автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему: Комплекс технологий селективной изоляции водонасыщенных пластов продуктивной толщи
Автореферат диссертации по теме "Комплекс технологий селективной изоляции водонасыщенных пластов продуктивной толщи"
Для служебного пользования экз.№ 2_
ХАНИПОВ РАСИМ ВАФИЕВИЧ
КОМПЛЕКС ТЕХНОЛОГИЙ СЕЛЕКТИВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ПЛАСТОВ ПРОДУКТИВНОЙ ТОЛЩИ
Специальность: 05.15.10 - Бурение скважин
Автореферат диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в нефтяной компании ЗАО «Геология» и нефтегазодобывающем управлении «Азнакаевскнефть» АО «Татнефть»
Научный руководитель: Заслуженный работник нефтяной и газовой
промышленности РФ, Заслуженный нефтяник Татарстана, доктор технических наук
Ведущее предприятие: институт ТюменНИИгипрогаз
Защита диссертации состоится 31 марта 2000 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.064.07.03 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета.
Автореферат разослан 29 февраля 2000 г.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Успешное решение задач по стабилизации и наращиванию уровня добычи углеводородного сырья на поздней и завершающей стадиях разработки месторождений связано с проведением большого комплекса геолого-технических мероприятий, направленных на совершенствование методов заканчивания, эксплуатации скважин применяемых систем разработки. Высокая обводненность скважин (80-90%), низкие дебиты (2-10 т/сут), нестационарное баротермо-динамическое состояние залежей, нарушенная система разработки, ужесточенные режимы эксплуатации оказывают необратимое негативное влияние на качество строительства, эффективность эксплуатации скважин и производство ремонтно-изоляционных работ (РИР).
Как показывают результаты системных исследований, превалирующее влияние на все эти процессы оказывает техническое состояние крепи (герметичность эксплуатационной колонны и заколонного пространства в течении всего периода эксплуатации сооружения) и конструкция забоя скважины. Многочисленные исследования и промысловый опыт убедительно свидетельствуют о том, что на этапах вторичного вскрытия и освоения скважин в большинстве случаев происходит нарушение герметичности разобщения пластов продуктивной толщи вследствие разрушения цементного кольца, деформации и частичного нарушения обсадных труб в зоне перфорированного фильтра.
Дальнейшее формирование гидравлического канала в заколонном пространстве происходит в периоды эксплуатации скважин, проведения обработок призабойной зоны (ОПЗ), методов увеличения нефтеотдачи пластов (МУН) и ремонтно-изоляционных работ (РИР). Дифференциация текущих пластовых давлений по разрезу много пластовой продуктивной толщи и связанные с ними градиенты давлений между раз-нонапорными пластами приводят к сложному гидродинамическому состоянию этой системы - взаимодействию нефте- и водонасыщенных пластов. Эти нестационарные процессы еще более интенсифицируются при эксплуатации скважин с повышенными забойными давлениями (депрессии, репрессии). В этих условиях закономерно и значительно снижается эффективность системы разработки, ОПЗ, МУН, РИР, следствием которых является снижение конечной нефтеотдачи пластов, нарушение требований охраны недр и окружающей среды.
Поэтому проблема повышения герметичности крепи до уровня
промысловых требований, как для вводимого из бурения, так и для действующего фонда эксплуатационных скважин является актуальной и в народнохозяйственном отношении весьма значимой.
Цель работы. Восстановление продуктивности скважин разработкой комплекса технологий реконструкции забоя и селективной изоляции водонасыщенных пластов.
Основные задачи работы.
1. Системный анализ комплекса основных факторов, осложняющих гидродинамические условия эксплуатации скважин и снижающих добычу нефти.
2. Обоснование методических принципов и технологических решений по восстановлению производительности эксплуатационных и нагнетательных скважин в сложных и изменяющихся геолого-технических условиях селективными методами с предварительным изменением конструкции фильтра эксплуатационных скважин.
3. Разработка комплекса технологий совершенствования конструкции фильтра скважин, технологических схем и методов селективной изоляции водонасыщенных пластов малыми и объемными проникновениями изолирующих растворов.
4. Опытно-промысловые испытания законченных разработок на площадях Ромашкинского месторождения и их технико-экономическая оценка.
1. Результаты научного обобщения и системного анализа выявленных новых взаимосвязей основных факторов, оказывающих решающее влияние на эффективность и качество водоизоляционных работ -технического состояния крепи, конструкции фильтра и гидродинамических условий в скважине.
2. Научное обоснование концепции совершенствования конструкции фильтра скважин и селективного воздействия на водонасыщенные пласты с обоснованием и реализацией наиболее эффективных механизмов снижения их проницаемости (Положительное решение ФИПС на выдачу патента по заявке № 99108400/03 (009323) от 28.04.99).
1. Разработана и реализована методология создания единой системы изоляции основных элементов крепи.
2. Разработан комплекс технологий и технических средств по реконструкции фильтра скважин и селективной изоляции источников об-
воднения в различных геолого-технических условиях (нижних и подошвенных вод, верхних и промежуточных, промытых зон) (СТП 39-0147585-203-00 «Технология и техника реконструкции фильтра скважин и селективной изоляции обводняющих пластов»).
3. Предложены методы расчета технологических параметров процесса изоляции нагнетанием тампонажных смесей и гидромониторной обработкой с учетом результатов гидродинамических исследований во-донасыщенных пластов.
Результаты и основные научно-технические положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-методических советах института ТатНИПИнефть, технических советах предприятий АО «Татнефть» (г. Альметьевск, г. Бугульма, 1999-2000 гг.); научном семинаре Волго-Камского регионального отделения Российской академии естественных наук «Проблемы и состояние их решения при эксплуатации горизонтальных скважин (ГС) и боковых горизонтальных стволов (БГС)» (р.п. Актюба, 1999 г.).
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов: изложена на 105 страницах машинописного текста и содержит 14 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 76 наименований и три приложения.
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и основные задачи исследований, перспективные направления развития водоизоляционных работ.
В первом разделе приведена краткая геологическая характеристика основного продуктивного объекта (терригенные отложения паший-ского горизонта верхнего девона Д1) Ромашкинского нефтяного месторождения, дан анализ общего состояния водоизоляционных работ при производстве РИР, выделены причина и факторы, осложняющие проведение и снижающие показатели изоляционных операций в условиях многопластовых залежей нефти, перешедших в позднюю и завершающую стадии разработки.
Большой вклад в теорию, методологию и практику развития перспективных научно-технических направлений по наращиванию и под-
держанию на высоком уровне добычи нефти внесли научные коллективы институтов Азинефтехим им. М.М. Азизбекова, БашНИПИнефть, ВНИИБТ, ВНИИнефть, ВолгоградНИПИнефть, ИФИНГ, ГАНГ им. И.М. Губкина, СибНИИНП, ТатНИПИнефть, СевКавНИПИнефть, УГНТУ, 11 HI У и др., а также производственные объединения АО "Башнефть", "Главтюменнефтегаз", "Пермнефть", "Татнефть" и др.
Важное место в этом комплексе занимают водоизоляционные работы по предупреждению и снижению обводненности скважин. Повышение эффективности и качества этих работ является одним из ключевых научно-технических направлений совершенствования применяемых систем разработки месторождений, поддержания и повышения достигнутого уровня добычи, увеличения коэффициента конечной нефтеотдачи пластов, снижения себестоимости тонны добываемой нефти В промысловой практике выбор той или иной технологии водоизоля-ционных работ определяется прежде всего расположением источника поступления воды в скважину в разрезе продуктивной толщи. Это могут быть воды нижних, подошвенных, верхних и промежуточных пластов, а также из промытых зон (пропластков) продуктивных горизонтов.
Анализ состояния этих работ в НГДУ «Азнакаевскнефть» и на других месторождениях Татарстана, а также в нефтедобывающих регионах Башкортостана, Западной Сибири и других, показывает, что несмотря на определенные достижения в этой области, успешность водо-изоляционных работ, в целом, остается на низком уровне, составляя 12-50% и лишь в отдельных случаях достигает 70-80%. Связано такое положение с рядом факторов, снижающих эффективность применяемых методов и качество водоизоляционных работ. К наиболее значимым из них специалисты относят низкое качество разобщения пластов продуктивной толщи при креплении скважин и сложность гидродинамических условий.
Однако бытующее мнение о преимущественном влиянии на условия эксплуатации скважин качества первичного цементирования неубедительно, поскольку составные элементы крепи (обсадные трубы и цементное кольцо) при формировании фильтра подвергаются значительным деформационным и разрушающим нагрузкам, которые приводят к нарушению герметичности крепи в зоне фильтра и на протяжении до 250 м от нее еще до освоения и ввода скважины в эксплуатацию. Уже на первом этапе при наличии в разрезе разнонапорных пластов могут возникать заколонные перетоки жидкости. А освоение скважины с со-
зданием высоких забойных давлений при нарушенной герметичности заколонного пространства приводит к дренированию каналов фильтрации, прорыву пластовых вод и обводнению скважин при введении в эксплуатацию.
Отмеченные нарушения технического состояния крепи в условиях дифференциации текущего пластового давления по разрезу залежи приводят к сложным и непрогнозируемым процессам нестационарного гидродинамического взаимодействия системы «скважина - пласты продуктивной толщи». Последние оказывают решающее негативное влияние на все последующие процессы, связанные с эксплуатацией скважин, системой разработки месторождений, геолого-техническими мероприятиями (ГТМ) по РИР, МУН, ОПЗ. В этих условиях крайне недостаточный объем проводимых промысловых исследований и низкое качество получаемой информации, отсутствие селективных методов изоляции пластовых вод, исключающих отрицательное влияние межпластовых перетоков, определили современный уровень успешности водоизоляционных работ при применении традиционных и новых технологий (12-50%), основанных на применении и развитии физико-химических методов селективного воздействия на нефте- водонасыщен-ные пласты.
Результаты проведенного анализа позволили обосновать перспективные направления решения проблемы повышения успешности и качества работ по ограничению водопритоков к скважинам в сложных гидродинамических условиях, сформулировать цель и задачи диссертационной работы.
Во втором разделе рассмотрены вопросы дальнейшего развития известных представлений и выявления новых взаимосвязей основных факторов, негативно влияющих на технологические процессы заканчивать, эксплуатации скважин и систему разработки месторождений, как основных частей единой геолого-технической системы.
Формирование гидравлического канала углеводородной залежи с поверхностью происходит при последовательном проведении взаимосвязанных операций - пересечение продуктивной толщи стволом скважины, крепление ствола эксплуатационной колонны, перфорация обсадных труб и цементного кольца в интервале нефтегазонасыщен-ных пластов, освоение скважины и стимулирующие обработки приза-бойной и удаленной зон продуктивных горизонтов. Причем на каждом их этих этапов возникают условия, отрицательно влияющие на процесс
создания герметичной крепи.
Так, в процессе первичного вскрытия продуктивной толщи нарушается природная изоляция комплекса флюидонасыщенных пластов и возникает гидравлическая связь со стволом скважины. Применяемые при этом различные типы промывочных растворов не восстанавливают нарушенной изоляции пластов неконтролируемым формированием кольматационной зоны в проницаемых стенках скважины и фильтрационной корки на их поверхности.
Коллоидно-химические процессы при твердении цемента (переходе тампонажного раствора из коагуляционной структуры гидратных новообразований к кристаллизационной структуре гидросиликатов) при креплении снижают изолирующие свойства цементного камня. Происходит это вследствие проявления характерных для процессов гидратации и твердения контракционных и усадочных эффектов. Результатом этих переходных процессов и состояний тампонажного раствора-камня становятся дефекты в цементном кольце и на контактах его с поверхностями стенок скважины и обсадных труб, снижающие герметичность крепи. Это отсутствие напряженных контактов цементного кольца с ограничивающими поверхностями заколонного пространства и образование контракционных каналов в тампонажном камне.
Кроме отмеченных факторов, нарушению герметичности заколонного пространства способствует наличие фильтрационных корок на стенках скважины толщиной до 10-15 мм и упругие свойства обсадных труб, способных деформироваться под воздействием напряжений, создаваемых в процессе вторичного вскрытия, освоения, эксплуатации скважин, производства стимулирующих обработок ПЗП, МУН, РИР.
Однако, наиболее серьезные нарушения технического состояния крепи и конструкции забоя скважин происходят на этапе вторичного вскрытия продуктивных горизонтов. Широкое применение кумулятивных перфораторов типа ПК и ПКС во многих случаях приводят к значительной деформации и частичному разрушению обсадных труб в зоне фильтра, а также нарушению сплошности и контактов цементного кольца с ограничивающими поверхностями на расстояниях до 150-250 м от зоны перфорации. Создаваемые при производстве перфорационных работ кратковременные гидромеханические нагрузки на составную крепь в два и более раз превышают предел текучести металла обсадных труб на внутреннее давление и в 25-100 раз - прочность цементного камня на сжатие.
Таким образом, на этапе заканчивания скважин в заколонном пространстве формируются каналы фильтрации пластовых флюидов, которые при освоении продуктивных пластов с депрессиями в 1,5-1,8 раза превышающими нормативные, интенсивно дренируются, образуя гидравлически совершенные каналы взаимодействия продуктивных и во-догазонасыщенных пластов.
К существенному ухудшению технического состояния скважины приводят факторы, связанные с системой разработки месторождений. Это дифференциация текущих пластовых давлений по разрезу и площади и сопровождающие этот процесс прорывы пластовых вод к фильтру эксплуатационных скважин, заколонные межпластовые перетоки. Степень и характер воздействия этих факторов на техническое состояние крепи зависит от количества одновременно эксплуатируемых пластов, их геолого-физических свойств, количества и свойств водонасы-щенных пластов, наличия и толщины изолирующих перемычек, промытых зон. Нарушение герметичности крепи происходит также при стимулирующих ОПЗ и производстве РИР. Кроме фактора воздействия на крепь высоких гидромеханических давлений (репрессий и депрессий), при ОПЗ и МУН довольно часто применяются химические и физико-химические воздействия. При этом, кроме технических нарушений снижается долговечность крепи в целом. Следствием отмеченных нарушений герметичности крепи является нарушение контроля и регулирование системы разработки залежи из-за утечек непрогнозируемых объемов закачиваемых жидкостей в невовлекаемые в разработку пласты, а также сложное гидродинамическое состояние скважин, препятствующее качественному и успешному производству водоизоляционных работ. Немаловажно отметить и то, что конструкции забоя и фильтра скважин не позволяют качественно проводить гидродинамические исследования по оценке фильтрационных характеристик изолируемых пластов из-за перекрытия их поверхности составной крепью и неконтролируемыми дополнительными гидродинамическими сопротивлениями при нагнетании жидкости на различных режимах. А это, в свою очередь, не позволяет с необходимой для промысловых требований точностью рассчитать оптимальные параметры технологического процесса изоляции проницаемых пластов (табл.1., рис.1.).
Таким образом из представленного анализа следует, что техническое состояние скважин многих месторождений Татарстана, и других нефтегазодобывающих регионах страны в большинстве своем не
Фильтрационные характеристики и расчетные параметры процесса изоляции водонасыщенного пласта