Обоснование технологии крепления слабосцементированных песчаников в призабойной зоне нефтяных и газовых скважин химическим способом

Актуальность работы.

Вынос песка из продуктивных отложений является серьёзной проблемой эксплуатации скважин. Проведённый анализ научно-технической литературы показал, что, несмотря на множество существующих разработок, и на то, что использование способов крепления началось более 80 лет назад, количество скважин, требующих крепления призабойной зоны пласта, увеличивается, а успешность проведения работ остаётся низкой и составляет 50−60%. Значительный вклад в развитие способов крепления слабосцементированных пород призабойной зоны нефтяных и газовых скважин внесли отечественные и зарубежные учёные: Абызбаев И. И., Белоусов Ю. И., Бутко О. Г., Вартумян Г. Т., Везиров А. П., Гилаев Г. Г., Давыдов В. В., Дадыка В. И., Орекешев С. С., Пирвердян A.M., Румянцева Е. А., СкуинБ.А., Стрижнев К. В., Строганов В. М., Султанов Б. З., СъюменД., Эфендиев И. Ю., Acock A., WuB., BenipalN. и многие другие. Наиболее распространёнными осложнениями, связанными с выносом песка, являются пробкообразование в добывающих скважинах, обрушение кровли пласта, эрозия внутрискважинного оборудования, отложение песка в выкидных линиях и другом наземном оборудовании. На устранение данных осложнений затрачиваются значительные трудовые и материальные ресурсы. В связи с этим разработка технологий и технических средств, обеспечивающих предотвращение и снижение поступления твёрдых частиц из продуктивного пласта в скважину, является актуальной задачей при разработке нефтяных и газовых месторождений.

Цель диссертационной работы.

Повышение эффективности крепления слабосцементированных продуктивных песчаников химическим способом.

Идея работы.

Повышение прочностных свойств при незначительном снижении фильтрационных характеристик слабосцементированных продуктивных песчаников обеспечивается применением разработанного химического способа крепления призабойной зоны пласта (ПЗП) на основе водных растворов хлористого кальция и гидрокарбоната натрия.

Задачи исследований:

1. Выполнить анализ современных технологий и технических средств, применяемых при эксплуатации скважин, дренирующих продуктивные пласты, представленные слабосцементированными песчаниками и алевролитами.

2. Исследовать особенности разрушения призабойной зоны пласта на примере Гатчинского подземного хранилища газа (ПХГ).

3. Разработать химическую композицию, предназначенную для крепления слабосцементированных терригенных коллекторов нефти и газа и исследовать её основные свойства.

4. Обосновать технологию крепления призабойной зоны добывающих скважин с использованием разработанной композиции.

Методы исследований.

В работе использованы теоретические методы, а также экспериментальные исследования по стандартным и разработанным методикам (реологические, фильтрационные, определение эффективного диаметра взвешенных частиц и др.).

Научная новизна работы:

1. Установлен избирательный характер разрушения слабосцементированных песчаников, обусловленный образованием высокопроницаемых каналов вдоль трещин, развитых в продуктивном пласте по вертикали и вдоль плоскостей напластования слойков.

2. Предложен способ крепления слабосцементированных песчаников с закачкой водных растворов хлористого кальция и гидрокарбоната натрия, заключающийся в образовании тонкодисперсной взвеси СаСОз, которая адсорбируется на поверхности минералов под действием межмолекулярного взаимодействия и придает дополнительную прочность песчаникам как цементирующее вещество.

Защищаемые научные положения:

1. Скважины Гатчинского ПХГ по объёму выносимого песка распределяются по степенному закону, генератором которого является самоподобная фрактальная структура разномасштабных трещин в пласте, что свидетельствует об избирательном разрушении газонасыщенного песчаника с образованием узких высокопроницаемых каналов вдоль трещин, развитых по вертикали и вдоль плоскостей напластования слойков.

2. Разработанная химическая композиция, на основе водных растворов хлористого кальция и гидрокарбоната натрия обладает высокой проникающей способностью, селективностью и может применяться в широком диапазоне пластовых температур, что обеспечивает надёжное крепление призабойной зоны пласта, при её закачке в слабосцементированные песчаники.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями с использованием современного оборудования, достаточной сходимостью расчётных величин с экспериментальными данными, воспроизводимостью полученных результатов.

Практическое значение работы:

1. Разработан химический способ крепления слабосцементированных песчаников в добывающих скважинах, основанный на закачке в ПЗП водных растворов СаС12 и КаНСОз с предварительной обработкой призабойной зоны пласта ацетоном.

2. Выявлен характер разрушения ПЗП Гатчинского ПХГ и установлено, что разномасштабные трещины и плоскости напластования песчаников формируют сложную разветвлённую структуру высокопроницаемых каналов и приводят к степенному распределению объёмов выносимого песка.

3. Разработан экспериментальный стенд, моделирующий призабойную зону добывающей скважины, с целью воссоздания условий плоскорадиальной фильтрации.

4. Материалы диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций и выполнении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Технология и техника методов повышения нефтеотдачи пластов», «Эксплуатация нефтяных и газовых скважин», «Подземная гидромеханика» студентам, обучающимся по направлению «Нефтегазовое дело» в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Апробация работы.

Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации работы докладывались на 11 научно-практических конференциях, симпозиумах, форумах и семинарах, в т. ч. на межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений природных битумов и высоковязких нефтей» (г. Ухта, УГТУ, 2010) — Международном форуме-конкурсе молодых учёных «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, Горный университет,.

2010) — межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, УГТУ,.

2011) — межвузовской научно-практической конференции (г. Санкт-Петербург, Горный университет, 2011) — Международной научно-практической конференции «Увеличение нефтеотдачи — приоритетное направление воспроизводства запасов углеводородного сырья» (г. Казань, ИНГГ СО РАН, 2011) — Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПНИПУ, 2012) — научно-практической конференции «Комплексное изучение и освоение сырьевой базы нефти и газа Севера Европейской части России» (г. Санкт-Петербург, ВНИГРИ, 2012).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки России. Получен патент на изобретение РФ № 2 475 622.

Структура и объём диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 120 наименований. Материал диссертации изложен на 142 страницах машинописного текста, включает 20 таблиц, 40 рисунков.

Выводы к главе 4.

1. Разработан химический способ крепления слабосцементированных продуктивных песчаников на основе водных растворов хлористого кальция и гидрокарбоната натрия. Предлагаемая химическая композиция может применяться в широком интервале геолого-физических условий и не зависимо от степени разрушенности коллектора. Для повышения эффективности применения химического способа крепления рекомендуется закачка ацетона для повышения адгезионной способности стенок поровых каналов к воздействию химическими реагентами.

2. Определен механизм взаимодействия предлагаемой химической композиции с коллектором. Разработанная композиция обладает закрепляющими свойствами за счёт образования в порах тонкодисперсной взвеси (СаС03), которая адсорбируется на поверхности минералов под действием межмолекулярного взаимодействия и придает дополнительную прочность песчаникам как цементирующее вещество.

3. Определен механизм взаимодействия предлагаемой химической композиции с жидкими углеводородами. При концентрации водного раствора хлористого кальция до 7,5% увеличение эффективной вязкости происходит за счёт реакции нейтрализации слабой щёлочи №НС03 кислотой. Дальнейшее снижение вязкости происходит за счёт процесса омыления нефти — синтеза ПАВ в нефти за счёт нейтрализации жирных кислот щёлочью, т.к. в смеси среда становится щелочной из-за избытка щёлочи после реакции нейтрализации кислоты. Увеличение концентрации водного раствора хлористого кальция более 15% приводит к увеличению содержания мелкодисперсного карбоната кальция СаС03, выпадающего в осадок.

4. Проведением фильтрационных исследований как на насыпных моделях пласта, так и на естественных образцах керна подтверждена способность химической композиции эффективно скреплять слабосцементированные терригенные породы с различными фильтрационно-емкостными свойствами и минералогическим составом.

5. На насыпной модели при моделировании водонасыщенных интервалов нефтенасыщенного пласта показано, что химический способ обладает более высокими изолирующими свойствами в водонасыщенных интервалах, чем в нефтенасыщенных, что подтверждает наличие селективных свойств.

6. Рекомендуемая химическая композиция обладает допустимой коррозионной активностью по отношению к стальному оборудованию. Скорость коррозии стали Ст. 20 в химических растворах составила 0,010,1 мм/год.

ГЛАВА 5 ОБОСНОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА КРЕПЛЕНИЯ.

ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ СЛАБОСЦЕМЕНТИРОВАННЫХ ПРОДУКТИВНЫХ ПЕСЧАНИКОВ.

В результате аналитических исследований вышеизложенных химических способов, можно сделать вывод, что основным направлением крепления слабосцементированных продуктивных песчаников является создание прочного проницаемого барьера обеспечивающего предотвращение разрушения призабойной зоны пласта с сохранением или незначительным снижением фильтрационно-емкостных свойств обрабатываемого интервала. Данный эффект может быть достигнут при использовании водных растворов хлорида кальция и, в качестве тампонирующего материала, гидрокарбоната натрия.

Разработанный химический способ крепления рекомендуется для внедрения на скважинах, где:

A) пескопроявление — основной фактор, ограничивающий добычу нефти и газа;

Б) пескопроявление обнаружено при запуске скважины, но не было выявлено на стадии проектирования;

B) пескопроявление является основным фактором, при предварительной оценке которого повторное освоение скважины не оправдано.

В идеале работы по креплению призабойной зоны нужно проводить индивидуально для каждой отдельно взятой скважины. В то же время большинство операций, предлагаемых автором в данном разделе, являются общепринятыми и подробно не разбираются.

Одними из перспективных направлений развития разработанного химического способа — увеличение глубины проникновения реагента, обеспечение возможности работы с реагентом при аномально низких температурах пласта [93].

5.1 Способ крепления призабойной зоны продуктивного пласта газовых скважин.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности крепления путём создания устойчивого объёмного осадка при максимальном сохранении емкостных и фильтрационных характеристик призабойной зоны продуктивного пласта, а также расширение ассортимента химических реагентов при осуществлении способа.

Технический результат достигается тем, что в известном способе крепления призабойной зоны продуктивного пласта газовых скважин, включающем последовательную закачку в пласт через добывающие скважины водных растворов реагентов с образованием в пластовых условиях нерастворимого в воде соединения — объёмного осадка, используют в качестве водного раствора соль металла 10−20% водный раствор хлористого кальция, а в качестве тампонирующего состава — водный раствор гидрокарбоната натрия, закачку каждого из указанных растворов производят в соответствии со стехиометрическими коэффициентами, обеспечивающими наибольший выход осадка. Объёмы растворов определяют исходя из толщины продуктивного пласта и диаметра скважины, а также ввиду необходимости полного заполнения порового заколонного пространства продуктивного пласта на расстоянии до 0,60 м от скважины.

Освоение скважины производят без выдержки на реагирование в пласте, так как реагирование в точечном объёме порового канала происходит мгновенно.

Закачку растворов в пласт производят как в остановленной, так и в работающей скважине. Для доставки растворов в заданную зону перфорации скважины и обеспечения расчётной скорости закачки возможно использование кол-тюбинга.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что при строительстве скважины, а также в процессе эксплуатации приствольная зона продуктивного пласта испытывает гидродинамические и механические воздействия при содействии этому горного давления. Поэтому вокруг ствола скважины на расстоянии до 0,60 м от обсадной колонны возникают дефекты структуры и трещины. При слабом цементирующем веществе (глина, гипс) песчаник в этой зоне в процессе эксплуатации скважины разрушается с выносом песка вместе с газом в скважину.

Способ проверен в лабораторных условиях. Для лабораторных исследований в поровой среде использовались как насыпные модели, приготовленные из рыхлых девонских песчаников, отобранных из обнажений коренных пород, так и естественные образцы керна.

5.2 Обоснование объёма закачки химической композиции.

Расчёт удельного объёма закачки при реализации способа крепления слабосцементированных продуктивных песчаников является актуальным с момента создания первых химических композиций закачиваемых в пласт и связан с высокой степенью неоднородности параметров, характеризующих процесс фильтрации нагнетаемого в ПЗП состава.

Согласно [19,55,84,92] существуют две основные методики описывающие расчёт объёма закачки химической композиции в призабойную зону пласта. Наиболее распространённой в промысловых условиях является методика расчёта удельного объёма, основанная на сравнении закачки идентичных составов, либо, если в скважину ранее закачка подобных составов не производилась, на основе анализа соседних скважин. Основным преимуществом является простота использования, но при этом недостаточно учитываются коллекторские свойства пласта, реологические свойства жидкостей и т. д. Другим решением для расчёта удельного объёма закачки является теоретический подход, основанный на использовании законов фильтрации. Основное преимущество — обобщённый расчёт, с использованием стандартных формул, но данный подход является формализованным, так как не учитываются реальные значение фазовых проницаемостей, насыщенностей и т. п.

Для получения правдоподобных данных об удельных объёмах закачки химических композиций необходимо совместить оба подхода: теоретический и практический. Воплощение данной идеи возможно в лабораторных условиях при проведении лабораторных фильтрационных исследований с реальными образцами кернов и составов, при соблюдении термобарических условий, максимально приближенных к пластовым.

Для проведения технологической операции по креплению призабойной зоны пласта предлагаемым химическим способом объёмы растворов мы рекомендуем определять по обычной методике исходя из выбранного условного радиуса обработки призабойной зоны, эффективной мощности пласта и пористости коллектора.

Необходимый объём химической композиции рассчитывается по формуле: состава = Ти’К-^'И'Ш' 1,1, М3, (5.1) где: Я — радиус обработки (проникновения в пласт состава), мЬ — суммарная толщина интервалов продуктивной зоны пласта, мт — пористость обрабатываемого участка пласта, %- 1,1 — коэффициент, учитывающий потери химической композиции.

Описанные химические процессы проходят по следующей схеме:

СаС12 + 2КаНС03 =Са (НС03)2+ 2-ШС1 (5.2).

Дальнейший распад водного раствора Са (НС03)2 также способствует отверждению осадка с образованием малорастворимого карбоната кальция по схеме:

Однако эта жидкость не загрязняет продуктивный пласт, так как при освоении скважины будет вынесена вместе с углеводородами. Благодаря этому сохраняются емкостные и фильтрационные характеристики продуктивного пласта.

5.3 Описание технологического процесса закачки разработанной химической композиции для ограничения разрушения продуктивных песчаников призабойной зоны пласта.

Основополагающим значением при выборе способа крепления неустойчивых коллекторов является определение причин её разрушения, которые можно выявить используя комплекс промыслово-геофизических методов. Критериями по выбору скважин-кандидатов на проведение технологической операции по креплению с использованием химической композиции являются:

• обрабатываемый интервал не более 50 м;

• не рекомендуются к обработке скважины, в которых призабойная зона загрязнена жидкостями глушения, содержащими коагулянты силиката натрия;

• техническое состояние скважинного оборудования отвечает условиям нагнетания в призабойную зону технологических жидкостей под давлением (герметичность лифтовой и эксплуатационной колонн, исправность устьевого и забойного оборудования).

Перед проведением работ по креплению призабойной зоны пласта с применением разработанного способа необходимо определить продуктивность скважины, содержание мехпримесей и воды в нефти, величину пластовой температуры, максимальные депрессии, ожидаемые при эксплуатации скважины, техническое состояние эксплуатационной колонны. Для уточнения наиболее эффективного состава химической композиции до начала выполнения работ рекомендуется провести лабораторные исследования различных концентраций водных химических веществ в условиях анализируемых пластовых температур и давлений.

Подготовительные работы для конкретной скважины-кандидата включают её промывку до забоя с дальнейшим глушением и т. д., определение приемистости с использованием жидкости, не снижающей проницаемости призабойной зоны пласта.

В случае выполнения работ на скважинах, которые длительно работали с выносом песка, что обусловило образование каверны в заколонном пространстве, прежде всего производят закачивание песка с целью заполнения каверны [82].

Основываясь на результаты лабораторных исследований и анализа технической литературы предлагаемая автором технология закачки разработанной композиции для крепления неустойчивых коллекторов в общем виде включает следующие операции:

1. проведение подготовительных операций по подготовке скважины, определению приемистости и подбору оптимальной концентрации химической композиции;

2. на скважине-кандидате произвести расстановку оборудования согласно схеме (рисунок 5.1) на безопасном расстоянии от скважины. ЦА-320М, автоцистерны и накопительная емкость с перемешивающим устройством устанавливаются с учетом господствующего направления ветра. Один ЦА-320М находится в резерве;