Устройство фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью

Заявляемое изобретение относится к области разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, в частности, к оборудованию забоя скважин.

Изобретение позволяет повысить производительность скважин, снизить объемы и стоимость буровых работ, увеличить гидродинамическое совершенство скважин.

Указанные эффекты достигаются тем, что в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины устанавливают в собранном и готовом к применению виде фильтр-хвостовик. Фильтр-хвостовик представляет собой гирлянду необходимой длины, состоящую из последовательно соединенных блоков. Внутреннее пространство блоков содержит пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт, состоящий из сферических шаров одинакового размера с кубической укладкой. Блоки изготавливают в заводских условиях. Непосредственно на месте применения набирают фильтр-хвостовик необходимой длины, который спускают на забой скважины.

Обустройство забоя скважины фильтром-хвостовиком удовлетворяет основным требованиям: устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите. 2 ил.

Изобретение относится к области разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, в частности, к оборудованию забоя скважин.

В понятие конструкции забоя скважины входит сочетание технических решений по оборудованию забоя скважины, обеспечивающих устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, при котором скважина способна работать с максимальным дебитом, длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите. Если скважина вскрыла открытым стволом пласт, сложенный рыхлыми породами, то для борьбы с проникновением в нее песка забой перекрывают фильтром. Для предотвращения выноса песка в скважину механическим методом используют фильтры следующих конструкций [1, т.5, с.161]: изготовленные из стандартных труб с прорезанными в них отверстиями; с проволочной обмоткой; набивные забойные, заполненные песком или другими материалами на поверхности; гравийные набивки из отсортированного песка, образуемые путем заполнения затрубного пространства в интервале залегания продуктивного пласта.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому устройству, одновременно являющимися базовыми, являются стационарные гравийно-намывные фильтры [1, т.5, с.163-164]. Фильтр-каркас гравийной намывки представляет собой несущую трубу, перфорированную круглыми отверстиями, с приваренными к ней продольными опорными стержнями, на которые навита с заданным шагом профилированная проволока, приваренная к стержням в местах контакта. Для создания гравийных фильтров в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины производят расширение ствола скважины по всей длине продуктивного пласта. Фильтры, служащие для ограничения поступления песка в скважину, спускают отдельно в виде хвостовика с сальниковым уплотнением. Гравийные фильтры создают путем заполнения кольцевого пространства между фильтром-каркасом и стенками скважины песком или другими материалами.

Установка гравийных фильтров не предотвращает разрушение пород продуктивного пласта. В процессе их использования гравий в фильтре оседает и в скважину начинает поступать песок [2, с.240]. Изготовление фильтра-каркаса для гравийно-намывных фильтров производится из нержавеющих дорогостоящих сталей, технология намыва гравия сложна, длительна и требует специального оборудования, высокой квалификации и навыков работы персонала [1, т.5, с.178]. Другим важным фактором считается соотношение между размерами зерен гравия и пластового песка [1, т.5, с.166]. Уменьшение размера частиц гравия приводит к резкому возрастанию фильтрационного сопротивления потоку пластовой жидкости. С увеличением отклонения ствола скважины от вертикали существенно возрастает сложность и стоимость ее заканчивания с гравийным фильтром в необсаженном продуктивном пласте. В скважинах с горизонтальным участком ствола, протяженность которого в 10-30 раз превышает толщину продуктивного пласта, затраты на эти работы соизмеримы со стоимостью бурения скважины и не всегда дают ожидаемые результаты [1, т.5, с.162-163].

Целью предлагаемого устройства является повышение производительности скважин, снижение объемов и стоимости буровых работ, увеличение гидродинамического совершенства скважин.

Поставленная цель достигается тем, что в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины устанавливают в готовом к применению фильтр-хвостовик. Фильтр-хвостовик представляет собой гирлянду необходимой длины, состоящую из последовательно соединенных блоков. Внутреннее пространство блоков содержит пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт, состоящий из сферических шаров одинакового размера с кубической укладкой. Блоки, длина которых может составлять от 0,5 до 1,5 м, изготавливают в заводских условиях. Непосредственно на месте применения набирают фильтр-хвостовик необходимой длины, который спускают на забой скважины.

Именно установка в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины фильтра-хвостовика в собранном и готовом к применению виде, представляющего собой гирлянду необходимой длины, состоящую из последовательно соединенных блоков, внутреннее пространство которых содержит пористую среду из сферических шаров одинакового размера с кубической укладкой, является сущностью данного изобретения.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна». При изучении других технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия».

Конструкция забоя скважины должна обеспечивать: устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, а также длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите. Наиболее надежными считают гравийные фильтры. Их применение в 85-95% дает положительные результаты, но они не предотвращают разрушение пород продуктивного пласта и поступление песка в скважину [2, с.240]. Уменьшение размера зерен гравия приводит к резкому возрастанию фильтрационного сопротивления и забиванию гравийного фильтра. Следовательно, исключить полностью разрушение пород продуктивного пласта и пескопроявление при эксплуатации скважин не представляется возможным.

Наиболее простой и дешевой конструкцией гравийного фильтра может быть фильтр, в котором необсаженный продуктивный интервал ствола скважины заполняют гравийным материалом. В процессе эксплуатации скважины гравий в таком фильтре будет оседать и забиваться песком, т.е. его свойства с течением времени будут ухудшаться. Поэтому пористую среду фильтра с заданными и неизменяющимися в процессе эксплуатации свойствами необходимо формировать на поверхности в заводских условиях. Так как забивание фильтра песком неизбежно, то конструкция фильтра должна предусматривать извлечение его из скважины с целью механической или химической очистки фильтра (регенерацию).

Для гравийных фильтров, представляющих собой гравийную набивку между фильтром-каркасом и стенкой скважины, экспериментально установлено оптимальное соотношение между размерами зерен гравия и пластового песка [1, т.5, с.166]:

d_гр =(5-6)·d₅₀,

где d_гр - диаметр зерен гравия, d₅₀ - диаметр зерен 50%-ной фракции механического состава пластового песка. При меньшем размере зерен гравия снижается проницаемость гравийной набивки в процессе эксплуатации скважины вследствие закупорки пластовым песком, а превышение оптимального соотношения ухудшает пескоудерживаюшую способность фильтра. Для реальных коллекторов d₅₀ составляет порядка 0,2 мм. При этом размер зерен гравия должен составлять

d_гр=(5-6)·d₅₀ =5-0,2 мм=1 мм.

Такая методика расчета диаметров шаров для фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью не подходит. Во-первых, фильтр-хвостовик является продолжением ствола скважины и должен обеспечивать продолжительную работу скважины с оптимальным дебитом, а фильтр с диаметром шариков порядка 1 мм быстро забьется песком и выйдет из строя. Во-вторых, при таких малых диаметрах шариков значительно усложняется процесс изготовления фильтра с фиктивной пористостью.

При использовании конструкции забойной части скважины с зацементированной колонной сообщение эксплуатационной колонны с пластом осуществляется при помощи отверстий в колонне, окружающем ее цементном кольце и в породе пласта. Прострел отверстий осуществляют с помощью перфораторов различного типа. Диаметр перфорационных отверстий зависит от типа перфоратора и составляет 10-20 мм, т.е. частицы породы пласта диаметром 10-20 мм могут попасть в эксплуатационную колонну.

Ячейка фиктивного грунта с максимально возможной пористостью представляет собой квадрат со стороной d, равной диаметру шаровых частиц фиктивного грунта. Размер частиц пластового песка, которые могут попасть внутрь такого фильтра, равен

Если предположить, что ограничение размера частиц, которые могут проникать внутрь фильтра, составляет d ₁=10 мм, то диаметр шаровых частиц фиктивного грунта должен составлять:

Коэффициента пористости т фиктивного грунта определяется формулой Слихтера [3, с.32]:

где - угол упаковки шаров, который изменяется в пределах от 60° до 90°. При наименее плотной упаковке шаров (кубическая укладка) =90° пористость фиктивного грунта составляет

Пористость фиктивного грунта не зависит от диаметра шаров, а зависит только от их взаимного расположения, т.е. определяется углом упаковки шаров .

Коэффициент проницаемости k фиктивного грунта можно определить по формуле Козени-Кармана [3, с.33]:

где c=5 - число Кармана, определенное экспериментально. Для рассматриваемого фиктивного грунта с диметром шаров d=25 мм и =90° коэффициент проницаемости равен

Полученная величина проницаемости фиктивного грунта значительно (на 6-8 порядков) превышает величины проницаемостей реальных коллекторов, которые заключены в диапазоне 10^-15 -10^-12 м² [2, с.228]. Причем, коллектор считается высокопроницаемым, если значение коэффициента поровой проницаемости составляет к10^-13 м.

Скорость фильтрации нефти через пористую среду, представляющую собой фиктивный грунт, по закону Дарси равна [3, с.28]:

где Q - объемная скорость фильтрации; S - площадь поперечного сечения фильтрации; k - коэффициент проницаемости поровой среды; µ -коэффициент динамической вязкости; Р- перепад давления; L - длина фильтрации.

Предположим, что k=1,37-10^-6 м²; µ=3 мПа·с;

т.е. на каждый метр длины фильтра перепад давления составляет 0,01 атм. Тогда

При площади поперечного сечения фильтра-хвостовика диаметром D=114 мм

объемный расход нефти составит

Следовательно, конструкция фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью позволяет обеспечить необходимую производительность скважины с учетом фильтрационных свойств коллектора.

Скважина считается гидродинамически совершенной, если она вскрывает пласт на всю мощность и забой скважины открытый, т.е. вся вскрытая поверхность забоя является фильтрующей поверхностью. Для рассматриваемого устройства фильтра-хвостовика степень гидродинамического совершенства скважины можно оценить, как отношение площади просветов к площади внешней поверхности фильтра-хвостовика. Для фиктивного грунта при кубической укладке шаров =90° по Слихтеру [3, с.32] просветность s равна:

В данном случае просветность s характеризует ту часть поверхности фильтра-хвостовика, через которую происходит поступление пластовой жидкости внутрь фильтра-хвостовика.

Техническая сущность изобретения поясняется принципиальной схемой расположения фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью в вертикальной скважине фиг.1 и в горизонтальной скважине фиг.2.

На фиг.1 показано вертикальное расположение фильтра-хвостовика, который спускают в готовом виде по эксплуатационной колонне 1. Фильтр-хвостовик состоит из последовательно соединенных блоков 2, который в верхней части крепится сальниковым уплотнением 3 к эксплуатационной колонне 1. За эксплуатационной колонной выше продуктивного пласта располагается цементный камень 4. Блок 2 представляет собой контейнер решетчатой конструкции, в верхней части которого имеется манжета 5, закрывающая щель между блоками 2. Фильтр-хвостовик имеет приспособление 6 для захвата его ловильным инструментом. В верхней части 7 и нижней части блока 2 располагаются поперечные стяжки 8 для крепления направляющих стержней 9. Соединение блоков 2 между собой осуществляется с помощью центральных металлических штанг 10. Внутреннее пространство блоков 2 представляет собой фиктивный грунт 11 (увеличенный фрагмент компоновки пористой среды). Фиктивный грунт 11 изготавливают в заводских условиях из прочных керамических материалов методом прессования и дальнейшего спекания. На фиг.2 показано горизонтальное расположение фильтра-хвостовика. Обозначения на фиг.2 те же, что и на фиг.1.

Предлагаемое устройство фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью реализуется следующим образом. Скважину бурят до кровли продуктивного пласта, устанавливают эксплуатационную колонну и цементируют. После этого продуктивный пласт вскрывают долотом меньшего диаметра на всю толщину продуктивного пласта (фиг.1). Производят очистку забоя скважины и спускают фильтр-хвостовик описанной конструкции. Если продуктивный пласт сложен плотными породами, то пескопроявление наблюдается только на начальном этапе эксплуатации скважины. Составляющие фракции частиц малого диаметра проходят через фильтр-хвостовик и поступают на прием насоса. Составляющие фракции частиц большого диаметра улавливаются фильтром-хвостовиком и остаются в нем. Пространство между необсаженным стволом скважины и фильтром-хвостовиком заполнено пластовым флюидом. Поток жидкости внутри фильтра-хвостовика будет направлен вдоль вертикальной оси. Радиальная составляющая скорости течения в пространстве между стволом скважины и фильтром-хвостовиком будет зависеть от вертикальной координаты z и определяться давлением P=p+gz, где p - давление в кровле продуктивного пласта, - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, z - вертикальная координата, отсчитанная от кровли продуктивного пласта.

Если продуктивный пласт сложен слабосцементированными рыхлыми породами, то вынос песка в процессе эксплуатации скважины неизбежен и зависит от отбора жидкости из скважины. Составляющие фракции частиц малого диаметра проходят через фильтр-хвостовик и поступают на прием насоса. Составляющие фракции частиц среднего диаметра улавливаются фильтром. Составляющие фракции частиц большого диаметра образуют перед внешней поверхностью фильтра-хвостовика слой, препятствующий поступлению в фильтр-хвостовик частиц средних и мелких фракций. При эксплуатации скважины пространство между необсаженным стволом скважины и фильтром-хвостовиком заполняется составляющими фракциями частиц призабойной зоны пласта и становится вторичным фильтром. В таком вторичном фильтре соблюдается последовательное уменьшение по размерам частиц при удалении от фильтра-хвостовика к стенке скважины.

Наиболее эффективно использование фильтра-хвостовика описанной конструкции при эксплуатации наклонных и горизонтальных (фиг.2) скважин. Способ обустройства наклонных и горизонтальных скважин аналогичен способу обустройства вертикальных скважин. В этом случае значительно уменьшаются сложность и стоимость заканчивания скважин с фильтром в необсаженном продуктивном интервале.

Использование предлагаемого устройства фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью позволяет повысить производительность скважин, снизить объемы и стоимость буровых работ, увеличить гидродинамическое совершенство скважин. В этом случае нет необходимости производить расширение диаметра ствола скважины в интервале продуктивного пласта и использовать сложную и дорогостоящую технику, необходимую для изготовления гравийных фильтров. Конструкция заявляемого фильтра-хвостовика предусматривает извлечение его из скважины с целью механической или химической очистки. Следовательно, обустройство забоя скважины фильтром-хвостовиком удовлетворяет основным требованиям: устойчивость стенок ствола скважины, надежное сообщение ствола скважины с продуктивным пластом, длительную эксплуатацию скважины при оптимальном дебите.

Источники информации, принятые во внимание

1. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И. Теория и практика предупреждения осложнений и ремонта скважин при их строительстве и эксплуатации: Справ. Пособие: В 6 т.- М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003.

2. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Заканчивание скважин. Учеб. Пособие для вузов.-М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.- 670 с.

3. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Каневская Р.Д., Максимов В.М. Подземная гидромеханика: Учебник для вузов. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005.-496 с.

Устройство фильтра-хвостовика с искусственной фиктивной пористостью, в котором в необсаженном продуктивном интервале ствола скважины устанавлен фильтр, отличающееся тем, что устанавлен фильтр-хвостовик необходимой длины в собранном и готовом к применению виде, состоящий из последовательно соединенных блоков, внутреннее пространство которых содержит пористую среду из сферических шаров одинакового размера с кубической укладкой.