Ключевые слова: трудноизвлекаемые запасы, проектирование скважин, очистка ствола скважины, буровой раствор, жидкость заканчивания.
Очистка скважины и замещение бурового раствора на рассол представляет собой критически важный процесс при заканчивании скважины. Цель данного процесса – замена «грязной» технологической жидкости (РУО, РВО) на чистую (рассол, морская вода), отмыв внутренней части обсадной колонны от остатков бурового раствора, очистка ствола скважины от шлама, металлической стружки и инородных предметов для снижения рисков загрязнения продуктивного пласта.
Для успешного выполнения замещения на стадии проектирования следует учитывать следующие основные факторы:
-
Характеристики наземного оборудования – производительность насосов и максимально допустимое давление;
-
Траектория, конструкция скважины и дизайн компоновки для замещения, возможность вращения;
-
Характеристики всех жидкостей и их совместимость;
- Термобарические условия в скважине – пластовое давление и гидроразрыва, градиент температур
- Возможности емкостного парка для размещения всех жидкостей, способ утилизации.
Основополагающим элементом операций по замещению скважины является использование специализированного комплекса пачек, включающий [1, 2]:
Разжижающая пачка (базовое масло, если в скважине РУО)
Назначением разжижающей пачки на основе базового масла является в первую очередь разделение РУО от пачек на водной основе для предотвращения их смешения и образования вязкой эмульсии. Добавка отмывающего агента – растворителя в базовое масло выполняет первичную функцию отмыва стенок скважины и колонны труб. Режим течения пачки – турбулентный.
Выталкивающая пачка
Вытеснение бурового раствора может быть затруднено такими эффектами, как смешение на границе раздела жидкостей, движение жидкости по каналам. Смешение жидкостей происходит, когда следующая за основной жидкость имеет меньшую плотность, реологию и движется в турбулентном потоке. Выталкивающая пачка в данном случае поддерживает ламинарный поток в кольцевом пространстве, что способствует снижению зоны смешения и улучшению замещения.
Отмывающая пачка
Отмывающая пачка выполняет основную функцию по очистке в рассматриваемом комплексе пачек. Данная пачка должна перемещаться в турбулентном потоке на протяжении всей циркуляции, чтобы эффективно отмывать стенки скважины. Турбулентный поток способствует эрозионному разрушению корки бурового раствора, увеличивает диффузию (проникновение) отмывающих агентов – ПАВ, а также обеспечивает транспортировку твердых частиц бурового раствора на поверхность.
Очистка скважины и замещение бурового раствора на рассол представляет собой критически важный процесс при заканчивании скважины. Цель данного процесса – замена «грязной» технологической жидкости (РУО, РВО) на чистую (рассол, морская вода), отмыв внутренней части обсадной колонны от остатков бурового раствора, очистка ствола скважины от шлама, металлической стружки и инородных предметов для снижения рисков загрязнения продуктивного пласта.
Для успешного выполнения замещения на стадии проектирования следует учитывать следующие основные факторы:
-
Характеристики наземного оборудования – производительность насосов и максимально допустимое давление;
-
Траектория, конструкция скважины и дизайн компоновки для замещения, возможность вращения;
-
Характеристики всех жидкостей и их совместимость;
-
Термобарические условия в скважине – пластовое давление и гидроразрыва, градиент температуры;
-
Возможности емкостного парка для размещения всех жидкостей, способ утилизации.
Основополагающим элементом операций по замещению скважины является использование специализированного комплекса пачек, включающий [1, 2]:
Разжижающая пачка (базовое масло, если в скважине РУО)
Назначением разжижающей пачки на основе базового масла является в первую очередь разделение РУО от пачек на водной основе для предотвращения их смешения и образования вязкой эмульсии. Добавка отмывающего агента – растворителя в базовое масло выполняет первичную функцию отмыва стенок скважины и колонны труб. Режим течения пачки – турбулентный.
Выталкивающая пачка
Вытеснение бурового раствора может быть затруднено такими эффектами, как смешение на границе раздела жидкостей, движение жидкости по каналам. Смешение жидкостей происходит, когда следующая за основной жидкость имеет меньшую плотность, реологию и движется в турбулентном потоке. Выталкивающая пачка в данном случае поддерживает ламинарный поток в кольцевом пространстве, что способствует снижению зоны смешения и улучшению замещения.
Отмывающая пачка
Отмывающая пачка выполняет основную функцию по очистке в рассматриваемом комплексе пачек. Данная пачка должна перемещаться в турбулентном потоке на протяжении всей циркуляции, чтобы эффективно отмывать стенки скважины. Турбулентный поток способствует эрозионному разрушению корки бурового раствора, увеличивает диффузию (проникновение) отмывающих агентов – ПАВ, а также обеспечивает транспортировку твердых частиц бурового раствора на поверхность.
ТАБЛИЦА 1. Критерии «БурСервис» по выбору дизайна пачек для проведения очистки ствола и замещения [3]
Основная проблематика
В ходе проведения работ по замещению бурового раствора (плотность 1,50 г/см3) на жидкость заканчивания (плотность 117 г/см3) на скважинах № 1, 2 и 3 месторождения о. Сахалина были получены различные результаты по выходу пачек на поверхность:
-
№ 1 – «переворот» выталкивающей и отмывающей пачек;
-
№ 2 – последовательный выход пачек с минимальными зонами смешения;
-
№ 3 – «переворот» выталкивающей и отмывающей пачек.
Таким образом, на двух из трех скважин зафиксирован эффект «переворота» пачек, при котором объем выхода пачек значительно превышал закачанный объем. Заказчиком была поставлена задача выработать технологические решения для исправления ситуации и проведения эффективного замещения на следующей скважине № 4.
Методы
Для детальной оценки и сравнения данные по плотности выходящих из скважины жидкостей были совмещены с расчетными выходами пачек, а также расчетными и фактическими давлениями на буровых насосах во время замещения.
По результатам оценки и анализа трех проведенных работ было отмечено:
-
Отсутствие признаков поглощения бурового раствора, жидкости заканчивания.
-
Для двух работ на скважинах № 1 и 3 объем выхода очищающих пачек на поверхность с учетом зон смешения был зафиксирован на уровне 238 м3, при фактически закачанных в скважину суммарно 160 м3. На скважине № 2 объем пачек на выходе из скважины зафиксирован близкий к 160 м3.
-
Изменение давления на буровых насосах коррелирует с временем выхода пачек на поверхность.
Давления на насосах до момента входа пачек в вертикальную часть ствола и выхода на поверхность близки к расчетным по характеру изменения, то есть наиболее вероятным моментом «переворота пачек» является вертикальная / условно вертикальная часть ствола – ориентировочный интервал 0–1000 м.
На основе данных наблюдений был сделан следующий вывод, что «переворот пачек» наблюдается в тандеме выталкивающей (утяжеленная и умеренно загущенная) и отмывающей пачек (легкая на основе рассола с добавками растворителей и ПАВ). По характеру переворота было выдвинуто предположение, что более легкая и низковязкая отмывающая пачка «прорывает» канал в утяжеленной выталкивающей пачке, что приводит к разбавлению и снижению реологии последней на выходе. Для скважины № 1 было характерно опережение отмывающей пачки перед основной частью выталкивающей, на скважине № 3 произошло разделение обеих пачек на две части.
Прорыв отмывающей пачки приводит к тому, что в дальнейшем выталкивающая пачка задерживается в скважине и на поверхности наблюдается продолжительная по объему зона смешения с рассолом на уровне 80 м3, что приводит к увеличению объема прокачки рассола до кондиционного чистого состояния.
Сравнение параметров выталкивающих пачек
Был осуществлен более детальный анализ и сравнение реологических характеристик выталкивающих пачек, использованных на скважинах № 1, 2, 3 (таблица 2).
ТАБЛИЦА 2. Характеристики выталкивающих пачек, использованных на скважинах № 1, № 2 и № 3
Выбор значений реологических характеристик для выталкивающей пачки осуществляется в соответствии с вышеобозначенными в таблице 1 критериями «БурСервис». Выталкивающая пачка должна создавать ламинарный режим течения, образуя условный «пробковый» режим и повышая эффективность замещения.
Анализируя реологию пачек (таблица 2), было выдвинуто предположение, что для предотвращения «переворота» выталкивающей и отмывающей пачек в вертикальной / условно вертикальной части ствола требуется более высокая реология выталкивающей пачки. То есть при подборе ДНС выталкивающей пачки в качестве целевого значения следует опираться на критерии для вертикального профиля скважины, где ДНС пачки = ДНС активного раствора + 20 фунт/100 фут2.
Это объясняется тем, что высокие скорости сдвига в совокупности с низкой реологией пачки способствуют работе в переходном режиме (с точки зрения гидравлических потерь с ростом скорости сдвига режимы меняются: ламинарный – переходный – турбулентный). Работа пачки в переходном режиме может приводить к растяжению эпюры скоростей потока и недостижению требуемого для эффективного замещения «пробкового» или структурного режима (рисунок 1). Оптимизировать режим работы и сохранить пробковый режим при более высоких скоростях сдвига можно за счет увеличения реологических характеристик самой выталкивающей пачки.
РИСУНОК 1. Эпюры движения скоростей [4]
Оценка режима течения выталкивающей пачки
Для оценки режима течения выталкивающей пачки в затрубном пространстве между ОК 346 мм и бурильным инструментом 168 мм были произведены гидравлические расчеты в программном обеспечении «БурСервис».
1. Произведена оценка трехмерной площади потока выталкивающей пачки при различных реологических характеристиках и скоростях течения – всего 6 вариаций реологии при целевой подаче насоса 47 и 63 л/с (таблица 3).
ТАБЛИЦА 3. Параметры исследуемых выталкивающих пачек
Выдержки из визуализации в программном обеспечении представлены в таблице 4.
2. Произведен расчет перепада давления на 1 м затрубного пространства между ОК 346 мм и бурильным инструментом 168 мм для аналогичных пачек с 6 вариациями по реологии при подаче насосов 13–315 л/с. На основе данных расчетов был построен график зависимости перепада давления от производительности буровых насосов (рисунок 2) для графической оценки возникновения переходного и турбулентного режимов в зависимости от наклона линии. График оказался неинформативным в данной оценке, для чего был рассчитан специальный критерий по формуле:
где P2 – увеличенный перепад для Q2; P1 – перепад для предыдущего расхода Q1; Q2 – увеличенный расход буровых насосов; Q1 – предыдущий расход буровых насосов.
Данный критерий отражает, какой процент прироста перепада давления дает каждый процент увеличения расхода буровых насосов, фактически показывает скорость изменения перепада давления от изменения производительности насосов. Построение графика в координатах относительный прирост перепада давления – производительность насосов позволяет оценить переходы от ламинарного к переходному и турбулентному режимам. Это происходит за счет того, что при ламинарном режиме прирост подачи буровых насосов дает не такой существенный рост перепада давления, а для переходного и, что в большей степени явно, для турбулентного каждый процент прироста скорости подачи дает кратно больший рост давления. Результаты расчетов представлены в табличном (таблица 5) и графическом виде (рисунок 2).
РИСУНОК 2. Относительный прирост давления ( Р/ Q) в зависимости от повышения производительности буровых насосов
ТАБЛИЦА 4. Сравнение площадей потока исследуемых выталкивающих пачек с различными реологическими характеристиками
ТАБЛИЦА 5. Результаты расчета относительного прироста перепада давления в графическом виде
По результатам гидравлического моделирования режимов течения пачек (таблица 5) можно сделать вывод, что наиболее приемлемым диапазоном реологических характеристик для выталкивающей пачки является загущение по ДНС выше 40 фунт/100 фут2:
-
Площадь и эпюры потока не изменяются в худшую сторону с точки зрения замещения для подач насосов 47 и 63 л/с, которые являются целевым режимами при прокачке пачек и замещении.
-
Переходный режим течения для данных опций реологических характеристик наступает за верхним краем целевых диапазонов подач буровых насосов – более 63 л/с.
Стоит отметить, что данная оценка и оптимизация диапазона реологических характеристик выполнена для конкретных условий тяжелой конструкции скважины, а именно затрубном пространстве большой площади между ОК с внутренним диаметром 314 мм и бурильной трубой 168 мм и не может быть применена как универсальная рекомендация и правило.
Оценка изменения давления на насосах и эквивалентной циркуляционной плотности (ЭЦП)
Для оценки практической применимости предложенного диапазона был выполнен расчет давлений на насосах и ЭЦП для трех вариаций реологии выталкивающей пачки (таблица 6).
ТАБЛИЦА 6. Параметры исследуемых выталкивающих пачек
Разница в давлении и ЭЦП для обозначенных вариаций пачек составляет:
-
Для давления на насосах: 52 и 90 фунт/дюйм2 (для ДНС 40 и 49 фунт/100 фут2 соответственно), относительно минимальной реологии с ДНС 25 фунт/100 фут2.
-
Для ЭЦП: 0,019 г/см3 и 0,033 г/см3 (для ДНС 40 и 49 фунт/100 фут2 соответственно), относительно минимальной реологии с ДНС 25 фунт/100 фут2.
Учитывая относительно невысокую разницу в давлениях и ЭЦП, а также наличие возможности оптимизации режимов замещения для регулирования данных величин путем снижения подачи насосов, рассмотренный диапазон реологических характеристик выталкивающей пачки приемлем для применения при проведении операций по замещению. Текущие скорости сдвига при замещении находятся на уровне 76,3 с-1 при 63 л/с, 57,2 с-1 при скорости 47 л/с, при этом рекомендуемый нижний порог не менее 52 с-1, что говорит о наличии возможности регулирования величины давления на насосах и ЭЦП, что более критично для планирования замещения в рамках безопасных лимитов.
Обсуждение результатов успешного практического внедрения на скважинах № 4 и 5
На основании выполненного анализа, гидравлического моделирования и выработанных рекомендаций для скважин № 4 и 5 был спроектирован и реализован новый дизайн выталкивающей пачки с целевым значением динамического напряжения сдвига (ДНС) на уровне 48 фунт/100 фут2.
В ходе проведения операций по очистке и замещению скважин № 4 и 5 были зафиксированы следующие результаты:
-
Отсутствие «переворота» пачек – выход строго в запланированной последовательности, прорыва отмывающей пачки не зафиксировано.
-
Снижение объема зон смешения – общий объем пачек на выходе из скважины соответствовал закачанному с точностью до 5–7 % (зоны смешения минимальны). В отличие от предыдущих скважин, где зона смешения достигала 80 м3, на скважинах № 4 и 5 она не превысила 8 м3.
-
Стабильное давление на насосах – давление при прокачке выталкивающей пачки в вертикальном участке оставалось в расчетных пределах без резких провалов или скачков, характерных для прорыва легкой отмывающей пачки.
-
Эффективная очистка и замещение скважины – качество выходящего рассола после завершения замещения соответствовало критериям «чистый» (отсутствие видимых включений бурового раствора, шлама, сгустков).
-
Соблюдение лимитов по ЭЦП, несмотря на повышение реологии, ЭЦП увеличилась не более чем на 0,03–0,035 г/см3 относительно базового варианта, что осталось в пределах безопасного окна между пластовым давлением и давлением гидроразрыва.
Таким образом, применение выталкивающей пачки с ДНС = 48 фунт/100 фут² полностью подтвердило выдвинутую гипотезу: увеличение реологии предотвращает прорыв легкой отмывающей пачки в вертикальной части ствола, удерживая ламинарный (пробковый) режим течения.
Заключение
На основе анализа трех ранее выполненных операций (скважины № 1, 2, 3) и последующего гидравлического моделирования установлено, что причиной «переворота» выталкивающей и отмывающей пачек в скважинах с большим отходом от вертикали и тяжелыми конструкциями является работа выталкивающей пачки в переходном режиме течения в вертикальном участке. Предложенным технологическим решением стало повышение динамического напряжения сдвига выталкивающей пачки до уровня не менее 40–49 фунт/100 фут² (с приоритетом на верхнюю границу) при сохранении ламинарного режима в диапазоне рабочих подач насосов 47–63 л/с.
Успешное внедрение данного подхода на последующих скважинах № 4 и 5 подтвердило его эффективность: отсутствие «переворота», минимальные зоны смешения, стабильные давления и качественная очистка ствола.
Рекомендуется обратить внимание на то, что унифицированные практики по подбору параметров технологических жидкостей могут не всегда удовлетворять конкретным условиями работы. Разработанный критерий и подход к подбору реологических параметров утяжеленной пачки может быть применен при проектировании очистки и замещения на аналогичных скважинах с большим отходом от вертикали и тяжелыми конструкциями.
Литература
3. D. Isaac. The Baroid CFS Completion Fluids Manual.
4. Осипов П.Ф. Гидроаэромеханика бурения и крепления скважин: Учебное пособие. – Ухта: УГТУ, 2004. – С. 53.
