Методы освоения нефтяных скважин

Освоение скважины — комплекс технологических операций по вызову притока и обеспечению ее продуктивности, соответ­ствующей локальным возможностям пласта. После проводки скважины, вскрытия пласта и перфорации обсадной колонны, которую иногда называют вторичным вскрытием пласта, призабойная зона и особенно поверхность вскрытого пласта бывают загрязнены тонкой глинистой взвесью или глинистой коркой Кроме того, воздействие на породу ударных волн широкого диапазона частот при перфорации вызывает иногда необрати­мые физико-химические процессы в пограничных слоях тонко­дисперсной пористой среды, размеры пор которой соизмеримы с размерами этих пограничных слоев с аномальными свойст­вами. В результате образуется зона с пониженной проницае­мостью или с полным ее отсутствием.

Цель освоения — восстановление естественной проницаемо­сти коллектора на всем протяжении вплоть до обнаженной по­верхности пласта перфорационных каналов и получения про­дукции скважины, соответствующей ее потенциальным возмож­ностям. Все операции по вызову притока и освоению скважины сводятся к созданию на ее забое депрессии, т. е. давления ниже пластового. Причем в устойчивых коллекторах эта депрессия должна быть достаточно большой и достигаться быстро, в рых­лых коллекторах, наоборот, небольшой и плавной.

Различают методы освоения пластов с высоким начальным давлением, когда ожидаются фонтанные проявления, и с малым давлением (на разработанных площадях), когда угрозы откры­того фонтанирования нет и предполагается механизированный способ эксплуатации. В практике нефтедобычи известно много случаев открытого нерегулируемого фонтанирования скважин с длительными пожарами в результате нарушения технологии вскрытия пласта и освоения скважины. Такие явления не только выводят из строя саму скважину, но и приводят к исто­щению самого месторождения.

Можно выделить шесть основных способов вызова притока: тартание, поршневание, замена скважинкой жидкости на более легкую, компрессорный метод, прокачка газожидкостной смеси, откачка глубинными насосами.

Перед освоением на устье скважины устанавливается арма­тура или ее часть в соответствии с применяемым методом и предлагаемым способом эксплуатации скважины. В любом слу­чае на фланце обсадной колонны должна быть установлена задвижка высокого давления для перекрытия при необходи­мости ствола скважины.

Тартание — это извлечение из скважины жидкости желон­кой, спускаемой на тонком (16 мм) канате с помощью лебедки. Желонка изготавливается из трубы длиной 8 м, имеющей в нижней части клапан со штоком, открывающимся при упоре на шток. В верхней части желонки предусматривается скоба для прикрепления каната. Диаметр желонки обычно не пре­вышает 0,7 диаметра обсадной колонны. За один спуск желонка выносит жидкость объемом, не превышающим 0,06 м³.

Тартание — малопроизводительный, трудоемкий способ с очень ограниченными возможностями применения, так как устьевая задвижка при фонтанных проявлениях не может быть закрыта до извлечения из скважины желонки и каната. Однако возможность извлечения осадка и глинистого раствора с забоя и контроля за положением уровня жидкости в скважине дают этому способу некоторые преимущества.

Поршневание. При поршневании (свабировании) поршень или сваб спускается на канате в НКТ. Поршень представляет собой трубу малого диаметра (25—37,5 мм) с клапаном, в ниж­ней части открывающимся вверх. На наружной поверхности трубы (в стыках) укреплены эластичные резиновые манжеты (3—4 шт), армированные проволочной сеткой. При спуске поршня под уровень жидкость перетекает через клапан в про­странство над поршнем. При подъеме клапан закрывается, а манжеты, распираемые давлением столба жидкости над ними, прижимаются к стенкам НКТ и уплотняются. За один подъем поршень выносит столб жидкости, равный глубине его погру­жения под уровень жидкости. Глубина погружения ограничена прочностью тартального каната и обычно не превышает 75— 150 м. Поршневание в 10—15 раз производительнее тартания.

Устье при поршневании также остается открытым, что связано с опасностями неожиданного выброса.

Замена скважинкой жидкости. Замена осуществляется при спущенных в скважину НКТ и герметизированном устье, что предотвращает выбросы н фонтанные проявления. Выходящая из бурения скважина обычно заполнена глинистым раствором. Производя промывку скважины (прямую или обратную) водой или дегазированной нефтью, можно получить уменьшение за­бойного давления на величину

∆р = (r₁-r₂)Lg cosb, (IV.33)

где p₁ — плотность глинистого раствора; р₂ — плотность промы­вочной жидкости; L — глубина спущенных НКТ; β — средний угол кривизны скважины.

Таким способом осваиваются скважины с большим пласто­вым давлением p_n>p₂gLcosb и при наличии коллекторов, хо­рошо поддающихся освоению. Как видно из формулы (IV.33), при смене глинистого раствора (ρ₁ = 1200 кг/м³) на нефть (р₂ = 900 кг/м³) максимальное снижение давления составит всего лишь 25 % от давления, создаваемого столбом глинистого раствора.

Этим по существу и ограничиваются возможности метода.

Замена жидкости в скважине проводится с помощью на­сосных агрегатов, а иногда и буровых насосов. В некоторых случаях, когда по опыту освоения скважины данного месторож­дения имеется уверенность в безопасности, применяют допол­нительно поршневание для отбора части жидкости из скважины и дальнейшего снижения забойного давления.

Компрессорный способ освоения. Этот способ нашел наибо­лее широкое распространение при освоении фонтанных, полу­фонтанных и частично механизированных скважин. В скважину спускается колонна НКТ, а устье оборудуется фонтанной арма­турой. К межтрубному пространству присоединяется нагнета­тельный трубопровод от передвижного компрессора.

При нагнетании газа жидкость в межтрубном пространстве оттесняется до башмака НКТ или до пускового отверстия в НКТ, сделанного заранее на соответствующей глубине. Газ, попадая в НКТ, разгазирует жидкость в них. В результате давление на забое сильно снижается. Регулируя расход газа (воздуха), можно изменять плотность газожидкостной смеси в трубах, а следовательно, давление на забое р₃. При р₃<р_пл начинается приток, и скважина переходит на фонтанный или газлифтный режим работы. После опробований и получения устойчивого притока скважина переводится на стационарный режим работы.

Освоение ведется с непрерывным контролем параметров процесса при герметизированном устье скважины. Поэтому этот способ наиболее безопасен и позволяет быстро получить значительные депрессии на пласт, что особенно важно для эффек­тивной очистки призабойной зоны скважины. Однако примене­ние компрессорного способа освоения ограничено в скважинах, пробуренных в рыхлых и неустойчивых коллекторах. В неко­торых районах возникает необходимость освоения скважин глу­биной 4500—5500 м, а увеличение глубины также ограничивает использование компрессорного способа.

Для более полного использования пластовой энергии, вы­носа жидкости с забоя и возможных промывок скважин баш­мак НКТ опускают до верхних перфорационных отверстий. Чтобы оттеснить уровень жидкости до башмака НКТ, особенно при больших глубинах, нужны компрессоры, развивающие дав­ление в несколько десятков мегапаскалей. Это осложняет ос­воение. Поэтому в колонне труб на заранее определенной глу­бине делают так называемое пусковое отверстие (пусковые муфты или пусковой клапан). Опускающийся в межтрубном пространстве уровень жидкости обнажает это отверстие, нагне­таемый газ поступает через него в НКТ и разгазирует столб жидкости выше отверстия. Если давление внутри НКТ на уровне отверстия после разгазирования обозначить р₁, то за­бойное давление р_с будет равно

, (IV.34)

где Η — глубина забоя (до верхних перфораций); L — глубина пускового отверстия; p₁ — плотность скважинкой жидкости; β — средний угол кривизны скважины.

Забойное давление до нагнетания газа равно

, (IV.35)

Вычитая из (IV.35) (IV.34), найдем депрессию на пласт

, (IV.36)

Чем больше давление, развиваемое компрессором, тем на большей глубине L может быть предусмотрено пусковое отвер­стие или башмак НКТ, а следовательно, больше ∆р при прочих равных условиях.

Однако с увеличением L увеличивается и p ₁, которое, во­обще говоря, зависит от расхода газа, но оно не может быть снижено менее чем до 7—10 % от гидростатического давления, определяемого первым слагаемым в (IV.36). Поэтому для ос­воения глубоких скважин требуются компрессоры, развиваю­щие высокое давление. В момент оттеснения уровня жидкости к башмаку НКТ или пусковому отверстию давление в межтруб­ном пространстве, а следовательно, и на выходе компрессора максимально. По мере разгазирования жидкости в НКТ дав­ление p₁ (внутри НКТ на уровне отверстия) будет снижаться и давление на забой падать.

Поэтому процесс освоения рассчитывают на этот, так ска­зать, критический момент.

Освоение скважин закачкой газированной жидкости. Освое­ние скважин путем закачки газированной жидкости заключа­ется в том, что вместо чистого газа или воздуха в межтрубное пространство закачивается смесь газа с жидкостью (обычно вода или нефть). Плотность такой газожидкостной смеси зави­сит от соотношения расходов закачиваемых газа и жидкости. Это позволяет регулировать параметры процесса освоения. По­скольку плотность газожидкостной смеси больше плотности чи­стого газа, то это позволяет осваивать более глубокие скважины компрессорами, создающими меньшее давление.

Для такого освоения к скважине подвозится передвижной компрессор, насосный агрегат, создающий по меньшей мере такое же давление, как и компрессор, емкости для жидкости и смеситель для диспергирования газа в нагнетаемой жидкости. При нагнетании газожидкостная смесь движется сверху вниз при непрерывно изменяющихся давлении и температуре. Про­цесс этот сложный. Однако можно записать уравнение баланса Давлений с усредненными параметрами смеси и расхода.

При закалке газожидкостной смеси (ГЖС) на пузырьки воздуха действует архимедова сила, под действием которой они всплывают в потоке жидкости. Скорость всплытия зависит от размеров газовых пузырьков, вязкости жидкости и разности плотностей: чем мельче пузырьки, тем меньше скорость их всплытия. Обычно эта скорость относительно жидкости состав­ляет 0,3—0,5 м/с. Поэтому скорость движения жидкости вниз должна быть больше скорости всплытия пузырьков газа. Иначе газ не достигнет башмака НКТ и давление на забое не сни­зится. Для создания достаточно больших скоростей жидкости необходимы большие расходы. Поэтому при закачке ГЖС пред­почтительно это делать не через кольцевое пространство, а че­рез НКТ, так как малое их сечение позволяет получить доста­точно большие нисходящие скорости при умеренных объемных расходах жидкости. Считается, что для успешного осуществле­ния процесса достаточно иметь нисходящую скорость жидкости порядка 0,8—1 м/с.

Для выноса с забоя тяжелых осадков (глинистого раствора, утяжелителя и частиц породы) обычно применяется обратная промывка. Поэтому закачка ГЖС, которая осуществляется после промывки, также производится по схеме обратной про­мывки без изменения обвязки скважины.

Запишем баланс давлений при закачке ГЖС в кольцевое пространство в тот момент, когда давление на насосе будет мак­симально. Рассмотрим случай, когда НКТ до башмака запол­нены жидкостью, а затрубное пространство заполнено ГЖС; причем обе системы движутся со скоростями, соответствую­щими темпу нагнетания ГЖС.

Обозначим:

- а_т — удельные потери на трение в НКТ при движении по ним жидкости, выраженные в м столба жидкости;

- а_к — удельные потери на трение в кольцевом пространстве, выраженные в м столба ГЖС.

При обратной промывке давление у башмака НКТ со сто­роны кольцевого пространства равно

, (IV.37)

Давление у башмака со стороны НКТ равно

, (IV.38)

где р_см — среднеинтегральное значение плотности ГЖС в коль­цевом пространстве; р_ж — плотность скважинкой жидкости; L — длина НКТ; β — средний угол отклонения ствола скважины от вертикали, р_к — давление нагнетания на устье скважины в кольцевом пространстве; ρ_у — противодавление на выкиде; g — ускорение свободного падения.

Очевидно, р_т = р_см, поэтому, приравнивая (IV.37) и (IV.38) и решая относительно L, получим

, (IV.39)

Формула (IV.39) определяет предельную глубину спуска башмака НКТ при заданных параметрах процесса (р_ж, р_см, р _к, р _у, а_т, а_κ). Решая формулу (IV.39) относительно р_к, получим давление на устье скважины, необходимое для закачки ГЖС при заданной глубине L спуска НКТ:

, (IV.40)

Величины р_у, L, ρ_ж, β обычно известны. Величины α_τ, α_κ и р_см определяются: а_т — по обычным формулам трубной гид­равлики, а а_к и р_см — сложными вычислениями с использова­нием ЭВМ для численного интегрирования дифференциального уравнения движения ГЖС.

При освоении скважины газированной жидкостью к устью присоединяется через смеситель линия от насосного агрегата, ко второму отводу смесителя — выкидная линия компрессора. Сначала запускается насос и устанавливается циркуляция. Скважинная жидкость (глинистый раствор) сбрасывается в зем­ляной амбар или другую емкость. При появлении на устье на­гнетаемой чистой жидкости (вода, нефть) запускается компрес­сор, и сжатый газ подается в смеситель для образования тон­кодисперсной ГЖС.

По мере замещения жидкости газожидкостной смесью дав­ление нагнетания увеличивается и достигает максимума, когда

ГЖС подойдет к башмаку НКТ. При попадании ГЖС в НКТ давление нагнетания снижается.

Освоение скважиными насосами. На истощенных месторож­дениях с низким пластовым давлением, когда не ожидаются фонтанные проявления, скважины могут быть освоены откачкой из них жидкости скважинными насосами (ШСН или ПЦЭН), спускаемыми на проектную глубину в соответствии с предпола­гаемыми дебитом и динамическим уровнем. При откачке из скважины жидкости насосами забойное давление уменьшается, пока не достигнет величины р_с<р_пл при которой устанавли­вается приток из пласта. Такой метод эффективен в тех слу­чаях, когда по опыту известно, что скважина не нуждается в глубокой и длительной депрессии для очистки призабойной зоны от раствора и разрушения глинистой корки.

Перед спуском насоса скважина промывается до забоя во­дой или лучше нефтью, что вызывает необходимость подвоза к скважине промывочной жидкости — нефти и размещения на­сосного агрегата и емкости. При промывке водой в зимних условиях возникает проблема подогрева жидкости для предот­вращения замерзания.

В заключение необходимо отметить, что в различных неф­тяных районах вырабатывались и другие практические приемы освоения скважин в соответствии с особенностями того или иного месторождения. В качестве примера можно указать и на такой прием, когда при компрессорном методе в затрубное пространство, заполненное нагнетаемым воздухом, подкачивают некоторое количество воды для увеличения плотности смеси и снижения давления на компрессоре. Это позволяет осуществить продавку скважины при большей глубине спуска НКТ.