Прогрессивные технологии сооружения скважин

ДВИЖЕНИЕ ПОТОКА В ГЛИНИСТОЙ КОРКЕ

При вскрытии пласта на стенках скважины за счет проникно­вения фильтрата в околоскважинную зону образуется слабопро­ницаемая корка, которая выполняет двоякую роль. С одноИ сто­роны, чем быстрее формируется корка и чем сильнее она сце­ментирована, тем меньше интенсивность проникновения фильт­рата раствора в пласт, шлама и других кольматантов. С другоИ стороны, чем меньше проницаемость корки, тем больше сопро­тивление потоку при эксплуатации и меньше удельныИ дебит. Необходимо обоснованно подоИти к выбору технологии вскры­тия и освоения пласта с тем, чтобы обеспечить на начальном этапе формирование корки и предупреждение формирования зо­ны интенсивноИ кольматации, а затем разрушение структуры корки и удаление ее остатков из скважины.

Потери напора в глинистоИ корке определяются ее толщиноИ и фильтрационными своИствами. Толщина глинистоИ корки за­висит от режимов промывки и изменяется от 1,5 до 10 мм. В редких случаях толщина глинистоИ корки составляет до 15 мм. Фильтрационные своИства корок зависят от плотности их сло­жения, которая определяется эффективными напряжениями в структуре корки.

И. Н. Кочина и Н. Н. МихаИлов рекомендуют использовать для определения коэффициента проницаемости глинистоИ корки следующую зависимость:

H3 - h30T эф, (1.33)

Где h30 - проницаемость глинистоИ корки до приложения на­грузки, обусловленноИ фильтрациеИ и перепадом давления на

42 Корке: тэф - эффективное напряжение, действующее в скелете пористой среды, которое можно определить как разность между приложенной и равновесной нагрузками; а - коэффициент, учи­тывающий степень влияния эффективного напряжения на про­ницаемость и сжимаемость глинистых корок.

В случае вскрытия пласта под эффективными напряжениями, измеряемыми в МПа, следует понимать репрессию на пласт в процессе промывки или спускоподъемных операций. Характерно, что глинистая корка обладает преимущественно пластичными свойствами, поэтому после приложения нагрузки на стенки скважины происходит необратимая деформация структуры корки (ее уплотнение) и снижение фильтрационных параметров. С увеличением толщины корки возрастает ее пористость и фильт­рационные параметры сохраняются. При небольшой толщине корки плотность ее структуры выше, что обусловлено хорошими структурными свойствами раствора.

Уравнение для скорости фильтрации через глинистую корку может быть получено интегрированием соотношения А. Шейде - гера

V = KSJ3 , (1.34)

Bt + A1)

Где k3 - проницаемость корки; J3 - перепад давления на глини­стой корке, равный разнице депрессии на пласт и суммы потерь напора в пласте и закольматированной зоне; ц - вязкость фильт­рующего флюида; t - время; b - коэффициент, характеризующий условия перехода твердой фазы у промывочной жидкости в гли­нистую корку

B _ (1 - ms)/(ms - а3);

Ms - объемное содержание жидкой фазы в фильтрате; а3 - по­ристость глинистой корки на границе с фильтратом; A1 - посто­янный коэффициент.

Выражая в уравнении (1.34) скорость фильтрации через рас­ход Q площадь фильтрационного потока после интегрирования по радиусу глинистой корки, получаем уравнение для определе­ния напора в глинистой корке

J3 _У2ц(А1 + A2)Q ln Г3, (1.35)

2Nk3 m Г4

Где A2 - коэффициент, характеризующийся объемом поглощен­ного в процессе вскрытия и оборудования скважины фильтрата раствора.

43

Проницаемость глинистых?; корок при традиционных режимах вскрытия изменяется от 10 4 до 10 5 мкм. При фильтрации из пласта в типичных режимах эксплуатации возникает значитель­ный перепад давления, многократно превышаю щиИ перепад дав­ления до и за глинистоИ коркоИ. Следовательно, в процессе от­качки из пласта глинистая корка частично разрушается и обра­зуются зоны прорыва потока, в которых скорости фильтрации резко возрастают, возникает развитая турбулизация потока, спо­собствующая интенсификации суффозии через зоны прорыва.

Разрушение сплошности глинистоИ корки возникает в том случае, если напряжения в ее структуре, вызванные внешнеИ на - грузкоИ, превышают критические. Кроме этого, разрушение гли­нистоИ корки и возникновение локальных прорывов потока воз­можны только в том случае, если глинистая корка в начальныИ момент освоения не защемлена между пластом и каркасом фильтра или гравиИноИ обсыпкоИ.

В начальныИ момент откачки возмущающая нагрузка на гли­нистую корку по мощности продуктивного пласта изменяется по закону гиперболических синусов или тангенсов (рис. 1.9). В слу­чае контакта глинистоИ корки с частицами гравиИноИ обсыпки или каркасом фильтра после пластических деформациИ и уплот-

Нения структуры корки возникает реакция опоры, аналогичная по величине приложенноИ нагрузке. Фильтрации через места опоры или защемления глинистоИ корки не происходит или поч­ти не происходит. В местах, где корка непосредственно не кон­тактирует с частицами гравия или фильтром (например напротив пор), пустот гравиИноИ обсыпки, открытых каналов и перфо­рационных отверстиИ, сначала возникают существенные пласти­ческие деформации, приводящие со временем к разрыву глини­стоИ корки и прорыву потока.

Разрушение сплошности структуры корки возможно при вы­полнении условия

[тэф] > [тдоп]

Где [тэф] - напряжения, возникающие в глинистоИ корке под

ДеИствием внешнеИ нагрузки; [тдоп] - допустимые напряжения в корке, не приводящие к ее разрушению.

Напряжения, возникающие в глинистоИ корке,

(1.37)

Где F - внешняя нагрузка; S - площадь опасного сечения корки; S - площадь сечения ядра прорыва; D - диаметр порового или перфорационного канала прорыва за вычетом удвоенноИ тол­щины глинистоИ корки.

При выводе формулы (1.37) предполагалось, что ядро про­рыва имеет круглую форму с диаметром D, что справедливо при моделировании перфорационных и поровых каналов. Решая со­вместно уравнения (1.36) и (1.37), выводим выражение для оп­ределения критическоИ нагрузки, при котороИ происходит про­рыв глинистоИ корки при условноИ степени свободы или под­вижности ее структуры, характеризующеИся размером поровых или перфорационных каналов

(1.38)

Из выражения (1.38) следует, что значения критическоИ на­грузки, необходимоИ для разрыва корки, зависят в основном от размеров пустот, поровых и перфорационных каналов. С умень­шением степени свободы корки возможность ее разрушения рез­ко снижается.

В начальныИ момент откачки при создании понижения воз­мущающая нагрузка перераспределяется по мощности продук­тивного интервала во времени. На первом этапе максимальныИ

45

Перепад давления на корке наблюдается вблизи верхних интер­валов продуктивного пласта. Затем волна возмущения с верхних интервалов постепенно перераспределяется вниз, захватывая все новые зоны глинистой корки.

При возникновении перепада давления на верхних интервалах корки при ее несущественном защемлении в наиболее крупных порах обсыпки структура корки разрушается и поток устремля­ется в скважину. Постепенно разрыв структуры корки начинает наблюдаться и на более нижних интервалах. По мере распро­странения волны возмущения к нижним интервалам пласта ин­тенсивность разрывов глинистой корки снижается.

Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, уменьшается перепад давления на корке, подчиняющийся гиперсинусоидаль­ному или гипертангенциальному закону распределения по глу­бине. Во-вторых, возникшие на первом этапе возмущения сква­жины прорывы в верхних интервалах глинистой корки выпол­няют функцию дросселя, срабатывающего давление и умень­шающего общие потери напора в глинистой корке. Поэтому воз­никновение ядер прорыва корки, ее разрушения благоприятно сказывается на снижении общих потерь напора и способствует увеличению удельного дебита.

При традиционных схемах освоения пласта потенциал разру­шения глинистой корки фильтрационным потоком используется далеко не полностью. Нижние интервалы фильтрации в большей степени перекрыты глинистой коркой, разрушить которую после образования прорывов в верхних продуктивных интервалах фильтрационным потоком почти невозможно. С увеличением депрессии на пласт рост возмущающего перепада давления на корке воспринимают преимущественно верхние интервалы через уже образованные ядра прорыва. На нижних участках увеличе­ние возмущающей нагрузки не приводит к заметному росту ре­альной площади фильтрации.

Неравномерное разрушение глинистой корки по длине про­дуктивного интервала приводит к усугублению неравномерности эпюры входных скоростей по сечению потока, снижению реаль­ной площади фильтрации за счет уменьшения высоты эксплуа­тационного интервала до значений, меньших m, определяемых по формуле (1.11). В свою очередь, неравномерность притока к скважине, преимущественная фильтрация потока через ограни­ченное число каналов и пустот, свободных от глинистой корки, приводит к увеличению гидравлических потерь напора и сниже­нию удельного дебита эксплуатации.

Н. Н. Михайлов провел серию теоретических и эксперимен­тальных исследований по определению реальной величины по - 46 Терь напора в глинистой корке в общем балансе потерь напора в пласте. На рис. 1.10 показана зависимость доли перепада давле­ния, приходящейся на глинистую корку, от проницаемости пла­ста k и общего перепада давления J для необработанного и обра­ботанного КМЦ глинистого раствора. В реальных условиях под проницаемостью пласта k, контактирующего с глинистой коркой, более правильно принимать проницаемость закольматированной зоны. С увеличением проницаемости околоскважинной зоны от 0 до 1 мкм2 растет доля потерь напора в глинистой корке, которые при k = 1 мкм2 составляют уже 50 % от общего перепада давле­ния на пласт.

Дальнейшее увеличение проницаемости околоскважинной зо­ны приводит к увеличению доли потерь напора в глинистой кор­ке, хотя интенсивность роста постепенно снижается. При прони­цаемости околоскважинной зоны 1-2 мкм2 доля потерь напора в корке изменяется от 50 до 75 % от общих потерь напора в пла­сте. Увеличение проницаемости пласта (k > 2 мкм2) приводит к постепенному увеличению доли потерь напора в глинистой корке до значений 80-85 %, которые стабилизируются при проницае­мости около 4-4,5 мкм2.

Увеличение депрессии на пласт также приводит к росту доли потерь напора в глинистой корке в общем балансе потерь напора в пласте. При давлении от 0 до 2 МПа происходит наиболее су­щественный рост потерь напора в глинистой корке от 0 до 60 %. Рост возмущения более 2 МПа приводит к стабилизации доли потерь напора в глинистой корке на 70-80 % в общем балансе потерь напора в пласте.

Итак, наличие на стенках скважины слабопроницаемой гли­нистой корки может увеличить сопротивление фильтрации, сни­зить реальную депрессию на пласт до 20-40 % от возможных значений. В этой связи наличие глинистой корки ненарушенной структуры может привести к снижению удельного дебита на 50 % при понижениях до 1 МПа и на 70-80 % при увеличении воз-

Мущения до 4-5 МПа. Непропорциональное увеличение доли потерь напора, приходящеИся на корку от общего перепада дав­ления на пласт обусловлено нелинеИным характером фильтрации в глинистых породах.