Прогрессивные технологии сооружения скважин

ЭЛЕКТРООБРАБОТКА

С. П. Крайковым в XIX веке была установлена возможность преобразования структуры горных пород при воздействии на них электрическим током. Первоначально исследования сводились к изучению влияния электрического тока на структуру песчано - глинистых почв с целью повышения их продуктивности. Было установлено, что песчано-глинистые породы под воздействием электрического тока преобразуются в крупнозернистую породу с ярко выраженными улучшенными фильтрационными свойства­ми. Влияние электрического тока при обработке продуктивных пластов начали изучать гораздо позднее в некоторых организа­циях, в том числе во ВСЕГИНГЕО.

Различают методы воздействия на породу постоянным и пе­ременным электрическим током. В простейшем случае обрабаты­ваемую скважину подключают к одному электроду, а другой за­глубляют на расчетном расстоянии от обрабатываемой скважины с учетом заданного масштаба электрообработки. Между катодом и анодом возникает электрическое поле. Влияние последнего на структуру породы обусловлено электрической природой взаимо­действия дисперсных частиц горной породы с поровым раство­ром, возникновением электрических, электрокинетических, элек-

99

Трохимических и коагуляционных сил. Перегруппировка сил в породе сопровождается нарушением термодинамического равно­весия системы твердая фаза - поровый раствор, вызванного ми­грацией электрических зарядов от одного электрода к другому.

Внешнее электрическое поле взаимодействует с атомами и молекулами вещества и оказывает влияние на поведение свобод­ных и связанных зарядов. Свободные заряды под действием электрического поля перемещаются в породе и доходят до элек­тродов, где разряжаются. Процесс миграции зарядов характери­зует электропроводность. Связные заряды прочно связаны друг с другом и электрически закреплены вокруг определенных поло­жений равновесия. В электрическом поле связные заряды могут перемещаться на очень ограниченные расстояния, превращаясь в диполи. Ориентация зарядов под воздействием электрического поля представляет собой поляризацию.

Изменение структуры породы связано с массообменом со­ставных элементов, который происходит через границу раздела фаз. Минералы осадочных пород - дисперсные системы, количе­ственной характеристикой которых служит удельная поверх­ность. С ростом дисперсности увеличивается число молекул, на­ходящихся на разделе фаз и способных участвовать в массообме - не. Поэтому наиболее дисперсные породы лучше поддаются электрообработке. Молекулы на поверхности раздела фаз харак­теризуются избыточной свободной энергией, имеющей элект­рическую природу. Дисперсные минералы при воздействии на них электрического поля могут, с одной стороны, сорбировать ионы из раствора, а с другой стороны, ионы могут поступать в раствор. Ионы твердой фазы с разрядами одного знака остаются непосредственно связанными с поверхностью кристаллической решетки, а ионы с противоположными зарядами поступают в близлежащие слои жидкости.

Поступающие в раствор ионы вещества мигрируют в электри­ческом поле под влиянием электроосмоса. Мигрирующие ионы за счет сил трения вовлекают в движение и поровую жидкость, возникает осмотическая фильтрация. Этот процесс характеризу­ется коэффициентом электроосмоса, который увеличивается с интенсификацией фильтрации и ростом дисперсности системы горных пород, достигая максимума у глинистых фракций. Про­цесс изменения структуры горных пород под воздействием элек­трического поля определяется следующим:

Способностью фракций пород либо принимать, либо отдавать свои структурные элементы, в зависимости от свойств; способно­стью перемещения элементов отдельных фракций под влиянием электроосмоса. 100

Различают три стадии влияния электрического поля на струк­туру пород. На первой стадии в течении 5-20 ч электрообработ­ки происходит интенсивный электроосмос, перегруппировка ионов в поровом растворе и скелете породы, начальное агрегатирование наиболее тонкодисперсных частиц. На второй стадии при более длительном пропускании электрического тока через породы процесс агрегатирования приобретает необратимый характер. После прекращения интенсивной электрообработки процесс агрегатирования продолжается, но медленнее, что пред­ставляет собой третий этап влияния электрического поля на по­роду.

Ю. Г. Ткаченко на основании анализа опыта работ по электро­технологии и собственных исследований во ВСЕГИНГЕО уста­новил, что наиболее интенсивно происходит преобразование структур глинистых, песчано-глинистых пород, пылеватых фрак­ций песков. В глинистых породах, считающихся традиционно водоупорами, за счет электрообработки возможно получить слои­стую и даже трещиноватую проницаемую структуру. Процесс преобразования структуры пород зависит от расстояния между электродами и интенсивности электрообработки. При расстоянии между электродами в несколько метров затраты электроэнергии на 1 м3 породы составляют для глин 2 и для песков 30 кВт. При этом коэффициенты фильтрации обычно после обработки дости­гают значений 1-3 м/сут. Межэлектродные расстояния могут составлять 300 и более метров при напряжении на электродах не более 20 В и длительности воздействия до 60 сут.

Мелкие фракции пород существенно влияют на их проницае­мость. Установлено, что общая проницаемость породы соответст­вует проницаемости мелкой фракции, если ее состав находится в пределах 8-10 %. С целью улучшения фильтрационных свойств пород важно устранить влияние тонкодисперсных фракций. Это может быть достигнуто электрообработкой, при которой наибо­лее мелкие (глинистые) частицы собираются и агрегатируются в строго определенных местах, а остальное поровое пространство от них освобождается. В породе образуются зоны повышенной проницаемости, через которые осуществляется основное движе­ние потока, снижается гидравлическое сопротивление породы и появляется возможность увеличения дебита скважин.

Для выявления количественных закономерностей электрооб­работки была поставлена серия опытных работ. Были проведены опыты по выявлению влияния электрообработки на проницае­мость суглинков. Скважины были пробурены до заданного ин­тервала и обсажены 708-мм трубами с перфорацией в нижней части. Трубы выполняли функцию электродов. Центральная

101

Скважина - анод, а три скважины, пробуренные по окружности от центральной - катоды. Электрообработка проводилась посто­янным током напряжением 180 В при силе тока 18 А. Общее время опыта составило 165 ч при затратах электроэнергии 560 кВт-ч. После обработки скважины были исследованы мето­дом экспресс-откачек, который показал увеличение коэффициен­та фильтрации с 0,08 до 0,16-0,21 м/сут.

ВСЕГИНГЕО проводил исследования изменения структур мелкозернистых песков и супесей под влиянием электрообработ­ки. Для опыта была оборудована площадка размером 20x20 м, в центре которой разместили электрод в виде 168-мм трубы. По краям площадки были установлены четыре электрода в виде 108-мм труб. Центральный электрод выполнял функцию анода, а периферийные - катода. Электрообработку проводили постоян­ным током напряжением 70-180 В при плоскости тока на цен­тральном электроде 0,15-0,73 мА/см2. Общее время электрообра­ботки составило 765 ч при затратах электроэнергии 563 кВт-ч. Для проверки эффективности электрообработки опытная пло­щадка была пересечена двумя лучами скважин, которые были затем опробованы опытными откачками. Максимальный дебит был получен в скважине, пробуренной на расстоянии 1 м от ано­да и составил 0,7 л/с. В 5 м от анода скважины дали дебит 0,4 л/с. За границами площадки дебит составлял 0,12 л/с, что соответствует фоновым значениям.

Исследования грансостава пород показали, что после электро­обработки в интервале фильтров скважин на 5-10 % возросло содержание песчаных частиц за счет глинистых и пылеватых фракций. Это свидетельствовало об агрегатировании пород под влиянием электрического тока. Химический анализ воды после электрообработки показал снижение концентрации двуокиси кремния SiO2 с 45 до 0,15 мг/л. По мнению Ю. Г. Ткаченко часть растворенной в воде двуокиси кремния израсходовалась на фор­мирование кристаллических связей в породе при ее агрегатиро­вании. Скважина на полигоне «Петушки» была оборудована по­сле бурения 146-мм фильтром ФКО. При откачке сначала был получен дебит 0,15, а после освоения - 0,4 л/с. Увеличить дебит свыше 0,4 л/с традиционными методами не удалось. Проведение электрообработки при напряжении 800 В и силой тока 3 А по­зволило увеличить дебит до 0,91 л/с. Обсадная труба выполняла функцию катода, а анодом служили обсадные трубы четырех со­седних скважин. Через год откачка из скважины была повторена. Получили стабильный дебит 0,8 л/с. Понижение оставалось по­стоянным в сравнении с первоначальным. Указанный опыт сви­детельствует о длительности воздействия электрообработки на 102 Породу продуктивного пласта. Аналогичные результаты были получены на скважинах на о. Сахалин, где водопроводимость пород была увеличена с 204 до 336 м2/сут.

На полигоне «Петушки» были проведены работы по исследо­ванию изменения проницаемости юрских глин при электрообра­ботке. Обрабатывался блок объемом 12 000 м3 при общих затра­тах электроэнергии на 1 м3 породы 0,4 кВт-ч в течение 71 сут. Коэффициенты фильтрации в анодной зоне увеличились с 2,4-10 4 до 1,5-10 м/сут, а в катодной с 10 5 до 5-10 2 м/сут, т. е. на два-три порядка.

Наиболее существенное влияние на гидравлическое сопротив­ление пород и соответственно дебит скважины оказывают тонко­зернистые, пылеватые и глинистые фракции, распределенные определенным естественным образом в пластовой породе. Во ВСЕГИНГЕО были проведены опыты по оценке влияния коль­матантов мелких фракций песков на расход потока через фильт­рационную трубу.

Кольматант был представлен тонкозернистыми глинистыми песками тульского водоносного горизонта следующего грансоста - ва: частицы 0,5-0,25 мм (до 35 %), частицы 0,25-0,1 мм (до 55 %), глинистые фракции 0,01 мм - до 10 %. Основная порода была представлена однородными среднезернистыми песками. Расход через фильтрационную колонну без породы составил 80 см3/с. При установке внутри колонны на сетке слоя средне - зернистого песка толщиной 2 см расход уменьшился до 2,2 см3/с. С увеличением толщины слоя песка до 5 и 10 см рас­ход снижался прямо пропорционально до 0,84 и 0,44 см3/с соот­ветственно.

Добавление к слою песка толщиной 2 см слоя кольматанта толщиной 0,5 мм привело к снижению расхода до 0,0061 см3/с. Увеличение слоя песка при наличии кольматанта не влияло на расход, который составлял 0,0061 мл/с. Итак, присутствие даже несущественного слоя кольматанта в пласте приводит к сниже­нию расхода примерно в 300 раз. Наличие в пласте кольматанта, представленного глинистыми и пылеватыми фракциями, обу­словлено естественным строением большинства пластов и от технологических процессов сооружения скважины не зависит. Поэтому в реальных условиях важно улучшить естественные фильтрационные свойства пласта за счет агрегатирования мелких фракций, создания проницаемых трещин в слоях кольматанта. Такой эффект можно обеспечить электрообработкой.

С целью проверки этого положения в лабораторных условиях на фильтрационной колонне слой кольматанта толщиной 0,5 мм пригруженный слоем среднезернистого песка обрабатывали по-

103

Стоянным электрическим током. По мере электрообработки рас­ход через колонну увеличивался. Первоначально до подачи кольматанта расход потока через песок составил 29,4, а после кольматации породы расход снизился до 1,5 см3/с. Порода под­вергалась электрообработке при напряжении 60 В и силе тока 120 мА. Спустя 30 мин расход увеличился до 5,1, а через 145 мин - до 10 см3/с. Более длительная электрообработка к увеличению расхода свыше 10 см3/с не привела. Увеличение расхода в опыте объясняется структурообразованием кольматан­та, агрегатированием глинистых и пылеватых частиц.

Для электрообработки можно использовать вертикальную и горизонтальную схемы расположения электродов. Вертикальная схема наиболее проста, так как не требует бурения вспомога­тельных скважин под электроды. Функцию одного электрода вы­полняет обычно обсадная колонна, зацементированная до кровли продуктивного пласта, а второго электрода - специальный за­бурник в подошве пласта.

Вертикальная схема применялась при электрообработке мело­вых песков с характерными коэффициентами фильтрации 0,11­0,16 м/сут. Экспресс-опробование скважин показало их инерци­онность в пределах 2500-3000 с, характеризующей низкую про­ницаемость пород. Электрообработка проводилась при силе тока 18-20 А и напряжении 110-115 В в течение 258 ч. Общие за­траты электроэнергии составили 550 кВт-ч. Опробование сква­жин показало увеличение коэффициента фильтраций с 0,11 до 0,14 м/сут, т. е. на 27 %. Относительно низкая эффективность увеличения проницаемости пород при вертикальной схеме объ­ясняется несущественной по масштабу зоной электрообработки, ограниченной околоскважинной областью. По-видимому, верти­кальная схема электрообработки эффективна при декольматации после вскрытия пласта и его глинизации. В этом случае зона электрообработки может соответствовать размеру зоны кольма­тации. Существенного влияния на фильтрационные параметры пласта вертикальная схема электрообработки не оказывает.

С целью повышения фильтрационных свойств пласта, вклю­чая его отдаленные участки, применяют горизонтальную схему электрообработки, которая предполагает использование цен­тральной скважины в качестве электрода одного знака, а сква­жин, пробуренных по контуру обрабатываемой площадки, - другого. При подключении электродов к противоположным по­люсам источника тока в пласте создается электрическое поле, обусловливающее преобразование структуры породы, агре­гатирование мелких, тонких и глинистых фракций. Оконтури - вающие электроды могут заглубляться на несколько метров или 104 Перекрывать продуктивный пласт - на всю мощность. Последняя схема более предпочтительна, так как позволяет создать равно­мерное электрическое поле в обрабатываемой зоне. Была опробо­вана анодная горизонтальная схема электрообработки, при кото­рой центральная скважина выполняла роль анода, а оконтури - вающие скважины - катодов. Анодная обработка, в отличие от катодной (центральная скважина выполняет функцию катода), сопровождается более интенсивным агрегатированием тонко­дисперсной фазы в центральных участках обрабатываемого бло­ка. Электрообработку осуществляли при напряжении 100-105 В и силе тока 5-6 А. Всего провели шесть циклов электрообработ­ки за 6,5 ч. Затраты электроэнергии составили 4 кВт-ч. Электро­обработку сочетали с откачкой, при которой визуально наблю­дался вынос тонкодисперсных частиц из скважины. Коэффици­ент фильтрации пород при опробовании после электрообработки вырос с 0,15 до 0,5 м/сут.

Максимальное увеличение проницаемости было зафиксирова­но экспресс-методом, показавшим снижение инерционности по постоянной времени с 3000 до 13,44 с или повышение фильтра­ционных параметров в 223 раза. По-видимому, полученные дан­ные рано распространять на весь пласт, так как они характерны для околоскважинной зоны, которую в основном и охватывают экспресс-методы при опробовании.

На соседнем блоке горизонтальная схема электрообработки проводилась при напряжении 265-270 В и силе тока 47-28 А. После электрообработки провели откачку из центральной сква­жины, в процессе которой наблюдался вынос песка при расходе 0,3 л/с и понижении 3,6 м. При опытно-фильтрационных работах был получен коэффициент фильтрации пород 3,16 м/сут, т. е. в 20 раз больший, чем до электрообработки.

В околоскважинной зоне повышение фильтрационных пара­метров было еще более заметным. Параметр инерционности сни­зился с 2500 до 10,31. Это свидетельствует о повышении фильт­рационных параметров скважины в 242 раза.

Горизонтальная схема электрообработки была применена для обработки глубокозалегающих пылеватых песков плывунного типа фракции 0,01-0,02 мм на юге Молдовы. Мощность пласта составляла 8,5 м при залегании в интервале глубин 158-166,5 м. В кровле и подошве залегали алевритистые глины. Водопрони­цаемость горизонта составляла около 10 м2/сут. Центральная скважина была оборудована 168-мм проволочным фильтром с последующей гравийной обсыпкой. На определенном расстоянии от центральной были пробурены вспомогательные электродные скважины, в которые установили 89-мм электроды длиной 9 м. В

105

Качестве провода использовали кабель марки ВПП-10. На пло­щадке ранее были пробурены наблюдательные скважины. Источ­ником электроэнергии служила электростанция АД-60, от кото­рой ток напряжением 380 В подавался на понижающий транс­форматор типа АДД-303 и далее на систему выпрямителей на базе вентилей типа ВК-500 м радиаторами охлаждения. На вы­ходе с выпрямителей снимался постоянный ток напряжением 60 В.

Перед электрообработкой провели опробование центральной скважины, при котором получили дебит 1 л/с при динамическом уровне 101,5 м и понижении 21,2 м.

Электрообработка пород водоносного пласта проводилась при непрерывной откачке на протяжении 11 сут с небольшими пере­рывами на техническое обслуживание электростанции. Электро­ды располагались на расчетном расстоянии от центральной скважины, которая во избежание повреждения фильтра к источ­нику тока не подключалась.

При напряжении 60 В и силе тока 30 А время электрообра­ботки составило 168, а затраты электроэнергии - 302 кВт-ч. В процессе откачки дебит оставался постоянным в пределах 1 л/с, а динамический уровень и понижение постепенно умень­шались соответственно с 101,5 до 94,5 и с 21,2 до 14,2 м. В на­блюдательных скважинах также отмечалось поднятие динамиче­ского уровня, свидетельствующее об улучшении фильтрацион­ных свойств пласта. Удельный дебит центральной скважины по­сле электрообработки вырос от 0,05 до 0,08 л/с, т. е. в 1,6 раза, а водопроводимость пород увеличилась от 10 до 22 м2/сут.

В процессе электрообработки существенно изменился состав пластовых вод. Например, в одной из скважин после 165 ч элек­трообработки процентное соотношение фракций уменьшилось (в %): глинистых частиц (фракции 0,001-0,005 мм) с 8 до 4; пы- леватых частиц (фракция 0,005-0,05 мм) с 30 до 13; тонкодисперсных фракций песка (0,05-0,1 мм) с 40 до 38.

Средний диаметр частиц увеличился с 0,05-0,06 до 0,18 мм, т. е. примерно в 3 раза. Полученные результаты по изменению грансостава считаются характерными для электрообработки и эти соотношения можно использовать для качественной оценки из­менения структуры пород при подборе фильтров.