§ 5. Заканчивание скважин

Рассмотрим вопросы, от правильного решения которых зависит достижение конечной цели бурения скважин: извлечение из вскрытого продуктивного пласта максимального объема нефти или газа. Между бурением и вводом скважины в эксплуатацию ведется целых ряд работ, объединяемых понятием заканчивание скважины:

1) бурение в продуктивном горизонте;

2) исследование продуктивного горизонта;

3) выбор конструкции призабойной части скважины;

4) оборудование устья скважины;

5) сообщение эксплуатационной колонны с пластом (перфорация);

6) вызов притока нефти или газа из пласта и сдача скважины в эксплуатацию.

От правильного выполнения перечисленных работ зависят дебит скважины и ее рентабельность, а также продолжительность межремонтного периода при ее эксплуатации.

Бурение в продуктивном горизонте. В целях создания хороших условий для освоения и эксплуатации скважины при проходке продуктивных горизонтов необходимо обеспечить минимально возможное нарушение коллекторских свойств нефтеносных или газоносных пластов. Тогда продуктивные пласты после их разбуривания будут находиться почти в естественных условиях и из них во время эксплуатации можно получить максимально возможное количество нефти или газа. Поэтому перед вскрытием продуктивного горизонта должны быть тщательно изучены причины возможных нарушений кол-лекторских свойств пласта.

Причин снижения продуктивности пласта много и все они еще недостаточно изучены. Одна из основных причин — проникновение в пласт инородных жидкостей и частиц породы (чаще-всего из промывочного раствора).

При бурении скважин выбирается промывочная жидкость такой характеристики, чтобы гидростатическое давление ее столба было больше пластового. В случае применения промывочной жидкости, имеющей в основе воду, последняя всегда будет отфильтровываться в пласт. Количество отфильтровывающейся воды будет зависеть от водоотдачи промывочной жидкости, продолжительности контактов с ней продуктивных горизонтов, от степени дренированности пластов и от разности гидростатического и пластового давлений.

Многочисленными исследованиями установлено вредное влияние воды на проницаемость призабойной зоны и на процесс освоения скважины.

Уменьшение проницаемости призабойной зоны вследствие попадания в пласт воды происходит по нескольким причинам.

Одной из причин некоторые исследователи считают вредное влияние капиллярного давления в порах пласта при проникновении в них отфильтрованной из промывочной жидкости воды на проницаемость призабойной зоны. Проникшая в пласт вода создает капиллярное давление, которое согласно закону Лапласа прямо пропорционально поверхностному натяжению и обратно пропорционально радиусу капилляра. В результате в по-ровых каналах, площадь сечения которых значительно уменьшается за счет отложения на их стенках пленок и капелек воды, создаются значительные капиллярные силы. Учитывая, что таких капель в порах пласта много, становится понятным их влияние на ход освоения скважины и на последующую работу пласта.

При вытеснении воды из пласта в скважину чаще всего требуется давление, меньшее пластового. Однако после создания перепада давления сначала освобождаются от воды широкие поровые каналы, а более узкие остаются заполненными водой. Очевидно, нефть, выбирая путь наименьшего сопротивления, будет двигаться по освобожденным от воды широким поровым каналам. По узким же каналам, оставшимся заполненными водой, нефть так и не будет двигаться. В результате не происходит полного удаления из пласта отфильтровавшейся воды и каналы небольшого диаметра могут остаться закрытыми для притока нефти. В призабойной зоне вокруг скважины образуется своеобразный водяной барьер, препятствующий прохождению нефти по каналам пласта.

Другой причиной снижения проницаемости призабойной зоны вследствие попадения в пласт воды считают набухание глинистых частиц, имеющихся в продуктивном пласте. В результате происходит частичная закупорка пор и, как следствие, уменьшение проницаемости пласта.

Третьей причиной снижения проницаемости пласта, происходящего в результате проникновения в пласт отфильтрованной из промывочной жидкости воды, является образование осадков в призабойной зоне. Это объясняется взаимодействием растворимых солей, содержащихся в пластовых водах, с растворимыми солями, всегда имеющимися в отфильтрованной воде. В результате в осадок выпадают твердые частицы, закупоривающие поры продуктивного пласта и ухудшающие его коллек-торские свойства.

Практика показала, что устранить все причины, вызывающие ухудшение коллекторских свойств продуктивного горизонта, почти невозможно. Однако уменьшить их отрицательное влияние на пласт можно путем применения следующих мероприятий.

1. При разбуривании продуктивного пласта следует снижать противодавление на пласт до минимально безопасного значения,

т. е. до того значения, при котором не может быть открытого фонтанирования.

2. Бурение в продуктивном пласте, исследование пласта, спуск и цементирование эксплуатационной колонны должны осуществляться быстро, по заранее составленному плану, что позволит сократить время, в течение которого промывочная жидкость контактирует со стенкой скважины в призабойной зоне.

3. При вскрытии продуктивного пласта следует применять, высококачественный глинистый раствор, имеющий минимальную водоотдачу или промывочные жидкости на углеводородной основе.

4. На месторождениях с благоприятными геологическими условиями можно рекомендовать при разбуривании продуктивного пласта продувку скважины воздухом или газом.

Исследование продуктивного горизонта. Коллекторские свойства, условия залегания и эксплуатационные качества продуктивных горизонтов могут быть установлены после проведения комплекса исследовательских работ, объем которых в эксплуатационных и разведочных скважинах различный.

При бурении в продуктивных горизонтах эксплуатационных скважин чаще всего ограничиваются изучением шлама и результатами некоторых геофизических исследований в целях определения угла наклона и азимута ствола скважины, мощности и интервала залегания продуктивного пласта, его пористости, проницаемости.

В разведочных скважинах продуктивные горизонты изучаются более детально и поэтому комплекс исследований в данном случае увеличивается.

Разбуривание продуктивного горизонта в разведочных скважинах проводится только колонковыми долотами, что позволяет по образцам керна получить полное представление об условиях залегания пласта, его литологической и физической характеристике.

После разбуривания продуктивного горизонта проводится полный объем геофизических исследований в скважине.

Применяются испытатели пластов различных конструкций, но все они основаны на вызове притока нефти из пласта под действием резкого перепада давления в системе пласт — бурильная колонна.

На рис. 69 показана схема расположения в скважине испытателя пластов КИИ-ГрозУфНИИ³, спускаемого в скважину на бурильной колонне.

Между заглушкой I и фильтром 4, внутри которого помещены манометры 3, устанавливают бурильные трубы 2. Длина бурильных труб подбирается такой, чтобы фильтр после спуска испытателя пласта в скважину расположился против продуктивного пласта. Над фильтром устанавливают пакер 5, состоящий из металлического остова и резинового элемента.

В целях создания надежного разобщения испытываемого пласта пакер устанавливают против устойчивых пород. Выше пакера помещают ясс 6, нижний клапанный узел 7 и специальный переводник 8 с манометром. Ясс позволяет осуществлять в случае необходимости расхаживание бурильной колонны в целях отрыва пакера от породы.

Над переводником 8 устанавливают бурильные трубы 9, верхний клапанный узел 10 и второй переводник // с манометром.

Вызов притока пластовой жидкости осуществляется следующим образом. В конце спуска бурильной колонны при достижении заглушкой забоя скважины весом труб создают нагрузку на испытатель. Под действием нагрузки резиновый элемент пакера, сокращаясь по длине, увеличивается в диаметре, прижимается к стенке скважины и изолирует расположенный под пакером продуктивный пласт от остальной части скважины.

В это время открывается впускной клапан нижнего клапанного узла, создается резкий перепад давления в системе испытатель пластов — продуктивный пласт и пластовая жидкость движется из пласта через фильтр, отверстие в пакере, нижний клапанный узел, специальный переводник в пустые бурильные трубы 9. Манометры в фильтре и специальном переводнике 8 фиксируют резкое снижение давления в момент открытия впускного клапана, а затем быстрый рост давления в процессе заполнения пустых бурильных труб 9, Вскоре после открытия впускного клапана в нижнем клапанном узле открывается впускной клапан в верхнем клапанном узле, что приводит к быстрому восстановлению давления в испытателе до величины пластового давления. Затем пластовая жидкость начинает поступать в бурильные трубы 12, расположенные над испытателем пластов. Манометр в переводнике 11 фиксирует давление, создающееся при движении жидкости в бурильные трубы, расположенные выше. Время отбора пластовой жидкости из пласта определяется интенсивностью ее притока (от 20 мин до 2 ч и более).

После окончания испытания пласта закрывают запорный клапан в верхнем клапанном узле путем вращения бурильной колонны (на 15—20 оборотов). Приток жидкости из пласта прекращается. Затем проводят натяжку бурильной колонны, в процессе которой впускные клапаны закрываются, а уравнительный клапан, имеющийся в нижнем клапанном узле, открывается. В результате давление над пакером и под пакером выравнивается и бурильная колонна с испытателем пластов и пластовой жидкостью поднимается из скважины.

При развинчивании свечей отбирают пробы пластовой жидкости и отправляют в лабораторию на исследование. После подъема испытателя пластов извлекают диаграммы с записью показаний манометров, которые тщательно исследуются в целях определения физических параметров продуктивного пласта.

Выбор конструкции призабойной части скважины осуществляется до начала бурения скважины в зависимости от ее местоположения на залежи, литологического и физического свойств пласта, наличия в кровле и подошве пласта водоносных горизонтов и ряда других факторов.

В отечественной практике бурения наиболее распространены следующие конструкции призабойной части скважины.

1. Скважину бурят до кровли продуктивного пласта, спускают эксплуатационную колонну и цементируют ее с подъемом цементного раствора через башмак. Затем разбуривают цементировочные пробки, упорное кольцо и углубляют скважину до подошвы продуктивного пласта.

Если пласт сложен устойчивыми породами и не содержит пропластков обваливающихся глин, то ствол скважины целесообразно оставить открытым (рис. 70, а).

Если пласт сложен рыхлыми породами, то для предупреждения попадания песка в эксплуатационную колонну против продуктивного пласта устанавливают фильтр. На рис. 70, б показано применение фильтра-хвостовика с сальниковым закреплением в нижней части эксплуатационной колонны. Иногда применяют другой вариант установки фильтра, показанный на рис. 70, в. В этом случае продуктивный пласт разбуривается долотом такого же диаметра, как и вышележащие горизонты, спускается эксплуатационная колонна с оборудованным внизу фильтром и цементируется манжетным методом выше кровли пласта.

Как в том, так и в другом случае возможно применение щелевидных (см. рис. 70,6, в), металло-керамических, песчано-пластмассовых или гравийных фильтров.

Описанные конструкции призабойной части скважины применяются, когда отсутствуют водоносные горизонты в пласте, в его кровле и подошве.

2. Скважину бурят несколько ниже подошвы продуктивного пласта, спускают эксплуатационную колонну, цементируют ее одно- или двухступенчатым способом. После твердения цементного раствора против продуктивного пласта перфорируют стенку колонны и цементное кольцо для сообщения эксплуатационной колонны с пластом (рис. 71, а). Иногда в целях предотвращения попадания песка в эксплуатационную колонну устанавливают фильтр (рис. 71,6).

Приведенная конструкция призабойной части скважины применяется, когда нефтеносные пески переслаиваются с глинами и водоносными горизонтами, а также когда в кровле и подошве продуктивного горизонта имеются водоносные пласты. Эта конструкция наиболе распространена в советской и зарубежной практике бурения, хотя и имеет крупные недостатки: ухудшение коллекторских свойств пласта в связи с отрицательным воздействием на него цементного раствора, уменьшение площади питания пласта и т. д. Распространена эта конструкция призабойной зоны потому, что в практике бурения чаще встречаются неоднородные пласты с водоносными горизонтами, подстилающими и покрывающими их.

Оборудование устья скважины. После определения высоты подъема цементного раствора за эксплуатационной колонной осуществляют подвеску обсадных колонн на устье и обвязку их между собой колонной головкой, герметизирующей затрубное пространство.

На рис. 72 показана схема обвязки устья одноколонной скважины. Колонная головка состоит из фланца 2, навинчиваемого на кондуктор 3, и пьедестала /, который навинчивается на верхний конец эксплуатационной колонны. Контрольный отвод 4 с вентилем 5 служит для отвода газа из затрубного пространства.

Сообщение эксплуатационной колонны с пластом. При применении конструкции призабойной части скважины с зацементированной эксплуатационной колонной сообщение эксплуатационной колонны с пластом осуществляют после прострела отверстий в колонне, окружающем ее цементном кольце и в породе пласта при помощи специальных аппаратов — перфораторов.

Рис. 72. Схема обвязки устья одноколонной скважины

После освоения скважины нефть и газ поступают из пласта в эксплуатационную колонну через эти отверстия. Диаметр и число отверстий на 1 м (плотность перфорации) рассчитывается таким образом, чтобы приток нефти или газа из пласта был максимальным.

Существует несколько типов перфораторов: кумулятивные торпедные, пулевые. Наиболее распространены кумулятивные перфораторы, позволяющие пробивать отверстия кумулятивной струей в стальных обсадных трубах, цементном камне и создавать каналы в прилегающей к призабойной зоне породе (рис. 73).

Кумулятивная струя образуется вследствие всестороннего сжатия медной облицовки заряда ударными волнами при взрыве заряда. Под действием ударных волн внутренняя поверхность медной облицовки плавится и формируется в тонкую металлическую струю высокой плотности, выбрасываемую вместе с газообразными продуктами взрыва от центра облицовки радиально к обсадной колонне со скоростью 8000 -10 000 м/с Струя жидкого металла, двигающаяся с такой скоростью, оказывает на стенку обсадной колонны давление около 30 ГПа и пробивает отверстие в ней. При этом образуется канал в породе глубиной до 300 мм и более.

Кумулятивный перфоратор состоит из толстостенной стальной герметически закрытой трубы, в которой по спирали просверлены отверстия для прохождения кумулятивных струй. Кумулятивные заряды устанавливаются в корпусе перфоратора против отверстий. Заряды срабатывают через детонирующий шнур от взрывного патрона, соединенного с электрокабелем, на котором перфоратор спускается в скважину.

Для прострела обсадных колонн, цементного кольца и пласта, сложенного устойчивыми породами, в нагнетательных скважинах применяют торпедные перфораторы, выстрел из которых проводится разрывными снарядами диаметром 22— 32 мм. После выстрела снаряд входит в породу на глубину 200—250 мм и там разрывается. В результате взрыва в породе образуется каверна диаметром до 300 мм.

Пулевая перфорация пришла на смену механическим средствам перфорации (сверлению). Она применялась в широких масштабах до изобретения кумулятивных перфораторов.

Основной недостаток пулевой перфорации заключается в том, что во время простреливания цементный камень в затрубном пространстве может растрескаться.

В последнее время начали широко применять новый метод— гидропескоструйную перфорацию. При этом методе в насосно-компрессорные трубы, спущенные в эксплуатационную колонну, под большим давлением нагнетают жидкость с песком. На конце труб устанавливается струйный аппарат, из сопла которого с большой скоростью выбрасывается жидкость с песком. Эта смесь вызывает быстрое абразивное разрушение обсадной колонны, цементного кольца и породы.

Рис. 73. Действие кумулятивной струи на преграду:

/ — кумулятивная струя; 2 — преграда

При гидропескоструйной перфорации обсадная колонна и цементное кольцо не трескаются. Кроме того, этот метод позволяет регулировать глубину и диаметр отверстий.

Вызов притока нефти или газа из пласта. После завершения работ по сообщению эксплуатационной колонны с пластом приступают к вызову притока нефти из пласта.

Существует несколько методов вызова притока нефти из пласта, сущность которых сводится к снижению противодавления на пласт, т. е. к проведению определенных мероприятий, в результате которых гидростатическое давление в скважине становится меньше пластового.

Уменьшить давление столба жидкости на пласт можно либо снижением плотности жидкости, находящейся в эксплуатационной колонне, либо понижением уровня жидкости в колонне.

В первом случае в эксплуатационную колонну спускают фонтанные трубы, которые остаются в ней и при эксплуатации скважины. В пространство между фонтанными трубами и эксплуатационной колонной нагнетают воду, которая вытесняет в фонтанные трубы тяжелый глинистый раствор. При большом пластовом давлении скважина начинает фонтанировать и при неполной замене глинистого раствора водой.

Если замена глинистого раствора водой не дает эффекта, то воду заменяют нефтью. В случае, когда и это мероприятие не помогает, в затрубное пространство одновременно нагнетают нефть (или воду) и газ (или воздух). В процессе прокачивания смеси постепенно увеличивают количество нагнетаемого газа (воздуха), после чего полностью переходят на нагнетание газа (воздуха). Таким образом осуществляют плавное (в том преимущество данного способа) снижение давления на забой, что способствует постепенному увеличению притока нефти из пласта в скважину.

Описанный метод вызова притока нефти из пласта благоприятен для южных промыслов Советского Союза, где продуктивные пласты представлены рыхлыми породами.

В том случае, когда продуктивные пласты сложены устойчивыми породами, применяют компрессорный метод освоения скважины, при котором в затрубное пространство нагнетают газ (или воздух), вытесняющий промывочную жидкость в фонтанные трубы. При этом методе происходит резкое падение давления в скважине, однако для устойчивых пород продуктивного горизонта это неопасно.

Вызов притока нефти путем снижения уровня промывочной жидкости в эксплуатационной колонне осуществляют при освоении скважин с низким пластовым давлением. При этом методе в фонтанные трубы на канате спускают поршень (сваб) с длинным патрубком над ним. В верхней части патрубок имеет прямой клапан. При движении поршня вниз жидкость заходит в патрубок, приподнимает клапан и перетекает в фонтанные трубы. При подъеме поршня клапан закрывается и жидкость вытесняется из фонтанных труб. Многократный спуск и подъем, поршня приводит к снижению уровня жидкости в эксплуатационной колонне и, следовательно, к уменьшению давления на продуктивный пласт.

После вызова притока нефти или газа из пласта скважину исследуют на приток и, установив норму добычи, сдают ее в эксплуатацию.