Прогрессивные технологии сооружения скважин

ХАРАКТЕР ПРИТОКА К СКВАЖИНЕ И ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЕЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Производительность скважины определяется гидравлическими потерями напора на всех участках движения потока. Обобщен­ный закон гидравлического сопротивления определяется форму­лой, включающей слагаемые, пропорциональные первой и второй степеням скорости фильтрации или движения потока

J = av + bv2, (1.1)

Где J - потери напора; A, B - обобщенные коэффициенты соот­ветственно ламинарного и турбулентного гидравлического сопро­тивлений; V - скорость движения потока.

Обобщенные коэффициенты ламинарного и турбулентного гидравлического трения в формуле (1.1) носят обобщенный ха­рактер и имеют размерность соответственно метр в минус второй степени на секунду и метр в минус пятой степени. Выражая производительность скважины Q через потери напора J и пло­щадь движения потока S, получаем общее уравнение потока

Q = . — + JS- - — (1.2)

^ V 2B b 2b к J

(Q, J, а и B - положительные величины).

Выражение (1.2) определяет обобщенную зависимость между производительностью скважины и создаваемым понижением, со­ответствующим потерям напора в системе скважина - пласт. Ко­эффициенты сопротивления а и B носят обобщенный характер и считаются функцией суммы ламинарных и турбулентных сопро­тивлений каждого элемента системы. Рассмотрим гидравличе­скую систему скважина - пласт и разобьем ее на характерные участки движения потока (рис. 1.1). В общем виде поток фильт­руется в пласте, закольматированной околоскважинной зоне, че-

17

Рез слабопроницаемую корку на стенках скважины, преимущест­венно глинистую, гравийную обсыпку и фильтр, движется внут­ри фильтровых труб, водоподъемной к эксплуатационной колон­не. Общие потери напора в системе скважина - пласт

J = Jl + J2 + J3 + J4 + J5 + J6 + J7, (1.3)

Где J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7 - потери соответственно в пласте, зоне кольматации, глинистой корке, обсыпке, контактные в системе фильтр - порода, фильтре, трубах.

Каждый элемент системы характеризуется определенными гидравлическими сопротивлениями а и b с индексом, соответст­вующим порядковому номеру элемента, начиная от пласта. Ре­шая уравнение (1.3), получаем выражение для общей производи­тельности системы скважина - пласт как функцию понижения J И коэффициентов гидравлического сопротивления каждого эле­мента движения потока, т. е.

(14)

Анализ уравнения (1.4) позволяет установить, что наиболее оптимальные режимы эксплуатации должны обеспечивать лами­нарный режим фильтрации во всех элементах гидравлической системы. В этом случае дополнительные потери напора, обуслов­ленные турбулизацией потока и характеризующиеся вторым чле­ном уравнения (1.1), обращаются в ноль. В таком случае дебит скважины

(1.5)

В случае ламинарного режима фильтрации увеличение пони­жения J сопровождается прямо пропорциональным ростом про­изводительности Q. При турбулизации потока на одном и более элементах движения увеличение понижения начинает сопровож­даться все более медленным ростом производительности. В слу­чае перехода системы на турбулентный режим эксплуатации уве­личение понижения не приводит к существенному увеличению дебита и эксплуатация становится экономически невыгодной. Зависимость производительности скважины от понижения для турбулентного режима эксплуатации определяется выраже­нием

(1.6)

Зависимость между производительностью скважины и пони­жением носит постоянный характер только в случае установив­шегося режима эксплуатации. В реальных условиях в начальный момент эксплуатации или опробования откачкой, сработке уров­ней, подключения и выключения соседних скважин и других за­висимость понижения и дебита начинает изменяться во времени. Это объясняется инерционностью системы скважина - пласт. При создании понижения (при откачке) возмущение сначала воспринимается скважиной, фильтром, обсыпкой и только потом закольматированной зоной и пластом. При возмущении в на­чальный период происходит саморегуляция системы на заданную величину воздействия, при которой потери напора перераспреде-

19

Ляются между элементами системы до момента, когда возникает ее гидродинамическое равновесие или установившийся режим эксплуатации. В случае изменения возмущения происходит пере­распределение потерь напора между элементами системы, обу­словленное ее саморегуляцией до вновь установившегося равно­весия.

При откачке в скважине создается понижение величиной J (рис. 1.2). В соответствии с величинами гидравлических сопро­тивлений каждого элемента системы распределения потерь на­пора на каждом этапе движения могут быть различными. Диа­граммой 1 показана типовая кривая потерь напора в скважине. Потери напора в трубах J7 складываются из потерь напора в экс­плуатационной и фильтровой колонне. Учитывая, что обычно диаметр эксплуатационной колонны больше диаметра фильтро­вой и фильтра длиной Ьф, интенсивность роста потерь напора на

Единицу Ьэк и Ьфк внутри скважины различна. Существенные по­тери напора приходятся на фильтр J5, J6, глинистую корку J3 и закольматированную зону J2. Проницаемость гравийной обсыпки

При правильном подборе и технологии установки больше естест­венной проницаемости пласта и закольматированной зоны. По­этому интенсивность роста потерь напора по толщине обсыпки J4 меньше, чем в закольматированной J2 зоне и в пласте на таком же интервале удаления от скважины.

Диаграмма 2 показывает перераспределение потерь напора между элементами системы скважина - пласт при замене менее проницаемого фильтра на более проницаемый, с учетом поддер­жания постоянного возмущения. В случае снижения доли потерь напора в околоскважинной зоне больший перепад давления при­ходится на пласт, увеличивается радиус влияния скважины и соответственно растет ее производительность. Если технология сооружения скважины позволяет избежать кольматации и обра­зования глинистой или полимерной пленки, то перепад давления на пласт также увеличивается и появляется дополнительная воз­можность увеличения дебита. Случай исключения дополнитель­ных потерь напора в закольматированной зоне и корке показан диаграммой 3.

Необходимо отметить, что с увеличением производительно­сти, вызванным снижением гидравлического сопротивления в элементах системы скважина - пласт, распределение напора по­элементно будет изменяться. Например, угол наклона диаграмм потерь напора в трубах J7 к оси абсцисс с увеличением дебита будет более крутым.

Увеличение производительности скважины может быть дос­тигнуто снижением гидравлического сопротивления движению потока на одном из элементов системы скважина - пласт (рис. 1.3). Поэтому интересно рассмотреть отдельно каждый элемент гидродинамической системы с целью определения возможных перспектив снижения в них гидравлического сопротивления, вы­работки требований к применяемой технике и технологии соору­жения и эксплуатации скважин.