Устройство для испытания скважинного песочного фильтра Российский патент 2024 года по МПК E21B43/08 G01M99/00 

Изобретение относится к оборудованию для нефтедобывающей промышленности, а именно к оборудованию для борьбы с пескопроявлением.

Уровень техники

Скважинные фильтры для удержания песка широко используются в нефтегазовой добыче при операциях в породах, где возможен вынос песка в скважину (скважина с пескопроявлением). Вынос песка из породы в скважину сокращает сроки работы скважинного оборудования, поскольку песок (мелкие частицы) засоряет проточные каналы и способствует эрозии оборудования. Для удержания песка используются песочные фильтры (или противопесочные фильтры) различной конфигурации. Это могут быть щелевые фильтры, проволочные фильтры, фильтры с перфорацией, многослойные фильтры, фильтры с начинкой в виде проппантной набивки. Производительность скважинных фильтров определяют по доле песка, которую фильтры удерживают и от продолжительности работы фильтров (до его забивки фильтратом). Обычно достигается компромисс по этих ключевым характеристикам - мелкоразмерные фильтры лучше удерживают песок, по быстрее засоряются и должны заменятся или проходить очистку. Поэтому скважинные фильтры (или образцы фильтров в виде типичного фрагмента) перед эксплуатацией подвергают тестированию на специальных испытательных стендах с прокачкой суспензии песка через образы (фрагменты) фильтра.

Для испытания скважинных песочных (или «противопесочных») фильтров применяют различные способы и соответствующие тестирующие устройства.

Обычным способом тестирования является способ прокачивания песчаной суспензии (например, 1-5 % песка) в минерализованной воде (то есть имитатора пластовой воды) при постоянной скорости расхода жидкости (Constant Flow Rate Brine Flow Test Method), при котором образец песчаного фильтра (также упоминается в литературе как «купон/coupon») помещается в открытую систему для прокачки песчаной суспензии, и процесс образования песчаной пачки отслеживают с помощью датчиков давления. По мере осаждения песка на фильтре достигается заданная величина разности давления на рабочей ячейке и различные типы фильтров сравниваются по этому параметру.

В патентом документе US 2023129272 описана процедура выбора подходящего песочного фильтра на основе моделирования и оценки времени такого явления как «само-набивка» (auto-packing time), то есть явления разрушения призабойной породы с заполнением затрубного пространства крупными частицами (с образованием песчаной пробки в затрубном простанстве). Такая само-набивка помогает уловить мелкие частицы в скважинной жидкости и это удлиняет срок службы песочного фильтра. Устройство для тестирования образцов фильтра представляет коническую тест-ячейку с датчиком давления. Устройство также позволяет оценить эрозию песчаного фильтра.

В публикации “A Novel Approach to Constant Flow-Rate Sand Retention Testing” (SPE-189515-MS) описан способ тестирования фильтров с применением песка в масле при постоянном перепаде давления (Constant Drawdown Oil-Flow Test, CDOF). В устройстве тестирования поддерживается постоянная разница давлений в рабочей ячейке и изменяется скорость прокачивания суспензии через образец фильтра. По окончании теста взвешивают на электронных весах массу прошедшего песка, а также вычисляют исходную и конечную проницаемость исходного фильтра и фильтра с осажденной песчаной пачкой.

Вместе с тем, в известных устройствах для испытания песочных фильтров нет возможности провести испытания в условиях, близких к скважинным. В известных устройствах отсутствует возможность приложить обжимное давление (confining pressure/ overburden stress - eng.) к объекту тестирования. В предложенном техническом решении этот недостаток преодолевают путем создания обжимного давления в тестовой ячейке, причем испытания проводят при нескольких уровнях обжимного давления (имитируя различные глубины/ условия для размещения фильтра в скважине).

Основной целью предлагаемого устройства является повышение информативности испытания и многопараметрической оценки песочного фильтра (ключевые параметры включают проницаемость образца фильтра с песчаной пачкой, остаточную проницаемость фильтра, критерий Ходжа и скин-фактор фильтра с осажденной песчаной пачкой), причем качество оценки образца повышают за счет создания обжимного давления в тестовой ячейке фильтра.

Устройство включает блок приготовления масляно-песчаной смеси, которая с помощью насоса подается на тестируемый образец песочного фильтра. Песчаная суспензия поступает на образец фильтра в тестовой ячейке и это вызывает осаждение слоя песка на фильтре. Датчики давления передают данные о давлении в ячейке в блок сбора и управления. Количество прошедшего и уловленного песка находится взвешиванием образцов после остановки испытательного устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что при формировании песчаной пачки в тестовой ячейке создают дополнительное обжимное давление, близкое к скважинному в реальной ситуации при эксплуатации песчаного фильтра. Для этого образец нагружают с помощью поршня, передающего давление на песчаную пачку от гидравлического насоса и пневмогидроаккумулятора (гаситель пульсаций давления).

Описание фигур

На фиг 1. представлена схема устройства тестирования образца песочного фильтра.

Насос 3, забирая рабочий флюид (например, техническое масло) из резервуара 1, прокачивает его по главной напорной линии через тестируемый образце (купон), установленный в тестовой ячейке 10. Демпфер 6 снижает пульсации давления в напорной линии. Для поддержания заданного давления на входе в тестовая ячейку 10 насос 3 способен автоматически менять обороты (расход) посредством включения через частотный преобразователь. Система оборудована датчиками давления 9, 11, 19, передающими информацию через блок сбора данных и управления 26 и имеет манометры 7 и 20 для контроля над потоками в устройстве. Запорный вентиль 12, расположенный под тестовой ячейкой 10, позволяет перекрывать поток рабочего флюида, для смены ёмкостей на электронных весах 13, предназначенных для определения накопленного объёма и расхода флюида. Для подачи масло-песчаной смеси (далее МПС) на тестируемый образец, компоненты смеси (песок и вязкая жидкость) предварительно загружается в емкость 14 подготовки МПС, а при открытии вентиля 16 смесь (суспензия песка в вязком флюиде) подаётся в тестовую ячейку 10, формируя со временем на образце фильтра песчаную пачку. Ячейка 10 представляет собой полую трубу с коническим заужением в нижней части, отсутствием выступов и ступеней внутри, для полного выхода смеси. Смотровое окно 17 позволяет визуально наблюдать движение частиц МПС до полного осаждения.

После формирования песчаной пачки необходимо её осевое сжатие (имитация обжимного/горного давления), для чего служит поршень (не показан) тестовой ячейки 10, передающий давление гидравлической жидкости от гидравлического насоса 21 через пневмогидроаккумулятор 22, что предохраняет песчаную пачку от превышения давления при ее создании, а также компенсирующего падение давления при усадке песчаной пачки. Давление в пневмогидроаккумуляторе 22 нагнетают пневматическим насосом 25 и давление контролируется с помощью манометра 23.

Устройство также снабжено датчиками давления 9, 11, 19 и имеет блок сбора данных и управления 26, которое использует специальное программное обеспечение для вычисления и хранения ключевых параметров испытуемого песчаного фильтра. Передача данных и управляющих сигналов изображена на фигуре в виде пунктирных линий, Сплошные линии показывают перемещение флюидов по устройству. Устройство также оборудовано запорными и контрольными вентилями 2, 5, 8, 15, 16, 24, предохранительным клапаном 4 и сбросовым вентилем 12 для организации подачи жидкости в гидравлической системе. Совокупность вентилей, манометров в дальнейшем обозначена для краткости как запорно-управляющая арматура.

На фиг. 2 показана тестовая ячейка 10, которая представляет собой цилиндр 30, внутри которого вертикально двигается полый шток 27, имеющий в нижней части поршень со сквозными каналами, для выхода рабочей жидкости и масляно-песчаной смеси. Для удержания штока, а также для подачи обжимного давления в надпоршневое пространство используется верхняя гайка 28 с набором уплотнений. В нижней части ячейки, герметично к её корпусу, устанавливается тестируемый образец (в специальной обечайке) 32, который удерживается в нужном положении нижней гайкой 31. Сверху ячейки через полый шток 27 заводится напорная линия, а через боковое отверстие верхней гайки 28 вводится обжимная линия 29 (создает обжимное давление). Обжимная линия 29 питается от насоса 21 и гидроаккумулятора 22 через манометр 20 и запорный вентиль 18 (см. фиг. 1).

Все данные, получаемые от датчиков давления, показания электронных весов при взвешивании прошедшего песка, блока управления насоса, собираются контролером блока сбора данных и управления 26 для вычисления нескольких оценочных параметров с использованием специального программного обеспечения.

Порядок работы устройства для тестирования песчаных фильтров.

Устройство тестирования песчаных фильтров включает блок приготовления масляно-песчаной смеси, которая с помощью насоса через демпфер подается на тестируемый образец песочного фильтра.

В рамках данного изобретения, масляная жидкость выбирают из соображений улучшенной дисперсии частиц песка в жидкости. Вместо технического масла возможно использовать смеси органических растворителей, водно-полимерные растворы и другие флюиды, которые создают дисперсию частиц песка во время тестирования.

При включении основного насоса 3 рабочий флюид поступает в тестовую ячейку 10. Разница давлений на тестовой ячейке создает поток суспензии и вызывает осаждение слоя более крупной фракции песка на фильтре (образование песчаной пачки на фильтре). При этом через обжимную линию 29 через верхнюю гайку 28 создается обжимное давление, которое имитирует реальное полное давление вышележащих пород. При тестировании образца в тестовой ячейке 10 происходит запись истории давления и сохранение истории в блоке управления 26. Прошедшая песчано-масляная смесь (ПМС) собирается в емкости и после фильтрации вычисляют массу прошедших частиц (критерий Ходжа). Также с помощью оптических методов (например, лазерный гранулометрический анализ) в дальнейшем измеряют максимальный размер произведенных частиц песка (фракция частиц d10).

Через заданный промежуток времени на образце песчаного фильтра накапливается песчаная пачка, проницаемость фильтра понижается, и прокачка рабочего флюида (песчано-масляной смеси) прекращается. После разгерметизации ячейки 10 через сбросовый вентиль 12 из тестовой ячейки извлекают образец песчаного фильтра и производят взвешивание загрязненного фильтра для определения массы осажденных на фильтре частиц.

Полученные данные вводят в блок сбора данных и управления 26 и вычисляют параметры для многофакторной оценки песчаного фильтра: это критерий Ходжа, проницаемость фильтра с песчаной пачкой, остаточная проницаемость фильтра, максимальный размер произведенных частиц, скин-фактор фильтра с песчаной пачкой.

Далее повторяют эту процедуру для других образцов песчаного фильтра и выбирают те фильтры с параметрами, которые удовлетворяют ограничительным критериям из таблицы 1.

Пример

Устройство тестирования с описанной конфигурацией позволяет комплексно оценить применимость фильтра к конкретной скважине с имеющимся керном породы (источник песка) и при заданной величине обжимного давления. Совокупность оценочных параметров и приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр Описание параметра Рекомендуемая величина параметра Критерий Ходжа Полная масса частиц песка, прошедших через фильтр Не более 0,41 г с образца диаметром 30 мм (или 0,12 lb/ft2) Проницаемость фильтра с песчаной пачкой Проницаемость образца после формирования песчаной пачки - Остаточная проницаемость фильтра Проницаемость образца после снятия песчаной пачки Не менее 50% Максимальный размер произведенных частиц Размер частиц, проходящих через фильтр (фракция d10) Не более 50 мкм Скин-фактор фильтра с песчаной пачкой Оценка отношения проницаемости кольматированного фильтра с проницаемостью в пласте Менее 1 (<+1)

При этом скин-фактор системы фильтр + песчаная пачка описывается формулой

где k_r - проницаемость пласта, k_g - проницаемость фильтра, r_w - радиус открытого ствола скважины, H - высота фильтра, r_is = r_w - H. Скин-фактор S_g по критериям выбора образцов фильтра должен быть меньше + 1.

Проницаемость фильтра вычисляется по формуле Дарси:

где K - проницаемость (mD), μ - вязкость (сП), L - высота фильтрующей части (см), Q - скорость объемного потока (см³/сек), ΔP - перепад давления (атм), A - площадь образца (см²).

В таблице 2 приведены оценочные параметры при испытании многослойного фильтра. Испытания производились при четырех уровнях обжимного давления (confining pressure).

Таблица 2.

Обжимное давление, атм Проницаемость исходного фильтра, мД Проницаемость грязного фильтра, мД Проницаемость фильтра с пачкой, мД Скин-фактор 0 200750 141151 11000 0,03 27,6 200750 141151 9043 0,037 55,2 200750 141151 5113 0,063 82,7 200750 141151 2081 0,148

Как видно из приведенных табличных данных, отсутствие в ячейке обжимного давления (то есть как в известных устройствах тестирования фильтров) приводит к искажению оценочных параметров (в частности, скин-фактора и проницаемости фильтра с пачкой), что может привести к ошибочному выбору типа песчаного фильтра, а это отрицательно скажется на дебите скважины и на исправности оборудования (особенно насосов).

Таблица 3.

Параметр Результаты теста
фильтра 1 Результаты теста
фильтра 2 Критерий Ходжа 0,01 г 0,017 г Проницаемость фильтра с песчаной пачкой 26,2 мД 19,1 мД Остаточная проницаемость фильтра 49 % 80 % Максимальный размер произведенных частиц 150 мкм 35 мкм Скин-фактор фильтра с песчаной пачкой 0,154 0,195

Как видно из таблицы 3 (оценка двух типов песочного фильтра по нескольким параметрам), описанное устройство позволяет оценить пригодность песочного фильтра при конкретных скважинных условиях. В данном случае, фильтр 2 успешно прошёл испытания по всем указанным критериям, в свою очередь, фильтр 1 испытания провалил: неудовлетворительный результат получен по двум параметрам (остаточная проницаемость фильтра и максимальный размер произведенных частиц).

Предшествующее описание было представлено в виде вариантов осуществления. Специалисты в области техники, к которой относится настоящее изобретение, поймут, что модификации и изменения в описанных структурах могут быть реализованы на практике без существенного отклонения от принципа и объема настоящего изобретения. Соответственно, приведенное выше описание не следует рассматривать как относящееся только к конкретным структурам, описанным и показанным на прилагаемых чертежах, а следует рассматривать в соответствии с приведенными пунктами формулы изобретения.

Изобретение относится к оборудованию для нефтедобывающей промышленности, а именно к оборудованию для борьбы с пескопроявлением. Устройство включает основной насос для прокачки смеси и создания давления, соединенный с блоком подготовки масляно-песчаной смеси, соединенную с блоком подготовки песчано-масляной смеси тестовую ячейку с установленным в ней образцом песочного фильтра для осаждения песчаной пачки, напорную и обжимную линии давления, подключенные к тестовой ячейке, датчики давления и манометры, запорно-управляющую арматуру, емкость для сбора прошедшей через песочный фильтр масляно-песчаной смеси, электронные весы, блок сбора данных и управления, выполненный с возможностью получения данных от датчиков давления, электронных весов, блока управления основного насоса. Тестовая ячейка выполнена с возможностью создания в ней обжимного давления с помощью поршня, передающего давление на песчаную пачку от гидравлического насоса, соединенного с пневмогидроаккумулятором. Повышается информативность испытания, обеспечивается многопараметрическая оценка песочного фильтра. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Устройство для испытания скважинного песочного фильтра по нескольким параметрам, включающее основной насос для прокачки смеси и создания давления, соединенный с блоком подготовки масляно-песчаной смеси, соединенную с блоком подготовки песчано-масляной смеси тестовую ячейку с установленным в ней образцом песочного фильтра для осаждения песчаной пачки, напорную и обжимную линии давления, подключенные к тестовой ячейке, датчики давления и манометры, запорно-управляющую арматуру, емкость для сбора прошедшей через песочный фильтр масляно-песчаной смеси, электронные весы, блок сбора данных и управления, выполненный с возможностью получения данных от датчиков давления, электронных весов, блока управления основного насоса, при этом тестовая ячейка выполнена с возможностью создания в ней обжимного давления с помощью поршня, передающего давление на песчаную пачку от гидравлического насоса, соединенного с пневмогидроаккумулятором.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тестовая ячейка включает корпус ячейки в виде трубы с коническим заужением в нижней части, нижнюю гайку для размещения образца песочного фильтра и верхнюю гайку для подачи нагнетательного и обжимного давления.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок сбора данных и управления выполнен с возможностью вычисления проницаемости образца фильтра с песчаной пачкой, остаточной проницаемости фильтра, критерия Ходжа и скин-фактора фильтра с осажденной песчаной пачкой.