Гидродинамическое обоснование применения газожидкостных смесей для вскрытия пластов с аномально низкими давлениями

Турицына, Мария Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Гидродинамическое обоснование применения газожидкостных смесей для вскрытия пластов с аномально низкими давлениями
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Гидродинамическое обоснование применения газожидкостных смесей для вскрытия пластов с аномально низкими давлениями"

На правах рукописи 005061847

ТУРИЦЫНА Мария Владимировна

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ВСКРЫТИЯ ПЛАСТОВ С АНОМАЛЬНО НИЗКИМИ ДАВЛЕНИЯМИ

Специальность 25.00.15 - Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

■ит

Санкт-Петербург - 2013

005061847

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреяедении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

Яковлев Андрей Арианович

Официальные оппоненты:

Мураев Юрий Дмитриевич^ доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра начертательной геометрии и инженерной графики, профессор

Тойб Роман Руслановичу кандидат технических наук, ЗАО «Ванкорнефть», управление по организации буровых работ, начальник проектно-экспертного отдела

Ведущая организация - Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть» в г. Перми

Защита состоится 28 июня 2013 года в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. 2123.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 28 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДУ

диссертационного 1Шк5лай Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Анализ современного состояния бурения и заканчивания скважин показывает, что с каждым годом, по мере разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа, наблюдается истощение их запасов, снижение пластовых давлений, что требует применения щадящих технологий вскрытия продуктивного пласта. Кроме того, ведется все более активное освоение месторождений Восточной Сибири, большая часть которых имеет низкие (например, Ярактинское месторождение, ярактинский горизонт, коэффициент аномальности (отношение пластового давления к гидростатическому) КА=0,94; Ду-лисьминское - парфеновский горизонт, КА=0,94) и даже аномально низкие (Среднеботуобинское - Ботуобинский горизонт, КА=0,78; Тас-Юряхское - Восточный блок, КА=0,75, и Западный блок, Ка=0,78; Иреляхское - ботуобинский и улаханский горизонты, Ка=0,79) пластовые давления (АНПД).

Качественное первичное вскрытие таких горизонтов с сохранением начальных фильтрационно-емкостных характеристик призабойной зоны пласта рекомендуется осуществлять путем поддержания системы «скважина - пласт» в равновесии или при минимальной депрессии на пласт, что обеспечивается за счет применения очистных агентов пониженной плотности (вплоть до 400-600 кг/м3), в противном случае некачественные операции по вскрытию продуктивного пласта могут привести к его кольмата-ции и, как следствие, снижению дебита скважины.

Учеными и специалистами, работавшими над проблемой вскрытия пластов с пониженными давлениями, предлагались различные способы решения проблемы: гидродинамическая обработка стенок скважины; вскрытие пласта с применением полимер-эмульсионных растворов (в т.ч. на нефтяной основе) и с продувкой газами; применение газожидкостных смесей. Однако эти разработки не всегда являлись в конечном счете эффективными или были не до конца разработанными.

Применение газожидкостных смесей позволяет повысить качество первичного вскрытия продуктивных пластов за счет улучшения показателей бурения и промывки (рост скорости бурения, улучшение очистки забоя и др.) и сохранения фильтраци-онно-емкостных свойств горизонта путем снижения дифференциального давления на забой, что невозможно при использовании других типов очистных агентов. В связи с этим разработка составов газожидкостных композиций с малой плотностью представляется актуальной задачей.

Значительный вклад в развитие представлений о применении ГЖС, внесли отечественные и зарубежные учёные Булатов А.И., Вулисанов Н.С, Горонович B.C., Горонович С.Н., Горшков Л.К., Гукасов H.A., ИвачевЛ.М., Исаев В.И., Кирсанов А.И., Климов В.Я., Кудряшов Б.Б., Мураев Ю.Д., Слюсарев Н.И., Соловьев В.Н., Яковлев A.A., Яковлев A.M., Brown R.W., Darley Н.С.Н., Gilbert В., Gray G.R., Eckeil J.E., Murray A.S. и др., в том числе при вскрытии продуктивных горизонтов Амиян A.B., Амиян В.А., Ангелопуло O.K., Бондаренко В.В., Леонов Е.Г., Медведовский Р.И., Перейма A.A. и др.

Тема диссертации соответствует тематике направлений исследований по Нефтегазовому факультету Горного университета и паспорту научной специальности 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин» в следующей области исследований: «Физико-химические процессы в горных породах, буровых и цементных растворах с целью разработки научных основ обоснования и оптимизации рецептур технологических жидкостей, химических реагентов и материалов для строительства скважин» и «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений».

Цель работы. Повышение эффективности первичного вскрытия продуктивных пластов в условиях аномально низких пластовых давлений.

Идея работы. Сохранение фильтрационно-емкостных свойств пластов с АНПД за счет применения составов газожидкостных смесей на основе инертных газов, разработки их рецептур и технологических схем, обеспечивающих поддержание заданных забойных давлений (допустимая депрессия) и качественную очистку ствола скважины.

Задачи исследования:

1. Анализ современного состояния теории и практики первичного вскрытия продуктивных пластов с АНПД с применением водных и облегченных буровых растворов.

2. Оценка факторов, влияющих на вскрытие продуктивного пласта, и регламентация свойств поверхностно-активных веществ (ПАВ), разработка составов и параметров ГЖС с использованием инертных газов для первичного вскрытия продуктивных пластов с АНПД для конкретных геолого-технических условий.

3. Экспериментальные стендовые исследования вскрытия продуктивных пластов в термобарических условиях, аналогичных скважинным, для обоснования применения предлагаемых ПАВ, их рецептур и составов ГЖС с учетом характеристик пласта и оценки их эффективности.

4. Установление аналитических и эмпирических зависимостей, характеризующих гидродинамические и гидростатические условия вскрытия продуктивных пластов с АНПД при использовании ГЖС.

5. Опытно-производственная проверка разработанных рекомендаций и оценка их экономической эффективности.

Методика исследования. Анализ состояния вопроса по первичному вскрытию пластов с АНПД: оценка факторов, влияющих на их вскрытие; применяемые технологии, технические средства, буровые растворы и их рецептуры; изучение буровой практики; анализ существующих ПАВ и их композиций. Лабораторные и стендовые экспериментальные исследования предлагаемых композиций ПАВ и составов ГЖС в термобарических условиях, аналогичным скважинным. Комплекс экспериментальных и аналитических исследований с использованием как стан-

дартных, так и специально разработанных методик проведения экспериментов, статистическая обработка результатов с использованием современного программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимостей изменения технологических характеристик ГЖС от содержания ПАВ, структурообразующих и стабилизирующих добавок, а также создании математической модели гидродинамической промывки скважины, позволяющей рассчитать параметры очистного агента для поддержания минимально допускаемой депрессии на пласт при первичном вскрытии продуктивного горизонта с сохранением его фильтрационно-емкостных характеристик.

Защищаемые научные положения:

1. Применение газожидкостных смесей, получаемых аэрацией инертным газом водных растворов анионактивных ПАВ лау-рилсульфата натрия (0,05-0,1%) и ЛАБС натрия (0,05-0,1%) с добавлением высокомолекулярного полимера ПАА РР 107 (0,050,1%) и карбоксиметил крахмала КМК-БУР-2 (1-3%), обеспечивает сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивных горизонтов с АНПД при их первичном вскрытии за счет снижения дифференциального давления на забое скважины до уровня рекомендуемой депрессии на пласт.

2. Разработанная гидродинамическая модель промывки скважины газожидкостными смесями позволяет определить условия поддержания минимально допустимой депрессии на пласт при его первичном вскрытии с сохранением фильтрационно-емкостных характеристик.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами лабораторных исследований (±2-5%), воспроизводимостью полученных данных.

Практическая значимость заключается в разработке рецептур газожидкостных смесей и технологических операций, обеспечивающих вскрытие продуктивных пластов с аномально низкими давлениями за счет снижения дифференциального дав-

ления на забой применительно к конкретным геолого-техническим условиям при соблюдении требований по охране окружающей среды.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на III и IV Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, Пермский государственный технический университет, 2010, 2011), ежегодном Международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2012), V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» (Пермь, Пермский национально-исследовательский политехнический университет, 2012), на XII и XIII Международных молодежных научных конференциях «Севергеоэкотех» (Ухта, Ухтинский государственный технический университет, 2011, 2012), V Международной научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях» (Украина, Донецк, Донецкий национальный технический университет, 2011), 9-й и 10-й Международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, Воркутинский горный институт (филиал Горного университета), 2011, 2012), XVI Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» (Москва, 2013).

Реализация результатов работы. Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-13 годы (по лоту «Поддержка научных исследований, проводимых целевыми аспирантами в области технических наук») № 14.132.21.1820 «Обоснование и разработка составов буровых растворов для повышения эффективности разрушения твердых горных пород на забое скважины и вскрытия продуктивных пластов в условиях пониженных давлений»;

- стипендиальной программы Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, на 2012-14 годы по теме «Обоснование и разработка составов буровых растворов для повышения эффективности вскрытия продуктивных пластов в условиях пониженных давлений».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работы, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 118 наименований. Материал диссертации изложен на 142 страницах, включает 23 таблицы, 34 рисунка, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, задачи, идея работы, излагаются защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен анализ эксплуатационных характеристик нефтяных и газовых месторождений. Выявлено, что от 25 до 44,5% фонда залежей провинций приурочено к зонам с аномально низкими пластовыми давлениями. Анализ фильтраци-онно-емкостных свойств (ФЕС) и условий залегания месторождений показывает, что в большинстве случаев (около 60%) начальный коэффициент аномальности выражается величиной порядка 0,95-0,99 и лишь в редких случаях (около 6 %) этот коэффициент составляет 0,79 или менее.

Оценены группы факторов, влияющих на качество вскрытия пластов. Рассмотрены существующие технологии первичного вскрытия продуктивных пластов, которые основаны на контроле и регулировании дифференциальных давлений в условиях гидродинамической связи скважины и вскрываемых пластов.

Проанализированы составы буровых растворов, применяемых для промывки скважин, в том числе при первичном вскрытии нефтегазовых горизонтов с аномально низкими пластовыми давлениями. Оценено влияние параметров буровых растворов на ФЕС пласта, на основе чего сделан вывод, что одним из наиболее перспективных является применение газожидкостных смесей, поскольку вскрытие продуктивных пластов при их использовании характеризуется улучшением показателей бурения и промывки, максимальным сохранением фильтрационно-емкостных свойств продуктивного горизонта. Сформулированы задачи исследований.

Во второй главе изложена методика аналитических и экспериментальных исследований. Приводятся методы изучения процессов, протекающих в продуктивных пластах. Рассмотрены реологические и фильтрационные характеристики буровых растворов, которые необходимо учитывать при вскрытии продуктивных пластов.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований свойств поверхностно-активных веществ и их комплексов, технологических параметров газожидкостных промывочных смесей на основе различных реагентов.

В лабораторных условиях проведены исследования 24-х составов газожидкостных смесей. В качестве базовых компонентов растворов выбраны следующие реагенты: лаурилсульфат натрия 0,05% + линейный алкил бензол сульфат (ЛАБС) натрия 0,05% (в качестве вспенивателя и собирателя), глицерин 1% (регулятор вязкости), каустическая сода 0,5% (реагент для смягчения воды), калий уксуснокислый плавленый 0,05% (бактерицид), кремнийорганическая жидкость ГКЖ-11 0,5% (гидрофобизи-рующая добавка). Варьировались состав и концентрация стабилизирующих и структурообразующих компонентов.

С точки зрения кинетики разрушения, стабильности, скорости выделения, пенообразующей способности, ряд растворов (таблица 1) удовлетворяют требованиям, предъявляемым к газожидкостным смесям, используемым для промывки скважин (об-

ладают высокой стабильностью, при этом в течение 30 мин отстоя выделяют от 60 до 90% пенообразующей жидкости, что позволяет при небольшой дообработке необходимым количеством реагентов вновь получать стабильные ГЖС).

Таблица 1 - Параметры газожидкостных смесей, полученных в лабораторных условиях_______

№ образцов растворов Состав и концентрация стабилизирующих и структурообразующих компонентов Минимально достигаемая плотность ГЖС, кг/мЗ Кратность начальная Коэффициент разрушения пены ■ - Газосодержание Устойчивость, с/см3 Скорость выделения 50% воды, см3/с

7 ПАА РР-107 0,05% + КМК-БУР-2 1% 276 6,37 0,74 0,73 8,14 0,12

8 ПАА РР-107 0,05% + К.К. Робус 0,05% 252 7,03 0,76 0,75 8,66 0,12

9 К.К. Робус 0,02% 192 9,6 0,66 0,81 4,42 0,23

11 ПАА РгаеБЫ 0,05% + КМК-БУР-2 1% 250 7,17 0,79 0,76 11,14 0,09

14 К.К. Робус 0,05% + КМК-БУР-2 1% 207 8,87 0,75 0,8 10,12 0,1

16 ПАА РгаезЮ1 0,02% 194 9,43 0,69 0,81 5,14 0,19

19 К.К. Робус 0,05% 196 9,43 0,64 0,81 5,14 0,19

21 КМК-БУР-2 2% 237 7,6 0,8 0,77 15,86 0,06

22 КМЦ 0,5% 202 9,1 0,76 0,8 8,5 0,12

23 КМЦ 1% 226 8,05 0,85 0,78 7,2 0,14

Экспериментальные данные и результаты их обработки (таблица 2) показывают, что реологическое поведение газожидкостных смесей в диапазоне скоростей сдвига от 100 до 600 с"1 подчиняется модели Оствальда - де Ваале со степенью определенности ст = 0,96...1,00 и описывается уравнением г = Ку", где т- напряжение сдвига, Па; у - скорость деформации; К- пока-

затель консистентности, Па-с; п - показатель нелинейности, безразмерная величина.

Таблица 2 - Реологические характеристики газожидкостных сме-

сей

№ образцов растворов Вязкость при 100 с"1, мПа*с Вязкость при 600 с"1, мПа*с Напряжение сдвига при 100 с1, Па Напряжение сдвига при 600 с1, Па СНС, Па Показатель текучести п Коэффициент консистенции к, Па*с(1/П)

7 123,10 56,58 12,86 34,12 22,95 0,470 1,51

8 134,70 53,96 14,11 32,54 62,55 0,394 2,34

9 72,59 32,65 7,48 19,69 74,25 0,554 0,57

11 165,20 68,51 17,33 41,35 74,25 0,461 2,04

13 366,70 132,30 38,75 79,94 49,50 0,400 5,99

14 148,60 53,94 15,54 32,56 91,35 0,463 1,74

16 151,90 52,10 15,92 31,44 83,70 0,420 2,16

19 113,90 42,62 11,84 25,62 56,25 0,427 1,34

21 251,40 90,06 26,45 54,41 26,10 0,444 3,24

22 197,90 69,18 20,77 41,78 29,70 0,441 2,56

23 250,40 90,13 26,39 54,44 59,85 0,432 3,43

Проведенные исследования показали, что применение предлагаемых стабилизаторов и структурообразователей позволяет получить стабильные газожидкостные смеси, оптимальные для условий АНПД. Разработанный состав, включающий в себя в качестве структурообразующей и стабилизирующей добавки ПАА БР 107 (0,05%) + КМК-БУР-2 (1%), можно считать наиболее целесообразным, с точки зрения технологической (характеризуется оптимальными параметрами для поддержания заданных забойных условий и очистки скважины от шлама) и экономической (снижение стоимости применяемых структурообразующих добавок для приготовления 1 м3 раствора и сохранение технологических показателей при последующих циклах циркуляции) эффективности.

Четвертая глава посвящена разработке гидродинамической модели промывки скважины газожидкостными смесями при первичном вскрытии пластов с АНПД, а также оценке её адекватности реальным условиям на основе стендовых испытаний фильтрационных свойств образцов горной породы.

При этом модифицирована и усовершенствована математическая модель гидродинамического расчета промывки скважин газожидкостными смесями в. ОкроЫп и С. 1коки, которая позволяет определять допустимую депрессию на пласт, забойную плотность газожидкостной смеси, расход газа и жидкости, реологические и теплофизические свойства газожидкостных смесей в забойных условиях.

Предложено осуществлять подобный расчет, исходя из условия поддержания необходимого забойного давления и обеспечения выноса горной породы с забоя скважины: Р-Опах^, , о.оп-а'м.^Ч-А-г , (1)

1 Я ' °Ю7н1обс ,1 „ , „„„„ „2 3--и.ш«)

где площадь кольцевого пространства в необсаженном

стволе скважины, м2; g- ускорение свободного падения, м/с2;

средний диаметр частиц шлама, м; рт— пластовое давление, Па;

р— плотность шлама, кг/м3; — плотность газа в нормальных

условиях, кг/м3; ратм - атмосферное давление, Па; рпож- плотность

пенообразующей жидкости, кг/м3; £>пож- расход пенообразующей

жидкости, м3/с; р- расчетное газосодержание для обеспечения

необходимого забойного давления:

Р.,-0,5-АЯ, (2)

'ГЖС

где ар- допустимая депрессия на стенки скважины при бурении, Па; Нскв глубина скважины, м, ргжг - гидростатическое давление газожидкостной смеси.

Для приближенного гидродинамического прогнозирования процесса при проведении стендовых исследований с целью получения более точной характеристики потока использовано

критериальное уравнение подобия. На гидродинамику процесса промывки скважины газожидкостной смесью в большей степени влияет газосодержание, зависящее от расходов фаз, что можно учесть при введении приближенного критерия Фруда (Рг ). За основу принято уравнение:

Гг_(&+Опож)2 г (3)

где дг- расход газа, м3/с; о- диаметр скважины на забое, м; г-площадь сечения канала потока, м2.

При расчете объёмного газосодержания по модифицированной модели разница между пластовым давлением и половиной допустимого значения депрессии на пласт будет являться искомым забойным давлением Рзаб = Рт - 0,5 • АР. Вводя безразмерный эквивалент давления

£ _ Рщб _ _Лай__ Рщб! Нет ? (4)

Ргст 3 ' Рпож ' Нсш Я ' Рпож получим р = \-кР. Поскольку 0 =Р_

' Опож 5 ТО ^ (1— кР ) • QПoж •

г 1 -Р ТР

Тогда модифицированный для наших условий критерий Фруда получим в виде зависимости:

(1 — кг)~ Qпoж 2

к +УпОЖ> П2

КР__ х-ПОЖ (5)

В таблице 3 представлены расчетные данные для проведения серии экспериментальных исследований на стенде.

В ходе стендовых исследований, в соответствии с предложенной методикой, было установлено, что при поддержании расчетных значений расходов фаз обеспечивается качественное вскрытие продуктивного горизонта с сохранением фильтрационных характеристик пласта. Расходы газа и жидкости, превышающие расчетные на 10-15%, могут привести к проникновению смеси в пласт, что может повлечь за собой кольматацию призабой-ной зоны и последующее снижение проницаемости пласта. Приведенные в таблице 4 данные показывают удовлетворительное

совпадение расчетных значений давлений по рассматриваемой методике с экспериментальными данными.

Таблица 3 - Расчет параметров расхода фаз для проведения стендовых исследований через безразмерный коэффициент подобия

Параметры Условия исследования

Пласт Стенд Пласт Стенд Пласт Стенд

Глубина скважины, м 1850 1950 1995

Пластовое давление, МПа 16,9 14,4 17,7

Газ для аэрации азот

Коэффициент Фру да, 10 1,162 9,647 1,182

Расход жидкости, см /с 24000 9,94 18000 7,45 25000 10,35

Расход газа, см3/с 4080 1,69 7587 3,14 3358 1,39

Газ для аэрации воздух

Коэффициент Фру да, -103 1,187 1,007 1,202

Расход жидкости, см /с 24000 9,94 18000 7,45 25000 10,35

Расход газа, см3/с 4394 1,82 8142 3,37 3599 1,49

Таблица 4 - Сравнение опытных с расчетными по разработанной методике значений давления нагнетания (по условной скважине)

Пластовые условия Газ для аэрации Давление на забое, МПа Относительная ошибка, %

Глубина скважины, м Давление, МПа опытное расчетное

1850 16,9 воздух 15,789 16,331 3,43

азот 15,984 16,474 3,07

1950 14,4 воздух 12,922 13,54 4,78

азот 13,245 13,837 4,47

1995 17,7 воздух 16,594 17,014 2,53

азот 16,976 17,197 1,30

Относительная ошибка обусловлена неучтенными потерями давления в циркуляционной системе скважины, которые можно устранить путем введения соответствующих поправок в алгоритм расчета. Однако при бурении скважин на забойное давление будет оказывать влияние и увеличение диаметра ствола, отличное от запроектированного, что не представляется возможным учесть, поскольку в каждой последующей скважине этот по-

правочный коэффициент может отличаться от данных предыдущих кавернограмм.

По результатам исследований можно сделать вывод, что разработанная модифицированная гидродинамическая модель промывки скважины газожидкостными смесями позволяет определить расходы фаз, обеспечивающие потребное давления нагнетания и давление на забое с учетом допустимой депрессии на пласт при первичном вскрытии пластов с аномально низкими давлениями с точностью, достаточной для инженерных расчетов (до 10%). В качестве газовой составляющей может быть использован воздух, азот, гелий, углекислый газ, выхлопные газы и т.д.

Увеличение плотности жидкой фазы на 10% для обеспечения поддержания расчетной плотности газожидкостной смеси требует повышения газосодержания в смеси на 54,4-55,0% за счет увеличения расхода газа на 40,1-57,5% и снижения расхода жидкости на 7,5-16,8%, при этом качественная очистка ствола скважины от выбуренной породы будет обеспечиваться при более низких скоростях (на 9,6-18,7%) восходящего потока на забое.

При высоких значениях коэффициента аномальности (0,95) на месторождениях с аномально низкими пластовыми давлениями для выполнения условий обеспечения выноса шлама и поддержания забойного давления с учетом депрессии на пласт рекомендуется применение газожидкостных смесей большей плотности (на 19,7-21,1% по сравнению с месторождениями, где Кд=0,8), т.е. с меньшим газосодержанием (на 59,4-59,8%). При этом расход жидкой фазы необходимо увеличивать на 20-40% при одновременном снижении расхода газовой составляющей на 54-60,0%, что позволит не превышать значение допустимой депрессии на пласт.

Использование гелия в качестве газа для аэрации раствора на 17-27% (по сравнению с другими исследованными газами) увеличивает потребный расход фаз (за счет его низкой плотности) и, как следствие, требуется развивать большую скорость потока (на 16-26%) для обеспечения выноса шлама из заколонного пространства. Аэрация воздухом влечет за собой большее газосо-

держание (на 6,1-6,8%) в смеси, чем при использовании других исследуемых газов, что приводит к нежелательному загустению (на 2,6%) газожидкостной смеси на забое. Применение азота и углекислого газа позволяет снизить газосодержание и минимально необходимую скорость восходящего потока на забое для обеспечения выноса шлама из кольцевого пространства, поэтому использование этих газов в качестве компонентов ГЖС наиболее целесообразно.

Термический фактор не оказывает существенного влияния на гидродинамические параметры промывки, поскольку рост плотности газа (по закону Бойля-Мариотта) незначительно влияет на гидродинамические, реологические и теплофизические свойства газожидкостной смеси.

В пятой главе дается оценка экологической безопасности и экономической эффективности применения разработанной газожидкостной смеси.

С учетом технологии и экологии бурения скважин можно рекомендовать ПАВ, обладающие наиболее высокой пенообра-зующей способностью с минимальными показателями по ПДК: бинарная смесь ЛАБС натрия (0,05%) и лаурилсульфата натрия (0,05%).

Использование выхлопных газов имеет ряд недостатков с точки зрения защиты окружающей среды и влияния на живые организмы; применение воздуха также нежелательно, поскольку может привести к возникновению взрывоопасных смесей в случае газопроявлений или при выделении из нефти попутного газа. Наиболее безопасным с точки зрения экологии является применение углекислого газа или азота.

Для дегазации отработанных газожидкостных промывочных смесей при бурении скважин в условиях аномально низких пластовых давлений предложена технологическая схема оборудования циркуляционной системы закрытого типа (рисунок 1), включающая в свой состав устройства механической дегазации раствора.

I1'* ."^ ч..'

ГНС

Рисунок 1 - Замкнутая циркуляционная система закрытого типа для бурения скважин с применением газожидкостных промывочных смесей: 1 -эжектор, 2 - газовый сепаратор, 3 - шламоуловитель, 4 - вибросита, 5 -вакуумный дегазатор, 6 - циклон, 7 - съемный контейнер для сбора разрушенной породы, 8 - фильтр, 9 - насос для забора раствора

В предлагаемой схеме реализуется принцип сохранения окружающей среды за счет того, что применяется наиболее безопасный, с точки зрения экологии, механический способ разрушения газожидкостных смесей - эжекторный отвод пены из скважины, совмещенный с циклоном для принудительного отделения газовой фазы от твердожидкой смеси.

Для определения экономической эффективности применения предложенных рецептур и составов газожидкостных смесей произведен расчёт стоимости 1 м3 пенообразующего раствора. Для расчета приняты средние значения рыночной стоимости реагентов. Стоимость подобных пенообразующих растворов на 34-71% выше разработанного состава на основе полимера ПАА РР-107.

Для оценки экономической эффективности газожидкостной смеси на примере первичного вскрытия продуктивного горизонта Мироновской площади с коэффициентом аномальности 0,9 на глубину 1995 м скв. № 3 был проведён расчёт стоимости газожидкостной смеси на основе различных газов с учетом разработанных рекомендаций по расчету потребного расхода фаз. Объём очистного агента для вскрытия продуктивной залежи для расчетной скважины - 134,86 м3. Стоимость ГЖС для первичного

вскрытия продуктивных горизонтов представлена в таблице 5.

Таблица 5 - Стоимость ГЖС для первичного вскрытия продуктивных горизонтов с АНПД при использовании различных газов для их аэрации___

Характеристики ГЖС Газ для аэрации раствора

Азот Гелий Углекислый газ

Стоимость 1 м3 газа, руб. 15 000 100 000 10 250

Расчетное газосодержание 0,145 0,146 0,145

Потребный объём газа, м3 19,55 19,69 19,55

Потребный объём раствора, м 115,31 115,17 115,31

Стоимость расчетного объёма ГЖС, руб. 536 845 2 212 196 443 960

Разработанный состав раствора для приготовления газожидкостной смеси для промывки скважины с экономической точки зрения наиболее целесообразно аэрировать азотом или углекислым газом, так как экономия по сравнению с гелием составляет в 4,12 и 4,98 раз соответственно.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Месторождения с аномально низкими пластовыми давлениями широко распространены на многих месторождениях, например для Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции 44,5% от фонда месторождений имеют аномально низкие пластовые давления. АНПД преимущественно встречаются в породах-песчаниках (61%), из них 69% месторождений относятся к высокопродуктивным коллекторам, большая часть которых (34%) по глубинам залегания приурочены к глубинам 1500-2000 м.

2. Наиболее эффективным и щадящим способом является вскрытие продуктивных пластов при равновесии или поддержании минимально допустимой депрессии, что может быть обеспечено использованием газожидкостных промывочных смесей, поскольку они обладают уникальной способностью изменять в широком диапазоне плотность за счет различной степени аэрации.

3. Разработанная гидродинамическая модель промывки скважины с применением газожидкостных смесей на основе инертных газов позволяет определять расходы фаз, обеспечивающие потребное давление нагнетания и давление на забое с учетом допустимой депрессии на пласт при первичном вскрытии пластов с аномально низкими давлениями с погрешностью, достаточной для инженерных расчетов (от 1,3 до 4,8 %).

4. Оптимальными показателями, с точки зрения пенообразо-вания, а также по результатам расчета экономической эффективности и экологической безопасности, обладает состав, включающий в себя смесь анионактивных поверхностно-активных веществ лаурилсульфата натрия (0,05%) и ЛАБС натрия (0,05%), а в качестве структурообразующей и стабилизирующей добавки ПАА FP-107 (0,05%) + КМК-БУР-2 (1%), поскольку обеспечивает получение эффективных газожидкостных промывочных смесей с оптимальными технологическими, экологическими и экономическими характеристиками для конкретных горно-геологических условий.

5. Оценка технико-экономических показателей и опытно-производственных результатов свидетельствует об эффективности разработанных составов газожидкостных промывочных смесей. При сравнении с аналогичными пенообразующими растворами стоимость 1м3 раствора ниже на 34-71%, а при применении углекислого газа для приготовления ГЖС на примере бурения эксплуатационной скважины глубиной 1995 м расчётный экономический эффект по сравнению с использованием азота и гелия составляет 93 и 1768 тыс. руб. соответственно.

Наиболее значимые печатные работы:

1. Турицына М.В. Обзор результатов исследований растворов поверхностно-активных веществ и газожидкостных смесей на их основе // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2; URL: www.seience-education.ru/102-6065.

2. Яковлев A.A. Исследование свойств газожидкостпых смесей и выбор их рациональных составов для первичного

вскрытия пластов с аномально низкими давлениями /

A.A. Яковлев, М.В. Турицына // Инженер-нефтяник. Научно-технический журнал, 2012. - №2. - С. 27-31.

3. Турицына М.В. Газожидкостные промывочные смеси для заканчивания скважин в условиях аномально низких пластовых давлений / М.В. Турицына, Е.В. Чернобровин,

B.А. Морозов и др. // Нефтяное хозяйство. - 2012. - № 8. -

C.111-113.

4. Турицына М.В. Газожидкостные промывочные смеси для первичного вскрытия пластов в условиях аномально низких пластовых давлений / М.В. Турицына, A.B. Ковалев,

B.А. Морозов и др. // Нефтяное хозяйство. - 2012. - № 9. -

C.58-59.

5. Турицына М.В. Первичное вскрытие пластов с аномально низкими давлениями. Теория и практика современного состояния вопроса // Научное издание «Севергеоэкотех-2011» : Материалы XII международной молодежной научной конференции «Север-геоэкотех-2011», Ухта: УГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 62-65.

6. Яковлев A.A. Оценка перспективности применения газожидкостных смесей на месторождениях с аномально низкими пластовыми давлениями / A.A. Яковлев, М.В. Турицына // Науков1 пращ труды Донецького нащонального техшчного ушверситету. Cepin Прничо-геолопчна. - Донецк: ДВНЗ «Дон-НТУ», 2011. - № 16(206).-С. 37-41.

7. Турицына М.В. Методика проведения экспериментальных исследований очистных агентов для промывки скважин в условиях пониженных давлений / М.В. Турицына, E.JI. Леушева // Научный вестник МГГУ. - 2012. - № 11 (32). - С. 65-71.

8. Яковлев A.A. Экологические особенности растворов поверхностно-активных веществ в буровых газожидкостных смесях / A.A. Яковлев, М.В. Турицына // Экология и развитие общества. -2012.-№3(5).-С. 40-43.

Получено положительное решение от 03.12.2012 на выдачу патента, заявка № 2011145188 от 07.11.2011.

РИЦ Горного университета. 27.05.2013. 3.301. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Турицына, Мария Владимировна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ТУРИЦЫНА Мария Владимировна

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, доцент А.А. Яковлев

Санкт-Петербург - 2013

'/У

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПЕРВИЧНОГО ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ С АНОМАЛЬНО НИЗКИМИ ПЛАСТОВЫМИ ДАВЛЕНИЯМИ.......................10

1.1. Анализ и оценка геологии продуктивных горизонтов...................................10

1.2. Анализ и оценка существующих технологий и технических средств первичного вскрытия продуктивных пластов......................................................21

1.3. Анализ применяемых буровых растворов для первичного вскрытия

продуктивных пластов............................................................................................29

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.........................................................................................41

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................42

2.1. Методы оценки ПАВ и их композиций..........................................................42

лабораторные приборы и материалы.....................................................................42

2.2. Лабораторно-технологические параметры газожидкостной промывочной смеси и принципы их определения........................................................................45

2.3. Методика обработки экспериментальных данных.........................................60

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И РЕГЛАМЕНТАЦИЯ КОМПОЗИЦИЙ ПАВ, СОСТАВОВ И ПАРАМЕТРОВ ГЖС ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПЕРВИЧНОГО ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ......................................................65

3.1. Общие представления......................................................................................65

3.2. Обоснование выбора поверхностно-активных веществ и их комплексов для создания газожидкостных промывочных смесей..................................................68

3.3. Исследования свойств поверхностно-активных веществ и их комплексов в составе ГЖС............................................................................................................78

3.4. Квалиметрия газожидкостных промывочных смесей....................................83

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.........................................................................................92

ГЛАВА 4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОМЫВКИ СКВАЖИНЫ ГАЗОЖИДКОСТНЫМИ СМЕСЯМИ В УСЛОВИЯХ АНОМАЛЬНО НИЗКИХ ПЛАСТОВЫХ ДАВЛЕНИЙ.................................................................93

4.1. Разработка модифицированной математической модели расчета промывки скважин газожидкостными смесями......................................................................93

4.2. Стендовые исследования гидродинамики процесса вскрытия продуктивного горизонта.................................................................................................................95

4.3. Исследование влияния различных факторов на промывку скважины

газожидкостными смесями...................................................................................102

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.......................................................................................110

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ НОВЫХ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ АНОМАЛЬНО НИЗКИХ ПЛАСТОВЫХ ДАВЛЕНИЙ............112

5.1. Экологическая оценка газожидкостных смесей...........................................112

5.2. Экономическая оценка предлагаемых новых газожидкостных смесей для промывки скважин в условиях аномально низких пластовых давлений...........121

5.3. Опытно-производственная оценка эффективности применения

предлагаемых газожидкостных смесей................................................................123

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.......................................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ А..................................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Анализ современного состояния бурения и заканчивания скважин показывает, что с каждым годом, по мере разработки и эксплуатации месторождений нефти и газа, наблюдается истощение их запасов, снижение пластовых давлений, что требует применения щадящих технологий вскрытия продуктивного пласта. Кроме того, ведется все более активное освоение месторождений Восточной Сибири, большая часть которых имеет низкие (например, Ярактинское месторождение, ярактинский горизонт, коэффициент аномальности (отношение пластового давления к гидростатическому) Кд-0,94; Дулисьминское - парфеновский горизонт, Кд=0,94) и даже аномально низкие (Среднеботуобинское - Ботуобинский горизонт, Кд=0,78; Тас-Юряхское - Восточный блок, Кд=0,75, и Западный блок, Кд=0,78; Иреляхское - ботуобинский и улаханский горизонты, Кд=0,79) пластовые давления (АНПД).

применения очистных агентов пониженной плотности (вплоть до 400-600 кг/м ), в противном случае некачественные операции по вскрытию продуктивного пласта могут привести к его кольматации и, как следствие, снижению дебита скважины.

Применение газожидкостных смесей позволяет повысить качество первичного вскрытия продуктивных пластов за счет улучшения показателей бурения и промывки (рост скорости бурения, улучшение очистки забоя и др.) и сохранения фильтрационно-емкостных свойств горизонта путем снижения дифференциального давления на забой, что невозможно при использовании других типов очистных агентов. В связи с этим разработка составов газожидкостных композиций с малой плотностью представляется актуальной задачей.

Значительный вклад в развитие представлений о применении ГЖС, внесли отечественные и зарубежные учёные Булатов А.И., Вулисанов Н.С, Горонович B.C., Горонович С.Н., Горшков Л.К., Гукасов H.A., Ивачев Л.М., Исаев В.И., Кирсанов А.И., Климов В.Я., Кудряшов Б.Б., Мураев Ю.Д., Слюсарев Н.И., Соловьев В.Н., Яковлев A.A., Яковлев A.M., Brown R.W., Darley Н.С.Н., Gilbert В., Gray G.R., Eckeil J.E., Murray A.S. и др., в том числе при вскрытии продуктивных горизонтов Амиян A.B., Амиян В.А., Ангелопуло O.K., Бондаренко В.В., Леонов Е.Г., Медведовский Р.И., Перейма A.A. и др.

Задачи исследования:

5. Опытно-производственная проверка разработанных рекомендаций и оценка их экономической эффективности.

аналогичным скважинным. Комплекс экспериментальных и аналитических исследований с использованием как стандартных, так и специально разработанных методик проведения экспериментов, статистическая обработка результатов с использованием современного программного обеспечения.

Защищаемые научные положения:

1. Применение газожидкостных смесей, получаемых аэрацией инертным газом водных растворов анионактивных ПАВ лаурилсульфата натрия (0,05-0,1%) и ЛАБС натрия (0,05-0,1%) с добавлением высокомолекулярного полимера ПАА БР 107 (0,05-0,1%) и карбоксиметил крахмала КМК-БУР-2 (1-3%), обеспечивает сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивных горизонтов с АНПД при их первичном вскрытии за счет снижения дифференциального давления на забое скважины до уровня рекомендуемой депрессии на пласт.

Практическая значимость заключается в разработке рецептур газожидкостных смесей и технологических операций, обеспечивающих вскрытие

продуктивных пластов с аномально низкими давлениями за счет снижения дифференциального давления на забой применительно к конкретным геолого-техническим условиям при соблюдении требований по охране окружающей среды.

эффективности разрушения твердых горных пород на забое скважины и вскрытия продуктивных пластов в условиях пониженных давлений»;

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПЕРВИЧНОГО ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ С АНОМАЛЬНО НИЗКИМИ ПЛАСТОВЫМИ ДАВЛЕНИЯМИ

1.1. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ГЕОЛОГИИ ПРОДУКТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ

Анализ буровых работ в различных районах мира показывает, что, хотя аномально низкие пластовые давления (АНПД) встречаются реже, чем аномально высокие, тем не менее, АНПД имеют место во многих районах нефтедобычи.

Анализ данных по АНПД [70] в пределах Пермского края, Западной и Восточной Сибири показывает, что в большинстве случаев (порядка 70%) начальный коэффициент аномальности выражается величиной порядка 0,94-0,99 и лишь в редких случаях составляет 0,75 или менее.

Если обратиться к географии распространения такого явления, как аномально низкие пластовые давления, то наиболее часто они встречаются на месторождениях Тимано-Печорской (25,4% от фонда месторождений провинции) и Лено-Тунгусской (25%) нефтегазоносных провинций (НГП). В то же время по абсолютным показателям месторождения с АНПД широко распространены на месторождениях Западно-Сибирской (44,5% от фонда месторождений с АНПД) и Волго-Уральской (34,5%) провинций. Для каждой нефтегазоносной провинции залегание пластов с аномально низкими давлениями приурочено к разным глубинам (рисунок 1.1).

Анализ данных [70] по месторождениям с аномально низкими пластовыми давлениями в пределах Западно-Сибирской, Лено-Тунгусской, Тимано-Печорской и Волго-Уральской провинций (рисунок 1.2) показывает, что в большинстве случаев (порядка 60%) начальный коэффициент аномальности выражается величиной порядка 0,95-0,99 и лишь в редких случаях (в среднем около 6 %) составляет 0,79 или менее. При этом даже для горизонтов с коэффициентом аномальности 0,99 при бурении применение в качестве очистных агентов

растворов на водной основе при бурении невозможно из-за опасности их проникновения в пласт.

60,0%

50,0%

40,0%

30,0%

; 20,0%

о а н

£ 10,0%

к §

0,0%

□ Западно-Сибирская НГП В Лено-Тунгусская НГП

□ Тимано-Печорская НГП И Волго-Уральская НГП (ИЗ Всего