Прогрессивные технологии сооружения скважин

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА С ПЛАСТОМ

Физико-химические основы контакта раствора с пластом и влияние на его количество химического состава применяемого изолятора исследовались многими учеными, а вопросы проник­новения тампонажного раствора в неоднородный по фильтраци­онным свойствам пласт и эффективность крепления скважины почти не изучались. Без таких исследований эффективная разра­ботка новой технологии не может быть успешной. Рассмотрим простейшую схему неоднородного по фильтрационным свойствам интервала цементирования, состоящего из двух параллельных пропластков различной проницаемости (рис. 6.15). Потери напо­ра при фильтрации тампонажного раствора как функция расхода определяются двучленной формулой Прони

= AP = -Q + -Q L kPG® kPG®

Ю

Где J - удельные потери напора на 1 м пути фильтрации; Ap - перепад давления на пути фильтрации длиной 1 м; K - ко­эффициент фильтрации; ю - площадь фильтрационного по­тока.

Предположим, что первый пропласток характеризуется коэф­фициентом фильтрации ki и площадью потока юі, а второй - k2 и ю2 соответственно. Для ламинарного режима второй член урав­нения (6.53) равен нулю и справедливы равенства:

Для первого пропластка

(6.54)

Для второго пропластка

Др/L2 = , . (6.55)

K2 Р g ®2

Учитывая, что перепад давления на общем пути фильтрации для первого и второго пропластка одинаков, записываем

Ц Qi Li = Ц Q 2 L2

Ki Р g®i k2 Р g®2

Но общий расход поглощения равен произведению площади фильтрации на глубину проникновения, т. е.

Qi = юі Li; Q = ®2 L2. (6.57)

С учетом уравнения (6.57) запишем

Li / ki — L'2 / ^2; Li / L2 — ki / ^2. (6.58)

Глубина проникновения тампонажного раствора в пропласток с определенными фильтрационными свойствами пропорциональ­на корню квадратному из коэффициента фильтрации.

В случае турбулентного потока решающую роль в уравнении (6.53) играет второй член и справедливо равенство соответствен­но для первого и второго пропластков:

F — ц-ejl — ці£; (6.59)

Li Vki ®2 4Ki

Др — ц-ejL — цР^. (6.60)

L2 Л/^"

Решая уравнения (6.59) и (6.60), получаем

Li/ L2 — 1 ^ j6. (6.6i)

Глубина проникновения тампонажного раствора в пласт пря­мо пропорциональна корню шестой степени из коэффициента его фильтрации.

Сопоставляя выражения (6.58) и (6.61), можно сделать вывод о том, что на неравномерность проникновения тампонажного раствора в пласт фильтрационная неоднородность изолируемого интервала в большей степени влияет при ламинарном режиме, чем при турбулентном. Задача, рассмотренная выше, решена для плоскопараллельного потока. Однако принципиальные выводы о более равномерном проникновении в неоднородный по фильтра­ционным свойствам пласт потока, движущегося в турбулентном режиме, сохраняется и при расчетах притока к скважине.

Рассмотрим задачу притока к скважине. Потери напора в зоне тампонирования при фильтрации к скважине или от скважины определяются уравнением

Hp = ln — + ^ f-1 -1], (6.62)

2ПKm Г0 4П2 km2 ^ГЗ R

Где M - мощность интервала фильтрации; R - радиус влияния скважины; r0 - радиус скважины.

В случае ламинарною режима фильтрации второй член урав­нения (6.62) обращается в ноль, а радиус влияния соответствует глубине проникновения тампонажного раствора в пласт L:

Hp = ln L. (6.63)

2П km Г0

Рассмотрим модель неоднородного по фильтрационным свой­ствам пласта, состоящего из двух пропластков мощностью m1 и M2, характеризующихся коэффициентами проницаемости K1 и K2. Очевидно, что при одинаковом перепаде давления на зоне там­понирования hp для обоих пропластков глубина проникновения тампонажного раствора будет разной. Обозначим глубину про­никновения тампонажного раствора в первый пропласток L1, а во второй - L2. Перепад давления для первого и второго пропласт­ков соответственно

Hp = Ц QL ln—; (6.64)

2П kI mI Г0

Hp = Ц Q2 lnL2. (6.65)

2N k2 m2 r0

Расход Q і и Q2 для этих пропластков можно выразить через объем поглощенного тампонажного раствора:

Qi =n(L2 - Г02)mi; (6.66)

Q2 =n(L2 - Г02) m2. (6.67)

Подставляя уравнения (6.66) и (6.67) в равенства (6.64) и (6.65), получаем

2 ' 2ln к. = lL-Z<L ln l2. (6.68)

KI R0 K2 R0 Решая уравнение (6.68) относительно 5i = K/K2, получаем

5 = ^L = (L2 - r02)ln(Li/r0) (6 69)

I k2 (L22 - r02)ln(L2/Г0)' '

Это уравнение устанавливает связь между фильтрационной неоднородностью пласта и глубиной проникновения тампонаж­ного раствора в пропластки различной проницаемости. Для двух пропластков различной проницаемости уравнения фильтрации запишутся соответственно следующим образом:

Hp = -4^4 F- - ^ 1; (6.70)

4П2 ki mF ^ Г0 LI

Hp = LL - — 1; (6.7i)

У 4П2K2 mF F Г0 LFV 7

Подставляя в равенства (6.70) и (6.7i) значения Qi и Q2 [см. формулы (6.66) и (6.67)] и приравнивая их, получаем

(Lf - Г02) f - П = (L22 - Г02) f- _Г. (6 72)

Ki I r0 Li J k2 f r0 L2 / '

Решая это уравнение относительно 5т = K/K2, имеем (LF - Г02)2 F -і - -L

5 Т =-------------- ^МК. (6.73)

(LF - Г02)2 f-1 - f ]

I r0 L2 J

Уравнение (6.73) устанавливает связь между глубиной про­никновения тампонажного раствора и фильтрационной неодно­родностью пласта.

Сопоставление равенств (6.73) и (6.69) позволяет установить рациональный режим фильтрации тампонажного раствора в ин­тервале изоляции, при котором обеспечивается более равномер-

Ное или наоборот, более неравномерное проникновение изоли­рующего материала в неоднородный по фильтрационным пара­метрам пласт.

На рис. 6.16 представлена графическая интерпретация формул (6.69) и (6.73) в координатах относительной глубины про­никновения тампонажного раствора L2/L1 и относительной про­ницаемости пропластков k2/k1. С увеличением проницаемости пропластка в сравнении с проницаемостью соседних интервалов глубина проникновения тампонажного раствора для различных

Режимов фильтрации растет с неодинаковой интенсивностью. Одинаковое увеличение проницаемости интервала вызывает при ламинарном режиме фильтрации более резкий рост глубины проникновения тампонажного раствора, чем при турбулентном. Таким образом, фильтрационная неоднородность пласта при ла­минарном режиме фильтрации вызывает более неравномерное распределение тампонажного раствора в интервале цементирова­ния, чем при турбулентном. Увеличение проницаемости пропла­стка в 2 раза при переходе на турбулентный режим приводит к увеличению глубины проникновения раствора более чем в 2 раза.

На рис. 6.17 представлен типовой график изменения прони­цаемости пластов трещиноватого типа по длине изолируемого интервала. При перепаде давления на пласт Ар тампонажный раствор проникает на глубину, ограниченную для ламинарного режима фильтрации эпюрой 1, а для турбулентного - эпюрой 2. Заштрихованная область между эпюрами 1-2 показывает избы­точную величину проникновения раствора в пласт в ламинарном режиме в сравнении с турбулентным, т. е. нерациональные потери материала. Потери тампонажного раствора В

П = J[L(H) - LL(H)]DH, (6.74)

A

Где а, в - верхние и нижние границы интервала цементирования; L2(H) - функция глубины проникновения тампонажного раство­ра в пласт L2 по длине интервала изоляции Н при ламинарном режиме фильтрации; L(H) - функция глубины проникновения тампонажного раствора в пласт L по длине интервала изоляции Н при турбулентном режиме фильтрации.

Дополнительные иррациональные затраты (в руб.) на потерю раствора в случае ламинарного режима фильтрации в около­скважинной зоне

Э = СП, (6.75)

Где С - себестоимость единицы объема тампонажного раствора.

При тампонировании скважины целесообразно создавать тур­булентный режим фильтрации раствора, который способствует более равномерной и плотной изоляции заданного интервала.

Режим фильтрации может изменяться при увеличении или уменьшении перепада давления на пласт, расхода закачки, глу­бины проникновения от скважины, площади изолируемой по­верхности, изменении фильтрационных свойств интервала изо­ляции или тампонажного раствора. Определим основные реаль­ные пути регулирования режима фильтрации тампонажного рас­твора в околоскважинной зоне.

Режим фильтрации в околоскважинной зоне определяется критическим значением числа Рейнольдса Rero. Наиболее фун­даментальным исследованием по определению критических зна­чений числа Рейнольдса для различных сред считается работа А. И. Абдулвагабова, в которой на основании обработки большого числа экспериментальных данных была предложена следующая зависимость:

Re = I2(I - ^ р^, (6.76)

A 2Ц

Где а - пористость породы; р - плотность тампонажного раство­ра; K - коэффициент проницаемости; ц - динамическая вязкость тампонажного раствора.

Скорость фильтрации уменьшается с удалением от скважины,

Т. е.

О = -0-, (6.77)

Nr 2 H

Где R - расстояние от скважины; H - мощность интервала тампо­нирования.

Скорость фильтрации, определенную из выражения (6.77), подставим в равенство (6.76) и определим удельный расход Q = = Q/M, который необходимо обеспечить для турбулентной фильтрации тампонажного раствора в пределах зоны от скважи­ны до радиуса R:

Re = I2(i - a)4kQ. A 2ЦR 2H

Q = Q/H =П^Р A. (6.78)

4 i2 (i - a)4k V У

С целью обеспечения заданного удельного расхода поглоще­ния Q необходимо создать определенный перепад давления на пласт

Hp=K 124 H2 • (б-79)

K Р g N 2 r H

Выразим Q через Hp:

Q = n Hr 2 . (6.80)

У yr

Подставим уравнение (6.80) в равенство (6.78):

K Рghp = Reкр a2Ц

Yr i2 (i - m)4k'

Определим отсюда требуемую репрессию на интервал цемен­тирования, которую необходимо создать с целью обеспечения турбулентного режима фильтрации тампонажного раствора в околоскважинной зоне радиуса г

KpgАр = Re^ aW ;

144(1 - a)2k

Re^ aA[i3r 144(1 - a)2k2pG'

Где Reтр = 0,019^8,1.

Давление, создаваемое специализированным инструментом при изоляции заданного интервала, выбирается не только для обеспечения турбулентного режима течения тампонажного рас­твора, но и с учетом предотвращения перетока раствора из там­понируемого интервала в соседние. Рассмотрим принципиальную схему тампонирования скважины с учетом проницаемого пласта, находящегося выше или ниже интервала изоляции и инструмен­та (рис. 6.18).

При заданном расходе закачки Q в интервале изоляции созда­ется репрессия на пласт

1 1

Р1 =-Ж- ln—+ ,

2NKm ГО 4ПK{m{ V rO L1)

Где k - проницаемость интервала изоляции; Li - глубина про­никновения тампонажного раствора в интервале изоляции; r0 - радиус скважины.

Верхний (или нижний) поглощающий пласт, находящийся за

Пределами зоны изоляции, будет поглощать аналогичный расход Q при следующем перепаде давления:

P - = -f-IN Ь. + -nQm_ Г Л - п, (6.84)

Lnk2m2 r0 4N2K2m- У r0 L2 J

Где M2K2 - проницаемость соседнего с интервалом изоляции про - пластка.

На основании сопоставления выражений (6.83) и (6.84) мож­но определить относительный расход поглощения в интервале изоляции Qi и в соседних интервалах Q2, принимая во внимание, что репрессия пропорциональна квадрату расхода:

QI/Q2 (6.85)

Где hp - подпор, создаваемый инструментом для поинтервально - го тампонирования скважин.

Обозначим отношение Qi / Q2 = п с учетом того, что суммарный расход Q = QI + Q-.

Решая уравнение (6.85) относительно величины подпора, созда­ваемого инструментом, получаем

Hp = pi - p2n-. (6.86)

Величина п задается исходя из условий проведения работ и составляет обычно от i до 5 %.

Подставляя в равенство (6.86) значения pi и p2, найденные из уравнений (6.83) и (6.84), получаем после упрощения

F ln ^ ln

„2 r0

-------- п

У kmI k-M2J

Выражение (6.87) позволяет определить величину напора, развиваемого инструментом для поинтервального тампонирова­ния скважин с учетом заданной минимально допустимой вели­чины утечек раствора из заданного интервала, определяемой п-

Анализ уравнения (6.87) приводит к выводу о необходимости начала тампонирования от пропластков с большей проницаемо­стью Km к пропласткам с меньшей проницаемостью. В этом слу­чае уменьшаются потери раствора, повышается качество работ.

6.4.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗОЛЯЦИИ ПЛАСТОВ ПРИ ПОИНТЕРВАЛЬНОМ ТАМПОНИРОВАНИИ

В процессе изоляционных работ с целью исключения гидрав­лической связи пластов, вскрытых скважиной, необходимо сле­дующее:

Избирательное нагнетание тампонажного раствора в заданный интервал изоляции независимо от его мощности, свойств и т. д.;

Исключение поглощения тампонажного раствора в соседних с изолируемым интервалах;

Равномерное проникновение тампонажного раствора в интер­вале изоляции на расчетную глубину, исключение вероятности образования в околоскважинной зоне открытых каналов и пус­тот, не заполненных изолирующим материалом;

Обеспечение равномерного нагнетания тампонажного раствора в заданный промежуток времени в период с затворения до мо­мента начала схватывания;

Использование в качестве тампонажного раствора разных сме­сей с широким спектром добавок и наполнителей.

Для выполнения вышеупомянутых условий следует выпол­нять определенные технологические операции, а именно:

Создать в интервале изоляции избыточную репрессию на пласт, обеспечивающую преимущественное проникновение там­понажного раствора в заданной зоне;

Тампонирование проводить последовательно, начиная с наи­более проницаемого интервала к наименее проницаемому;

Изолировать интервал тампонирования с приемистостью не ниже производительности насосного оборудования, закачиваю­щего раствор в скважину;

Нагнетать тампонажный раствор в пласт под давлением, обес­печивающим турбулентный режим фильтрации в околоскважин­ной зоне;

Равномерно перемешивать и диспергировать тампонажный раствор в интервале тампонирования;

Обеспечивать извлечение инструмента из скважины после на­чала схватывания раствора в интервале изоляции;

Доставлять вовремя добавки и наполнители различного соста­ва в интервал изоляции, исключать возможность образования застойных зон выше интервала тампонирования.