9.1. Условия пескопроявлений и образования песчаных пробок в скважинах

Большинство исследователей объясняют вынос песка в скважину действием сил трения и образующимся при этом градиентом давления при фильтрации жидкости в сква­жину. При высоких градиентах давления и недостаточной проч­ности цементирующего материала зерна песчаника отделяют­ся от основного массива и выносятся в скважину.

При разработке продуктивных пластов, сложенных рыхлы­ми песчаниками, в ПЗП может образовываться зона подвиж­ного песка (пластическая область). В этом случае в первые месяцы эксплуатации скважины наблюдается интенсивное не­контролируемое пескопроявление, связанное с вымыванием песка и образованием каверны у кровли пласта, либо у нераз­рушенного (более прочного) пропластка при неоднородном пласте.

На образование и характер пластической области влияют многие факторы: перераспределение около горной выработки ранее существовавших напряжений, вызванное бурением; дей­ствие бурового раствора на цементирующий материал, скреп­ляющий зерна песка; ударные нагрузки на призабойную зону при кумулятивной перфорации; темпы отбора пластового флю­ида и ряд других.

Вынос песка обычно увеличивается с ростом отбора про­дукции, при увеличении водонефтяного фактора, истощении эксплуатируемого пласта и др.

Вероятно, что песок пластической области удерживается от выноса в скважину силой трения, определяемой давлением вышележащих толщ песка. Величина давления на любой глубине пластической области зависит от веса вышележащей тол­щи песка и горного давления вышележащих пород.

Установлено, что вынос песка уменьшается с ростом давле­ния обжима; при достижении давления обжима 0,3 МПа вынос песка стабилизируется и стремится к постоянной величине; песок, имеющий глинистый цемент, может быть подвержен упрочнению.

Нередко роль связующего между песчинками в пласте — коллекторе выполняет сам скважинный флюид: например, в залежах высоковязкой нефти и битумов. В таких залежах ин­тенсивность выноса песка из пласта в ствол скважины зависит от величины депрессии. Чем выше депрессия, тем больше пес­ка поступает в скважину. Однако вследствие высокой вязкос­ти скважинного флюида в стволе скважины песчаной пробки может не образовываться. Весь песок остается во взвешенном состоянии в нефти и с нею выносится на поверхность.

Применение теплового воздействия на призабойную зону скважин при добыче высоковязких нефтей с одной стороны, снижая вязкость, увеличивает приток нефти к скважине и ее дебит, а с другой стороны, снижение вязкости под действием тепла приводит к выпадению песка в стволе скважины, обра­зованию песчаной пробки, перекрывающей частично или пол­ностью интервал перфорации пласта, и снижению дебита или прекращению подачи.

В газовых скважинах вынос песка из пласта в ствол интен­сифицируется при обводнении скважин на поздней стадии разработки месторождения, когда вода сначала вымывает свя­зующие глинистые частицы, а затем выносит песок.

9.2. Технологические методы снижения пескопроявлений в скважинах

Применяемые методы, направленные на предот­вращение выноса песка в скважину, условно делят на 3 группы:

• механические методы, предполагающие создание искус­ственных перемычек, предотвращающих доступ песка в скважину;

• химические методы, основанные на закачке в пласт веществ, впоследствии твердеющих и цементирующих песок;

— комбинированные методы, предполагающие использование механических фильтров и химическое закрепление зерен песка.

При выборе способа борьбы с выносом песка в скважину учитывается ряд факторов. Большое значение имеет конструк­ция забоя скважин. При заканчивании скважин с открытым забоем, как правило, используются механические или комби­нированные способы. Химические методы закрепления песка применяются, в основном, в новых скважинах, где еще не ус­пели образоваться каверны из-за выноса песка. При выборе способа борьбы с выносом песка учитываются температурные ограничения. Для химических методов допускаемые пределы температур составляют 16-175° С, для механических методов таких ограничений нет, кроме тех случаев, когда при обра­зовании набивок используются нефть или загущенные ра­створы.

К технологическим методам предотвращения пескопроявления в скважинах относится прежде всего регулирование от­боров флюидов из скважины. При этом определенное значе­ние имеет вязкость флюида в пластовых условиях. Чем выше вязкость флюида, тем меньший градиент давления может быть критическим, то есть таковым, при котором начинается вынос песка.

Газ имеет значительно более низкую вязкость, чем вода или, тем более, тяжелая смолистая нефть. Поэтому газовый пласт, сложенный слабосцементированными песчаниками, мо­жет подвергаться более значительным депрессиям, поэтому в процессе разработки газового месторождения по мере отбора газа происходит стягивание контура водоносности или подъем подошвенной воды, благодаря чему вода приближается к эксп­луатационной газовой скважине и, в конце концов, поступает на забой. Если песчаник сцементирован глинистым или известковистым материалом, то вода по мере ее отбора из скважи­ны постепенно вымывает этот материал, способствуя разру­шению пласта даже при более низких депрессиях, чем перво­начально.

На практике осуществить такое регулирование отборов, чтобы совершенно предотвратить вынос песка из призабойной зоны в ствол скважины, невозможно. Спустя некоторое время песок будет накапливаться в стволе, образуя песчаную пробку.

В то же время пробка может не образоваться, если ско­рость потока флюида в подъемных трубах будет выше крити­ческой, то есть такой, когда скорость восходящего потока флю­ида в трубках равна скорости падения песчинки в жидкости под действием силы тяжести. Подъемная сила струи флюида пропорциональна квадрату диаметра песчинки, а скорость падения под действием силы тяжести пропорциональна кубу ди­аметра песчинки. Расчеты показывают, что в зависимости от вязкости флюида, в котором во взвешенном состоянии нахо­дятся песчинки, критический размер песчинки лежит в преде­лах 0,35—0,15 мм. Песчаники меньшего размера не выпадают в осадок и не образуют пробки в стволе скважины.

Если в ствол скважины из ПЗП выносятся более крупные песчинки, то, чтобы не допустить образования песчаной проб­ки, надо обеспечить скорость подъема флюида из скважины, способную вынести песок на поверхность. Однако, чем выше скорость подъема (отбора жидкости из скважины), тем выше депрессия на пласт, что недопустимо вследствие интенсифика­ции разрушения пласта.

Чтобы этого не допустить, применяют различные технологи­ческие мероприятия: используют подъемные трубы уменьшен­ного диаметра, подлив жидкости в затрубное пространство на­сосных скважин, полые насосные штанги, хвостовики, скребки-завихрители, глубинные насосы с плунжером «пескобрей» и др. Хвостовики-трубы небольшого диаметра, присоединяемые к глубинному насосу и опускаемые до нижних дыр фильтра обсадной колонны, предназначены для всасывания выносимо­го в ствол скважины песка из призабойной зоны и выноса его на поверхность.

Скребки-завихрители устанавливаются, как правило, на первой штанге над глубинным штанговым насосом и создают вихревое движение жидкости, скорость которого увеличива­ется у стенок труб и препятствуют оседанию песка над насо­сом.

С целью предупреждения заклинивания плунжера насоса применяются полые штанги — НКТ диаметром 33, 42, 48 мм. Жидкость из насоса непосредственно направляется в полые штанги, не соприкасаясь с трущимися поверхностями насоса, что полностью исключает заклинивание плунжера. Для обвяз­ки насосной установки с выкидной линией используется гиб­кий шланг либо специальная арматура.

Подлив жидкости в затрубное пространство насосных сква­жин применяется при эксплуатации малодебитных скважин с обильным поступлением песка в них с целью обеспечения до­статочной для выноса песка скорости флюида. Этот метод при­меняется при обязательном спуске хвостовика до нижних от­верстий фильтра обсадной колонны.

Жидкость, свободная от песка, подливается через отвер­стие в планшайбе. Эффективность метода подлива зависит от точности дозирования количества подливаемой жидкости.

Рис. 9.1. График для определения объемного расхода жидкости.

1 и 2 — нефть кинематической вязкостью 0,1 и 0,5 см²/с соответственно; 3 — вода.

Объемный расход жид­кости, необходимой для выноса различных фрак­ций песка на поверхность, определяется по графику (рис. 9.1). Расчет произво­дится по диаметру самых крупных песчинок, посту­пающих в ствол скважины из призабойной зоны пла­ста. Размер песчинок отло­жен на оси абсцисс, а ско­рость потока — на оси ор­динат. Отметив на оси аб­сцисс точку, соответствую­щую расчетному диаметру песчинок, проводят верти­каль до пересечения с кри­вой соответствующей вязкости жидкости и на пересечении го­ризонтали, проведенной из этой точки, с осью ординат получа­ют необходимую скорость w. Обычно на практике принимают скорость восходящего потока V = 2w.

Вычисляют количество жидкости Q (м³/сут.), необходимое для выноса песка из скважины по формуле:

где D_в — внутренний диаметр подъемных труб в м;

d_н — диаметр насосных штанг в м;

w — скорость восходящего потока жидкости в м/с.