Геологические процессы и документы

4. ПОДГОТОВКА  СКВАЖИН К ЭКСПЛУАТАЦИИ

Пробуренные нефтедобывающие  скважины обычно эксплуатируются несколько  десятков лет. В течение этого  времени месторождение проходит различные стадии разработки  -  от начальной, когда добывается безводная  нефть и, как правило, фонтанным способом, до последних стадий, когда добывается в больших количествах сильно обводненная продукция механизированным способом. Пластовое давление в процессе разработки также снижается, и поэтому на последующих этапах приходится извлекать большие объемы жидкости при низких динамических уровнях. В ряде случаев в результате накопления информации о неоднородности пласта и расчлененности его на самостоятельные пропластки выявляется необходимость их раздельной эксплуатации или раздельной закачки воды в разные пропластки через одну и ту же скважину. Надежно определить условия эксплуатации данной скважины на весь период ее работы не представляется возможным. Однако чем лучше конструкция скважин соответствует всему возможному разнообразию условий их работы в будущем, тем легче выбрать оборудование для оптимальных условий эксплуатации как отдельных скважин, так и месторождений в целом на разных стадиях егс разработки. В связи с этим особое значение приобретает диаметр эксплуатационной колонны. Часто именно он ограничивает подачу насосного оборудования для откачки больших объемов жидкости или специального оборудования для раздельной эксплуатации пластов.

В связи с этим нельзя не отметить, что в ряде случаев  экономия, достигаемая при бурении  скважин малого или уменьшенного диаметра, оборачивается убытками вследствие невозможности оптимальной эксплуатации таких скважин на последующих этапах разработки месторождения.

Конструкция крепления  скважины определяется геологическими и техническими факторами с учетом ее длительной эксплуатации. Важным элементом конструкции скважины является конструкция призабойной части.

4.1. Конструкция  оборудования забоев скважин

В любом случае конструкция  забоя скважины должна обеспечивать:

• механическую устойчивость призабойной части пласта, доступ к забою скважин спускаемого оборудования, предотвращение обрушения породы;
• эффективную гидродинамическую связь забоя скважины с нефтенасыщенным пластом;
• возможность избирательного вскрытия нефтенасыщенных и изоляцию водо- или газонасыщенных пропластков, если из последних не намечается добыча продукции;
• возможность избирательного воздействия на различные пропластки или на отдельные части (по толщине) монолитного пласта;
• возможность дренирования всей нефтенасыщенной толщины пласта.

Геологические и технологические условия разработки месторождений различны, поэтому существует несколько типовых конструкций забоев скважин.

1. При открытом забое  (рис. 4.1, а) башмак обсадной колонны  цементируется перед кровлей  пласта. Затем пласт вскрывается  долотом меньшего диаметра, причем ствол скважины против продуктивного пласта оставляется открытым. Такая конструкция возможна при достаточно устойчивых горных породах; при сравнительно однородном пласте, не переслаивающимся глинами, склонными к набуханию и обрушению без газоносных и водоносных прослоев; при наличии до вскрытия пласта достаточно точных данных об отметках кровли и подошвы продуктивного пласта; при относительно малой толщине пласта, оставляемого без крепления, а также в том случае, если при эксплуатации такой скважины не может возникнуть необходимость избирательного воздействия на отдельные пропластки.

Рис. 4.1. Способы вскрытия пласта:

а - открытый забой; б - забой, перекрытый хвостовиком колонны, перфорированным

 перед ее спуском;  в - забой с фильтром; г - перфорированный забой

 

Существенным достоинством открытого забоя является его  гидродинамическая эффективность. Скважина с открытым забоем принимается  за эталон и ее коэффициент гидродинамического совершенства принимается равным единице. Вместе с тем, невозможность избирательного вскрытия нужных пропластков и избирательного воздействия на них вместе с постоянной угрозой обвалов в призабойной зоне при создании больших депрессий сильно ограничивают возможности использования открытого забоя. Поэтому менее 5 % всего фонда скважин имеют открытый забой.

2. Если забой скважины  оборудован фильтром, то возможны  два варианта конструкции. Первый  вариант (рис. 4.1, б): скважина бурится  сразу до подошвы пласта, крепится  обсадной колонной с заранее  насверленными отверстиями в нижней части, приходящимися против продуктивной толщи пласта, затем выше кровли пласта колонна цементируется по способу манжетной заливки. Пространство между перфорированной частью колонны и вскрытой поверхностью пласта остается открытым.

Условия применения такой конструкции по существу одинаковы с условиями для применения открытого забоя. Однако в этом случае более надежно крепление забоя и гарантируется сохранение полного диаметра колонны до самого забоя даже в случаях частичного обрушения пород в призабойной части.

Второй вариант (рис. 4.1, в): башмак обсадной колонны спускается до кровли пласта и цементируется. В  открытой части пласта находится  фильтр с мелкими круглыми или  щелевидными отверстиями. Кольцевое  пространство между верхней частью фильтра и низом обсадной колонны герметизируется специальным сальником или пакером. Основное назначение фильтров - предотвращение поступления песка в скважину. Одно время широкое применение нашли фильтры с продольными щелевыми отверстиями длиной 50 - 80 мм и шириной 0,8 - 1,5 мм.

Кроме того, применялись  так называемые кольцевые фильтры, в которых щели создавались между  торцами металлических колец, одеваемых  на перфорированную трубу. Между  торцами колец в нескольких точках по периметру устанавливались прокладки из калиброванной металлической ленты, определявшие ширину кольцевых щелей. В ряде случаев использовались гравийные фильтры, представляющие собой две перфорированные мелкими отверстиями концентрично расположенные трубы. В кольцевое пространство между трубами утрамбовывался отсортированный гравий диаметром 4 - 6 мм, который и являлся основным фильтрующим элементом, задерживающим пластовый песок. Известны также металлокерамические фильтры, изготовляемые путем спекания под давлением керамической дроби. Кольца из такого материала одеваются на перфорированную трубу и на ней закрепляются. Металлокерамические фильтры обладают малым гидравлическим сопротивлением и задерживают самые мелкие фракции песка. Кроме того, известны другие конструкции фильтров, которые не нашли распространения.

Конструкция забоя с  фильтром применяется редко и  только как средство борьбы с образованием песчаных пробок в скважинах, вскрывающих  несцементированные нефтенасыщенные  песчаные пласты, склонные к пескопроявлению.

3. Скважины с перфорированным забоем (рис. 4.1, г) нашли самое широкое распространение (более 90% фонда). В этом случае пробуривается ствол скважины до проектной отметки. Перед спуском обсадной колонны ствол скважины и особенно его нижняя часть, проходящая через продуктивные пласты, исследуется геофизическими средствами. Результаты таких исследований позволяют четко установить нефте-, водо- и газонасыщенные интервалы и наметить объекты эксплуатации. После этого в скважину опускается обсадная колонна, которая цементируется от забоя до нужной отметки, а затем перфорируется в намеченных интервалах. Скважина с перфорированным забоем имеет следующие преимущества:

• упрощение технологии проводки скважины и выполнения комплексных геофизических исследований геологического разреза;
• надежная изоляция различных пропластков, не вскрытых перфорацией;
• возможность вскрытия пропущенных или временно законсервированных нефтенасыщенных интервалов;
• возможность поинтервального воздействия на призабойную зону пласта (различные обработки, гидроразрыв, раздельная накачка или отбор и др.);
• устойчивость забоя скважины и сохранение ее проходного сечения в процессе длительной эксплуатации.

Перфорированный забой  при вскрытии пласта, склонного к  пескопроявлению, не обеспечивает надежную защиту скважины от поступления песка и образования песчаных пробок на забое. Поэтому при вскрытии рыхлых коллекторов для защиты от песка против перфорированного интервала размещают дополнительный фильтр для задержки песка. Однако в этом случае фильтрационное сопротивление потоку пластовой жидкости резко возрастает.

Кроме того, перфорированный  забой вызывает сгущение линий тока у перфорационных отверстий, что  приводит к увеличению фильтрационного  сопротивления по сравнению с  открытым забоем.

4.2. Приток жидкости  к перфорированной скважине

При фильтрации жидкости, подчиняющейся линейному закону, приток жидкости к скважине можно  выразить следующим образом:

,                                   (4.1)

где R_ф  -  фильтрационное сопротивление.

Приток жидкости к  перфорированной скважине

                                 (4.2)

будет отличаться тем, что  вследствие сгущения линий тока у  перфорационных отверстий возникнет  дополнительное фильтрационное сопротивление R_доп:

  ,                                         (4.3)

где С - некоторая геометрическая характеристика.

Подставляя (4.3) в (4.2), получим 

.                    (4.4)

Можно представить два  крайних случая геометрической характеристики забоя.

1. Нет ни одного  отверстия в обсадной колонне.  Тогда, очевидно q_п = 0, С = ∞.

2. Вся поверхность обсадной колонны в пределах толщины пласта покрыта перфорационными отверстиями. В этом случае сгущения линий тока не происходит и геометрия потока не будет отличаться от геометрии потока к забою скважины с открытым забоем. Очевидно, в этом случае С = 0.

Таким образом, величина С должна изменяться от 0 до ∞. С увеличением числа перфорационных отверстий n, их диаметра d, а также глубины L перфорационных каналов в породе пласта дополнительное фильтрационное сопротивление R_доп  должно уменьшаться, а следовательно, должно уменьшаться С. Таким образом,

.                                                    (4.5)

Задача о притоке  жидкости к перфорированной скважине была решена методом электрогидродинамических аналогий (ЭГДА), основанном на тождественности  уравнений фильтрации и распространения электрического тока в геометрически подобных системах. Отношение дебита перфорированной скважины к дебиту скважины с открытым забоем, принятой за эталон, при прочих равных условиях принято называть коэффициентом гидродинамического совершенства

.                                                           (4.6)

Подставляя вместо q_п его значение из (4.4) и вместо q - из (4.1) и сокращая, найдем

 

.           (4.7)

В методе ЭГДА в геометрически  подобных системах токи являются аналогом расходов фильтрующейся жидкости, напряжения перепадов давлений и омические сопротивления - фильтрационных сопротивлений.

Используя гладкий цилиндрический электрод в качестве электрической  модели скважины с открытым забоем и цилиндр из изоляционного материала с вмонтированными электродами в качестве модели перфорированной скважины, сравнивают протекающие через них токи при последовательном помещении этих моделей в токопроводящую среду (электролит) геометрически подобную пластовой системе и определяют коэффициент совершенства системы η и, используя (4.7), находят С (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Зависимость C = f(nD, а, l) при l = 0:

n - плотность перфорации; D - диаметр скважин, d' - диаметр отверстий;  l' - глубина

 перфорационных отверстий; l = l' / D,  α = d' / D.   1 - а = 0,02; 2 - oc = 0,04;  3 - a = 0,06;

  4 - a = 0,08; 5 - a = 0,l;  6 - a = 0,12; 7 - a = 0,14; 8 - a = 0,16; 9 - oc = 0,18; 10 - a = 0,2

Меняя число электродов n, их диаметр d и длину L, можно установить зависимость C = f{n, d, L).

Несовершенные скважины бывают трех видов: скважина с открытым забоем, частично вскрывающая пласт на величину b (рис. 4.3, а) - несовершенная скважина по степени вскрытия - δ = b/h; скважина с перфорированным забоем и вскрывающая пласт на полную толщину (рис. 4.3, б) - несовершенная скважина по характеру вскрытия; скважина, перфорированная не на всю толщину пласта и вскрывающая его частично (рис. 4.3, в) - несовершенная по степени и характеру вскрытня (двойной вид несовершенства).

Рис. 4.3. Виды несовершенных скважин:

а - скважина, несовершенная по степени  вскрытия; б - скважина,  несовершенная  по характеру

вскрытия, в - скважина с двойным  видом несовершенства по степени  и характеру вскрытия

 

Используя метод ЭГДА для определения  притока в скважины, несовершенные по степени вскрытия, получим зависимости C = f(a, δ) для различных безразмерных толщин пласта а = h/D, где h - полная толщина пласта, D - диаметр скважины (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Зависимость C = f{a, 6) для скважин, несовершенных по степени вскрытия

 

Для скважины с двойным несовершенством величина С может быть найдена следующим образом. Представим приток в скважину с двойным несовершенством состоящим из двух последовательных притоков  (рис. 4.5):  -  притока в фиктивную несовершенную по степени вскрытия скважину увеличенного радиуса R и притока в несовершенную по характеру вскрытия скважину с действительным радиусом r_с и плотностью перфорации n.