Способ повышения устойчивости призабойной зоны скважины к разрушению

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для повышения устойчивости породы-коллектора в призабойных зонах скважин к разрушающим нагрузкам, развивающимся в процессе эксплуатации скважин на месторождениях нефти и газа, а также при эксплуатации скважин на подземных хранилищах газа (ПХГ).

Вынос песка в ствол добывающей скважины приводит к осложнениям при ее эксплуатации из-за образования песчаных пробок в стволе, препятствующих подъему пластового флюида на поверхность, а также к ускоренному износу скважинного оборудования. Известны способы борьбы с выносом частиц разрушенной породы в ствол скважины путем снижения ее дебита, установки противопесочных фильтров различных конструкций Недостатками этих способов является снижение производительности скважин, снижение ее продуктивности за счет роста фильтрационного сопротивления призабойной зоны при закупорке фильтров, быстрый выход фильтров из строя при интенсивном выносе песка. (Алиев З.С., Андреев С.А., Власенко А.П. и др. Технологический режим работы газовых скважин. - М: Недра, 1978. - 279 с.; Сьюмен Д., Эллис Р., Снайдер Р. Справочник по контролю и борьбе с пескопроявлениями в скважинах. - М: Недра, 1986. - 176 с.).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ расширения призабойной зоны скважины с помощью расширителей различных типов с последующим цементированием образующейся каверны или заполнением ее песчано-гравийной смесью, выполняющей роль фильтра, задерживающего частицы разрушенной породы. Недостатком этого способа является формирование зон концентрации напряжений в призабойной зоне скважины при изменении пластового давления и обусловленная этим неустойчивость границ каверны к разрушающим нагрузкам (Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин. - М.: "Недра-Бизнесцентр", 2003. - 556 с.).

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение устойчивости призабойных зон скважин к разрушающим нагрузкам, развивающимся при их эксплуатации.

Техническая задача решается тем, что способ повышения устойчивости призабойной зоны скважины к разрушению включает бурение скважины, спуск обсадной колонны, цементирование заколонного пространства скважины, причем перед спуском обсадной колонны в зоне контакта продуктивного пласта с его непроницаемой кровлей бурят или размывают конусообразную каверну с вершиной, обращенной внутрь пласта, при этом параметры каверны удовлетворяют условиям:

R_c-R-δ≥4 см,

5°≤α≤30°,

где R_c - радиус каверны, отсчитываемый от оси скважины вдоль поверхности контакта продуктивного пласта с его кровлей, см;

R - радиус скважины, отсчитываемый от оси скважины до внутренней поверхности обсадной трубы, см;

δ - толщина стенки обсадной трубы, см;

α - угол между образующей каверны и обсадной трубой, град.

Внешнюю поверхность обсадной трубы в зоне формирования каверны выполняют ребристой.

На фиг. 1а представлена схема развития касательных напряжений на внешней стенке обсадной трубы при снижении давления в продуктивном пласте.

На фиг. 1б представлено распределение касательных напряжений в области их концентрации вблизи линии контакта продуктивного пласта с его кровлей.

На фиг. 2а схематично представлена приствольная зона скважины с цементируемой каверной в области концентрации касательных напряжений на стенке обсадной трубы.

На фиг. 2б представлено распределение касательных напряжений при различных параметрах цементируемой каверны.

На чертежах цифрой 1 показана обсадная труба, цифрой 2 - непроницаемая порода в кровле пласта, цифрой 3 - порода в продуктивном пласте. Стрелками показаны сжимающие напряжения, действующие на пласт со стороны его кровли при снижении пластового давления. Переменными r, z отмечены координаты в радиальном и вертикальном направлении, переменной τ_rz и стрелками отмечены касательные напряжения на внешней поверхности обсадной трубы, развивающиеся при снижении давления в продуктивном пласте. Каверна конусообразная, цементируемая после спуска обсадных труб, отмечена цифрой 4, 5 - линия, соответствующая поверхности контакта цементного камня с породой-коллектором, 6 - распределение касательных напряжений вдоль стенки обсадной трубы при отсутствии цементируемой каверны, 7 - распределение касательных напряжений вдоль стенки обсадной трубы при отсутствии цементируемой каверны при Δh=20 см, цифрой 8 - при Δh=40 см.

При снижении пластового давления в залежи развиваются значительные по величине касательные напряжения в цементном кольце, жестко связывающем породу со стальными обсадными трубами (фиг. 1а). Своих максимальных значений касательные напряжения достигают вблизи кровли пласта, то есть, вблизи поверхности контакта насыщенной проницаемой породы с непроницаемыми породами (фиг. 1б). С целью исследования возможностей повышения устойчивости призабойной зоны скважины к разрушению числено рассчитывалась задача, соответствующая следующему предлагаемому изменению конструкции скважины (фиг. 2а).

При численном исследовании эффективности предложенного изменения конструкции скважины принималось, что упругие константы цементной каверны совпадают с константами породы в кровле пласта, остальные определяющие параметры принимались такими же, как и в предыдущих расчетах, результаты которых представлены на фиг. 1б. Для упрощения расчетов параметры цементного камня в затрубном пространстве скважины также принимались равными параметрам горной породы. На фиг. 2б, представлено распределение касательных напряжений вдоль стенки обсадной трубы при глубине каверны R_c=15 см (R_c-R-δ=4 см).

С физических позиций механизм концентрации разрушающих сдвиговых напряжений на поверхности обсадных труб может быть объяснен следующим образом. При снижении пластового давления дополнительная вертикальная нагрузка на породу воспринимается скелетом пласта и приводит к его сжатию. Стальные обсадные трубы, представляя собой жесткое включение внутри деформируемой среды, будут препятствовать ее сжатию, что приводит к росту сдвиговых (касательных τ_rz) напряжений на поверхности труб и в породе вблизи этой поверхности. В целях упрощения на фиг. 1 не выделена область цементного кольца вокруг обсадной трубы и при проведении численных расчетов, пренебрегалось отличием упругих характеристик цементного камня от аналогичных характеристик горной породы. Основанием для такого упрощения служит то обстоятельство, что доминирующую роль в формировании зоны концентрации касательных напряжений играет жесткость (модуль Юнга) стальной обсадной трубы, существенно более высокая (более чем на порядок) сравнительно с жесткостью горной породы и цементного камня.

При этом важно отметить, что поверхность контакта цементного камня с породой, хотя и находится на некотором удалении от области пиковых значений касательных напряжений на обсадной трубе, тем не менее, является еще одной зоной развития разрушающих напряжений, поскольку между цементным камнем и горной породой существует промежуточный слой из остатков глинистой корки, формирующейся в процессе бурения скважины и обладающий низкой прочностью на сдвиг.

Разрушение связи между обсадной колонной (цементным камнем) с породой-коллектором само по себе не является источником выноса значительного объема песка или микрочастиц породы, поступающих в ствол скважины вместе с потоком газа, но является причиной активизации процесса разрушения породы-коллектора в других областях концентрации напряжений в призабойной зоне скважины. Такими зонами концентрации избыточных напряжений, приводящих к формированию больших объемов разрушенной породы, являются окрестности перфорационных каналов. Действительно, как следует из точных решений теории упругости, описывающих распределение напряжений в окрестности полости эллиптической формы, в окрестности таких полостей происходит концентрация сжимающих или растягивающих напряжений, причем, величина пиковых значений напряжений многократно превышает величину внешней нагрузки.

Из изложенного следует, что прочная, ненарушенная связь между обсадной колонной и цементным камнем, а также между цементным камнем и породой-коллектором препятствует смещению породы вдоль обсадной трубы, которая в этом случае в силу большей жесткости (модуля Юнга) будет принимать на себя значительную часть внешней нагрузки, действующей на перфорационные каналы. При разрушении этой связи порода будет смещаться вдоль обсадной трубы и вся избыточная нагрузка, обусловленная изменением пластового давления, будет приходиться на перфорационные каналы, вызывая их разрушение, что и является основной причиной выноса больших объемов частиц разрушенной породы в ствол скважины

Сущность изобретения заключается в следующем.

После завершения бурения скважины, перед спуском колонны обсадных труб 1, в области контакта продуктивного пласта 3 с его непроницаемой кровлей (то есть в зоне развития максимальных касательных напряжений на стенке обсадной трубы 1), в породе с помощью расширителей выбуривается (размывается) конусообразная, цементируемая после спуска обсадных труб, каверна 4 с глубиной по радиусу R_c (см), отсчитываемому от оси скважины (или с глубиной R_c-R-δ, отсчитываемой от стенки скважины), вдоль линии контакта продуктивного пласта и его кровли, высотой Δh (см) в продуктивном пласте 3 и соответствующим углом α между образующей конуса и образующей обсадной трубы 1. При этом вершина конуса обращена внутрь продуктивного пласта 3. Наличие такой зацементированной, то есть, жесткой каверны 4 должно, во-первых, сместить точку пиковых касательных напряжений вниз и, во-вторых, уменьшить это пиковое напряжение за счет того, что в каверне 4 сжимающие нагрузки, действующие на пласт (изображены стрелками), действуют не вертикально вниз вдоль обсадной трубы 1, а под некоторым углом к ней. В целом, формирование такой каверны 4 должно привести к «размазыванию» зоны концентрации касательных напряжений на обсадной трубе 1 и к снижению их максимальных значений и, соответственно, обеспечить повышение устойчивости этой зоны к разрушению.

Наиболее подходящими для формирования каверны заданного профиля представляются гидромониторные расширители, размывающие породу высоконапорными струями жидкости, поскольку в этом случае требуемая конусообразность формы каверны достигается варьированием скорости истечения жидкости из насадок, скоростью движения гидромониторного расширителя вдоль оси скважины и скоростью его вращения. После формирования каверны строительство скважины продолжается традиционным образом - спускается колонна обсадных труб с предварительно наваренными поперечными ребрами в зоне формирования каверны, производится цементирование затрубного пространства скважины, перфорация продуктивного интервала, освоение скважины и т.д.

Численные расчеты проводились для случая снижения пластового давления на 10 МПа при различных сочетаниях параметров каверны Δh и α.

Характерные результаты расчетов приведены на фиг. 2б. Модуль Юнга Е стальной обсадной трубы принимался равным 2.2⋅10⁵ МПа, в породе кровли пласта Е=10⁴ МПа, в породе-коллекторе Е=5⋅10³ МПа. Коэффициент Пуассона во все упругих средах принимался равным 0.3. Радиус скважины R (см) принимался равным 10 см, толщина обсадной трубы δ (см) - 1 см. Точке контакта кровли и продуктивного пласта соответствует значение z=1 м. Как следует из представленных на фиг. 2б кривых, наличие цементируемой каверны приводит к существенному снижению пикового значения касательных напряжений - вместо исходного значения ~ 15 МПа в точке z=1 м величина касательного напряжения в этой точке находится на уровне значений ~ 6 МПа, при этом значения напряжения в другой пиковой точке - вершине конуса (z=80 см и z=60 см) значительно меньше 6 МПа.

Расчеты показывают, что уменьшение угла α приводит к понижению величины касательного напряжения в вершине конуса, но увеличивает эту величину в точке z=1 м, при этом, увеличение глубины каверны R_c понижает величину пикового значения в этой точке. Численные расчеты показали, что при глубине каверны R_c-R-δ, равной ~ 4 см, уменьшение угла α между образующей конуса и поверхностью обсадной трубы ниже ~5° приводит к заметному росту пиковых значений касательных напряжений в точке z=1 м, то есть к снижению эффекта «размазывания» области концентрации касательных напряжений.

Обобщая результаты численных расчетов, проведенных при различных сочетаниях геометрических параметров каверны, можно сделать вывод, что если оценивать уровень максимальных значений по обеим точкам пиковых значений, то оптимальным будет вариант при следующих условиях - радиальная глубина каверны, отсчитываемая от стенки скважины (R_c-R-δ), должна быть не меньше 4 см, и угол а между образующей конуса и поверхностью обсадной трубы должен находиться в диапазоне значений от 5° до 30°, что обеспечит существенное (~ 2,5 раза) снижение всех пиковых значений касательных напряжений в сравнении с напряжениями при отсутствии каверны.

Для усиления описываемого эффекта целесообразно дополнительно повысить прочность сцепления цементного камня с поверхностью обсадной трубы, сделав ее ребристой путем приваривания к ней ребер в зоне формирования цементируемой каверны. Для предотвращения образования застойных зон за поперечными ребрами при вытеснении бурового раствора цементным раствором целесообразно эти ребра приваривать к трубе под некоторым углом к образующей обсадной трубы, что позволит как вытесняющей, так и вытесняемой жидкой среде двигаться вдоль ребер.

Как можно видеть из фиг. 1б, пиковая величина касательных напряжений, развивающихся на поверхности обсадных труб в точке z=1 м, значительно (примерно в полтора раза) превышает величину изменения пластового давления в залежи. Учитывая, что при разработке газовых месторождений или при закачке и отборе газа в скважинах ПХГ, перепад давления в пласте может достигать 10-15 МПа и более, соответственно, пиковые значения касательных напряжений достигают ~ 15-20 МПа, а прочность цементного камня на сдвиг не превышает этих величин, можно утверждать, что жесткая связь между обсадными трубами и породой-коллектором в процессе эксплуатации скважины неизбежным образом разрушается, особенно в условиях цикличности процессов закачки-отбора газа из ПХГ.

Отметим, что с описываемых здесь позиций форма верхней части каверны принципиального значения не имеет, важно лишь то, чтобы эта форма также обеспечивала качественное заполнение каверны цементным раствором при цементировании скважины.

Важно подчеркнуть следующее обстоятельство. Как отмечалось выше, на поверхности контакта цементного камня с породой неизбежно присутствуют остатки глинистой корки, формирующейся на стенках скважины в процессе бурения, что существенно снижает прочность сцепления цементного камня с породой. Как следует из проведенных расчетов, величина разрушающих сдвиговых напряжений убывает по мере удаления от внешней поверхности обсадной трубы, то есть, на поверхности контакта цементного камня с породой эти сдвиговые (касательные) напряжения значительно меньше, чем представленные на фиг. 2б величины напряжений на стенке обсадной трубы. Вместе с тем, учитывая низкую прочность сцепления цементного камня с породой, поверхность контакта цементного камня и породы, схематично представленная на фиг. 2а пунктирной линией 5, также может быть разрушена, что приведет к вертикальному смещению породы вдоль обсадной трубы. Очевидно, что формирование жесткой конусообразной каверны позволяет предотвратить такое смещение даже в случае потери прочности сцепления на этой поверхности. Действительно, как следует из фиг. 2а, коническая форма зацементированной каверны механически препятствует вертикальному смещению горной породы вдоль колонны обсадных труб.

Отметим, что формирование аналогичной цементируемой конусообразной каверны в нижней части призабойной зоны скважины на линии контакта пласта с его подошвой также будет способствовать снижению интенсивности разрушающих напряжений в этой части скважины. Очевидно, что вершина конуса в данном случае должна быть направлена вверх.

При открытом стволе скважины, в том числе при расширенной призабойной зоне, что характерно для скважин ПХГ, предлагаемый способ снижения разрушающих нагрузок также применим, поскольку в нижней части зацементированной обсадной трубы происходит аналогичное вышеописанному «провисание» горной породы на колонне жестких труб. Разбуривание или размывание цементируемой каверны в этой зоне также приведет к эффекту «размазывания» разрушающих касательных напряжений и к снижению их пиковых значений вблизи обсадной трубы.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить устойчивость призабойной зоны скважины к разрушающим нагрузкам, развивающимся в процессе ее эксплуатации и, соответственно, снизить объемы разрушенной породы, выносимой в ствол скважины.

Кроме того, разрушение связи цементного камня с обсадной трубой и горной породой на больших участках ствола скважины является причиной перетоков пластовых флюидов между продуктивным пластом и выше- и нижерасположенными водонасыщенными пластами, что приводит к повышению обводненности добываемой продукции, особенно после операции гидроразрыва пласта, при проведении которой пластовое давление в призабойной зоне скважины повышается на 30-40 МПа и более. Применение предлагаемого способа позволит снизить негативные эффекты от проведения технологии гидроразрыва продуктивных пластов.