Способ сооружения гравийного фильтра в скважине и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК E21B43/08 

1

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении гравийного фильтра в скважине.

Цель изобретения - повышение ка- чества сооружаемого фильтра и снижение затрат на сооружение.

На фиг.1 показано устройство, установленное в скважине, общий вид$ на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 на фиг.З - принципиальная схема разделения гравийных частиц в поперечном сечении отклонителя по крупности.

Способ осуществляют следующим об- разом.

На основании гранулометрического состава продуктивного пласта и конструкции скважины, обеспечивающей заданные режимы эксплуатации, выби- рают гранулометрический состав гравия. Средний диаметр частиц гравия выбирают равным половине суммы среднего диаметра частиц песка продуктивного пласта, умноженного на коэф- фициент межслойности и размера отверстий каркаса фильтра. Затем определяют процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия соответствует среднему диаметру час- тиц песка продуктивного пласта и размеру отверстий каркаса фильтра. Искомый процент ситового отсева определяется из условия необходимости равномерного перекрытия поверхности стенок скважины и каркаса фильтра

частицами фракций Бьи Dh соответственно количеством слоев, определяемых из окатанности гравия, назначения скважины и условий эксплуатации. Количество слоев гравия, учитываемое коэффициентами надежности а и Ъ, выбирается рт 3 до 10, исходя из необходимости исключения миграции через частицы определенной фракции более мелких частиц.

Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия соответствует среднему диаметру частиц песка продуктивного пласта, умноженного на коэффициент межслойности, определяется из формулы

m a

2L I iD c r 2Kcl}.i

D. -

100%.

Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия соответствует размеру отверстий каркаса фильтра, определяется из формулы

(1 - Ь

(

1 Ч

100%.

Способ заключается в установке фильтровой колонны с каркасом фильтра и закачке гравийной смеси в нисходящем потоке по колонне труб. В процессе закачки гравийную смесь направляют под углом 5-20 ° к оси скважины, осуществляют закачку гравия гранулометрического состава

Kdj- t 2

Ъю Kd, Dn t;

v - - KH Kd

14813844

что она двигается в отклонителе тойчивом режиме, если подъемная Fh компенсирует силу тяжести за четом силы Архимеда FT - Рд

Изобретение относится к горному делу. Цель изобретения - повышение качества сооружаемого фильтра и снижение затрат на сооружение. Устанавливают фильтровую колонну с каркасом фильтра. Закачивают гравийную смесь в нисходящем потоке по колонне труб. В процессе закачки гравийную смесь над каркасом направляют под углом 5-20° к оси скважины. Закачивают гравий гранулометрического состава с учетом диаметра частиц гравия, среднего диаметра частиц песка продуктивного пласта, размера отверстий фильтра. При прохождении гравийной частицы через отклонитель наиболее крупные частицы движутся у лежачего бока, а мелкие взвешиваются в потоке. Устройство для осуществления данного способа содержит фильтровую колонну 1, бурильную 2 и вспомогательную 3 колонны, соединяющий эти колонны распределительный узел 4, герметизирующий элемент 12 в кольцевом пространстве 11 скважины. Узел 4 выполнен в виде конусного выступа 5 с вершиной, обращенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом 5-20°, и ответного конусного углубления 6. Оно соединено с выступом 5 параллельными оси скважины патрубками 7, имеющими отверстия 8. Последние совпадают с отверстиями 9 и 10, выполненными в выступе 5 и углублении 6. Гравийная смесь поступает в пространство 11, где откидывается гравий, жидкость отфильтровывается в колонне 1, а через колонну 3 и углубления 6 по пространству 11 поднимается к устью. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

де П, Dw, Г) h - диаметры частиц гравия, соответствующие 50%-, т- и п-процент- ному ситовому отсеву

соответственноj

d - средний диаметр частиц песка продуктивного пласта}

t - размер отверстий фильтра-,

К - коэффициент межСЛОЙНОСТИj

К н - коэффициент неоднородности гравия;

D| - (Dc- 2Kd)2

m а

D c - D«4

100%;

(1 b )) .

n- -

-

a, b - коэффициенты надежности,

DC,D - диаметры скважины и фильтровой колонны соответственно.

При прохождении гравийной смеси через отклонитель наиболее крупные частицы движутся у лежачего бока (при выходе и колонны труб), а мелкие взвешиваются в потоке, причем чем мельче частицы, тем ближе они движутся в установившемся режиме к продольной оси симметрии отклонителя и тем с большей горизонтальной скоростью они перемещаются от Лильтро- вой колонны к стенкам скважины после прохождения отклонителя и на тем большее расстояние удаляются от каркаса фильтра в процессе формирования гравийной обсыпки.

Взвешивание частиц гравия в отклонителе происходит под воздействием подъемной силы, обусловленной градиентом скорости в поперечном сечении потока в отклонителе. В процессе закачки необходимо, чтобы частицы гравия крупностью D h и большей откладывались в непосредственной близости от каркаса фильтра. Для этого необходимо, чтобы частицы крупностью D. и большей двигались по леП

жачему боку отклонителя.

Учитывая влияние действующих на частицу гравия сил, можно записать,

10

Fn yf s(v - v|); Г)3

FT - Р„ - - gOv-f),

15

20

25

r i

v где S - площадь миделевого сечения частицы крупностью Dn;

скорости обтекания частицы по противоположным относительно продольной оси симметрии потока сторонам,- диаметр частицы гравияj g - ускорение свободного падения.

Частица крупностью D h в установившемся режиме двигается у лежащего бока отклонителя, если градиент скорости у лежачего бока отклонителя равен

В. 30

dv 2 fr-f gsino/ Dn 3 цГ

(1)

Требуемый-градиент скорости у лежачего бока отклонителя обеспечивается заданием определенного расхода закачки:

для ламинарного потока

40

«Ъ2от1 fr-f gDjjjii

/2Т (1 -lHLzIpalЈJ 7

Јт

для турбулентного режима

71 DirDU7 /2 Pr F gsinrf 4 96 (20 Уз у™

где DOT - диаметр отклонителя или расстояние между лежачим и висячим боками отклони-- теля.

Анализ уравнений для ламинарного и турбулентного режимов движения смеси показывает их хорошую сходимость для пристенной области потока.

При закачке градиент квадрата скорости по сечению частицы крупностью

Dn(-) при выходе гравийной смеси

пп из колонны труб поддерживают соглас

5

но формулы (1) путем изменения расхода смеси.

Устройство содержит фильтровую колонну 1, бурильную 2 и вспомогательную 3 колонны, соединенные распределительным узлом 4, выполняющим функцию отклонителя. Распределительный узел 4 выполнен в виде конусного выступа 5 с вершиной, обращенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом 5 20 , и ответного конусного углубления 6, соединенного с конусным выстпом 5, параллельными оси скважины патрубками 7, причем отверстия 8 в патрубках 7 совпадают с отверстиями 9 и 10, выполненными в конусном выступе 5 и углублении распределительного узла 4. Кольцевое пространство 11 между распределительным узлом 4 и стенками скважины или обсадной колонны загерметизировано элементом 12.

Устройство работает следующим об- 25 предложенной технологии формируется

разом.

В скважину устанавливают фильтровую колонну 1. Над фильтровой колонной 1 устанавливается распределительный узел 4, соединяющий вспомогательную 3 и бурильную 2 колонны. Кольцевое пространство 11 скважины над распределительным узлом 4 изолируют элементом 12.

гравийный фильтр с размером частиц, постепенно уменьшающимся от каркаса фильтра к стенкам скважины от значений Dh до значений Dm. Величина m

30 выбирается исходя из условия необходимости перекрытия песка продуктивного пласта устойчивым суффозионным слоем толщиной 3-10D,,,. Обычно m составляет 10-15% ситового отсева, а Закачку гравийной смеси осуществ- 35 cm принимается Равным 2-6 среднего ляют при комбинированной циркуляции. диаметра песка продуктивного пласта. Смесь в нисходящем потоке транспорта- Отклонитель устанавливается от

верхних отверстий фильтровой колонны 1 на расстоянии, при котором проис- 40 ходит стабилизация движения частиц в потоке после прохождения отклонируется по бурильной колонне 2 и четупом 5 и ответным углублением 6 по- ступает в кольцевое пространство 11 скважины, гре гравий откладывается, а жидкость-носитель отфильтровывается через фильтр фильтровой колонны 1 и в восходящем потоке через вспомогательную колонну 3, отверстия в конусном выступе 5, патрубках 7, конусном углублении б и по кольцевому пространству 11 скважины выше элемента 12 поднимается к устью.

При прохождении через отклонитель гравийная смесь отклоняется от оси скважины.Установлено, что наиболее стабильное отклонение направления движения смеси наблюдается при углах установки отклонителя 5-20° к оси скважины. При больших углах отклонитель в скважине практически не обеспечивает отклонения смеси, а игтеля. Стабилизация или установившийся режим наступает тогда, когда с увеличением времени движения частицы

45 в потоке расстояние между ней и фильтровой колонной 1 практически не увеличивается. Высоту установки отклонителя от верхних отверстий фильтровой колонны 1 при заданных режимах

50 закачки, конструкции скважины и отклонителя определяют путем решения дифференциального уравнения движения частицы после отклонителя в кольцевом пространстве 11 скважины. Ре55 ально, высота установки отклонителя от верхних отверстий фильтровой колонны составляет от 5 до 10 м.

Применение предложенного устройства позволяет получить Фильтры вы

рает роль местного сопротивления. Угол отклонения меньший, чем 5, ухудшает качество фракционирования частиц в отклонителе и зафильтровом пространстве скважины. Длина отклонителя выбирается исходя из обеспечения устойчивого, установившегося режима движения частиц на выходе из отклонителя.

При установлении в процессе закачки расхода смеси через отклони- тель, рассчитанного по формулам, частицы крупностью D h и более дви- 5 жутся у лежачего бока отклонителя с минимальными скоростями, а более мелкие взвешиваются в потоке и движутся с большими скоростями. Учитывая, что чем больше скорость движения частицы на выходе из отклонителя, тем на большее расстояние она удаляется от фильтровой колонны 1 в процессе формирования обсыпки, можно утверж0

дать, что в процессе закачки по

гравийный фильтр с размером частиц, постепенно уменьшающимся от каркаса фильтра к стенкам скважины от значений Dh до значений Dm. Величина m

теля. Стабилизация или установившийся режим наступает тогда, когда с увеличением времени движения частицы

в потоке расстояние между ней и фильтровой колонной 1 практически не увеличивается. Высоту установки отклонителя от верхних отверстий фильтровой колонны 1 при заданных режимах

закачки, конструкции скважины и отклонителя определяют путем решения дифференциального уравнения движения частицы после отклонителя в кольцевом пространстве 11 скважины. Реально, высота установки отклонителя от верхних отверстий фильтровой колонны составляет от 5 до 10 м.

Применение предложенного устройства позволяет получить Фильтры высокого качества, в которых размер частиц гравия постепенно уменьшается от фильтровой колонны 1 в направлении стенок скважины. Такое фракционное распределение частиц обеспечивает .оптимальную суффоэионную устойчивость фильтра и позволяет снизить его гидравлическое сопротивление.

Формула изобретения

5 В Kd; Dn t;

К« КЗ

де Р, Р, Dn - диаметры частиц гра- 35 вия, соответствующие 50%-, т- и п-процент- ному ситовому отсеву соответственно;

К - коэффициент межслой- 40 ности-,

d - средний диаметр час- -тиц песка продуктивного пласта

t - размер отверстий 45 фильтра;

К н - коэффициент неоднородности гравия;

Q

$ 0 5

0

5

0

5

m.a5l-r-(2-C |5Jii.,ooZ;

п - (1 - ь ffiSL aL a,««.

где a, b коэффициенты надежности, диаметры скважины и

фильтровой колонны соответственно;

а градиент квадрата скорости по сечению частицы крупностью Р«(-г-)

Пл

при выходе гравийной смеси из колонны труб поддерживают равный

gsinaf § р цГ

где dv2 - разница квадратов скоростей обтекания частицы,4 fr, плотность гравия и жидкости-носителя соответственно;

8 - ускорение свободного падения;d - угол наклона откпонителя

к оси скважины;

(у - коэффициент сопротивления обтеканию частицы путем изменения расхода смеси. 2. Устройство для сооружения гравийного фильтра в скважине, содержащее фильтровую колонну, бурильную и вспомогательную колонны, соединяющий эти колонны распределительный узел, герметизирующий элемент в кольцевом пространстве скважины, отличающееся тем, что распределительный узел выполнен в виде конусного выступа с вершиной, обращенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом 5-20°, и ответного конусного углубления, соединенного с конусным выступом параллельными оси скважины патрубками, причем отверстия в патрубках совпадают с отверстиями, выполненным в конусных выступе и углублении.

А-А

Фиг. 2,