Лабораторная работа № 11

Тема: «Гидравлический расчет промывки песчаной пробки»

1. Основные теоретические положения

При эксплуатации пластов, сложенных рыхлыми, слабо сцементированными породами (особенно песками), происходит разрушение призабойной зоны. В этом случае жидкость и газ при движении по пласту увлекают в скважину некоторое (в ряде случаев весьма значительное) количество песка. Если скорость жидкости недостаточна для подъема песчинок, то они постепенно осаждаются на забое, скапливаются, образуя столб песка (пробку), частично или полностью перекрывающий фильтр скважины, прекращая доступ жидкости из пласта. Иногда мощность песчаной пробки достигает нескольких десятков и даже сотен метров. Для возобновления нормальной эксплуатации скважины необходимо очистить забой от скопившегося песка.

Ликвидацию песчаных пробок производят очисткой скважины с помощью желонки (поршневой или автоматической), продувки воздухом или промывкой (прямой или обратной) водой, нефтью, буровым раствором (рис. 1).

Рис. 1. Схема прямой (а) и обратной (б) промывок скважин:

1 – колонна; 2 – НКТ; 3 – устьевой тройник; 4 – промывочный вертлюг; 5 – промывочный

насосный агрегат; 6 – устьевой сальник; 7 – переводник со шлангом

При прямом методе промывки нижний конец НКТ снабжается специальными насадками, посредством которых создается высоконапорная струя, интенсифицирующая процесс размыва пробки. Этот метод промывки используется, главным образом, для размыва плотных пробок.

Жидкость прокачивают насосом через промывочную линию, гибкий шланг, вертлюг в трубы. Восходящий поток жидкости вместе с размытой породой поднимается по межтрубному пространству и выливается в специальный резервуар, в котором жидкость отстаивается. Освобожденная от песка жидкость поступает в приемную емкость насоса.

По мере размыва пробки трубы доспускают пока вертлюг не дойдет до устья, после чего промывку продолжают до выноса песка из затрубного пространства на поверхность. Убедившись, что в затрубном пространстве песка нет, прекращают закачку жидкости, проводят наращивание новой трубы и продолжают промывку пробки.

Серьезным недостатком прямой промывки, снижающим ее эффективность, является то, что скорость восходящего потока в кольцевом пространстве между НКТ и эксплуатационной колонной существенно ниже скорости жидкости в трубах, вследствие чего размытый песок медленно поднимается на поверхность. Прекращение закачки жидкости в центральные трубы вследствие непредвиденных обстоятельств – порыв водовода, выход из строя насоса, может привести к образованию песчаной пробки в кольцевом пространстве и прихвату НКТ.

При обратной промывке скорость восходящего потока существенно выше, чем при прямой, а поэтому условия для выноса размытого песка более благоприятные. Для обратной промывки устье скважины оборудуют сальником, который состоит из корпуса, изготавливаемого из металлического патрубка с приваренным отводом для присоединения выкидной линии промывочного агрегата. Внутри корпуса приварен корпус для заклинивания резинового уплотнителя. На верхнюю часть корпуса навинчена гайка с ручками для зажатия резинового уплотнителя. В нижней части корпуса имеется фланец для соединения сальника с фланцем колонны или крестовика.

Сальник для обратной промывки скважин действует подобно самоуплотняющемуся поршню. Давление промывочной жидкости расширяет резиновое уплотнение и тем самым герметизирует затрубное пространство.

Обратная промывка (ее иногда называют скоростной) отличается от прямой тем, что наращивание труб можно проводить, не прекращая закачки жидкости в кольцевое пространство, чем исключается оседание песка и забивание НКТ пробкой. Такая технология промывки допустима, когда в процессе подготовки скважины к ремонту приняты меры по предупреждению разлива выходящей из скважины жидкости по прилегающему к скважине почвенному покрову. Это условие вытекает из требования обеспечения экологической безопасности среды при проведении ремонтных работ.

Недостатком прямой и обратной промывок, является то, что по мере размыва песчаной пробки происходят утяжеление промывочного раствора и увеличение забойного давления, что может привести (в процессе промывки фильтровой зоны скважины) к поглощению жидкости пластом, ухудшению его фильтрационных характеристик и уменьшению продуктивности.

Для предупреждения отрицательного воздействия промывочной жидкости на продуктивность скважины прибегают к очистке скважин от пробок аэрированными жидкостями или пенами.

Эти способы промывки скважин имеют следующие преимущества: исключается или значительно ослабляется влияние поглощения промывочной жидкости на продуктивные характеристики пласта; ускоряется ввод скважины в эксплуатацию после завершения промывки скважины от песчаной пробки.

На рис. 2 показана схема оборудования скважины при промывке аэрированной жидкостью с добавкой ПАВ.

Рис.2. Оборудование скважины при промывке ее аэрированной жидкостью

с добавкой ПАВ:

1 – обратный клапан; 2 – манифольд; 3 – устьевой сальник; 4 – НКТ; 5 – шланг; 6 – вентили;

7 – манифольд; 8 – манометр; 9 – смеситель-аэратор; 10 – обратные клапаны; 11 – вентиль;

12 –расходомер; 13 – насос; 14 – емкость

В скважину спускают НКТ 4, башмак которых устанавливают на 10-15 м выше уровня песчаной пробки. Верхнюю трубу, присоединенную к вертлюгу, оборудуют обратным клапаном 1. Обратные клапаны 10 устанавливают также на линии для подачи воздуха и воды в аэратор 9. Устье скважины герметизируют сальником 3.

Вода с добавкой ПАВ насосом промывочного агрегата 13 нагнетается в аэратор 9, куда одновременно поступает воздух. Выкид аэратора соединяется с промывочным шлангом. Регулирование промывки и контроль за ее осуществлением выполняется с помощью вентиля 11, расходомера 12, манометра 8. Отвод служит для уменьшения давления до атмосферного на линии нагнетания при наращивании труб. Размытая песчаная пробка выносится на поверхность по затрубному пространству и поступает в емкость 14.

Перед началом промывки скважины в емкости 14 или в емкостях агрегатов готовят раствор ПАВ.

ПАВ рекомендуется добавлять в следующих количествах (в % от массы воды): сульфонол – 0,1-0,3; ОП-7 или ОП-10 – 0,05-0,1.

Соотношение воды и воздуха регулируется в зависимости от глубины скважины и пластового давления.

Рекомендуемая степень аэрации определяется следующими приближенными данными:

Пластовое давление, % от гидростатического	60-40	40-25	25-15
Степень аэрации системы воздух-вода, м3/м3	15-20	20-30	30-50

Промывка скважин пенами технологически проводится так же, как и аэрированной жидкостью с добавкой ПАВ.

Очистку скважин с помощью желонки обычно применяют при небольшой мощности пробки в неглубоких, чисто нефтяных (безводных) скважинах, эксплуатирующих залежи с низким пластовым давлением.

2. Гидравлический расчет промывки забойных песчаных пробок

Этот расчет состоит в определении:

1) продолжительности промывки;

2) потерь напора;

3) давления на выкиде промывочного насоса;

4) затрачиваемой мощности.

При промывке скорость восходящего потока жидкости должна быть больше скорости свободного падения наиболее крупных частиц песка в этой жидкости.

Скорость подъема размытого песка, м/с

=98,4-9,5=88,9м/с, (1)

где υ_п – скорость подъема песчинок, м/с;

υ_в – скорость восходящего потока жидкости м/с;

ω – скорость падения наиболее крупных частиц в жидкости, м/с.

Значения υ_в и ω берутся из табл. 3, 5.

Время t, с, необходимое для подъема размытой песчаной пробки на поверхность с глубины Н

=1600/88,9=18с. (2)

Допускаемые глубины промывки определяются в зависимости от величины давления на выкиде промывочного насоса, которое должно быть достаточным для преодоления всех гидравлических сопротивлений, возникающих при прохождении промывочной жидкости в стволе скважины.

Общее гидравлическое сопротивление как при прямой, так и при обратной промывке складывается из следующих величин, м вод. ст.:

=525+362,5+19+12+0,73=919,23м (3)

где h₁ – сопротивление при движении нисходящего потока жидкости;

h₂ – сопротивление при движении восходящего потока жидкости;

h₃ – потери напора для уравновешивания разности удельных весов жидкости в трубах и в затрубном пространстве;

h₄ – потери напора в вертлюге и шланге;

h₅ – потери напора в нагнетательной линии от насоса до шланга.

Все величины сопротивлений даются в метрах водяного столба и определяются по приведенным ниже формулам и табл. 4 и 6.

Прямая промывка водой. 1) Гидравлические сопротивления при движении жидкости внутри промывочных труб, нисходящий поток, м вод. ст. (формула Дарси-Вейсбаха)

=362,6 м, (4)

где λ – коэффициент гидравлических сопротивлений (принимается на основе опытных данных по табл. 1);

Н – глубина скважины, м;

d_B – внутренний диаметр промывочных труб, м;

υ_н – скорость нисходящего потока жидкости в зависимости от расхода ее и диаметра труб (определяется по табл. 2);

g – ускорение силы тяжести, м/сек².

Таблица 1