Исследование процесса подъема жидкости из скважин свабами и желонками

Для современного состояния отечественной нефтедобывающей промышленности характерны ухудшение структуры запасов, переход эксплуатируемых нефтяных месторождений в позднюю стадию разработки, разбуривание низкопродуктивных залежей с плохими коллекторскими свойствами и всё больший ввод в разработку месторождений углеводородного сырья с трудноизвлекаемыми запасами /1 — 4/. Разработка таких месторождений характеризуется повышенными затратами па извлечение продукции из недр и, как следствие, снижением рентабельности добычи нефти. В связи с этим особое значение приобретают вопросы оптимизации и повышения эффективности всех стадий технологического процесса нефтедобычи, снижения затрат на каждой стадии процесса, а также поиск и реализация нетрадиционных малозатратных способов подъема продукции скважин, обеспечивающих резкое снижение эксплуатационных затрат. Эксплуатация скважины начинается с вызова притока продукции из пласта. От того, как выполнен этот процесс, во многом зависят дальнейшие добывные возможности скважины, особенно па месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами. Анализ известных способов вызова притока продукции при освоении скважин показывает, что для многих категорий скважин наиболее приемлемым по совокупности качеств является один из самых старых, традиционных и универсальных способов вызова притока при освоении нефтяных скважин в различных условиях — свабировапие /5/. За рубежом этот способ стабильно занимает лидирующее положение, техника и технология свабирования постоянно совершенствуется. В отечественной практике способ вызова притока свабированием не получил должного развития. Отчасти это связано с тем, что способ не был доведен в техническом оснащении до уровня, обеспечивающего безопасное и экологически чистое проведение процесса и был до недавнего времени запрещен к применению правилами безопасности в нефтегазодобывающей промышленности. Однако, за последнее время, благодаря в основном инициативе профессора P.A. Максутова (ВНИИнефть), свабирование было возрождено и в отечественной практике. Высокая производительность, простота реализации, отсутствие необходимости в большой номенклатуре технических средств, совместимость с различными методами интенсификации притока и возможность эффективного применения в осложненных условиях создают предпосылки для широкого применения свабирования при освоении и стимуляции скважин различных категорий.

Другая проблема, остро стоящая во многих нефтедобывающих регионах страны — неуклонный рост числа скважин, добыча нефти из которых при применении традиционных способов и оборудования, действующей налоговой системе и существующем уровне цен на нефть нерентабельна. Кроме того, значительное количество скважин эксплуатационного фонда простаивает или вынуждено переводиться в категорию законсервированных из-за отсутствия средств на их обустройство, отсутствия или выхода из строя коммуникаций и наземного оборудования. Особую категорию малодебитных скважин составляют битумные скважины и скважины, пробуренные на неглубоко залегающие горизонты с высоковязкой нефтью. Запасы природных битумов и высоковязких нефтей, имеющих вязкость от нескольких сот до тысяч мПа-с, по оценкам специалистов превышают запасы маловязких нефтей /6/. Они представляют собой залежи дегазированной, в значительной степени потерявшей легкие фракции, окисленной высоковязкой нефти, насыщающей карбонатные и в несколько меньшей степени песчано-алевролитовые породы, залегающие на глубинах до 500 м III. Такие месторождения имеются практически во всех нефтяных районах России и до последнего времени относились к неизвлекаемым (забалансовым), поскольку высокая вязкость и другие свойства, в частности начальное напряжение сдвига, низкие пластовые давления не позволяют их извлечение обычными методами, применяемыми при разработке нефтяных месторождений. Изложенное обуславливает актуальность поиска альтернативных способов вывода из бездействия простаивающих малодебитных и необустроенных скважин без больших затрат на их обустройство. К числу таких способов в первую очередь можно отнести свабирование и желонирование. Применение технологий на основе перечисленных способов позволит вовлечь в эксплуатацию не только малодебитные скважины из простаивающего фонда нерентабельных скважин, но и получать дополнительную добычу нефти из новых, временно не обустроенных скважин, осуществлять освоение, опробование и пробную эксплуатацию разведочных скважин с целью уточнения технологических схем и проектов разработки с существенной экономией затрат на приобретение станков-качалок, насосных штанг, скважин-ных насосов, сооружение фундаментов, подвод к скважинам линий электропередач, сборных нефтепроводов и др. Кроме того, в условиях дефицита средств ненужное для новой технологии оборудование (станки-качалки, скважинные насосы, штанги и т. п.) может быть демонтировано и прибыльно применено на других более продуктивных скважинах.

Эффективность свабирования и желонирования во многом определяется применяемыми режимами откачки. Выбор оборудования и подбор рациональных режимов подъема жидкости для каждой конкретной скважины возможны только на основе соответствующих методов расчета. Значительный вклад в исследование вопросов рациональной эксплуатации и обоснование оптимальных режимов откачки продукции из скважин длинноходовыми скважинными насосными установками при длине хода плунжера насоса, соизмеримой с глубиной скважины, внесли P.A. Максутов, В. П. Максимов, Б. П. Корнев, P.A. Исмапшов, В. Д. Воробьев, P.A. Храмов, Ф. Х. Халиуллин, А. И. Шнирельман, Е. А. Шаевская, Ю. В. Зайцев, Б. С. Захаров, Л. А. Новиков, Ф. К. Мусаев, В. А. Новикова,.

B.П. Грабович, И. С. Юдин, B.C. Каштанов, В. Е. Попадько, В. Н. Ивановский,.

C.А. Поярков и другие /8 — 23/. Однако, результаты этих исследований во многом отражают особенности конструкции и условия функционирования длинно-ходовых установок с гибким (ленточным) тяговым органом при установившемся насосном режиме откачки, и не всегда могут быть формально перенесены на режим свабирования. Ряд работ P.A. Максутова, В. М. Валовского, В. В. Ануфриева и др. /24 — 28/ посвящен обобщению результатов опытных работ по вызову притока свабированием при освоении скважин различных категорий и выработке практических рекомендаций по выбору оборудования, режимов и параметров откачки в различных условиях. В /6, 27/ предложена методика расчета усилий на ленточном тяговом органе при свабировании с учетом свойств поднимаемой жидкости. Вместе с тем остались не исследованными в должной мере особенности неустановившегося режима откачки при свабировании — вопросы расчета производительности и учета влияния на нее притока из пласта, свойств откачиваемой жидкости, параметров откачки и характеристик оборудования, а так же влияния перечисленных параметров на эффективность подъема жидкости из скважин. Не исследован в должной мере и процесс желонирования.

Настоящая работа имела целью восполнить этот пробел и в первом приближении с использованием инженерных методов расчета дать ответы на первоочередные вопросы, связанные с особенностями неустановившегося режима откачки при свабировании и желонировании, разработать методики расчета основных технологических параметров, отражающие существенные особенности процесса, обусловленные взаимодействием механической, гидромеханической и фильтрационной систем. Вместе с тем, при выборе математических моделей соблюдалась возможность их относительно простой реализации и обеспечения наглядности полученных результатов. Работа выполнена в Региональном научно-технологическом центре ВНИИнефть (РНГЦ ВНИИнефть) и Татарском научно-исследовательском и проектном институте нефтяной промышленности (ТатНИ-ПИнефть). Исследования проводились в соответствии с тематическими планами РН’ГЦ ВНИИнефть и ТатНИПИнефть под руководством академика Российской Академии естественных наук и Международной академии наук экологии и безопасности, д.т.н., профессора P.A. Максутова.

Автор выражает свою признательность сотрудникам отдела новой техники PI ГГЦ ВНИИнефть и лаборатории техники и технологии добычи нефти отдела эксплуатации и ремонта скважин ТатНИПИнефть, принимавших непосредственное участие в разработке конструкций и испытаниях оборудования и технологических приемов свабирования и желонирования скважин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Свабирование является одним из универсальных, безопасных способов вызова притока при освоении скважин различных категорий, отличается простотой процесса, не требует большой номенклатуры оборудования, может быть эффективным при освоении скважин вышедших из бурения, после ремонта, обработок призабойпой зоны химическими реагентами, стимуляции скважин комплексными физико-химическими воздействиями и т. д. Для определенных категорий скважин актуальна постоянная эксплуатация периодическим подъемом из них продукции свабом или желонкой. Однако, эффективное применение, выбор оборудования и подбор рациональных режимов подъема жидкости для каждой конкретной скважины возможны только на основе соответствующих методов расчета технологических параметров.

1. Полз’чсны обобщённые аналитические зависимости теоретической производительности способов подъёма жидкости из скважин свабами по эксплуатационной колонне, насосно-компрессорным трубам и желонкой, а так же времени откачки от средней скорости сваба и желонки, объёма желонки, диаметров НКТ и эксплуатационной колонны, величины погружения сваба под уровень жидкости, начального и конечного уровней жидкости в скважине.

2. Разработана методика расчета объемов добычи продукции скважин периодическим подъемом желонкой или свабом с учётом интенсивности притока из пласта, позволяющая определять возможные объёмы месячной добычи в зависимости от характеристик скважины, технической характеристики оборудования и времени цикла накопления и отбора продукции. Установлено, что наибольшее влияние на объем месячной добычи оказывает потенциальный дебит скважины, глубина залегания продуктивного пласта, производительность оборудования и длительность периода накопления продукции.

3. Получена зависимость между максимальным тяговым усилием лебедки подъемного агрегата, погонным весом тягового органа, допустимой для сваба глубиной погружения под уровень жидкости, размером НКТ, плотностью поднимаемой жидкости и предельным снижением уровня жидкости в скважине, обеспечиваемым данным комплексом оборудования при свабировании.

4. Установлено, что для скважин средней глубины по степени влияния вязкости жидкости в скважине на скорость сваба в НКТ могут быть выделены три зоны: первая — когда величина динамической вязкости лежит в диапазоне от 0,001 до 0,8. 1 Па-с, вторая— от 0,8. 1 до 2 Па-с и третья — свыше 2 Па-с. С точки зрения достижения наибольшей производительности свабирования при вязкости скважинной жидкости 0,1 — 1 Па с целесообразно применение свабов с увеличенным проходным сечением и грузами малого диаметра (36 мм). Подъём из скважин жидкости вязкостью 1 — 2 Па-с свабом при применении традиционной техники и технологии малопроизводителен и не отвечает требованиям практики. При свабировании таких скважин необходимо принятие мер к снижению вязкости жидкости в скважине, либо к уменьшению влияния вязкости на скорость сваба.

5. Показано, что производительность желонирования пропорциональна объему и средней скорости желонки, существенно снижается при увеличении высоты подъема жидкости и, в отличие от свабирования, мало зависит от вязкости жидкости в скважине. Обоснована целесообразность применения желонирования для снижения уровня жидкости в малодебитных скважинах с ВВН (освобождения ствола скважин от высоковязкой эмульсии при освоении), периодической эксплуатации неглубоких малодебитных скважин, в частности с ВВН, периодического отбора всплывающей нефти в малодебитных обводненных скважинах и т. п. С использованием результатов исследования желонирования разработан способ эксплуатации неглубоких малодебитных скважин передвижной подъемной установкой, который испытан в ОАО «Татнефть» и сдан приемочной комиссии (РД 39−147 585−164−98).

6. Получены зависимости для определения объема утечек при подъеме жидкости свабом по колонне НКТ и коэффициента подачи в цикле при свабировании, устанавливающие связь коэффициента подачи с технической характеристикой оборудования и условиями откачки. Показано, что течение жидкости в зазоре между свабом и стенкой НКТ в имеющем место на практике диапазоне изменения параметров процесса свабирования и свойств поднимаемой из скважины жидкости носит ламинарный харакгер, и расход утечки снижается пропорционально увеличению вязкости откачиваемой среды.

7. Создан стенд, выполнены экспериментальные исследования утечек для свабов различного типа в НКТ, получены зависимости расхода утечек и коэффициентов, характеризующих гидравлическое сопротивление свабов плашечного типа с поджимом плашек давлением жидкости и манжетного сваба корзинчатого типа от перепада давления на свабе, выявлены различия зависимостей расхода утечек от перепада давления для плашечных свабов с упругим поджимом плашек и поджимом давлением жидкости, а также манжетных свабов корзинчатого типа. Установлено существенное влияние разброса внутреннего диаметра труб в пределах допуска по стандарту на герметизирующую способность свабов как плашечного, так и манжетного типа.

8. Показано, что для достижения наибольшей эффективности процесса подъёма жидкости свабом необходима качественная подготовка колонны труб и обеспечение максимально возможной скорости подъёма сваба. При этом для каждого сочетания параметров (диаметра НКТ, качества подготовки внутренней поверхности труб, глубины снижения уровня жидкости в скважине, глубины погружения сваба под уровень жидкости, коэффициента характеризующего гидравлическое сопротивление сваба, расстояния, на которое сваб не доводится до устья) существует предел уменьшения скорости подъема сваба, при достижении которого подача в цикле становится равной нулю. Получена формула для определения значения минимальной скорости подъема сваба.

9. Установлена идентичность полученных математических моделей, описывающих процесс подъема жидкости из скважин непосредственно по эксплуатационной колонне и по колонне НКТ в случае разобщения межтрубного пространства установленным над продуктивным пластом пакером. Выведены формулы для расчета утечек и коэффициента подачи для условий свабирования по НКТ скважин с пакером и свабиро-вания непосредственно по эксплуатационной колонне в зависимости от площади поперечного сечения колонны труб, глубины спуска и скорости подъема сваба, высоты поднимаемого столба жидкости и коэффициента, характеризующего гидравлическое сопротивление сваба.

10. Разработана методика расчета технологических параметров при сваби-ровании с изменяющимся от цикла к циклу погружением сваба под уровень, а так же ее реализация в среде MathCad 2000 Pro. С использованием разработанных программных средств установлено, что при использовании для свабирования агрегатов на базе А-37 достижим уровень добычи нефти за смену порядка 7 — 8 т. Методика утверждена в качестве стандарта предприятия ОАО «Татнефть» (РД 39−147 585 198−99).

11. Разработана методика расчета коммерческой эффективности, обоснована экономическая целесообразность периодической эксплуатации определенных категорий скважин с применением передвижных подъемных агрегатов. Показано, что существуют резервы для кратного повышения эффективности подобной эксплуатации, в частности путем применения специализированного комплекса оборудования для свабирования скважин по эксплуатационной колонне с емкостью для транспортировки продукции и малогабаритной мачтой.

Апробация и практическая реализация результатов работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практической конференции АО «Татнефть» и научно-технического общества нефтяников и газовиков Республики Татарстан в г. Альметьевске, 1998 г., на региональной конференции по вопросам перспективы развития технологии добычи нефти длинноходовыми насосными установками, организованной Минтопэнерго России и нефтяной компанией «ОНАКО» в г. Бузулуке в августе 1999 г., на научно-практической конференции «Высоковязкие нефти, природные битумы и остаточные нефти разрабатываемых месторождений» в рамках VI Международной специализированной выставки «Нефть, газ-99» в г. Казани в сентябре 1999 г., на технических советах НГДУ «Альметьевнефть» и «Ямашнефть», а также на секциях Ученых Советов ТатНИПИнефть и ВНИИнефть.

С использованием результатов, полученных в работе, разработан и сдан приемочной комиссии комплекс оборудования для эксплуатации неглубоких ма-лодебитных скважин желонкой при герметичном устье, а также разработаны и утверждены в ОАО «Татнефть» руководящие документы:

1. Способ эксплуатации неглубоких малодебитных скважин (не оборудованных НКТ) по эксплуатационной колонне передвижной подъемной установкой. РД39−147 585−164−98. — Бугульма: РНТЦ ВНИИнефть. — 1998. — 22 с.

2. Методика расчета технологических параметров при свабировании скважин (стандарт предприятия). РД 39−147 585−198−99. — Бугульма: ТатНИПИнефть. — 1999. 23 с.

3. РД 39−147 585−211−00. Методика расчета коммерческой эффективности эксплуатации малодебитных и необорудованных скважин мобильными подъемными установками. — Бугульма: ТатНИПИнефть. — 2000. — 26 с.