Способ сооружения гравийного фильтра в скважине Советский патент 1989 года по МПК E21B43/04 

Изобретеиие относится к горной промышленности, а именно к технологии сооружения гравийных фильтров в зоне продуктивного пласта.

Целью изобретения является повышение качества сооружаемого гравийного фильтра.

- На фиг. 1 представлена принципиальная схема создания градиента давления в кольцевом пространстве скважины; на фиг. 2 - расчетная схема для анализа характера распределения частиц гравия по крупности в поперечном сечении потока и фильтра; на фиг. 3 - график зависимости скорости движения частицы от фильтровой колонны к стенкам скважины в поле градиента давления от ее крупности; на

фиг. 4 - график зависимости расстояния, проходимого частицей от фильтровой колонны в направлении стенок скважины в поле градиента давления от ее крупности.

Способ осуществляют следующим образом.

В предварительно подготовленную скважину 1 спускают фильтров то колонну 2 с каркасом 3 фильтра с отверстиями и размещенным над ними-дополни тельным фильтром 4. Внутри фильтровой колонны 2 устанавливают вспомогательную колонну 5, а кольцевое пространство между ними герметизируют элементом 6 над верхними отверстиями 7 дополнительного фильтра 4.

СП

а

о

00

31506087

На основании гранулометрического состава продуктивного пласта и конструкции скважины 1, обеспечивающей заданные режимы эксплуатации перед закачкой гравия 8 в нисходящем потоке, определяют гранулометрический состав.

D.

Kd, Dn t,

D,-(Dc - 2Kd)

DT

04

100%,

Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия 8 соответствует размеру отверстий каркаса 3 фильтра, определяется из формулы

n

(1-b

( 2tf - I

D

т

D

100%,

Изобретение относится к горной промышленности. Цель - повышение качества сооружаемого фильтра. Предварительно определяют гранулометрический состав песка продуктивного пласта. Далее спускают в скважину фильтровую колонну с каркасом фильтра с отверстиями и размещенным над ними дополнительным фильтром вспомогательной колонны. Герметизируют кольцевое пространство между вспомогательной и фильтровой колоннами. Перед закачкой гравия определяют его состав. В процессе закачки гравия в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и станками скважины поддерживают градиент давления. Последний определяют по формуле. Величину градиента давления в процессе закачки увеличивают от минимальных значений до максимальных путем регулирования перепада давлений на фильтре. 4 ил. 1 табл.

К

де

30

Ц,, D.«,

Dn диаметры частиц гравия, 15 соответствующие 50%-ному m% и п%-ному ситовому отсеву соответственио, И - средний диаметр частиц

песка продуктивного плас- 20 ста,

t - размер отверстий фильтра, К - коэффициент межслойности, К„ - коэффициент неоднородности гравия.

Средний диаметр частиц гравия В ыбирается равным половине суммы средего диаметра частиц песка продуктивого пласта, умноженного на коэффииент межслойности и размера отвертий каркаса 3 фипьтра. Затем оп- редЪляют процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия 8 соответствует среднему диаметру частиц песка продуктивного пласта, умноженному на коэффициент межслойности, и размеру отверстий каркаса 3 фильтра. Искомый процент ситового отсева определяется из условия необходимости равномерного перекрытия поверхности стенок скважины и каркаса 3 фильтра частицами 8 фракций D, и D „ соответственно количеством слоеб, определяемых из окатанности- гравия 8 назначения скважины 1 и условий эксплуатации. Количество слоев гравия, учитываемое коэффициентами надежности а и Ь, выбирается от 3 до 10, исходя из необходимости исключения миграции через частицы 8 оп- 50 ределенной фракции более мелких частиц.

35

40

45

Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия 8 соответствует среднему диаметру частиц песка продуктивного пласта, ноженному на коэффициент межслойно- сти, определяется из формулы

m

(Рс - 2Kd) DC - D;

100%,

где a,b - коэффициенты надежности; DC диаметры скважины и

фильтровой колонны соответственно,

а в процессе закачки в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и стенками скважины поддерживают градиент давления

gradP

йР fD arch l ;.Ii-(Q+UFr г

36yui-t-H)F-vr0

0

5

0

5

5

гдедР - перепад давлений на фильтре; г - расстояние между стенками

скважины и каркасом фильтра; f - плотность жидкости-носителя ;

1 - высота дополнительного фильтра;V- коэффициент сопротивления

обтеканию частицы; Q - производительность закачки; и - гидравлическая крупность частиц характерного диаметра DH;

F - площадь кольцевого пространства между каркасом фильтра и стенками скважины; Н - высота гравийного фильтра от забоя до верхних отверстий каркаса основного фильтра) V - объем закаченного на данный

момент гравия.

Закачку гравия 8 выбранного фракционного состава осуществляют в нисходящем потоке через кольцевое пространство 9 скважины 1 или через специальный распределительный узел. ,

Скорости движения смеси в кольцевом пространстве 9 постепенно уменьшаются от максимальных значений в глухой части 10 над верхними отверстиями 7 каркаса дополнительного

фильтра Л до нуля у уровня уже намытого гравийного фильтра за счет перетекания жидкости через отверстия фильтров и 3. За счет перетекания через фильтры 3 и 4 скорости движения нисходящего потока в кольцевом пространстве между фильтрами 3, 4 и вспомогательной колонной 5 возрастают от миним альных значений у уров- ня верхних отверстий 7 фильтра Д до максимальных значений у уровня уже намытого гравийного фильтра, Средние скорости нисходящего потока в кольцевом пространстве 9 между фильтрами 3 и 4 и вспомогательной колонной 5 выше, чем в кольцевом пространстве 9 между фильтрами 3 и 4 и стенками скважины 1 .С учетом потерь напора в фильтрах 3 и 4 при перетекании жидкости из кольцевого пространства 9 скважины I внутрь фильтров 3 и 4 ЛР величину градиента давления в процессе закачки увеличивают от минимальных значений при V О до максимальных при V -Н F путем регулирования перепада давления в кольцево пространстве, определяемом по формуле

I - i

ЛР f (V - Сз) -ДР

где f- плотность жидкости-носителя,

DM средняя скорость нисходяще- го потока внутри фильтров 3 и 4. Uj, - средняя скорость нисходящего

потока за фильтрами 3 и 4. Разница давлений в кольцевом про- странстве 9 за фильтрами 3 и 4 и внутри их обуславливает возникновение и поддержание между стенками скважины 1 и фильтрами 3 и 4 градиента давления, величина которого опре- деляется из выражения

г

gradP 2

гд DC - диаметр скважины 1,

D - наружный диаметр фильтров.

При попадании гравийных частиц 8 в зону влияния градиента давления на них начинает действовать сила градиента давления, способствующая смещению частиц 8 от стенок скважины 1 в направлении фильтров 3 и 4. Сила

5 0 5

0

,

О 5

0

j

градиента давления определяется из выражения

3 /DgradPdS CgradP,

где О - размер частицы гравия, S - площадь Мидделевого сечения частицы ,

Сила сопротивления действует в направлении частиц от фильтров 3 и 4 к стенкам скважины J и определяется по формуле

FC f f оЧ-/,

где V - коэффициент сопротивления

обтеканию;

f- плотность жидкости-носителя, V, - скорость перемещения частицы в направлении фильтровой колонны 2.

Учитывая, что сила градиента давления Гя пропорциональна кубу диаметра частиц 8, а сила сопротивления - их квадрату, можно утверждать, что с увеличением размера частиц 8 сила градиента давления растет быстрее, чем сила сопротивления. В этой связи, наиболее крупные частицы 8 гравия быстрее смещаются к поверхности фильтров 3 и 4, чем более мелкие. Характер движения и распределения частиц 8 в поперечном сечении гравийного фильтра определяется уравнениями, полученными на основании решения дифференциальных уравнений движения частиц под влиянием сил градиента давления и сопротивления.

Расстояние, на которое частица 8 гравия сместится в направлении каркаса фильтра 3,4 за время движения от верхних отверстий 7 до уже намытого слоя гравия, определяемого из уравнения Риттингера, зависит от величины градиента давления, размера частицы, плотности гравия и жидкости-носителя. Регулирование характеристик расслоения гравия по фракциям в поперечном сечении гравийного фильтра 3 и 5 осуществляется в зависимости от конструкции скважины I, гранулометрического состава песка и соответственно частиц 8 гравия, коэффициента неоднородности гравия, за счет выбора рациональных скоростей движения нисходящего потока за и внутри фильтров З и 4. Регулирование скоростей потока за и внутри фильтров 3 и 4 может осуществляться за счет сужения площади живого сечения потока за и внутри фильтров 3 и 4,

Учитывая, что в начальный момент закачки при V 0 время движения частиц 8 гравия в поле градиента давления , определяемое с учетом уравнения Риттингера, максимальное, а в конеч- ньА момент закачки при соответствии V расчетным значениям - минимальное, то для поддержания постоянных характеристик фракционирования необходимо по мере намыва гравия 8 увеличивать градиент давления. Необходимое уве- личение градиента давления обеспечивается путем увеличения разницы скоростей нисходящего потока за и внутри фильтров 3 и 4, определяемого из уравнения,

Пример. Скважина в интервале водоносного пласта, сложенного слабосцементированными песками со средним размером частиц d 0,1 мм, расширена под гравийную обсьшку до диаметра 490 мм. С учетом заданных режимов эксплуатации диаметр расширения соответствует зоне возникновения турбу- лизации потока, а каркас фильтра диаметром 377 мм имеет ширину щели 3 мм Средний размер гравия выбирается из условия

D 1,77,

D Kd 4 -0,1 0,4 мм;

Dr К.

t 3,0 мм; 7,5.

Эксперименты показали, что задержание более мелких частиц обеспечивается при заданных режимах эксплуатации и окатанности гравия при 4-5 слоях гравия одного размера. На основании этого значения коэффициентов надежности были приняты равными пяти.

Процент ситового отсева, после которого размер частиц гравия соответствует среднему размеру частиц водо- носного пласта, определяем .из формулы

° ;f of 0°

m

- 0.9-(0,49-2-4.0,0001/ .- 50,,377

m 4%

Процент ситового отсева, после которого размер частиц гравия соответ- ствует размеру отверстий фильтра, определяем из формулы

„ (,-ь ° (.-5-°- o;°i°° -37°s ) ooz

n 77%

На основании полученного D Kd 4.0,1 0,4 мм, D,- t

3мм, К -М 7,5

В скважину устанавливают фильтровую колонну с каркасом фильтра. На высоте 0,5 м над верхними отверстиями фильтра устанавливают дополнительный проволочный фильтр длиной 0,5 м.

Закачку гравийной смеси осуществляют в нисходящем потоке .

Расчеты по формуле.Риттингера с учетом скорости движения смеси показали, что движение частиц гравия крупностью 3 мм от верхних отверстий дополнительного фильтра до ни)(сних отверстий основного фильтра происходит в течение 30 с, а до верхних отверстий основного фильтра - в течение 2 с. Частицы крупностью 3 мм в процессе закачки должны преодолеть среднее расстояние в плоскости, пер0,49-0,377 4

пендикулярнои оси скважины

0,0565 м в начальный момент закачки за 30 с, а в конечный момент - за 2 с.

Градиент давления, при котором частица крупностью 3 мм смещает на 0,0565 м за 30 с .определяется из выражения

gradP

i « b44|i

77

,«. 0,6-0,0565 -arch 1 -0,003

0,03657 кг/м с{

Определение начального минимального градиента давления осуществляется графическим путем при анализе графиков на фиг. 4.

Градиент давления, при котором частица крупностью 3 мм смещается на 0,0565 м за 2 с, определяется аналогично и составляет

.с

6vr

ii D

77

//.1000.0,003 6 0,1 0,0565 36-0,1 2 «.0,003

8,275

кг

Учитывая, что градиент давления в кольцевом пространстве скважины определяется разницей скоростей движения нисходящего потока внутри фильтровой колонны и снаружи, получаем необходимую разницу скоростей движения потока за и внутри фильтровой колонны, при которой поддерживаются градиенты давления в кольцевом пространстве скважины gradP и gradP,

Для установления в кольцевом пространстве скважины градиента давлени gradJPj ij. необходима разница средних скоростей движения нисходящего потока за и внутри фильтра

изф,

0,785(0 - D)

0.02.

0,785(0,49 - 0,377)

Зф

0,13-,

(- 1у-

О-, 3072-, йф, 0,26143

Для установления в кольцевом пространстве скважины градиента давления gradP AKc необходима разница средних скоростей движения нисходящего потока за и внутри фильтра.

,-: . . tfrr . gradPMt«H о 2f

м

м

- 0,1300032 ,- 0,2600064 Таким образом, средние скорости потока за и внутри фильтра должны из

меняться в процессе закачки согласно условиям

t 0-2 с изфеСиз,,,: t 30 с ,26 ,-

,26 ; 0, и , U,«.,J,

,- 0,26143 ;

15

0,2600064 J

Учитывая, что средняя скорость движения нисходящего потока внутри фильтра определяется скоростью по2Q тока внутри фильтра на уровне поверхности уже намытого гр авийного фильтра, а та в свою очередь зависит от площади сечения нисходящего потока, можно утверждать, что заданное

25 изменение скоростей потока внутри фильтра обеспечивается за счет установки внутри фильтровой колонны вспомогательной колонны в виде усеченного конуса с минимальным диаметром у ниж30 них отверстий основного фильтра

JD;Q

0,785AU «,

f

36 0,02

0,785 0,2600064

0,177 м

и максимальным диаметром у верхних 40 отверстий основного фильтра

45

0,785t 0,26143 0,180 м.

Качество соружения фильтра проверяют. Для чего в скважине устанавCQ ливают специальные контрольные устройства - пробоотборники, установленные у нижних, верхних отверстий каркаса основного фильтра и в середине каркаса основного филбтра. 0сгс татки гравийной обсыпки удаляют промывкой. Контрольные устройства обеспечивают отбор фракционного состава гравия из интервалов: каркас фильтра 0 377 мм - ( мм- /З 41 5 мм

111506087

452 мм; 452 - стенки скважины 490 мм. Анализ проб показывает по- j степенное уменьшение размера частиц гравия в фильтре от каркаса фильтра в направлении стенок скважины.

Данные анализа показаны в таблице.

После проведения анализа гранулометрического состава проб, на основании которого устанавливают удовлет ворительное качество фракционирования частиц в поперечном сечении кольцевого устройства, скважину сдают в эксплуатацию практически без освоения.

Формула изобретения

Способ сооружения гравийного фильтра в скважине, заключающийся в предварительном определении гранулометрического состава песка продукти ного пласта и последующем спуске в скважину фильтровой колонны с каркасом фильтра с отверстиями и размещенным над ними дополнительным фильтром вспомогательной колонны, герметизации кольцевого пространства между вспомогательной и фильтровой колоннами и закачку гравия в нисходящем потоке, отличающийся тем, что, с целью повышения качества со- ружаемого фильтра, перед закачкой гравия определяют его состав по следующим формулам:

KJ+t

D -,

D

Kd, D,

t.

К,

t

КсГ

е

D, D«

0„

- диаметры частиц гравия, соответствующие 50%-ному т%- и п%-ному ситовому отсеву; d - средний диаметр частиц

песка продуктивного пласта;

t - размер отверстий фильтра; К - коэффициент межслойности; KY, - коэффициент неоднородности гравия,

т%- и п%-ный ситовый отсев опредеют по формуле

m а

12

DC -(DC -2Kd)

(I-b

10

15

где a и b D, и D,

коэффициенты надежности, диаметры скважины и фильтровой колонны соответственно;

причем в процессе закачки гравия в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и стенками скважины поддерживают градиент давления, который выбирают из выражения

г.

.

gradP

6Р

г

(

36П(1 «- Hj- - v)«

5

5

0

5

где

0

U Р

г

Р1ТQи-р

перепад давлений на фильтре, расстояние между каркасом фильтра и стенками скважины,

плотность ж.щкости-носителя, высота дополнительного фильтра;

коэффициент сопротивления обтеканию частицы; производительность эакачки, гидравлическая крупность частиц характерного диамет- Ра D«,площадь кольцевого пространства между каркасом фильтра и стенками скважины; Н - высота гравийного фильтра

от забоя до верхних отвер- стий каркаса фильтра; V - объем закаченного на данный

момент гравия,

а величину градиента давления в процессе закачки увеличивают от минимальных значений при V О до максимальных значений при V HF путем регулиро- вания перепада давлений на фильтре, определяемого по формуле

ЛР

J(u - иЛ)-лр ,

Ч

0

где Uj

4Р

J,

средняя скорость нисходящего потока внутри и за фильтром- каркасом;

потери напора в каркасе фильтра.

x/v

Цуф

9иг,1

m

-f/W,

ФигЛ

9,0

gniif 25c

(91

01

Редактор Г. Волкова

О (001 0,003 HOOS 0,01 ,СМ/

«1Л

Составитель Е. Молчанова

Техред М.Дидык Корректор В. Кабаций

Заказ 5401/32

Тираж 514

ВНИИ11И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Л.Т

0.09

кг

ВГий Р -25, t Sc

0.05

0.01

О 0,001 0.003 O.OOS

Риг.З

0,01 й.п

fnaff S t 5с

Подписное