СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОД Российский патент 1994 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к способам изоляции высокопроницаемых пород в буровых скважинах и может быть использовано для ликвидации поглощений скважинной жидкости в бурящихся и эксплуатационных (нагнетательных) скважинах.

Известен способ изоляции высокопроницаемых пород, включающий спуск в скважину трубной колонны, закачку в интервал скважины, вскрывшей высокопроницаемые породы, твердеющих смесей и задавливание этих смесей в высокопроницаемые породы [1].

Однако использование твердеющих смесей отличается низкой технологичностью, сопровождается загрязнением скважины, открытых продуктивных пластов и оборудования. Кроме того, образование непроницаемой корки в высокопроницаемой породе вокруг скважины не исключает возможности последующего гидроразрыва пород при необходимости значительного повышения давления в скважине, например, в том случае, когда после изоляции высокопроницаемых отложений с относительно невысоким поровым давлением, скважина вскрыла нижележащие отложения с аномально высоким поровым давлением насыщающего флюида.

Известен способ изоляции высокопроницаемых пород, включающий выделение несущего пласта в геологическом разрезе над отложениями высокопроницаемых пород, ликвидацию несущей способности несущего пласта и уплотнение отложения высокопроницаемых пород давлением на его кровлю [2].

Недостатками способа являются низкая технологичность, высокая трудоемкость и сложность исполнения, что объясняется необходимостью организации направленного гидроразрыва пород в скважине на границе между несущим пластом и вышележащим массивом пород с последующим повышением давления в трещине гидроразрыва для уплотнения нижележащих высокопроницаемых пород.

Известен также способ изоляции высокопроницаемых пород, включающий спуск в скважину трубной колонны с гидровибратором в ее нижней части, помещение вибратора в интервале залегания высокопроницаемых пород и закачку в трубную колонну жидкости с возбуждением колебаний давления гидровибратором и с выходом циркуляции из затрубного пространства на устье скважины. Предварительно вибрации подвергают вышележащий несущий пласт для его ослабления и передачи геостатической нагрузки на высокопроницаемые породы, которые подвергают вибровоздействию с амплитудой меньше средневзвешенного размера зерен породы [3].

Однако известный способ малоэффективен в иных геологических условиях, чем те условия, на которые рассчитан способ. Так, при отсутствии несущего пласта над отложениями высокопроницаемых пород процесс уплотнения породы вибровоздействием вызовет уменьшение монолитности и несущей способности вышележащих пород. По этой причине способ вовсе не достигнет своей цели в отложениях высокопроницаемых пород большой толщины, которая намного больше длины скважинного гидровибратора и высоты охвата породы вибрациями. В этом случае локальное уплотнение одного участка высоты отложений высокопроницаемых пород вызовет их разуплотнение выше зоны уплотнения за счет разгрузки веса пород в сторону уплотнения, и поглотительная способность отложений высокопроницаемых пород в целом не уменьшится. Вибрационный режим известного способа не способствует увеличению радиуса изоляционного воздействия на высокопроницаемые породы, ограничиваясь небольшой толщиной породы на стенке скважины, что часто оказывается недостаточным.

Целью изобретения является повышение эффективности изоляции высокопроницаемых пород за счет увеличения радиуса изоляционного воздействия на них с одновременным увеличением их монолитности и несущей способности.

Цель достигается тем, что в известном способе изоляции высокопроницаемых пород, включающем спуск в скважину трубной колонны с гидровибратором в ее нижней части, помещение гидровибратора в интервале залегания высокопроницаемых пород и закачку в трубную колонну жидкости с возбуждением колебаний давления гидровибратором и с выходом циркуляции из затрубного пространства на устье скважины, в закачиваемую жидкость вводят диспергированные материалы с прочностью большей прочности высокопроницаемых пород и размером частиц меньшим размера фильтрационных каналов породы, а в процессе циркуляции повышают давление над поровым давлением флюида изолируемых пород пропорционально уменьшению содержания диспергированного материала в жидкости, выходящей на устье скважины, и с ограничением давления в скважине давлением гидроразрыва породы, при этом частоту ω и амплитуду колебаний давления, возбуждаемых гидровибратором, поддерживают в режиме, определяемом из соотношений:
ω_o< ω < , c^-1;;
< · МПа ,, где ω_o - частота собственных колебаний высокопроницаемых пород, с^-1;
g - ускорение силы тяжести, м/с²;
δ - размер частиц диспергированного материала, м;
α - постоянный коэффициент, зависящий от размера и плотности частиц диспергированного материала ( α = 1-3);
l - длина гидровибратора, м;
R - радиус скважины, м;
ρ - плотность насыщающего породу флюида, кг/м³;
с - скорость звука в породе, м/с;
q - расход жидкости через гидровибратор, м³/с.

В основе способа лежат следующие физические принципы.

Введением в циркулирующую в скважине жидкость диспергированного материала с размером частиц меньше размера фильтрационных каналов высокопроницаемой породы при давлении в скважине выше порового давления флюида в породе обеспечивается инъекция диспергированного материала в прискважинную зону высокопроницаемой породы с резким понижением ее пропускной способности, а одновременно производимое вибровоздействие способствует увеличению глубины проникновения частиц в породу с уплотнением диспергированных частиц. Однако без достаточной прочности частиц вибровоздействие может приводить к разрыву упругих связей и разрушению высокопроницаемой породы, а при большой толщине породы локальное вибровоздействие в одном месте с уплотнением породы приведет к потере монолитности и несущей способности породы в вышележащем интервале. Этого позволяет избежать предусмотренное в способе превышение прочности частиц диспергированного материала над прочностью изолируемой высокопроницаемой породы. В результате инъекции прочных частиц в высокопроницаемую, особенно трещиноватую, породу, сопровождающейся виброуплотняющим воздействием при наличии избыточного давления в скважине, достигается литификация породы, т.е. ее монолитность и непроницаемость в значительном радиусе вокруг скважины. Кроме резкого снижения поглощательной способности это является гарантией устойчивости литифицированной высокопроницаемой породы к высоким давлениям в скважине, создание которых может потребоваться при последующем вскрытии буровой скважиной нижележащих высоконапорных пластов.

Повышение же в процессе циркуляции давления пропорционально уменьшению содержания диспергированного материала в жидкости вплоть до давления гидроразрыва породы усиливает эффект литификации высокопроницаемой породы с запасом прочности (надежности) по отношению к максимально возможному давлению в скважине.

Однако не всякое вибровоздействие приведет в рассматриваемом способе к литификации породы, а лишь воздействие с определенной частотой и амплитудой давления. Соотношения, из которых определяются эти параметры, получаются следующим образом.

Известно, что колебательное ускорение связано с амплитудой и частотой колебаний следующим соотношением:
а = А ω², (1) где а - колебательное ускорение; А - амплитуда колебаний в породе; ω - частота колебаний.

Известно также, что разрушение упругих связей в породе происходит при а > 0,1g, где g - ускорение силы тяжести (Коломоец А.В. Предупреждение и ликвидация прихватов в разведочном бурении. М.: Недра, 1985, с. 95). Следовательно, чтобы при вибрации не происходило разрушения породы, необходимо соблюдать обратное неравенство а < <0,1g или с учетом выражения (1):
А ω² < 0,1g (2)
Вместе с тем существует и критическое значение амплитуды колебаний, превышать которую нельзя по причине недопущения разрыхления уплотняемой массы. Это критическое значение связано со средневзвешенным размером уплотненных частиц, которые проникают в высокопроницаемую породу:
А < α δ, (3) где А - критическая амплитуда колебаний породы; δ - средневзвешенный размер частиц, инжектируемых в высокопроницаемую породу; α - постоянный коэффициент. Для мелких частиц с большой плотностью α = =2-3, с малой плотностью α = 1,1-1,5. Для крупных частиц с большой плотностью α = = 1,5-1,7, с малой плотностью α = 1,2-1,5.

Подставляют соотношение (3) в неравенство (1):
α δ ω² < 0,1g. (4)
Отсюда частота возбуждаемых гидровибратором в скважине колебаний должна удовлетворять неравенству
ω < (5)
С другой стороны, эта же частота не должна совпадать с частотой собственных колебаний отложений изолируемых высокопроницаемых пород на глубине их залегания во избежание наступления резонанса и разрушения породы. Нижний предел собственных колебаний земли и литосферы чрезвычайно мал (около одного колебания в час), что не является вибрационной частотой. Поэтому нерезонансная частота возбуждаемых в скважине вибрационных колебаний должна быть выше верхнего предела частоты собственных колебаний земли и литосферы. Эта частота составляет 10 с^-1 (Жарков В.Н. Внутреннее строение земли и планет. М.: Наука, 1983, с. 73). Поэтому неравенство (5) должно быть дополнено следующим образом: ω_o< ω < , (6) где ω_o - частота собственных колебаний изолируемых пород на глубине их залегания.

Амплитуда возбуждаемых гидровибратором в скважине колебаний также должна отвечать условию уплотнения инжектируемых в высокопроницаемую породу частиц с исключением разрушения самой породы. Амплитуда, скорость и ускорение колебаний максимальны на стенке скважины, а с углублением в пласт эти параметры уменьшаются. Так как согласно выражению (3) амплитуда колебаний должна быть ограничена, то это ограничение должно выполняться вблизи стенки скважины, тогда с углублением в пласт это условие будет заведомо выполняться ввиду затухания интенсивности колебаний по радиусу вокруг скважины. Поэтому используют исходные соотношения, справедливые вблизи стенки скважины (Вахитов Г.Г. и др. Использование физических полей для извлечения нефти из пластов. М.: Недра, 1985, с. 112-113):
A = , (7)
v = ,(8)
где А - амплитуда колебаний в породе; v - скорость колебаний; ω - частота колебаний; I_o - интенсивность колебательного поля гидровибратора; ρ - плотность насыщающей породу жидкости; с - скорость звука в породе.

В рассматриваемом случае, когда колебания давления в скважине создаются гидровибратором, его мощность равна:
W = q, (9) где W - мощность гидровибратора; - амплитуда колебаний давления; q - расход жидкости через гидровибратор.

Интенсивность гидроколебательного поля в скважине равна отношению мощности гидровибратора к внутренней поверхности скважины на длине гидровибратора:
I_o= W : 2πRl = (10)
Подставляют (10) в (8):
v = = (11)
Подставляют (11) в (7):
A = (12)
Подставляют (1) в соотношение (3):
< αδ,(13) откуда находят допустимую амплитуду колебаний давления в скважине
< (14)
Осуществление способа с частотой и амплитудой вибрации по соотношениям (6) и (14) обеспечивает уплотнение частиц в каналах высокопроницаемой породы с ликвидацией ее поглощательной способности. С другой стороны, уплотняется и упрочняется собственно порода, поскольку выбранные амплитуда и частота рассчитаны на размер инжектируемых частиц, а этот размер меньше размера частиц породы. При этом уплотняемый скелет породы плотно охватывается уплотняемым же диспергированным материалом с прочностью частиц больше прочности породы. Такое уплотнение в сочетании с глубоким проникновением частиц в породу под влиянием вибрации и повышаемым давлением на породу пропорционально ее заполнению диспергированным материалом, приводит к взаимопроникновению скелета высокопроницаемой породы и более прочных частиц диспергированного материала с литификацией высокопроницаемой породы и ликвидацией ее повышенной проницаемости. Это дает возможность продолжать затем углубление скважины без опасности поглощений в вышележащих отложениях пород при повышении давления в скважине, вплоть до давления гидроразрыва пород. В эксплуатационных (нагнетательных) скважинах это обеспечит изоляцию промытых высокопроницаемых интервалов пласта.

Анализ патентной документации и научно-технической литературы показал, что отличительные признаки заявляемого изобретения отличают его не только от прототипа, но и не содержатся в других известных технических решениях аналогичного назначения, а новая совокупность существенных признаков позволяет получить качественно новый положительный эффект. Следовательно, заявляемое техническое решение отвечает критерию изобретения "Существенные отличия".

Способ осуществляют следующим образом.

По данным бурения скважины или эксплуатации нагнетательной скважины определяют интервал залегания высокопроницаемых пород, подлежащих изоляции, прочность породы, давление гидроразрыва, проницаемость и размер фильтрационных каналов, скорость звука в породе и плотность насыщающего породу флюида. В соответствии с этими показателями подбирают материал с прочностью больше прочности породы и определяют размер частиц этого материала, обеспечивающий возможность его проникновения в фильтрационные каналы высокопроницаемой породы. Выбираемый материал должен быть химически индифферентным к пластовым флюидам. Так, если изоляции подлежат трещиноватые известняки, то в качестве упомянутого материала можно использовать более прочный доломит или мрамор, или кварц, которые перед использованием диспергируют по заданной тонкости помола. При изоляции других пород по прочностным требованиям могут подойти барит, магнетит и т.д. Определяют по соотношениям (5) и (14) параметры виброколебательного воздействия.

Определяют в лабораторных условиях на керне высокопроницаемой породы или ее модели количество проникающего в высокопроницаемую породу диспергированного материала из расчета на единицу открытой площади образца при виброколебательном воздействии, на основании чего определяют общее потребное количество диспергированного материала.

Для возбуждения в скважине гидродинамических колебаний используют известные скважинные гидровибраторы (В.А. Романенко и др. Восстановление производительности водозаборных скважин. Л.: Недра, 1986, с. 80-83; Бережной А.И. и др. Электрические и механические методы воздействия при цементировании скважин. М.: Недра, 1976, с. 48-53). Согласно выполненным расчетам по соотношениям (6) и (14) устанавливают соответствующий расход жидкости через вибратор при данной амплитуде колебаний давления в скважине.

Спускают в скважину трубную колонну с гидровибратором на конце, который размещают в интервале залегания высокопроницаемых пород. Закачивают в трубы на устье скважины рабочую жидкость, например промывочный раствор, в который вводят диспергированный материал в расчетном количестве. Выходящий из затрубного пространства поток циркулирующей жидкости контролируют на содержание в нем диспергированного материала, в соответствии с уменьшением которого плавно повышают давление в скважине либо утяжелением жидкости, либо повышением давления нагнетания жидкости в скважину. Давление доводят до максимально близкого к давлению гидроразрыва породы к моменту прекращения процесса уменьшения содержания диспергированного материала в выходящей из скважины жидкости, после чего изоляция высокопроницаемых пород считается законченной. Извлекают из скважины гидровибратор. В бурящуюся скважину спускают бурильную колонну и возобновляют углубление скважины. В нагнетательной скважине вымывают жидкость с диспергированным материалом и возобновляют закачку в пласт рабочего агента.

П р и м е р. Скважина с радиусом R = 0,1 м вскрыла отложения высокопроницаемых пород в интервале 1830-1885 м. Частота собственных колебаний породы на данной глубине ω_o = 5 с^-1. По данным исследования кернового материала высокопроницаемая порода представлена трещиноватым известняком проницаемостью 3,7 мкм², прочностью на сжатие 7 МПа. Средний диаметр зерна породы 1 мм, средняя раскрытость проходного сечения фильтрационных каналов 0,5 мм. Давление гидроразрыва породы на глубине ее залегания составляет 8 МПа. Порода без гидроразрыва обладает заметной поглощательной способностью при гидростатическом давлении 3 МПа, что осложняет проводку скважины. Плотность насыщающего породу флюида ρ = 950 кг/м³, скорость звука в породе С = 1470 м/с. Исходя из прочности породы на сжатие (7 МПа), в качестве материала для получения порошка, предназначенного для инъекции в породу, используют кварцевый песок с прочностью песчинки на сжатие 75 МПа. Кварцевый песок диспергируют до тонкости маршаллита с размером частиц до δ = 0,1 мм= = 10^-4 м. В качестве скважинного гидровибратора используют вибробашмак типа БВ (Бережной А. И. и др. Электрические и механические методы воздействия при цементировании скважин. М. : Недра, 1976, с. 48-53) или скважинный гидравлический вибратор (Романенко В.А. и др. Восстановление производительности водозаборных скважин. Л.: Недра, 1986, с. 80-83). Длина гидровибратора l = 0,5 м. Расход жидкости через гибровибратор q = 5 л/с = 0,005 м³/с. Коэффициент α в формулах (6) и (14) α = 2 (для мелких частиц с большой плотностью). Подставляя все эти исходные данные в соотношения (6) и (14), получают
ω < = = 71 c^-1,(15) меньше ω = 5 с^-1, так что ω можно выбрать любым во всем интервале 5 < ω < 71 с^-1. Принимают ω = 50 с^-1.

Теперь определяют допустимую амплитуду колебаний давления по соотношению (14):
< = = 0,46 МПа (16) Таким образом < 0,46 МПа; выбирают < 0,4 МПа.

С выбранными параметрами ω = 50 с^-1 и = 0,4 МПа в лабораторных условиях на керне породы производят определение количества проникающего в породу диспергированного материала (маршаллита) из расчета на единицу поверхности, со стороны которой производится воздействие. Это количество можно также приближенно определить расчетным путем с учетом объема пустот породы и глубины ее охвата вибровоздействием. Для рассматриваемого примера это количество составляет 20 кг на 1 м длины вскрытого интервала высокопроницаемой породы в скважине. Так как длина этого интервала составляет 1885-1830 = = 55 м, то потребное количество маршаллита составляет 20 х 55 = 1100 кг. Это количество вводят в циркулирующую жидкость после спуска в скважину НКТ с вибратором. Вибратор перемещают по длине интервала залегания высокопроницаемых пород. Замеряют содержание маршаллита в выходящей из затрубного пространства жидкости и по мере его уменьшения повышают постепенно плотность циркулирующей жидкости от 1200 до 1500 кг/м³, что создает гидростатическое давление в скважине, близкое к давлению гидроразрыва породы (28 МПа). Отсутствие при этом поглощений жидкости высокопроницаемыми породами свидетельствует о достижении их изоляции.

Использование: при изоляции зон поглощений в скважинах. Цель - повышение эффективности изоляции высокопроницаемых пород за счет увеличения радиуса изоляционного воздействия на них с одновременным увеличением их монолитности и несущей способности. Сущность изобретения: по способу в скважину спускают трубную колонну с гидровибратором. Гидровибратор помещают в нижней части трубной колонны, в интервале залегания высокопроницаемых пород. В трубную колонну закачивают жидкость. В последнюю вводят диспергированные материалы. Их прочность больше прочности высокопроницаемых пород. Размер частиц диспергированного материала меньше размера фильтрационных каналов высокопроницаемых пород. В процессе циркуляции повышают давление в скважине над поровым давлением флюида изолируемых пород. Это осуществляют пропорционально уменьшению содержания диспергированного материала в жидкости, выходящей на устье скважины. Давление в скважине ограничивают давлением гидроразрыва пород. Возбуждают колебания давления гидровибратором. Частоту ω и амплитуду колебаний давления, возбуждаемых гидровибратором, поддерживают в режиме, определяемом из соотношений, приведенных в формуле изобретения.

СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОПРОНИЦАЕМЫХ ПОРОД, включающий спуск в скважину трубной колонны с гидровибратором в ее нижней части, помещение гидровибратора в интервале залегания высокопроницаемых пород и закачку в трубную колонну жидкости с возбуждением колебаний давления гидровибратором и выходом циркуляции из затрубного пространства на устье скважины, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности изоляции высокопроницаемых пород за счет увеличения радиуса изоляционного воздействия на них с одновременным увеличением их монолитности и несущей способности, в закачиваемую жидкость вводят диспергированные материалы прочностью, большей прочности высокопроницаемых пород, и размером частиц, меньшим размера их фильтрационных каналов, а в процессе циркуляции повышают давление в скважине над паровым давлением флюида изолируемых пород пропорционально уменьшению содержания диспергированного материала в жидкости, выходящей на устье скважины, и с ограничением давления в скважине давлением гидроразрыва пород, при этом частоту ω и амплитуду колебаний давления, возбуждаемых гидровибратором, поддерживают в режиме, определяемом из соотношений
ω_o< ω < , c^-1;;
< ,
где ω_o - частота собственных колебаний высокопроницаемых пород, с^-1;
g - ускорение силы тяжести, м/с²;
δ - размер частиц диспергированного материала, мм;
α - безразмерный коэффициент, зависящий от размера и плотности частиц диспергированного материала, α = 1 - 3 ;
l - длина гидровибратора, м;
R - радиус скважины, м;
ρ - плотность насыщающего породу флюида, кг/м³;
c - скорость звука в породе, м/с;
q - расход жидкости через гидровибратор, л/с.