Прогрессивные технологии сооружения скважин

МЕХАНИЗМ ДВИЖЕНИЯ ПЕСКА В ОКОЛОСКВАЖИННОЙ ЗОНЕ

Пластовый песок может проникать в скважину при наличии фильтрации и без нее. На практике пескопроявления обычно обусловлены воздействием фильтрационного потока на продук­тивный пласт, в процессе которого происходит изменение его структуры за счет удаления отдельных частиц или их агрегатов из околоскважинной зоны. При низких скоростях фильтрации силы сцепления между частицами превосходят силы гидродина­мического давления и суффозии не наблюдается. С увеличением скоростей фильтрации силы гидродинамического давления раз­рушают структурные связи между частицами или агрегатами по­следних.

Скорости, при которых начинается разрушение структурных связей грунта и начинается суффозия, называют критическими.

Определению критических скоростей фильтрации из пласта посвящено много исследований, которые не сводятся к общему знаменателю. Достаточно точно определяются критические ско­рости фильтрации для выноса частицы с поверхности воронки бесфильтровой скважины или речного дна. В этом случае части­ца находится в свободном состоянии и ее путь миграции не пре­гражден другими частицами. В реальных условиях в пласте час­тица находится в стесненном состоянии, так как окружена сосед­ними частицами, часть которых преграждает путь возможного перемещения. В этой связи на суффозионные процессы влияют не только скорости фильтрации, размер частиц и коэффициент трения породы, но и степень неоднородности песка, его окатан - ности, кольматации околоскважинной зоны пласта при вскрытии, характер освоения скважины и другие факторы. Очевидно, что

357

Учесть влияние вышеперечисленных параметров для всего мно­гообразия горно-геологических условий и создать универсальные зависимости для прогнозирования суффозии не реально. Извест­ные формулы применимы только для строго оговоренных усло­вий и не позволяют охарактеризовать процесс миграции песка в околоскважинной зоне в целом.

Отсутствие до настоящего времени удовлетворительного опи­сания суффозии для различных условий проведения работ, мето­дики прогноза выноса песка из скважины при эксплуатации пла­ста обусловлено тем, что в качестве основного параметра, по ко­торому прогнозировалась суффозия, принималась скорость фильтрации, являющаяся по своей сути подчиненным фактором. Некоторыми исследователями отмечается, что абсолютная ско­рость после установившегося режима, особенно для малых ско­ростей фильтрации, слабо влияет на вынос песка. К резкой ин­тенсификации пескования приводит изменение скорости фильт­рации как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Другими словами, вынос песка существенно возрастает при дес­табилизации режима фильтрации, а с течением времени при ус­тановившемся режиме резко уменьшается (иногда до нуля). При установившемся режиме фильтрации вокруг пор пласта, обсыпки или отверстий фильтра формируется арочная структура, силы сцепления между частицами и перепада давления компенсируют друг друга при заданном режиме фильтрации. При изменении режима эксплуатации меняется расход через арочную структуру, перепад давления на арке, что приводит к ее переформированию. Переформирование арки происходит после ее полного обруше­ния и выноса обрушенной породы из скважины, что и приводит к интенсификации пескования. Новая арка формируется на рас­стоянии от отверстий пор грунта или фильтра, соответствующем измененному расходу через арку и перепаду давления при новом режиме.

Автором установлено, что основной фактор, определяющий суффозию, — режим фильтрации флюида в околоскважинной зоне. При ламинарном режиме возможно формирование устой­чивых арочных структур и предотвращение пескования при ус­тановившейся фильтрации. В случае турбулентной фильтрации арочные структуры под воздействием пульсирующих скоростей и давлении на контуре разрушаются, что приводит к суффозии. Нарушение устойчивых структур можно наблюдать и в случае ламинарного режима при остановке или интенсификации откач­ки. В этом случае также наблюдается пульсация давления на контуре арочной структуры, возникает гидравлический удар и дестабилизация режима фильтрации. Последний учитывает 358

Влияние на суффозию кольматационных процессов. При кольма­тации снижается активная пористость грунта, увеличиваются скорости фильтрации, возникает ранняя турбулизация потока, что приводит, как правило, к интенсификации суффозии.

Вынос песка при фильтрации и отсутствии удовлетворитель­ного фильтра происходит в периодическом режиме, который в зависимости от условий проведения работ может либо интенси­фицироваться, либо стабилизироваться и прекратиться. Стабили­зация выноса песка происходит при формировании в околосква­жинной зоне естественного фильтра. Естественный фильтр в процессе откачки образовывается редко, что связано с опреде­ленным фракционным составом песка продуктивного пласта, ха­рактеризующегося практически отсутствием средних фракций. Присутствие в песке средних фракций препятствует выносу мел­ких частиц через крупные, а следовательно и формированию ес­тественного фильтра.

Обычно фракционный состав песков продуктивного пласта характеризуется плавным изменением размера частиц по кривой гранулометрического состава. В таких условиях процесс форми­рования естественного фильтра затрудняется и стабилизации пескования со временем не происходит. При невозможности стабилизации и прекращения выноса песка пескование приводит к необратимым явлениям, связанным со снижением эксплуатаци­онных характеристик и прежде всего - снижением удельной производительности скважин. Снижение удельной производи­тельности скважины происходит за счет замещения более прони­цаемых пород продуктивного пласта на менее проницаемые и в различных горно-геологических условиях протекает по-разному.

Продуктивный пласт слагается обычно неоднородными (по фильтрационным свойствам в вертикальном разрезе) породами с чередованием более и менее проницаемых пропластков. Основ­ной приток в скважину при эксплуатации, а следовательно и максимальные скорости фильтрации наблюдаются в более про­ницаемых пропластках, что приводит к преобладающему выносу песка через эти интервалы. По мере эксплуатации объем выне­сенной из наиболее продуктивных интервалов породы увеличи­вается и растет объем полостей, образованных в околоскважин­ной зоне.

С увеличением объема каверны ее устойчивость снижается и при некоторых критических значениях происходит обрушение стенок, сопровождающееся резким увеличением песка, посту­пающего в скважину и формирующего песчаную пробку (рис. 8.1). При обрушении каверны менее проницаемые пески из вы - шезалегающих интервалов, обогащенные глинистыми и другими

359

Кольматирующими частицами частично перекрывают проницае­мый интервал.

В процессе последующей откачки в нижней части наиболее проницаемого интервала вновь формируется каверна, но уже на менее протяженном интервале притока. Сопротивления притоку в околоскважинной зоне за счет замещения части проницаемой породы на менее проницаемую увеличиваются, что приводит к усугублению неравномерности эпюры входных скоростей фильт­рации и более резкому развитию каверны в горизонтальном на­правлении.

С уменьшением угла наклона поверхности воронки к горизон­тали ее устойчивость снижается, что приводит к увеличению чувствительности свода к колебаниям давления в гидравличе­ской системе и ускоренному разрушению при изменении режима откачки. Вторичное и последующее обрушение воронки происхо­дит за меньший промежуток времени, чем первичное. Это связа­но с усугублением неравномерности притока в скважину и воз­никновением каверны критического размера с критическими скоростями фильтрации на поверхности при меньшем дебите. Итак, в процессе освоения скважины при постоянном дебите в неоднородных песках происходит периодическое ускоряющееся во времени разрушение сводов, образующихся при выносе песка 360

Из каверн и проницаемые породы замещаются на менее прони­цаемые.

Прифильтровая зона скважины может частично или полно­стью экранироваться от наиболее продуктивных интервалов сла­бопроницаемыми породами. Обычно слабопроницаемые породы включают тонкие и глинистые фракции. Поэтому при замещении процесс пескования не уменьшается, а наоборот интенсифициру­ется. Потери напора в околоскважинной зоне резко возрастают и дальнейшая эксплуатация скважины становится экономически невыгодной. Характерно, что ремонту такие скважины не подле­жат, и их следует перебуривать.

В условиях, когда продуктивный пласт сложен чередующими­ся пропластками песчаных и глинистых пород, процесс снижения проницаемости околоскважинной зоны протекает иначе. При от­качке песок из скважины выносится, образуя ряд бесфильтровых воронок, в которых роль устойчивой кровли выполняют глини­стые пропластки. Удаление песка происходит плавно, причем с течением времени пескование уменьшается. По мере разработки каверн их устойчивость также уменьшается, что приводит к об­рушению глинистой кровли и перекрытию интервала водоприто - ка глинистыми породами.

В момент обрушения воронок происходит резкое уменьшение удельной производительности скважины, которая при последую­щей откачке не только не восстанавливается, но и еще больше снижается.

Динамика развития суффозии в пластах, сложенных чере­дующимися пропластками песков и глинистых пород, представ­лена на рис. 8.2. После замещения песка в интервале притока на глину скважина подлежит перебуриванию. Увеличение сопро­тивления пород в околоскважинной зоне может наблюдаться при резких перепадах давления на пласт даже в скважинах, ранее не подверженных суффозии. Обычно такие явления происходят в начальный момент откачки при значительных депрессиях на пласт в течение ограниченного промежутка времени. При резком пере­паде давления на пласт часть породы из наиболее проницаемых пропластков выносится из скважины, а окружающие менее про­ницаемые породы или пропластки перекрывают частично основ­ной интервал притока. В начальный момент откачки в около­скважинной зоне возникает разрыв потока, создается вакуум, способствующий подсасыванию в интервал основного потока ино­родных примесей, что приводит к снижению его проницаемости.

Развитие суффозионного процесса при резких перепадах дав­ления показано на рис. 8.3. Создание больших депрессий на пласт приводит к снижению удельной производительности сква-

361

А б в

Жины, восстановить которую при ремонтных работах сложно. Проникновение песка в скважину без фильтрации может проис­ходить при определенных соотношениях реологических свойств раствора, заполняющего скважину, пластового флюида и грану­лометрического состава пластового песка. В практике продук­тивные пласты, частицы которых при определенных условиях без фильтрации проникают в скважину, называют плывуна­ми. Для плывунов характерно, что частицы в пластовой или за­полняющей скважину жидкости находятся во взвешенном со­стоянии и могут образовывать естественный раствор. Проникно­вение песка в скважину происходит в случае отсутствия фильт­рации под влиянием диффузии. Запишем условие возникновения суффозии при отсутствии фильтрации

Тп > ifcp)) (8.1)

Б£ф

Где тп — статическое напряжение сдвига пластовой жидкости; D — размер частиц песка; ри — плотность песка; р — плотность пластовой жидкости; кФ — коэффициент формы, уменьшающий­ся с ростом диаметра частиц песка (кФ = 3,5^3).

С целью устранения проникновения песка в скважину из пла­стов плывунного типа следует заполнять ствол скважины жидко­стью с пониженными структурными свойствами, т. е.

_ < GD(PN - РР)

(8.2)

Б£ф

Где тр - статическое напряжение сдвига заполняющего скважину раствора; рр — плотность заполняющего скважину раствора.