Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап становления рыночных отношений предполагает коренную перестройку всего топливно-энергетического комплекса России и перевод его на ресурсосберегающий путь развития при постоянном внимании к экологическим проблемам.
Значительная доля материальных затрат при разработке месторождений углеводородов (УВ) приходится на комплекс работ, связанных со строительством и эксплуатацией добывающих и технологических скважин.
К сожалению, необходимо констатировать, что последние годы характеризуются снижением качественных и технико-экономических показателей работ на фоне закономерно прогрессирующего роста аномальности геолого-технических условий бурения, связанного с увеличением глубин, объёмов наклонно направленного и горизонтального бурения, переходом многих нефтегазовых месторождений на позднюю и завершающую стадии разработки, а также повсеместным применением на практике репрессионного способа бурения.
К существенной осложненности геолого-технических условий бурения приводят и снижение начальных пластовых давлений на разрабатываемых залежах, дифференциация пластовых давлений по разрезу и площади месторождения, высокие градиенты давления между разнонапорными пластами, нестационарность гидродинамического состояния и поведения многопластовой залежи. Действие отмеченных факторов интенсифицирует процессы загрязнения призабойной зоны продуктивной толщи и заколонные межпластовые перетоки при заканчивании и эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин. Решающее влияние на техническое состояние ствола и гидродинамическое поведение скважины в этих условиях оказывают нестационарные процессы гидродинамического и физико-химического взаимодействий технологических жидкостей (промывочных и тампонажных растворов) с комплексом вскрытых бурением горных пород, приствольная и призабойная зоны которых характеризуются различными литологическими и физико-химическими параметрами.
Следствием этих взаимодействий становятся большинство встречаемых на практике осложнений (поглощения промывочных жидкостей и тампонажных растворов, нефтегазоводопроявления, межпластовые перетоки, кавернообразования, геомеханические нарушения (обвалы стенок скважины и сужение ствола), мини- и макрогидроразрывы горных пород и необратимые изменения фильтрационных свойств продуктивных пластов). Однако наиболее распространённым осложнением является поглощение буровых и тампонажных растворов, так называемая «естественная фильтрация». Потери, по разным оценкам, на месторождениях Заполярья составляют до тысячи кубических метров на три тысячи метров проходки.
Немаловажная роль в этих негативных процессах принадлежит применяемым конструкциям забоя скважин, технические и эксплуатационные характеристики которых в большинстве случаев не соответствуют возросшим требованиям значительно изменившихся геолого-промысловых условий разработки месторождений на поздней и завершающей стадиях. Формируемая в интервале продуктивных отложений составная крепь (обсадная колонна – цементное кольцо – стенки скважины), как показывает отечественный и зарубежный опыт, не только не обеспечивает герметичность ее элементов (цементного кольца и его контактных зон с обсадными трубами и стенками скважины), но и значительно усложняет в дальнейшем производство ремонтно-изоляционных работ (РИР), обработку призабойной зоны (ОПЗ) и других операций по интенсификации добычи нефти. Результативность РИР в скважинах, несовершенных по характеру и степени вскрытия, составляет в среднем 12…20 % и не превышает 50 %.
Для решения этих проблем необходимо тщательно изучить гидродинамические и геологические условия проводки скважин, знать технологии обеспечения герметичности крепи и, что самое важное, научиться формировать гидродинамически совершенный открытый забой в различных геолого-технических условиях строительства скважин различного назначения. Естественно, очень важным является предупреждение отрицательного воздействия процессов, происходящих в призабойной зоне продуктивных пластов при заканчивании скважин.
Следует отметить, что проблема заканчивания скважин открытым забоем имеет достаточно давнюю историю, всегда привлекала внимание технологов как наиболее перспективная с точки зрения совершенства вскрытия продуктивных горизонтов. Но отсутствие уверенности в долговременной эксплуатации открытого фильтра таких скважин при наличии суффозии, возможных флюидоперетоков между разнонапорными пластами и отсутствии технологии первичного вскрытия на депрессии или равновесии сдерживало развитие и внедрение подобных способов.
Для реализации перспективной технологии формирования открытого забоя многопластовых залежей в различных геолого-технических условиях строительства скважин необходимо:
- сформулировать требования к фильтру скважины в различных геолого-технических условиях;
- выявить причину и основные факторы некачественного первичного вскрытия скважин и разобщения пластов;
- решить проблему обеспечения герметичности заколонного пространства над башмаком эксплуатационной колонны на весь период работы скважины несмотря на сложность борьбы с так называемым «зависанием» цементного раствора за колонной в период превращения его в камень, контракционными, суффозионными и другими процессами, происходящими в период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ);
- разработать комплекс технологий долговременной изоляции разнонапорных пластов, включающий дренирование приствольной зоны с последующей изоляцией ее твердеющими растворами и тампонирование высокопроницаемых водонасыщенных пластов продуктивной толщи;
- предусмотреть технологии восстановления коллекторских характеристик пласта, например, за счет увеличения поверхности фильтрации и формирование такой формы забоя, которая позволяла бы более успешно применять перспективные методы увеличения добывных возможностей скважины передачей волновой энергии в отдаленные от забоя скважины зоны пласта.
Адресная подача волновой энергии группе продуктивных пластов хорошо коррелируется с позицией флюидодинамической модели углеводородного резервуара с учётом блоковой динамики осадочного чехла и фундамента.
На решение указанных проблем, направленных на обеспечение первичного вскрытия продуктивной толщи с максимально возможным сохранением естественных фильтрационно-емкостных характеристик продуктивных пластов многопластовой залежи, их надёжного разобщения и герметизации заколонного пространства с целью долговременной безводной эксплуатации добывающей скважины, а также обеспечения возможности доставки волновой энергии в удалённые зоны пласта для более полного извлечения углеводородов, и нацелено настоящее диссертационное исследование.
Цель работы - повышение углеводородоотдачи пластов при эксплуатации месторождений сложнопостроенных залежей строительством скважин с открытым забоем с использованием в процессах добычи углеводородов волновых эффектов теории нелинейных колебаний.
Основные задачи работы
-
Анализ проблем повышения текущей и конечной углеводородоотдачи с учетом геодинамических и гидродинамических процессов в системе «скважина - пласт - месторождение».
-
Обоснование необходимости обязательных требований и технической возможности заканчивания скважины способом «открытый забой» как одним из главных путей повышения текущей углеводородоотдачи пластов.
-
Теоретическое обоснование применения волновой технологии в основных процессах строительства и эксплуатации скважин.
-
Формирование и реализация комплекса технологий по предупреждению осложнений и аварий при бурении скважин и созданию герметичного заколонного пространства (необходимые условия для скважин с открытым забоем).
-
Изучение механизма экранирования остаточных запасов углеводородов и влияния на эти процессы геодинамических явлений с учетом блокового строения земной коры (теоретические аспекты проблемы).
-
Разработка и усовершенствование технологий волнового воздействия генераторами III-его поколения на призабойную зоны пласта и на заблокированные зоны.
-
Разработка технической и проектной документации для промысловой оценки эффективности разработанных технологий.
Научная новизна
-
На основе современных представлений о блоковой динамике осадочного чехла и фундамента с учетом термодинамики флюидных потоков сделан научно обоснованный вывод об особенностях естественного состояния сред с дискретной структурой, которые в совокупности определяют способность массива горной породы реагировать на дополнительные силовые нагрузки любого типа.
-
Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность создания градиентов (в разы больших, чем при заводнении) при вытеснении жидких углеводородов из низкопроницаемых коллекторов в дренажные каналы продуктивного пласта при наложении на него волнового поля расчетных параметров.
-
На основе эффекта группирования твердых частиц в потоке бурового раствора объяснен механизм струйно-волновой кольматации неустойчивых пород без их эрозионного размыва созданием кольматационного экрана с регулируемыми параметрами (прочностью, проницаемостью).
-
Научно обоснованы методика предупреждения и борьбы с осложнениями в процессе бурения и требования к качеству разобщения многопластовых залежей с целью обеспечения герметичности заколонного пространства скважин различного назначения.
-
Разработаны теоретические основы площадной обработки волновым полем заблокированных зон продуктивного пласта на расстояниях до 1000 метров от скважины и более с целью их разблокирования и включения в разработку.
Практическая ценность и реализация результатов работы
-
Разработанные методика и критерии формирования скважин с открытым забоем многопластовых залежей позволяют решить следующие технологические задачи:
-
обеспечить максимально возможный приток углеводородов к забою скважины;
-
создать в процессе первичного вскрытия многопластовых залежей долговременные непроницаемые кольматационные экраны против водоносных горизонтов;
-
создать наиболее благоприятные условия для передачи волновой энергии в продуктивные пласты с целью воздействия на призабойную, удаленную и заблокированную зоны;
-
обеспечить комфортные условия для выполнения различных операций, связанных с разработкой месторождений (выравнивание фронта заводнения, закачка вытесняющего агента, химическая обработка пласта и др.).
-
-
Разработаны и усовершенствованы комплексы технологий, обеспечивающие строительство скважин и их эксплуатацию в запроектированном режиме:
комплекс технологий на этапе бурения и заканчивания скважины с целью формирования открытого ствола:
- технология кольматации проницаемых пластов с применением гидроэлеватора со встроенным кольмататором (гидроэлеватор НГ-3К);
- технология управляемой струйно-волновой кольматации, основанная на использовании эффекта группирования разноплотностных частиц и увеличения их проникающей способности в капиллярные каналы в волновом поле;
- технологии обработки тампонажного раствора электрогидроимпульсным устройством в период превращения тампонажного раствора в камень;
- технологии первичного вскрытия пластов продуктивной толщи в водонефтяных зонах гидрофобным карбонатным буровым раствором с глубокой необратимой кольматацией встречающихся водоносных горизонтов;
комплекс технологий для формирования открытого забоя, обеспечивающего наилучшие условия передачи волновой энергии:
- технология изготовления щелей в скважине;
- технология формирования протяженных каналов фильтрации сверлящим перфоратором;
комплекс технологий освоения, очистки приствольной и призабойной зон при текущем и капитальном ремонтах скважин и площадных воздействий:
- технология освоения скважин и очистки призабойной зоны пласта с применением вибрационно-вакуумного очистителя;
- технология очистки призабойной зоны малопроницаемых слоисто-неоднородных пластов добывающих и нагнетательных скважин с применением гидродинамического генератора волнового (ГДГВ);
- технологии волнового воздействия для площадной обработки пласта, для декольматации экранированных заблокированных зон.
-
Разработаны технические устройства для обеспечения устойчивости ствола скважины при бурении, очистки приствольной и призабойной зон при освоении и ремонте, а также устройства и установки для воздействия на удаленные зоны продуктивного пласта.
-
Основные разработки включены в проектную документацию (более 100 проектов) на строительство разведочных и эксплуатационных скважин Западной Сибири ОАО «Газпром».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы и основные положения докладывались и обсуждались на:
- Международных научно-технических и научно-практических конференциях: «Ресурсосбережение в топливно-энергетическом комплексе России» (Тюмень, 1999 г.); «Освоение ресурсов трудноизвлекаемых и высоковязких нефтей» (Анапа, 2003 г.); «Повышение нефтеотдачи пластов и капитальный ремонт скважин» («Ашировские чтения») (Самара, 2008 г.);
- Всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: «Моделирование технологических процессов бурения, добычи и транспортировки нефти и газа на основе современных информационных технологий» (Тюмень, 1998 г.); «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса» (Тюмень, 2000 г.); «Инновационный потенциал молодых специалистов ОАО «Газпром» как условие повышения эффективности разработки углеводородных месторождений Ямала» (Салехард, 2004 г.); «Энергоэффективность. Проблемы и решения» (Уфа, 2008 г.);
- научно-практических и научно-технических конференциях: «Энергосбережение при освоении и разработке северных месторождений Западно-Сибирского региона» (Тюмень, 1997 г.); XVII научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 35-летию ТюмГНГУ, «Новые технологии – нефтегазовому региону» (Тюмень,
1998 г.); «Проблемы строительства, эксплуатации и исследования горизонтальных скважин» (р.п. Актюба, 1999 г.); «Повышение эффективности работы нефтегазодобывающего комплекса Ямала путем применения прогрессивных технологий и совершенствования транспортного обслуживания» (Салехард, 2002 г.); «Современные тенденции в научных инновациях нефтегазодобычи и информационных технологиях» (Тюмень, 2009 г.);
- семинарах Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН (2007, 2008, 2009, 2010 гг.); НТС ООО «ТюменНИИгипрогаз» (2005, 2007, 2009, 2010 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 печатных работ, из них 16 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка использованной литературы, включающего 205 наименований, и приложения. Работа изложена на 355 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 44 таблицы.
