автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование и разработка технологий повышения эффективности разрушения горных пород с одновременной кольматацией проницаемых горизонтов

.•»'Л

'Г '

Для служебного пользования

/

экз. № -

СЕРГЕЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД С ОДНОВРЕМЕННОЙ КОЛЬМАТАЦИЕЙ ПРОНИЦАЕМЫХ ГОРИЗОНТОВ

Специальность 05.15.10- Бурение скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень - 1999

Работа выполнена в Нефтеюганском государственного нефтегазового университета

филиале Тюмеш

Научный руководитель

-. кандидат технических наук, доцент БОЧАРНИКОВ В.Ф.

Официальные оппоненты:

- доктор геолого-минерапогических н профессор ХАЙРЕДИНОВ Н.Ш. кандидат технических наук, доцент ГРАЧЕВ С.И,

Ведущее предприятие:

Тюменский научно-исследовательский проектный институт природного газа и газовых технологий (ТюменНИИгнпрогаз)

Защита диссертации состоится « 18 »

декабря

19

в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 064.07.03 Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625 г.Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменс государственного нефтегазового университета по адресу: 625000, г. Тк» ул. Володарского, 38. .

Автореферат разослан 18 ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного . ^

совета, доктор технических наук, профессор

в.п.овчиннш

/УУГ Л

РОССИЙСКАЯ )СУДАРСТВЕШГЛЯ БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

£64--О/

Актуальность проблемы

Повышению скоростей механического бурения всегда уделялось много внимания, но не всегда при этом остро ставился вопрос о сохранении потенциальной продуктивности скважины в процессе первичного вскрытия продуктивных горизонтов. Существующие методы их вскрытия не всегда отвечают возросшим требованиям сохранения естественной фильтрационной характеристики пластов-коллекторов. Геолого-промысловый анализ разработки нефтяных и газовых залежей показал, что ухудшение фильтрационных характеристик продуктивных пластов, особенно в околоскважинной зоне, приводят к снижению нефтегазоотдачи, неравномерности выработки запасов и дополнительным потерям пластовой энергии при движении флюидов из пласта в скважину.

Известно, что снижение дифференциального давления в зоне работы долота приводит к повышению скорости механического бурения, улучшению очистки забоя от выбуренной породы, снижению степени загрязненности

I

проницаемого пласта.

Актуальным, на наш взгляд, является создания таких устройств и технологий, которые могли бы реализовать . эффект снижения дифференциального давления на забой бурящейся скважины с одновременной кольмагацией вскрываемых бурением пород.

Решение этих вопросов, на базе обобщения современных представлений о механизме очистки забоя от выбуренной породы и о фильтрационных процессах в проницаемых средах и дисперсных системах с помощью новых технологий и технических средств обеспечить качественное строительство скважин с учетом охраны недр и окружающей среды, является важной и актуальной задачей.

Цель работы. Разработка комплекса технико-технологических мероприятий, направленных на создание технологий эффективного разрушения горных пород с последующей их кольматацией.

Основные задачи исследований

1. Усовершенствование технологии и технических средств для очистки забоя от выбуренной породы при пониженном дифференциальном давлении в зоне работы долота.

2. Исследование процесса кольматации и выявление основных параметров, его определяющих.

3. Исследования процессов фильтрации и кольматации в статических и динамических условиях.

4. Теоретический расчет режимно-технологических параметров кольматации и струйных насосов.

5. Стендовые исследования ■ рабочих параметров вновь разрабатываемых скважинных устройств и исследования результатов кольматации проницаемых песчаников при их использовании.

' 6. Промысловые испытания разработанной техники и технологии. Оценка технико-экономической эффективности их применения.

Научная новизна работы.

1. Установлены кинетические и термодинамические критерии кольматирующей способности буровых растворов и технических средств. Уточнен механизм кольматации. Установлена зависимость степени кольматации гранулярных коллекторов от различных параметров акустического поля.

2. Научно обоснована возможность применения струйно-волновых кольмататоров для создания гидрозатвора в зоне работы долота с целью повышения эффективности очистки призабойной зоны от выбуренной породы.

Практическая ценность.

1. Усовершенствована конструкция гидроэлеватора, позволяющая кольмагировать проницаемые породы в процессе их вскрытия бурением.

2. Определены технологические режимы работы гидроакустического устройства на бурящихся скважинах в процессе проходки проницаемых пород.

3. Разработаны и внедрены мероприятия для повышения качества разобщения пластов, включающие подготовку ствола скважины путем вибрационной обработки наиболее проницаемых участков ствола скважины.

4. Разработан комплекс мероприятий, позволяющий повысить скорость бурения и способствующий укреплению стенок скважины.

Апробация работы.

Основное содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждалось: - на конкурсе Минтопэнерго по проблемам топливно-энергетического комплекса (Москва 1996); - на конкурсах на соискание премии в «Мемориальном фонде им. В.Ф.Зенкина» (Москва 1996,1997); - на 2-ой научно-технической конференции, посвященной 850-летию Москвы (Москва 1997); - на конкурсе на лучшее рац. предложение, посвященному 20-летию со дня образования АО «Юганскнефтегаз» (Нефтеюганск 1997); - на 11- научно-практической конференции молодых специалистов ОАО «Юганскнефтегаз» (Нефтеюганск, 1998); - на научно-технических конференциях по проблемам нефтяной и газовой промышленности (Тюмень

1997, 1998 гг.); - на заседании кафедры бурения нефтяных и газовых скважин при Тюменском государственном нефтегазовом университете (Тюмень 1997,

1998, 1999 гг).

Публикации, Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Она содержит 147 страниц машинописного текста, Г5_ рисунков и _[8 таблиц. Список литературы включает 163 наименования.

Содержание работы.

Во введении дана краткая характеристик работы, обоснована актуальность темы, определена основная цель, поставлены задачи исследования.

В первом разделе на основании исследований потоков жидкости в призабойной части ствола скважины оценена эффективность работы различных типов долот с различными наддолотными устройствами, способных снижать гидродинамические давления и улучшить качество промывки скважины.

Экспериментальные исследования работы надцолотного устройства как «специального эжекционного переводника», разработанного Ю.П. Скворцовым, с двумя гидромониторными насадками и гидромониторным долотом 5К-214СГ, проведенные на стенде показали, что при постоянстве общего расхода промывочной жидкости наблюдается снижение скорости движения промывочной жидкости во всех точках призабойной зоны, обусловленные снижением расхода через насадки долота. Поле гидродинамических давлений изменяется существенно и достигает 5% скоростного напора струи, истекающей из насадок долота. За счет того, что гидромониторные насадки «специального переводника» повернуты в противоположную сторону от забоя происходит эффект эжекции (струйный насос), который обеспечивает более качественное удаление выбуренной породы из зоны работы долота. Снижение гидродинамического давления, при перераспределении потоков, влияет на уменьшение дифференциального давления на забой.

, Другим преимуществом «специального переводника» явилось то, что в условиях Западной Сибири он позволяет эффективно применять гидромониторные долота с обычной и ассиметричной схемой промывки при бурении нижних интервалов скважин, когда гидравлическая мощность имеющихся буровых насосов недостаточна.

Отмечено еще одно положительное качество, имеющее место при применении «специального переводника» - увеличение нагрузки на долото за счет реактивной силы струи.

В случае применение гидромониторных долот без «специального переводника» реактивная сила струн, истекающей из насадок долота, направлена навстречу нагрузки на долото и уменьшает ее. При бурении наклонных скважин с большими зенитными углами трудно обеспечить требуемую нагрузку на долото и такое дополнительное снижение нагрузки за счет реактивной силы струи может заметно снижать показатели работы долота. Когда применяется "«специальный переводник», примерно половина промывочной жидкости истекает через насадки долота, а половина - через насадки переводника с практически одинаковой скоростью. В результате реактивные силы струй, истекающих из долота и переводника оказываются практически равными. Поскольку они направлены навстречу друг другу, то нагрузка на долото не изменяется, что равносильно ее увеличению по сравнению с нагрузкой при бурении гидромониторным долотом без «специального переводника».

В развитии изложенной выше работе, для снижения гидродинамического давления на забой (соответственно полного и дифференциального) при бурении гидромониторными долотами нами разработан переводник, названный гидроэлеватором НГ-ЗК, который устанавливается над долотом. Диаметры насадок в гидроузлах и долоте подбирается таким образом, чтобы расход жидкости через насадки долота соответствовал технологически необходимому для нормальной очистки

забоя. Конструкция гидроэлеватора позволяет за счет гидрозатвора обеспечить более полное разделение призабойной зоны на две разных по давлению полости, тем самым еще существеннее происходит снижение дифференциального давления и очистка забоя.

Таким образом, сделан вывод, что работоспособность шарошечных долот можно значительно повысить путем усовершенствования системы промывки в призабойной зоне, путем оптимизации и перераспределения потоков жидкости, поступающей на забой через долото. Гидроэлеватор НГ-ЗК, расположенный над долотом, позволяет повысить проходку на серийные долота в среднем на 30% и механическую скорость бурения на 20%.

Далее рассмотрены основные факторы, влияющие на изменение естественной проницаемости продуктивных пород в процессе их вскрытия, и методы управлениями ими. Анализ состояния работ в этой области показывает, что в большинстве случаев применяемые на практике способы и процессы заканчивания скважин не обеспечивают эффективной защиты коллекторов нефти и газа от ухудшения их фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС).

Одной из главных причин ФЕС, как показывают результаты исследований Бикчурина Т.Н., Сидорова Л.С., Верхолонцева А.Г1., Глебова В.А., Аношина А.Г., Муравьева Н.Б., Кошляка В.А., Полякова В.Н., Подгорнова В.И., Ахмадеева Р.Г., Хоминеца З.Д., Шановского Я.В. и др., является проникающая способность фильтрата и твердой фазы бурового раствора в проницаемую среду под действием репрессий, капиллярных и осмотических сил.

Проникновение фильтрата и твердой фазы бурового раствора в призабойную зону пласта имеет три этапа : опережающее проникновение под режущую кромку породоразрушающего инструмента; радиальная фильтрация через боковую поверхность во время формирования на стенках

глинистой корки; формирование зон кольматации, ухудшение коллекторских свойств пласта

Рассматривая процесс проникновения фильтрата в пласт, как одну из первых причин ухудшения коллекторских свойств продуктивных интервалов, в промысловых исследованиях основное внимание уделено процессу водоотделения промывочных жидкостей как в статических, так и в динамических условиях.

Глубина проникновения фильтрата и промывочной жидкости в пласт и ее количество, при прочих равных условиях, в значительной степени определяется перепадом давления на пласт в процессе его вскрытия. Как правило, продуктивные пласты вскрываются с давлением, значительно превышающим пластовое. Значительный прирост гидродинамического давления наблюдается также во время спуска инструмента (на 10 15 МПа).

Естественно, при таких гидродинамических репрессиях- в пласт проникает большое количество фильтрата и промывочной жидкости.

Очевидными последствиями попадания в пласт фильтрата является набухание' глинистых частиц, образование эмульсии, образование нерастворимых осадков в порах продуктивного пласта.

Проведенный анализ работ в этом направлении убедительно и однозначно показывает, что проникновение в пласт, фильтрата промывочной жидкости отрицательно влияет на его коллекторские свойства, в результате удлиняется срок освоения скважин, снижается их производительность и коэффициент нефтеотдачи. На разведочных скважинах по этой причине могут быть пропущены нефтяные пронласгки и целые месторождения.

В этой связи, на сегодня актуальной является проблема создания надежного кольматационно.го экрана в продуктивных коллекторах. Эту проблему, по нашему мнению, можно решить комплексным подходам, сочетания ускорение процессов вскрытия с управляемой кольматацией надлежащего интервала пласта.

Несмотря на то, что изучению кольматации пористых сред посвящено много работ, до последнего времени вопрос о механизме кольматации остается дискуссионным. Различные представления о механизме кольматации можно свести в основном к двум точкам зрения. Кольматация обусловлена простым механическим закупориванием пор дисперсной фазой, и при этом определяющее влияние на нее оказывают соотношения размеров частиц кольматанта с размерами пор. Такой позиции придерживаются C.B. Избаш, А.Н. Патраков и др. Другой точки зрения на механизм кольматации придерживались Н.В. Орнатский, Е.М. Сергеев и Ю.М. Щехтман. По их мнению, кольматация обусловлена как процессами механической закупорки пор, так и физико-химическим взаимодействием дисперсной фазы кольматанта с материалом пористой среды.

Ни одна из этих точек зрения не является общепризнанной, что свидетельствует о недостаточно полной изученности данного вопроса.

По нашему мнению, вторая точка зрения больше соответствует действительности и более полно отражает сущность процесса. При таком механизме процесс кольматации имеет место при сколько угодно малых размерах частиц дисперсной фазы. Кольматация в этом случае происходит в результате адсорбционного взаимодействия, коагуляции и структурирования самих частиц в порах коллектора.

Способность частиц проникать или удерживаться в порах коллектора зависит от состава и физико-химических свойств частиц и кольматирующего пласта. Поверхностные взаимодействия частиц в процессе кольматации выражаются в адсорбции частиц твердой фазы на поверхности зерен

фильтра, а также в коагуляции частиц суспензии между собой. В результате в

/

порах коллектора задерживаются частицы глинистой суспензии во много раз более мелкие, чем поры. Характер кольматации определяется концентрацией суспензии, скоростью и давлением фильтрационного потока, особенностями состава кольматируемого пласта и суспензий кольматанта. При очень малых концентрациях (тысячные и десятитысячные доли процента) преобладает

физическое поглощение песчаниками глинистых частиц. При кольматации пород суспензиями больших концентраций явление физического поглощения частиц осложняется их коагуляционным взаимодействием в результате возрастающего столкновения с образованием пространственных структур или отдельных агрегатов, оседающих в порах породы. С ростом концентрации преобладает механическое заполнение пор грунта структурированными глинистыми частицами.

Второй раздел посвящен теоретическим предпосылкам регулирования свойств приствольной зоны скважины; выявлено, что на механизм взаимодействия промывочной жидкости с проницаемыми пластами оказывают влияние термодинамические и кинетические факторы устойчивости дисперсных систем, а именно: электростатический, адсорбционно-сольватный, энтропийный, структурно-механический, гидродинамический, смешанный.

Из рассмотрения кинетики и термодинамики процессов взаимодействия коллоидных частиц промывочной жидкости со стенкой скважины, следует, что ими можно управлять, изменяя: скорость и направление потока промывочной жидкости относительно стенки скважины; концентрацию глинистых частиц твердой фазы в промывочной жидкости; энергию активации процесса коагуляции химическим путем; температуру промывочной жидкости; размеры частиц твердой фазы промывочной жидкости.

Показано, что пульсация потока промывочной жидкости повышают эффективность и скорость кольматации стенки скважины коллоидными частицами промывочной жидкости, толщина кольматационного экрайа уменьшается, однако прочность его увеличивается.

Установлено, что существует оптимальное время акустической обработки буровых растворов, улучшающей реологические свойства последних. При акустической обработке буровых растворов диспергируются

частицы глинистых минералов и выбуренной породы, что способствует образованию более стабильных и прочных коагуляционных структур, изменяются реологические характеристики растворов.

Анализ различных групп гидродинамических излучателей показал, что наиболее удачными, с точки зрения эффективности их использования в процессе проводки скважин, являются излучатели типа «вихревого свистка». В качестве гидродинамического излучателя мы использовали струйно-волновой кольмататор, разработанным совместно с Ю.С. Кузнецовым.

В работе приведен теоретический расчет параметров кольмататора, положенный в основу конструирования верхнего узла гидроэлеватора нового поколения.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к буровым растворам, является их способность изолировать проницаемые пласты, вскрываемые долотом, путем образования гонкой непроницаемой или малопроницаемой фильтрационной корки.

Проведенные совместно с Р.Ш.Муфазаловым эксперименты позволили выяснить, что повысить скорость кольматации можно: направив часть потока промывочной жидкости перпендикулярно стенке скважины; увеличив концентрации свободных глинистых частиц в промывочной жидкости; понижением энергии активации процесса коагуляции химическим путем; повышением температуры промывочной жидкости.

При направленном потоке частиц в пласт они проходят в поровую структуру пласта и на начальном этапе , как вследствие сужения каналов , так и соударения частиц с поверхностью пор, происходит их агрегирование в порах пласта. Этот процесс возможен в том случае , если кинетическая энергия движущихся глинистых частиц будет больше энергии активных молекул воды.

Из этого следует, что образование экрана будет происходить при определенной критической концентрации структурообразующих частиц в

растворе кольматирующего агента в единице объема поровой структуры пласта.

В случае, если частица не способна к такому взаимодействию, она движется вглубь пласта в потоке жидкости, преодолевающей гидравлическое сопротивление пласта до тех пор, пока скорость потока не станет равна нулю. В случае изменения условий режима течения (сечения пор) может изменяться механизм кольматации.

Исходя из этого, можно сделать следующие выводы. Механизм кольматации будет определяться энергией, приходящейся на единицу площади кольматанта, и его способностью связывать воду, а также концентрацией частиц в суспензии. В промысловой практике, так как в растворе существуют самые различные по своим размерам частицы, можно говорить лишь о преобладании того или иного механизма. Таким образом, глубиной проникновения частиц можно управлять, меняя свойства жидкой фазы (воды), свойства поверхности и размер частиц, частоты взаимодействия, угол воздействия потока частиц на пласт, концентрацию частиц в растворе, скорость поступления частиц в пласт.

Одним из эффективных путей интенсификации процесса кольматации является воздействие на стенки скважины пульсирующего потока промывочной жидкости.

При упругих колебаниях среды в первый полупериод имеет место сжатие среды, а в следующий - ее разряжение. Деформации упругой среды сопровождаются передачей определенной энергии на расстояние. Силовые воздействия поля колебаний являются знакопеременными.

Другим преимуществом кольматации при помощи пульсирующего потока промывочной жидкости является возможность получения желаемой плотности тонкого и малопроницаемого экрана, содержащего значительно меньшее количество сольватно связанной воды. Такой экран способен выдерживать большой перепад давления и лучше изолирует пласт при вскрытии и заканчивании.

Уплотнение кольматационного экрана при воздействии на стенку скважины пульсирующего потока жидкости связано с отжатием из него воды вследствие: сближения частиц под воздействием импульсов давления; уменьшения вязкости межслоевой жидкости в акустическом поле.

Следовательно, воздействие на скважину пульсирующим потоком промывочной жидкости имеет преимущества в сравнении с обработкой того же ствола скважины потоком, без пульсации. Они заключаются в создании кольматационного слоя малой толщины и малой проницаемости, способной выдержать значительные перепады давления.

Помимо влияния на приствольную зону бурящихся скважин, процессы формирования глинистых корок и разрушения горных пород, акустическое поле существенным образом влияет на свойства самих промывочных жидкостей, а именно: на свойства дисперсной фазы и дисперсионной среды, проходящих через гидродинамический излучатель.

В работе приведен теоретический расчет параметров кольмататора, положенный в основу конструирования верхнего узла гидроэлеватора нового поколения.

В третьем разделе рассмотрены методы и методики проведения исследований при изучении процесса формирования экрана в приствольной зоне скважины.

Сложность и многопараметричность явления изменения проницаемости пористых сред при кольматации вызывают большие затруднения при физическом моделировании этого процесса и интерпретации результатов экспериментов. Затруднения вызваны и тем, что эксперименты по кольматации пористых сред трудно воспроизводимы, так как процесс кольматации существенно необратим. Трудности моделирования процесса связаны, в первую очередь, с недостаточной изученностью механизма кольматации.

Нами предусматривалось изучение акустического воздействия на изменение проницаемости пористой среды и управляемости ее при вскрытии и освоении призабойной зоны пласта на моделях.

Основными физическими эффектами воздействия, на которых основано использование волновых явлений, являются эффекты кавитации и дегазации, возникновение акустических потоков в промывочной жидкости, изменения проницаемости пород, снижения равновесной концентрации газа в жидкости, насыщающей породу и увеличение температуропроводности породы.

Влияние высокочастотных (14-Ю3...25-Ю3 Гц) колебаний на процесс резания горных пород в лабораторных условиях позволили интенсифицировать процесс разрушения в 1,5 ...2 раза. Повышение физико-реологических свойств бурового раствора достигается эффектом кавитации. ■

При выборе типа излучателей с целью повышения прочности стенки ствола скважины следует обратить внимание на работу и исследования, что изменение проницаемости пористой среды при низкочастотном акустическом воздействии Основано на создании дополнительной трещиноватости пласта, в то время как высокочастотное акустическое воздействие дополнительной трещиноватости не создает. Его действие основано на процессах дегазации, изменении проницаемости пласта. Повышение проницаемости пластов при высокочастотном акустическом воздействии создает лучшие условия для проникновения фильтрата промывочной жидкости на незначительную глубину пласта. Проникший в пласт фильтрат промывочной жидкости оказывается в более связанном состоянии с поверхностью пор, а порода приобретает меньшую проницаемость. В зависимости от задаваемой цели можно применять то или иное воздействие. Однако отметим, что акустическое воздействие сопровождается протеканием ряда физико-химических процессов. Другая цель - это качественное вскрытие продуктивных интервалов, где трещинообразование, проникновение фильтрата в пласт не желательно, и

поэтому высокочастотное акустическое воздействие должно быть более эффективным и целенаправленным.

Поэтому экспериментальная установка для исследования и изучения влияния акустических воздействий, генерируемых забойными гидродинамическими излучателями различных конструкций, на изменение коллекторских свойств проницаемых пород представляет собой стенд, состоящий из четырех основных узлов: гидродинамических излучателей; модели проницаемого участка ствола скважины; насосной группы с обвязкой; контрольно-измерительных приборов и аппаратуры.

В качестве модели проницаемого участка ствола скважины на экспериментальной установке служит кернодержатель с керном из искусственного песчаника

Процесс фильтрации промывочной жидкости и оценка эффекта кольматации пористой среды при акустическом воздействии пульсирующем потоке определяется количеством фильтрата и скоростью фильтрации, а также степенью кольматации.

В четвертом разделе описаны экспериментальные исследования процессов фильтрации промывочной жидкости и кольматации пористой среды при акустическом воздействии, а также приведены промысловые испытания гидроэлеватора со встроенным гидродинамическим излучателем.

Экспериментальные работы по изучению процессов фильтрации промывочной жидкости и кольматации на образцах искусственных кернов проводились как в статических, так и динамических условиях.

Результаты экспериментов по изучению влияния процессов фильтрации и кольматации в статических и динамических условиях на проницаемость искусственного керна получены на глинистом растворе с концентрацией глинистых частиц 27 % ( р = 1200 кг/м3; Т = 30 с; В = 12

см3/30 мин) и кернах с различными исходными пронидаемостями (Ко = 0,03 ... 0,07 мкм2; Ко = 0,13 ... 0,2 мкм2; К0 = 0,8 ... 0,9 мкм2).

Установлено, что:

- наибольшая скорость фильтрации наблюдается в первые 6-1О2 с от начала процесса с последующим снижением в течение 12-102...30-10а с и выходом на стационарный режим. Конечная скорость фильтрации зависит от исходной проницаемости кернов;

- объем фильтрата увеличивается с ростом исходной проницаемости породы и перепадом давления между "скважиной" и "пластом". Для кернов с проницаемостью 0,8 ... 0,9 мкм2 объем фильтрата составляет 25-Ю'6 ... 26-Ю"6 м3 за 36-Ю'2с; для кернов с проницаемостью 0,13 ... 0,2 мкм2 объем фильтрата составляет 22-10® ...23-10'6 м , а для кернов с проницаемостью 0,03 ... 0,07 мкм2 - 15-Ю'6... 1610"6 м3 за тоже время;

- конечная степень кольматации кернов в динамических условиях значительно выше, чем в статических и составляет для кернов с проницаемостью 0,8 ... 0,9 мкм2 - 85 %, для кернов К0 = 0,13 ... 0,2 мкм2 - 80 % и для кернов с проницаемостью 0,03...0,07 мкм2 - 70 %, что вполне согласуется с данными.

Изучение влияния, акустического воздействия, то есть пульсирующего потока на процессы фильтрации промывочной жидкости в пласт представляет значительный интерес, так как в научно-технической литературе практически отсутствуют материалы по данному вопросу.

Результаты исследований фильтрации глинистого раствора через керны в статических и динамических (стационарный и пульсирующий поток) условиях отличаются между собой. Суть отличия заключается в практически мгновенном проникновении фильтрата промывочной жидкости в пласт при динамических условиях (пульсирующий поток) фильтрации. Процесс изменения скорости фильтрации во времени длится около трех секунд, что практически в 1000 раз выше, чем при статических и динамических

(стационарный поток) условиях. Общий объем фильтрата, выделившегося, в процессе фильтрации в акустическом поле, меньше в 2 ... 4 раза объема фильтрата выделившегося в процессе статических и динамических (стационарный поток) условиях фильтрации, и составляет для кернов с проницаемостью 0,8 ... 0,9 мкм 2 - 11-Ю"6 м за время прихода системы в стационарное состояние, то есть за 3 с.

Полученные экспериментальные результаты, и выводы свидетельствуют о возможности эффективного управления, проницаемостью призабойной зоны пласта и процессом разрушения породы под воздействием акустического поля, приведенные в табл. 1 - 2.

Таблица 1

Суммарный объем фильтрата -104 (м3/м2), прошедшего через керны с

проницаемостью 0,13. ..0,2 мкм2

Режим работы Время фильтрации, с

Статический 0,02 4 11 40 48 58

Динамический 0,06 12 14 52 66 91

Акустический 20,00 20 20 20 20 20

На основании вышеизложенного теоретического и экспериментального материала была сделана разработка технического устройства для осуществления процесса качественного вскрытия продуктивного горизонта с одновременной его кольматацией.

Предлагаемая конструкция гидроэлеватора со встроенным гидроакустическим генератором представляет собой (рис.1) наддолотный переводник, который состоит: 1 - корпус гидроэлеватора; 2 - юбка гидроэлеватора, с нанесенным по образующей цилиндра твердосплавным материалом «Экопур» и диаметром равным номинальному размеру долота, а также имеет на своей поверхности канавку, которая выполняет роль гидрозатвора; 3 - диффузор; 4 - гидроузлы; 5 - струйно-волновой кольмататор.

Таблица 2

Распределение структуры порового пространства песчаных кернов

Но- Общая Исход- Интенсив Проницае Сте- Проницае Сте-

мер пори- ная ность мость пень мость пень

керна стость, проница излуче- после коль- после декольм

ш, % емость, ния, кольмата- мата- декольма атации,

Ко-Ю3, 1-10"2, ции, ции, тации, %%

2 МКМ Вт/м2 Кк-Ю3, Кд-103,

мкм2 мкм2

1 2 3 4 5 6 7 8

135 19 42 - - - - -

4 16,5 72 4 41,6 44 - -

20 19,0 124 4 29,0 77 - -

48 14,0 39 8 7,2 82 '32 77

46 14,0 144 20 14,2 91 102 86

Продолжение табл. 2 Содержание пор данного размера, %_

Суммарное содержание пор данного размера и всех предыдущих, %

Размеры пор (радиус пор] Т0'юм

менее 100- 500- 1000- 5000- 10000- 50000- 100000- 500000-

100 500 1000 5 ООО 10000 50000 100000 500000 1000000

9 10 11 12 13 14 15 16 18

ОД 12.5 1Л 18.0 8^0 54,0

0,5 13,0 20,0 38,0 46,0 100,0

15 15 5*0 2^0 3^5 41.5 34.0

1,5 4,5 7,0 12,0 14,0 20,0 23,5 65,0 99,0

- 1Л 0^5 ¿0 10 12.5 10,5 64,4 12

5,5 6,0 11,0 12,0 24,0 34,0 99,0 100,0

(Ц> М - 15 йА 12 Ъй 5£ 69.5 15

0,5 4,0 5,5 12,0 16,0 23,0 28,0 97,5 99,9

М 3,5 10 Ш 5,0 18.0 16,0 48,0 10

0,5 4,0 5,0 12,0 17,0 35,0 5 3,0 99,0 100,0

Гидроэлеватор со встроенным кольмататором НГ-ЗК

1 - корпус гидроэлеватора

2 - юбка гидроэлеватора

3 - диффузор

4 - гидроузел

5 - кольмататор

В табл. 3 приведены результаты испытания надцолотного гидроэлеватора НГ-ЗК на скважине 1269П Восточно-Сургутского месторождения. Сделано 7 долблений в интервале 2646-2968 м, долота 3-215.9-СГВ-2, турбобур ТСШ-195. Суммарная проходка составила - 322 м, суммарное время бурения — 33,5 час. Средняя проходка на долото составила 46 м. Средняя механическая скорость составила 9,61 м/час. Проведено сопоставление с результатами бурения скважин в идентичных условиях и в сопоставимых интервалах.

Таблица 3

№№ скв. Интервал бурения Кол-во долот 1 Суммар. время бурения Средняя проходка на долото Сред, мех. скорость Прим.

1 2 3 4 5 6 7

1269П 2646-2968 322 7 33,5 46 9,61

2866 2764-2927 163 4 17,5 40,75 9,31

2846 2752-2876 124 4 16,0 31,0 7,75

2901 2760-2896 136 3 ' 15,0 45,33 9,06

2912 2767-2978 211 6 40,0 35,16 5,27

Итого средние показ. 17 88,5 37,29 7,16

Сопоставляя полученные по скважине № 1269П со средними данными по перечисленным выше скважинам получено: увеличение проходки на долото 23,35%; увеличение механической скорости бурения - 34%; средняя стойкость долот по рассмотренным скважинам составила 5,2 часа по скважине № 1269П составила 4,78 часа.

Результаты геофизических исследований показали по - кривой кавернометрии в интервале 2832-2848 на отсутствие глинистой корки , а в интервале 2828-2832 наблюдается глинистая корка толщиной 1-4 мм, в то

время как интерпретация кавернометрии соседних скважин показывает в этом же интервале толщину глинистой корки 15-20 мм.

Кроме повышения показателей работы долот к достоинствам данной конструкции следует отнести простоту изготовления, способность стабилизировать наклонно-направленный ствол, и может быть применена в комплексе с любой компановкой низа бурильной колонны.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Решена задача повышения эффективности разрушения горных пород с одновременной кольматацией проницаемых пород путем снижения дифференциального давления оптимизации структуры потока жидкости в призабойной зоне за счет специальных устройств, таких как, надцолотный гидроэлеватор, применение которого позволило повысить проходку на долото и механическую скорость в среднем на 25%.

2. Проведена модернизация наддолотного гидроэлеватора включением в его конструкцию струйно-волнового кольмататора, который, кроме основной своей функции, выполняет роль гидрозатвора полостей над и под долотом.

3. Исследование процессов кольматации при различных методах воздействия на пористую среду показало, что при использовании акустических взаимодействий удается обеспечить высокую степень

кольматации (90-96%) за малый промежуток времени (не более 30 с).

• 2

4. Кольматация пористых сред проницаемостью 0,03-0.80 мкм глинистым раствором в динамическом режиме показывает, что их экранирование наблюдается с пор размером 10'8 до 10"4 м, тогда как при статистических условиях воздействия кольматируются поры размером Ю'3 -4-10"5 м.

5. Исследования закольматированных кернов методом ЯМР показали, что процесс формирования кольматационного экрана определяется

гидрофобными взаимодействиями частиц твердой фазы, а именно глинистых частиц с глубиной их проникновения в керн не более 0,02 - 0,04 м.

6. Разработаны мероприятия по повышению качества строительства скважин:

а) интенсификация кольматационных процессов проницаемых горизонтов;

б) повышение скоростей бурения скважин;

в) оптимизация движения промывочной жидкости в прнзабойной зоне скважины.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Скворцов Ю.П., Логунов В.П., Сергеев С.А., Семенихин A.C. Способ первичного вскрытия пластов с плохими коллекторскими свойствами, исключающими их загрязнения. //Конкурс Минтопэнерго по проблемам топливно-энергетического комплекса: Сб. тез. конф. - М. 1996.

2. Скворцов Ю.П., Логунов В.П., Сергеев С.А., Семенихин A.C. Повышение показателей работы шарошечных долот при турбинном способе бурения. //Конкурс Минтопэнерго по проблемам топливно-энергетического комплекс: Сб. тез. конф.- М. 1996.

3. Скворцов Ю.П., Логунов В.П., Сергеев С.А. и др. Гидроэлеватор НГ-2. // 2 конкурс на соискание премии в «Мемориальном фонде имени В.Ф.Зенкина»: Тез. докл. -М. 1996.

4. Скворцов Ю.П., Логунов В.П., Сергеев С. А. Повышение показателей работы шарошечных долог при турбинном способе бурения. // Современные проблемы надежности и конкурентноспособности газонефтяного оборудования. 2-ая научн. техн. конф., по священная 850-летию Москвы. 1997.

5. Овчинников В.П., Скворцов Ю.П., Логунов В.П.-, Мавлютов М.Р., Головань В.А., Сергеев С.А. Способ турбинного бурения. // Нефть и газ. Изв. ВУЗов: Тез. докл. - Тюмень, 1997. С. 66.

6. Кузнецов Ю.С., Скворцов Ю.П., Логунов В.П., Сергеев С.А., Кузнецов В.Н. Повышение показателей работы шарошечных долот при турбинном способе бурения. И Нефть и газ. Изв.ВУЗов: Тез. докл. - Тюмень, 1997. С. 56.

7. Сергеев С.А., Скворцов Ю.П., Семенихин A.C. Наддолотный гидроэлеватор НГ-3. // Конкурс на лучшее рац. предположение, посвященного двадцатилетию со дня образования АО «Юганкснефтегаз»: Тез. докл. - Нефтеюганск, 1997.

8. Сергеев С.А., Бочарников В.Ф., Тингаев И.Я., Кузнецов Р.Ю. Усовершенствование конструкции гидроэлеватора для бурения скважин // Ресурсосбережение в топливно-энергетическом комплексе России: Сб. тез. междунар. научн.техн. конф.- Тюмень: Запсибгазпром, 1999. С. 31-32.

9. Никифоров В.Н., Кучеров C.B., Кузнецов Р.Ю., Сергеев С.А. и др. Особенности вскрытия и подготовки объекта под закачку многотоннажных отходов производств // Ресурсосбережение в топливно-энергетическом комплексе России: Сб. тез. междунар. научн.техн. конф.- Тюмень: Запсибгазпром, 1999. С. 87.

Соискатель

С.А.Сергеев

Подписано к печати 15.11.99 г. Заказ №518 Тираж 100 экз.

Уч. Изд. л. 1,15 Усл. Печ. л. 1,15

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Отдел оперативной полиграфии, 625000, г.Тюмень, ул. Володарского, 38.