Обзор актуальных методов борьбы с пескопроявлением

Костилевский В.А., Дитц А.В., Бикбулатов О.В., Зырянов П.А., Никифоров С.С., Меркурьев К.К., Попов С.Н.


ПАО «ЛУКОЙЛ»,
Институт проблем нефти и газа РАН
В данной работе рассмотрены основные причины осложнений при добыче нефти и газа, связанных с пескопроявлением. Проанализированы научные публикации отечественных и зарубежных специалистов по исследуемой проблеме. Приведены примеры химических и механических методов борьбы с пескопроявлением и механическими примесями. Обосновано актуальное направление исследований в данной области.
В процессе эксплуатации месторождений углеводородного сырья нефтегазодобывающие компании по всему миру сталкиваются с многочисленными осложнениями, приводящими к снижению продуктивности скважин, такими как: асфальтосмолопарафинистые отложения (АСПО), солеобразование, преждевременное обводнение продукции, пескопроявления, возникновение негерметичностей эксплуатационных колонн, эрозия и др.
В данной статье основное внимание было уделено вопросам эрозии нефтепромыслового оборудования, вызванной выносом песка. Эрозия проявляется на компонентах глубинно-
насосного оборудования (ГНО), колоннах насосно-компрессорных труб (НКТ), фонтанной
арматуры (ФА) и системах внутрипромысловых трубопроводов, системах подготовки и перекачки нефти и является одним из основных осложняющих факторов при разработке месторождений нефти и газа.
Одной из причин, влияющих на эрозию нефтепромыслового оборудования, является наличие механических примесей в составе добываемых флюидов. Механические примеси, входящие в состав сырой нефти, состоят преимущественно из песка, известняка, разрушенных частиц породы, оксидов металлов, нерастворимых компонентов самой нефти и соли.
Основными причинами выноса песка в слабосцементированных породах являются: низкая прочность пород-коллекторов или отсутствие межзернового цемента по причине слабоструктурированной породы пласта на небольших глубинах, разрушение цемента за счет снижения пластового и забойного давления (увеличения эффективных напряжений в коллекторе), воздействие пластовых флюидов и технологических жидкостей, форсированный отбор пластового флюида, добыча высоковязкой нефти, а также совокупность вышеописанных причин [1].
Рассмотрим основные причины пескопроявлений в призабойной зоне более подробно. В качестве одной из основных причин выноса частиц из призабойной зоны пласта выделяют обводнение пластового флюида, которое возникает на ранней стадии эксплуатации скважины за счет появления воды в добываемой продукции. Глинистая составляющая, которая обеспечивает сцепление гранул породы между собой, подвергается процессу гидратации, что приводит к диспергированию элементов породы и, как следствие, снижению прочностных характеристик цемента [2].
С ростом обводненности усиливается вынос песка. В работе [3] наряду с вопросами обводненности добываемой продукции подробно рассмотрен процесс миграции частиц песка с потоком жидкости (суффозия) и сползание породы к забою скважины. Также в вышеприведенной публикации содержится расчет условий существования суффозии по методике В.А. Васильева для скважин Анастасиевско-Троицкого месторождения. Предложен способ крепления призабойной зоны скважин с учетом разуплотненного состояния породы.
Следующей важной причиной выноса частиц из призабойной зоны является снижение пластового давления. На более поздних стадиях эксплуатации месторождения, в случае если не поддерживается пластовое давление, происходит истощение пласта и увеличение эффективных напряжений в породе, вследствие чего возрастает риск ее разрушения [2]. Разрушение породы также усиливается при подтягивании подошвенной воды, в связи с чем может существенно снизится ее прочность. В таком случае разрушение может наступить и при меньшей величине эффективных напряжений, что приведет к интенсификации выноса песка в скважину.
Важной причиной возникновения пескопроявлений в скважинах является форсированный отбор жидкости. Согласно исследованиям, проведенным в работе [4], при высоких значениях дебита продукции растягивающие усилия приводят к разрушению породы за счет высокой депрессии, также с течением времени возрастает зона возмущения и эффективные напряжения в нефте- и газонасыщенных горизонтах.
В работах исследователей [1, 5–7] также указывается на тот факт, что еще одной веской причиной для выноса механических частиц является добыча высоковязкой нефти. Установлено, что вынос песка зависит также от вязкости добываемой жидкости. Чем выше вязкость флюида, тем меньше депрессия, которую можно создать и при которой консолидированные частицы породы начнут разрушаться.
При неглубоком залегании пласта песок выносится по причине слабого соединения зерен между собой, и для начала миграции частиц породы необходима меньшая депрессия. В работе [3] говорится, что слабосцементированные породы ведут себя в начале эксплуатации как упругая среда, однако в процессе эксплуатации происходит появление разуплотненных зон, что свидетельствует о том, что порода потеряла свою первоначальную структуру (скелет) и подверглась пластической деформации, что влияет на корректность расчетов при проведении химических обработок в рассматриваемых продуктивных пластах и, соответственно, снижает их качество.
Воздействие химических обработок пород-коллекторов приводит к разрушению кальцита, входящего в состав цементирующего агента, кислотами, выпадению солей в случае неверно подобранного состава химреагентов и основ для затворения.
В работе [8] представлена схема поэтапного развития процесса пескопроявления (рис. 1).
Рис. 1. Схема поэтапного развития процесса пескопроявления (по данным работы [8])

Методы борьбы с пескопроявлением делятся на:
  • химические (закрепление зерен песка за счет прокачки в призабойную зону пласта различных химических составов на основе цементов, полимеров, смол и т. д.);
  • физико-химические (коксование нефти при внутрипластовом горении);
  • механические (установка скважинных забойных фильтров различных конструкций, материалов и набивок);
  • технологические (подбор оптимальной депрессии путем ограничения дебита, при которой не происходит вынос песка);
  • комбинированные (сочетание вышеперечисленных методов).
Все эти методы имеют как преимущества, так и недостатки. Химические методы требуют индивидуального подхода к каждой скважине, не всегда удается показать эффективность в реальных условиях. Они также характеризуются низкой сходимостью результатов и возможным снижением проницаемости [9]. При креплении призабойной зоны пласта (ПЗП) смолами смолы размещаются в основном в нижней части пласта из-за гравитации и проникают в ПЗП по наиболее проницаемым пропласткам. Чтобы избежать этого, используют вспененные смолы. Однако при повышении обводненности эффективность крепления ПЗП смолами снижается, т. к. смолы являются водорастворимыми.
Коксование, которое относится к физико-химическим методам, является скорее побочным эффектом от внутрипластового горения. Основной задачей является добыча трудноизвлекаемых запасов нефти (ТРИЗ) из материнской породы за счет снижения вязкости под воздействием высокой температуры и химической реакции в пласте. Данный метод не применим для традиционных запасов.
Технологические методы требуют дополнительных расчетов по экономической эффективности работы скважины при планировании работ по ограничению дебита либо выполнению регулярного ремонта скважины с заменой УЭЦН. Современные геофизические приборы позволяют на основе шумометрии в режиме онлайн подобрать необходимый режим, при котором не происходит вынос песка. Суть метода заключается в подсчете ударов частиц механических примесей о геофизический прибор.
Недостатками механических методов являются дороговизна оборудования, необходимость спуска в составе нижнего заканчивания и привлечение бригады капитального ремонта скважин для проведения промывок фильтра по причине его кольматации механическими примесями. Следует отметить, что в составе верхнего заканчивания применяются скважинные фильтры и различные потокоотклонители, устанавливаемые в комплекте с насосами как центробежными, так и штанговыми, что в свою очередь гораздо дешевле и защищает инфраструктуру нефтегазодобывающих предприятий, но не избавляет от необходимости проведения частых ремонтов для очистки скважин от песчаных пробок.
Для прогноза пескопроявлений под воздействием уменьшающегося пластового или забойного давления применяют методы геомеханического моделирования [10, 11]. В таком случае в первую очередь производятся лабораторные исследования по определению упруго-прочностных свойств изучаемого продуктивного пласта-коллектора, что также является непростой задачей в связи с тем, что образцы слабоконсолидированной породы могут осыпаться уже при выносе керна на поверхность. В связи с этим применяются специальные методы исследования геомеханических свойств пород такого типа, позволяющие сохранить целостность образцов керна, пока они не будут разрушены непосредственно в процессе экспериментов.
После определения физико-механических свойств пород-коллекторов производится расчет напряженного состояния горной породы в околоскважинной зоне. Для чего применяются методы как аналитического, так и численного моделирования [12–15]. Аналитические методы расчета обычно применяют для прогноза пескопроявлений в открытом стволе скважины. В результате подобных расчетов обычно строится зависимость пластового и забойного давления, на которой выделяются области допустимых значений данных параметров, позволяющие избежать разрушения породы при снижении давления в пласте и околоскважинной зоне (рис. 2).
Рис. 2. График зависимости забойного и пластового давления с указанием области допустимых значений данных характеристик, в пределах которых будут отсутствовать пескопроявления в скважине (по данным работы [15])

Однако если учитывать конструктивные элементы скважины, такие как колонна и цементная крепь, а также для условий наклонно-направленных скважин чаще всего используют методы численного моделирования напряженно-деформированного состояния пласта с применением, например, метода конечных элементов [16–18].
Следует отметить, что в работах специалистов [19–22] отмечается, что на изменение упруго-прочностных свойств коллектора могут оказывать влияние физико-химически активные жидкости, такие как: вода с химическим составом, отличающимся от пластовой; буровой раствор; кислоты, щелочи и потокоотклоняющие жидкости, применяемые при обработке околоскважинной зоны, и др. В таком случае проявляются сопряженные механико-химические эффекты [23]. Так, в публикациях [19–20] показано, что для слабосцементированных коллекторов происходит весьма существенное уменьшение упруго-прочностных свойств. В частности, после насыщения образцов водой авторы получили 1,5–2-кратное снижение модуля Юнга и 2–4-кратное снижение предела прочности при сжатии. Следует отметить, что подобные эффекты изучены весьма слабо, в особенности для влияния различных химически активных жидкостей на физико-механические свойства слабосцементированных коллекторов.
Работа выполнена в рамках госзадания «Экспериментальные и теоретические исследования межфазных явлений, термодинамических, физико-химических и геомеханических свойств нефтегазовых пластовых систем для повышения эффективности освоения трудноизвлекаемых запасов углеводородов» (FMME – 2022-0008, Рег. № НИОКТР 122022800364-6)
Костилевский В.А., Дитц А.В., Бикбулатов О.В., Зырянов П.А., Никифоров С.С.,
Меркурьев К.К., Попов С.Н.

ПАО «ЛУКОЙЛ», Москва, Россия; Институт проблем нефти и газа РАН, Москва, Россия

popov@ipng.ru
Проведен анализ и обзор источников литературы, в которых исследуются актуальные методы борьбы с механическими примесями. Описаны основные причины выноса механических примесей и методы борьбы с ними.
пескопроявление, фильтрационно-емкостные свойства, добыча нефти и газа, технологии ограничения водопритока, обводненная скважина, упруго-прочностные свойства
Костилевский В.А., Дитц А.В., Бикбулатов О.В., Зырянов П.А., Никифоров С.С., Меркурьев К.К.,
Попов С.Н. Обзор актуальных методов борьбы с пескопроявлениями при разработке месторождений нефти и газа // Экспозиция Нефть Газ. 2024. № 5. С. 68–72.
DOI: 10.24412/2076-6785-2024-5-68-72
25.06.2024
УДК 622.279.74
DOI: 10.24412/2076-6785-2024-5-68-72

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88