Расчетные значения критерия рационального состава ГЖС – параметра t

№ п/п	Состав пенообразующего раствора ГЖС, %	t, мин
	Вода + сульфонол (0,3)
	Вода + сульфонол (0,5)
	Вода + сульфонол (1,0)
	Вода + сульфонол (2,0)
	Вода + сульфонол (3,0)
	Вода + пенол-1 (0,3)
	Вода + пенол-1 (0,5)
	Вода + пенол-1 (1,0)
	Вода + пенол-1 (2,0)
	Вода + ГИПАН (0,5)
	Вода + ГИПАН (1,0)
	Вода + ГИПАН (2,0)
	Вода + КМЦ (0,1)
	Вода + КМЦ (0,15)
	Вода + КМЦ (0,2)
	Вода + КМЦ (0,5)
	Вода + KCl (1,0)
	Вода + KCl (2,0)
	Вода + KCl (3,0)

Плотность ГЖС – важнейший технологический параметр, обеспечивающий вскрытие водоносных горизонтов и флюидосодержащих пластов, обладающих низким пластовым давлением. Применение ГЖС в таких случаях обеспечивает сохранение проницаемости этих коллекторов в их естесственном состоянии. Кроме того, использование ГЖСс определенной их плотностью позволяет устранить ряд осложнений при бурении: поглощение промывочной жидкости и гидроразрыв горных пород.

Уравнение баланса масс для ГЖС, находящейся при атмосферном давлении Р₀, имеет следующий вид:

М_{0 см} = М_ж (1 – φ) + М_гφ, (7.13)

где М_ж и М_г – масса жидкости и газа соответственно; φ – объемное содержание газа (воздуха) в составе ГЖС на устье скважины при Р₀;

, (7.14)

где V₀ – объем воздуха (газа) в составе ГЖС при давлении Р₀; V_см – объем ГЖС при давлении Р₀.

Если М_{0 см} = V_{0 см} ρ_{0 см}; М_{0 ж} = V_{0 ж} ρ_ж (1 – φ) и М_г = V_{0 см} ρ_г φ, то из уравнения (7.14) можно получить зависимость для нахождения плотности смеси на поверхности:

ρ_{0 см} = ρ_ж (1 – φ) + ρφ. (7.15)

Но при заполнении скважины смесью статическое давление на забое будет иметь величину, большую, чем атмосферное. Поэтому пузырьки газа, которыми произошло насыщение водного раствора (жидкости) на поверхности, будут сжиматься, что приведет к уменьшению их размера, величины объемного содержания газа φ, степени аэрации α по формуле (7.1), и, как следствие, плотности ГЖС. Задача об изменении плотности ГЖС по глубине впервые решена Р.И. Шищенко, Б.И. Есьманом, а впоследствии уточнена на кафедре разведочного бурения МГРИ-РГГРУ.

Допустим, что объем смеси при атмосферном давлении составляет

V_{0 см} = (1 – φ) + φ = 1. (7.16)

Тогда по аналогии объем той же ГЖС на глубине будет равен

, при V_г.см ≠ 1. (7.17)

Уравнение баланса масс для рассматриваемой ГЖС запишем в виде

ρ_{0 см} V_{0 см} = ρ _{г. см} V_{г. см} (7.18)

Решив уравнение (7.18) относительно ρ_{г. см}, получим

. (7.19)

Из-за малого значения плотности газообразной фазы ρ_г в составе ГЖС можно принять, что ρ_гφ ≈ 0, формула (7.19) принимает вид

. (7.20)

Таким образом, при определении значения плотности ГЖС на глубине при давлении Р необходимо учитывать изменение объемного содержания газа φ, умножив его на отношение .

Давление столба ГЖС в скважине на забое. В соответствии с уравнением (7.20) плотность ГЖС ρ_г.см. является переменной по глубине и зависит от величины давления Р в рассматриваемом интервале. В реальной скважине на глубине Н в ГЖС при давлении Р будет содержаться газообразная среда в количестве

φ и (1 – φ) исходной жидкости, на основе которой получена с помощью поверхностного оборудования ГЖС. Задача состоит в отыскании уравнения, в соответствии с которым можно найти величину давления в любом интервале скважины при переменном значении ρ_г.см..

Исхожное дифференциальное уравнение:

. (7.21)

Подставив в (7.21) значение ρ_г.см. по формуле (7.20), получили уравнение для интегрирования его отдельных частей:

. (7.22)

Решение этого уравнения следующее:

. (7.23)

В этом уравнении

Р – Р₀ = Р_г.ст., (7.24)

где Р_г.ст. – статическое давление ГЖС, рассматриваемой на глубине Н.

Поэтому давление на рассматриваемой глубине будет составлять:

. (7.25)

Пользоваться уравнением (7.25) для инженерных расчетов можно методом подбора при конкретных значениях ρ_ж, φ, величины давления Р для определенного значения глубины скважины Н. Однако это не совсем удобно.

При решении конкретных задач при вскрытии продуктивных залежей с низким пластовым давлением нефти, газа, нефтегазовых отложений, водоносных горизонтов величина давления Р должна регламентироваться для исключения кольматации продуктивных горизонтов и сохранения их проницаемости для последующей эффективной эксплуатации. В этом случае принимают

Р = Р_пл = Р_см,

где Р_пл – пластовое давление флюида или давление ГЖС на глубине.

В этом случае в уравнение (7.25) подставляем Р = Р_см и решаем его для нахождения величины необходимого объемного содержания газа в ГЖС, имеющей на глубине Н давление Р_см. Решение получено в виде

. (7.26)

Величину объемного содержания газа можно представить в виде:

, (7.27)

где Q_г и Q_ж – объемный расход газообразной фазы и жидкости (водного раствора).

Из формулы (7.27) получим:

. (7.29)

Уравнение (7.25) можно записать, подставив вместо , в виде

. (7.30)

Решив уравнение (7.30) относительно α и приняв Р = Р_см, можно определить необходимую величину степени аэрации приготовляемой на поверхности ГЖС для обеспечения вскрытия продуктивных пластов при указанном выше равенстве давлений:

. (7.31)

Полученные выше зависимости можно использовать для решения задач, например, при выборе плотности и других параметров ГЖС для вскрытия водоносного горизонта, вскрытого на глубине Н со статическим давлением h пластовой жидкости плотностью ρ_р. В этом случае пластовое давление (Па) водоносного горизонта можно найти по формуле:

, (7.32)

где ρ_р – в кг/м³; g = 9,81 м/с²; Н и h, м.

Далее, приняв конкретный вид ПАВ-пенообразователя и компонентный состав водного раствора для получения ГЖС по табл. 7.3, можно рассчитать по формуле (7.26) необходимую величину объемного содержания газообразной фазы φ в ее составе, приняв конкретное значение ρ_ж – водного раствора и Р_см = Р_пл.

По формуле (7.15) рассчитаем величину плотности при атмосферном давлении ρ_{0 см} и ρ, а по формуле (7.20) при давлении Р_см на глубине Н - величину ρ_г.см. Для получения ГЖС с такими параметрами необходимую величину степени аэрации находим по формуле (7.31).

При фиксированном значении объемного расхода жидкости находим объемный расход сжатого воздуха, подаваемого компрессором:

Q_г = αQ_ж. (7.33)

Таким образом, с использованием оборудования на поверхности по техническим схемам приготовляют ГЖС с выбранной рецептурой и составом водного раствора при необходимой степени аэрации α, обеспечиваемой объемными расходами водного раствора Q_ж и газообразной фазы Q_г, чем гарантируют эффективное вскрытие водоносного горизонта без его кольматации и сохранения проницаемости для эксплуатации.

При проектировании технологии бурения с использованием ГЖС необходимо чаще проводить анализ состава этих смесей и их плотности как основных параметров, обеспечивающих эффективное вскрытие низкодебитных и малонапорных продуктивных горизонтов. В этом случае такой анализ осуществляют путем сравнения необходимых значений плотности ГЖС у устья (при давлении Р₀) по формуле (7.20). Целесообразно также рассчитывать величину средней по стволу скважины плотности ГЖС.