Процесс проведения геолого-технических мероприятий в скважинах [1 – 3] начинается с операции глушения скважины с целью обеспечения безопасного проведения всех дальнейших работ. Глушение производится путем замещения в стволе скважины добываемой жидкости на жидкость глушения (ЖГ), назначение которой заключается в обеспечении необходимого давления на пласт, исключающего самопроизвольный выброс пластовой жидкости и газа. В качестве ЖГ обычно используются минерализованные растворы (чаще всего CaCl2 или NaCl), плотность которых рассчитывается для каждой скважины индивидуально. Одной из проблем, возникающих при операции глушения, является частичное проникновение ЖГ в интервал перфорации скважины, из-за чего происходит ухудшение коллекторских свойств нефтенасыщенного интервала пласта.
Наиболее распространенное выполнение операции глушения – закачка ЖГ через насосно-компрессорную трубу (НКТ), добываемая жидкость и газ при этом вытесняются через затрубное пространство между НКТ и обсадной колонной – «прямой» способ (рис. 1а). При выполнении глушения скважин со штанговыми глубинными насосами применяют «обратный» способ: ЖГ закачивают в затрубное пространство, добываемая жидкость и газ при этом вытесняются через НКТ (рис. 1б). Однако в обоих этих вариантах создается превышение давления ЖГ на забое над пластовым давлением, из-за чего часть ЖГ проникает в пласт на некоторую глубину δ от обсадной колонны. В дальнейшем, после окончания запланированных работ геолого-технических мероприятий, это может привести к увеличению сроков восстановления продуктивности скважины, снижению запланированного эффекта и в конечном результате к увеличению эксплуатационных затрат и себестоимости продукции. Чтобы свести к минимуму риски ухудшения коллекторских свойств пласта, вследствие поглощения пластом ЖГ, необходимо определять оптимальный режим закачивания ЖГ, и посредством инструментального контроля точно его выдерживать.
С этой целью был создан аппаратно-методический комплекс (АМК) [4 – 6], использованный в процессе глушения наиболее сложных (по геологическим критериям) скважин Приразломного и Приобского месторождений. В аппаратную часть комплекса входит два комплекта датчиков для регистрации основных параметров процесса глушения: вибрационный плотномер, электромагнитный расходомер, датчик давления и датчик темературы. Датчики устанавливают в поток ЖГ, нагнетаемый в скважину и в обратный поток жидкости из скважины. Сигналы с датчиков снимает контроллер, аналого-цифровой преобразователь их оцифровывает, после чего информация поступает на компьютер, где обрабатывается специальной программой. Все показания датчиков могут быть распечатаны в виде таблиц и (или) графика, на котором отражены все меняющиеся во времени измеренные параметры: плотность, расход, температура, давление и объем закачиваемой ЖГ, а также жидкости на выходе из скважины. В качестве примера на рис. 2 показан один из таких графиков, на котором четко видна динамика процесса закачивания ЖГ.
Аппаратная часть комплекса смонтирована на базе автомобиля, все элементы ее управления установлены в кабине оператора. Также имеется возможность подсоединения выносного табло, на котором отображаются в реальном времени все замеряемые параметры. Таким образом, появляется возможность осуществить в реальном времени контроль над технологическим процессом закачивания жидкостей в скважину, произвести исследования с точными показаниями приборов, и выполнить анализ полученных результатов. Все это позволяет свести к минимуму ошибки, приводящие к возникновению осложнений и аварийных ситуаций [7], а также облегчить расследование инцидентов.
Расчетно-методическая часть АМК представляет собой имитационную компьютерную модель процесса закачки ЖГ в скважину. Заданными параметрами являются: глубина залегания и толщина продуктивного коэффициента, пористости и проницаемости, пластовое давление, внутренний и внешний диаметры НКТ и обсадной колонны, глубина спуска НКТ. Модель позволяет по заданному, постоянному или переменному расходу ЖГ при закачке (литры в секунду) определить давление ЖГ в призабойной зоне, скорость ее фильтрации и глубину проникновения в пласт δ, а также объем поглощенной пластом ЖГ за время закачки. Варьируя на компьютере различные скорости закачки, можно подобрать оптимальный режим, который, не нарушая требований регламента [8], обеспечит минимальную глубину проникновения ЖГ в пласт.
В качестве основной формулы, связывающей потери давления P (Па) с осредненной по сечению трубы скоростью v (м/с) потока жидкости, принята формула Дарси-Вейсбаха [9]:
где l – длина трубы; ρ – плотность жидкости; d – внутренний диаметр трубы для НКТ, или диаметральный зазор для кольцевого пространства между НКТ и обсадной колонной.
Из большого количества предлагаемых в литературе формул для определения гидравлического сопротивления, в соответствии с обоснованем, приведенным в статьях [10, 11], для определения коэффициента гидравлического сопротивления λ принята формула Альтшуля [9]:
где K – коэффициент эквивалентной шероховатости, Re – число Рейнольдса.
В результате превышения давления ЖГ на забое над внутрипластовым давлением, часть ЖГ, как отмечено выше, вследствие фильтрации проникает в пласт. Скорость фильтрации vф определяется законом Дарси:
где Pизб – избыточное давление на забое (Па), k – коэффициент проницаемости породы пласта, μ – динамическая вязкость ЖГ, δ(t) – увеличивающаяся со временем глубина проникновения ЖГ в пласт.
Объем ЖГ, проникшей в пласт за время dt, составляет
где H – мощность пласта, D – внешний диаметр обсадной колонны.
С другой стороны, тот же самый объем можно записать в виде:
где m – пористость пласта.
Приравнивая (4) и (5), и подставляя вместо vф формулу (3), получаем для функции δ(t) дифференциальное уравнение:
Для Pизб = const уравнение (6) можно проинтегрировать:
и по формулам Кардано найти аналитическое выражение для функции δ(t) как корень кубического уравнения (7). Однако на практике избыточное давление, как правило, является переменной величиной; в этом случае уравнение (6) интегрируется численно, и функция δ(t) осуществляется таблично. После этого объем V, проникшей в пласт ЖГ, определяется численным интегрированием уравнения (5). Погрешность расчетных значений δ и V зависит от точности, с которой известны коэффициенты вязкости ЖГ, а также пористости, проницаемость и толщина пласта.
Результаты измерений (натурных экспериментов), выполненных при глушении 9 скважин Приразломного и Приобского месторождений, а также результаты моделирования, представлены в табл. Поглощенный объем определялся как разность измеренных объемов ЖГ на входе и на выходе скважины; погрешность определения этих объемов определяется точностью датчиков аппаратной части АМК. Расчетные значения поглощенного объема и глубины проникновения получены в результате численного интегрирования уравнений (5) и (6) с физическими параметрами пласта и процесса закачки, соответствующими натурным измерениям. Как следует из табличных данных, результаты моделирования с учетом указанных погрешностей находятся в удовлетворительном согласии с результатами экспериментальных измерений.
Процесс закачки ЖГ, как прямой, так и обратный, можно разделить на два этапа. На 1-м этапе ЖГ движется вниз либо по НКТ, либо в пространстве между НКТ и обсадной колонной, вытесняя пластовую жидкость. Когда ЖГ достигает интервала перфорации, или «башмака», начинается 2-й этап: ЖГ движется вверх, вытесняя пластовую жидкость, при этом часть ЖГ за счет фильтрации проникает в пласт. Глубина проникновения ЖГ в пласт тем значительнее, чем больше избыток давления в призабойной зоне и продолжительность 2-го этапа (формула (6). Избыток давления, согласно формуле (1), приблизительно пропорционален квадрату расхода жидкости, а время 2-го этапа обратно пропорционально расходу в первой степени. Поэтому, для уменьшения проникновения ЖГ в пласт, на 2-м этапе закачивания расход ЖГ надо ограничить: не более 200 – 250 литров в минуту; при этом скорость закачки ЖГ во время 1-го этапа на значения указанного параметра не влияет. По нашему мнению, оптимальная (с этой точки зрения) скорость 2-го этапа соответствует расходу, равному примерно 2 литрам в секунду; расчетные значения глубины проникновения и поглощенного объема ЖГ при данном расходе ЖГ приведены в двух последних столбцах табл.
На рис. 3 представлены полученные с помощью имитационной модели расчетные зависимости (линии 1, 2, 3) глубины δ от расхода ЖГ во время 2-го этапа закачки для трех различных значений вязкости ЖГ. На этом же рис. 3 отмечены значения δ, найденные из экспериментальных значений поглощенного объема ЖГ при глушении скважин. Как видно из хода кривых, расхождения между расчетными и экспериментальными значениями для большинства скважин не превышает погрешности измерений, что подтверждает адекватность имитационной компьютерной модели процесса закачки ЖГ в скважину.
Выводы
Созданный аппаратно-методический комплекс позволяет осуществлять в реальном времени контроль над технологическим процессом глушения скважины, а также минимизировать объем ЖГ, поглощенной призабойной зоной пласта. Разработанная методика пригодна для определения оптимальных параметров процесса глушения скважин, как при прямом, так и при обратном способе закачки ЖГ в скважину, с удовлетворительной точностью подтверждается натурными экспериментами, и может быть использована при расчетах и моделировании операций ремонтно-изоляционных работ, установки блокирующих пачек и т.д.