Прогрессивные технологии сооружения скважин

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПОИНТЕРВАЛЬНОГО ТАМПОНИРОВАНИЯ

Поинтервальное тампонирование может осуществляться при поочередной изоляции выделенных зон в интервал скважины. Опыт применения пакеров различных конструкций испытатель­ного инструмента, опробователей различного назначения показал, что попытки обеспечения надежной изоляции заданного интер­вала в открытом стволе скважины механическими способами не увенчались успехом.

Используем с целью изоляции заданных интервалов открыто­го ствола скважины гидродинамические методы, основанные на исключении межинтервальных перетоков за счет принудительно­го воздействия на статический или естественный характер рас­пределения давления.

Рационально использовать технологию поинтервального там­понирования скважин в следующих условиях.

1. Интервалы изоляции превышают 20-30 м. При увеличении протяженности изолируемого интервала репрессия на пласт уве­личивается с глубиной, а значит и приемистость нижних интер­валов при постоянном пластовом давлении выше, чем верхних. В верхних интервалах тампонирования могут образовываться от­крытые каналы и пустоты, приводящие впоследствии к заколон - ным перетокам. Гидравлический расчет фильтрационной приеми­стости скважин в типовых горно-геологических условиях пока­зывает, что при разнице репрессий на пласт на верхнем и ниж­нем интервалах 0,3-0,4 МПа проникновения раствора в верхние участки зоны тампонирования не происходит и им можно пре­небречь, а следовательно, отсутствует надежный контакт раство­ра с породой, и это не предотвратит заколонных перетоков и за­грязнения окружающей среды.

2. Фильтрационная неоднородность интервала тампонирова­ния. При наличии в разрезе более и менее проницаемых пород в процессе изоляционных работ наиболее приемистый участок мо­жет поглощать основную часть раствора, а следующий - остаток. Интервалы, расположенные выше одного-двух наиболее приеми­стых интервалов, как правило, не закрепляются тампонажным раствором. Поэтому рационально изолировать такие интервалы последовательной закачкой тампонажного раствора в зоны рас­четной протяженности, ограниченной одним или двумя наиболее приемистыми пропластками.

3. Существование интервалов, характеризующихся катастро­фическими поглощениями. В этом случае возможный расход по­глощения раствора пластом может превышать реальный расход цементировочного агрегата и часть интервала изоляции не будет заполнена цементным или другим раствором. Задача поинтер - вальной изоляции в данном случае сводится к выбору и изоля­ции зоны, приемистость которой ниже возможного расхода за­качки смеси.

4. Объемы закачки в наиболее проницаемые зоны ограничены. При поинтегральном тампонировании может быть получена су­щественная экономия из-за снижения потерь тампонажного рас­твора.

5. Дефицит труб. При поинтегральном нагнетании тампонаж­ного раствора в пласт под большим давлением равномерно по всей длине ствола обеспечивается качественное закрепление по­род в околоскважинной зоне, что в некоторых случаях исключит необходимость спуска обсадных труб и приведет к упрощению конструкции и удешевлению скважины.

Гидродинамические способы поинтервального тампонирова­ния скважины основаны на создании в изолируемом интервале перепада давления на пласт существенно большего, чем на со­седних (гидродинамический барьер). Предполагаются четыре схемы поинтегрального тампонирования скважины на основе различных способов интервала закачки раствора от соседних. Первый способ (рис. 6.14, а) - инерционный, заключается в спуске в интервал тампонирования специального инструмента, состоящего из нагнетательного узла, снабженного лопастями,

Центробежная сила воздействия тампонажного раствора на пласт с учетом этого

Fц = 0,785(DH2 - D2)-НРю2R.

Дополнительный перепад давления на пласт в интервале ра­боты инструмента

(6.3)

Где DG - диаметр скважины.

Учитывая, что диаметр инструмента близок к диаметру сква­жины, упрощаем выражение (6.3):

(6.4)

Дополнительная репрессия на пласт приводит к увеличению расхода поглощения на изолируемом интервале. При ламинарном режиме фильтрации тампонажного раствора в околоскважинной зоне величина избыточного поглощения на расчетном интервале

AQ = 0,785Dc(Dc2 - dx2) р2Ra2rk-^G, (6.5)

Где K - коэффициент проницаемости пород в интервале тампо­нирования; ц - динамический коэффициент вязкости тампонаж­ного раствора.

В случае турбулентного режима фильтрации раствора в око­лоскважинной зоне избыточный расход поглощения

(6.6)

Сопоставляя выражения (6.5) и (6.6), делаем вывод, что при ламинарном режиме фильтрации избыточный расход на задан­ном интервале тампонирования выше, чем при турбулентном, а следовательно, выше избирательная способность способа.

Важно оценить приемистость интервала тампонирования при инерционном способе в сопоставлении с соседними. Расход по­глощения на соседних интервалах

Q = Ц р GDc -Н P

Ц

Где P - репрессия на пласт, т. е. перепад давления на зоне там­понирования, равный разнице давления в стволе скважины и пласте.

Общий расход поглощения на интервале тампонирования с учетом уравнений (6.5) и (6.7)

QТ =nkpgDc lH(P +Ap). (6.8)

Отношение общего расхода поглощения на интервале тампо­нирования и соседних интервалах характеризуется коэффициен­том избирательной способности способа

G = Qjq = 1+Ap. (6.9)

Иногда вместо коэффициента избирательной способности удобно использовать отношение избыточного расхода поглоще­ния на интервале тампонирования к расходу поглощения на со­седних интервалах или к расходу поглощения на заданном ин­тервале без вращения узла нагнетания:

Величину G можно исчислять в процентном выражении, по которому определяют эффективность поинтервального тампони­рования.

Выражения (6.7)-(6.10) справедливы только для ламинарного режима фильтрации тампонажного раствора в околоскважинной зоне. В случае турбулентного режима выражения для определе­ния Q, Q^ G и G примут вид

Q = П-РGDc ; (6.11)

М-

Q Т =^р gDC L J P +Ap; (6.12)

М-

G=Q=1+№ (6.13)

Q p

Реальные значения параметров тампонирования по формулам (6.11)-(6.14) для типовых условий проведения изоляционных
работ; Dc = 0,19 м; D = 0,06 м; R = 0,062; р = 1400 кг/м3; ю = 3 с 1; Р = 0,25-1400-32-0,062(0,19 - 4) = = 2-10-4 = 36 Па.

Если предположить, что при традиционной схеме тампониро­вания, т. е. без вращения инструмента, раствор поглощается с расходом при репрессии на пласт 0,03 МПа, то коэффициент из­бирательной способности способа

G = 1 + JAE = 1 + 0,0012 = 1,0012. (6.15)

В процентном отношении расход поглощения при данной схеме тампонирования на заданном интервале будет больше на 0,12 %, что свидетельствует о низкой избирательной способности инерционного способа тампонирования. Интенсифицировать рас­ход поглощения в заданной зоне можно увеличением частоты вращения инструмента. Однако такой путь не всегда возможен вследствие ограниченной мощности бурового агрегата.

Второй способ создания в интервалах ствола скважины до­полнительной репрессии на заданном интервале основан на эф­фекте истечения струи из гидромониторных насадок (рис. 6.14, б). В скважину опускают инструмент, состоящий из двух блоков гидромониторных насадок, направленных друг к другу и разне­сенных на длину интервала тампонирования. К гидромонитор­ным насадкам тампонажный раствор подводят через бурильные трубы под давлением. При истечении струй тампонажного рас­твора из насадок в зоне тампонирования создается давление, обусловленное гидравлической составляющей, пропорциональной квадрату скорости истечения.

Напротив границ зоны тампонирования, где устанавливаются блоки насадок, создается вакуум, обусловленный снижением ста­тической составляющей напора при увеличении гидродинамиче­ской в случае истечения с высокими скоростями. Оценим воз­можности струйного метода поинтервального тампонирования. Дополнительная репрессия на пласт в интервале зоны поглоще­ния определяется динамической составляющей уравнения Бер - нулли

A v2

AP = р т,

Где V - скорость истечения струи из насадки.

Определим величину разряжения у границ зоны тампониро­вания:

П 2

Ap ' = р ^ -р Gh. (6.16)

В случае ламинарного режима фильтрации тампонажного рас­твора в околоскважинной зоне избыточный расход поглощения в интервале тампонирования

Q = р2GDc /НП2. (6.17)

У границ интервала тампонирования расход поглощения уменьшается на величину

Q = П-РgDC /Н-рghj. (6.18)

Где H - превышение уровня тампонажного раствора в скважине над статическим уровнем, соответствующее репрессии на пласт при традиционной схеме тампонажа.

Увеличение общего расхода поглощения тампонажного рас­твора в заданной зоне

ОТ DC /Н (рп2 + P ) (6.19)

Уменьшение общего расхода поглощения тампонажного рас­твора в соседних интервалах

ОТ DC /Н - p). (6.20)

Увеличение расхода поглощения при струйном методе тампо­нирования в заданной зоне по сравнению с соседними

Q = Dc /НП2. (6.21)

Поглощение при традиционной схеме тампонирования на за­данном интервале протяженностью /н и репрессии р = р G H со-

Ставит

Qо = Dc /н p. (6.22)

Определим избирательную способность струйного метода тампонирования. Отношение общего расхода поглощения в ин­тервале тампонирования и соседних интервалах выразим через коэффициент избирательной способности:

Q = Ъ+Оц = 1 + ; q'=Ј? i. (6.23)

Для турбулентного режима фильтрации в околоскважинной зоне справедлива квадратичная зависимость расхода поглощения от перепада давления на пласт. В случае турбулизации потока уравнения (6.17)-(6.23) примут вид

AQ = ПКРGDc LHJ[; (6.24)

AQ' = рGDC L JРт -рGh; (6.25)

От =^ DC (6.26)

QТ DC - p; (6.27)

Q 0 =^ DC ; (6.28)

M-

Q = /1 (6.29)

Q' = J—; (6.30)

Q =nkpgDc /нv. (6.31)

M

Оценим реальную возможность существенного увеличения расхода поглощения тампонажного раствора в заданной зоне при струйном методе поинтервального тампонирования. С учетом типовых условий и традиционного оборудования

700-225 = 157 500 = 0,157 м/м;

2

Ар = 0,157 - 0,05 = 0,107 МПа.

Перепад давления между интервалом тампонирования и со­седними интервалами составит Ар + Ар' = 0,264 МПа. При лами­нарном режиме фильтрации тампонажного раствора в около­скважинной зоне избирательная способность струйного метода составит

Q 1 + = 1 + 0304 = 7; q' = 600 %.

1 ™ л ск 71

Таким образом, использование струйного метода позволяет увеличить расход поглощения при ламинарной фильтрации в 7 раз. Если в околоскважинной зоне наблюдается турбулентный режим фильтрации, то избирательная способность метода

Интенсивность поглощения в заданной зоне в 2,8 раза выше, чем в соседних зонах, а расход превышает обычный на 180 %.

Избирательная способность, а следовательно, и эффектив­ность струйного метода поинтервального тампонирования, как показали расчеты, существенно выше, чем у инерционного мето­да. Однако в некоторых случаях струйные аппараты не в состоя­нии создать заданный перепад давления на пласт, уменьшить практически до нуля поглощение в окружающих заданную зону интервалах пласта.

Третий способ поинтервального тампонирования при изоля­ции расчетного интервала от соседних получил название винто­вого и заключается в спуске в интервал изоляции узла нагнета­ния, с обоих торцов которого устанавливаются шнеки, турбули - заторы или винты, навитые в противоположную по отношению друг к другу сторону. При вращении инструмента шнеки, винты или турбулизаторы создают подпор на выбранный интервал там­понирования, обеспечивая тем самым повышенную репрессию на пласт и интенсификацию поглощения раствора в заданной зоне (рис. 6.14, в). Учитывая, что в процессе изоляционных работ це­лесообразно обеспечить правое вращение инструмента, выше уз­ла нагнетания устанавливаются шнеки, винты или турбулизато­ры левой навивки, а ниже - правой.

Рассчитаем величину дополнительного подпора, развиваемого при вращении шнека, турбулизатора или винта. Характерный элемент конструкции - кольцо с приваренными к нему винто­выми лопатками. Рассмотрим силы, действующие на лопатку. При вращении инструмента на лопатку набегает струя жидкости, характеризующаяся определенной силой гидродинамического давления, вызывающая реакцию R, нормальную для поверхности контакта лопасти и потока. Поток расходится по поверхности лопатки с различными скоростями, т. е. в направлении узла на­гнетания существенно превышают скорости вверх, к устью сква­жины. Разница сил гидродинамического давления вниз - вверх по лопатке равна разнице сил трения вверх - вниз по лопатке

Fm1 = Fm cos а, (6.32)

Где Fra1 - гидродинамическая сила, направленная вниз по по­верхности лопатки; а - угол между реакцией R и горизонталью. Сила подпора, создаваемого одним элементом.

Fx = Fm1 sin а = Fm sin а cos а. (6.33)

Сила гидродинамического давления на лопатку

Fm =рSxv2 =рLf (DTV + F)2 ro2sin р, (6.34)

Где Sx - площадь проекции поверхности лопатки на вертикаль; L - высота элемента; F - толщина лопатки; йтр - диаметр труб; ю - осевая скорость вращения.

С учетом уравнения (6.34) сила подпора, создаваемая одной лопаткой,

Fx =р lf sin2 р cos рю2 (DTf + 2. (6.35)

Давление, создаваемое одной лопаткой элемента,

Px = Fx/Sy =рю^т2 p(dip + 2, (6.36)

Где Sy - проекция площади поверхности лопатки на горизонталь.

Элемент, состоящий из п лопаток, будет создавать дополнитель­ный подпор на интервал цементирования

Ap = рю2N(Ётр + F)2 sin2 р. (6.37)

В случае необходимости дополнительная репрессия может создаваться несколькими элементами, установленными как снизу, так и сверху узла нагнетания:

Ap = рю2Mn(+ F) sin2 р, (6.38)

Где M - число ступеней инструмента или элементов.

Из выражения (6.38) легко найти требуемое число ступеней инструмента, если известен необходимый дополнительный под­пор на интервал тампонирования.

Дополнительный расход поглощения тампонажного раствора в интервале изоляции определим из выражения

AQ = ІP2GRa2MNDc (DТр + —)'sin2 p. (6.39)

Общий расход поглощения в интервале изоляции

Qt =n-kLpgDc [p + pro2mn(DТр +—)2 sin2 pj, (6.40)

Где P - репрессия на пласт при отсутствии вращения инстру­мента.

У границ интервала расширения за счет разрежения, созда­ваемого шнековыми и винтовыми элементами, расход поглоще­ния уменьшится на величину

QT = ^lРgDC [Р-Р®2Mn^р + —)2sin2 pj. (6.41)

Увеличение расхода поглощения при винтовом методе тампо­нирования в заданной зоне по сравнению с соседними

Q = 2ПKp-GDC ®2Mni(dтp + —)2 sin2 p. (6.42)

Поглощение без вращения инструмента

QО =— DC і p. (6.43) -

Определим избирательную способность винтового метода тампонирования

Рю2Mn| dтp + — | sin2 Р

Q = (Q + QO)/ QO = 1 +-------------- [---------------- 2-1--------- ; (6.44)

P

P®2Mn| dтp + — j sin2 p

Q' = Q / QO =------------ [-------- 21--------- . (6.45)

P

Приведенные формулы справедливы для ламинарного режима фильтрации в околоскважинной зоне. Для турбулентного режима формулы (6.44) и (6.45) преобразуются так:

Pra2Mn| D.^ + — j Sin2 p

1 +---------- [-------- ^---------- ; (6.46)

Q' = ®2 (DТР + 2]sin pj^. (6.47)

Подпор, создаваемый одним элементом, hp = 420 Па.

Величину подпора можно регулировать изменением числа ступеней инструмента.

В разных горно-геологических условиях использование каж­дого из вышеперечисленных способов поинтегрального тампони­рования в отдельности не обеспечивает необходимой разницы перепада давления на пласт в зоне тампонирования и в соседних интервалах, исключающей межинтервальные перетоки, а следова­тельно, и высокую избирательную способность метода. В таких случаях рекомендуется применять комбинированный метод по - интервального тампонирования, основанный на различном соче­тании инерционного, струйного и шнекового (винтового) спосо­бов (рис. 6.14, г).

Дополнительный перепад давления на пласт в интервале там­понирования при комбинированном методе

Hp = 0,25рю2 R - Drj+pT + Р®2 тП (D т + "2~)2 sin2 p. (6.48)

Увеличение репрессии на пласт в интервале тампонирования приводит к интенсификации поглощения, избыточная величина которого в случае ламинарной фильтрации определяется выра­жением

HQ = ^Р2 GDC М-

Ґ / d 2 Л

0,25ю2 r ^Dc - - D -

+ ю2mn(dx + 2)2 sin2 р. (6.49)

Общий расход поглощения в интервале тампонирования с учетом статической составляющей репрессии на пласт

QТ =ПтРgDC L(Р + hp). (6.50)

В соседних с тампонируемым интервалах создается разряже­ние, соответствующее Hp.

Дифференциальный или абсолютный расход при комбиниро­ванном способе между тампонируемым и соседним интервалами

Q = ^ рGDC I Hp. (6.51)

М-

Избирательная способность метода определяется отношением избыточного расхода поглощения AQ к общему Q:

Q = 1 + AQ = 1 + AP

Или

Q' = AQ/Q = Ap/p.

Исходя из условий проведения изоляционных работ, требуе­мая избирательная способность метода, задаваемая заранее, мо­жет регулироваться технологически изменением Ap в широких пределах.