Борьба с выносом песка при эксплуатации нефтяных и газовых скважин

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования

 «Уфимский государственный  нефтяной технический университет»

Кафедра "Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений"

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине "Основы нефтегазового дела"

на тему: Борьба с выносом песка при эксплуатации нефтяных и газовых скважин

Выполнил: студент гр. БГШ 13-01                                    _________Р.Ф.Фатхутдинов

Проверил:

 старший преподаватель  кафедры РГКМ                        ____________С.Б. Харина

 

Уфа, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 ВВЕДЕНИЕ          3 

1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВЫБРОСА ПЕСКА                      4

2 ДЕЙСТВИЯ ОПЕРАТОРА ПРИ ПЕСКОПРОЯВЛЕНИИ   6

3 Потеря эффективности систем предотвращения выноса песка  8

3.1 Причины повреждений систем      10

4 ПРОМЫВКА ФИЛЬТРА           16

5 УКРЕПЛЕНИЕ ПЕСЧАНИКА СМОЛАМИ        21

6 ФИЛЬТР В ФИЛЬТРЕ        24

7 БОРЬБА С ВЫНОСОМ ПЕСКА В БУДУЩЕМ. ВЫВОД   25

8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ    27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ [1]

Все большая часть мировых запасов углеводородного сырья приходится на долю продуктивных пластов в слабых породах, подверженных разрушению при разработке, проявляющемуся в выносе песка из скважин. Добыча из многих скважин, вскрывших такие запасы, осуществляется уже намного дольше, чем ожидалось, и дальнейшая их эксплуатация может привести к разупрочнению пластов. По этой причине компании-операторы проявляют растущий интерес к экономически эффективным методам устранения выноса песка из скважин путем ремонта существующих или установки новых систем предотвращения выноса песка там, где они отсутствовали. В этом реферате рассматриваются пескопроявления, возникающие после некоторого периода добычи нефти и газа, методы предотвращения выноса песка и средства, используемые для этого – например, гравийные набивки, намываемые через насосно-компрессорные трубы (НКТ), накладки, изолирующие те или иные участки поверхности фильтра (screen patches), очистка фильтров, раздвижные противопесочные фильтры и установка новых фильтров внутри  поврежденных, - а также весь процесс принятия решений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВЫБРОСА ПЕСКА

     Добыча флюидов из слабосцементированных пластов практически всегда сопровождается выносом (пескопроявлениями). Это может привести к снижению темпа отбора, повреждению оборудования на поверхности и в скважине и росту эксплуатационных затрат. Песок образуется в результате двухступенчатого процесса под действием сдвиговых напряжений, разрушающих породу пласта. Пластовые флюиды затем переносят выкрошенный песок в ствол скважины, из которого он выносится на поверхность или оседает где-либо в скважинной системе. С миграцией песка также связаны и фазовые изменения флюида, особенно при прорывах воды. Было сделано множество попыток точно объяснить взаимосвязь между прорывом воды и разрушением пласта. Одно из объяснений заключается в том, что, поскольку большинство песчаных продуктивных пластов смачивается водой, прорыв воды вызывает падение капиллярного давления из-за повышенного насыщения смачивающей фазой. Поскольку капиллярное давление удерживает зерна вместе, прорыв воды способствует выносу песка. По сути, низкая водонасыщенность пласта соответствует высокому капиллярному давлению, а отсутствие воды- нулевому капиллярному давлению, потому что в этом случае имеется только одна жидкая фаза.

      Другая теория говорит о том, что при прорыве воды через пласт происходит снижение относительной нефте- и газопроницаемости. Операторы-разработчики реагируют на это увеличением депрессии на пласт для поддержания уровня добычи углеводородов, что инициирует перемещение мелких частиц в пласте. Вода также увеличивает вязкость добываемых флюидов и повышает гидравлическое сопротивление скелета породы, увеличивая одновременно несущую способность поровой жидкости и помогая, таким образом, проталкивать мелкие частицы сквозь пласт. Наконец, большинство специалистов сходятся во мнении, что взаимосвязь между прорывом воды и выносом песка изучена плохо и, вероятно, обуславливается целым рядом факторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ДЕЙСТВИЯ ОПЕРАТОРА ПРИ ПЕСКОПРОЯВЛЕНИИ [1,3]

 

С началом разрушения пласта и при появлении признаков перемещения песка (или других твердых частиц) через пласт оператор может принять решения снизить дебит до уровня, при котором вынос частиц невозможен, предпринять меры по удалению  выносимого песка или создать барьер (по сути – фильтр) для предотвращения попадания пластового песка в ствол скважины. Для остановки или хотя бы замедления потока песка при минимальном воздействии на уровень добычи оператор должен сделать выбор из нескольких механических способов предотвращения выноса песка, например, решить, следует ли применить гравийные набивки, используемые в обсаженном или необсаженном стволе, набивки, создаваемые путем форсированного нагнетания воды (high-rate water packs), набивки, формируемые при гидравлическом разрыве пласта – ГРП (по технологии «frac pack»), или же можно установить фильтры без набивки. Кроме этого, в случае применения схем заканчивая без фильтров можно провести химическую обработку умеренно сцементированных пластов. Для этого используются проппант (заполнитель трещины) со смоляным покрытием, который стабилизирует призабойную зону, при этом сохраняя ее проницаемость достаточной для притока флюидов.

  Решения по предотвращению  выноса песка, которые могли быть  приемлемыми на момент строительства  скважины, могут стать неэффективными  с течением времени и при  изменении скважинных условий, как  в случае заканчивания открытого  горизонтального ствола. Благодаря  конструкции таких компоновок  риск пескопроявления во многих  скважинах с таким заканчиванием  крайне низок на начальном  этапе добычи, но он увеличивается  примерно до 50% при давлениях, близких  к значению, при котором эксплуатация  скважины становится нецелесообразной.

 Меры, принимаемы оператором  при первых признаках выноса  песка, практически всегда зависят  от экономических факторов. При  раннем начале выноса песка из высокопродуктивной зоны стоит осуществить, например, повторное заканчивание или забуривание бокового ствола, а если скважина приближается к своему пределу рентабельности, может оказаться полезным не предпринимать вообще ничего и просто извлечь все возможные оставшиеся запасы до того, как скважина заполнится песком и перестанет давать приток. Во всех ситуациях между этими крайними случаями инженеры должны найти баланс между экономической эффективностью и технологическими возможностями. Получаемая выгода должна сравниваться с эксплуатационными затратами, и решение о возможности ремонтных операций и методах их проведения во многих случаях также принимается с учетом профиля скважины, доступности ремонтных технологий, механизма разрушения пласта, а также географического положения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ПОТЕРЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЫНОСА ПЕСКА[1,2,5]

Меры по восстановлению систем предотвращения выноса песка сконцентрированы на определении оптимального метода ремонта скважин, добыча из которых оказалась нарушена из-за внезапного пескопроявления или повреждения изначально установленных устройств для борьбы с выносом песка. Особое внимание к оптимальности обусловлено тем фактом, что система должна выбираться не только по ее способности максимизировать период безопасной добычи за весь срок эксплуатации скважины. Поскольку компоновки заканчивания с предотвращением выноса песка являются сложными системами, решение об их эффективности или неэффективности зачастую субъективно. Например, при возрастающем выносе песка оператор может выбрать вариант с простым ограничением дебита. Такой подход может оказаться приемлемым, если результирующее снижение депрессии на пласт приведет к ослаблению пескопроявления до уровня, при котором оно может быть остановлено имеющимся противопесочным фильтром или гравийной набивкой. С другой стороны, при нежелательном снижении дебита для остановки выноса песка могут быть приняты более энергичные меры..

  Другие методы оценки  эффективности предотвращения выноса  песка носят более объективный  характер. Неправильно примененные  или неподходящие процедуры могут  стать причиной повреждения фильтров  или неэффективного размещения  гравийных набивок, включая и  набивки, намываемые по технологии  «frac pack», что приведет к повреждению всей системы на ранней стадии добычи или даже в самом ее начале. Использование неприемлемых процессов и несовместимых материалов, которое иногда продиктовано неправильным представлением об особенностях продуктивного пласта, может привести к коррозии, эрозии и другим механическим повреждениям. Если фильтры или набивки используются дольше, чем позволяет их срок службы или рабочие условия, для которых они были изначально разработаны, то система в конце концов выйдет из строя. Возникшие во время установки дефекты, которые могли быть незначительными и, возможно, никогда бы не привели к осложнениям за весь прогнозный период эксплуатации скважины, могут существенно сказаться, если этот период становится дольше расчетного. В другом случае, фильтры могут потерять функциональность при непредвиденном темпе выноса твердых частиц или отклонении их размера от предполагаемого (рис. 1).

Рисунок 1 – Поврежденный фильтр

  Повреждения систем  предотвращения выноса песка  чаще всего связано либо с  противопесочным фильтром, предназначенным  для удерживания гравия, либо  – при заканчивании только  с фильтром – с призабойной  зоной пласта. Как правило, фильтры  теряют функциональность в результате  работ по добыче или заканчиванию.

 

Причины повреждений

Причины повреждений могут быть разделены на следующие категории:

• Дестабилизация гравийной набивки в кольцевом пространстве из-за чрезмерной скорости потока через перфорационные каналы;
• Эрозия фильтра;
• Коррозия фильтра;
• Локальные очаги повреждения, появившиеся из-за потока вокруг забитых фильтров или неправильного размещения гравийной набивки в кольцевом пространстве;
• Смятие фильтра под действием сжатия;
• Смятие фильтра из-за забивания.

Эти механизмы часто могут быть задействованы одновременно, приводя к общему повреждению системы. Особенно это относится к случаям проявления механической неустойчивости набивки в кольцевом пространстве при наличии эрозии или коррозии. При таком варианте гравийная набивка в кольцевом пространстве или перфорационных каналах теряет устойчивость и смещается, создавая зазоры, через которые с высокой скоростью протекают пластовые флюиды. Частицы песка в этом высокоскоростном потоке ударяются о фильтр, провоцируя и ускоряя его эрозию. Время, за которое фильтр выходит из строя, зависит от скорости флюида, угла натекания потока, размера и концентрации частиц песка, длительности воздействия потока и свойств флюида, таких, как плотность и вязкость. Ускорение повреждения секций фильтра, уже ослабленных коррозией, происходит по такому же механизму (рис. 2).

Процесс коррозии начинается независимо и со временем может привести к повреждению фильтра  даже без дестабилизации набивки. Коррозия представляет особую угрозу для фильтров, установленных в сильно наклоненных или горизонтальных интервалах ствола.

Рисунок 1 – Эрозионное повреждение

 Кислота, применяемая  при обработке гравийной набивки, перемещается в нижнюю часть  ствола и остается там в  течение всего периода эксплуатации  скважины. Чаще всего коррозия  проявляется в фильтрах, изготовленных  из неправильно выбранных материалов, например, из аустенитных сплавов, которые повержены точечной коррозии, щелевому растрескиванию и коррозионному  растрескиванию под действием  напряжений в присутствии хлоридов  и кислорода. Коррозия также может  возникнуть в результате неправильной  очистки или неэффективного удаления  бурового раствора после установки  фильтра (рис. 3).

Аустенитные сплавы – это нержавеющие стали, содержащие хром и никель, а также иногда марганец с азотом. Как правило, всюду, кроме некоторых химических сред, аустенитные сплавы устойчивы к коррозии, в том числе точечные сплавы .

Рисунок 3 – Коррозия фильтра

Существует и несколько иной механизм повреждения фильтра, который связан с повышением скорости потока при его фокусировании на небольшой площади. Когда большие участки фильтра оказываются забитыми, поток пластовой жидкости может проходить только через немногие оставшиеся незагрязненными зоны фильтра с примыкающими к ним фильтрационными протоками наименьшего сопротивления. При  этом существенно повышается скорость фильтрационного потока, что создает, по отраслевой терминологии, локализованные очаги повреждения. Такие очаги повреждения могут также появляться из-за недостаточно плотного размещения гравийных набивок, когда в набивках остаются пустоты. Через эти пустоты, почти как в случае с дестабилизированной гравийной набивкой, поток флюида с большим содержанием частиц песка направляется к небольшому участку фильтра. Пустоты в гравийной набивке наблюдаются даже тогда, когда объем песка, закачанного в кольцевое пространство и перфорационные каналы во время создания гравийной набивки, равен или даже превосходит рассчитанный заполняемый объем. Подобное расхождение обычно связано с размывами по стволу скважины, которые формируют дополнительный объем, не учтенный при изначальных расчетах.

Еще один механизм повреждения противопесочного фильтра проявляется при равномерном забивании фильтра по всей длине, когда локальные очаги повреждения не образуются, но возникают нагрузки, вызванные высоким давлением, приводящие к смятию фильтра (рис. 4).

 Смятие также может  произойти в результате сжатия  ствола скважины. В первом случае  осложнение часто вызывается  неправильным выбором размеров  щелей фильтра и размеров частиц  гравийной набивки, что позволяет  мелким частицам песка проходить  через набивку, но улавливаться  фильтром. (Мелкая фракция может  включать различные материалы, такие, как глины и алевриты. Подвижные глины чаще всего представлены каолинитом или иллитом. Миграция мелких частиц приводит к закупориванию поровых каналов в околоскважинной зоне частицами и, взвешенными в добываемом флюиде, что снижает продуктивность скважины. Причиной обеих ситуаций может быть неправильное представление о породе-коллекторе, хотя варинат со сжатием ствола и вызванным им смятием фильтра иногда учитывается в конструкции скважины. Даже когда давление недостаточно для смятия фильтра, в скважине может произойти падение добычи до неприемлемого уровня, если фильтры становятся непроницаемыми. Для ликвидации подобного осложнения фильтры должны быть подняты на поверхность либо очищены на месте.