Прогрессивные технологии сооружения скважин

КОНСТРУЦИЯ ЗАБОЯ

Конструкция скважины (в интервале продуктивного пласта) или забоя определяет характер движения потока в околосква­жинной зоне, сопротивление и гидродинамическое несовершен-

Ство приемной части. Конструкция забоя выбирается исходя из свойств пород продуктивного пласта, вышезалегающих пород кровли, неоднородности разреза, способа вскрытия пласта, назна­чения скважины и планируемых режимов эксплуатации.

Каждая конструкция должна выбираться исходя из макси­мального гидродинамического совершенства скважины при за­данных условиях расположения в пласте и эксплуатации.

Наиболее просты в исполнении бесфильтровые конструкции забоев (рис. 3.1, а, б, в, г). Если суффозии сложно избежать за счет бесфильтровой конструкции, то целесообразно оборудовать скважину фильтрами (рис. 3.1, д, E) или фильтрами в сочетании с гравийной обсыпкой и различной формой приемной каверны (рис. 3.1, ж, з, и, к). В некоторых случаях рекомендуется закреп­лять породы продуктивного пласта или гравийной засыпки раз­личными типами накопителей (рис. 3.1, л, м).

Бесфильтровые скважины сооружаются в устойчивых породах и слабосцементированных песках. В слабосцементированных по­родах бесфильтровые скважины сооружаются при наличии ус­тойчивой кровли (см. рис. 3.1, а). Скважину бурят и закрепляют обсадной колонной до кровли продуктивного пласта. После ОЗЦ вскрывают пласт на несколько метров, приподнимают бурильную колонну до достижения долотом уровня башмака обсадной ко­лонны и продолжают промывку без вращения инструмента. Монтируют эрлифт и начинают строительную откачку, при ко­торой песок из продуктивного пласта выносится и под кровлей формируется конусообразная воронка. При строительной откачке из пласта вместе с песком выносится кольматант, поступивший туда при вскрытии и промывке. Встречаются случаи, когда при формировании воронки на поверхность выносится, до 200 м3 песка. Очевидно, что в таких случаях практически весь кольма­тант удаляется из скважины и конструкцию забоя можно считать совершенной по характеру вскрытия и параметр Z2 в формуле (1.32) можно считать равным нулю.

С увеличением размеров воронки дебит скважины растет. Поэтому целесообразно создать в пласте воронку размеров, максимально возможных из условия устойчивости к обрушению кровли. Производительность скважины определяется совокуп­ностью геологических, гидрогеологических, технических и техно­логических факторов.

К геологическим факторам, влияющим на возможную резуль­тирующую производительность, относятся прежде всего свойства пород (крепость, мощность и трещиноватость пород кровли, ве­личины горного и гидростатического давления на кровлю), опре­деляющих устойчивость кровли при эксплуатации с заданным

Понижением. С ростом крепости, мощности пород кровли и гид­ростатического давления на нее появляется возможность увели­чения размеров воронки, а значит и дебита. Степень трещинова - тости и горное давление на кровлю ограничивают возможность создания воронки повышенных размеров.

К гидрогеологическим факторам, определяющим производи­тельность бесфильтровой скважины, относят тип песков продук­тивного пласта, их фильтрационные и пьезопроводные свойства, пластовое давление. Улучшение фильтрационных свойств пласта, наблюдающееся с ростом фракционного состава пород, и повы­шение пластового давления благоприятно сказываются на ре­зультирующей производительности откачки.

Технические факторы, ограничивающие производительность бесфильтровой скважины, - это тип и рабочие характеристики насосно-компрессорного оборудования, используемого для строи­тельной откачки. Обычно для формирования воронки бесфильт­ровой скважины рекомендуют использовать высокопроизводи­тельное компрессорное оборудование. Для промывки скважины целесообразно применять насосы типа НБ-125. Обычно на прак­тике геологоразведочные и строительные организации таким оборудованием не комплектуются, поэтому необходимо учиты­вать технические возможности откачного оборудования при формировании приемной воронки. Применение для строительной откачки оборудования недостаточной мощности приводит к не­обходимости расчета дебита не исходя из потенциала пласта в совокупности степенью устойчивости кровли, а с учетом техни­ческих возможностей оборудования.

К технологическим факторам, влияющим на производитель­ность бесфильтровой скважины, относят способ и режимы вскрытия продуктивного пласта, время контакта породы с про­мывочной жидкостью и цементным раствором, несовершенство скважины по характеру и степени вскрытия и рабочее пониже­ние. В процессе формирования воронки закольматированная порода выносится из скважины и естественная проницаемость пласта восстанавливается в околоскважинной зоне при дли­тельном контакте глинистых и других промывочных жидкос­тей с породой, однако значительных репрессий (даже при попадании в пласт цементного раствора) полного восстанов­ления проницаемости не происходит. Особенно это характерно для методов искусственного крепления кровли цементным раствором.

В случае соблюдения технологического процесса при крепле­нии скважины и вскрытии пласта раскольматацию можно счи­тать полной и несовершенством скважины по характеру вскры­тия можно пренебречь. В общем случае дебит бесфильтровой скважины

А _ п km J tg А _ п kh J (3 1)

ЦІ lnRR + Z1 1 ЦІlnRR + Z1

Где а - угол естественного откоса песков под водой, находя­щийся в пределах 20-30°; R - радиус влияния скважины; R - радиус воронки; H - глубина воронки.

При выводе формулы (3.1) предполагалось, что в пласте на­блюдается плоскорадиальная фильтрация и только в околосква­жинной зоне происходит искривление линий тока к воронке. До­полнительное сопротивление, обусловленное искривлением ли­ний тока вблизи воронки, учитывается коэффициентом несовер­шенства скважины по степени вскрытия. За счет высокого несо­вершенства по степени вскрытия, наблюдающегося особенно в мощных пропластках, производительность скважины может су­щественно снижаться. По данным В. С. Алексеева, бесфильтровые скважины не могут считаться идеальным водоприемником из-за высокого несовершенства по степени вскрытия несмотря на гораздо большую фильтрующую поверхность.

Зависимость (3.1) предполагает почти линейную связь между дебитом и радиусом воронки. Под знаком логарифма влияние радиуса на дебит, с одной стороны, весьма незначительное, а с другой стороны, дебит скважины можно выразить через скорость фильтрации и площадь сечения воронки.

Рассмотрим процесс формирования воронки. При вскрытии пласта и пуске строительной откачки размер водоприемной во­ронки минимален, скорости фильтрации высоки и из скважины выносится песок любой фракции. При разработке каверны ско­рости фильтрации уменьшаются и интенсивность выноса песка снижается. Песчаные частицы выносятся из скважины в том случае, когда скорость фильтрации на поверхности воронки пре­вышает критические. Каждый пласт сложен частицами опреде­ленного гранулометрического состава или характерного диаметра, которому соответствует своя критическая скорость фильтрации, приводящая к выносу частиц со свободной поверхности откоса. В процессе откачки на поверхности каверны наблюдаются посто­янные (для любого интервала) скорости фильтрации из пласта, соответствующие гидравлической крупности частиц песка на от­косе.

В этом случае дебит бесфильтровой скважины при строитель­ной откачке

_ ркр п r 2

А —, (3.2)

Cos a

Где Vkp - критические скорости фильтрации из пласта.

Зависимость (3.2), полученная логическим путем, предпола­гает квадратичную связь между дебитом и радиусом воронки или линейную связь между дебитом и площадью фильтрации. При выводе формулы (3.2) допускалось, что воронка бесфильтровой скважины имеет конусообразную форму. Однако в верхней и данной части воронки наблюдается несущественное выполажива - ние склонов. Многочисленными экспериментами установлено, что для практических расчетов отклонением формы воронки от конусообразной можно пренебречь.

Если в формуле (3.2) учитывать критическую скорость фильтрации с откосов окр, то получим предельно возможный де­бит без пескования с заданным понижением. На практике реко­мендуют осуществлять строительную откачку с дебитом, на 25­30 % превышающим проектный. Для проектного дебита в каче­стве расчетной формулы следует использовать выражение

А _ 0,7^. (3.3)

Cos a

В формулах (3.2) и (3.3) присутствует радиус воронки r, ко­торый в процессе строительной откачки определяется из объема вынесенного песка, обязательно контролируемый. Радиус сфор­мировавшейся при откачке бесфильтровой воронки через объем вынесенного песка W выражается следующим образом

R _Й^. (3.4)

п tg a

Значения критических скоростей фильтрации, при которых начинается суффозия, и углы естественного откоса для типовых песков продуктивных пластов представлены в табл. 3.1.

Полученные выражения для определения дебита бесфильтро­вой скважины справедливы только для установившегося режима эксплуатации, т. е. при обеспеченности месторождения ресурсами. Поэтому использовать в расчетах можно только дебиты строи­тельной откачки и размеры воронок, полученные в установив­шемся режиме.

В некоторых случаях приходится не дожидаться установивше­гося режима при строительной откачке, так как это может занять много времени, а воронка требуемых размеров уже сформирова­лась. В таких условиях целесообразно связать возможную произ­водительность скважины с фильтрационными параметрами пла­ста. Уравнение (3.1), учитывающее связь дебита и коэффициента фильтрации пласта, характеризуется неопределенностью, которая выражена в параметре несовершенства по степени вскрытия Zi. Кроме того, выражение (3.1) не имеет строгого физического смысла, так как дебит явно не зависит от площади фильтрацион­ной поверхности каверны. Отмеченная неопределенность объяс­няется неправильно выбранными предпосылками о наличии в пласте при эксплуатации бесфильтровой скважины плоскоради­альной фильтрации. По-видимому, при водоприемной поверхно­сти в виде воронки градиент фильтрации в любой точке пласта будет направлен к воронке, а точнее к ее верхней части, близле­жащей к основанию. Поэтому поток будет иметь радиально-сфе- ричное направление, а не плоскорадиальное. Это положение под­тверждается формой воронки, поверхность которой совпадает с изогипсой постоянного давления в пласте при откачке, которая перпендикулярна направлению фильтрации.

Решая уравнение для радиально-сферичного притока и бес­фильтровой скважины, получаем следующее выражение для ус­тановившегося режима фильтрации:

А _ , (3.5)

_R___ 1

R Їр R

Где M - мощность пласта; Гпр - приведенный радиус воронки.

Выражение (3.5) не включает параметр несовершенства сква­жины по степени вскрытия, так как при радиально-сферичном направлении потока он теряет свой смысл. В выражение (3.5) входит приведенный радиус воронки, который не соответствует ее истинному радиусу. Замена истинного радиуса на приведен­ный вызвана удобствами интегрирования при такой замене. При­веденный радиус воронки рекомендуется выражать через истин­ный радиус по формуле

Гтр - 0,71h = 0,71r tga. (3.6)

■y/tg a sin a - y/tg a sin a

Для нестационарного режима фильтрации величина радиуса влияния скважины считается величиной переменной и зависит от времени с начала откачки. Радиус влияния определяется с точностью до 8-10 % по формуле

R - 1,5^/at, (3.7)

Где а - коэффициент пьезопроводности, T - время с начала от­качки.

Подставляя равенства (3.6) и (3.7) в уравнение (3.5), полу­чаем выражение для определения дебита бесфильтровой сква­жины в процессе строительной откачки при нестационарном ре­жиме фильтрации

Q -7-------- 2nKmJ t. (3.8)

1,5ц^/At tg a sin a

0,71rtga

При формировании воронки в нестационарном режиме сле­дует учитывать, что для поддержания постоянного дебита сле­дует постоянно увеличивать понижение. Поэтому получив в про­цессе строительной откачки относительно высокий дебит при нестационарном режиме, нельзя по нему рассчитывать проект­ный дебит. Уменьшив дебит строительной откачки на 25-30 %, как это делается обычно при проектировании дебита скважин без фильтров, при увеличении радиуса влияния скважины и пере­ходе к стационарному режиму будет наблюдаться снижение про­изводительности скважин. При выборе проектного дебита бес­фильтровой скважины и разработке воронки определенных раз­меров следует обязательно предусматривать снижения дебита при переходе к стационарному режиму эксплуатации до стабили­зации радиуса влияния.

Один из основных технологических параметров формирова­ния бесфильтровой скважины - время с начала откачки при оп­ределенном дебите и понижении. Рациональное время строи­тельной откачки может быть определено по формуле, получен­ной из выражения (3.8),

0,224R2 L + 2nkmJ12 au2 cos a ^ Q )

В выражении (3.9) дебит скважины определяется из формулы (3.3), а радиус сформировавшейся воронки - по объему выне­
сенного песка из уравнения (3.4). Решая равенство (3.8) относи­тельно радиуса сформировавшейся воронки, обеспечивающей заданный дебит, имеем

. аЦ2 cos at ,„ , „-.

Г =------------------------ -2. (3.10)

0,224 І1 + 2nkm j

Сопоставляя выражения (3.10) и (3.4), определяем заданный объем песка, который следует извлечь из скважины при строи­тельной откачке для получения дебита Q, т. е.

2

Ац cos aT

0,224|1 + 2nkm j2

Уравнение (3.8) позволяет рассчитывать дебит бесфильтровой скважины, исходя из гидрогеологических условий месторожде­ния, а выражения (3.9), (3.10) и (3.11) - правильно выбрать тех­нологический процесс откачки.

В процессе строительной откачки, когда величина радиуса влияния не стабилизировалась на проектной величине, важно обеспечить дебит, превышающий проектный. Это обусловлено тем, что со временем и распространением воронки депрессии в пространстве дебит, согласно уравнению Тейса, снижается. Для обеспечения Проектного дебита Q^ в процессе строительной от­качки, начатой T время назад, нужно получить дебит не ниже

Q = Q щ, R- Гщ> . (3.12)

V1,5At - Гїр

Дебит строительной откачки определяется через форму во­ронки и критическую скорость потока (3.3), поэтому можно оп­ределить проектный дебит, который будет получен, если завер­шить строительную откачку через время T и дебитом Q,

QПр = - гїр. (3.13)

Cos a R - Гїр

Возможный дебит бесфильтровой скважины ограничивается не только гидрогеологическими особенностями месторождения, техническим оснащением откачки, но и необходимостью обеспе­чения стабильной устойчивой работы воронки в процессе экс­
плуатации. При откачке высока вероятность обрушения вышеза - легающих пород кровли, что приводит к перекрытию продуктив­ного интервала слабопроницаемыми породами, резкому сниже­нию дебита, пескованию и выходу из строя водоподъемного обо­рудования. Обрушение кровли - наиболее опасный вид ослож­нений в процессе сооружения и эксплуатации бесфильтровых скважин. Обрушение может происходить и после строительной откачки из-за смены режимов эксплуатации, незначительной суффозии и продолжающегося процесса формирования воронки. Поэтому необходимое условие сооружения бесфильтровых сква­жин - наличие кровли, сложенной плотными породами, которые устойчивы к обрушению.

Полость будет устойчива, если ее радиус не превышает кри­тических размеров. Критический радиус воронки бесфильтровой скважины определяется из условия

(3.14)

Где Н - естественный напор продуктивного пласта, J - пони­жение, f у - соответственно коэффициент крепости и объемный вес пород кровли.

Коэффициент крепости F для относительно слабых горных пород вычисляют по формуле Л. И. Барона

(3.15)

Где тсж - предел прочности пород на одноосное сжатие.

Радиус сформированной воронки контролируется на поверх­ности по объему вынесенного на поверхность песка в соответст­вии с выражением (3.4).

Исходя из условия обеспечения устойчивости кровли, опреде­ляем критическую величину объема вынесенного на поверхность песка, после достижения которого следует прекратить откачку

П tg a(H - S)3 f

3y 3

Согласно теории М. Н. Протодьяконова, при формировании воронки в пласте в кровле развивается параболический свод об­рушения, что тоже должно учитываться при анализе бесфильтро­вой скважины на устойчивость. Рекомендуется для определения минимально допустимой мощности пород кровли тк использо­вать условие

Тк = 1,43 L.

Бесфильтровые скважины успешно сооружаются в некоторых регионах страны. Производительность скважин с данной конст­рукцией забоя существенно выше, чем любых других в аналогич­ных условиях. Эксплуатация бесфильтровых скважин отличается стабильностью дебита в течение длительного срока.

По технологии В. М. Белякова впервые были сооружены бес­фильтровые забои в глубоких скважинах. Получены повышенные эксплуатационные параметры скважин.

Несмотря на явные преимущества бесфильтровых конструк­ций забоев, обеспечивающих высокие эксплуатационные пара­метры при минимальных затратах и простоте выполнения техно­логических операций, они не получили широкого распростране­ния на практике. Это объясняется тем, что для успешного со­оружения бесфильтровых скважин необходимо наличие устойчи­вой кровли, которая предохраняет воронку от обрушения. К сожалению, такими условиями характеризуются ограниченные месторождения, распространять технологию сооружения бес­фильтровых забоев следует после проведения опытно-мето­дических работ. В некоторых случаях там, где нет гарантии устойчивой кровли, рекомендуется обеспечить ее искусственное поддержание. Искусственно поддержать кровлю можно путем создания под ней специальных экранов либо заполнения полости наполнителем.

Создание экранов для искусственного поддержания кровли сводится после сформирования воронки промежуточного объема к закачке в нее цементных или других растворов, которые со временем приобретают необходимую прочность. После крепления скважины вскрывают пласт и начинают строительную откачку, формируют каверну расчетного объема. В воронку закачивают цементный раствор. После ОЗЦ строительную откачку продол­жают и формируют воронку уже под сформировавшимся це­ментным конусом.

При закачке раствора в полость цементный раствор прини­мает форму воронки, т. е. имеет угол наклона к кровле, соответ­ствующий углу естественного откоса песка. При откачке и даль­нейшей разработке воронки она формируется также под естест­венным углом откоса и распространяется в глубь пласта от скважины.

На отдаленных участках цементная подушка отсутствует и поддержки кровли не обеспечивается. Поэтому при создании эк­ранов для поддержки кровли существенного увеличения ее ус­
тойчивости достичь не удается. Кроме этого, долговечность ра­боты экранов со временем снижается, что может привести к об­рушению воронки. Следовательно, применение специальных эк­ранов может быть эффективно лишь для укрепления устойчивой кровли с целью повышения надежности и стабильности эксплуа­тации.

Иногда рекомендуется после сформирования воронки запол­нять ее наполнителем (гравий или щебень). Наполнитель подают в скважину в процессе строительной откачки. Мелкие частицы пластового песка выносятся из скважины, а крупные оседают и заполняют воронку. Заполнение воронки наполнителем происхо­дит под углом его естественного откоса.

При этом отдаленные участки каверны (наиболее продуктив­ные) оказываются незаполненными наполнителем. Поэтому под­держания кровли на отдаленных участках каверны при традици­онной схеме заполнения воронки происходить не будет и сква­жина будет работать не как бесфильтровая, а как бы с донным гравийным фильтром.

Русбурмаш рекомендует технологию заполнения периферий­ных и наиболее продуктивных интервалов каверны наполните­лем. Суть ее заключается в продавливании порций наполнителя буферной жидкостью в пласт при полном поглощении фильт­рата. Гидродинамическое давление потока при поглощении бу­ферной жидкости способствует транспортировке частиц накопи­теля к стенкам каверны и заполнению отдаленных полостей. Для обеспечения нагнетания наполнителя после его подачи на забой устье скважины герметизируют специальным переходником, со­единяющимся с насосом или цементировочным агрегатом. В скважину после продавливания наполнителя в пласт рекоменду­ется досыпать наиболее крупные фракции и возобновить от­качку. Откачку следует проводить незамедлительно из-за повы­шенной вероятности кольматации пласта при нагнетании буфер­ной жидкости.

Методы закрепления каверны искусственным поддержанием кровли обеспечивают положительный результат только в том случае, когда первоначально кровля уже была относительно ус­тойчива и дополнительное крепление необходимо для несущест­венного увеличения дебита, надежности и стабильности эксплуа­тации.

Надежность и стабильность эксплуатации бесфильтровых скважин понятие относительное и на практике часты случаи, ко­гда ранее считавшиеся устойчивыми породы обсыпались, что приводило к выходу скважин из строя. Поэтому большинство производственных организаций (за исключением ограниченных

Регионов) предпочитают даже в перспективных условиях заме­нять бесфильтровые конструкции забоев на фильтры в сочетании с гравийной обсыпкой, чтобы обезопасить скважину от непред­виденного выхода из строя.

Бесфильтровые конструкции скважин характеризуются наи­лучшими эксплуатационными характеристиками, а их сооруже­ние просто и доступно специалистам. Рекомендовать бесфильт­ровые конструкции забоев в рыхлых породах при наличии ус­тойчивой кровли можно только в тщательно проверенных усло­виях после проведения разведочных и опытно-методических ра­бот по оценке устойчивости кровли при различных режимах экс­плуатации, размерах полости и т. д.

Высокие эксплуатационные параметры скважин без фильтров и простота технологических приемов по их сооружению стиму­лировали поиск возможных путей сооружения скважин без фильтров в слабосцементированных песках без устойчивой кровли. Впервые на гидродинамической модели С. В. Комисса­ровым было установлено, что при откачке в песках вокруг дыр­чатых водоприемников определенной конфигурации формиру­ются устойчивые полости. Фильтрационный лоток заполняли песком, а фильтр имитировали дырчатым патрубком с различной комбинацией отверстий. После откачки и выноса определенного объема песка фильтр и зафильтровое пространство заполнялось парафином. Полученные слепки свидетельствовали о том, что в песках могут формировать полости, по своей форме напоминаю­щие гриб. Некоторые полости имели направленные под углом 35-70° к оси скважины фильтрационные каналы, имеющие су­щественную протяженность.

Ю. В. Архидьяконским проведено около тысячи опытов по формированию устойчивых полостей в песках без фильтров и устойчивой кровли. В процессе экспериментов установлено, что развитие фильтрационных каналов по направлению совпадает с поверхностью наибольших напряжений вокруг скважины от гор­ного давления. Поэтому при откачке поверхность фильтрацион­ного канала считается опасным сечением, в котором происходит разрушение связей между частицами, а движущийся лоток выно­сит их на поверхность.

При формировании грибообразных полостей было замечено, что слепки имеют ярко выраженную форму тел вращения. На основании этого был сделан вывод, что необходимое условие формирования бесфильтровых полостей в песках без устойчивой кровли - специальная конструкция водозахватного устройства, обеспечивающего движения потока в затрубном пространстве от кровли к подошве пласта. При таком направлении движения по­тока (по аналогии со стоком в обычной ванне) происходит за­кручивание потока и в песке формируется грибообразная во­ронка.

Полученные на моделях и экспериментальных скважинах бесфильтровые полости свидетельствуют о возможности соору­жения таких типов забоев. Однако дебиты полученных полостей соизмеримы с дебитами скважин с фильтрами, а чаще уступают им. В процессе проведения опытов наблюдались неоднократные обрушения полостей, предсказать которые заранее не удавалось. Это все свидетельствует о том, что, прежде чем рекомендовать данную конструкцию забоя к внедрению в практику, следует четко отработать технологию их сооружения с целью выяснения условий сооружения и эксплуатации каверны, при которых га­рантирована устойчивость конструкции от обрушения.

Для обеспечения захвата воды снизу вверх Ю. В. Архидьякон­ским разработаны несколько типов водозахватных устройств. Наиболее простое заключается в спуске до интервала на 0,5-1 м выше подошвы продуктивного пласта обсадной колонны с от­крытым нижним торцом. В процессе работы такого устройства поток будет стремиться из любой точки пласта к подошве под заборным отверстием. Вблизи скважины поток стремится дви­гаться сверху вниз и по законам гидравлики будет закручи­ваться. В процессе формирования полости на начальном этапе из скважины будет выноситься песок. Далее, при наборе закручи­вающимся потоком определенной угловой скорости, вынося­щиеся из радиальных каналов частицы под действием центро­бежных сил будут смещаться и откладываться на откосах. По мере развития радиальных каналов объем вынесенных из них частиц увеличивается. Вынесенные из радиальных каналов час­тицы откладываются на боковой поверхности вращения полости и со временем происходит ее сужение.

Сужение поперечного сечения полости приводит к интенси­фикации закручивания потока, возрастанию центробежных сил и прекращению пескования скважины. Развитие радиальных кана­лов возможно только до тех пор, пока вынесенные частицы имеют возможность откладываться на склонах воронки. Если площадь поперечного сечения воронки уменьшается, т. е. откла­дывание частиц затрудняется, то в каналах образовываются пробки, при которых резко снижается расход, возрастает гидрав­лическое сопротивление и в системе скважина - пласт возникает гидравлический удар, приводящий к обрушению развившейся полости.

В процессе развития воронки важно вовремя предотвратить вынос песка из радиальных каналов, сформированных в верхней

Части полости. Гидродинамическими методами (снижение дебита скважины в сравнении с дебитом строительной откачки) предот­вратить вынос песка из неравномерных по форме и водообильно - сти каналов сложно, а тем более предохранить их от обрушения, в реальных условиях это невозможно. Поэтому автором предла­гается технология заполнения сформированных радиальных ка­налов гравием (рис. 3.2).

Заполнить каналы гравием можно только при нагнетании гра­вийной смеси в скважину и полном поглощении фильтрата пла­стом. Сформировавшиеся радиальные каналы и наиболее водо - обильные участки каверны выполняют функцию своеобразных пластовых дрен. При нагнетании смеси в скважину радиальные каналы характеризуются максимальной приемистостью и погло­щение фильтрата в них особенно интенсивно. Фильтрационный поток по радиальным каналам в глубь пласта приводит к ком­пактному заполнению их пространства гравием. После этого ка­налы сохраняют высокую проницаемость, а также предохранены от обрушения при любых режимах эксплуатации.

Для нагнетания гравийной смеси в пласт рекомендуется ис­пользовать специальное смесительное и насосное оборудование. Рациональные концентрации смесей (в зависимости от типа жидкости носителя) изменяются от 10 до 35 %.

Для обеспечения захвата потока снизу вверх можно использо­вать не только донные водоприемники, но и трубы с боковыми отверстиями. Очень важно, чтобы эти отверстия располагались в близлежащих к подошве интервалах пласта.

В устойчивых породах проблема выноса песка как типовая не стоит и конструкция забоя должна обеспечить получение про-

Ектного дебита. На рис. 3.1, в показана конструкция открытого забоя, рекомендуемая для устойчивых продуктивных пластов трещинного типа.

Вышезалегающие породы кровли закрепляются обсадной ко­лонной. Пласт вскрывают долотом расчетного диаметра, обеспе­чивающего проектный дебит Q. Диаметр скважины в зоне про­дуктивного пласта

D = AQ/M, (3.18)

Где a - коэффициент, характеризующий свойства пласта; M - мощность вскрытой части пласта.

Значения коэффициента a для различной степени трещинова - тости пород приведены ниже.

Степень трещиновато-.

Сти пород...................... Сильнотрещино - Трещиноватые Слаботрещинова-

Ватые тые

A.................................... 30-50 50-70 70-90

С целью улучшения проницаемости околоскважинной зоны могут быть применены разные виды кислотных, реагентных и других обработок. Положительные результаты обычно дает гид­роразрыв.

При повышении давления на пласт (при гидроразрыве) есте­ственные трещины расширяются и повышается приемистость пласта. Раскрывшиеся трещины заполняют песком или гравием во избежании их закрытия при снятии нагрузки на пласт. При­менение гидроразрыва позволяет увеличить коэффициент a до 50-90. '

Формула (3.18) получена эмпирическим путем на базе ана­лиза многочисленных практических данных. Характерно, что де­бит в ней прямо пропорционален диаметру скважины - это про­тиворечит теоретическим формулам. Более существенная связь дебита от диаметра, чем это предполагается теоретически, пока­зывает реальную возможность повышения эксплуатационных характеристик скважины. С целью снижения металлоемкости конструкции может быть рекомендовано расширение пилот-ство­ла в интервале продуктивного пласта из-под башмака обсадной колонны меньшего диаметра.

При бурении скважин на нефть и газ распространена конст­рукция забоя, предусматривающая крепление скважины в интер­вале продуктивного пласта обсадной колонной с последующей ее перфорацией (см. рис. 3,1, г). Указанная конструкция чаще ис­пользуется в устойчивых трещиноватых породах, когда песко - проявлений можно избежать без применения специальных

Фильтров. Конструкция характеризуется простотой исполнения и повышенным гидродинамическим несовершенством из-за малой скважности и глубины вскрытия пласта перфорацией. Известны методы промывки заколонного пространства с целью гидравли­ческой сбойки отдельных перфорационных каналов, разработки каверны.

При повышенной трещиноватости рекомендуется провести гидроразрыв для предотвращения выноса твердой фазы из сква­жины в процессе эксплуатации. При пониженной трещиновато­сти пород гидроразрыв обеспечивает раскрытие естественных трещин и повышение фильтрационных свойств околоскважинной зоны.

В сильно трещиноватых и обломочных породах при относи­тельной устойчивости ствола возможно поступление в скважину незначительного объема породы при эксплуатации. В целях пре­дотвращения заполнения ствола скважины породой в нее уста­навливают перфорированный каркас (см. рис. 3.1, д). Часто пер­форированные каркасы используют и в устойчивых породах (см. рис. 3.1, г). С одной стороны, ствол с повышенной надежностью предохраняется от заполнения породой, а с другой стороны, уп­рощаются работы по проведению расходометрии, свабированию и других методов исследования и обработки скважины.

В неустойчивых породах, песках, гравийных отложениях для предотвращения суффозии в интервале продуктивного пласта устанавливают фильтры. Скважину обычно закрепляют до кровли продуктивного пласта обсадной колонной. Вскрывают пласт, после чего в заданный интервал устанавливают фильтро­вую колонну, состоящую из башмака, фильтра и надфильтровой трубы. Последняя может быть выведена на поверхность и вы­полнять одновременно функцию эксплуатационной колонны, а может заканчиваться пакером или сальником, раскрепленным в обсадной колонне. В последнем случае установка фильтра назы­вается впотай и функцию эксплуатационной колонны выполняют обсадные трубы. Конструкция забоя, предусматривающая уста­новку фильтра в интервале продуктивного пласта, показано на рис. 3.1, е. Диаметр фильтра определяется по формуле (3.18), а диаметр бурения принимается на 30-50 мм больше. Коэффици­ент a для тонкозернистых песков принимается 70^90, для мелко - и среднезернистых a = 50^70, а для крупнозернистых песков и гравия a = 30^50.

Если продуктивный пласт сложен глинистыми, пылеватыми, тонко - и мелкозернистыми песками, то обычный фильтр не обес­печивает предупреждения выноса песка из скважины (особенно при высоких скоростях притока). В таких случаях целесообразно между фильтром и стенками скважины формировать гравийную обсыпку. При гравийной засыпке тонкие фракции песка экрани­руются от фильтра гравием, не контактируют непосредственно с поверхностью отверстий и забой более устойчив к пескованию.

Помимо повышенной суффозионной устойчивости конструк­ция забоя с гравийной засыпкой способствует снижению гидрав­лического сопротивления околоскважинной зоны за счет замены низкопроницаемого пластового песка, закольматированного ино­гда на высокопроницаемый гравий. Традиционно для оборудова­ния забоя с гравийным фильтром диаметр вскрытия пласта на 100-300 мм превышает диаметр для конструкции забоя без ссылки. Скважину бурят и закрепляют обсадными трубами по­вышенного диаметра, что усложняет процесс сооружения.

Наиболее прогрессивной считается конструкция забоя, когда диаметр скважины увеличивают специальными расширителями только в продуктивном интервале. Это исключает необходимость сооружения скважины большого диаметра с поверхности и до­полнительных затрат. Конструкции забоев с гравийными фильт­рами различаются по форме и размерам создаваемой каверны. Размер каверны должен определяться исходя из необходимости получения оптимальных режимов эксплуатации с учетом фильт­рационных характеристик пласта, околоскважинной зоны и про­ектного дебита.

Ранее было установлено, что диаметр скважины существенно влияет на дебит только в зоне, где наблюдается турбулизация потока. В интервале ламинарной фильтрации дебит скважины практически не зависит от диаметра. Поэтому целесообразно разрабатывать каверну под гравийную обсыпку размера, соответ­ствующего диаметру зоны турбулизации потока. Автором пред­ложено техническое решение, согласно которому конструкция забоя должна предусматривать ламинарный режим фильтрации на всех элементах системы скважина - пласт, а также и в около­скважинной зоне.

Для выбора обоснованного размера каверны необходимо уста­новить диаметр зоны турбулизации потока, который при извест­ной производительности откачки может быть определен теорети­чески и экспериментально. Теоретическим путем диаметр зоны турбулизации потока определяется на базе методики изучения верхней границы применимости закона Дарси. Исследователи, несмотря на многочисленные эксперименты, так и не пришли к однозначным выводам по определению условий, которые опреде­ляют нарушение ламинарного режима фильтрации. По-види­мому, это объясняется многоообразием структур и свойств гор­ных пород, их фракционного состава, используемого для опытов.

Для систематизации данных по изучению турбулизации по­тока в пласте В. Н. Щелкачевым был предложен безразмерный параметр Дарси, равный отношению сил вязкого трения к силе перепада давления

Da = М = Y^M. (3.19)

J/m kJ

Если справедлив закон Дарси, то при горизонтальном распо­ложении пласта Dа = 1. Если турбулизация потока наступила на интервале фильтрации т, то Dа < 1. Графическая зависимость числа Рейнольдса от параметра Дарси представлена на рис. 3.3.

При построении графика (см. рис. 3.3) использовались данные опытов А. И. Абдулвагабова, которые пока считаются наиболее полными. При отклонении графиков от оси абсцисс наблюдается турбулизация потока. Существенное отклонение начинается при числах Рейнольдса больше 0,1. При Re > 10 почти всегда наблю­дается турбулентный режим фильтрации.

В табл. 3.2 проставлены формулы по определению числа Рей­нольдса при движении потока в породах пласта, критические значения числа Рейнольдса, предложенные различными исследо­вателями, а также диаметры зон турбулизации потока при экс­плуатации скважин.

Анализируя данные табл. 3.2, можно заметить, что число Рей­нольдса и диаметр зоны турбулизации потока пропорциональны либо эффективному размеру частиц породы, либо корню квад­ратному из коэффициента проницаемости. Приведенные фор­мулы не учитывают возможной кольматации пород в околосква­жинной зоне. Проникновение инородных примесей в пласт при вскрытии снижает активную пористость пород, действительные скорости фильтрации возрастают и наступает ранняя турбулиза­ция потока. За счет кольматации существенные отклонения от закона Дарси могут наблюдаться и в породах, в которых при обычных условиях турбулизация обычно не наблюдается.

Рассмотрим пример расчета конструкции забоя с гравийной обсыпкой, воспользовавшись для этого формулами М. Д. Милли - онщикова. Необходимо оборудовать водозаборную скважину в водоносном пласте с коэффициентом проницаемости K = 1,2х х10 8 см2 и активной пористостью пласта равной 0,2, которая эксплуатировалась бы со стабильным дебитом 2,08-10 3 м3/с в течение максимально возможного срока. Мощность водоносного пласта при этом 10 м.

По формуле М. Д. Миллионщикова критическая скорость фильтрации окр, при которой обеспечивается турбулизация по­тока в прифильтровой зоне в ее естественном состоянии

1 5

V-=Re - (3.20)

Где v - кинематическая вязкость жидкости, Ст; а - активная пористость, доли единиц; K - коэффициент проницаемости, см2, Rero - критическое число Рейнольдса, определенное эксперимен­тально. Для данных условий Re = 0,29,

1,5

0,01 • 0,21,5 • 0,29 5,65 • 1,2 • 10-8

Оценим диаметр прифильтровой зоны скважины, в которой будет наблюдаться турбулизация потока,

(3.21)

Где Q - производительность скважины, m - длина фильтра;

П 2,08 • 10 -3 г..ус

D =---------- !----------------- = 0,78 м.

Q 1 Л . Л 1.1 П-3 . П 1.1 п

3,14 • 4,2 • 10-3 • 0,2 • 10

Обычно диаметр зоны кольматации соответствует диаметру зоны турбулизации потока или немного меньше него. Поэтому при расчетах диаметра каверны по приведенным формулам кольматационные процессы можно не учитывать, так как при разработке каверн закольматированная порода полностью удаля­ется из скважины.

При разработке в пласте каверны расчетного диаметра и за­мене низкопроницаемых пластовых пород на гравий будет на­блюдаться снижение гидравлического сопротивления породы за счет сведения к нулю слагаемого, пропорционального квадрату скорости фильтрации или дебита.

Размер зоны турбулизации может быть так же определен и экспериментальным путем. И. М. Гершанович разработал во ВСЕГИНГЕО метод определения диаметра зоны турбулизации потока по данным расходометрии, который позволяет избежать неточностей, наблюдающихся при теоретической оценке крити­ческого числа Рейнольдса, это обусловлено многообразием гор­ных пород, слагающих продуктивные пласты, различием интен­сивности кольматации и др.

Каверны, образующиеся в продуктивном интервале, в зависи­мости от условий, в которых оборудуется забой, должны иметь разную форму профиля. Наиболее проста форма каверны с рав­номерным диаметром ствола по длине всего продуктивного ин­тервала (см. рис. 3.1, ж). Такая форма забоя может быть реко­мендована при оборудовании скважины в продуктивных пластах, сложенных однородными по мощности в отношении суффозион - ных и фильтрационных свойств породами. Создание забоя с по­стоянным диаметром каверны оправдано только в тех случаях, когда наблюдается равномерный приток по мощности пласта, что наблюдается при его ограниченной мощности.

Если продуктивный интервал сложен неоднородными по фильтрационным и суффозионным свойствам породами, то соз­давать каверну с постоянным диаметром расширения нет смысла. В наиболее проницаемых участках интенсивность притока выше, чем в соседних, и турбулизация возникает на больших расстоя­ниях от скважины. Кроме этого, кольматирующий материал в наиболее проницаемых интервалах проникает на большую глу­бину, чем способствует возникновению в них зон турбулизации повышенных размеров.

В наименее проницаемых интервалах силы сцепления между частицами выше и поэтому опасность суффозии в них мини­мальна. В проницаемых участках сцепление между частицами минимально и опасность возникновения суффозии на контакте слоев пластового песка и гравия высокая. Поэтому при сооруже­нии забоя с постоянным диаметром ствола каверны в неоднород­ных породах отдельные интервалы по-разному подвержены суф­фозии. При такой конструкции забоя велика вероятность воз­никновения в наиболее проницаемых и слабосцементированных интервалах пескопроявлений.

В неоднородных продуктивных интервалах оправдана конст­рукция забоя с гравийным фильтром с изменяющимся диамет­ром по мощности пласта (см. рис. 3.1, з). В более проницаемых участках с меньшими силами сцепления между частицами пла­стовых пород диаметр каверны увеличивается, а в менее прони­цаемых и более сцементированных снижается. Такая конструк­ция забоя создает равновесную суффозионную обстановку на стенках каверны по ее длине и снижает гидравлические потери напора из-за исключения турбулизации потока в околоскважин­ной зоне.

Если мощность продуктивного интервала такова, что обеспе­чить относительно равномерный приток по длине фильтра не­возможно, то использование конструкций, изображенных на рис. 3.1, ж, з, приведет к дополнительным гидравлическим сопротив­лениям и снижению дебита из-за неравномерности скоростей притока в скважину. Для снижения гидравлического сопротив­ления притоку выравниванием входных скоростей следует ис­пользовать конструкцию забоя, показанную на рис. 3.1, и.

Диаметр каверны увеличивается от верхней и нижней границ продуктивного интервала. Замена низкопроницаемых пород пла­ста на высокопроницаемый гравий сопротивление нижней части забоя снижает в сравнении с верхней и поток перераспределя­ется из верхних в нижние интервалы околоскважинной зоны. Традиционная эпюра входных скоростей потока в скважину, описываемая законами гиперболических синусов или тангенсов

При определенных параметрах каверны, преображается в линей­ную зависимость при постоянной скорости притока по длине всего продуктивного интервала.

Автором предложено техническое решение по созданию ка­верны, форма которой обеспечивает постоянные входные скоро­сти по мощности продуктивного интервала (см. рис. 3.1, и). Пласт вскрывают долотом диаметра, обеспечивающего требуемую толщину обсыпки с учетом предотвращения пескования. Расши­рителем специальной конструкции обеспечивают создание ка­верны с увеличивающимся диаметром от верхней к нижней гра­нице продуктивного интервала.

Заданный профиль каверны определяют следующим образом. Исходя из уравнения движения жидкости в фильтровой части скважины, имеем

Dy(z) = [2] dv 2(z) + dz, (3.22)

G 4 grc

Где Dy(Z) - потери напора в фильтровой части скважины на уча­стке длиной Dz; V(Z) - скорость потока в фильтровой части скважины в точке с координатой z; X - коэффициент трения; rc - радиус скважины; G - ускорение свободного падения; z - верти­кальная координата.

Интегрируя уравнение (3.22) по z при предположении линей­ности эпюры скоростей в фильтре, получаем понижение напора между точками с координатами z и M

Д J(z) = ] df (z) = 1 v(m) (1 - -4-1 + }JV(m(m3 - z3), 0 < z < m. (3.23)

Z g m2) 12grcM2

Для выполнения условия линейности эпюры скоростей в фильтре необходимо, чтобы это понижение было скомпенсиро­вано при движении жидкости в околоскважинной зоне

=^Ч)1"^' (324)

Где K4 - коэффициент фильтрации гравийной обсыпки; k - ко­эффициент фильтрации пласта; R(Z), R(M) - радиус гравийного фильтра в точке с координатами соответственно z и m.

Из выражений (3.23) и (3.24) при v(m) = Q / пгс2 получим R(Z) = ROЕе

2

Z A ,3 3 ч

1 --у +----------- p-(m3 - Z3)

M 2 12rc m

Для примера рассмотрим параметры забоя, который необхо­димо создать в скважине, вскрывшей водоносный пласт и сло­женный песками с коэффициентом фильтрации ki = 20 м/сут. Фильтр скважины имеет проволочную конструкцию на каркасе 89-мм труб. При заданном дебите Q = 10 л/с расчетная толщина обсыпки, исходя из диаметра зоны турбулизации и предупрежде­ния пескования, составила 50 мм. Интервал установки фильтра определен в пределах 55-70 м. Для засыпки использовали гра­вий с коэффициентом фильтрации k4 = 100 м/сут. Итак, расчет­ные значения параметров следующие:

K1 = 2,3-10-4 м/с; k4 = 11,5-10-4 м/с;

R0 = 0,096 м; гс = 0,0415 м, Q = 1-10-2 м3/с; M = 15 м, A = 0,03, G = 9,8 м/с2.

Искомый профиль каверны определили по формуле (3.25), где при заданных параметрах

Є = -2,5-10-4 z3 - 4,2-10-4 z2 + 1,8.

В результате расчетов получены характерные значения, при­веденные ниже.

Итак, с целью обеспечения постоянных скоростей притока в скважину на контакте с гравийной обсыпкой диаметр каверны следует увеличить с 0,096 до 0,58 м соответственно у верхней и нижней границы продуктивного интервала. Внедрение новых конструкций забоев (см. рис. 3.1), позволило увеличить произво­дительности скважин в среднем на 46-85 % за счет снижения гидравлического сопротивления при выравнивании скоростей притока.

Если производительность скважины обеспечена и основная проблема - предотвращение выноса песка, то целесообразно применять конструкцию, показанную на рис. 3.1, к. Неравномер­ность скоростей притока в скважину при такой конструкции воз­
растает и увеличиваются общие гидравлические сопротивления, однако на контакте пластового песка с гравием создается посто­янный перепад давления по мощности продуктивного интервала. На песчаную частицу, находящуюся на стенках каверны незави­симо от ее положения, действует постоянная сила гидродинами­ческого давления. Конструкция забоя с уменьшающимся диамет­ром (от верхней к нижней границе продуктивного интервала) создает постоянную суффозионную устойчивость забоя по длине фильтра.

Для обеспечения равномерно устойчивого забоя к пескопро - явлениям профиль каверны должен совпадать с поверхностью постоянного давления в околоскважинной зоне. Расположение поверхности постоянного давления и профиля каверны можно определить теоретически и экспериментальными исследова­ниями.

На основе данных расходограммы можно определить поверх­ность постоянного давления. Перепад давления на фильтре можно найти из известной формулы истечения жидкости из за­топленного отверстия

(3.26)

Где ц N - гидравлический параметр; ц - коэффициент расхода, П - скважность.

Закон распределения скоростей притока подчиняется закону гиперболических косинусов

Ch 566цп1

D

Где V - скорость фильтрации на высоте L от нижнего продуктив­ного интервала; v0 - скорость фильтрации в нижнем сечении продуктивного интервала; D - диаметр каверны.

Приравнивая правые части уравнений (3.26) и (3.27), полу­чаем закон распределения перепада давления по мощности про­дуктивного интервала

(3.28)

Для распределения скоростей по длине продуктивного интер­вала, подчиняющегося закону гиперболических синусов, уравне­ние распределения давления принимает следующий вид:

(3.29)

Равенства (3.28) и (3.29) дают хорошую сходимость в реаль­ных условиях.

Характер изменения давления с расстоянием от скважины оп­ределяется уравнением (1.25). При ламинарном режиме фильт­рации флюида, который необходимо обеспечить в прифильтро - вой зоне, давление в пласте по мере удаления от скважины опре­деляется только линейным первым членом выражения (1.25). Решая совместно равенства (3.28) и (1.25), получаем формулу кривой постоянного давления, которая будет соответствовать рекомендуемому профилю каверны

Nkmvl ch2 283 цnl І

R = r0e ™ j. (3.30)

Для гиперкосинусоидального распределения скоростей при - ка

Sh Y l

R = r0e vp«e^nshYj. (3.31)

Рассмотрим пример оборудования скважины забоем, диаметр которого увеличивается от нижней и верхней границе продук­тивного интервала. Данные опытов показали гиперкосинусои - дальный закон распределения скоростей по длине фильтра с па­раметром у = 1.

Для проведения расчетов в размерностях Q [л/с], 1 [м], K [м/сут], ДJ [м], M [м] рекомендуется использовать в равенстве (1.25) переводной коэффициент 2,73. Первый член уравнения (1.25) принимает вид

Q = 2,73kl Д J (lg -

2,73klAJ 2,73k l AJ

R

= 10 Q ; R = r0 • 10 Q,

R0

Где r0 - радиус каверны у нижней границы продуктивного ин­тервала, R - радиус прифильтровой зоны, на котором наблюда­ется такое же давление на высоте l, как и у нижней границы.

Для начальных условий при мощности пласта т = 5 м, коэффициенте фильтрации пород K = 1 м/сут и дебите воды Q = 0,8 л/с получим выражение для определения профиля воронки.

Результаты расчетов по формуле приведены в табл. 3.3.

Для обеспечения постоянного перепада давления на частицах песка, на стенках каверны, контактирующих со слоем гравия и постоянной суффозионной устойчивости забоя по длине продук­тивного интервала в рассмотренном примере на участке уста­новки фильтра 0,85-1,45 м следует увеличить диаметр каверны с 89 до 140 мм. Создание заданного профиля каверны обеспечива­ется специальным инструментом при расчетных режимах обра­ботки.

Известны конструкции забоев, которые предусматривают при опасности возникновения суффозии крепление пород в около­скважинной зоне специальными материалами (рис. 3.1, л). В продуктивный интервал закачивают специальные растворы, ко­торые скрепляют пластовые частицы между собой, снижая веро­ятность их миграции в скважину при эксплуатации. Если пла- стовый песок не крепят при сооружении забоя данного типа, то проницаемость околоскважинной зоны резко снижается. В порах песка накапливается скрепляющий материал, снижается эффек­тивная пористость, формируются тупиковые зоны, резко возрас­тают действительные скорости движения потока и гидравличе­ские потери напора. Предложенная конструкция забоя хотя и позволяет предотвратить пескование, но требует неоправданно существенного снижения дебита. Поэтому данную конструкцию забоя рекомендуется применять в исключительных случаях, ко­гда другие конструкции технически не осуществимы.

Более прогрессивна конструкция забоя, предусматривающая создание в неустойчивых породах специального тампонажного камня, который в продуктивных интервалах имеет пористую проницаемую структуру. Технология крепления скважин и пара­метры тампонажных растворов предложены М. У. Шаусмановым. Известны и другие специальные проницаемые материалы. Соз­данный пористый камень экранирует песок продуктивного пла­ста от фильтра, чем предотвращает суффозию. Материал имеет

Необходимую прочность, хотя проницаемость его пока низкая, что не позволяет получить высокие дебиты.

Представленные конструкции забоев описаны применительно к типовым условиям сооружения скважин. Возможны комбина­ции разных типов забоев. Например, для неоднородных в фильт­рационном и суффозионном отношении песков значительной мощности при высокой вероятности снижения дебита из-за не­равномерности притока целесообразна комбинация конструкций забоев, показанных на рис. 3.1, з, и. В этом случае расширяю­щийся к низу забой будет иметь неравномерную форму. При разделении продуктивных интервалов слабопроницаемыми поро­дами значительной мощности целесообразно применение много­секционных конструкций в различном сочетании забоев (см. рис. 3.1). Возможен переход во время эксплуатации с одной конст­рукции забоя на другую. Часто вокруг фильтра под устойчивой кровлей формируется полая воронка, аналогичная бесфильтро­вой конструкции.