Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 8.15

Оборудование Преимущества Недостатки

Рациональные области

применения

Примечание

Гидросмсители

эжекторного типа

Простота выполнения

технологических опера-

ций, доступность обору-

дования

Ограниченное рабочее

давление в нагнетатель-

ной магистрали и как

следствие – невозмож-

ность использования для

подачи гравия в сква-

жину при намыве гра-

вийного фильтра мето-

дом обратной или ком-

бинированной циркуля-

ции. Неравномерность

поступления гравия в

нагнетательную магист-

раль, сложность регули-

рования концентрации

смеси, предотвращения

пробкообразования рас-

слоения и других ос-

ложнений

Механизация процесса

траснпортировки гравия

на поверхности, подача

гравия в смесительные

емкости песко-смеси-

тельных и цементиро-

вочных агрегатов. До-

пускается использование

для подачи гравия в

кольцевое пространство

скважины при намыве

гравийного фильтра в

восходящем потоке и

при отсутствии цирку-

ляции

Использование возмож-

но только при обеспече-

нии равномерного по-

ступления гравия в

струю жидкости, кото-

рое достигается установ-

кой на корпусе гидро-

смесителя вибратора,

эксцентричного выпол-

нения камеры смешения

и т.д.

Смесители бункер-

ного типа

Возможность закачки

смеси под большим дав-

лением при исключении

контакта насоса с

абразивной смесью

Сложность изготовления

и эксплуатации бунке-

ров, как сосудов, рабо-

тающих под большим

давлением. Повышенная

опасность ведения работ.

Трудоемкость процессов,

связанных с герметиза-

цией люка

Сооружение гравийных

фильтров при незначи-

тельных объемах засып-

ки преимущественно

крупной фракции гравия

при малых глубинах

скважин

Использование возмож-

но только при малых

объемах бункера, на-

пример при замене бун-

кера на газовые балло-

ны. Перед началом ра-

бот необходимо произ-

вести опрессовку обвяз-

ки на полуторакратное

рабочее давление

492

Продолжение табл. 8.15

Оборудование Преимущества Недостатки

Рациональные области

применения

Примечание

Поршневые насосы

высокого давления

для закачки гравий-

ной

смеси в

скважи-

ну

Возможность закачки

гравийной смеси на лю-

бую глубину при соору-

жении гравийного

фильтра методом ком-

бинированной или об-

ратной циркуляции

Повышенный износ гид-

равлической части насо-

са при перекачке абра-

зивной смеси. Повы-

шенные требования к

качеству фракциониро-

вания гравия

Сооружение гравийных

фильтров в скважинах

любой глубины и конст-

рукции при размере час-

тиц не более 4–5 мм

Необходимо тщательное

фракционирование гра-

вия перед закачкой в

скважину с целью ис-

ключения некондицион-

ных частиц

Пескосмесительные

агрегаты

Приготовление гравий-

ной смеси высокого ка-

чества, механизация

процесса закачки гравия.

Улучшенная работа на-

соса при перекачке аб-

разивной смеси за счет

подпора

Большая стоимость обо-

рудования

Оборудование гравий-

ными фильтрами круп-

ных и ответственных

объектов

То же

Цементировочные

агрегаты

Приготовление гравий-

ной смеси высокого ка-

чества. Технологичность

процесса. Улучшенная

работа насоса при пере-

качке абразивной смеси

за счет подпора

Неудовлетворительная

укомплектованность от-

расли цементировочны-

ми агрегатами

Оборудование скважин

любой глубины и конст-

рукции гравийными

фильтрами высокого

качества методом ком-

бинированной и обрат-

ной циркуляции

Смесительная ем-

кость

Простота и доступность

используемого оборудо-

вания. Возможно полу-

чение гравийной смеси

высокого качества при

правильном использова-

нии

Сложность уравновеши-

вания подачи вспомога-

тельного и закачного

насоса, трудоемкость

процессов

Для приготовления гра-

вийной смеси в случае

отсутствия пескосмеси-

тельных и цементиро-

вочных агрегатов

493

Некоторыми

зарубежными

фирмами

созданы

комплексы

по

верхностного

оборудования

для

проведения

работ

по

гравийной

обсыпке

Комплексы

поверхностного

оборудования

смонтиро

ваны

на базе

тяжелых

автомобилей

включают

смесительный

блок

для

приготовления

гравийной

смеси

;

насос

высокого

давления

для

закачки

гравийной

смеси

сква-

жину

;

бункера

для

гравия

;

бункер

для

жидкости

носителя

;

вспомогательный

насос

для

приготовления

смеси

подачи

жидкости

носителя

смесительный

блок

;

систему

транспортеров

для

загрузки

бункеров

гравием

их

разгрузки

смесительный

блок

;

контрольно

измерительную

аппаратуру

Поверхностное

оборудование

для

проведения

работ

по

гра

вийной

засыпке

сложнее

дороже

цементировочного

другого

оборудования

используемого

на

скважинах

Несмотря

на

это

разработано

много

модификаций

различных

агрегатов

что

свиде

тельствует

важности

этапа

подготовки

гравийной

смеси

на

по

верхности

ее

закачки

скважину

общем

цикле

строительства

нашей

стране

комплексы

поверхностного

оборудования

для

приготовления

гравийной

смеси

ее

подачи

скважину

на

еди

ной

транспортной

базе

не

разработаны

8.4. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ГРАВИЙНОГО ФИЛЬТРА

8.4.1. ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ГРАВИЯ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ

ФИЛЬТРА

Размер

частиц

гравийных

фильтров

поперечном

сечении

плавно

уменьшается

от

каркаса

направлении

водоносного

пла

ста

Такие

фильтры

характеризуются

повышенной

суффозионной

устойчивостью

минимальным

гидравлическим

сопротивлением

практике

создания

фильтров

экспериментальных

объемах

использовали

многослойные

гравийные

фильтры

которые

явля

ются

самой

упрощенной

моделью

фильтра

плавным

измене

нием

размера

частиц

поперечном

сечении

Фильтры

посте

пенным

уменьшением

диаметра

гравийных

частиц

от

каркаса

направлении

пласта

(

ФПУ

)

не

нашли

практического

применения

из

за

отсутствия

разработанной

методики

фракционирования

частиц

при

закачке

технологии

намыва

гравия

соответствую

щих

технических

средств

494

Автором разработаны

теоретические

основы

фракционирова

ния

частиц

скважине

проведен

комплекс

экспериментальных

исследований

предложена

технология

намыва

гравийного

фильтра

типа

ФПУ

соответствующие

технические

средства

Разделение

частиц

гравия

по

фракциям

в поперечном

сечении

потока

затем

фильтра

при

котором

наиболее

крупные

фракции

откладываются

каркаса

наиболее

мелкие

—

стенок

сква

жины

происходит

при

создании

кольцевом

пространстве

гра

диента

давления

или

после

прохождения

смесью

специальных

устройств

—

отклонителей

Автор

считает

необходимым

привести

ниже

теоретические

основы

разделения

частиц

поле

градиента

давления

после

прохождения

отклонителей

Намыв фильтра в поле градиента давления

Предположим

что

поперечном

сечении

кольцевого

про

странства

скважины

зоне

фильтра

существует

некоторый

гра

диент

давления

причем

давление

постепенно

убывает

от

стенок

скважины

поверхности

фильтра

каркаса

На

частицу

гравия

движущуюся

потоке

попадающую

зону

влияния

градиента

давления

будет

действовать

сила

смещающая

ее

поверхности

фильтра

каркаса

rad

rad ,

FdpdSd p==π

∫

(8.76)

где

—

сила

градиента

давления

;

—

характерный

размер

час

тицы гравия

; grad

–

градиент

давления

кольцевом

про

странстве

скважины

;

—

площадь

поверхности

частицы

процессе

смещения

частицы

фильтру

каркасу

возникает

сила

сопротивления

пытающаяся

замедлить

такое

перемеще

ние

Fdv

=ψρ

(8.77)

где

—

коэффициент

сопротивления

обтеканию

частицы

гравия

;

—

плотность

жидкости

носителя

;

—

скорость

частицы

гравия

поперечном

сечении

потока

направлении

фильтровой

ко

лонны

направлении

оси

Запишем

дифференциальное

уравнение

движения

частицы

гравия

поле

градиента

давления

322

rad ,

mFFdpdv=−=π −ψρ

(8.78)

где

—

масса

частицы

гравия

;

—

расстояние

проходимое

час

495

тицей

поперечном

сечении

потока

направлении

фильтровой

колонне

направлении

оси

под

влиянием

силы

градиента

давления

;

—

время

Разделим (8.78) на массу частицы m

и получим

6grad grad

ρπ 

ψψ



ρπ πψρ



=−= −

(8.79)

Введем обозначения

(8.80)

grad

πρ

ψρ

(8.81)

Перепишем уравнения (8.79) с учетом равенств (8.80) и (8.81)

в следующем виде:

()

ab v=−

(8.82)

Разделяя переменные, получаем

adt

−

(8.83)

Интегрируя выражение (8.83), получаем

ln .

bv b

at c

−

(8.84)

Определим постоянную интегрирования

, подставив в ра

венство (8.84) начальные условия x

= 0;

= 0:

ln1 0; 0.

===

(8.85)

Преобразуем уравнение (8.84)

ln 2 ;

bat

−

(8.86)

ln 2 .

bat









−





(8.87)

496

После сокращения

b под знаком логарифма с учетом того,

что

ln 2arth .

−

(8.88)

Имеем

arth

bat

(8.89)

или

th .

bat=

(8.90)

Отсюда

th .

vbbat

(8.91)

Однако v

dx/dt, тогда

th .

dx b b at dt

(8.92)

Интегрируя уравнение (8.92), получаем

lnch

xb batc

(8.93)

Подставляя начальные условия (8.85) в равенство (8.93), оп-

ределяем постоянную интегрирования

, так как

0 = 1, а

ln 1 = 0

, то

= 0.

Преобразовав выражение (8.93), получим

lnch .

xbat=

(8.94)

Подставляя в равенство (8.94) значения a и b из ( 8.80) и

(8.81), получим

6grad

lnch .

dt d

πψρπ

ψπψρ

(8.95)

Решая уравнение (8.95) относительно времени t, необходимо-

го для смещения частицы в поперечном сечении потока в на-

правлении фильтровой колонны на расстояние x

получаем

497

arch e

grad

ψρ

(8.96)

Решая

уравнение

(8.95)

относительно

градиента

давления

кольцевом

пространстве

скважины

grad

необходимого

для

смещения

частицы

заданной

крупности

поперечном

сечении

потока

направлении

фильтровой

колонны

на

расстояние

за

время

имеем

rad arch e .

πρ

(8.97)

Из

уравнений

(8.95) и

(8.96) следует

что

частицы

гравия

больших

размеров

проходят расстояние

быстрее

чем

мелкие

частицы

Это

объясняется

тем

что

ростом

размеров

частиц

си-

ла

градиента

давления

на

частицу

увеличивается

быстрее

силы

сопротивления

так

как

первая

пропорциональна

диаметру

час

тицы

кубе

вторая

—

квадрату

диаметра частиц

При

больших

значениях

градиента

давления

увеличивается

различие

между

расстояниями

проходимыми

частицами

различ

ной

крупности

поперечном

сечении

потока

за

одно

то

же

время

t (рис

8.34). За

при

градиенте

давления

кПа

час

тицы

гравия

размером

мм

переместятся

сторону

фильтра

Рис. 8.34. Зависимость расстояния

, проходимого частицами за 10 с, от

размеров частиц

для разных значе-

ний градиенте давления, кПа/м:

— 1;

— 0,1;

— 0,01

498

каркаса

на

200

мм

дальше

чем

частицы

размером

мм

При

уменьшении

градиента

давления

до

Па

это

различие

уменьшается

200

до

мм

связи

этим

регулировать

про

цесс

разделения

частиц

потоке

зависимости

от

их

крупности

можно

посредством

изменения

градиента

давления

кольцевом

пространстве

скважины

зоне

установки

фильтра

величина

ко

торого

регулируется

технологическими

параметрами

закачки

гра

вия

скважину

Для

выбора

рабочего

градиента

давления

не

только

важно

знать

расстояние

проходимое

частицей

за

определенный

про

межуток

времени

так

как

необходимая

величина

этого

расстоя

ния

известна

но

время

необходимое

для

преодоления

части

цей

различной

крупности

известного

расстояния

(

рис

. 8.35).

При

больших

градиентах

давления

разница

во

времени

про

хождения

частицами

различной

крупности

определенного

рас

стояния

уменьшается

поэтому

обеспечить

надежную

классифи

кацию

частиц

гравия

зоне

фильтра

зависимости

от

их

круп

ности

при

больших

градиентах

давления

сложно

уменьшением

градиента

давления

кольцевом пространстве

скважины

кру

тизна

графиков

(

см

рис

. 8.35)

увеличивается

соответственно

улучшаются

рабочие

характеристики

гидравлической

классифи

кации

Однако

при

малых

градиентах

давления

увеличивается

время

необходимое

для

прохождения

частицей

определенной

крупности

известного

расстояния

которое

другой

стороны

ог

Рис. 8.35. Зависимость времени

прохождения определенного рас-

стояния r (в м) частицей гравия от

ее крупности при разных значениях

градиента давления, кПа/м:

– 1

;

– 0

;

– 0

499

раничивается

временем

прохождения

частицей

вертикальной

плоскости

зоны

влияния

градиента

давления

(

от

верхних

отвер

стий

фильтра

до

поверхности

уже

намытого

гравия

Рассмотрим

возможные

варианты

создания

кольцевом

про

странстве

скважины

требуемого

для

нормального

процесса

фрак

ционирования

градиента

давления

Наиболее

простой

способ

сводится

обеспечению

внутри

фильтровой

колонны

больших

скоростей

потока

чем

за

фильтром

(

рис

. 8.36).

Гравий

выбранного

фракционного

состава

закачивают

нис

ходящем

потоке

через

кольцевое

пространство

скважины

или

через

специальный

распределительный

узел

Внутри

фильтра

устанавливают

вспомогательную

колонну

труб

причем

зазор

ме

жду

фильтровой

вспомогательной

колоннами

герметизируют

Рис. 8.36. Принципиальная

схема создания градиента

давления в кольцевом про-

странстве скважины (

) и

эпюры скоростей нисхо-

дящего потока за фильт-

ром и внутри его (

—

кольцевое

пространство

скважины

;

—

скважина

;

—

верхние

отверстия

фильтра

;

—

фильтр

;

—

частица

гравия

;

—

фильт-

ровая

колонна

;

—

глухая

труба

;

—

герметизирую-

щий

элемент

;

—

эпюры

скоростей

нисходящего

потока

за

внутри

фильт-

ра

;

—

вспомогательная

колонна

500

выше

верхних

отверстий

фильтра

сальником

Скорости

движе

ния

смеси

кольцевом

пространстве

постепенно

уменьшаются

от

максимальных

значений

глухой

части

над

верхними

отвер

стиями

фильтра

до

нуля

уровня

уже

намытого

гравийного

слоя

за

счет

перетекания

жидкости через

отверстия

каркаса

фильтра

Скорости

движения

жидкости

носителя

внутри

фильтровой

ко

лонны

увеличиваются

от

нуля

верхних

отверстий

фильтра

до

максимальных

значений

уровня

уже

намытого

гравийного

слоя

Нисходящая

фильтрация

через

намытый

фильтр

почти

от

сутствует

вследствие

высоких

гидравлических

сопротивлений

Средние

скорости

нисходящего

потока

внутри

фильтровой

колонны

могут

быть

выше

средних

скоростей

за

фильтром

зф

случае

если

площадь

кольцевого

пространства

между

стенками

скважины и

фильтровой

колонной

больше

площади

кольцевого

пространства

между

фильтром

вспомогательной

колонной

От

меченное

соотношение

справедливо

только

при

отсутствии

по

глощения

жидкости

носителя

процессе

закачки

при

посто

янном

расходе

нагнетательной

сливной

магистралях

Если

жидкость

носитель

частично

поглощается

то

площадь

кольце

вого

пространства

между

стенками

скважины

фильтровой

колонной

должна

превышать

площадь

кольцевого

простран

ства

между

фильтром

вспомогательной

колонной

более

чем

—

) (

—

расход

соответственно

закачки

погло-

щения

учетом

потерь

напора

каркасе

фильтра

при

перетекании

жидкости

из

кольцевого

пространства

скважины

внутрь

фильт

ровой

колонны

∆p′

перепад

давления

кольцевом

пространстве

составляет

ôçô

()

puu p

′

∆ = ρ− −∆

(8.98)

где

—

плотность

жидкости

носителя

;

—

средняя

скорость

нисходящего

потока

внутри

фильтра

;

çô

—

средняя

скорость

нисходящего

потока

кольцевом

пространстве

скважины

Разница

давлений

кольцевом

пространстве

за

фильтром

внутри

него

обусловливает

возникновение

поддержание

между

стенками

скважины

фильтровой

колонной

градиента

давления

средняя

величина

которого

определяется

из

выражения

ôçô

0ô

()

rad 2 ,

uu p

′

ρ− −∆

−

(8.99)

где

—

диаметр

скважины

;

—

диаметр

фильтровой

колонны

Средняя

скорость

нисходящего

потока

кольцевом

про

странстве

скважины

за

фильтром

(

см

рис

. 8.36,

)