Глава 4

КОНСТРУКЦИИ ЗАБОЕВ СКВАЖИН

В настоящее время в России и за рубежом основным направ­ лением работ в области заканчивания скважин является обеспе­ чение условий эффективного вскрытия продуктивного пласта в целях сохранения его коллекторских свойств. Вместе с этим важным направлением считается разработка конструкций забо­ ев скважин, позволяющих эксплуатировать их в условиях, ос­ ложненных неустойчивостью коллектора, коррозионной сре­ дой, аномальными давлениями и температурами и т.д.

Эти два направления взаимно связаны и преследуют одну общую цель - обеспечение оптимальных условий извлечения флюида из продуктивного пласта.

Разработаны и эксплуатируются различные конструкции забоев для осложненных и неосложненных условий. Наиболее распространенная из них - конструкция забоя с зацементиро­ ванной эксплуатационной колонной, перфорируемой в интерва­ ле продуктивного пласта. Простота технологии ее создания привела к тому, что практически повсеместно она является ос­ новой проектирования конструкции всей скважины.

В зарубежной практике эта простая конструкция усложня­ ется использованием температурных компенсаторов, пакеров и т.д.

Однако, как показала практика, такая конструкция не мо­ жет удовлетворять возросшим требованиям интенсивного из­ влечения флюида из продуктивного пласта в условиях многооб­ разия геологических условий и используемых технических средств для добычи нефти и газа, особенно в случае горизон­ тального бурения. К тому же традиционные методы обеспече­ ния гидродинамической связи скважины с пластом при пулевой и кумулятивной перфорации нарушают целостность цементного кольца за колонной часто на значительном расстоянии от интер­ вала перфорации, что обусловливает некачественное разобще­ ние продуктивных пластов. Поэтому используются такие кон-

Создание рациональной конструкции забоя скважин преду­ сматривает сочетание элементов крепи скважины в интервале продуктивного пласта, обеспечивающих устойчивость ствола, разобщение пластов, проведение технико-технологических воздействий на пласт, ремонтно-изоляционные и геофизичес­ кие работы, а также длительную эксплуатацию скважин при оптимальном дебите. Иными словами, в понятие конструкции забоя скважины входит набор технико-технологических реше­ ний по оборудованию забоя и призабойной зоны скважин, обес­ печивающих связь с пластом, при которых скважина будет ра­ ботать с оптимальным (или максимальным) дебитом, а ПЗП, не разрушаясь (или при минимальном разрушении), позволяла бы работать длительное время без ремонта.

Определяющие факторы по выбору конструкции забоя и ее параметров - тип и степень однородности продуктивного плас­ та, его проницаемость, устойчивость пород ПЗП, а также нали­ чие или отсутствие близко расположенных по отношению к коллектору горизонтов с высоким или низким давлением водо­ нефтяного контакта или газовой шапки.

По геологическим условиям залегания нефтегазовой зале­ жи, типу коллектора и свойствам пород продуктивного пласта выделяют четыре основных вида объектов эксплуатации:

1)коллектор однородный, прочный, норового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа; близко рас­ положенные напорные водоносные (газоносные) горизонты и подошвенные воды отсутствуют;

2)коллектор однородный, прочный, норового, трещинного, трещинно-порового или порово-трещинного типа; у кровли пла­ ста имеется газовая шапка или близко расположенные напор­ ные объекты;

3)коллектор неоднородный, норового, трещинного, тре­ щинно-порового или порово-трещинного типа, характеризую­ щийся чередованием устойчивых и неустойчивых пород, водо-

игазосодержащих пропластков с различными пластовыми дав­ лениями;

4)коллектор слабосцементированный, поровый, высокой

пористости и проницаемости, с нормальным или низким плас­ товым давлением; при его эксплуатации происходит разруше­ ние пласта с выносом песка.

Для пояснения следует отметить, что однородным считается пласт, литологически однотипный по всей толщине, который имеет примерно одинаковые фильтрационные показатели и пластовые давления в пропластках, насыщен газом, нефтью или водой. Пределы изменения коэффициента проницаемости к

для однородного пласта не должны выходить за границы одного из следующих шести классов:

&, мкм2....... > 1 ,0 0,5 -1,0 0,1 -0,5 0,05-0,1 0,01-0,05 0,001-0,01

Если пласт расчленен пропластками с изменяющейся (в каждом из шести классов) проницаемостью, имеет подошвен­ ные воды, газовые шапки или чередование газоводонефтена­ сыщенных пропластков с различными пластовыми давления­ ми, он считается неоднородным.

Прочными коллекторами называют те, которые сохраняют устойчивость и не разрушаются под воздействием фильтрацион­ ных и геостатических нагрузок. Оценка устойчивости пород в ПЗП - весьма сложный и полностью не регламентированный ре­ зультат исследовательских работ. Для случая эксплуатации скважин открытым забоем наиболее обоснованной, по нашему мнению, является методика, разработанная Н.М. Саркисовым идр.

Слабосцементированными коллекторами считают такие пла­ сты, породы которых при эксплуатации скважин выносятся на поверхность вместе с флюидом. Здесь важно выдерживать де­ прессию на пласт в расчетных пределах. С точки зрения плас­ товых давлений коллекторы могут быть подразделены на три группы: gradр^ > 0,1 МПа/10 м; gradр^ = 0,1 МПа/10 м; grad Рш, <0,1 МПа/10 м.

Пласт является высокопроницаемым, если значения коэф­ фициента поровой kn или трещинной ftTпроницаемости соответ­ ственно более 0,1 и 0,01 мкм2.

Если напорный горизонт находится на расстоянии менее 5 м от продуктивного пласта, он считается близкорасположенным. Эго условная характеристика расстояния, взятая из опыта вследствие сложности разобщения пластов с различными дав­ лениями.

Для оценки коллекторов по размеру песчаных зерен пласты разделяются по фракционному составу на мелко-, средне- и крупнозернистые с размером частиц соответственно 0,10-0,25; 0,25-0,50 и 0,50-1,0 мм.

Для оценки среднего размера зерен песка пласта использу­ ется формула

(4.1)

где G - сумма частных остатков на ситах, за исключением фракций, прошедших через сито с отверстиями 0,15 мм; а19 а2,

а б в г д е ж з

Рис. 4.1. Типы конструкций (а -з) забоев скважин:

1 - эксплуатационная колонна; 2 - цементное кольцо; 3 - перфорационные отверстия; 4 - перфорированный (на поверхности) фильтр; 5 - пакер типа ПДМ конструкции ВНИИБТ; 6 - забойный фильтр; 7 - зона разрушения в слабосцементированном пласте; 8 - проницаемый тампонажный материал

а3, а4 - частные остатки с отверстиями соответственно ОД5; 0,30; 0,60 и 1,20 мм.

Конструкции забоев скважин существенно различаются в зависимости от геологических условий, технических возмож­ ностей и производственного опыта в соответствующих органи­ зациях.

Наиболее часто применяют следующий тип конструкции (рис. 4.1):

1.Конструкция ПЗП с закрытым забоем. В этом случае про­ дуктивный пласт (пласты) перекрывается сплошной колонной или хвостовиком с последующими цементированием и перфора­ цией (рис. 4.1, а).

2.Конструкция ПЗП с открытым забоем. В этом случае про­ дуктивный пласт (пласты) остается незацементированным, об­ саживается либо не обсаживается фильтром (рис. 4.1, б-г).

3.Конструкция ПЗП смешанного типа. В этом случае ниж­ няя часть продуктивного горизонта остается открытой (или об­ саженной фильтром), а верхняя перекрывается обсадной ко­ лонной (хвостовиком) с последующими цементированием и перфорацией (рис. 4.1, д-е).

4.Конструкция ПЗП для предотвращения выноса песка. В этом случае против продуктивного пласта устанавливают за­ бойные фильтры (рис. 4.1, ж) различных типов или используют проницаемый тампонажный материал (рис. 4.1, з).

4.2. ПРИМЕРЫ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ЗАБОЕВ СКВАЖИН

Среди последних исследований в области заканчивания скважин представляют интерес работы, авторы которых харак­ теризуют общие тенденции в практике заканчивания скважин за рубежом в пластах, представленных устойчивыми породами. На месторождении Чьяпас-Табаско (Мексика) продуктивные пласты залегают на глубинах 4200-5800 м и представлены ус­ тойчивыми меловыми отложениями. По конструкции нижней части скважин они делятся на четыре группы: скважины, в ко­ торых колонны (хвостовики) перекрывают продуктивный гори­ зонт и используются пакеры; скважины с открытым забоем и с использованием пакеров; скважины, законченные со спуском колонны или хвостовика без использования пакера для герме­ тизации межколонного пространства; скважины с высокой за­ бойной температурой, в которых применяются компенсаторы теплового расширения.

В указанных выше конструкциях скважин применялись эксплуатационные колонны диаметром 58,2; 70,4 и 85,8 мм. На основании опыта заканчивания скважин на этом месторожде­ нии были сделаны следующие выводы:

нецелесообразно использование колонн диаметром менее 122,5 мм (диаметр обсадной колонны 186,8 мм), за исключени­ ем скважин с открытым забоем. При использовании малогаба­ ритных колонн вместе с увеличением кольцевых зазоров резко увеличиваются потери давления и затрудняется спуск перфо­ раторов и испытателей пластов;

вскважинах, в которых напротив продуктивного пласта ус­ танавливается хвостовик, проведение пакеровки не обязатель­ но;

вкачестве компенсаторов теплового расширения нецелесо­ образно использовать скользящие ниппеля.

Решение проблемы заканчивания глубоких высокотемпера­ турных скважин, а также скважин, где применяют термичес­ кие методы воздействия на пласт, является важным достиже­ нием в практике заканчивания скважин за рубежом.

В условиях высоких температур в обсаженных скважинах возникают напряжения, величина которых может быть доста­ точной для порыва колонн обсадных труб. Цементирование с поднятием цемента до устья в этом случае не исключает воз­ можность аварий. Последние могут быть обусловлены сниже­ нием прочности цементного камня (прочность цементов обыч­ ного состава снижается при температурах более 115 °С), нару­

шением связи цемента с трубами и породой, разрывом из-за низкого качества обсадных труб и другими причинами, главная из которых - низкое вытеснение бурового раствора цементным. При заканчивании таких скважин особенное внимание уделяет­ ся качеству обсадных труб и типам соединительных муфт. До крепления скважины проводится предварительное натяжение колонн, крепление осуществляется термостойкими и расши­ ряющимися цементами специальных составов. Но в глубоких скважинах в большинстве случаев такие меры оказываются не­ достаточными.

Всовременных конструкциях колонна труб расширяется в направлении забоя или к устью. Достигается это с помощью ча­ стичного цементирования обсадной колонны. Так, в Калифор­ нии, где термические методы добычи получили наибольшее распространение, возвратно-поступательное движение обсад­ ной колонны при частичном ее цементировании на скважинах глубиной до 1050 м достигается заполнением свободного коль­ цевого пространства буровым раствором или гелеобразным углеводородным материалом. Хорошие результаты достигну­ ты также при закачке в кольцевое пространство загущенной нефти.

Вштате Вайоминг (округ Суптуотер) при заканчивании скважин использовалась конструкция, основная особенность которой - толстостенные трубы и постоянно действующий пакер, удерживаемый фиксатором при движении колонны вверх

ивниз под действием изменений температуры при проведении тепловых обработок.

Проблема заканчивания глубоких высокотемпературных скважин за рубежом решена путем создания и использования соединительных гнезд с полированной внутренней поверхнос­ тью, Компенсирующих возвратно-поступательное движение, а также расширение и сужение колонны при эксплуатации таких скваЖин и проведении тепловых обработок. Впервые полиро­ ванные гнезда были разработаны фирмой “Тексас” и использо­ ваны в газовых скважинах в Техасе в 1968 г. Соединительное гнездо устанавливается в верхней части эксплуатационного хвостовика, в нем подвешивается и герметизируется колонна насосно-компрессорных труб. Устройство представляет собой выточенную, полированную, со специальным покрытием трубу требуемой длины, которая является частью хвостовика и уста­ навливается под подвеской или над ней. Сопряженным элемен­ том ДКляется уплотнение насосно-компрессорных труб, на ко­ торых смонтирован ряд жестких и прочных уплотнительных колей. Кольца обладают достаточной упругостью и, будучи

забойный фильтр, установленный в интервале перфорации, а также гравийные набивки, создаваемые путем предварительно­ го расширения ствола скважины против продуктивного пласта, спуска в скважину перфорированного хвостовика-фильтра и заполнения кольцевого пространства отсортированным грави­ ем. Такая конструкция широко применяется американскими фирмами. Для ее создания используется специальное наземное и внутрискважинное оборудование, обеспечивающее приготов­ ление гравийной смеси, размещение гравия за хвостовиком и его уплотнение и закрепление в зоне фильтра.

Гравийная набивка - дорогостоящее, но эффективное средст­ во борьбы с разрушением продуктивного пласта. В отличие от внутрискважинных фильтров, которые часто извлекаются на поверхность в связи с их кольматацией, гравийные набивки рас­ считаны на длительную работу, что обеспечивается повышен­ ными требованиями к технологии создания и конструктивным характеристикам этих сооружений. Было установлено, что длительная эффективная работа гравийной набивки, как и дру­ гого заколонного фильтрационного сооружения, зависит от прочности забоя в пластовых условиях, гидромеханических нагрузок, интенсивности суффозионных процессов, обусловли­ вающих кольматацию фильтра. Одним из главных факторов, определяющих эти характеристики, является внешний диа­ метр фильтра. Поэтому необходимы устройства, расширяющие ствол скважины до необходимых размеров.

Механические раздвижные расширители не обеспечивают необходимого расширения ствола. В некоторых случаях задача решается путем использования гидромониторных расширите­ лей. Однако полное решение этой проблемы требует разработки специальных средств, позволяющих расширять ствол в интер­ вале продуктивного пласта до теоретически обоснованных раз­ меров.

На месторождении Каражанбас проводили испытания обо­ рудования и технологии создания забоя с использованием гра­ вийной набивки фирмы “Лайенс” (США). Более совершенная технология создания гравийной набивки и оборудование для ее реализации разработаны институтом “АзНИПИнефть” . Эта тех­ нология обеспечивает намыв гравия и цементирование эксплуа­ тационной колонны без подъема инструмента.

Созданный В.В. Гольдштейном, А.И. Булатовым и другими исследователями полимерный проницаемый тампонажный ма­ териал Контарен позволил разработать несколько конструкций забоев для предотвращения пескопроявления скважин. Техно­ логия размещения этого материала в заколонном пространстве

не требует сложного специального оборудования. Поэтому представляется возможным цементировать Контареном экс­ плуатационную колонну в интервале продуктивного пласта с последующей ее перфорацией без нарушения целостности фильтра либо цементировать перфорированный хвостовик с по­ следующим разбуриванием затвердевшего состава в хвостови­ ке. Однако и в этом случае необходимо обеспечивать требуемое по расчету расширение ствола и использовать такой способ пер­ форации колонны, при котором не нарушается структура про­ ницаемого материала (фильтра).

Эффективная работа призабойной зоны во многом зависит от того, насколько конструкция забоя соответствует геологичес­ ким условиям залегания продуктивного пласта. Поэтому уде­ ляют большое внимание обоснованию и выбору рациональной конструкции забоя добывающих скважин. Результаты иссле­ дований этого вопроса сконцентрированы в разработанной б. ВНИИКРнефтью специальной методике. Методика регламен­ тирует конструкцию забоя скважины в интервале залегания продуктивного объекта. Эта методика широко используется проектными и производственными предприятиями при проек­ тировании и строительстве нефтяных добывающих скважин. Методика распространяется на вертикальные и наклонные скважины с кривизной ствола в интервале продуктивного объ­ екта до 45е и предусматривает проектирование и строительство скважин с применением выбранных по ней конструкций забоев при наличии серийно освоенных производством технических средств и технологий.

Отличительная особенность методики выбора конструкции забоя - достаточно полный учет всего комплекса факторов, включающих способ эксплуатации объекта, тип коллектора, механические свойства пород продуктивного пласта и условия его залегания.

Внастоящее время продолжается работа в области совер­ шенствования конструкций забоев скважин применительно, прежде всего, к осложненным условиям, обусловленным нали­ чием слабосцементированных продуктивных объектов, зон АВПД, близкорасположенных напорных объектов, чередова­ нием пород пласта с различной проницаемостью, необходимос­ тью проведения различных способов интенсификации и др.

ВАзербайджане в зависимости от геологических условий и физико-механических характеристик продуктивного пласта конструкции забоев скважин меняются от месторождения к ме­ сторождению. Известны конструкции забоев на месторождени­ ях СНГ, в частности Мурадханлы (рис. 4.2), которые изменя-

1 ,2 - покеры типа ПМП конструкции ННИИБТ; 3 - кумулятивная перфора­ ция; 4 - гидропескоструйная перфорация

лись в течение разработки. Так как залежь представлена слож­ ным коллектором с порово-кавернозно-трещиноватым типом высокой проницаемости, то башмак (рис. 4.2, а) эксплуатаци­ онной колонны устанавливался вблизи кровли продуктивного пласта, разбуривание которого велось до начала интенсивного поглощения бурового раствора. При спуске в открытую часть ствола скважины фильтра в виде колонны перфорированных труб башмак находился уже на значительном удалении от кровли продуктивного пласта (рис. 4.2, б). Если в первом случае (без фильтра) глубина вскрытия коллектора составляет при­ мерно 30 м, то во втором - в десятки раз больше (при наличии поглощений). В этом случае для создания высоких депрессий на ПЗП и обеспечения дренирования наиболее нефтенасыщен­ ной части пласта применяют пакеры (рис. 4.2, в). Конструкция забоя при использовании перфорации представлена на рис. 4.2, г, д. Недостаточную глубину прострела кумулятивными перфо­ раторами усиливают использованием гидропескоструйной пер­ форации колонны или интенсифицируют приток нефти гидро­ разрывом пласта.

Анализ применения конструкции забоев (см. рис. 4.2) пока­ зал, что наименьшие сроки ввода скважин в эксплуатацию на­ блюдались при схемах рис. 4.2, а, в. Наибольшие дебиты отме­ чаются в скважинах с открытыми забоями.

Рис. 4.5. Конструкции забоев (а-г) скважин на Салымском месторождении: 1,2,3 ~ пакеры соответственно ПМП-142, ПМП-140, ПДМ-195

денные на рис. 4.5, в. Здесь уже применяют пакеры для изоля­ ции продуктивного пласта от сыпучих пород и исключения пе­ ретоков пластового флюида. Если башмак 168-мм колонны рас­ полагается у кровли баженовской свиты или непосредственно в пласте, то его оборудуют заколонным пакером, чтобы избежать закупоривания цементным раствором (рис. 4.5, г).

Вопросы предотвращения разрушения слабосцементированных пород ПЗП при эксплуатации нефтяных и газовых скважин остаются актуальными и в настоящее время.

Промысловый опыт показывает, что рациональный путь борьбы с выносом песка - это установка фильтров. Они бывают различных конструкций: проволочные, щелевые, гравийные и др. Эффективным способом также является закрепление пород в ПЗП путем применения различных материалов: портландцементных смесей с добавками и наполнителями, смол и других органических материалов с наполнителями, химических рас­ творов и т.д.

Существует несколько типов конструкций забоев скважин, предотвращающих вынос песка или снижающих его интенсив­ ность и объем (рис. 4.6, а-д). Выбирают их с учетом прочности пород, технико-технологических и геологических условий. Сетчатые и проволочные фильтры быстро разрушаются агрес-