При проведении изоляционных работ в скважинах все шире начали использоваться волновые воздействия на пласт в виде знакопеременных давлений разной частоты и интенсивности. Работы по изоляции водоносных пластов с использованием волнового воздействия находятся на уровне создания новых технологий их проведения с применением специальных устройств, генерирующих гидроимпульсы.
Пока чаще всего волновые воздействия применяются в нагнетательных скважинах, когда появляется необходимость повысить приемистость пласта, в который длительное время закачивалась вода, и он перестал ее принимать или же в новых, нагнетательных скважинах, где пласт представлен низкопроницаемыми породами.
Одна из задач использования волнового воздействия — обеспечить надежную изоляцию водопроявляющих пластов на стадии бурения в открытом стволе или уже в процессе эксплуатации скважин. Особо это касается скважин, в которых необходимо создавать надежную изоляцию водоносных пластов с высоким содержанием сероводорода с закачкой тампонажных материалов, стойких к сероводородной агрессии, например на основе глиносодержащих составов. Однако их задавливание в пласт в достаточном объеме обычно не удается из-за высоких гидравлических сопротивлений, возникающих в пределах скважинного слоя.
Для успешного проведения изоляционных работ в подобных случаях необходимо в изолируемых пластах или восстановить проницаемость, которая была резко снижена при бурении, или увеличить ее за счет разрушения частиц, привнесенных когда-то в поры скелета пласта.
Обеспечение эффекта повышения приемистости скважин при проведении изоляционных работ связывается с созданием течения жидкости в каналах пласта, чтобы частицы были увлечены жидкостью за пределы призабойной зоны пласта (ПЗП) и открыли путь к продавке в пласт тампонажного состава [1–3].
Эти условия могут быть выполнены в процессе закачки тампонажного материала, если по мере заполнения его ПЗП будет непрерывно придаваться энергия колебательного движения жидкости. Только при усилении акустического воздействия структуры составов подвержены разрушению с приданием им свойств маловязких жидкостей. Важно при этом вести процесс непрерывно, исключая восстановление у составов структуры (релаксация) [1,2].
Эффективность применения волнового воздействия
Теоретические обоснования эффективного применения волновых процессов давно известны и довольно сложны из-за того, что флюидосодержащие горные породы пластов сложны по своему строению.
Воздействие на ПЗП зависит от величины импульса давления и частоты. Было показано, что глубина обработки тем глубже, чем ниже частота. При частоте воздействия 2–104 Гц и больше (ультразвуковые волны) глубина не превышает 1–2 см. При частоте до 20–40 Гц она возрастает до 1–2 м [2,4].
В работах [2,4] сообщалось о возрастании скорости потока при прохождении через песчаник почти в 80 раз после небольшого времени воздействия ультразвуком с частотой 26,5 кГц и максимальной интенсивностью 9 кВт/м2.
Довольно широкие промысловые испытания акустического излучателя [2,3,5] с частотой излучения 12–20 кГц и интенсивностью 1–2 Вт/см2 были проведены в Западной Сибири, Мангышлаке, Татарии на пластах с проницаемостью 0,14–2,9 мкм2 и пористостью 15–27%, подтвердившие довольно высокую эффективность акустического воздействия на ПЗП [4].
Количество обводненных скважин с каждым годом нарастает как в Западной Сибири, так и в других нефтяных районах.
Проблема отключения водоносных пластов может быть решаемой, если после вскрытия пласта в его приствольной части по всей мощности будет создаваться экран толщиной по радиусу 1–2 м, причем тампонажным составом, который сможет заполнять мелкие трещины и поры. Трудности решения этой задачи состоят в том, как обеспечить задавливание достаточно большого объема тампонажного состава на такую глубину, например в породы песчаника или в породы низкопроницаемого трещиноватого пласта.
Одним из способов изоляции водоносных пластов с задавливанием в них тампонажных составов в самых неблагоприятных фильтрационных условиях может быть использование волнового воздействия гидроимпульсами разной частоты и интенсивности на пласт и закупориваемые составы [5,6,10].
Наибольшая эффективность волнового воздействия на такой процесс достигается в открытом стволе. В обсаженном стволе воздействия через перфорационные каналы резко снижаются из-за необходимости преодоления сопротивления через них гидроимпульсов волн жидкости. Трудности также возникают, когда ведутся попытки закачать в пористый пласт под давлением цементный раствор, из-за того, что на большей части поверхности пласта создается фильтрационная корка. Изолируются только крупные каналы. В дальнейшем в процессе бурения или цементажа эта фильтрационная корка разрушается, и под депрессией восстанавливается связь водоносного пласта со скважиной [8].
Устройство создания гидроимпульсов
Для волнового воздействия на проницаемый пласт ВНИИБТ разработал устройство для создания гидроимпульсов (УГП) на основе героторной пары, применяемой в винтовых забойных двигателях (ВЗД). Устройство работает при создании в скважине через него обратной циркуляции. Периодическое закрытие входного канала для пропуска жидкости определяет создание гидроимпульса. Распространение волн гидроимпульсов при этом происходит по оси ствола или колонны в скважине [5,6].
Устройство в зависимости от поставленных целей может изготавливаться на основе героторных пар разного типа и размера. Тип героторных пар и размер определяет их рабочую характеристику. В процессе же работы в скважине частота гидроимпульсов определяется производительностью прокачки через устройство жидкости.
Первые испытания гидропульсатора УГП-88 производились с целью повышения приемистости пластов в нагнетательной скважине путем задавливания в них кислоты [9].
На рис. 1 показана технологическая схема задавливания кислоты в обсаженной скважине в низкопроницаемый пласте помощью воздействия гидроимпульсов при использовании УГП. На рис. 1а отмечен этап окончания закачки кислоты через НКТ в скважину через гидропульсатор. Кислота проходит через обратный клапан и заполняет интервал в запланированном объеме. Затем гидропульсатор поднимается над уровнем кислоты, восстанавливается обратная циркуляция с созданием гидроимпульсов на входе в устройство (рис. 16). Контроль за продавкой кислоты ведется по уменьшению закачиваемой жидкости в агрегате ЦА-320.
Эта же технологическая схема может применяться в открытом стволе при изоляции водоносных пластов, располагаемых выше продуктивных.
В скважину спускается гидропульсатор. Затем закачивается, например, нетвердеющий тампонажный состав или состав с замедленными сроками твердения. После подъема гидропульсатора над составом восстанавливается обратная циркуляция бурового раствора и ведется продавка тампонажного состава в пласт под воздействием гидроимпульсов.
При изоляции водоносных пластов ниже продуктивного или же при проведении работ в осложненных скважинах, в которых следует исключить влияние гидроимпульсов на вышележащие пласты, наиболее приемлема технологическая схема, приведенная на рис. 2.
По этой схеме часть бурильного инструмента с упорным пакером подвешивается на УГП, который может быть исходя из технологических особенностей работ установлен в пределах кондуктора или в открытом стволе в интервале устойчивых пород.
На рис. 2а показан этап промывки скважины после спуска компоновки с последующей закачкой тампонажного состава при закрытом затрубном пространстве (рис. 26) уже при установленном упорном пакере.
На следующем этапе (рис. 2в) показан процесс задавливания тампонажного состава в пласт под воздействием гидроимпульсов.
Описанный способ изоляции водоносного пласта в открытом стволе может быть приемлем при вскрытии водоносного пласта малым диаметром долота (рис. 3) с установкой пакера на переходе от продуктивного пласта к водоносному.
Для усиления мощности гидроимпульсов в бурильной колонне диаметром 127 мм может быть установлен УГП диаметром 88 мм, для чего несколько труб вверху колонны заменяются на трубы с большим диаметром. Вся схема повторяется, как показано на рис. 2. В колонне бурильных труб размещен тампонажный состав. После этого следует подъем УГП выше границы состава и восстанавливается обратная циркуляция. Под воздействием возникающих гидроимпульсов тампонажный состав задавливается в пласт.
Методика работы с УГП
Особенностью работ с УГП является то, что процесс задавки тампонажного состава в больших объемах в пласт может оказаться длительным. Поэтому при их проведении следует применять или нетвердеющие составы, или составы с длительными сроками начала отверждения. Только такая схема может быть приемлемой при установке экранов в водоносных пластах с H2S, когда необходима полнейшая гарантия изоляции пласта от продуктивного. В такой ситуации в глубоких скважинах наиболее благоприятным вариантом могут быть работы по изоляции водоносного пласта до перфорации продуктивного.
Схема на рис. 4а показывает установку УГП выше перфорационного водоносного пласта и задавку в него изоляционного материала (например, глинопасты) под воздействием гидроимпульсов. Объем тампонажного материала в таких скважинах должен быть достаточно большой, чтобы создать в ПЗП экран толщиной по радиусу до 1 м. После изоляционных работ с задавкой нетвердеющего материала в интервале перфорации устанавливается цементный мост.
Более сложным вариантом проведения работсУГП является изоляция водопроявляющего пласта, когда в скважине вскрыты и эксплуатируются вышезалегающие продуктивные пласты. Изоляционные работы в таких ситуациях могут проводиться при временно установленных перекрывающих устройствах (рис. 46). На первом этапе работ в скважине производится перфорация водоносного пласта. В скважину спускается и устанавливается двухпакерное устройство, например устройство ВНИИБТ (патент РФ №2071545), затем спускается гидропульсатор, через который закачивается и продавливается тампонажный состав до водоносного пласта.
После этого гидропульсатор поднимается выше уровня тампонажного состава, и под воздействием гидропульсации во время непрерывной циркуляции жидкости тампонажный состав задавливается в изолируемый пласт. В последующем из скважины извлекается перекрывающее устройство. В интервале водоносного пласта устанавливается цементный мост. В результате этой операции достигается цель создать надежный глубокий экран в водоносном пласте.
К особенностям создания гидроимпульсов с помощью УГП можно отнести их направленность по оси скважины и возможности изменять частоту импульсов за счет изменения производительности прокачки жидкости через устройство. Эти особенности могут быть использованы на повышение качества крепления обсадных колонн сразу после окончания цементажа, т. к. на этой стадии определяется контакт цементного камня с колонной и породой.
После окончания продавки при цементаже по всей вертикали геологического разреза, представленного породами разной проницаемости, изменяющейся кавернозностью и свойствами самой породы в каждом пропластке поинтервальный процесс структурообразования цементного раствора имеет отличия по контакту с породой и колонной. Поэтому если в этот период в колонне создавать волновое воздействие, то у цементного раствора в затрубном пространстве будет происходить коагуляционное разрушение структуры. В итоге это позволяет обеспечить более равномерный контакт твердеющего цементного раствора по всему затрубному пространству и придать массе цемента большую монолитность. Волновая обработка обсадной колонны и цементного раствора в скважине производится сразу после окончания продавки цементного раствора и получения «СТОП».
На рис. 5 представлена схема обработки скважины при установленном УГП в верхней части обсадной колонны и показано распространение гидроимпульсов по колонне. Как известно, скорость распространения упругих волн-гидроимпульсов в колоннах с жидкостью распространяется со скоростью © порядка 1300–1350 м/с. Длина волны (λ) определяется отношением:
λ=C/v где: v — частота волн, гц
Применение УГП позволяет иметь частоту от 10 до 200 с-1, т. е. иметь длину волн от 60 до 13 м. При работе на любой частоте в условиях скважины (рис. 5) волновой процесс будет складываться в следующем виде. Волна повышенного давления, достигая дна колонны, будет отражаться и суперпозировать с вновь приходящей волной. Изменяя производительность закачки жидкости, т. е. изменяя частоту гидроимпульсов, диапазон волнового воздействия на заколонное пространство будет расширен за счет суперпозирования.
Однако эффективность способа также во многом будет зависть от правильного выбора тампонажного материала.
Практика проведения изоляционных работ позволяет установить ряд общих требований к материалам для создания экранов в приствольной зоне водопроявляющих пластов большой толщины по радиусу:
- состав должен обладать способностью проникать в поровое пространство при сравнительно невысоких перепадах давления;
- закупоривать микроканалы водоносного пласта;
- созданный экран должен выдерживать возможные нагрузки при депрессии и репрессии во время проведения работ в скважине;
- состав должен хорошо контактировать с горной породой;
- должен быть химически инертным к пластовым жидкостям, а в отдельных случаях к H2S;
- состав должен иметь регулируемые сроки отверждения.
В наиболее сложных случаях изоляционные работы с установкой экрана в глубине пласта могут производиться с применением двух составов. Первый состав может быть представлен веществом нетвердеющим, но с вязкопластичными свойствами и стойким к агрессивным пластовым жидкостям.
На переднем плане в качестве состава для создания глубинного экрана могут, например, использоваться глинопасты на основе бентонитовых глин.
Для закрепления этого экрана наиболее подходит гидрофобный полимерный тампонажный состав (ГПТС), который обладает хорошей проникающей способностью. После отверждения переходит в резиноподобное состояние, может использоваться с добавками таких наполнителей, как аэросил, асбест, тальк, мел и т. п.
Применение в качестве закрепляющего состава цементных растворов в данных ситуациях не рекомендуется, т. к. цементные растворы, как на водной основе, так и на углеводородной, практически не проникают в поры пласта при любых перепадах давления. Возможно применение цементного раствора только после обработки его с помощью специального диспергатора (ДЦР), позволяющего довести раствор до тонкодисперсного [10].
Выводы- Применение волнового воздействия на изолируемый пласт и на продавливаемую жидкость может обеспечивать более глубокое проникновение тампонажных материалов в глубину пласта.
- Наибольший успех волнового воздействия при проведении изоляционных работ может достигаться на осложненных скважинах, где необходимо устанавливать в пласте большие по толщине экраны, например, где имеются агрессивные воды, насыщенные H2S, или же в скважинах, в которых водоносные пласты представлены низкопроницаемыми породами.
Литература
1. Черский Н.В., Царев В.П., Кузнецов О.Л. и др. Влияние ультразвуковых полей на проницаемость горных пород при фильтрации воды. ДАН СССР, 1977 г., т. 292, №1, с. 201–204.
2. Кузнецов О.Л., Ефимов С.А. и др. Акустическое воздействие на призабойную зону пласта. НХ, №5,1987.
З.Янтурин А.Ш., Рахимкулов Р.Ш., Кагарманов Н.Ф. Выбор частоты при вибрационном воздействии на ПЗП. НХ, №12,1986 г., с. 63–66.
4. Дыбленко В.П., Камаров Р.Н., Шарифуллин Р.Я., Туфанов И.А. Повышение продуктивности и реанимация скважин. М., «Недра», 2000.
5. Патент № 2232252 В.И. № 19, 2004.
6. Патент № 2231620 В.И. № 18, 2004.
7. Санников В.А., Стрешинский И.А., Деменеко НА. Внедрение реагентно-импульсных методов воздействия на ПЗП с целью освоения скважин и интенсификации добычи нефти. НТЖ «Нефтепромысловое дело», ВНИИОЭНГ, №6,1999.
8. Кутырев Е.Ф., Мухаметзянов Р.Н., Шевченко В.Н., Типикин СИ. Об особенностях разработки пласта ВС11 Муравленского месторождения Западной Сибири. ВНИИОЭНГ, 1997, с. 46.
9. Курочкин Б.М., Яковлев С.С., Тахаутдинов Р.Ш. и др. Применение глубинного гидропульсатора для обработки ПЗП. НХ, №8, 2004.
10. Курочкин Б.М., Прусова В.Н., Лобанова В.Н., Яковлев С.С. Разработка ВНИИВТ в области крепления скважин. Труды ВНИИВТ, №1 (69), М., 2006.
Автор: Борис Курочкин, ОАО НПО «Буровая техника»
