Прогрессивные технологии сооружения скважин

ДВИЖЕНИЕ ПОТОКА В ГРАВИЙНОЙ ОБСЫПКЕ

ГравиИная обсыпка состоит из частиц, превышающих по раз­меру частицы песка продуктивного пласта в несколько раз. При этом предполагается, что фильтрационные характеристики гра­вия существенно лучше, чем пласта и околоскважинноИ зоны. Потери напора при фильтрации в гравиИноИ обсыпке.

(1.39)

Где k4 - проницаемость гравиИноИ обсыпки; r3 - радиус гравиИ­ноИ обсыпки; r4 - радиус фильтра.

В уравнении (1.39) учтен член, пропорциональныИ квадрату скорости фильтрации потока, так как предполагается, что в об­сыпке в реальных условиях происходит турбулизация потока. Наиболее высокие скорости притока, а значит и турбулизация, наблюдается в верхних сечениях продуктивного интервала.

Потери напора в гравиИноИ обсыпке определяются коэффи­циентом проницаемости или фильтрации гравия. В практике ус­тановилось мнение, что с увеличением фракции гравия прони­цаемость обсыпки возрастает. На самом деле это не так. Прони­цаемость обсыпки максимальна только в том случае, если между размерами частиц гравия и песка продуктивного пласта выдер­живается определенное соотношение. Размер гравия рекомен­дуют принимать в 6 раз большим размера частиц песка продук­тивного пласта. В случае, если размер частиц гравия составляет от 6 до 12 размеров частиц песка продуктивного пласта, наблю­дается закупорка пор фильтра мелкими фракциями. При запол­нении пор шламом проницаемость обсыпки резко снижается.

Проницаемость зависит от коэффициента межслоИности, рав­ного отношению среднего размера частиц гравия к среднему размеру частиц песка продуктивного пласта (рис. 1.11). По Н. СтеИну, если коэффициент межслоИности более 6, то поры обсыпки заполняются песком и коэффициент проницаемости по­степенно снижается до 0,2 от первоначальных. Проницаемость гравиИноИ обсыпки может снижаться до значениИ проницаемо­сти пластового песка или даже ниже.

Многими исследователями установлено, что смеси неоднород-

48

Ных по фракционному составу переуплотнены и могут иметь проницаемость, близкую к проницаемости фракции, составляю - щеИ 10 % от фракционного отсева. Зависимость изменения про­ницаемости гравиИноИ обсыпки, подобранноИ в соответствии с определенными коэффициентами межслоИности, во времени по Р. Сеусье, показана на рис. 1.12. В течение первых 3-4 мин с начала откачки проницаемость обсыпки ухудшается для коэффи­циента межслоИности 9,4 в 5-6 раз. ДальнеИшего существенного изменения проницаемости гравиИного фильтра во времени не происходит. Проницаемость обсыпки снижается с начальных значениИ 600 до 80-110 Д. Максимальную проницаемость сохра­няет гравиИная обсыпка, подобранная в соответствии с коэффи­циентом межслоИности, равным 6,7. Проницаемость изменяется с исходных значениИ 300 до 150-170 Д, т. е. уменьшается в 2­2,5 раза.

Уменьшение проницаемости гравиИноИ обсыпки обусловлено тем, что даже при коэффициентах межслоИности 6,7 размер пор в сравнении с размером частиц песка продуктивного пласта ока­зывается завышенным и мелкие фракции закупоривают поры, а это приводит к росту гидравлического сопротивления и сниже­нию дебита. Если коэффициент межслоИности более 12, то про­ницаемость обсыпки снова начинает увеличиваться и достигает максимальных значениИ, близких к исходным при коэффициен­тах межслоИности 18-20 (рис. 1.13). Допускать проникновение песка в скважину нельзя, чтобы предотвратить образование пес - чаноИ пробки, снижение дебита, быстрыИ износ водоподъемного оборудования.

Для различноИ степени неоднородности гравия и песка про­ницаемость гравиИноИ обсыпки может в 30-50 раз превышать проницаемость пластового песка. Необходимо отметить, что гра-

49

Рис. 1.13. Зависимость отношения проницаемости обсыпки K4 к прони­цаемости пласта k1 от коэффициента межслойности для коэффициентов неоднородности: 1 - 2; 2 - 5

Фики на рис. 1.13 были построены без учета кольматационных явлений в околоскважинной зоне. В сравнении с проницаемо­стью закольматированной зоны проницаемость обсыпки может возрастать до еще больших значений. В начальный период от­качки кольматант из околоскважинной зоны выносится в гра­вийную обсыпку. В порах обсыпки кольматант не задерживается из-за высоких коэффициентов межслойности гравия и кольма- танта.

Внутрь пластового песка могут проникать кольматирующие частицы в 6 и более раз меньшие среднего размера частиц песка. Поэтому в сравнении с гравийной обсыпкой коэффициент меж­слойности шлама и гравия будет более 30. При таких высоких коэффициентах межслойности шлам и кольматанты свободно выносятся сквозь гравийную обсыпку, практически не снижая ее проницаемость (см. рис. 1.12). Затруднительной становится рас- кольматация в том случае, если на определенном интервале раз­мер песка практически соответствует размеру гравийной за­сыпки. В реальных условиях такая ситуация может сложиться при обрушении стенок скважины в процессе ее оборудования, а также при определенной технологии гравийной засыпки.

При преимущественной кольматации глинистыми частицами эффективной раскольматации осуществить не удается из-за пе­ременного коэффициента межслойности, обусловленного набуха­нием глинистого шлама, его защемлением в порах и экранирова - 50
Нием продуктивного пласта от обсыпки. Защемленный глини­стый шлам препятствует также выносу мелких фракций песка и шлама из околоскважинной зоны. Таким образом, наиболее опасно снижение проницаемости обсыпки за счет проникновения в нее пластового песка.

Теоретически и экспериментально установлено, что обсыпка толщиной в 3-8 диаметров частиц гравия способна предупредить пескование. В реальных условиях обеспечить постоянную тол­щину обсыпки сложно. Поэтому обычно на практике рекомен­дуют принимать толщину гравийной обсыпки в пределах 50­200 мм.

Если увеличивать толщину обсыпки (для предупреждения выноса песка из скважины) более 50 мм нет смысла, то с учетом возможности повышения дебита толщину гравийной обсыпки целесообразно увеличивать до существенно больших значений. Замена в околоскважинной зоне песка продуктивного пласта, а особенно закольматированной зоны, на более проницаемый гра­вий позволяет снизить гидравлическое сопротивление фильтра­ционному потоку и повысить удельный дебит скважины.

На потери напора в гравийной обсыпке оказывает влияние окатанность частиц. С увеличением окатанности гравия падение напора в гравийном фильтре уменьшается (табл. 1.6).

Можно сделать вывод, что за счет использования окатанного гравия можно снизить потери напора в обсыпке в 2-4 раза.

В сравнении с естественными фильтрационными характери­стиками песка продуктивного пласта проницаемость околосква­жинной зоны можно увеличить в 30-50 раз. Если учитывать наиболее опасный вид кольматации естественным глинистым раствором, то в сравнении с закольматированной зоной за счет создания гравийной обсыпки при правильной методике подбора гравия и намыва фильтра проницаемость околоскважинной зоны может быть увеличена на несколько порядков.

Снизить сопротивление гравийного фильтра можно внедре­нием многослойных конструкций. При создании фильтров из нескольких слоев перепад давления на обсыпке можно опреде-

Лить из выражения, полученного из модели фильтрации с ци­линдрическим характером изменения проницаемости

+ 1n(r2 / rQ 1 + Q

^42 ) 2Пт

(140)

Где rn, rn1, r1 - радиус гравийной обсыпки соответственно п, п — 1 и 1 слоя; k4n, k42, k41 - проницаемость соответственно n, 2 и 1 слоя гравийного фильтра. Фракция каждого удаляющегося от стенок скважины слоя гравийного фильтра увеличивается в со­ответствии с выбранными коэффициентами межслойности, кото­рые рекомендуется принимать несколько меньшими, чем для однослойного фильтра. Поэтому проницаемость каждого слоя гравийной обсыпки при приближении к каркасу фильтра уве­личивается, что позволяет снизить общее сопротивление фильтрационному потоку и соответственно повысить дебит сква­жины.

Автором была предложена технология намыва гравийного фильтра, при которой частицы гравия в процессе намыва автома­тически укладываются в поперечном сечении обсыпки с умень­шением размера от каркаса фильтра к стенкам скважины. Анализ уравнения (1.40) при предположении, что число слоев увеличи­вается до бесконечности, позволяет установить следующее: толь­ко для ламинарной составляющей потери напора гидравлическое сопротивление притоку при плавном уменьшении размера частиц от каркаса фильтра к стенкам скважины падают на 4-5 %. С учетом турбулентной составляющей, пропорциональной квадрату расхода, потери напора в обсыпке за счет внедрения новой тех­нологии могут быть существенно уменьшены.

При выводе уравнений (1.39) и (1.40) традиционно предпола­гается, что скорость фильтрации по мощности продуктивного интервала остается постоянной величиной. В реальных условиях скорости фильтрации возрастают от нижних интервалов к верх­ним по закону гиперболических синусов или тангенсов. Увели­чение скоростей от нижнего к верхнему интервалу подтверждает­ся многочисленными данными расходограмм и поинтервального опробования.

Определим потери напора в гравийной обсыпке с учетом из­меняющейся по высоте продуктивного интервала скорости фильтрации. Э. А. Грикевич отмечает, что характер распределения

52

Входных скоростей по длине фильтра хорошо описывается зако­ном гиперболических синусов или тангенсов

Sh la —

Q(z) = Q0

Tg| Y — M

Tg Y

Где Q0 - расход притока в фильтр на высоте z; a, у - параметры неравномерности притока.

Принимая в выражении (1.39) переменный расход по длине, получаем

J4 = Ж f ln а + a g<—> f-i -1 2nr4 I r4 2п |R4 r3

Так же справедливо положение g(z) = dQ/dz. Принимая ги­персинусоидальный закон распределения скоростей притока, по­лучаем

G (z) = ch fa ^ I.

M shA | m

Для тангенциального распределения скоростей притока

^-------- (1.45)

M 2[ z

Tg у cos l у — M

Подставляя выражения (1.44) и (1.45) в равенство (1.41), имеем следующие выражения для определения потерь напора в гравийной обсыпке с учетом изменяющихся по длине фильтра скоростей притока

Ch

Т = aQ0 J 4 =

2NR4 m sh a

2 ch

Ln Г3+a_S0______

R4 2nm sh с

T = YQ0 J 4 =

2nr4 m 2 f z

4 tg у cos | у — M

53

Анализируя выражения (1.46) и (1.47) и сопоставляя их с традиционной формулой расчета (1.43), делаем вывод, что если пренебрегать влиянием неравномерности входных скоростей по длине фильтра в обсыпке, то погрешность составляет до 40 %.