Прогрессивные технологии сооружения скважин

КАРКАСЫ ФИЛЬТРА

В качестве каркасов фильтра используют разные конструк­ции, которые подробно описаны в работах В. С. Алексеева и дру­гих авторов. В мировой практике производства фильтров наме­тилась четкая тенденция замены многообразных конструкций на каркасы с проволочной обмоткой. Это относится только к усло­виям, когда продуктивный пласт сложен песками различного фракционного состава. В относительно устойчивых породах, ва - лунно-галечных отложениях нет смысла обматывать перфориро­ванные каркасы проволокой или другим материалом.

Проволочные фильтры, одну из первых конструкций которых разработал Ф. С. Бояринцев в 1952 г., претерпели существенные изменения. Прежде всего это касается перехода с круглого сече­ния проволоки на фигурное. В случае круглого сечения прово­лочной обмотки поверхность образуемой щели, контактирующая с породой, имеет форму клина. При откачке щель заполняется породой и возникает расклинивающий эффект, способствующий интенсивному уплотнению породы, закупорке фильтра.

Закупорка щелей при наличии в пласте мелких фракций пес­ка и шлама, неоднородности гравийной обсыпки, наличии в ней кольматантов происходит быстро, в первые секунды откачки. Мелкие фракции и кольматант цементируют поровое простран­ство между более крупными частицами, находящимися в кон­такте с поверхностью проволоки, многократно снижая тем самым эффективную скважность фильтрующей поверхности. При этом осложняется раскольматация прифильтровой зоны, что вызывает необходимость предъявления жестких требований к технологии вскрытия пласта, расширению, фракционированию и намыву гравия.

Фирмой «Джонсон» [Великобритания] было предложено профилировать проволоку перед намоткой на каркас. Сечение профилированной проволоки получали треугольным. При на­вивке проволоки на опорные стержни каркаса одна из вершин треугольника направляется внутрь фильтра перпендикулярно его продольной оси симметрии.

Поверхность фильтра, контактирующая с породой, получается гладкой, без впадин около щелей и выступов между ними. В процессе откачки такая поверхность щели не способствует це­ментации и уплотнению породы вблизи фильтрующей поверхно­сти, а наоборот, стимулирует вынос частиц, меньших по размеру ширины щели, и очищение прифильтровой зоны от шлама, мел­ких фракций и кольматантов.

Гидравлическое сопротивление фильтров с профилированным сечением обмотки меньше, чем с круглым, не только из-за боль­шей проницаемости контактной зоны фильтрующей оболочки с породой. При прохождении потока через щель, имеющую в попе­речном сечении форму расходящегося внутрь каркаса насадка, струя в момент вхождения в щель сжимается. Максимальное сжатие струи наблюдается не у фильтрующей поверхности, а на расстоянии 1-2 мм от нее внутрь. В интервале потока, характе­ризующегося минимальным сечением, скорости струи макси­мальны. С увеличением скорости, согласно уравнению Бернулли, уменьшается статическая составляющая и по аналогии со струй­ными аппаратами возникает вакуум. Вакуум также возникает между фильтрующей поверхностью и сечением максимального сжатия струи. На величину вакуума влияет сопротивление фильтра из профилированной проволоки меньше, чем круглой, в контакте с водной средой.

Кроме фирмы «Джонсон» аналогичные фильтры выпускают и другие ведущие фирмы, такие как «Бейкер» [США], «Нагаока» [Япония]. Профилированная проволока прикрепляется к опор­ным стержням каркаса контактной сваркой, что обеспечивает сплошность щели и необходимую прочность и целостность кон­струкции.

Недостатком известных конструкций считается перпендику­лярность оси симметрии щелей фильтра оси симметрии сква­жины и фильтровой колонны. Такое пространственное располо­жение отверстий рационально только в том случае, когда мы имеем дело с плоскопараллельным фильтрационным потоком в скважину и скорость притока в фильтр в любом сечении незави­симо от длины постоянна. На практике плоскопараллельная фильтрация, как и радиально-сферичная, не встречается.

Обычно характер фильтрации носит промежуточный характер между плоскопараллельным и радиально-сферичным потоком. Прямое доказательство этого - эпюра входных скоростей в фильтр. Максимальные скорости фильтрации наблюдаются в верхних сечениях фильтра и постепенно (не линейно) убывают по направлению к забою скважины. При плоскопараллельной фильтрации входная скорость по длине фильтра - постоянная величина, а при радиально-сферичной фильтрации работает только верхний участок фильтра высотой, соответствующей его радиусу (остальная часть фильтра не работает). В этой связи очевидно, что градиент фильтрационного потока в реальных скважинных условиях направлен не перпендикулярно оси сква­жины (и параллельно пласту) и не в направлении верхних от­верстий фильтра, а занимает определенное промежуточное поло­жение, зависящее от свойств пласта, его размеров, режимов экс­плуатации и др.

При фильтрации потока через известный фильтр направление движения флюида не совпадает с направлением градиента фильт­рации, который перпендикулярен линии постоянного давления в околоскважинной зоне. Поэтому известная конструкция фильтра выполняет функцию местного сопротивления, заставляющего поток при прохождении через фильтрующую оболочку временно изменять свое направление. Следовательно, при использовании известного фильтра в реальных условиях возникают дополни­тельные потери напора, обусловленные несовпадением направле­ния и градиента фильтрации, снижаются эксплуатационные ха­рактеристики скважины.

Несовпадение оси симметрии отверстия и фильтрационного потока в отверстиях приводит к возникновению асимметричной нагрузки на арочные, мостовые структуры из частиц песка во­
круг отверстий, что способствует снижению их устойчивости, периодическому разрушению и суффозии.

Скорости фильтрации в фильтр V возрастают от нижних к верхним отверстиям по зависимости

V = voch566^!, (5.4)

Где v0 - скорость фильтрации в нижних отверстиях фильтра или в сечении, на котором осуществляется приток; - диаметр фильтра (скважины); цп - гидравлический параметр фильтра

Dit

Ц N =—— arctg ^ 566l 6

J5 - разность пьезометрических уровней снаружи и внутри фильтра в конечном сечении; Q - расход через фильтр.

Увеличение скорости фильтрации в верхних сечениях фильт­ра и соответственно уменьшение в нижних вызвано пере­теканием жидкости из нижних сечений пласта в верхние по мере фильтрации, т. е. наличием вертикальной составляющей скорости потока. Переток жидкости из нижних в верхние сечения пласта и фильтра, наличие вертикальной составляющей скорости фильт­рации обусловлены перепадом давления между верхними и ниж­ними сечениями пласта и фильтра, вертикальной составляющей градиента давления. Перепад давления на верхних отверстиях фильтра значительно выше, чем на нижних. Перепад давления на фильтре как функцию высоты отверстий можно определить, пользуясь известной формулой истечения жидкости из затоплен­ного отверстия,

V = ц nV2 GJ 5. (5.6)

Приравнивая правые части выражения (5.4) и (5.6), получаем ! 566U.Nl [7. V

Voch = Ц Ч2 GJ5 ИФ

Или

J5 = ± f Vl ch566^. (5.7)

5 2G ^цN У~ D

Закон распределения перепада давления на фильтрующей оболочке по длине фильтра можно получить также, используя

Известную формулу зависимости скорости фильтрации от длины фильтра, подчиняющуюся закону гиперсинусов,

(5.8)

Где у - параметр распределения притока. Решая совместно (5.8) и (5.6), получаем

(5.9)

Преобразуя (5.9), получаем закон распределения давления по длине фильтра

(5.10)

Закон распределения перепада давления на фильтре по его длине может быть получен при обработке данных расходометрии с учетом выражения (5.4).

С помощью зависимостей (5.7), (5.10), на основании экспери­ментальных данных, реальных результатов расходометрии строят в масштабе эпюру распределения скоростей фильтрации по дли­не фильтра (рис. 5.1). По полученной эпюре с помощью вы­ражения (5.6) и зависимостей (5.7) и (5.10) строят эпюру пере­пада давления на поверхности фильтра по его длине (рис. 5.2).

Поверхность постоянного давления в околоскважинной зоне может быть найдена различными способами, например методом гидродинамического, математического и физического моделиро­вания или непосредственным расчетом. Метод непосредственного расчета основан на сопоставлении зависимостей (5.7), (5.10) и уравнения изменения давления по мере удаления от скважины. Характер изменения давления с расстоянием от скважины опре­деляется выражением

(5.11)

Где т - вязкость флюида; K, K - коэффициент соответственно ламинарной и турбулентной фильтрации; т - мощность пласта; R - радиус влияния скважины; R - расстояние от оси скважины, на котором получено значение давления J5.

Режим фильтрации флюида в околоскважинной зоне оцени­вается по следующей методике. В случае ламинарной фильтра­ции давление в пласте по мере удаления от оси скважины опре­деляется первым членом уравнения (5.11), а при турбулентной -

I, м

Вторым. Поверхность постоянного давления определяется вели­чиной радиуса R на некотором уровне фильтра, находящемся от нижних отверстий на расстоянии!, при котором давление оста­ется постоянным. Зависимость R от L при J5 = const можно опре­делить, приравняв правые части уравнений (5.7) и (5.11).

Для ламинарного режима получим

ПKmvL ch283UNl l

—Vo—_ch566unl = ln(r/r0), r = r0e, g0in)te ro J. (5.12)

2g (цп)2 Dф 2п Km

С учетом равенства (5.10) получим формулу поверхности по­стоянного давления в околоскважинной зоне, использовав гипер­синусоидальный закон распределения скорости по длине фильтра,

1 f sh у L l2 = t Q2

, , , , "h-: 2g ^ц N sh у J 4п2 Km ^

Sh у l

R = r0ete"shTJ. (5.13)

В случае турбулентного режима фильтрации имеем Vo ch 566 цNl = T Q2 f 1 _ 1

2g(цn)2 D^ 4п2 K'm2 ^ro r

R = 1 _ K'(ПMvO)2 ch 283Цп L (514)

Ro g t Q (ц n)2 ro ' '

Используя уравнение (1.9) для турбулентного режима фильт­рации, получаем

1 f shyL l= tQ2 f 1 14

G ^ц n Sh YJ 4п2 k'm 2 ^ ro r

R = 1 _ k^Г ShYl _2nmJ2 r0 2gті^цn shy Q J

Формулы (5.12)-(5.15) характеризуют закон распределения зоны постоянного давления как функцию длины фильтра и рас­стояния от скважины для ламинарного и турбулентного режимов фильтрации флюида в околоскважинной зоне.

В масштабе строят поверхность постоянного давления в око­лоскважинной зоне (рис. 5.3). Проведя к полученной поверхно­сти перпендикуляр к любой точке (эпюры на рис. 5.3), получаем направление градиента давления в данной точке (на определен­ном расстоянии от нижних отверстий), рациональное направле­ние выполнения отверстий фильтра. Зная рациональное направ­ление оси симметрии отверстий фильтра по его длине, получаем нужное расположение отверстий фильтра (рис. 5.4).

Рассмотрим пример подбора фильтра в конкретных условиях. Скважина вскрыла водоносный пласт мощностью 5 м, сложен­ный тонкозернистыми песками с коэффициентом фильтрации 1 м/сут. Расчеты показали, что при известной конструкции сква­жины при расходе 1 л/с наблюдается ламинарный режим фильт­рации в околоскважинной зоне, а при расходе 2 л/с - турбу­лентный. При откачке с дебитом 0,8 л/с получаем характер из­менения скоростей фильтрации и перепадов давления на фильт-

Ре (табл. 5.1). Рассмотрим участок фильтра в интервале от 0,85 до 1,45 м от нижних отверстий.

Закон распределения скорости по длине фильтра в этом слу­чае описывается выражением (5.8) с параметром у = 1.

При использовании в расчетах удобных размерностей Q, л/с; l, м; K, м/сут; Д/5, м; т, м, рекомендуется использовать в формуле (5.11) переводной коэффициент 2,73. Тогда первый член равен­ства (5.11) можно представить как

2,73K l Д J5

Q = 2,73klAJ5; r/Го = ;

R0

2,73K l Д J5

R = R0 ■ 10 Q, (5.16)

Где r0 - радиус скважины у нижних работающих отверстий фильтра; R - радиус прифильтровой зоны выше нижних рабо­тающих отверстий фильтра, на котором наблюдается такое же давление, как и на удалении r0 у нижних отверстий.

Подставляя в уравнение (5.16) исходные данные, получаем

17,06Д J5

R = R0 ■ 10 Q. (5.17)

Расчеты по формуле (5.7) позволили определить распределе­ние зоны постоянного давления по длине рассматриваемого ин­тервала. Результаты расчетов представлены в табл. 5.1 в графе 5. Графа 4 характеризует перепад давления между различными се­чениями фильтра. В графе 6 показана величина приращения ра­диуса прифильтровой зоны, на которую удаляется поверхность постоянного давления от скважины. Так, на интервале фильтра 0,85-0,95 м радиус зоны постоянного давления увеличился с 0,089 до 0,0925, т. е. приращение радиуса Дг = 0,0035 м.

Угол наклона градиента давления и скорости фильтрации по­верхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра,

Ar

А = arctg —. (5.18)

Подставляя в уравнение (5.18) значения из табл. 5.1 (графа 6), получаем угол наклона градиента и скорость фильтрации к оси симметрии пласта а. Как показали расчеты, вектор скорости и градиенты фильтрации на интервале фильтра 0,85-1,45 м из­меняет угол наклона к поверхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра от 2 до 8°.

В этой связи целесообразно изменять направление отверстий фильтра по длине фильтра на участке от 0,85 до 1,45 м. На уча­стке фильтра 0,85-0,95 м рациональный наклон отверстий к по­верхности, перпендикулярной оси скважины и фильтра, составил 2°, на участке 1,15-1,25 м - 6°, а на участке 1,35-1,45 м - 8°.

В данных условиях целесообразно использовать фильтр, в ко­тором ось симметрии отверстий наклона к поверхности перпен­дикулярной оси скважины под расчетным углом а. Оборудовали скважину новой конструкцией фильтра.

Рассмотрим турбулентный приток к фильтру на участке 0,85­0,45 м. При расходе 2,04 л/с в околоскважинной зоне наблюда­лась турбулентная фильтрация. Характер распределения входных скоростей в фильтр и перепадов давления на отверстиях пред­ставлены в табл. 5.2.

Для удобства расчета второй член уравнения (5.11) преобра­зовали по аналогии с формулами (5.16) и (5.17):

AЛ = 9,7 • 10-3 ^-ij; _L-1 = 103,02AJ5. (5.19)

R = 1 -103,02 A J 5; r = [ ± -103,02 A J5 j. (5.20)

Результаты расчетов по формуле (5.20) представлены в табл. 5.2 в графах 5 и 6. Угол наклона градиента и скорости фильтрации в околоскважинной зоне определяют по формуле (5.18) (см. графу 7).

На участке фильтра 0,85-1,5 м рациональный наклон отвер­стий фильтра к поверхности, перпендикулярной его продольной оси, изменяется от 2 до 64°.

Сопоставляя ламинарный и турбулентный режимы фильтра­ции флюида к скважине, становится очевидным, что при лами­нарном режиме вектор градиента и скорости фильтрации, а так­же и рационального направления выполнения отверстий фильтра более плавно изменяет свое пространственное положение по длине фильтра, чем при турбулентном режиме.