbon recovery is under discussion. Sand production initiates cavities in formations, induces roof falls in face zones, and, sometimes, results in drill-stem buckling.

The most often implications of sand production are well plugging, down-the-hole equipment corrosion, sandy sedimentation at surface equipment, in pipelines, etc. High content of sand in recovered fluid brings premature breakdown of field pipelines, flow plugs, valves, tubing, pumps and other field equipment. Furthermore, produced sand settles at the well bottom, which leads to the early decommissioning of such wells and to expensive repair. It is found that integrity damage in well bottom zone is caused by the change in stress state of rocks in the area of fluid withdrawal, which induces failure of weakly cemented rocks, intensified by percolation during fluid flow towards well bottoms.

The studies aimed at substantiation of the technologies connected with the chemical reinforcement of lightly cemented sandstone at bottom zone of oil and gas wells display the selective behavior of failure of lightly cemented sandstone due to formation of highly permeable channels along the fractures grown vertically and along bedding planes in productive formations.

Currently, prevention of sand production by physicochemical and chemical treatment methods is investigated. For reinforcement of bottom-hole formation zone of sand-producing wells, efficiency of backfill compositions including hardeners is proved.

The problem of sand production control in hydrocarbon recovery is analyzed using nanotechnolo-gies aimed at preventing damage of hydrocarbon formations. Consolidation of the formation rocks by nanoparticles is also studied.

Key words: well, well bottom zone, sand production, screen, water cut, reservoir pressure drop, nanoparticles.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-61-68

AUTHORS

Malyukov V.P.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: v.malyukov@mail.ru, Starovoytova Yu.I.1, Magister, e-mail: st.julia2010@yandex.ru, 1 Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), 113093, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Dmitrievskiy A. N., Klimov D. M., Karev V. I., Maksimov V. M. Uchenye zapiski Kazanskogo univer-siteta. Seriya: Fiziko-matematicheskie nauki. 2015, vol. 157, book 3, pp. 7—20.

2. Lavrent'ev A. V., Antoniadi D. G. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, Special edition 10, 32 p.

3. Bondarenko V. A., Savenok O. V. Sbornik nauchnykh statey po itogam Mezhdunarodnoy zaoch-noy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya, razrabotka i primenenie vysokikh tekhnologiy v ekonomike, upravlenii proektami, pedagogike, prave kulturologi, yazykoznanii, prirodopol'zovanii, biologii, zoologii, khimii, politologii, psikhologii, meditsine, filologii, filosofii, sotsiologii, matematike, tekhnike, fizike, informatike», g. Sankt-Peterburg (Collection of scientific articles on the results of the International correspondence scientific-practical conference «Fundamental and applied researches, development and application of high technologies in economy, project management, pedagogy, law, cultural studies, linguistics, environmental management, biology, Zoology, chemistry, political science, psychology, medicine, Philology, philosophy, sociology, mathematics, engineering, physics, Informatics», St. Petersburg), Saint-Petersburg, Izd-vo «Kul'tlnformPress», 2014, pp. 44—46.

4. Silin M. A., Efimov N. N., Magadova L. A., Neskin V. A., Myshenkov I. V. Neft'. Gaz. Novatsii. 2013, no 8 (175), pp. 73—75

5. Papkov S. P., Kuzin R. A. Neft'. Gaz. Novatsii. 2015, no 7, pp. 62—64.

6. Khavkin A. Ya. Nanotekhnologii v dobyche nefti i gaza. Uchebnoe posobie (Nanotechnology in the oil and gas production. Educational aid), Moscow, Izd-vo «Neft' i gaz», 2016, 358 p.

7. Babazade E. M. SOCAR Proceedings. 2011, no 3, pp. 39—43.

8. Kamaletdinov R. S., Lazarev A. B. Inzhenernaya praktika. 2010, no 2, pp. 6—13.

9. Stavland A., Vilcane O., Skrettingland K. In-depth water diversion using sodium silicate on snorre-factors controlling in-depth placement. PaperSPE143836. 2011. 12 p.

10. Kotlar H. K., Moen A., Haaland T. Field Experience with Chemical Sand Consolidation as a Remedial Sand Control Option, Offshore Technology Conference, Texas, U.S.A., 5—8 May 2008.

11. Kurawle, Mahalle N., Kaul M., Nair A., Kulkarni N. Silanol resin consolidation system for deep-water completions and production optimization. SPE Europeane Formation Damag Conference held in Scheveningen, The Netherlands, 27—29 May, 2009.

FIGURES

Fig 1. Bottom-hole formation zone breaking circuit: (a) creation of high-permeable channel in the bottom-hole formation zone after analysis of well performance; (b) breakage of terrigene Devonian sandstone from country rock outcrops; 1—lightly cemented sandstone; 2—tectonic fracturing; 3—highly permeable channels in sandstone.

Fig 2. Causes of sand production during oil recovery from productive formation.

Fig 3. Classification of modern methods to prevent sand production in pay zones.

Fig 4. Well screens: (a) gravel pack; (b) slotted screen; (c) holed screen; (d) ring-base screen; (e) wire screen; (f) supported screen; (g) water strainer; (h) slotted liner.

Fig 5. Screen arrangement chart.