Образование твердой фазы в добывающих скважинах



Подсчитано, что 70 % мировых запасов нефти и газа находятся в слабо консолидированных резервуарах, где может произойти пескопроявление. Вынос песка влияет на оборудование для заканчивания скважин, а также на наземные объекты. Закупоривание перфорационных отверстий, фильтров песка или эксплуатационной обсадной колонны, создание в стволе скважины нестабильности, разрушения некоторых участков горизонтальной скважины являются наиболее распространенными проблемами, связанными с пескопроявлениями.

В статье исследовались процессы движения зерен песка, условия движения зерен и силы, действующие в этих процессах.

Ключевые слова: пескопроявление, прочность породы, стабильность скважины, разрушение при сдвиге, разрушение при растяжении, движение зерна породы.

It is estimated that 70 % of the world's oil and gas reserves are in poorly consolidated reservoirs where sanding can occur. Sand production affects well completion equipment as well as surface facilities. Plugging of perforations, sand screens or production casing, creation of instability in the wellbore, destruction of some sections of a horizontal well are the most common problems associated with sanding.

The article investigated the processes of movement of grains of sand, the conditions for the movement of grains and the forces acting in these processes.

Keywords: sand production, rock strength, well stability, shear failure, tensile failure, rock grain movement.

Проблемы, связанные с образованием твердой фазы, наиболее часто встречаются в песчаных коллекторах [2]. Вынос песка можно классифицировать по трем видам:

– Временный вынос песка. Песок сначала выносится после непрерывного пескопроявления с уменьшающейся скоростью в постоянных условиях. Этот вид выноса песка связан с изменением добычи или условиями в стволе скважины, изменением условий добычи или прорывом воды.

– Непрерывный вынос песка. Песок непрерывно выносится с относительно постоянной скоростью.

– Катастрофическое пескопроявление. Там, где песок выносится с такой высокой скоростью, что скважина забивается и требует отвода или закрытия.

Вынос песка не может происходить в неповрежденной породе. Горная порода должна быть повреждена или не уплотнена, чтобы иметь потенциал для выноса песка. Локальные концентрации напряжений, которые превышают прочность породы, разрушат породу, но песок может быть вынесен не сразу. Чтобы песок мог течь в скважине, требуется достаточное количество энергии, однако после выноса песка может произойти стабилизация после разрушения скважины. Также возможно, что песок сформирует устойчивые арки на оборудовании заканчивания, что позволяет скважине работать без песка, пока условия стабильности не будут нарушены.

Горная порода обычно повреждена эффективным напряжением вокруг скважины, которое зависит от конфигурации напряженностей в отдаленной зоне, которая может быть неоднородной, от порового давления и геометрии эксплуатационной зоны.

Пескопроявление может быть инициировано изменениями внутри пласта и скважин [3]:

1. Заканчивание и буровые работы. В таких операциях контроль потерь жидкости для уменьшения повреждений пласта вокруг скважины, таких как набухание глины, миграция мелких частиц, изменения смачиваемости и эмульсии, осуществляется путем уменьшения проводимости пористой среды, а также прочности породы, что позволяет формировать слабые зоны. Такие слабые зоны уязвимы для высокого градиента давления, особенно в обсаженной скважине, где площадь открытого потока намного меньше, чем в открытой скважине.
2. Напряженное состояние пласта и деформация породы. Как упомянуто выше, вынос песка может происходить только в поврежденной породе, где повреждение может быть вызвано бурением, заканчиванием скважины, добычей скважины и рабочим давлением.
3. Уровень падения давления вокруг ствола скважины. При добыче с более высокими скоростями градиент давления может быть выше, чем прочность породы, и произойдет разрушение. Песок будет транспортироваться в скважину, если силы сопротивления достаточно велики после разрушения породы.
4. Истощение резервуара. Затем пластовое давление истощается, увеличивается эффективное напряжение и, следовательно, увеличивается потенциал добычи песка.

Один поток жидкости не может перемещать зерна в неповрежденной породе. Рассмотрим продуктивную зону скважины, где зерно диаметром зажато между соседними зернами у стенки скважины. Силы, необходимые для удаления этого зерна, являются суммой отказов сдвига в 4 контактных плоскостях по сторонам зерна плюс силы, необходимые для того, чтобы вызвать разрушение при растяжении в плоскости контакта за зерном:

(1)

где

— предел прочности на разрыв;

— сплоченность;

коэффициент внутреннего трения;

эффективное осевое напряжение;

- эффективное касательное напряжение.

Зерно песка также вытягивается гидродинамическими силами, вызванными потоком жидкости. Силы, действующие от жидкости на зерно, могут быть получены из закона Дарси:

(2)

где

— площадь поперечного сечения элемента;

— это длина элемента объема;

адение давления вдоль элемента;

— проницаемость элемента;

— вязкость жидкости.

Для того, чтобы иметь среднее выражение силы на зерно используется выражение для проницаемости в пористой породе:

(3)

Количество зерен в элементе объема определяется объемом твердого материала в элементе, деленной на объем одного зерна:

(4)

И гидростатическая сила на одном зерне:

(5)

В [2] сравнивают силы на зерне в очень слабой породе, и показывают, что гидростатические силы остаются на несколько порядков ниже, чем силы, необходимые для удаления зерна. Таким образом, порода не может быть разрушена гидродинамическими силами в одиночку, но эти силы играют важную роль в перемещении зерен от поврежденной области и транспортировки их в скважину.

Разрушение происходит от сдвига и приводит к выносу песка. В скважине наибольшая разница напряжений находится на стенке скважины, и там будет начато разрушение. Различные ориентации скважины в отношении поля напряжений и проницаемой и непроницаемой стенки скважины приводят к множественным критериям разрушения [2]. Разрушение скважины при сдвиге, которое приводит к пескопроявлению, зависит от конфигурации горизонтальных напряжений, где поле напряжений может быть либо изотропным, либо анизотропным.

Для простейшего случая, когда напряжение ( ) является изотропным можно рассмотреть поровое давление на стенках:

(6)

Наименьшее главное напряжение является:

(7)

И самый большой главный стресс

(8)

где

— коэффициент Пуассона

— константа биоты пороупругой

Тогда достигается разрушение по критерию Кулона-Мурса.

(9)

Решение уравнения в виде дает самое низкое давление в скважине, где инициируется разрушение.

Выражение минимального давления в скважине в качестве критической просадки:

(10)

где

— дальнее поле пластового давления

Решение уравнений (8) и (9) будет (при = 1):

(11)

где

— это эффективное дальнее поле напряжений.

Эта модель упрощена [2], но отражает зависимость начала пескопроявления не только на прочности породы и свойств породы, но и на дальнем поле напряжений и давления в пласте. Поддержание давления при разрушающемся пласте, например, с помощью закачки воды является важным критерием контроля пескопроявления.

Рассмотрим следующий случай, когда основные напряжения различны. Теперь стабильность скважины, зависит от ориентации, а также давления в скважине. Полный вывод для этого случая можно найти в [2]. Из результатов можно было бы узнать, что в вертикальной скважине предпочтительно перфорируют параллельно минимальному горизонтальному напряжению, для того, чтобы получить самую большую критическую просадку, в то время как в горизонтальной скважине, предпочтительно, чтобы перфорировать в вертикальном направлении, при условии, что .

Поля напряжения вокруг перфорационных отверстий могут быть нарушены многими факторами. Такие факторы следует учитывать при перфорации скважины для добычи. Начало разрушения происходит на стенке ствола скважины (рис. 1). Затем оно удлиняется (рис. 2).

Рис. 1. Начало разрушения

Рис. 2. Разрушение через некоторое время

После того, как порода разрушена, зерна необходимо транспортировать с помощью гидростатических сил протекающей жидкости.

Разрушение при растяжении также может привести к выносу песка. Разрушение при растяжении происходит тогда, когда градиент порового давления больше, чем градиент радиального напряжения на стенке полости [2].

На основе моделирования было обнаружено, что при растяжении в основном происходит разрушение в небольших отверстиях перфорации. Разрушение при сдвиге всегда будет предшествовать разрушению при растяжении в большом отверстии, но в небольших полостях с большой прочностью на сдвиг разрушение при растяжении будет происходить первым, даже если оно просто предшествует разрушению при сдвиге.

То же самое происходит во время запуска скважины, когда давление в скважине снижается, и градиент порового давления на стенке полости в течение короткого времени будет намного больше градиента радиального напряжения, и может произойти растяжение. Даже тогда разрушение при растяжении предшествует разрушению при сдвиге.

Теперь у нас есть два процесса, которые описывают вынос песка: разрушение при сдвиге и разрушение при растяжении. Зона, находящаяся между двумя линиями, описывающими эти процессы дает градиент давления для добычи без песка. Графически такие отношения могут иметь следующую форму (рисунок 3).

Рис. 3. Условия выноса

Выводы

На этапе эксплуатации проводится уточнение геологической модели и анализируется оптимальный способ разработки, в частности количество скважин и их расстановка. Рассматривается необходимость применения методов повышения нефтеотдачи.

Литература:

1. Bybee, K., The role of the annular gap in expandable-sand-screen completions. Journal of petroleum technology, 2004. 56(05): p. 44–46.
2. Calderon, A., J.V. de Magalhaes, and A. L. Martins, Gravel Pack Placement Limits in Extended Horizontal Offshore Wells. SPE Drilling & Completion, 2006. 21(03): p. 193–199.
3. Van den Hoek, P., et al., A new concept of sand production prediction: theory and laboratory experiments. SPE Drilling & Completion, 2000. 15(04): p. 261–273.