Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование и совершенствование волновой технологии обработки продуктивных пластов при бурении и ремонте скважин

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Исследование и совершенствование волновой технологии обработки продуктивных пластов при бурении и ремонте скважин"

На правах рукописи

Султанов Данир Ризифович

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВОЛНОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ ПРИ БУРЕНИИ И РЕМОНТЕ СКВАЖИН

Специальность: 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

005534591

Москва-2013

005534591

Работа выполнена в лаборатории нелинейной волновой механики в нефтегазовом комплексе Филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. А.А.Благонравова РАН «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН)»

Научный руководитель: Аверьянов Алексей Петрович

доктор технических наук

Официальные оппоненты: Мнацаканов Вадим Александрович

доктор технических наук, Общество с ограниченной ответственностью «Газпром бурение», главный инженер

Иванов Юрий Александрович

кандидат технических наук, Филиал Федерального государственного унитарного предприятия Всероссийского научно-исследовательского

геологического нефтяного института "Апрелевское отделение ВНИГНИ", директор Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Защита состоится 30 октября 2013 года в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 002.059.04 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН по адресу: 119334, г. Москва, ул. Бардина, 4.

Автореферат разослан 30 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Г.Н. Гранова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В России ведущей бюджетообразующей отраслью, которая определяет экономическую независимость и благополучие страны, является нефтегазодобывающая индустрия. Доля продукции нефтегазодобывающего комплекса является самой большой в объеме экспорта.

Известно, что число действующих скважин в России сокращается при возрастающей роли добычи углеводородного сырья в современных кризисных условиях. К тому же, основная часть месторождений перешла в окончательную стадию разработки, характеризующуюся перераспределением давлений в продуктивных пластах, реструктуризацией остаточных запасов, увеличением доли трудноизвлекаемых запасов нефти и т.д., что требует новых подходов к их извлечению. Открываемые новые месторождения нефти и газа зачастую находятся в труднодоступных географических и климатических условиях и, зачастую, с все ухудшающимися фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), от качества и эффективности первичного вскрытия которых в существенной мере зависит дальнейшая эксплуатация скважин и разработка продуктивного пласта в целом.

Поддержание и увеличение достигнутого уровня добычи углеводородов, исходя из опыта строительства и эксплуатации скважин, связано, в первую очередь, с решением трех взаимосвязанных задач - сохранения естественных фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов, создания герметичной, надежной крепи и совершенствования конструкций забоя. Однако, анализ современных технологий в области заканчивания скважин свидетельствует о недостаточном уровне качества вскрытия и разобщения пластов.

Вскрытие продуктивных нефтяных и газовых пластов - один из наиболее ответственных этапов в строительстве скважин. Технологии первичного вскрытия продуктивной толщи, применяемые на практике, во многом совпадают с

технологиями бурения скважин в репрессионном режиме до кровли продуктивных отложений.

Проникновение фильтрата и твердой фазы промывочных и тампонажных растворов в продуктивные пласты существенно ухудшает их фильтрационно-емкостные свойства и, как следствие, значительно снижает потенциальную продуктивность скважин.

Следовательно, основной проблемой повышения качества и эффективности первичного вскрытия продуктивных отложений и заканчивания скважины в целом, особенно для месторождений, перешедших в позднюю и завершающую стадии разработки, является получение герметичного, прочного ствола, исключающего взаимодействие в системе «скважина - пласты» в процессе бурения, цементирования эксплуатационной колонны, вторичного вскрытия продуктивных горизонтов, испытания, освоения и эксплуатации скважины, что актуально и в настоящее время.

Этими проблемами, а также вопросами исследования гидродинамических процессов в ПЗП и сохранения ФЕС занимались многие ученые нефтяники Андреев В.Е., Гилаев Г.Г., Гиматудинов Ш.К., Желтов Ю.П., Зейгман Ю.В., Кошелев А.Т., Крылов А.П., Кудинов В.И., Кузнецов Ю.С., Максимов В.П., Максутов P.A., Минхайров K.J1., Мищенко И.Т., Муслимов Р.Х., Мухин JI.K., Овчинников В.П., Поллард, Д.Томас, Поляков В.Н., Сургучев М.Л., Сучков Б.М., Уметбаев В.Г., Федоров В.Н., Хасанов М.М. и др.

Фильтрационно-емкостные свойства призабойной зоны пласта (ПЗП)

определяются процессами, протекающими в ней, начиная от первичного

вскрытия. В процессе эксплуатации скважин состояние ПЗП постоянно

изменяется не только вследствие протекания природных явлений и процессов, но

также и за счет техногенного влияния. Снижение фильтрационных свойств ПЗП

происходит вследствие внедрения в поровое пространство различных веществ

при бурении, цементировании, вскрытии пласта перфорацией, в процессе

освоения, эксплуатационного периода и при ремонте скважин. Следовательно,

начиная от вскрытия продуктивного пласта бурением и на всех стадиях

4

строительства, освоения и эксплуатации скважин необходимо сохранять или восстанавливать естественную проницаемость ПЗП. От качества вскрытия продуктивных пластов бурением в значительной степени зависит дальнейшая эксплуатация скважин.

Одним из наиболее эффективных средств решения указанных проблем могут стать волновые технологии.

Теоретические исследования, проведенные группой ученых в Научном центре Нелинейной волновой механики и технологии Российской академии наук (НЦ НВМТ РАН), подтвержденные широкомасштабными промысловыми испытаниями, доказали возможность решения указанных проблем с помощью волновых технологий, основанных на эффектах нелинейной волновой механики, открытых в НЦ НВМТ РАН при разработке теории коллективом научной школы под руководством академика Ганиева Р.Ф.

Цель работы: Повышение эффективности строительства и ремонта добывающих и нагнетательных скважин созданием и усовершенствованием технологий, реализующих эффекты разработанной в НЦ НВМТ РАН теории нелинейных колебаний многофазных сред.

Основные задачи исследований

1. Анализ состояния проблемы обработки продуктивных пластов при бурении, ремонте и эксплуатации скважин.

2. Теоретическое обоснование возможности применения волновых технологий при строительстве и эксплуатации скважин.

3. Разработка стенда и методики экспериментальных исследований технологических процессов при бурении, ремонте и эксплуатации скважин.

4. Разработка и усовершенствование технологий сохранения и восстановления фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов, основанных на эффектах теории нелинейной волновой механики.

5. Промысловая оценка разработанных и усовершенствованных технологий.

Научная новизна работы

1. Теоретически обоснованы математические модели процессов фильтрации с кольматацией порового пространства

2. Разработана научно обоснованная гипотеза управления фильтрационными процессами в системе «скважина-продуктивный пласт» волновыми технологиями при вскрытии, освоении и эксплуатации добывающих скважин.

3. Научно обоснованы методики проведения эксперементальных и промысловых исследований управляемой кольматации и декольматации продуктивных пластов в процессах строительства, эксплуатации и ремонта скважин.

4. На основе теоретических исследований увеличения градиента вытеснения поровой жидкости из низкопроницаемого пласта при наложении волнового поля научно-обоснованы режимно-технологические параметры и расчетные схемы гидродинамических генераторов, реализующих волновые технологии, направленные на увеличение текущей и конечной нефтеотдачи пластов месторождений, находящихся на заключительной стадии разработки.

5. Теоретически обоснован способ управляемой кольматации проницаемых пластов генераторами струйно-волнового типа, реализующими эффекты теории нелинейных колебаний.

Практическая ценность проведенных исследований

1. Основные результаты лабораторных исследований и промысловых испытаний доказали целесообразность применения волновых технологий в процессах вскрытия, освоения и эксплуатации продуктивных горизонтов с целью увеличения текущей и конечной нефтеотдачи пластов с трудно извлекаемыми запасами (низкая проницаемость коллектора, высоковязкие нефти, наличие асфальто-смолистых и других отложений).

2. Разработан и усовершенствован комплекс волновых технологий, обеспечивающих строительство скважин, их эксплуатацию и ремонт в запроектированном режиме:

2.1. Усовершенствована технология долговременной изоляции горизонтов для предупреждения осложнений, связанных с поглощениями и проявлениями при строительстве нефтяных и газовых скважин.

2.2. Технология вскрытия продуктивных горизонтов с применением струйно-волнового кольмататора.

2.3. Технология вскрытия скважин после бурения и ремонта с применением разработанного в НЦ НВМТ РАН устройства для очистки продуктивного пласта (положительное решение по заявке на патент № 2011145320/03).

2.4. Технология кислотной обработки карбонатных коллекторов через волновой генератор ГДГВ конструкции НЦ НВМТ РАН.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы и основные положения докладывались в рамках IV Всероссийского конкурса молодых учёных, г.Миасс 2012г., Международной научной конференции "Колебания и волны в механических системах", ИМАШ РАН, Москва 2012г., на ежегодных научных семинарах НЦ НВМТ РАН, 2011-2013гг.

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 11 научных работ, 4 из которых опубликованы в научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 327 наименований и одного приложения на 36 страницах. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста и содержит 37 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы, поставлены цель работы и задачи по реализации цели, научная новизна и практическая значимость исследований.

В первой главе приведен критический анализ технологий обработки продуктивных пластов при бурении, ремонте и эксплуатации скважин.

Большинство исследований склонны к негативному влиянию

существующих репрессивных технологий бурения на фильтрационно-емкостные

свойства(ФЕС) продуктивных горизонтов. К факторам, оказывающим негативное

влияние относятся следующие: набухание гидратирующего цемента породы и

самой породы и, как следствие, уменьшения сечения фильтрационных каналов, а

также отрыв слабосвязанных частиц породы, их миграция и скопление в местах

сужения пор; выщелачивание глин вплоть до отстрела отдельных частиц

литифицированных пород при смачивании и проникновении жидкости в

межпластинчатые пространства; частичная или полная механическая кольматация

пор коллектора твердыми частицами компонентов дисперсных растворов;

кристаллизация минеральных солей в порах пласта в результате термохимических

процессов; кольматация открытого порового пространства нерастворимыми в

пластовых условиях осадками, образующимися при взаимодействии пластовых

вод и фильтратов технологических жидкостей, ввиду различия их ионного состава

и значений рН; кольматация фильтрационных каналов после растворения породы,

загрязняющих твердых частиц, осадков и гелей в результате вторичного

осадкообразования; образование высоковязких и стойких водонефтяных эмульсий

при физико-химических процессах; выпадение в каналах зоны проникновения

охлажденного и разгазированного пласта асфальто-смолистых и парафинистых

отложений из нефти в результате физико-химических и термохимических

процессов; развитие адгенизированных микроорганизмов в форме биопленок и

биообразований в результате бактериологических микропроцессов, что зависит от

термобарических условий; расширение и смыкание пор пласта с уплотнением

загрязняющих агентов из-за изменений давлений в прискважинной зоне пласта

8

при различных технологических операциях в зависимости от степени сжимаемости частиц кольматантов, осадков и конгломератов; нарушение устойчивости коллектора в приствольной зоне, что влечет осыпи и вынос компонентов горной породы вглубь пласта или в скважину при изменении напряженного состояния скелета горной породы, миграции жидкостей и проявления капиллярных сил; повышение прочности структуры (напряжений сдвига) проникшего раствора в покое в порах коллектора; увеличение сопротивлений движению подвижной фазы в пористой среде, заполненной многокомпонентной смесью; изменение фазовых проницаемостей пластовых флюидов и др.

Анализ состояния вскрытия нефтяных и газовых пластов на разведочных и эксплуатационных площадях, исследования, проведенные в этой области в России и за рубежом, позволяют сделать вполне определенный вывод о том, что большинство продуктивных пластов вскрывается со значительными повреждениями продуктивного пласта.

Исходя из накопленного опыта, отечественные и зарубежные специалисты рекомендуют разнообразные мероприятия по предотвращению затрубных газопроявлений и нефтеводоперетоков, однако большинство методов, направлены лишь на устранение факторов некачественного крепления, а не на устранение причины. Не возможно получить герметичное заколонное пространство, при существующей гидравлической связи скважины и пластов, поэтому наиболее эффективной будет комплексная технология предотвращения межколонных проявлений, работающая на предупреждение с созданием гермитичного кольматационного экрана как при подготовке ствола скважины, так и при вскрытии проницаемых пластов.

Далее рассмотрены вопросы изменения фильтрационно-емкостных свойств продуктивных горизонтов в процессе их эксплуатации.

Достоверно установлено, что в процессе разработки месторождений

происходит постепенное ухудшение проницаемости призабойной зоны пласта

добывающих скважин. Фильтрационно-емкостные свойства ПЗП определяются

9

процессами, протекающими в ней, начиная от первичного вскрытия. В процессе эксплуатации скважин состояние ПЗП постоянно изменяется не только вследствие протекания природных явлений и процессов, но также и за счет техногенного влияния. Снижение фильтрационных свойств ПЗП происходит вследствие внедрения в поровое пространство различных веществ при бурении, цементировании, вскрытии пласта перфорацией, в процессе освоения и далее в период эксплуатации и ремонта скважин. Следовательно, начиная от вскрытия продуктивного пласта бурением и на всех стадиях строительства, освоения и эксплуатации скважин необходимо сохранять или восстанавливать естественную проницаемость ПЗП. От качества вскрытия продуктивных пластов бурением в значительной степени зависит дальнейшая эксплуатация скважин.

Следовательно, ПЗП является той переходной областью в системе «скважина-пласт», где сосредоточены основные фильтрационные сопротивления, которые встречаются на пути движения углеводородов к забою. Именно в этой зоне происходят многочисленные негативные процессы загрязнения пористой среды.

Анализ процессов, приводящих к снижению фильтрационно-емкостных свойств ПЗП, показывает, что их можно классифицировать на естественные факторы, снижающие нефтепроницаемость, и факторы искусственного характера.

Для предотвращения потерь производительности скважин в практике нефтегазового дела используются два направления: предупреждение ухудшения фильтрационных характеристик призабойной зоны скважины при бурении, цементировании, эксплуатации и ремонтах; улучшение гидродинамических характеристик или повышение производительности скважины обработкой ПЗП.

Для реализации первого из этих направлений применяют комплекс мероприятий, способов и средств, как правило, снижающих давление на пласт при бурении и креплении скважин или уменьшающих проникновение фильтрата за счет кольматации. С этой же целью используют технологические жидкости и композиционные составы, совместимые с породой пласта и флюидами. Второе направление решается посредством обработки призабойной зоны скважин

10

различными способами. Эти два направления развиваются самостоятельно, но они не исключают друг друга, а наибольший эффект по предупреждению снижения продуктивности достигается при совместном системном решении проблемы. Вместе с тем способы воздействия на призабойную зону не только предупреждают или устраняют причиненный ущерб, но и в большей мере обеспечивают повышение естественных фильтрационных характеристик пластов.

Резюмируя вышеизложенное о физических процессах, протекающих в ПЗП в период первичного и вторичного вскрытия, а также в период вызова притока и освоения скважины, выделены основные факторы, определяющие коэффициенты проницаемости и подвижности в ПЗП

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию применения волновых технологий в процессах строительства скважин, увеличения текущей и конечной нефтеотдачи пластов.

В настоящее время наиболее общие теории нефтегазообразования в

качестве основного генерационного механизма рассматривают процесс

тепломассопереноса из нижних этажей бассейна за счет дефлюидизации

фундамента. В такой модели признаются основными по существу два связанных

между собой процесса: блоковая динамика осадочного чехла и фундамента;

термодинамика флюидных потоков.Названные процессы являются следствием

общей геодинамики Земли и, следовательно, существовали всегда и происходят в

данный момент времени. Какие бы гипотезы не выдвигались, фундаментальным

обстоятельством, по общему мнению, является одно - в основе некоторого

множества процессов, приводящих, в конечном счете, к формированию или

переформированию месторождения нефти или газа, заложен

флюидодинамический режим системы "осадочный чехол - фундамент". Логика

подобных рассуждений построена на убеждении в том, что собственно

флюидодинамический режим осадочного бассейна устанавливается и

поддерживается непрерывным образом за счет реализации трех основных

процессов: последовательное разрушение фундамента и осадочного чехла во всей

истории развития литосферы и ее геодинамического режима и образование среды

11

с дискретной структурой; среда с дискретной структурой теряет прочность и приобретает свойства активной неравновесной системы с блоковой организацией реакции ее стратифицированных интервалов на текущие (современные) изменения параметров геодинамического режима литосферы; гидростатический режим бассейна переходит во флюидодинамический режим, согласованный с текущей блоковой активностью системы "осадочный чехол - фундамент".

Динамический процесс предполагает, прежде всего, деформирование массива горной породы, что влечет и соответствующее деформирование пустотного пространства. В свою очередь, деформирование пустотного пространства вызовет движение флюида в нем и определит характер процесса течения - вытеснение или заполнение.

Результаты конкретных региональных исследований повсеместно отражают блоковое деление литосферы и тесную взаимосвязь эволюции субвертикального перемещения блоков и развития осадочного бассейна. Комплексный анализ геофизических, космических, морфометрических, геохимических и других данных позволяет достаточно уверенно прогнозировать геометрию глобальной и региональной геодинамических схем литосферы.

Предложена рабочая гипотеза динамического воздействия на углеводородонасыщенный пласт, которая позволяет научно обоснованно подойти к технологии воздействия волновой энергией на удалённые застойные зоны с целью вовлечения в разработку находящихся в них нефти и газа. Волновую энергию следует подавать непосредственно в продуктивный пласт скважинными генераторами через открытый забой. Но так как основной фонд скважин в России заканчивают перекрытием обсадной колонной всего продуктивного интервала, его цементированием и последующей перфорацией в необходимых интервалах, то такой, гидродинамически несовершенный по характеру вскрытия фильтр скважины требует определенной оценки гидродинамических процессов, происходящих в этих условиях.

В последнее время в технологиях, направленных на повышение текущей и конечной нефтегазоконденсатоотдачи, все большее внимание уделяется

12

привлечению различного рода физических и энергетических полей для очистки приствольной и призабойной зон добывающих и нагнетательных скважин от различного рода загрязняющих веществ.

В этой связи важным становится теоретическое описание процессов, происходящих при наложении, например, волновых полей на фильтрационные процессы в пористых средах продуктивных пластов.

При исследовании процессов, происходящих в насыщенных жидкостью пористых средах под действием вибрации, наибольшее практическое значение имеют оценка уровня амплитуд установившихся волн и выявление параметров, которые существенным образом влияют на эти амплитуды. Решение таких задач для моделей лризабойных зон скважин дает возможность проводить целенаправленное управление волновыми процессами в пласте с помощью подбора геометрических характеристик призабойной зоны скважины (например, диаметра и длины перфорации), а также параметров вибрационного воздействия (частоты и амплитуды).

Рисунок 1. Зависимости амплитуд поперечных колебаний от частоты

для двух значений длин перфорационных отверстий:

1 -0,1 м; 2-0,2 м.

Рисунок 2. Зависимости резонансных частот для типовых характеристик пористой среды: 1-100 мД; 2-5 мД.

Рассмотрение динамической модели призабойной зоны скважины показало, что амплитуда волн в каждой точке окружающей скважину с перфорацией пористой насыщенной жидкостью среды зависит как от частоты возбуждения, так и от геофизических характеристик среды и геометрических параметров скважины и перфорационного отверстия. На рисунке 1 показаны зависимости амплитуд поперечных относительно оси перфорационного отверстия колебаний на его стенке от частоты для двух значений длин перфорационных отверстий.

Как видно из рисунка зависимость немонотонна. Для каждого случая существует резонансная частота. Расчеты резонансных частот для различных значений геофизических характеристик пористой среды, позволяют построить их зависимости для типовых характеристик, характерных для разных месторождений. Так, например, на рисунке 2 кривая 1 соответствует проницаемости & = 1СГ|3.1/2(или 100 мД), а кривая 2 ¿ = 5-10"|5.1Г(или 5 мД). Аналогичные кривые могут быть построены для любых значений характеристик пластов.

Таким образом, одним из способов эффективного использования колебаний в практике добычи углеводородов является использование резонансных свойств призабойных зон скважин.

Проведенное исследование динамических моделей нефтенасыщенных пористых и трещиноватых сред, окружающих скважину, позволяет в дальнейшем изучить эффекты, проявляющиеся при распространении волн по такого рода средам, и определить характеристики сред и волн, обеспечивающие возбуждение необходимых для повышения нефтеотдачи движений.

В диссертационной работе рассмотрена насыщенная жидкостью пористая среда с двумя характерными размерами пор: первые (межгранулярные) - более мелкие поры, и вторые - крупномасштабные поры. Второй тип, представленный трещинами и кавернами, является результатом механического или химического воздействия. Крупные поры (обычно это трещины) делят среду на блоки, а мелкие

на гранулы (зерна). Объем жидкости, содержащийся в трещинах, может быть значительно меньше объема, находящегося в блоках, или быть сравнимым.

Для изучения динамических волновых процессов в таких средах предложена модель среды с двойной пористостью, учитывающая несовпадение скоростей и давлений в системе пор и трещин и массообмен между порами и трещинами.

В результате исследований на математической модели, показано, что в среде существуют три типа продольных волн и один тип поперечных. При низких частотах два типа продольных волн распространяются с малыми скоростями, это волны фильтрации. Фильтрационные волны затухают значительно сильнее быстрой продольной (деформационной) и поперечной волн. Скорости быстрой продольной и поперечной волн в основном определяются модулями упругости, характеризующими скелет среды. Скорость и затухание более быстрой фильтрационной волны в основном зависит от межфазных вязких сил, тогда как скорость медленной фильтрационной волны зависит в основном от интенсивности масообмена между поровыми системами и ее затухание зависит как от интенсивности масообмена так и от вязких сил между жидкостью и скелетом.

Приведены данные о давлении и эффективных напряжениях и об их изменениях для каждого типа волн, а именно: в быстрой волне скелет и жидкость одновременно сжимаются или растягиваются при равных давлениях в порах и трещинах; в быстрой фильтрационной волне скелет сжимается, а жидкость растягивается или наоборот, давления в порах и трещинах равны; в более медленной фильтрационной волне скелет сжимается, а жидкость в целом растягивается или наоборот, давления в порах и трещинах различны; в поперечной волне давления в жидкости постоянны и равны их равновесному значению, тогда как сдвиговые компоненты эффективных напряжений переменны.

Было показано, что третья продольная волна в среде с двумя размерами пор вызвана разницей скоростей и давлений в порах и трещинах.

15

Приводимые данные будут использованы при определении частотных параметров волновых воздействий на трещиноватую пористую среду, заполненную нефтью, которые обеспечат эффективную очистку призабойных зон.

Был смоделирован процесс волнового воздействия на призабойную зону добывающих скважин.

Для моделирования процесса воздействия на ПЗП добывающих скважин, вскрывающих терригенные пласты Пашийского, Бобриковского горизонтов и Ромашкинского месторождения (Республика Татарстан), были определены переменные факторы процесса.

Коэффициент вариации проницаемости, вариации нефтенасыщенности скважины, расчлененность и другие подобные параметры качественно оценивают геологическую неоднородность пластов и изменчивость их фильтрационно-емкостных параметров. Технологические параметры, такие как пластовое давление, дебит нефти и пластовой жидкости, обводненность продукции и др. характеризуют текущее состояние скважины на момент воздействия технологией.

Входящие параметры составленных матриц для построения геологостатистических моделей были нормированы. Также проведен корреляционный анализ первичного исходного материала, с большим набором параметров. В результате проведенного корреляционного анализа ряд входных параметров был исключен вследствие наличия парной корреляции между параметрами.

Анализируя полученные результаты, отметим, относительно высокую степень достоверности полученных регрессионных уравнений для скважин Пашийского и Бобриковского горизонтов (Я2 более 70%). Между выбранными показателями технологической эффективности обработки и геолого-технологическими факторами существует определенная зависимость.

Согласно полученным уравнениям множественной линейной регрессии для добывающих скважин, вскрывших Кыновско-пашийские и Бобриковские пласты можно отметить следующее.

Наиболее положительное влияние на удельную технологическую эффективность при обработке ПЗП добывающих скважин Кыновско-Пашийского горизонта оказывают (наиболее высокая степень адекватности регрессантов): средневзвешенная по толщине проницаемость пласта, неоднородность нефтенасыщенности по продуктивному разрезу скважины (вариация нефтенасыщенности), коэффициент депрессии режима обработки, объем закаченного реагента. Негативное влияние на показатель эффективности оказывают высокая степень вскрытия продуктивного пласта, высокая расчлененность. Менее эффективны обработки высокодебитных и высокообводненных скважин с выше перечисленными негативно влияющими геологическими параметрами.

На основе обобщения массива геолого-промысловой информации по применению технологии комплексного волнового депрессионно-химического воздействия на ПЗП добывающих и нагнетательных скважинах, проведены исследования с использованием методов многофакторного статистического анализа. Проведено прогнозное моделирование процесса обработки скважин с использованием регрессионного анализа. Результаты исследований, показывают наличие зависимости между выбранными показателями технологической эффективности воздействия на ПЗП добывающих и нагнетательных скважин и геолого-технологическими параметрами процесса воздействия. Полученные уравнения множественной линейной регрессии, позволяют с достаточной надежностью прогнозировать степень эффективности предполагаемого метода воздействия. На основе проведенных исследований определены критерии эффективного применения волновой технологии.

В третьей главе приведены данные по экспериментальным исследованиям волновых процессов в технологиях строительства и эксплуатации скважин.

В последние годы волновые технологии находят всё большее применение в различных технологиях как при бурении, креплении и освоении нефтяных и газовых скважин, а также еще в большей степени для интенсификации притока и

увеличения текущей и конечной нефтеотдачи пластов.

17

В технологиях бурения и освоения скважин наиболее узким все еще остается проблема герметизации ее заколонного пространства с целью недопущении перетоков флюидов.

В этой связи поставлена задача экспериментального исследования этих процессов.

С учетом критерия подобия были обоснованы модель проницаемого участка ствола скважины, тип генератора колебаний, контрольно-измерительные приборы.

В основу разработки модели положены

следующие требования: проницаемость

образцов из искусственного песчаника

должна быть сравнима с проницаемостью

основных коллекторов нефтяных районов

страны, которая обычно составляет несколько

сот миллидарси; канал в образце

искусственного песчаника должен

моделировать кольцевой канал затрубного

пространства скважины по режиму движения

цементного раствора; фильтрационная камера

должна быть сконструирована так, чтобы

обеспечить создание и регулирование

необходимого перепада давления между

"скважиной" и "пластом" при движении

глинистого и цементного растворов, а также

создание давления в ней в процессе твердения

Рисунок 3. Фильтрационная цемента; температурный режим при твердении

камера. образцов цемента должен выдерживаться

1 - корпус; 2 - стакан;

3 - песчаник; 4 - фланцы; постоянным в заданном интервале. 5 - пробка; 6 - цилиндр; 7 - поршень; 8 - шток поршня.

Нами разработана такая модель,

которая состоит из фильтрационной камеры (рисунок 3), искусственного песчаника кольцевого сечения и термостатирующей аппаратуры для поддержания заданной температуры в процессе твердения цемента. Фильтрационная камера состоит из корпуса 1 с присоединительными сланцами. Внутри корпуса имеется перфорированный стакан 2 для размещения в нем искусственного песчаника или керна 3. Герметизация камеры достигается с помощью прокладок прижимными фланцами.

К фланцам 4 на резьбе присоединяются патрубки, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру керна. В фильтрационной камере предусмотрены отверстия для присоединения показывающих и регистрирующих манометров.

Для приготовления искусственного песчаника кольцевого сечения с необходимыми прочностными свойствами и стойкостью к агрессивным средам нами разработана методика его изготовления и специальная пресс-форма.

Проницаемость искусственного песчаника легко регулируется в процессе его изготовления размерами фракции песка. Нами в опытах были использованы искусственные песчаники с проницаемостью от 100 до 500 мД.

Внутренний диаметр канала образца, равный 40 мм, был принят из условия обеспечения динамического подобия потоков буровых промывочных жидкостей и цементного раствора в скважине и на модели.

В НЦ НВМТ РАН собран экспериментальный стенд, на котором были проведены исследования по изучению волнового воздействия на изменение проницаемости пористых пород и разработка методов управления данным процессом. Стенд позволяет моделировать основные процессы воздействия волнового поля на образец породы или искусственного песчаника различными промывочными жидкостями. Принципиальная схема приведена на рисунке 4, где 1 - гидрокомпенсатор, 2 - насосы ЭПН-32 и 9-Т, 3 - полая колонна, имитирующая ствол скважины, внутрь которой на НКТ спущен гидродинамический генератор волн, 4 - места крепления высокочувствительных и малоинерционных датчиков давления, 5 - кернодержатель с моделью керна или с настоящим керном,

19

позволяющий исследовать процессы фильтрации при волновом воздействии и распространение волн в керне, 6 - шкаф с контрольно измерительной и управляющей аппаратурой, 7 электродвигатели и редукторы, 8 - приемная емкость.

Рисунок 4. Принципиальная схема установки Если учесть, что проницаемость продуктивных горизонтов основных нефтяных районов колеблется в пределах от 0,02 до 2,0 мкм2, то необходимо было иметь образцы или модели пород, имеющих проницаемость в таких же пределах, ибо моделирование проницаемости пласта вызывает гораздо большие трудности, нежели изготовление пористой среды с натуральной проницаемостью.

В процессе бурения со стороны скважины на пласт создается некоторый перепад давления, складывающийся из суммы гидродинамического и гидростатического давлений. Как правило, величина репрессии поддерживаются в пределах 1,0-5,0 МПа. Модель проницаемого участка ствола скважины должна обеспечивать создание таких перепадов давления между «скважиной» и

«пластом» и, кроме того, иметь возможность создания и снятия послойных характеристик кольматационного экрана. Вследствие этого, наиболее приемлемыми являются керны цилиндрической формы. Размеры керна выбраны в соответствии с размерами кернодержателя установки.

На экспериментальном стенде проведены работы по снятию спектральных характеристик волновых генераторов при разных скоростях истечения жидкости через них и сравнены с расчетными. Это позволило выбрать режим обработок при проведении испытаний гидродинамических генераторов волн в реальных скважинах.

Четвертая глава посвящена разработке технических средств и отработке технологий их применения на реальных скважинах при проведении промысловых испытаний.

Усовершенствована технология очистки призабойной зоны малопроницаемых слоисто-неоднородных пластов добывающих и нагнетательных скважин с применением гидродинамического генератора волн (ГДГВ).

Областью применения технологии являются скважины, эксплуатирующие месторождения (залежи), представленные слоисто-неоднородными пластами с минимальным значением проницаемости отдельных пропластков КтШ = 0,01 Д. Скважины, планируемые под обработку ГДГВ, должны иметь герметичное цементное кольцо и обсадную колонну. В добывающих скважинах водоносный горизонт должен быть отделен непроницаемыми пропластками толщиной, по крайней мере, 2-3 м. Обводненность продукции не должна превышать 95%. Под обработку планируются добывающие скважины, снизившие свою производительность в результате засорения ПЗП, либо скважины с закольматированными пропластками после бурения, а также нагнетательные скважины снизившие свою приемистость в процессе закачки. Обработка ПЗП в добывающих скважинах производится прокачкой через ГДГВ нефти (либо 0,20,5% водного раствора неонола), в нагнетательных — прокачкой воды.

На рисунке 5 приведена схема обвязки наземного оборудования при обработке без перемещения ГДГВ. Обработка ПЗП добывающих и

21

нагнетательных скважин производится ГДГВ, тип которого определяется в зависимости от величины проницаемости обрабатываемого пласта, от глубины диапазона перфорации и от используемого насосного агрегата. При глубине установки ГДГВ 2000-2500 м давление нагнетания жидкости на устье скважины должно быть в пределах 16,5-18,5 МПа при расходе около 250-300 л/мин.

Принцип работы ГДГВ основан на создании мощных волн давления с заданной амплитудой и частотой за счет колебаний кавитационой каверны во внутренней камере ГДГВ.

Частота колебаний ГДГВ определяется формулой:

Л 4

р,о < + Зи> Р„ + Рф + РёН -рЛ—

Рисунок 5. Схема обвязки наземного оборудования при обработке без перемещения ГДГВ: 1-волновой генератор; 2-продуктивный пласт; 3-подвеска НКТ; 4-насосные агрегаты; 5-обратный клапан; 6-технологическая емкость; 7-желобная система; 8-автоцистерна для завоза-вывоза технологической жидкости.

где: О - частота колебаний; р - плотность жидкости; гк - радиус кавитационной каверны; к - длина кавитационной каверны; Рго давление растворенного в жидкости газа; Р„ - давление насыщенных паров жидкости; и - показатель политропы; g - ускорение свободного падения; Н - глубина установки ГДГВ; Я - коэффициент гидропотерь в ГДГВ; V - скорость жидкости во входных отверстиях ГДГВ. Основная частота колебаний изменяется от 5 до 25 кГц, амплитуда колебаний изменяется от 0,01 до 0,15 МПа.

О положительных результатах применения данной технологии

свидетельствуют результаты промышленных испытаний с целью интенсификации кислотной обработки на добывающих скважинах Лозолюкско-Зуринского месторождения расположенного в Удмуртской Республике. На скважинах №№ 390, 1044, 1045, 1064, 1252 средний прирост добычи составил 0,7 т/сут, при продолжительности эффекта 94 сут. Волновое воздействие на нагнетательных скважинах №№ 627, 628, 630, 1070, 1170 также дало положительный результат и приемистость выросла в среднем по скважинам в два раза.

Волновое воздействие на нагнетательных скважинах №№ 76, 218 Абино-Украинского месторождения, расположенного в Краснодарском крае, также дало положительный результат и приемистость выросла в среднем по скважинам в 2,16 раза.

Разработана технология освоения скважин и очистки призабойной зоны пласта с применением вибрационно-вакуумного очистителя (положительное решение по заявке на патент № 2011145320/03), которая осуществляется путем создания в зоне продуктивного пласта нелинейных волновых колебаний в резонансном режиме с собственными колебаниями пласта, обсадной колонны и заполняющей жидкости. Устройство совмещает в себе две основных функции. Создание волновых процессов осуществляется генератором, а вызов притока из пласта происходит вследствие создания снижения давления в центральной части закрученных до больших скоростей потоков жидкости, прошедших через генератор в области выхода их в расширяющуюся часть генератора и входа их в окна для движения по межтрубному пространству на поверхность.

На рисунке 6 приведен общий вид устройства. Работа устройства заключается в следующем. Жидкость с поверхности насосами подводится к устройству по трубе 1, входит в цилиндрическую часть устройства по касательной через входной канал 4, закручивается и через окна выбрасывается в область пониженных давлений, соединяющих устройство с поверхностью.

Создавшееся в центральной части закрученных потоков разряжение через трубку 10 соединяется с областью пласта, расположенную ниже устройства, что вызывает приток жидкости из пласта. Чтобы уменьшить поступление жидкости из

23

затрубья, над устройством предусмотрены специальные прямоугольные резиновые манжеты 7, вставленные в канавки, соединенные сверлениями с полостью выхода потока в затрубное пространство, т.е. с полостью повышенного давления. Этим давлением манжеты частично выдвигаются из каналов, прижимаются к обсадной трубе и герметизируют полость повышенного давления над устройством от полости пониженного давления - под устройством. Размер канала и соответственно манжет должны быть такими, чтобы не произошло их полного выдавливания. Приемная труба 10 крепится к нижней части устройства и фиксируется контргайкой 9.

В связи с тем, что диаметр устройства всего на 2-3 мм меньше внутреннего

диаметра обсадной колонны, желательно перед спуском устройства в скважину ее прошаблонировать шаблоном соответствующего размера и подготовить ствол (колонну) спуском райбера или бокового фрезера, что только улучшит конечный результат проведения очистки призабойной зоны пласта.

Использование устройства позволяет в процессе обработки обеспечить 6. Вибрационно-вакуумный быструю и полную

Рисунок

очиститель зоны продуктивного пласта 1-насосно-компрессорные трубы; 2- наголовник генератора; 3-генератор колебаний; 4-входной веществ, создает условия клапан; 5-канал напорный привода манжеты; 6-выкидные окна; 7-манжета резиновая; 8-башмак генератора; 9-контргайка; 10-труба приемная.

транспортировку загрязняющих

снижения давления в призабойной зоне пласта, что

позволит включить пласт в работу.

Дополнительный эффект достигается при совмещении, например, кислотных обработок с наложением волнового поля при закачивании кислоты в карбонатный коллектор и в процессе реакции кислоты, а также отвода продуктов реакции из продуктивного пласта.

Проведенные испытания в скважинах №№ 16059, 16314, 13079, 1107, 4787 Шегурчинской площади (Республика Татарстан) подтвердили наши выводы об эффективности усовершенствованных и разработанных технологий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате критического анализа состояния проблемы сохранения естественных фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов при их первичном вскрытии, ремонте и эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин констатируется тот факт, что при большом разнообразии технологий обработки призабойных зон все большую популярность завоевывают технологии на волновых принципах. Особую роль волновые технологии приобретают при обработке удаленных и застойных зон.

2. Принимая во внимание наиболее популярную флюидодинамическую модель дефлюидизации фундамента предложена научно-обоснованная гипотеза воздействия волновой энергии на удаленные и застойные зоны продуктивных пластов с целью включения их в разработку.

3. Теоретически, на математических моделях, разработанных для изучения процессов, происходящих в насыщенных жидкостью пористых средах под действием вибраций, показано, что амплитуда волн в каждой точке, окружающей скважину зависит как от частоты возбуждающего сигнала, так и от геофизических характеристик среды и геометрических параметров скважины и перфорационных отверстий. Показано, что одним из способов эффективного использования нелинейных волновых явлений в процессе добычи углеводородов является использование резонансных режимов обработки призабойных зон скважин.

4. Для трещино-пористых карбонатных коллекторов предложена модель

среды с двойной пористостью, учитывающая несовпадения скоростей волн и

25

амплитуд давлений в системе пор и трещин и массообмен между порами и трещинами. Показано, что в такой среде существуют три типа продольных волн и один тип поперечных, которые распространяются с различными скоростями. Определены относительные скорости их затухания, описан механизм массообмена между поровыми системами (трещина-пора), что позволяет теоретически обосновать параметры волновых воздействий для обеспечения эффективной обработки призабойных зон.

5. Проведен корреляционный анализ основных переменных факторов, влияющих на оценку технологий обработки призабойной зоны. Выявлено, что волновые процессы, налогаемые на другие технологии (кислотные и другие обработки) положительно влияют на их качество и, особенно, на продолжительность эффекта. В связи с этим предложена технология комплексного волнового депрессионно-химического воздействия на ПЗП добывающих и нагнетательных скважин. Полученные уравнения множественной регрессии позволяют с достаточной надежностью прогнозировать эффективность предложенной технологии.

6. Разработан и смонтирован экспериментальный стенд для снятия характеристик волновых генераторов в условиях приближенных к скважинным. Разработана методика экспериментальных исследований процессов, изменяющих фильтрационно-емкостные свойства естественных и искусственных образцов проницаемой среды при бурении, эксплуатации и ремонте добывающих и нагнетательных скважин, с целью уменьшения их отрицательного влияния.

7. Усовершенствована технология очистки призабойной зоны малопроницаемых слоисто-неоднородных пластов добывающих и нагнетательных скважин с применением гидродинамического генератора волн (ГДГВ) в части совмещения химической обработки карбонатных коллекторов с наложением волнового поля и эжектированием на поверхность продуктов реакции. Проведены промысловые испытания на скважинах №№ 16059, 16314, 13079, 1107, 4787 Шегурчинской площади (Республика Татарстан) доказывающие эффективность предложенной технологии.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Технологии строительства специальных скважин для складирования жидких отходов многотоннажных производств // Султанов Д.Р. и др. Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №4. С. 52-66. URL: http://www.ogbus.ru/authors/KuznetsovYuS/KuznetsovYuS_l.pdf

2. Технология установки водоизолирующих экранов при первичном вскрытии многопластовой залежи // Аверьянов А.П., Султанов Д.Р. и др. Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №4. С. 41-51. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Averyanov/Averyanov_l.pdf

3. Усовершенствование технологий, обеспечивающих герметизацию заколонного пространства скважин специального назначения // Артамонов В.Ю., Султанов Д.Р. и др. Научно-технический журнал "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море". 2012. №11. С. 48-50.

4. Исследование потоков буровой промывочной жидкости в призабойной зоне бурящейся скважины// Артамонов В.Ю., Султанов Д.Р., Макарова И.И. и др. Журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море» № 1/2013.

5. Султанов Д.Р. Управляемая волновая кольматация как способ упрочнения стенок скважины // Колебания и волны в механических системах: Материалы международной научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева — М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2012. С. 50

6. В.Ю. Артамонов, Ю.С. Кузнецов, Д.Р. Султанов. Разработка новых методов кольматации и упрочнения призабойной зоны пластов-коллекторов // Колебания и волны в механических системах: Материалы международной научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2012. С. 49.

7. В.Ю. Артамонов, В.Н. Игнатьев, И.И. Макарова, Д.Р. Султанов.

Управляемая волновая кольматация как способ упрочнения стенок скважины //

Колебания и волны в механических системах: Материалы международной

27

научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2012. С. 50.

8. В.В. Маслов, В.Н. Сонин, Д.Р. Султанов, И.И. Макарова. Технология очистки призабойной зоны продуктивного пласта с применением волновой технологии // Колебания и волны в механических системах: Материалы международной научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2012. С. 52.

9. Усовершенствование конструкции наддолотного устройства с целью повышения технико-экономических показателей при бурении // Скворцов Ю.П., Султанов Д.Р. и др.. Колебания и волны в механических системах: Материалы международной научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2012. С. 53.

10. Струйно-волновой кольмататор и материал «Кварц» в технологиях повышения нефтеотдачи // Ганиев O.P., Султанов Д.Р. и др. Колебания и волны в механических системах: Материалы международной научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований», 2012. С. 54.

11.В.Ю. Артамонов, A.C. Васильев, Д.Р. Султанов. Технология «щадящей» кольматации в процессе углубления забоя // Колебания и волны в механических системах: Материалы международной научной конференции / Под ред. акад. Р.Ф. Ганиева - М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований»,

2012. С. 55.

Соискатель

Д.Р. Султанов

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Султанов, Данир Ризифович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. А.А.Благонравова Российской академии наук «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН»

(НЦ НВМТ РАН)

На правах рукописи

04201453689

СУЛТАНОВ ДАНИР РИЗИФОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВОЛНОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ ПРИ БУРЕНИИ И РЕМОНТЕ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Аверьянов А.П.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................4

1 Анализ состояния проблемы обработки продуктивных пластов при бурении, ремонте и эксплуатации скважин................................................13

2 Теоретическое обоснование применения волновых технологий

в процессах увеличения текущей и конечной нефтеотдачи пластов...............38

2.1 Геодинамические процессы в осадочном чехле, обобщенная флюидодинамическая модель пористой нефтенасыщенной среды.................38

2.2 Теоретические аспекты применения волновых технологий в процессах нефтедобычи........................................................................................44

2.2.1 Разработка рабочей гипотезы динамического воздействия на нефтенасыщенный пласт......................................................................................44

2.2.2 Распространение волн и резонансы в зонах перфорации скважин...................................................................................................................47

2.2.3 Течение вязкой сжимаемой жидкости по бесконечно длинному деформируемому капилляру..............................................................52

2.2.4 Анализ моделей нефтенасыщенных пористых и трещиноватых сред...............................................................................................56

2.2.5 Статистическое моделирование процесса воздействия на призабойную зону добывающих скважин..........................................................74

3 Экспериментальные исследования волновых процессов в технологиях строительства и эксплуатации скважин.......................................102

3.1 Выбор методов исследования и обоснование параметров экспериментальной установки.............................................................................102

3.1.1 Обоснование и разработка модели проницаемого участка ствола скважины....................................................................................................102

3.1.2 Выбор технических средств для акустического воздействия

на призабойную зону скважины..........................................................................106

3.2 Экспериментальная установка и методика проведения исследований.........................................................................................................107

4 Разработка технологических средств для обработки пластов и промысловые испытания......................................................................................111

4.1 Разработка устройства для кольматации проницаемых пластов....................................................................................................................111

4.2 Устройство и технология применения струйно-волнового кольмататора..........................................................................................................114

4.3 Усовершенствование технологии очистки призабойной зоны малопроницаемых слоисто-неоднородных пластов добывающих и нагнетательных скважин......................................................................................116

4.4 Технология волновой и соляно-кислотной обработки карбонатных коллекторов....................................................................................119

4.5 Разработка устройства для освоения и очистки ПЗП после бурения и ремонта скважины...............................................................................121

Основные выводы и рекомендации.........................................................128

Список литературы...................................................................................130

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

В России ведущей бюджетообразующей отраслью, которая определяет экономическую независимость и благополучие страны, является нефтегазодобывающая индустрия. Доля продукции нефтегазодобывающего комплекса является самой большой в объеме экспорта.

Известно, что число действующих скважин в России сокращается, слабыми темпами возрождается бурение разведочных скважин при возрастающей роли добычи углеводородного сырья в современных кризисных условиях. К тому же, основная часть месторождений перешла в окончательную стадию разработки, характеризующуюся перераспределением давлений в продуктивных пластах, реструктуризацией остаточных запасов, увеличением доли трудноизвлекаемых запасов нефти и т.д., что требует новых подходов к их извлечению. Открываемые новые месторождения нефти и газа зачастую находятся в труднодоступных географических и климатических условиях и, зачастую, с все ухудшающимися фильтрационно-емкостными свойствами, от качества и эффективности первичного вскрытия которых в существенной мере зависит дальнейшая эксплуатация скважин и разработка продуктивного пласта в целом.

Поддержание и увеличение достигнутого уровня добычи углеводородов, исходя из опыта строительства и эксплуатации скважин, связано, в первую очередь, с решением трех взаимосвязанных задач - сохранения естественных фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов, создания герметичной, надежной крепи и совершенствования конструкций забоя. Однако, анализ современных технологий в области заканчивания скважин свидетельствует о недостаточном уровне качества вскрытия и разобщения пластов.

Вскрытие продуктивных нефтяных и газовых пластов - один из наиболее ответственных этапов в строительстве скважин. Технологии первичного вскрытия продуктивной толщи, применяемые на практике, во многом совпадают с технологиями бурения скважин в репрессионном режиме до кровли продуктивных отложений [139, 252, 255, 280]. Из-за превалирующего влияния на

коллекторские свойства пластов репрессий и связанных с ними нестационарных процессов гидродинамического взаимодействия с проницаемыми пластами качество первичного вскрытия продуктивной толщи остается не высоким, даже несмотря на большое количество применяемых на практике технологий и соответствующих типов промывочных жидкостей. При этом процессы взаимодействия промывочной и пластовой жидкости, а также проницаемой среды становятся неуправляемыми [252, 255].

Проникновение фильтрата и твердой фазы промывочных и тампонажных растворов в продуктивные пласты существенно ухудшает их фильтрационно-емкостные свойства и, как следствие, значительно снижает потенциальную продуктивность скважин.

Тип бурового раствора, его состав и свойства оказывают значительное влияние на степень ухудшения коллекторских свойств в призабойной зоне пласта (ПЗП).

Определенные успехи, достигнутые к настоящему времени в решении проблемы качественного вскрытия продуктивных пластов и, в частности, благодаря все более широкому применению разнообразных рецептур полимерных буровых растворов, все же не снижают актуальность этой проблемы. С одной стороны это связано с тем, что геолого-технические условия вскрытия год от года становятся сложнее: растет объем бурения в условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД) на истощенных месторождениях; усложняется гидродинамический режим эксплуатации многопластовых месторождений, разрабатываемых с применением различных способов заводнения; все большее внимание уделяется освоению месторождений со сложными геологическими условиями залегания продуктивных пластов, а также пластов с низкими коллекторскими свойствами, считавшихся ранее малоперспективными. С другой стороны, обращает на себя внимание недостаточная изученность процесса фильтрации многокомпонентных систем, какими являются буровые растворы, в пласт-коллектор и сопровождающих этот процесс явлений: образование

фильтрационной корки, кольматация порового пространства и формирование зоны проникновения фильтрата.

Кроме того, отсутствие достаточно обоснованных критериев качества бурового раствора с точки зрения формирования тонкого и малопроницаемого фильтрационного экрана, состоящего из зоны кольматации в ПЗП и фильтрационной корки на стенке скважины, на наш взгляд значительно снижает ценность многочисленных рекомендаций и регламентов по приготовлению и обработке буровых растворов для вскрытия продуктивных пластов.

Следовательно, основной проблемой повышения качества и эффективности первичного вскрытия продуктивных отложений и заканчивания скважины в целом, особенно для месторождений, перешедших в позднюю и завершающую стадии разработки, является получение герметичного, прочного ствола, исключающего взаимодействие в системе «скважина - пласты» в процессе бурения, цементирования эксплуатационной колонны, вторичного вскрытия продуктивных горизонтов, испытания, освоения и эксплуатации скважины [181, 251, 252, 255]. Поэтому задача создания долговременной герметичной крепи является одной из ключевых задач сохранения потенциальной продуктивности скважин и эффективной разработки нефтегазовых месторождений, охраны недр и окружающей среды [103, 128, 168, 250]. Однако, анализ осложнений при строительства и эксплуатации скважин показывает, что долговременное разобщение пластов, цементированием обсадной колонны на расчетную высоту в нормальных и, тем более, аномальных геолого-промысловых условиях является технологически сложной и до настоящего времени полностью не решенной проблемой [128, 147, 168, 255, 308]. Наибольшее количество осложнений связано с недоподъемом тампонажного раствора на расчетную высоту (25-39%), оставлением в обсадной колонне цементного стакана (5-11%), негерметичностью обсадных колонн (6-15%), обводнением при освоении и заколонными перетоками (8-21%), флюидопроявлениями (3-5%), разрывом сплошности цемента при частичных поглощениях и применении технологий встречного, ступенчатого и

обратного цементирования (12-20%), неоднородностью по плотности цементного камня при наличии в продуктивной толще разнонапорных пластов (60-80%).

Дифференциация пластовых давлений по разрезу и площади месторождений, являются главными факторами снижения эффективности разобщения пластов при креплении скважин. Даже небольшие по величине перепады давления между пластами (1,5-3,0 МПа) при толщине изолирующих перемычек 6-10 м в период ОЗЦ после цементирования эксплуатационной колонны приводят к перетоку пластовой жидкости и формированию в заколонном пространстве каналов фильтрации, а также к изменению свойств тампонажного раствора-камня [252]. Как следствие, возникают межпластовые перетоки, приток воды к фильтру добывающих скважин, снижение коррозионной стойкости обсадных труб и т.д.

Физико-химические свойства применяемых портландцементов так же влияют отрицательно на формирование герметичной крепи [123, 154, 250]. Высокая и не контролируемая водоотдача цементных растворов, проявление седиментационных, контракционных и усадочных эффектов, а также эффекта «зависания» и снижения гидростатического давления в процессе перехода тампонажного раствора в камень в период гидратации (ОЗЦ), не обеспечивают технически необходимой герметичности крепи [128, 168, 255].

При перфорационных работах так же наносится большой ущерб герметичности крепи [147, 217]. Широкое применение кумулятивных перфораторов, как правило, приводит к деформации и частичному разрушению обсадных труб в интервале фильтра, а также цементного кольца на расстоянии до десятков метров. При действии на крепь высоких гидромеханических нагрузок сохранить монолитность неоднородного по прочности цементного кольца за обсадной колонной и герметичность его контактов с элементами крепи невозможно. Поэтому уже во время заканчивания скважин в заколонном пространстве формируются каналы фильтрации пластовых флюидов, которые при освоении скважин подвергаются интенсивному дренированию с образованием гидравлических каналов межпластовых перетоков [128, 168,187, 252].

Большинство разработок по повышению герметичности крепи скважин направлены на борьбу с последствиями природного и техногенного характера (снижение водоотдачи тампонажных растворов, создание безусадочного или расширяющегося цемента и т. д.). Но, как показывает практика, эффективность подобных разработок не высока и носит временный характер, а что еще более важно - применение этих разработок не приводит к устранению самой причины -гидравлической связи комплекса вскрытых бурением проницаемых флюидонасыщенных пластов [139, 168, 177, 194, 195, 196, 249, 255, 280, 281, 306]. Следствиями этой причины являются нарушения технологических процессов спуска и цементирования эксплуатационных колонн, ухудшения коллекторских свойств продуктивных пластов, герметичности разобщения пластов, снижение долговечности крепи и т. д.

Как следует из сказанного, проблема сохранения фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов при первичном и вторичном вскрытиях и герметизация заколонного пространства эксплуатационных скважин не потеряла своей актуальности и в настоящее время.

Этими проблемами, а также вопросами исследования гидродинамических процессов в ПЗП и сохранения ФЕС занимались многие ученые нефтяники: Андреев В.Е., Гилаев Г.Г., Гиматудинов Ш.К., Желтов Ю.П., Зейгман Ю.В., Кошелев А.Т., Крылов А.П., Кудинов В.И., Кузнецов Ю.С., Максимов В.П., Максутов P.A., Минхайров К.Л., Мищенко И.Т., Муслимов Р.Х., Мухин JI.K., Овчинников В.П., Поллард, Д.Томас, Поляков В.Н., Сургучев М.Л., Сучков Б.М., Уметбаев В.Г., Федоров В.Н., Хасанов М.М. и др.

Фильтрационно-емкостные свойства (ФЕС) призабойной зоны пласта (ПЗП) определяются процессами, протекающими в ней, начиная от первичного вскрытия. В процессе эксплуатации скважин состояние ПЗП постоянно изменяется не только вследствие протекания природных явлений и процессов, но также и за счет техногенного влияния. Снижение фильтрационных свойств ПЗП происходит вследствие внедрения в поровое пространство различных веществ при бурении, цементировании, вскрытии пласта перфорацией, в процессе

освоения, эксплуатационного периода и при ремонте скважин. Следовательно, начиная от вскрытия продуктивного пласта бурением и на всех стадиях строительства, освоения и эксплуатации скважин необходимо сохранять или восстанавливать естественную проницаемость ПЗП. От качества вскрытия продуктивных пластов бурением в значительной степени зависит дальнейшая эксплуатация скважин.

Таким образом, ПЗП является той переходной областью в системе «скважина - пласт», где сосредоточены основные фильтрационные сопротивления, которые встречаются на пути движения углеводородов к забою. Именно в этой зоне происходят многочисленные негативные процессы загрязнения пористой среды.

Достижение полного сохранения естественной фильтрационной характеристики пласта в процессе его вскрытия бурением при помощи современного типового оборудования и традиционных технологических жидкостей практически не осуществимо. Можно лишь стремитья к обеспечению минимального отрицательного влияния на ПЗП.

Отрицательные воздействия фильтрата в пласте могут привести к образованию устойчивых водонефтяных эмульсий, которые в ряде случаев приводят к значительному снижению проницаемости ПЗП. При контакте фильтрата с пластовыми жидкостями в результате химических реакций могут образоваться нерастворимые осадки солей, которые приводят к частичному или полному перекрытию поровых каналов ПЗП.

Одним из наиболее эффективных средств решения указанных проблем могут стать волновые технологии.

Теоретические исследования, проведенные группой ученых в Научном центре Нелинейной волновой механики и технологии Российской академии наук (НЦ НВМТ РАН), подтвержденные широкомасштабными промысловыми испытаниями, доказали возможность решения указанных проблем с помощью волновых технологий, основанных на эффектах нелинейной волновой механики,

открытых в НЦ НВМТ РАН при разработке теории коллективом научной школы под руководством академика Ганиева Р.Ф.

Цель работы: Повышение эффективности строительства и ремонта добывающих и нагнетательных скважин созданием и усовершенствованием технологий, реализующих эффекты разработанной в НЦ НВМТ РАН теории нелинейных колебаний многофазных сред.

Основные задачи исследований

1. Анализ состояния проблемы обработки продуктивных пластов при бурении, ремонте и эксплуатации скважин.

2. Теоретическое обоснование возможности применения волновых технологий при строительстве и эксплуатации скважин.

3. Разработка стенда и методики экспериментальных исследований управления физико-механическими характеристиками ствола скважины при бурении, ремонте и эксплуатации скважин.

4. Проведение экспериментальных исследований и обработки результатов.

5. Разработка и усовершенствование технологий сохранения и восстановления фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов, основанных на эффектах теории нелинейной волновой механики.

6. Промысловая оценка разработанных и усовершенствованных технологий.

Н