УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРА-ХВОСТОВИКА С ИСКУССТВЕННОЙ ФИКТИВНОЙ ПОРИСТОСТЬЮ

Изобретение относится к области разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, в частности, к оборудованию забоя скважин.
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 используют 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.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому устройству, одновременно являющимися базовыми, являются стационарные гравийно-намывные фильтры [1, т.5, с.163-164]. Фильтр-каркас гравийной намывки представляет собой несущую трубу, перфорированную круглыми отверстиями, с приваренными к ней продольными опорными стержнями, на которые навита с заданным шагом профилированная проволока, приваренная к стержням в местах контакта. Для создания гравийных фильтров в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины производят расширение ствола скважины по всей длине продуктивного пласта. Фильтры, служащие для ограничения поступления песка в скважину, спускают отдельно в виде хвостовика с сальниковым уплотнением. Гравийные фильтры создают путем заполнения кольцевого пространства между фильтром-каркасом и стенками скважины песком или другими материалами.
Установка гравийных фильтров не предотвращает разрушение пород продуктивного пласта. В процессе их использования гравий в фильтре оседает и в скважину начинает поступать песок [2, с.240]. Изготовление фильтра-каркаса для гравийно-намывных фильтров производится из нержавеющих дорогостоящих сталей, технология намыва гравия сложна, длительна и требует специального оборудования, высокой квалификации и навыков работы персонала [1, т.5, с.178]. 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].
Целью предлагаемого устройства является повышение производительности скважин, снижение объемов и стоимости буровых работ, увеличение гидродинамического совершенства скважин.
Поставленная цель достигается тем, что в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины устанавливают в готовом к применению фильтр-хвостовик. Фильтр-хвостовик представляет собой гирлянду необходимой длины, состоящую из последовательно соединенных блоков. Внутреннее пространство блоков содержит пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт, состоящий из сферических шаров одинакового размера с кубической укладкой. Блоки, длина которых может составлять от 0,5 до 1,5 м, изготавливают в заводских условиях. Непосредственно на месте применения набирают фильтр-хвостовик необходимой длины, который спускают на забой скважины.
Именно установка в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины фильтра-хвостовика в собранном и готовом к применению виде, представляющего собой гирлянду необходимой длины, состоящую из последовательно соединенных блоков, внутреннее пространство которых содержит пористую среду из сферических шаров одинакового размера с кубической укладкой, 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. Их применение в 85-95% дает положительные результаты, но они не предотвращают разрушение пород продуктивного пласта и поступление песка в скважину [2, с.240]. Уменьшение размера зерен гравия приводит к резкому возрастанию фильтрационного сопротивления и забиванию гравийного фильтра. Следовательно, исключить полностью разрушение пород продуктивного пласта и пескопроявление при эксплуатации скважин не представляется возможным.
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 пескоудерживаюшую способность фильтра. Для реальных коллекторов d составляет порядка 0,2 мм. При этом размер зерен гравия должен составлять
гр
50
d=(5-6)·d=5-0,2 мм=1 мм.
Такая методика расчета диаметров шаров для фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью не подходит. Во-первых, фильтр-хвостовик 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:
Коэффициента пористости т фиктивного грунта определяется формулой Слихтера [3, 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 [3, 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
Полученная величина проницаемости фиктивного грунта значительно (на 6-8 порядков) превышает величины проницаемостей реальных коллекторов, которые заключены в диапазоне 10-10 м [2, с.228]. Причем, коллектор считается высокопроницаемым, если значение коэффициента поровой проницаемости составляет к≥10 м.
Скорость фильтрации ω нефти через пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт, по закону Дарси равна [3, 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-хвостовика диаметром D=114 мм
объемный расход нефти составит
Следовательно, конструкция фильтра-хвостовика 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 устройства фильтра-хвостовика степень гидродинамического совершенства скважины можно оценить, как отношение площади просветов к площади внешней поверхности фильтра-хвостовика. Для фиктивного грунта при кубической укладке шаров θ=90° по Слихтеру [3, с.32] просветность s равна:
В данном случае просветность s характеризует ту часть поверхности фильтра-хвостовика, через которую происходит поступление пластовой жидкости внутрь фильтра-хвостовика.
Техническая сущность изобретения поясняется принципиальной схемой расположения фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью в вертикальной скважине фиг.1 и в горизонтальной скважине фиг.2.
На фиг.1 показано вертикальное расположение фильтра-хвостовика, который спускают в готовом виде по эксплуатационной колонне 1. Фильтр-хвостовик состоит из последовательно соединенных блоков 2, который в верхней части крепится сальниковым уплотнением 3 к эксплуатационной колонне 1. За эксплуатационной колонной выше продуктивного пласта располагается цементный камень 4. Блок 2 представляет собой контейнер решетчатой конструкции, в верхней части которого имеется манжета 5, закрывающая щель между блоками 2. Фильтр-хвостовик имеет приспособление 6 для захвата его ловильным инструментом. В верхней части 7 и нижней части блока 2 располагаются поперечные стяжки 8 для крепления направляющих стержней 9. Соединение блоков 2 между собой осуществляется с помощью центральных металлических штанг 10. Внутреннее пространство блоков 2 представляет собой фиктивный грунт 11 (увеличенный фрагмент компоновки пористой среды). Фиктивный грунт 11 изготавливают в заводских условиях из прочных керамических материалов методом прессования и дальнейшего спекания. На фиг.2 показано горизонтальное расположение фильтра-хвостовика. Обозначения на фиг.2 те же, что и на фиг.1.
Предлагаемое устройство фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью реализуется следующим образом. Скважину бурят до кровли продуктивного пласта, устанавливают эксплуатационную колонну и цементируют. После этого продуктивный пласт вскрывают долотом меньшего диаметра на всю толщину продуктивного пласта (фиг.1). Производят очистку забоя скважины и спускают фильтр-хвостовик описанной конструкции. Если продуктивный пласт сложен плотными породами, то пескопроявление наблюдается только на начальном этапе эксплуатации скважины. Составляющие фракции частиц малого диаметра проходят через фильтр-хвостовик и поступают на прием насоса. Составляющие фракции частиц большого диаметра улавливаются фильтром-хвостовиком и остаются в нем. Пространство между необсаженным стволом скважины и фильтром-хвостовиком заполнено пластовым флюидом. Поток жидкости внутри фильтра-хвостовика будет направлен вдоль вертикальной оси. Радиальная составляющая скорости течения в пространстве между стволом скважины и фильтром-хвостовиком будет зависеть от вертикальной координаты z и определяться давлением P=p+ρgz, где p - давление в кровле продуктивного пласта, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, z - вертикальная координата, отсчитанная от кровли продуктивного пласта.
Если продуктивный пласт сложен слабосцементированными рыхлыми породами, то вынос песка в процессе эксплуатации скважины неизбежен и зависит от отбора жидкости из скважины. Составляющие фракции частиц малого диаметра проходят через фильтр-хвостовик и поступают на прием насоса. Составляющие фракции частиц среднего диаметра улавливаются фильтром. Составляющие фракции частиц большого диаметра образуют перед внешней поверхностью фильтра-хвостовика слой, препятствующий поступлению в фильтр-хвостовик частиц средних и мелких фракций. При эксплуатации скважины пространство между необсаженным стволом скважины и фильтром-хвостовиком заполняется составляющими фракциями частиц призабойной зоны пласта и становится вторичным фильтром. В таком вторичном фильтре соблюдается последовательное уменьшение по размерам частиц при удалении от фильтра-хвостовика к стенке скважины.
Наиболее эффективно использование фильтра-хвостовика описанной конструкции при эксплуатации наклонных и горизонтальных (фиг.2) 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 устройства фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью позволяет повысить производительность скважин, снизить объемы и стоимость буровых работ, увеличить гидродинамическое совершенство скважин. В этом случае нет необходимости производить расширение диаметра ствола скважины в интервале продуктивного пласта и использовать сложную и дорогостоящую технику, необходимую для изготовления гравийных фильтров. Конструкция заявляемого фильтра-хвостовика предусматривает извлечение его из скважины с целью механической или химической очистки. Следовательно, обустройство забоя скважины фильтром-хвостовиком удовлетворяет основным требованиям: устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите.
Источники информации, принятые во внимание
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. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Заканчивание скважин. Учеб. Пособие для вузов.-М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.- 670 с.
3. 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.