Анализ факторов, влияющих на пескопроявления слабоконсолидированных газовых коллекторов
Ибрагимова Д.Р., Милованова В.В., Субботин М.Д., Петелин Д.А., Воробьев И.В.
ООО «Тюменский нефтяной научный центр»
Разработка и эксплуатация газовых залежей слабоконсолидированных пластов зачастую осложняется наличием механических примесей в добываемой продукции. Скопление частиц породы на забое приводит к образованию песчано-жидкостных пробок, а вынос песка может привести к абразивному износу элементов фонтанной арматуры. При интенсивном пескопроявлении приходится прибегать к технологическим ограничениям режимов работы скважин, что ведет к значительным потерям в добыче газа. Для повышения эффективности эксплуатации залежи необходимо выявить факторы, влияющие на пескопроявление, способы их оценки и контроля.
Проблематика
Под пескопроявлением понимают процесс разрушения призабойной зоны пласта, сопровождающийся выносом песка на забой и устье скважины. Накопление на забое песчаной пробки или кольматация фильтра приводят к снижению продуктивности скважины. При поступлении песка с продукцией на поверхность интенсифицируется эрозионный износ оборудования и трубопроводов, что повышает риск возникновения аварийных ситуаций. Рассматриваемая проблема наиболее характерна для залежей, вступающих в заключительную стадию разработки, поэтому эффективность разработки таких залежей во многом будет зависеть не только от устойчивости коллектора к нагрузкам, но и от технологических решений, заложенных при проектировании скважин.
В отечественной и мировой практике накоплен значительный опыт, посвященный проблеме разрушения призабойной зоны пласта (ПЗП) [1, 2]. Прогнозирование динамики пескопроявления, а также установление качественной и количественной связи между свойствами пласта, технологическими показателями разработки и объемом выносимых твердых примесей требует комплексного и междисциплинарного подхода.
В отечественной и мировой практике накоплен значительный опыт, посвященный проблеме разрушения призабойной зоны пласта (ПЗП) [1, 2]. Прогнозирование динамики пескопроявления, а также установление качественной и количественной связи между свойствами пласта, технологическими показателями разработки и объемом выносимых твердых примесей требует комплексного и междисциплинарного подхода.
Факторы, влияющие на пескопроявление
Разрушение горных пород в ПЗП проис-ходит при нарушении критерия устойчивости, который зависит от упруго-прочностных свойств горных пород и их напряженно-
деформированного состояния (НДС). На рисунке 1 предложена схема-классификация факторов, влияющих на разрушение ПЗП, состоящая из двух ключевых групп:
• факторы, характеризующие прочностные свойства горных пород;
• факторы, влияющие на формирование поля напряжений.
деформированного состояния (НДС). На рисунке 1 предложена схема-классификация факторов, влияющих на разрушение ПЗП, состоящая из двух ключевых групп:
• факторы, характеризующие прочностные свойства горных пород;
• факторы, влияющие на формирование поля напряжений.
Рис. 1. Факторы, влияющие на разрушение призабойной зоны пласта
Рассмотрим факторы первой группы «Прочностные свойства горных пород». По данным промысловых исследований ряда газовых месторождений и подземных хранилищ газа (ПХГ) прослеживается зависимость между наличием пескопроявлений и прочностью породы [3]. Оценка предела прочности пород производится путем исследований керна, в частности, определяется корреляция между пределом прочности и модулем Юнга. Однако для слабоконсолидированных пород отбор керна и проведение геомеханических тестов зачастую невозможно, и для оценки состояния ПЗП могут использоваться качественные и количественные зависимости между упруго-прочностными и
фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), составом и условиями залегания продуктивного пласта. Так, на скважинах Медвежьего месторождения отмечается взаимосвязь между количеством вскрываемых крупнозернистых коллекторов в интервалах перфорации и интенсивностью выноса частиц породы. Аналогичная картина наблюдается и для пористости: чем выше пористость, тем ниже прочность породы. Предел прочности коррелирует с пористостью по результатам исследования керна для пласта ПК1: с уменьшением глинистости прочность коллектора снижается (рис. 2).
фильтрационно-емкостными свойствами (ФЕС), составом и условиями залегания продуктивного пласта. Так, на скважинах Медвежьего месторождения отмечается взаимосвязь между количеством вскрываемых крупнозернистых коллекторов в интервалах перфорации и интенсивностью выноса частиц породы. Аналогичная картина наблюдается и для пористости: чем выше пористость, тем ниже прочность породы. Предел прочности коррелирует с пористостью по результатам исследования керна для пласта ПК1: с уменьшением глинистости прочность коллектора снижается (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость эффективного давления начала пластических деформаций образцов от пористости
В общем случае, чем лучше ФЕС, тем ниже прочность породы. Наиболее подвержены разрушению пропластки суперколлектора. Критическая депрессия, при которой начинается вынос песка, для таких интервалов в 2–3 раза ниже, чем для породы с меньшей проницаемостью.
Опережающее разрушение суперколлектора связано также с его первоочередным обводнением. С увеличением влажности прочность породы снижается (рис. 3), что связано с набуханием глинистого цемента и уменьшением капиллярного взаимодействия между зернами песчаника.
Опережающее разрушение суперколлектора связано также с его первоочередным обводнением. С увеличением влажности прочность породы снижается (рис. 3), что связано с набуханием глинистого цемента и уменьшением капиллярного взаимодействия между зернами песчаника.
Рис. 3. Зависимость содержания механических примесей от обводенности на Самотлорском месторождении для:
1 — коллекторов с αпс < 0,5,
2 — коллекторов с αпс > 0,5, где αпс — комплексный геофизический показатель
1 — коллекторов с αпс < 0,5,
2 — коллекторов с αпс > 0,5, где αпс — комплексный геофизический показатель
Этот процесс снижает эрозионную устойчивость породы, вследствие чего в продукции скважин присутствует песок при меньших градиентах давления по сравнению с сухим коллектором [4]. Интенсификация пескопроявления после обводнения коллектора подтверждается промысловыми и лабораторными данными (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость выноса песка от количества воды
по результатам мониторинга сеноманских объектов Ямбургского НГКМ
по результатам мониторинга сеноманских объектов Ямбургского НГКМ
Рекомендуется проводить оценку наличия механических примесей в продукции скважин после первых признаков обводнения.
Пресная вода более интенсивно разрушает структуру глинистого цемента сеноманского керна по сравнению с минерализованными водами. Это приводит к повышению риска разрушения ПЗП при накоплении конденсационной воды на забое, а также при использовании технологических жидкостей с низкой минерализацией. В работе представлен эксперимент по оценке влияния минерализации жидкости на керне слабоконсолидированных пород. В результате эксперимента было установлено, что пресная вода разрушает структуру глинистого цемента сеноманского керна более интенсивно, чем минерализованная.
Пресная вода более интенсивно разрушает структуру глинистого цемента сеноманского керна по сравнению с минерализованными водами. Это приводит к повышению риска разрушения ПЗП при накоплении конденсационной воды на забое, а также при использовании технологических жидкостей с низкой минерализацией. В работе представлен эксперимент по оценке влияния минерализации жидкости на керне слабоконсолидированных пород. В результате эксперимента было установлено, что пресная вода разрушает структуру глинистого цемента сеноманского керна более интенсивно, чем минерализованная.
Ниже приведены данные по среднему значению критической депрессии для пласта ПК1 (табл. 1), которые учитывают ключевые факторы из первой группы [5].
Табл. 1. Критическая депрессия, бар
Устойчивость коллектора к разрушению зависит не только от прочностных свойств породы, но и от изменения напряженного состояния в ПЗП в процессе разработки.
При снижении пластового давления и увеличении депрессии в поровом пространстве будет наблюдаться изменение градиента давления в ПЗП и рост эффективных напряжений [6]. При увеличении депрессии, как правило, наблюдается рост количества механических примесей. Для Ямбургского месторождения по результатам исследований были определены приблизительные зависимости выноса механических примесей от депрессий. Количественная зависимость выноса песка от депрессии индивидуальна для каждой скважины (рис. 5).
При снижении пластового давления и увеличении депрессии в поровом пространстве будет наблюдаться изменение градиента давления в ПЗП и рост эффективных напряжений [6]. При увеличении депрессии, как правило, наблюдается рост количества механических примесей. Для Ямбургского месторождения по результатам исследований были определены приблизительные зависимости выноса механических примесей от депрессий. Количественная зависимость выноса песка от депрессии индивидуальна для каждой скважины (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость удельного выноса песка от депрессии. Ямбургское месторождение
Напряженное состояние пласта изменяется во времени. Интенсивность пескопроявления будет увеличиваться в процессе разработки по мере снижения пластового давления, вследствие увеличения эффективного напряжения ∆Рэфф. При снижении пластового давления ниже критического разрушение пласта будет происходить при любой депрессии. На рисунке 6 представлены результаты геомеханического моделирования для месторождения Западной Сибири, где критическое пластовое давление составило 5,3 МПа. На Уренгойском месторождении при пластовом давлении менее 4 МПа напряжения в увлажненном продуктивном пласте в зоне скважины начинали превосходить предел прочности породы при любых депрессиях [7].
Рис. 6. Пример расчета безопасной депрессии с использованием геомеханической модели
При невозможности ограничения контрольных параметров на поздних стадиях разработки необходимо использовать способы химического и механического крепления ПЗП и технологии для выноса воды с забоя (ПАВ, КЛК) [8].
Резкие колебания давления и знакопеременные нагрузки могут привести к увеличению количества выносимых механических примесей при причине дестабилизации песчано-сводовых структур
в ПЗП [9].
Осложняющим фактором может выступать реология и характер насыщения породы.
От подвижности флюидов будут зависеть депрессии, необходимые для поддержания целевых уровней добычи газа. Кроме того, реологические свойства флюида влияют на процесс выноса частиц породы из порового пространства в скважину. Исходя из анализа мирового опыта и промысловых данных, скорость фильтрации на установившемся режиме слабо влияет на процесс разрушения коллектора.
Резкие колебания давления и знакопеременные нагрузки могут привести к увеличению количества выносимых механических примесей при причине дестабилизации песчано-сводовых структур
в ПЗП [9].
Осложняющим фактором может выступать реология и характер насыщения породы.
От подвижности флюидов будут зависеть депрессии, необходимые для поддержания целевых уровней добычи газа. Кроме того, реологические свойства флюида влияют на процесс выноса частиц породы из порового пространства в скважину. Исходя из анализа мирового опыта и промысловых данных, скорость фильтрации на установившемся режиме слабо влияет на процесс разрушения коллектора.
От выбранного типа заканчивания и конструкции скважины (рис. 7), а также технологических жидкостей будут зависеть продуктивные характеристики скважины, а значит, и рабочие депрессии, и напряжения, создаваемые в ПЗП. Если рассматривать скважины с заканчиванием в виде открытого ствола при нормальном режиме напряжений, характерном для Западной Сибири, риск пескопроявлений будет меньше для вертикальных скважин меньшего диаметра. Однако эксплуатация залежей горизонтальными скважинами в первую очередь обусловлена их большей продуктивностью. Для получения одного и того же дебита в горизонтальной скважине создаются меньшие депрессии, а значит, и меньшие градиенты давления по сравнению с вертикальной скважиной, при этом снижается риск преждевременного прорыва воды.
Рис. 7. Чувствительность безопасной депрессии к углу наклона скважины
Устойчивость ствола скважины может изменяться в зависимости от азимутального угла. Для определения оптимального направления требуется построение геомеханической модели (рис. 8) [10].
Рис. 8. Устойчивость ствола скважины
Критический дебит разрушения породы в призабойной зоне в случае с перфорированной колонной ниже, чем для скважины с открытым стволом. Увеличение плотности перфорации позволяет увеличить продуктивность скважины и снизить рабочие депрессии. Кроме того, устойчивость ПЗП зависит от ориентации перфорационных каналов. Выбор угла производится на основе геомеханических расчетов и зависит от направления стрессов (рис. 9). Для снижения риска пескопроявления рекомендуется использовать технологии ориентированной перфорации и щадящие технологии перфорации (гидропескоструйная, гидромеханическая и т.д.).
Рис. 9. Зависимость критической депрессии от ориентации перфораций
Отдельно следует рассмотреть заканчивание с установкой специализированных противопесочных фильтров. Их наличие не предотвращает разрушение пород в ПЗП, однако препятствует выносу песка в скважину.
Что касается выбора жидкостей, контактирующих с призабойной зоной пласта, —использование воды с низкой минерализацией может привести к интенсификации выноса механических частиц породы. Для минимизации риска разрушения ПЗП рекомендуется использовать растворы на углеводородной основе или соляные растворы, в меньшей степени влияющие на капиллярное взаимодействие между зернами породы.
Что касается выбора жидкостей, контактирующих с призабойной зоной пласта, —использование воды с низкой минерализацией может привести к интенсификации выноса механических частиц породы. Для минимизации риска разрушения ПЗП рекомендуется использовать растворы на углеводородной основе или соляные растворы, в меньшей степени влияющие на капиллярное взаимодействие между зернами породы.
Степень влияния факторов
На основании проведенного анализа и мониторинга разработки сеноманских газовых залежей авторами выполнена экспертная оценка степени влияния отдельных факторов на пескопроявления. Выделены факторы, имеющие наибольшее влияние на напряжения, создаваемые в ПЗП во время эксплуатации скважины на большинстве рассмотренных объектов. Факторы, влияние которых в литературе описано неоднозначно (отсутствует промысловое либо лабораторное подтверждение, представлены на отдельных объектах, но не повсеместно), определены как оказывающие низкое влияние на разрушение пласта. В таблице 2 представлена классификация основных причин пескопроявления по степени их влияния и возможности контроля.
Для обоснования безопасных режимов эксплуатации с точки зрения устойчивости ПЗП к нагрузкам применяют трехмерное геомеханико-гидродинамическое моделирование. Такие модели позволяют прогнозировать динамические изменения в полях напряжений, деформаций, а также разрушение пород в процессе разработки.
Для обоснования безопасных режимов эксплуатации с точки зрения устойчивости ПЗП к нагрузкам применяют трехмерное геомеханико-гидродинамическое моделирование. Такие модели позволяют прогнозировать динамические изменения в полях напряжений, деформаций, а также разрушение пород в процессе разработки.
Табл. 2. Влияние факторов на пескопроявления в газовых скважинах
ИТОГИ
В рамках проделанной работы авторами проанализированы открытые источники, описывающие мировой и отечественный опыт изучения пескопроявлений в газовых скважинах, предложена концептуальная классификация факторов, влияющих на разрушение призабойной зоны пласта.
Также схема ранжирования факторов, влияющих на пескопроявления, по степени влияния факторов на напряжения, создаваемые в ПЗП во время эксплуатации скважины, а также возможности контроля данных факторов. При этом необходимо учитывать, что количественная оценка влияния отдельных факторов индивидуальна для отдельных зон залежи и отдельных скважин.
Также схема ранжирования факторов, влияющих на пескопроявления, по степени влияния факторов на напряжения, создаваемые в ПЗП во время эксплуатации скважины, а также возможности контроля данных факторов. При этом необходимо учитывать, что количественная оценка влияния отдельных факторов индивидуальна для отдельных зон залежи и отдельных скважин.
ВЫВОДЫ
Для учета приведенных в статье факторов при планировании разработки газонасыщенных пластов необходимо снять неопределенности в части геофизической информации и лабораторных исследований на керновом материале. Это позволит снизить геологические риски, с учетом истощения пласта выполнить картирование безопасных зон и интервалов для минимизации пескопроявлений и при необходимости провести точечную корректировку устьевых давлений скважин для контроля депрессий, обводненности продукции и выбора оптимального типа заканчивания скважин. Применение подобного подхода по данному вопросу поможет проработать стратегию подготовки месторождений к возможным проблемам, связанным с пескопроявлением, уже на ранних стадиях разработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бондаренко В.А., Савенок О.В. Анализ современных методов и технологий управления процессами пескопроявлений при эксплуатации скважин // Горное дело. 2008. С. 132–134.
2. Изюмченко Д.В., Мандрик Е.В., Мельников С.А., Плосков А.А., Моисеев В.В., Харитонов А.Н., Памужак С.Г. Эксплуатация газовых скважин в условиях активного водо- и пескопроявления // Вести газовой науки. 2018. № 1.
С. 235–242.
3. Han G., Dusseault M. B., Cook J. Why sand fails after water breakthrough. Gulf Rocks 2004, the 6th North America Rock Mechanics Symposium (NARMS): Rock Mechanics Across Borders and Disciplines, held in Houston, Texas, June 5 – 9, 2004. 10 p. (In Eng).
4. Бондаренко В.А. Повышение эффективности крепления призабойной зоны пласта с целью снижения пескопроявлений (на примере месторождений Краснодарского края). Диссертация. Краснодар: 2004. 158 c.
5. Меликов Р., Павлов В., Павлюков Н., Пташный А., Красников А., Субботин М., Королев А., Лознюк О. Оптимизация проводки и параметров эксплуатации горизонтальных скважин при разработке пласта ПК1 Харампурского НГКМ. Москва. 2018. 15–17 октября. Российская нефтегазовая техническая конференция SPE. № 191635.
6. Desroches J., Woods T.E. Stress measurements for sand control. SPE/ISRM Rock Mechanics in Petroleum Engineering, Trondheim, Norway, July 1998,
SPE-47247-MS. (In Eng).
7. Ланчаков Г.А. Повышение эффективности доразработки сеноманских газовых залежей. 2006.
8. Fan Z., Yang D. Quantification of sand production using a pressure-gradient-based sand-failure criterion. SPE Canada Heavy Oil Technical Conference, Calgary, Alberta, Canada, February 2017, SPE-185009-MS. (In Eng).
9. Жуковский К.А. Ликвидация пескопроявлений оборудованием газовых скважин противопесочным фильтром с гравийной набивкой. Диссертация. Новый Уренгой: 2002. 162 с.
10. Пятахин М.В. Критический дебит разрушения породы в призабойной зоне горизонтальной скважины // Газовая промышленность. 2009. № 7. С. 36–39.
2. Изюмченко Д.В., Мандрик Е.В., Мельников С.А., Плосков А.А., Моисеев В.В., Харитонов А.Н., Памужак С.Г. Эксплуатация газовых скважин в условиях активного водо- и пескопроявления // Вести газовой науки. 2018. № 1.
С. 235–242.
3. Han G., Dusseault M. B., Cook J. Why sand fails after water breakthrough. Gulf Rocks 2004, the 6th North America Rock Mechanics Symposium (NARMS): Rock Mechanics Across Borders and Disciplines, held in Houston, Texas, June 5 – 9, 2004. 10 p. (In Eng).
4. Бондаренко В.А. Повышение эффективности крепления призабойной зоны пласта с целью снижения пескопроявлений (на примере месторождений Краснодарского края). Диссертация. Краснодар: 2004. 158 c.
5. Меликов Р., Павлов В., Павлюков Н., Пташный А., Красников А., Субботин М., Королев А., Лознюк О. Оптимизация проводки и параметров эксплуатации горизонтальных скважин при разработке пласта ПК1 Харампурского НГКМ. Москва. 2018. 15–17 октября. Российская нефтегазовая техническая конференция SPE. № 191635.
6. Desroches J., Woods T.E. Stress measurements for sand control. SPE/ISRM Rock Mechanics in Petroleum Engineering, Trondheim, Norway, July 1998,
SPE-47247-MS. (In Eng).
7. Ланчаков Г.А. Повышение эффективности доразработки сеноманских газовых залежей. 2006.
8. Fan Z., Yang D. Quantification of sand production using a pressure-gradient-based sand-failure criterion. SPE Canada Heavy Oil Technical Conference, Calgary, Alberta, Canada, February 2017, SPE-185009-MS. (In Eng).
9. Жуковский К.А. Ликвидация пескопроявлений оборудованием газовых скважин противопесочным фильтром с гравийной набивкой. Диссертация. Новый Уренгой: 2002. 162 с.
10. Пятахин М.В. Критический дебит разрушения породы в призабойной зоне горизонтальной скважины // Газовая промышленность. 2009. № 7. С. 36–39.
Ибрагимова Д.Р., Милованова В.В.,
Субботин М.Д., Петелин Д.А.,
Воробьев И.В.
ООО «Тюменский нефтяной научный центр»
dapetelin-tnk@tnnc.rosneft.ru
Субботин М.Д., Петелин Д.А.,
Воробьев И.В.
ООО «Тюменский нефтяной научный центр»
dapetelin-tnk@tnnc.rosneft.ru
Материалы и методы
Ключевые слова
Для цитирования
Поступила в редакцию
УДК и DOI
Выполнен анализ отечественного опыта и мировых тенденций изучения пескопроявления в газовых скважинах. Предложена концептуальная классификация факторов, влияющих
на пескопроявления, и схема их ранжирования.
на пескопроявления, и схема их ранжирования.
разработка газовых месторождений, призабойная зона, свойства пласта, пескопроявление
Ибрагимова Д.Р., Милованова В.В., Субботин М.Д., Петелин Д.А., Воробьев И.В. Анализ факторов, влияющих на пескопроявления слабоконсолидированных газовых коллекторов // Экспозиция Нефть Газ. 2022. № 5. С. 50–54. DOI: 10.24412/2076-6785-2022-5-50-54
18.05.2022
УДК 622.276
DOI: 10.24412/2076-6785-2022-5-50-54
DOI: 10.24412/2076-6785-2022-5-50-54
Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88