Прогрессивные технологии сооружения скважин

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРАВИЙНЫХ ФИЛЬТРОВ

К основным параметрам гравийных фильтров относят сле­дующие:

Гранулометрический состав гравия;

Качество гравия;

Размер отверстий каркаса фильтра;

Толщина гравийного фильтра и его диаметр.

365

Гранулометрический состав гравия

При выборе гранулометрического состава гравия для обсыпки в нашей стране пользуются рекомендациями, принципиально отличными от рекомендаций ведущих зарубежных фирм. У нас нет достаточных оснований для однозначного разрешения отме­ченного противоречия в пользу тех или иных исследователей по причине многообразия условий формирования фильтров, назна­чения скважин, условий эксплуатации и характера проводимых экспериментов. Приведем ниже наиболее типичные результаты работ отечественных и зарубежных авторов и определим рацио­нальные области их использования.

В табл. 8.1 представлена классификация различных подходов к механизму предотвращения пескования гравийными фильтра­ми, преимуществ, недостатков и рациональных областей приме­нения каждого с указанием рекомендуемых коэффициентов межслойности, равных отношению средних размеров гравия и песка.

Характерно, что процесс формирования научных взглядов на методику подбора гранулометрического состава гравия для об­сыпки в нашей стране и за рубежом протекал в противополож­ных направлениях. Ранние зарубежные исследования были осно­ваны на предположении о формировании вокруг пор обсыпки устойчивых арочных структур, на смену которым пришли выво­ды о необходимости образования естественного фильтра, а затем и о целесообразности механического задержания частиц песка по внешнему контуру обсыпки. Взгляды отечественных исследова­телей развивались наоборот от рекомендаций по механическому задержанию частиц песка по внешнему контуру гравийного фильтра через предположения о формировании вокруг пор об­сыпки арочных структур к выводу о целесообразности формиро­вания естественного фильтра.

Следует отметить, что результаты, аналогичные последним зарубежным рекомендациям, были получены ранее B. C. Оводо­вым, Е. А. Замариным, С. В. Комиссаровым и другими отечествен­ными специалистами. Вывод о целесообразности предотвраще­нии суффозии гравийным фильтром путем механического задер­жания по внешнему контуру основывался на простом сопостав­лении размеров частиц песка и пор обсыпки в простейших опытах на фильтрационных лотках. Из предположения о сфе­ричности частиц гравия для различной степени уплотнения гео­метрическим путем было установлено, что через рыхлую обсып­ку возможна миграция зерен, составляющих 0,41 диаметра час­тиц гравия, а через уплотненную обсыпку - 0,154. 366

Крупность гравия, предотвращающего суффозию в рыхлом сложении, должна не более чем в 2,44 раза превышать крупность частиц песка. В случае уплотненного слоя частицы гравия долж­ны быть не более чем в 6,49 раз крупнее частиц песка. В ре­альной засыпке объем пор близок к соответствующему объему при плотном сложении сферичных частиц. Размер пор однород­ной гравийной засыпки составляет ~0,21 от диаметра частиц. От­сюда, при соотношении диаметров зерен гравия и песка 5-4 вы­нос может быть исключен. Е. А. Замарин экспериментальным пу­тем установил, что коэффициент межслойности обсыпки, предот­вращающей пескование при реальных градиентах фильтрации, не должен превышать 7. В отечественной практике строительства нефтяных и газовых скважин в 40-50-х гг. для подбора гра­вийной обсыпки использовали правило

D = 12,9d10, (8.3)

Где D - средний диаметр частиц гравия; D10 - диаметр частиц песка, соответствующий 10%-му ситовому отсеву. _

При пересчете размера D10 на средний диаметр D для типо­вых песков продуктивных пластов коэффициент межслойности в формуле (3) уменьшается с 12,9 до 5-6.

В. С. Оводов подбирал обсыпку еще более строго. Он считает, что суффозии на контакте двух песчаных слоев не происходит, если отношение проницаемости обсыпки и песка продуктивного пласта не превышает 2-2,5. Изменение коэффициента фильтра­ции в зависимости от крупности гравия иллюстрируется циф­рами, приведенными ниже.

Фракция гравия, мм.......... 0,25-5 0,5-1 1-2 2-3 3-5 5-7 7-10

Коэффициент фильтрации,

М/сут.................................. 20 120 200 800 1150 11 000 14 000

Рекомендуемый коэффициент межслойности (по В. С. Ово­дову) не превышает 2, что, вероятно, объясняется рыхлым сло­жением слоев гравия в экспериментальных работах.

В 40-50-х гг. С. В. Комиссаровым были проведены фундамен­тальные исследования, которые спустя 30 лет были подтвер­ждены Р. Сеусье и другими ведущими зарубежными специали­стами. В экспериментах была исследована проницаемость гра­вийных фильтров при попадании в них примесей разного состава и в разных объемах. Значения коэффициента фильтрации наибо­лее типовой фракции гравийной обсыпки 0,5-1 мм в смеси с другими фракциями, по данным С. В. Комиссарова, представлены в табл. 8.2.

Добавление к фракции 0,5-1,0 мм до 10 % более крупных

367


Таблица 8.1

Метод пре­дупрежде­ния песко­вания

Характер предот­вращения пескова­ния

Преимущества метода

Недостатки метода

Область примене­ния

Коэффициент меж­слойности (отноше­ние среднего размера частиц гравия к среднему размеру частиц песка про­дуктивного пласта)

Механиче­ское задер­жание час­тиц

Предупреждение проникновения песка в обсыпку путем задержания частиц по внеш­нему контуру

Высокая проницае­мость гравийной об­сыпки за счет исклю­чения проникновения песка и инородных примесей внутрь фильтра, предотвраще­ние пескования сква­жины при любых ре­жимах эксплуатации во всем интервале прито­ка, эффективное экра­нирование однородно­го песка

Невозможность деколь­матации скважины за счет исключения воз­можности выноса за- кольматированных час­тиц песка, снижение проницаемости обсып­ки при проникновении в нее кольматанта, сложность эффектив­ного подбора обсыпки для неоднородных пес­ков

Однородные пес­ки продуктивного пласта, малые кольцевые зазоры между стенками скважины и кар­касом фильтра

5-6

Образова­ние естест­венного фильтра

Частичное проник­новение наиболее мелких частиц пес­ка в обсыпку и скважину, частич­ное задержание наиболее крупных частиц песка по внешнему контуру обсыпки и внутри нее

Высокая проницае­мость гравийной об­сыпки после освоения скважины, возмож­ность декольматации околоскважинной зоны за счет выноса частиц кольматанта и мелких фракций песка, эффек­тивное экранирование после освоения сква­жины неоднородного песка

Сложностъ качествен­ной декольматации скважины за счет иск­лючения возможности выноса зальматирован - ных частиц песка пре­имущественно крупных фракций, возможное снижение проницаемо­сти фильтра за счет проникновения в него мелких и средних фракций песка, слож­ность предотвращения

Неоднородные по фракционному составу пески про­дуктивного пласта

8-12

Формиро­вание ароч ных струк тур

Проникновение внутрь обсыпки час­тиц песка при дес­табилизации режи­мов эксплуатации, предупреждение проникновения пес­ка в скважину при устойчивом ре­жиме эксплуатации путем задержания частиц по контуру арочных структур в обсыпке

Высокая проницае­мость гравийной об­сыпки после длитель­ного освоения скважи­ны при стабилизиро­ванном режиме, воз­можность качественно­го освоения скважины за счет выноса при от­качке кольматанта и закольматированных частиц песка любой фракции


Пескования в однород­ных песках

>12

Пескование при изме­нении режимов эксп­луатации и при высо­ких дебитах; сложность экранирования верхних интервалов фильтра, возможное снижение проницаемости фильт­ра при проникновении в него песка за счет пульсирующей откач­ки, увеличения нерав­номерности притока по длине фильтра

Невозможность исключения ката­строфической коль матации пла­ста, не­обходимость дли­тельного освоения скважины, удале­ния закольматиро­ванной породы, большая толщина обсыпки, малые эксплуатационные дебиты


Таблица 8.2

Содержание фракции 0,5­1 мм, %

Коэффициент фильтрации (в м

/сут) при добавке фракции, мм

1-2

3-5

5-7

7-10

90

140

112

112

120

80

-

45

105

-

70

150

60

47

90

60

-

112

30

-

50

200

115

50

80

40

-

190

110

-

30

240

270

360

210

20

-

480

480

-

10

340

920

1700

3100

Частиц почти не изменяет коэффициент фильтрации. Дальней­шее увеличение содержания крупной фракции (за исключением фракции 1-2 мм) приводит к уменьшению коэффициента фильтрации гравийной смеси. Добавление крупного гравия свы­ше 50-60 % резко увеличивает водопроницаемость смеси.

Основная фракция, определяющая фильтрационные свойства смеси (табл. 8.3) - наиболее мелкие частицы. Смесь гравия, со­стоящая из равного количества различных фракций, имеет почти такой же коэффициент фильтрации, как и наиболее мелкая фракция. Добавление крупных фракций 7-10 мм в объеме 10­20 % не вносит существенных изменений в изменение фильтра­ционных свойств смеси. При проникновении внутрь обсыпки песка, проницаемость фильтра резко уменьшается до значений исходной проницаемости пласта. В этой связи с целью снижения гидравлического сопротивления фильтра целесообразно задер­жать песок по внешнему контуру обсыпки. Впоследствии эти выводы подтвердились в работах зарубежных специалистов.

Таблица 8.3

Фильтрационные свойства различных смесей гравия (по С. В. Комиссарову)

Номер смеси

Содержание (в %)

Фракций, мм

Коэффициент фильтрации смеси, м/сут

0,5-1

1-3

3-5

5-7

7-10

1

40

20

20

10

10

76

2

30

10

20

20

20

175

3

20

20

20

20

20

153

4

40

-

30

30

-

113

5

30

-

30

40

-

210

6

20

-

40

40

-

568

7

20

20

30

30

-

166

8

50

20

20

10

-

67

9

50

10

20

10

10

74

10

50

-

10

20

20

72

11

50

-

-

30

20

87

12

40

-

20

20

20

89

13

30

10

20

20

20

140

14

10

30

20

20

20

390

15

20

20

20

20

20

95

370

Проницаемость гравийной обсыпки, сложенной большими по размеру частицами в течение первых пяти минут, уменьшается в 5-6 раз. Такое резкое снижение проницаемости можно объяснить тем, что при слишком большом размере частиц гравия песок проникает в гравийную обсыпку и закупоривает поровое про­странство. В результате исследований было показано, что при коэффициенте межслойности менее 6 проницаемость гравийного фильтра в процессе эксплуатации остается постоянной, а при больших коэффициентах межслойности резко уменьшается.

Наиболее проницаемая обсыпка (по отношению к проницае­мости песка коллектора) формируется из гравия, подобранного с учетом коэффициента межслойности, равного 6. На основании проведенных экспериментов Р. Сеусье утверждает, что при соот­ношении средних диаметров гравия и песка, равном 6, гравийная обсыпка предохраняет скважину от проникновения песка, сохра­няет максимальную проницаемость и обеспечивает при этом вы­сокие эксплуатационные параметры скважины.

Для определения коэффициента межслойности, при котором песок продуктивного пласта задерживается по внешнему контуру гравийной обсыпки, С. В. Комиссаровым была исследована зави­симость размера частиц гравия и пор образуемой ими обсыпки. Различные фракции гравия после встряхивания в емкости це­ментировали канадским бальзамом. Затем было сделано не­сколько срезов по произвольным сечениям. При анализе фото­графий срезов установлена зависимость размера гравия и пустот (табл. 8.4).

Максимальный размер пустот между частицами гравия в 1,5 раза меньше, а преобладающий размер примерно в 2 раза меньше диаметра самих частиц гравия. Крупные пустоты встречаются в каждом сечении, причем располагаются в различных местах и как бы изолированы. При толщине слоя, в несколько раз превы­шающем диаметр частиц, максимальные пустоты не являются показателем способности гравия удерживать песок, так как они в

Таблица 8.4

Зависимость размера частиц гравия и пустот, образуемой ими обсыпки

Фракция, мм

Диаметр частиц гравия, мм

Ширина пустот, мм

Отношение диа­метра гравия к ши­рине пустот

0,5-1,0 1,0-2,0 2,0-3,0 3,0-5,0 5,0-7,0

Примечание. В менателе - преобла.

0,85/0,67 1,92/0,9 2,6/1,6 4,6/3,0 5,0/4,8

Числителе Приведе дающие.

1,15/0,6 1,35/0,7 1,6/1,0 3,0/1,5 3,2/1,8

Ны максимальные

1,17/1,11 1,5/1,3 1,6/1,6 1,5/2,0 1,6/2,6

Начения, а в зна-

371

Начальный момент откачки заполняются песком. Способность экранировать песок определяется преобладающим размером пус­тот. Гравийная обсыпка, по С. В. Комиссарову, не будет пропус­кать песок, частицы которого в 2 раза меньше частиц засыпки. Следует отметить, что данный вывод был получен для рыхлого гравия. В случае уплотнения обсыпки рекомендуемый коэффи­циент межслойности увеличивается до 5—6.

Н. Стейн построил график, иллюстрирующий механизм за­держания частиц песка гравийным фильтром и изменение про­ницаемости обсыпки в зависимости от величины коэффициента межслойности, подтверждающий целесообразность подбора об­сыпки при K = 6.

Если K < 6, то песок коллектора в поры гравийной обсыпки не проникает, а задерживается по ее внешнему контуру и прони­цаемость фильтра максимальная. При K от 6 до 11—12 пескова - ние скважины предупреждается за счет закупорки частицами песка порового пространства по всей толщине гравийного фильтра. Проницаемость гравийного фильтра при этом резко снижается и составляет около 30 % от начальных значений. При K > 12 гравийный фильтр не обеспечивает задержании песка от проникновения в скважину. За счет миграции песка, заполняю­щего поры, проницаемость гравийного фильтра возрастает, а если коэффициент межслойности равен 20 и более, то величина про­ницаемости стабилизируется и достигает максимальных значе­ний, приблизительно равных начальной проницаемости обсыпки.

В течение нескольких лет водная служба штата Иллинойс со­бирала информацию о ситовых анализах песков коллекторов и гравийных обсыпок по 20 скважинам. По полученным данным был рассчитан коэффициент несовершенства, равный отношению дебита скважин, вычисленного по измеренным параметрам пла­ста к фактическому отбору. При коэффициенте межслойности от 4 до 5 коэффициент несовершенства составил 90—120 %. В скважинах с коэффициентом межслойности менее 4 фильтр по­лучался уплотненным и они имели меньший коэффициент несо­вершенства. Скважины с коэффициентом межслойности 7—10 характеризовались еще меньшим коэффициентом несовершенст­ва. Одна скважина, оборудованная гравийным фильтром с меж - слойным отношением 10 имела коэффициент несовершенства только 0,32, а другая с коэффициентом межслойности 20 выно­сила столько песка, что оказалась аварийной. На основании при­веденных данных X. Смит сделал вывод о рациональном коэф­фициенте межслойности в пределах 4-6.

Целесообразность подбора гравийной обсыпки при качествен­ном вскрытии пласта в соответствии с коэффициентами меж - 372 Слойности k = 6 обоснована многими специалистами и отображе­на в рекомендациях ведущих западных фирм.

Рекомендации специалистов относительно целесообразности механического задержания частиц песка по внешнему контуру гравийной обсыпки, полученные в 40—50-х гг. в нашей стране и за рубежом пока не нашли реализации в отечественной практике сооружения скважин. Это объясняется неудовлетворительной технологией вскрытия продуктивного пласта, отсутствием необ­ходимого для различных условий многообразия промывочных жидкостей, и, как правило, сильной кольматацией околосква­жинной зоны.

При сильной кольматации важно своевременно освоить сква­жину и восстановить проницаемость пласта до значений, близких к естественным. Процесс освоения связан с необходимостью вы­носа из прифильтровой зоны кольматантов. Характерно, что в реальных условиях смыть глинистую или полимерную пленку с поверхности частиц песка невозможно из-за сильного адгезион­ного воздействия и недостаточно высоких скоростей фильтрации. В этой связи целесообразно удалять из прифильтровой зоны кольматант вместе с частицами песка, на которых он сконцен­трирован.

По мнению различных специалистов в процессе формирова­ния естественного фильтра с целью создания высокопроницае­мой прифильтровой зоны следует вынести 40—70 %, а по реко­мендациям Н. А. Плотникова до 90 % частиц мелких фракций и кольматанта. Вынос частиц песка с кольматантом возможен только при обеспечении их прохождения через обсыпку в на­чальный период откачки. В случае механического задержания частиц по контуру гравийной обсыпки процесс освоения затруд­нителен. С этим обстоятельством связано развитие в нашей стра­не разных подходов к механизму задержания частиц песка, осно­ванном на выносе кольматантов и мелких фракций песка из око­лоскважинной зоны в период освоения и на предупреждении пес­кования в процессе эксплуатации. Как правило, освоение сква­жины ведут при откачке с дебитом, превышающим проектный.

Эффективное освоение скважины возможно при подборе гра­вийной обсыпки таким образом, чтобы вокруг пор формирова­лись арочные структуры, которые сохраняют свою устойчивость при заданной производительности и разрушаются при интенси­фикации откачки. Отличительная особенность механизма подбо­ра обсыпки с учетом формирования арочных структур заключа­ется в том, что размер пор обсыпки во много раз превышает ха­рактерный диаметр песчаных частиц.

Интересны рекомендации И. Ф. Володько относительно под-

373


Бора гравийной обсыпки с учетом арочного эффекта. Установле­но, что при формировании арочных структур вокруг пор гравий­ной обсыпки отношение размеров гравия и песка существенного значения не имеет и может колебаться от 40 до 120. Рекоменду­ется удалить из обсыпки частицы менее 1—2 и более 15—18 мм и осуществлять строительную откачку с дебитом, превышающим эксплуатационный. Занос скважины песком, происходящий при строительной откачке, легко ликвидируется желонированием. Рекомендации И. Ф. Володько основаны на предположении, что по мере разработки каверны при откачке на ее периферии на­блюдаются скорости, уже не вызывающие выноса песка. Гравий в этом случае служит только для защиты стенок каверны от обва­ла, но не для предотвращения вымыва песка. Отмечается, что по данным С. В. Избаш, в антифильтрах плотин при соотношении зерен гравийной обсыпки и песка в 30 и более гравий хорошо экранировал песок.

Для выполнения рекомендаций И. Ф. Володько необходимо в процессе строительной откачки обеспечивать все большее про­никновение частиц гравия в пласт, что на наш взгляд затрудня­ется, особенно при песковании и требует использования специ­альной и сложной технологии, например намыва фильтра при полном поглощении жидкости-носителя с одновременным гидро­разрывом пласта. Поддержание стенок каверны крупным гравием не предотвращает поступления в фильтр песка под действием сил тяжести и горного давления.

При проникновении частиц песка внутрь обсыпки арочные структуры образуются не только по контуру воронки, но и внут­ри фильтра, что, с одной стороны, способствует снижению его проницаемости, а с другой - не предотвращает суффозию при откачке, так как арочные структуры быстро разрушаются при высоких скоростях потока и пульсациях давления. С другой сто­роны, несмотря на сложность предотвращения пескования, под­бор обсыпки с учетом формирования арочных структур обеспе­чивает высокое качество декольматации прифильтровой зоны и не накладывает ограничений к выбору техники и технологии восстановления проницаемости пласта вблизи скважины после вскрытия.

В целях повышения суффозионной устойчивости фильтров, подобранных на основе арочного эффекта, имеется ряд более строгих рекомендаций, касающихся снижения рекомендуемых коэффициентов межслойности до 15—20. Однако характер рабо­ты фильтра при этом существенно не меняется.

К. Аренс предлагает выбирать размер обсыпки для неодно­родных коллекторов согласно условиям 374

58d > D > 12d;

40d85 > D85 > 12d85;

DMax < 12 MM,

Где D85, d85 ^ диаметр соответственно частиц гравия и песка при 85%-ном ситовом отсеве, Dmax — наибольший диаметр частиц гравия.

Рекомендации по подбору обсыпки при высоких коэффициен­тах межслойности за рубежом относятся к 40—50-м гг. и сейчас не применяются на практике из-за повышенной вероятности пес­кования.

Добиться устойчивого предотвращения пескования при коэф­фициентах межслойности более 15 можно только в случае экра­нирования продуктивного пласта, сложенного неоднородными по фракционному составу песками с высоким процентом крупных частиц, после длительной строительной откачки. Предотвраще­ние суффозии обеспечивается после формирования естественного фильтра, размер частиц которого постепенно уменьшается от каркаса в направлении песка продуктивного пласта.

Процесс формирования естественного фильтра можно обеспе­чить даже в однородных песках и интенсифицировать в неодно­родных путем соответствующего подбора гравийной обсыпки. Характерно, что в период формирования естественного фильтра скважина может быть хорошо освоена за счет выноса мелких фракций и кольматанта, а после сформирования структуры об­сыпки при уменьшении размера частиц от каркаса в направлении стенок скважины исключается возможность пескования.

Теоретическое обоснование процесса формирования естест­венного фильтра дано И. Ф. Володько. При откачке с удалением от скважины скорости фильтрации убывают пропорционально квадрату расстояния от оси и соответственно уменьшается раз­мер частиц, выносящихся из прифильтровой зоны. Н. А. Карам - биров опытным путем при экранировании песка гравийной об­сыпкой установил критические скорости фильтрации, приводя­щие к выносу частиц определенной фракции. Результаты опытов приведены ниже.

Фракция, мм........... 0,1-0,25 0,25-0,5 0,50-1 1-2

Предельная скорость

Фильтрации, м/с...... 0,0006-0,0007 0,0014-0,0016 0,0023-0,0025 0,006-0,007

Зависимость диаметра частицы песка от скорости фильтра­ции, при которой начинается суффозия, с достаточной для прак­тических расчетов точностью аппроксимируется линейной функ­цией. Решая совместно линейную зависимость, полученную на

375


Основании данных, приведенных выше, и уравнения снижения скорости фильтрации с удалением от скважины, получим закон распределения диаметров частиц песка, не подверженных суффо­зии, как функцию расстояния от скважины

. 212,314Q

D = —:—-; (8.4)

Mr

Где d диаметр частиц песка, не подверженных суффозии; Q Дебит скважины; т - мощность пласта; r — расстояние от сква­жины.

С. В. Комиссаров теоретическим путем определил оптимальное распределение фракционного состава песка в околоскважинной зоне после формирования естественного фильтра. Оптимальные условия притока воды к скважине будут в том случае, если в пределах прифильтровой зоны депрессионная кривая будет пред­ставлять собой прямую линию. Такое положение депрессионной поверхности возможно в том случае, если коэффициент фильт­рации пород постепенно увеличивается от периферии к оси сим­метрии скважины.

Выведем уравнения для вычисления оптимальной проницае­мости песка с удалением от скважины, исходя из закона Дарси. Для этого воспользуемся уравнениями Дюпюи для напорного горизонта

Dh

Q = кф2п Rm—; (8.5)

Dr

Для безнапорного горизонта

Q = кф2п Rh; (8.6)

Dr

Где кф — коэффициент фильтрации; h — потери напора при фильтрации.

Примем, что в прифильтровой зоне оптимального строения Dh/dr = J = const, а коэффициент фильтрации кф изменяется с изменением расстояния от скважины r. Подставляя постоян­ные значения градиента потерь напора J в уравнения (8.5) и (8.6) и решая их относительно коэффициента фильтрации кф, получаем

Для напорного горизонта

Кф =; (8.7)

2п mrJ

376

Для безнапорного горизонта

(8.8)

K - Q Ф о 2 / г2 2Nmr /J

В табл. 8.5 представлено оптимальное уменьшение относи­тельного коэффициента фильтрации песка в околоскважинной зоне по мере удаления от фильтра по С. В. Комиссарову. На кон­такте с фильтром коэффициент фильтрации породы принимается равным единице. По мере удаления от фильтра k,^ снижался.

Используя данные табл. 8.3 и 8.5, можно от оптимальных зна­чений коэффициента фильтрации перейти к рекомендуемому фракционному составу пород в околоскважинной зоне.

Опытным путем С. В. Комиссаровым было установлено, что после формирования естественного фильтра коэффициент фильтрации пород в околоскважинной зоне изменяется в про­порциях, соответствующих установленным теоретическим зави­симостям (8.7) и (8.8). Эксперименты проводились на фильтра­ционном лотке, оборудованном пьезометрами. Результаты экспе­риментов приведены в табл. 8.6. В опытах с 6-тью первыми сме­сями режим фильтрации поддерживался постоянным, а в осталь­ных — пульсирующим. Все смеси, за исключением последней, испытывались с прямоугольными отверстиями фильтра размером 6x20 мм, а последняя — с круглым отверстием диаметром 5 мм.

Вынос мелких фракций из гравийной обсыпки при пульси­рующем режиме фильтрации происходит более интенсивно, чем при постоянной фильтрации. В обсыпке, состоящей на 50 % из фракции 0,5-1 мм и на 50 % из фракции 5-7 мм, вынос фракции 0,5-1 мм при постоянной фильтрации составил 400 дм3 на 1 м2 фильтра, а при пульсирующей — 900 дм3 на 1 м2 фильтра. При пульсирующей откачке почти вся мелкая фракция была вынесе­на из состава засыпки и в лотке осталась только фракция 5—

Таблица 8.5

Диаметр фильтра, мм

Гидравлическое состояние во­доносного го­ризонта

Относительный коэффициент фильтрации пород на расстоянии от фильтра, м

0,05

0,1

0,2

0,3

0,5

100

Напорный

0,50

0,33

0,200

0,140

0,090

Безнапорный

0,25

0,11

0,040

0,020

0,010

150

Напорный

0,60

0,42

0,270

0,200

0,180

Безнапорный

0,36

0,18

0,076

0,040

0,017

200

Напорный

0,66

0,50

0,400

0,280

0,180

Безнапорный

0,44

0,25

0,070

0,060

0,030

250

Напорный

0,71

0,55

0,380

0,300

0,200

Безнапорный

0,50

0,31

0,150

0,087

0,040

377

Таблица 8.6

Вынос мелких фракций из гравийной обсыпки при формировании естественного фильтра

Содержание фракций (в %) при размере, мм

Скважинностъ

Расход воды, м^/ч

Вынос мелких фракций, дм3

На 1 м2

Фильт­ра

0,5-1

1-3

3-5

5-7

Фильтра, %

Общий

На 1 м2 фильтра

Общий

50 50

25

-

50 25

20 20

0,50 1,00

50 100

4

0,5

400 50

70

-

-

30

20

1,45

145

4,0

400

70

-

15

15

20

1,00

100

0,3

30

70

10

10

10

20

1,00

100

0,3

30

80

-

10

10

20

0,50

50

0,2

20

90

-

5

5

20

0,36

36

1,5

150

50 85

5

5

50 5

20 20

0,72 0,45

72 45

9,0 1,0

900 100

85 85

5 5

5 5

5 5

25 15

0,30 0,30

30 30

2,0 1,5

200 150

85

5

5

5

10

0,20

20

2,0

200

90

-

5

5

15

0,20

20

1,5

150

7 мм с небольшим количеством частиц 0,5—1 мм в периферий­ной части.

При постоянной фильтрации полный вынос мелкой фракции наблюдался только на расстоянии 10—12 см от фильтра. Форми­рование естественного фильтра происходит успешно при отсут­ствии в составе смеси средних фракций 1—3 и 3-5 мм. Добавле­ние этих фракций от 10 до 50 % резко уменьшает вынос мелкой фракции и поэтому коэффициент фильтрации породы непосред­ственно у фильтра превышает коэффициент фильтрации смеси на периферийных участках всего в 2 раза. Следовательно, естест­венный фильтр образуется только в песках с неоднородным фракционным составом при незначительном (менее 10 %) содер­жании средних фракций.

Процесс миграции песка через обсыпку, формирование есте­ственного фильтра за рубежом в последние годы исследовался Р. Сеусье. Ученый оценил влияние на суффозионные явления размера частиц песка и гравия, скорости и ускорения фильтра­ционного потока, а также газожидкостного фактора. В опытах Р. Сеусье использовал хорошо отсортированный и промытый гравий из речной долины. Коллектор имитировался песками миоцена, различные фракции которого смешивались в пропорци­ях, аналогичных характеру ситового анализа для наиболее ти­пичных эксплуатационных горизонтов.

Специальные емкости в моделях заполнялись песком и гра­вием, который перед началом опытов механически уплотнялся до 378 Значений минимальной пористости. В процессе течения жидко­сти через модель скорость потока изменялась от 0,16 до 0,26 м/с. Через 5—10 мин образцы гравийного материала взвешивались и при сравнении с начальной массой образца устанавливалось ко­личество песка, поступившего в гравийный фильтр. При измене­нии скорости потока в сторону увеличения или снижения коли­чество песка, поступившего в гравийный материал, резко увели­чивалось. Если скорость потока после изменения в течение неко­торого времени оставалась постоянной, то объем песка, посту­пающего в гравийный фильтр, постепенно снижался.

Поднятием и опусканием специального груза в нагнетатель­ной магистрали возбуждался волновой процесс, что вызывало значительное увеличение песка, поступающего в фильтр. Ампли­туда гидродинамического давления в опытах достигала 0,48 МПа. При коэффициенте межслойности 6,7 наблюдалось десятикрат­ное увеличение объема песка, а при 9,4 — стократное. Наличие газа в потоке увеличивает количество вынесенного песка в 10 и 2000 раз соответственно для коэффициентов межслойности 6,7 и 9,4.

Итак, было установлено, что интенсификации процесса фор­мирования естественного фильтра можно добиться путем созда­ния волнового процесса откачки и периодической подачей воз­духа в скважину.

Характер изменения коэффициента фильтрации с удалением от скважины для различных смесей после формирования естест­венного фильтра показан в табл. 8.7

Графики изменения потерь напора и коэффициентов фильт­рации слоев естественного фильтра с удалением от оси скважи­ны для двух режимов откачки показаны на рис. 8.5.

Эффективность процесса формирования естественного фильтра обусловлена режимом откачки и скоростью фильтрации.

Таблица 8.7

Состав гравийной смеси (в %) при

Коэффициент фильтрации (в м/сут) на

Содержании фракций,

Мм

Расстоянии от скважины, см

0,5-1

1-3

3-5

5-7

0-10

10-20

20-30

30-40

40-50

50

-

-

50

1200

850

180

-

100

70

-

-

30

1000

410

160

116

-

50

-

25

25

225

225

129

-

127

50

25

-

25

480

380

220

212

214

70

-

15

15

230

155

120

120

-

70

10

10

10

260

235

222

-

216

80

-

10

10

192

169

90

-

71

90

-

5

5

245

-

-

75

70

85

5

5

5

440

293

242

220

180

379

1000

-

460

-

Ъ

-

Ч

-J60 11А 3

-------------- ищ6 Q=0,335 м3/ч

-

Ж"------- /0=1,44 м3/ч

-

/

125 / /

-

80

^^ 105/ /*

-

40

-

24

3 4 5

«ifbof •

.(У О' . . »г

О ••••''. - а ••' .'••••' .•«*.' ••»••'

4f2

.О. ; <} . • • 'о • 'о • '

•„. • - г •.-..• • •. -.«. • •.••. о - •. •. - г •.••. .••.-.4. • •

0

Фильтр

Рис. 8.5. Изменение потерь напора (в) и коэффициентов фильтрации (а) слоев естественного фильтра с удалением от оси скважины на 60 см:

1 — 5 — номера пьезометров

1000 800 600 400 200 0

160 120 80 40

Н

И

% з

Ar a a ar

Tl Й - о

Б

« 2 Z u

«0 ft, * r

А «и

Si? § «

Ft ъ

Й-s

Гравийная обсыпка в этом случае должна подбираться на ос­нове планируемых режимов эксплуатации. Д. Шверцем предло­жено выбирать размер обсыпки в соответствии со скоростью фильтрации по условию

D4

D

Q0

< 5; оф < 0,015 м/с; D10 = 6d10;

^ > 5; ОФ > 0,015 м/с; Di0 = 6di0;

DQ0

> 10; оф > 0,03 м/с; D70 = 6d70,

DQ0

Где d40, dQ0 - диаметр частиц песка, соответствующий 40, 90%-ному ситовому отсеву; ОФ — скорость фильтрации; D10,

D40, D70 - диаметр частиц гравия, соответствующий 10, 40, 70%-

Ному ситовому отсеву.

380


Таблица 8.8

Характеристика продуктивного пласта

Характеристика гравийной обсыпки

Тип

Диаметр частиц, мм

Коэффициент неоднородно­сти

Средний диаметр частиц, мм

Материал об­сыпки

Диаметр частиц, мм

Коэффициент неоднородно­сти

Средний диаметр частиц, мм

Коэффициент межслойно - сти

Несуффозионный

0,05-0,5

3,7

0,09

Песок мелко­зернистый

0,27-1,35 1,08-5,5

1,9-8,6

0,66 2,6

7-29

«

0,05-1,0

3,0

0,2

То же

0,5-5,0 1,0-10,0

1,5-8,3

1,7 4,0

8-20

«

0,01-0,25

3,0

0,08

Песок тонко­зернистый

0,25-3,0 0,5-5,0

2,0-8,6

1,2 2,6

15-31

«

0,05-0,5

3,3

0,2

Песок мелко­зернистый

0,25-5,0 0,5-10,0

2,0-11,5

1,5 3,0

7-16

Суффозионный (первый тип)

0,05-40

23

4,5

Гравий Галька

3-110 20-110

1,9-24,3

7,0 70,0

1,5-14,0

Суффозионный (второй тип)

0,005-40

220

2,0

Гравий Песок

0,5-4,0 1,0-10,0

1,7-6,5

2,0-3,5

1,0-1,8

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРАВИЙНЫХ ФИЛЬТРОВ

Рис. 8.6. Кривые гранулометрического состава пластового песка и рекомендуе­мых обсыпок:

А-е - типовые составы песков продуктивного пласта; 1 - кривая гранулометри­ческого состава песка; 2, 3 - кривые минимального и максимального грануломет­рического составов обсыпки

Последняя рекомендация для неоднородных песков и высоких скоростей фильтрации для центральных районов нашей страны полно обоснована А. Б. Бухваловым.

Наиболее фундаментальными в области подбора обсыпки с учетом гидродинамических факторов считаются работы В. И. Фо­менко, в которых наряду со скоростью фильтрации и режимом откачки учитываются факторы физико-механического состояния песка продуктивного пласта.

В. И. Фоменко разделил породы продуктивного пласта на не - суффозионные, суффозионные первого и второго типа. Несуф - фозионные породы воспринимают действие фильтрационного потока как единая статическая жесткая система и изменяют свою структуру при выносе отдельных частиц, не изменяя жесткости

382

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРАВИЙНЫХ ФИЛЬТРОВ

Скелета. В результате выноса мелких частиц в прифильтровой зоне образуется область с улучшенной проницаемостью, связан­ная с формированием естественного фильтра. В случае суффози - онных пород вынос частиц из пласта вызывает его проседание и изменение прочности структуры скелета, причем для первого типа такое проседание незначительно и составляет 1—3 %, а для второго типа может привести к нарушению устойчивости прифильтровой зоны. Характеристики гравийной обсыпки и по­род продуктивного пласта представлены в табл. 8.8 и на рис. 8.6.

В зарубежной практике разработан механизм подбора гравий­ной обсыпки для песков, неоднородных по фракционному со­ставу в вертикальном разрезе. Суть этого механизма сводится к необходимости выбора гравия с учетом рекомендуемого коэф­фициента межслойности k = 6 для интервала пласта, сложенного наиболее мелкими породами. Очевидно, что для других интерва­лов, как правило, наиболее обильных в отношении пластового флюида, фильтр становится переуплотненным и работает неэф­фективно.

383


Н. Стейн рекомендует для неоднородных по суффозионным свойствам пластов при выборе обсыпки учитывать силы цемен­тации между отдельными зернами. На практике пока такая ин­формация отсутствует и рекомендовать ее к широкому внедре­нию рано.

Следует отметить, что с увеличением коэффициента меж­слойности повышается вероятность пескования скважины. По­этому в случаях, связанных с эксплуатацией пылеватых и тонко­зернистых песков плывунного типа при высоких дебитах, когда избежать пескования сложно, не рекомендуется подбирать об­сыпку с учетом формирования естественного фильтра и устойчи­вых арочных структур. Интересны данные компании «Шелл Оил» по относительной зависимости вероятности пескования от коэффициента межслойности, приведенные ниже.

Коэффициент межслойности K...... 0-6 6-7 7-10 10-14,3 14,3-16 >16

Вероятность пескования................ 0,02 0,04 0,12 0,5 0,67

Динамика изменения вероятности пескования с увеличением коэффициента межслойности подтверждается исследованиями и практическими результатами, в частности анализом около 200 эксплуатационных скважин в Китае [7].

Толщина гравийного фильтра

От толщины гравийного фильтра зависит суффозионная ус­тойчивость и удельная производительность скважины. Влияние толщины гравийного фильтра на вынос песка необходимо рас­сматривать в непосредственной связи с коэффициентом меж­слойности. При правильно подобранном коэффициенте меж­слойности толщина обсыпки, предотвращающей вынос песка, может быть незначительной. Если в качестве обсыпки использо­вать неоднородную смесь или смесь с большим коэффициентом межслойности, то ее толщина, задерживающая песок, сущест­венно увеличивается.

С. В. Комиссаров исследовал зависимость объема вынесенного песка от толщины обсыпки для различных коэффициентов меж­слойности. Опыты проводились следующим образом. В металли­ческий цилиндр диаметром 5 см и высотой 12 см загружался слой гравия и поверх него насыпался мелкозернистый песок с частицами 0,25-0,1 или 0,1-0,05 мм, либо песок естественного сложения следующего гранулометрического состава: 0,25 мм - 0,08 %; 0,25-0,05 мм - 24,4 %; 0,05-0,01 мм - 60 %; 0,01 мм - 15,6 %. Вода фильтровалась через песчаный слой при давлении 0,3-0,35 МПа. Количество песчаных частиц, проникающих через гравий при фильтрации, определялось взвешиванием (табл. 8.9). 384

Таблица 8.9

Вынос (в кг) мелких песчаных частиц через слои гравия разной толщины на 1 м2 фильтра

Фракция песка, мм

Диаметр частиц гравия, мм

0,5-1,0

1-2

2-3

При толщине обсыпки, мм

15

30

50

15

30

50

15

30

50

0,25-0,1 0,1-0,05 Песок естест­венного состава

0,01 0,02 0,15

Следы 0,015 0,14

Следы 0,013 0,04

0,22 1,0 0,32

0,15 0,4 0,2

0,01 0,29 0,15

2,0 3,7 2,7

1,5 2,8 2,3

1,5 2,3 1,7

Опыты показали, что гравий размером 0,5-1 мм полностью удерживает частицы 0,1-0,25 мм при толщине слоя засыпки 3­5 мм. С увеличением коэффициента межслойности вынос песка увеличивается, однако он может стабилизироваться за счет уве­личения толщины фильтра. При коэффициентах межслойности 2—10 фильтр толщиной 15 мм пропускал примерно столько же песка, как и фильтр с коэффициентом межслойности 5—20 тол­щиной 50 мм. Частицы диаметром 2—3 мм почти не удерживали мелкого песка, в том числе и частиц 0,25 мм при исследуемой толщине обсыпки, ограниченной 50 мм.

Р. Сеусье исследовал на модели влияние толщины гравийного фильтра на объем вынесенного песка. В процессе эксперимента толщина гравийной обсыпки изменялась от 25 до 80 мм. При размере частиц гравия не более шестикратного диаметра частиц песка увеличение толщины гравийного фильтра не влияло на объем вынесенного песка. Если размер гравия превышал шести­кратный размер песчаных частиц, то при увеличении толщины гравийного фильтра количество вынесенного песка снижалось.

Эти выводы подтверждаются опытами С. В. Комиссарова. Р. Эллис отмечает, что теоретически при правильном подборе размеров гравийной обсыпки предупреждение выноса песка из коллектора в скважину обеспечивает фильтр толщиной, соответ­ствующей трем диаметрам гравийных частиц. Т. Ландресс реко­мендует принимать минимальную толщину гравийной обсыпки, равную пяти диаметрам частиц гравия. Китайский инженер Ю. Чанг проводил эксперименты по определению минимально допустимой толщины гравийной обсыпки при различных режи­мах эксплуатации. Полученные данные свидетельствуют о том, что толщина гравийного фильтра в 3—5 диаметров частиц не обеспечивает задержание частиц песка при высоких скоростях фильтрации. При сооружении гравийных фильтров в высокоде-

385


Битных водозаборных скважинах минимально допустимая тол­щина обсыпки должна быть 10 мм.

Действующими нормативными документами регламентирует­ся механизм подбора гравия в соответствии с коэффициентом межслойности 8-12, что не обеспечивает предотвращение песко­вания при малой толщине обсыпки. С. К. Абрамов рекомендует минимально допустимую толщину обсыпки для указанных ко­эффициентов межслойности 50 мм. И. Ф. Володько считает, что фильтр толщиной 30—35 мм устойчив к проникновению песка, но с учетом несоосности установки фильтровой колонны в сква­жине рекомендуемая толщина обсыпки составляет 45—50 мм. К аналогичному выводу пришел и В. М. Гаврилко.

Указанные рекомендации справедливы для однородных по мощности в отношении фракционного состава продуктивных пластов. В случае сложения пласта из чередующихся пропласт­ков более и менее крупных частиц на некоторых интервалах фильтра коэффициент межслойности может значительно пре­вышать рекомендуемые СНиП 8—12 и толщины обсыпки 30— 50 мм недостаточно для предотвращения пескования. М. Г. Оно­приенко отмечает, что надежнее принимать толщину гравийной обсыпки 150—200 мм. Однако, в некоторых случаях создание фильтров такой мощности экономически нецелесообразно, а ино­гда и не позволяет избежать пескования.

Автором разработана методика дифференцированного подхода к выбору толщины обсыпки исходя из неоднородности пласто­вого песка и коэффициентов межслойности (рис. 8.7). При ко­эффициентах межслойности менее 6—7 минимальная толщина обсыпки должна составлять 10 мм.

С увеличением межслойного коэффициента до 10—12 тол­щина обсыпки должна быть не менее 50—60 мм, а до 16—18 — 250—320 мм. При коэффициентах межслойности более 18 сква­жина, как правило, не застрахована от пескования при любой

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРАВИЙНЫХ ФИЛЬТРОВ

Рис. 8.7. Зависимость рекомен­дуемой толщины гравийной об­сыпки от коэффициента межслой­ности

Толщине фильтра и интервалы, сложенные наиболее тонкими частицами, в этом случае рекомендуется перекрывать глухой трубой. Рациональная конструкция скважины в интервале фильтра выбирается так. Определяют фракционный состав наи­более обильных по данным геофизических исследований и экс­пресс-опробования продуктивных интервалов. Средний диаметр частиц этих интервалов умножают на рекомендуемый коэффици­ент межслойности, равный 6, и получают необходимый средний диаметр гравийной смеси.

Исходя из необходимости предотвращения пескования в та­ких интервалах достаточная толщина обсыпки составляет 10 мм, а с учетом несоосности установки колонны — 15—20 мм. Диа­метр вскрытия пласта должен на 30-40 мм превышать наружный диаметр фильтра-каркаса. При уменьшении среднего диаметра частиц с удалением от периферийных зон наиболее обильного интервала коэффициент межслойности растет и увеличивается рациональный диаметр скважины в интервале продуктивного пласта. При уменьшении среднего диаметра частиц (по сравне­нию с наиболее обильным интервалом) в два раза, что соответст­вует коэффициенту межслойности 12, рациональный диаметр скважины должен на 100—120 мм превышать диаметр фильтра - каркаса. В интервалах, сложенных частицами размером в 3 раза меньшим, чем размер частиц наиболее обильных интервалов, диаметр скважины должен превышать диаметр фильтра на 500— 640 мм. Рекомендуемые диаметры скважины в интервале про­дуктивного пласта, исходя из неоднородности фракционного со­става пород, интерпретированы заштрихованной на рис. 8.8 обла­стью в координатах относительного диаметра частиц продуктив­ного интервала (отношение среднего диаметра фракции интерва­ла dt к среднему диаметру фракции наиболее обильных интер­валов dmax) и диаметра пилот-скважины D0 в интервале наибо­лее обильных пропластков.

При средней фракции частиц пропластка менее 0,33 от диа­метра частиц наиболее обильного интервала его целесообразно перекрыть глухой трубой или затампонировать с целью предот­вращения пескования.

Г. П. Квашнин установил, что правильнее говорить не о тол­щине фильтра, а о его диаметре. Суффозии происходить не бу­дет, если диаметр фильтра превышает диаметр зоны устойчивого равновесия. Диаметр зоны равновесия находят из уравнения равновесия частиц на стенке скважины и определяют по фор­муле

387


ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРАВИЙНЫХ ФИЛЬТРОВ

0,33 0,66 Dj/d

Рис. 8.8. Рекомендуемые диаметры скважины в интервале продуктив­ного пласта в масштабе диаметра пилот-ствола в зависимости от от­ношения Dj/dmax

QI 1 + 2,32 -2 Dp =Л ^nJ., (8.9)

NMnfvJ.

Где Q — расход; d — диаметр вымываемых частиц; dn — гидрав­лический эквивалент пор скелета породы пласта; m - мощность пласта; n — активная пористость грунта; f — коэффициент тре­ния песка; vd. — гидравлическая крупность вымываемых частиц.

Предлагается при выборе диаметра фильтра учитывать сте­пень кольматации продуктивного пласта. Чем выше кольматация пласта, тем больше должен быть диаметр скважины. Диаметр зоны кольматации определяют по объему поглощенного при вскрытии глинистого раствора и площади фильтрации. Косвенно влияние кольматации в формуле (8.9) можно учитывать через переменную активную пористость пород прифильтровой зоны.

В неоднородных пластах меняется гидравлический эквивалент пор скелета пород грунта dn и диаметр вымываемых частиц d.. Расход Q по мощности изменяется от максимума в наиболее обильных интервалах до нуля в сцементированных пропластках и нижних интервалах фильтра. Зону равновесия для весьма од­нородных в гранулометрическом отношении пород пласта огра­ниченной мощности можно определять по формуле (8.9).

388

Для неоднородных пород рекомендуется определять диаметр зоны равновесия, а следовательно и диаметр гравийного фильтра по формуле

Dp > , (8.10)

П mnVp

Где kH — коэффициент, учитывающий неравномерность притока по длине фильтра; ke — коэффициент, учитывающий силы сцеп­ления между частицами в условиях горного давления; vp — ско­рость, приводящая к суффозии.

В формуле (8.10) по сравнению с выражением (8.9) гидравли­ческая крупность частиц заменена на критическую скорость, приводящую к суффозии, которую определяют по формуле С. В. Избаш и Л. И. Козловой. Дело в том, что гидравлическая крупность характеризует скорость, необходимую для страгивания свободной частицы в потоке. В реальных условиях частица в грунте находится в стесненном состоянии.

Автором установлено, что основной фактор, обусловливающий суффозию — турбулизация потока в прифильтровой зоне. Авто­ром предложено техническое решение, заключающееся в необхо­димости создания фильтра диаметром, превышающим диаметр зоны турбулизации потока при заданных режимах эксплуатации.

Эффективность гравийных фильтров определяется не только задержанием песчаных частиц. При увеличении диаметра сква­жины и толщины фильтра каверна, ранее заполненная малопро­ницаемым песком, засыпается высокопроницаемым гравием. Следовательно, фильтрационная поверхность скважины увеличи­вается, что и влияет на результирующий дебит скважины. Все исследователи рекомендуют для повышения производительности скважины увеличивать ее диаметр. Различия в рекомендациях касаются только диаметра фильтра, превышать который не целе­сообразно.

С. В. Комиссаров на основе анализа уравнения Щелкачева вы­явил теоретическую зависимость дебита скважины от толщины слоя гравия для различных коэффициентов фильтрации гравия (табл. 8.10). В расчетах принимается радиус влияния скважины 1000 м, мощность пласта 10 м, коэффициент фильтрации песка 5 м/сут, понижение 10 м.

Влияние толщины гравийного фильтра на его дебит несуще­ственное (см. табл. 8.10). Увеличение толщины фильтра в 50 раз повышает дебит от 20 до 55 %. Проницаемость обсыпки также не приводит к существенному изменению производительности. Уве­личение коэффициента фильтрации обсыпки в 10 раз приводит к росту дебита от 5 до 10 %.

389


Таблица 8.10

Коэффициент

Дебит скважины (в м3/ч) при толщине слоя гравия, м

Фильтрации

0,1

0,2

0,3

0,5

1

2

3

5

Гравия, м/сут

10

358

362

370

372

392

410

420

435

20

362

380

388

391

425

455

475

505

30

366

382

392

400

435

470

495

530

50

368

384

396

410

440

485

510

550

100

370

388

400

412

455

500

530

580

Без засыпки

370

390

403

415

460

510

540

600

А. Ж. Муфтахов и В. И. Фоменко теоретическим путем устано­вили, что с целью повышения дебита скважины нет смысла уве­личивать толщину обсыпки более 20—50 см.

И. Ф. Володько построил график зависимости дебита сква­жины Q от ее диаметра D0, базирующийся на уравнении Дюпюи, при ламинарном режиме фильтрации (рис. 8.9). При ламинарной фильтрации нет смысла увеличивать диаметр скважины более 0,2—0,3 м, так как существенного прироста в дебите это не обес­печит. Для фильтра диаметром 300 мм при понижении, равном половине столба воды в скважине, эксплуатационный дебит со­ставит около 80 % теоретически возможного при понижении до отстойника, т. е. увеличение понижения в 2 раза позволяет повы­сить дебит всего на 15—20 %.

На практике зависимость производительности от толщины гравийной обсыпки и диаметра фильтра более ярко выражена. Ю. Чанг провел сопоставление удельных дебитов четырех сква­жин на воду одинаковой конструкции и пробуренных в идентич-

Б, % 100

0

390

80 60 40 20 -

Рис. 8.9. Зависимость дебита сква-

—-------------------------------------------- — жины от диаметра при ламинарной

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГРАВИЙНЫХ ФИЛЬТРОВ

0,2 0,4 0,6 0,8 DQ, М фильтрации
Ных условиях, но имеющих различную толщину гравийного фильтра (135, 250, 450 и 500 мм). Удельный дебит скважины, имеющей толщину гравийного фильтра 135 мм, составлял 12,5, а остальных 25 м3/ч. На основании этого был сделан вывод, что при сооружении высокодебитных скважин минимально допусти­мая толщина гравийного фильтра должна составлять 250 мм. Очевидно, что этот вывод был сделан применительно к конкрет­ным горно-геологическим условиям сооружения скважины.

При малой толщине обсыпки (до 250 мм) зависимость про­изводительности скважины от ее диаметра близка к линейной, что противоречит результатам теоретических исследований, приведенных выше. И. Ф. Володько проанализировал работу многих скважин и выявил зависимость между производитель­ностью и ее диаметром. Рост удельного дебита с увеличением диаметра менее интенсивный, чем при линейной зависимости (табл. 8.11).

Несоответствие теоретических выводов практическим резуль­татам относительно зависимости удельной производительности скважины от диаметра фильтра объясняется тем, что при анализе характера фильтрации в околоскважинной зоне предполагают, что на всем интервале мощности пласта поддерживается лами­нарный режим притока и справедлив закон Дарси. В реальных условиях в околоскважинной зоне возникает турбулизация по­тока, приводящая к значительным дополнительным потерям на­пора, которые могут многократно превышать рассчитанные по формулам, базирующимся на законе Дарси. Например, при обо-

Таблица 8.11

Зависимость удельного дебита скважин от диаметра фильтра

Тип пород

Диаметр фильтра, мм

Площадь по­верхности фильтра, м2

Скорость входа воды в фильтр, см/с

Дебит, л/с

Палеогеновые пески

50

0,48-0,7

0,285-0,295

1,42-2,0

Харьковского яруса

100

1,26-1,58

0,27-0,29

3,4-4,6

140-150

1,22-1,23

0,492-0,58

6,0-7,38

200

1,85-3,98

0,154-0,26

4,9-6,15

250

3,58

0,227

8,15

Пески Девонского воз­

89

1,2

0,135

1,62

Раста

100

1,58

0,154

2,46

200

0,62-1,42

0,345-0,55

3,4-4,9

Пески ледникового

75

0,97

0,056

0,54

Происхождения

100

1,62

1,182

2,95

125

1,85

0,162

2,95

150

2,35

0,18

4,28

200

6,74

0,087

7,7

266

3,95

0,29

11,51

300

18,0

0,017

8,37

391

Рудовании водозаборных скважин Ялуторовского водозабора Тюменской области при участии автора в скважинах при задан­ном дебите наблюдалось понижение 25 м вместо 7 м, рассчитан­ных по формулам с учетом ламинарной фильтрации.

При турбулентном режиме на всем интервале фильтрации за­висимость удельной производительности обратно пропорцио­нальна диаметру фильтра. Если наблюдается ламинарная фильт­рация на всем интервале водопритока, то связь между удельным дебитом и диаметром фильтра логарифмическая, т. е. незначи­тельная. В практике мы не сталкиваемся с ламинарной или тур­булентной фильтрацией в «чистом виде» на всем интервале при­тока. Обычно, на удаленных участках пласта наблюдается лами­нарный режим фильтрации, а в околоскважинной зоне — турбу­лентный.

Автором установлено, что диаметр скважины с целью обес­печения максимальной производительности при минимуме за­трат должен соответствовать диаметру зоны турбулизации по­тока при заданных режимах эксплуатации. Увеличивать диаметр более чем диаметр зоны турбулизации потока нет смысла, так как там наблюдается ламинарная фильтрация, при которой за­висимость дебита от диаметра несущественная. В зоне турбу­лентной фильтрации увеличение диаметра особенно эффективно, так как оно приводит к интенсивному росту удельной произво­дительности. Новый метод подтверждается многими практиче­скими данными, в том числе и зарубежных авторов.

Так, в описанном выше примере водозаборных скважин в Ки­тае становится очевидным, что при заданной производительности диаметр зоны турбулизации потока составил около 700 мм (уд­военная толщина обсыпки 2x250 мм плюс диаметр каркаса фильтра). Увеличение диаметра скважин до 700 мм сопровожда­ется пропорциональным ростом дебита. Сооружение каверн диа­метром более 700 мм практически не приводит к увеличению производительности.

С ухудшением качества вскрытия пласта и интенсификации кольматации диаметр скважины должен увеличиваться. Русбур - маш разработана методика определения рационального диаметра скважины исходя из принципа поддержания ламинарного режи­ма фильтрации. Методика включает несколько этапов. На первом этапе определяют критическую скорость фильтрации в пласте естественной проницаемости, приводящую к турбулизации по­тока. Затем с учетом изменения естественной проницаемости при различных способах вскрытия пласта определяют действитель­ную скорость фильтрации, приводящую к турбулизации потока в закольматированной зоне. Далее находят расстояние от скважи - 392 Ны, на котором действительные скорости фильтрации уменьша­ются до критических значений и получают рекомендуемый диа­метр фильтра.

Следует отметить, что выбор диаметра фильтра, исходя из принципа поддержания ламинарного режима притока, позволяет значительно увеличить долговечность работы скважины сниже­нием темпов кольматационных процессов.

При увеличении толщины обсыпки исходные требования к фракционному и минеральному составу гравия могут снижаться. Этот подход экономически невыгоден, так как затраты на буре­ние скважин большего диаметра многократно перекрывают за­траты на просеивание и промывку гравия перед закачкой в скважину.

Качество гравия

В отечественных исследованиях не уделялось серьезного вни­мания качеству гравия, используемого для фильтра. Ведущие зарубежные фирмы считают, что качество гравия и прежде всего его окатанность и минеральный состав во многом обусловливают эффективность борьбы с пескованием. С. Шрайок исследовал зависимость величины потерь напора на контакте каркаса фильтра с обсыпкой от окатанности частиц. Опыты проводились на стенде, в котором фильтр имитировали трехметровой трубой с щелевыми прорезями длиной 54 мм и шириной 6 мм. После за­сыпки гравия фракция 3—8 мм на высоту 1,5 м все щели фильт­ра оказались закупоренными. Циркуляция раствора через щели вызвала их закупорку крупной фракцией гравия. Мелкие фрак­ции как бы цементировали поровое пространство между круп­ными частицами гравия, закупоривающими щели хвостовика. Давление в нагнетательной линии магистрали возрастало и вследствие ограниченной мощности насоса в модели прекраща­лась циркуляция. На основании полученных данных было уста­новлено, что концентрация крупных фракций в материале об­сыпки не должна превышать 1 %, а наличие в материале об­сыпки мелких фракций существенно снижает продуктивность скважины.

X. Смит провел сравнение эффективности гравийных фильт­ров, сложенных однородным и неоднородным по грануло­метрическому составу гравием, на примере водозаборных сква­жин, пробуренных в штатах Арканзас и Канзас. Единственное преимущество разнозернистых обсыпок — исключение необхо­димости просеивания гравийного материала, привезенного с карьеров. Однако при использовании разнозернистых обсыпок

393


Песок коллектора проникает внутрь скважины, закупоривает по­ры, чем значительно увеличивает сопротивление фильтра. Ис­пользование однородного гравия позволяет избежать расслоения и получить однородный по высоте фильтр. Путем сопоставления фактических данных по критерию себестоимости 1 м3 воды сде­ланы выводы о незначительности затрат на просеивание гравия по сравнению с прибылью, которая может быть получена за счет увеличения производительности скважины при установке в ней гравийного фильтра однородного гранулометрического состава.

5

10

15

1,1

1,9

2,1

1,05

1,3

1,4

1

1

1

Р. Сеусье исследовал влияние окатанности частиц гравия на результирующую производительности скважины, которая опре­делялась по величине падения давления в фильтре. С увеличени­ем окатанности частиц сопротивление слагаемого ими фильтра уменьшается. Результаты экспериментов представлены ниже.

Перепад давления различной формы

Расход, м^/ч...............................................................................

Перепад давления в обсыпках из частиц, МПа:

Плохо окатанный гравий........................................................

Окатанный гравий..................................................................

Стеклянные шарики................................................................

Потери напора в фильтре, сложенном из стеклянных шариков, принимались равными единице. При увеличении угловатости частиц потери напора в фильтре возрастают с увеличением рас­хода, а при дебите 15 м3/ч могут достигать 110 %. Поэтому ре­комендуется использовать для обсыпки окатанный гравий. Неко­торые фирмы выпускают искусственный заменитель гравия для обсыпки окатанной формы.

Китайскими специалистами установлено, что сопротивление гравийных фильтров из скатанных частиц в среднем на 8 % ниже чем у фильтров, сложенных из угловатых частиц.

Гравийный материал должен состоять из нерастворимых, кремнистых частиц. Наличие в материале обсыпки карбонатных частиц объемом более 3 % затрудняет кислотную обработку по­сле закачки гравия, которую широко используют в практике со­оружения гравийных фильтров за рубежом. При кислотной об­работке карбонатные частицы растворяются, образуя пустоты и открытые каналы в обсыпке, через которые в процессе эксплуа­тации происходит миграция частиц коллектора. Наличие некон­диционных частиц снижает проницаемость гравийной обсыпки и их максимально допустимая концентрация не должна превы­шать 3 %.

Ведущими зарубежными фирмами принят стандарт на каче­ство гравийного материала, согласно которому максимально до - 394
Пустимая концентрация мелких и крупных примесей не должна превышать 2 %, гравия некварцевого состава — не более 2 %; ко­эффициент формы частиц гравия — не менее 0,6.

Размер отверстий фильтра-каркаса

Ранние исследования по определению рациональных размеров отверстий фильтра базировались в основном на предположении, что при соотношении размеров зерен гравия к размеру отверстий фильтра 1:2 вокруг отверстий фильтра образуется устойчивая арочная структура. Результаты этих исследований послужили базой для действующих нормативных документов, согласно ко­торым размер отверстий фильтра принимается в 1,4—4 раза большим среднего размера частиц гравия.

Ведущие зарубежные фирмы осуществляют выбор размера отверстий фильтра исходя из других принципов. С. Шрайок от­мечает, что устойчивость арочных структур вокруг отверстий возможна только при соблюдении определенных условий. Преж­де всего, это добыча вязкой жидкости при малых скоростях при­тока из пласта и стабильных понижениях. При откачке широко используемыми насосами и эрлифтами перепад давления в сис­теме скважина — пласт изменяется, что приводит к разрушению арочных структур. Кроме этого, входные скорости по длине фильтра распределены неравномерно и, как правило, существуют участки с высокими скоростями фильтрации, обычно приурочен­ными к верхним отверстиям. При высоких скоростях притока арочные структуры также теряют устойчивость.

На основании проведенных опытов были сделаны выводы о частом нарушении устойчивости арочных структур для реальных условий. Во всех случаях, когда размер частиц гравия меньше размеров отверстий фильтра, наблюдался его вынос на модели. Если зерна гравия больше, чем отверстия фильтра, то в процессе закачки гравия щели фильтра закупоривались, происходило по­вышение давления в нагнетательной линии магистрали. На прак­тике повышение давления закачки приводит к поглощению жид­кости-носителя, оплыванию стенок скважины, перемешиванию песка с гравием и повышению сопротивления фильтра. При за­качке частиц гравия угловатой формы процесс закупорки уско­рялся. С. Шрайок, используя данные опытов, сделал вывод о не­обходимости соответствия размеров отверстий фильтра мини­мальному диаметру частиц гравийной обсыпки и предпочтитель­ном использовании скатанных частиц. Большинство зарубежных исследователей пришли к аналогичному выводу и на практике при выборе размеров щели фильтра пользуются правилом

395


С. Шрайока, согласно которому размер отверстий фильтра не должен превышать размера мельчайших частиц гравия, приме­няемого в обсыпке.

К аналогичным выводам пришел в 1946 г. Ф. С. Бояринцев — автор конструкции проволочных фильтров. Согласно его реко­мендациям ширина щелей проволочного фильтра должна соот­ветствовать 0,8—1,0 среднего диаметра гравия, используемого в качестве обсыпки. В 1988 г. Д. Тауш и С. Монроу предложили принимать размер отверстий фильтра в 2 раза меньше среднего размера частиц гравия. Такой строгий подход они объясняют тем, что даже небольшой вынос гравия при пуске насоса или эр­лифта приводит к серьезным повреждениям гравийного фильтра. При выносе гравия из скважины в обсыпке образуются открытые каналы и пустоты, наличие которых вызывает массовый вынос песка из скважины.

А. Б. Бухвалов обосновал целесообразность подбора размера щели фильтра, равного размеру частиц гравия, соответствующих 70%-ному ситовому отсеву. В процессе последних исследований ПРО «Центр-геология» было установлено, что основной струк­турообразующий элемент песков — частицы размером, соответст­вующим 70%-ному ситовому отсеву. В этой связи, при одинако­вом размере щелей фильтра и частиц после 70%-ного ситового отсева порода на контакте с фильтром будет суффозионно ус­тойчива. Вывод об определяющем влиянии частиц после 70%-ного ситового отсева на физико-механические свойства грунтов ранее был получен В. Н. Кондратьевым.

Существенное влияние на сопротивление фильтра на контакте с породой оказывает форма отверстий. В отечественной и зару­бежной практике теоретически и экспериментально обоснована целесообразность применения проволочных фильтров, образую­щих щель, которая расходится внутрь фильтра. Такая форма ще­ли может быть получена при намотке на каркас проволоки трех­угольного и трапецеидального сечения. При фильтрации через щель, расширяющуюся в форме диффузора внутрь фильтра, мак­симум скорости потока, а следовательно и минимум статичес­кого напора наблюдается на некотором удалении от поверхности фильтрации в сторону оси скважины. Таким образом, между на­ружной и внутренней поверхностью обмотки создается вакуум, равный разнице статических напоров, на величину которого со­противление такого фильтра становится меньше.

Важно, чтобы щель со стороны породы не имела формы кли­на, расширяющегося в сторону пласта. Такая форма щели обра­зуется при намотке проволоки круглого сечения. При контакте с породой в процессе фильтрации порода расклинивается в отвер - 396 Стиях фильтра, многократно повышая его гидравлическое сопро­тивление.

Ведущие зарубежные фирмы используют в качестве каркаса гравийной обсыпки проволочные фильтры с отверстиями, рас­ширяющимися вовнутрь в форме диффузора.

Прогрессивные технологии сооружения скважин

ТЕХНОЛОГИЯ НАМЫВА ГРАВИЙНОГО ФИЛЬТРА ПРИ УРАВНОВЕШЕННОМ ДАВЛЕНИИ

При сооружении гравийного фильтра необходимо поддержи­вать репрессию на пласт, при которой обеспечивается устойчи­вость стенок скважины и исключается поступление в обсыпку инородных примесей. С другой стороны, при намыве гравия в жидкостях-носителях, …

ИЗОЛЯЦИЯ ПЛАСТОВ

В процессе сооружения высокодебитных скважин различного назначения повышаются требования к изоляции пластов. Прони­цаемые пласты сложены обычно трещиноватыми или обломоч­ными породами, песками, цементирование которых традицион­ными методами затруднительно. В процессе бурения ствол …

ОПЕРАТИВНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕБИТА СКВАЖИН

В процессе сооружения, опробования или ремонта скважин часто необходимо оперативно определить дебит скважины, оце­нить гидродинамическое состояние околоскважинной зоны пла­ста, обсыпки и фильтра. Традиционно такие данные можно по­лучить при откачке, которая …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.