Применение эжекторных устройств для удаления песчаных пробок при сооружении скважин подземного выщелачивания (ПВ)

Использование скважинного подземного выщелачивания (ПВ) требует значительного внимания при бурении и оборудовании технологических скважин, а также предотвращения различных осложнений. В связи со значительным ростом стоимости ремонта эксплуатационных скважин особая роль отводится правильному первоначальному закачиванию скважин. Добиться надежности и продуктивности скважин особенно трудно там, где пластовые пески обводнены и склонны к псевдоожижению. Механизм выноса песка при этом достаточно сложен, на него оказывает влияние каждая операция от первоначального вскрытия пласта долотом до освоения скважины для отбора или закачки. [1][2][6][12]

При выносе песка в обсадной и подъемной колоннах скважины могут образовываться достаточно объемные песчаные пробки, которые ограничивают ее производительность по продуктивным растворам. Для восстановления производительности песчаные пробки удаляют, используют обычные желонки или осуществляют промывку через колонну сифонных труб, спускаемую внутрь подъемной колонны [11].

В практике скважинной добычи при ПВ для предотвращения образования песчаных пробок на забое используют и другие методы [2]:

• снижение производительности скважины с целью уменьшения интенсивности выноса песка из продуктивного пласта в скважину. Однако оно может в конечном итоге оказаться невыгодным;
• увеличение скорости движения продуктивных растворов в трубах либо посредством использования подъемных колонн меньшего диаметра, либо использования более производительного насосного оборудования.

Обычно считается, что на вынос песка влияют следующие факторы [3]:

• глубина залегания продуктивного пласта и пластовое давление;
• производительность скважины;
• степень сцементированности песчаного пласта, его уплотняемость и естественная проницаемость;
• характеристика пластового песка (форма зерен, наличие глины);
• пластовая депрессия;
• ухудшение естественной проницаемости (скин-эффект).

Методика исследований

Удаление песка из прифильтровой зоны является одним из эффективных действующих средств по предотвращению песчаных пробок. При этом возможно использование различных типов аппаратов по удалению песка: погружных центробежных насосов, эрлифтов, гидроэлеваторов.

Погружные центробежные насосы нашли широкое применение в нефтедобыче. Они имеют большое число ступеней (рабочих колес и направляющих аппаратов), число которых при размещении в одном корпусе (в одной секции) может доходить до 40. Специально сконструированные центробежные погружные насосы для осложненных условий эксплуатации могут перекачивать жидкость с содержанием песка не более 0,5% по весу [4].

Большое содержание песка в перекачиваемой гидросмеси ведет не только к интенсивному абразивному износу рабочих колес центробежного насоса, но и к резкому падению его напорной характеристики. Для пропуска через насос твердых включений требуется увеличить сечение каналов подвода, рабочего колеса и отвода. Кроме этого, снижению абразивного износа способствует и эксплуатация насоса при пониженных частотах вращения рабочих колес.

По мнению специалистов, использование центробежных погружных насосов при чистке скважин от песчаных пробок представляется неэффективным как по напору, так и по пропуску твердых фракций, содержащихся в объеме перекачиваемой гидросмеси [7][14].

Эрлифт представляет собой пневмоподъемник, в котором движущей силой является энергия сжатого воздуха, подаваемого под слой воды в скважине. Производительность эрлифтирования зависит от диаметра подъемной трубы, количества подаваемого сжатого воздуха и относительной глубины его ввода в подъемную трубу [7].

Поэтому применение эрлифта для скважин небольшого диаметра при чистке песчаных пробок может оказаться малоэффективными, так как их реальная производительность невелика, что в конечном итоге не позволяет создать необходимые скорости рабочего потока в плоскости всасывания песка.

Благоприятными факторами для этих целей являются струйные насосы (гидроэлеваторы), отличающиеся простотой конструкции, дешевизной изготовления и отсутствием движущихся и трущихся частей и деталей [8—10]. Известно, что в работу гидроэлеватора положен принцип непосредственной передачи энергии от одного потока (активной рабочей насадки) к другому (всасывающему) [5]. Это обстоятельство представляет целесообразным использование гидроэлеватора для извлечения песчаной пробки из скважины. В перспективе при проектировании гидроэлеваторов для скважин при подземном выщелачивании требуется разработка малогабаритных струйных насосов, способных поднимать песчаную гидросмесь из эксплуатационных скважин диаметром до 100 мм и глубиной до 400—450 м, в которых размер рабочей насадки и камера смешения ограничиваются как диаметром раствороподъемной колонны, так и расходами воды, подаваемой на гидроэлеватор и размывочную насадку. Необходимость размывать исходную пробку на глубинах около 300—400 м требует развивать достаточно высокий напор за диффузором гидроэлеватора, а следовательно, и высокую скорость струи рабочей насадки, что ведет к значительным местным потерям напора. Особое значение при работе гидроэлеватора при таких условиях приобретает величина скорости подсасываемого потока, которая для данных условий эксплуатации гидроэлеватора по извлечению песчаной пробки обеспечивается уровнем жидкости в скважине.

Однако условия работы гидроэлеватора при ликвидации песчаной пробки осложняются тем, что величина статического столба жидкости в скважинах имеет различные значения и колеблется в значительных пределах. Вследствие того, что струйный аппарат при этом опускается до прифильтровой зоны, и величина подпора может быть различной, что существенно влияет на его характеристику и показатели работы установки [13].

Технологически при работе гидроэлеватора в скважине (рис. 1) необходимо иметь два трубопровода: один для подачи рабочей жидкости к насадке водоструйного аппарата и второй трубопровод для подъема песчаной гидросмеси на поверхность. Они должны быть свободно размещены в габарите обсадной колонны скважины для удобства спускоподъемных операций. При концентричном расположении трубопроводов (один в другом) по кольцевому сечению подается напорная вода, а гидросмесь транспортируется по центральной колонне эксплуатационных труб.

Вследствие наличия статического столба жидкости в эксплуатационной скважине гидроэлеватор всегда будет работать с подпором при эжектировании песчаной гидросмеси, причем при очистке от песчаной пробки величина подпора может быть создана в большинстве случаев соответствующей оптимальной безкавитационной работой гидроэлеватора [13].

На рисунке 1 показан гидроэлеватор, который размещен для работы в скважине с динамическим уровнем h_g и заглублен под уровень жидкости у забоя песчаной пробки на величину h₁.

Для работы гидроэлеватора к рабочей насадке подается напорная вода поверхностным силовым насосом, установленным на устье скважины (для этих целей может быть использован буровой насос). Рабочая вода плотностью ρ₀ при расчетном количестве Q₀ истекает из насадки гидроэлеватора под давлением Р₀. Давление на поверхностном силовом насосе составляет Р_Н.

Уравнение равновесия в системе «гидроэлеватор — подводящие коммуникации» показано в виде (без учета потерь):

Р₀ = Р_Н + ρ₀ · g · h_g + ρ₀ · g · h₁ или Р₀ = Р_Н + ρ₀ · g · (h_g + h₁). (1)

Откуда необходимое давление на поверхностном насосе составит

P_n = Р₀ + ρ₀ · g · (h_g + h₁). (2)

С учетом потерь в подводящих трубопроводах искомое давление на насосе равно

P_n = Р₀ + ρ₀ · g · (h_g + h₁) + ρ₀ · g · h_ТР, (3)

где h_ТР — потери напора на трение, м.

При этом давление, которое развивает гидроэлеватор, должно быть достаточным для подъема песчаной гидросмеси на заданную высоту при наличии потерь давления суммарным потоком жидкости в подъемном трубопроводе:

P_г = ρ_n · g · (h_g + h_n) + ρ_n · g · h₂, (4)

где ρ_n — плотность гидросмеси в напорном трубопроводе гидроэлеватора, кг/м³; h₂ — потери на трение в подъемной трубе, м вод. ст.

Эффективная эксплуатация гидроэлеватора соответствует предкавитационному режиму, где КПД максимально, тогда расход эжектируемого потока составит

 (5)

где Q₁ — эжектируемый расход, м³/с; h_нас — напор насыщенных паров эжектируемой гидросмеси, м вод. ст.; D, d₀ — соответственно диаметр камеры смешения и насадки гидроэлеватора, мм.

Расходно-напорная характеристика гидроэлеватора представляет собой прямо пропорциональную зависимость между напором нагнетания гидроэлеватора и его производительностью по эжектированию (рис. 2). Причем КПД гидроэлеватора имеет максимальное значение при предкавитационном срыве работы.

Зная необходимую глубину заложения песчаной пробки в скважине и производительность гидроэлеватора по эжектированию и учитывая величину потерь напора в подводящих трубопроводах, можно определить давление на насадке, которая создаст необходимый напор за диффузором.

Имея значения коэффициента напора (отношение глубины заложения песчаной пробки к напору на рабочей насадке гидроэлеватора) и коэффициента эжекции (отношение эжектируемого расхода песчаной гидросмеси к расходу воды через насадку), можно рассчитать с достаточной точностью все параметры гидроэлеваторной установки при работе в скважине.

При работе гидроэлеватора в эксплуатационной скважине ПВ при подъеме песчаной гидросмеси с достаточно больших глубин (около 400 м) количество рабочей воды, которое может быть подано к насадке гидроэлеватора, ограничивается гидравлическими потерями в подводящих коммуникациях, размеры которых определяются габаритными размерами эксплуатационных скважин ПВ.

Результаты

Увеличение потерь в трубопроводах приводит к повышению рабочего давления на поверхностном насосе, что можно оценить по уравнению (3). Причем при значительных расходах воды величина давления на поверхностном насосе, идущего на покрытие потерь в трубах, становится очень значительной.

Например, расчетный диаметр эксплуатационных скважин на одном из месторождений Кызылкумского района составил:

• закачные состоят из труб:

a) ПВХ диаметром 63 мм (при толщине стенки 6,5 мм). Фильтр находится в интервале 380 м керамический дисковый фильтр (КДФ) — 91 мм, КДФ — 118 мм,

b) ПВХ диаметром 90 мм (при толщине стенки 8 мм). Фильтр находится в интервале 380 м КДФ — 118 мм;

• откачные состоят из труб:

a) ПВХ диаметром 195 мм (при толщине стенки 145 мм). Фильтр находится в интервале 240—400 м,

b) ПВХ диаметром 140 мм (при толщине стенки 12 мм). Фильтр находится в интервале 380 м КДФ — 118 мм.

Если конструктивно принять подводящие коммуникации для подвода жидкости в виде двух соосных труб, то предварительные расчеты показали, что при диаметре внешней колонны 63 мм (толщина стенки 4 мм) и внутренней 55 мм (толщина стенки 3,5 мм) скорость гидросмеси в пульповоде составит достаточно большую величину — 5,67 м/с. При этом потери напора на трение (при диаметре насадки 5 мм) возрастают до практически нереальной величины 338 м.

Уменьшение диаметра рабочей насадки даже до 4 мм ведет к уменьшению потерь напора почти вдвое, а до 3,5 мм — почти в четыре раза.

Если принять внешний диаметр аппарата для чистки песчаных пробок в скважине 76 мм (при толщине стенки 4 мм), а внутреннюю пульповодную колонну диаметром 50 мм (при толщине стенки 4 мм), то потери напора в пульповоде значительно уменьшаются и составляют менее 20 м вод. ст. при глубине запескованного фильтра 400 м.

Исходя из этого очевидно, что давление на поверхностном силовом насосе желательно иметь при работе наименьшим для обеспечения надежной и безопасной работы силового насоса и всех остальных узлов установки. Кроме того, возможности по созданию больших давлений на буровых агрегатах на участках ПВ ограничены как по технической характеристике, так и по состоянию последних.

Отсюда следует, что гидроэлеватор должен развивать необходимое давление при возможно минимальных давлениях на поверхностном насосе, т.е. в основном такой насос будет работать на преобразование кинетической энергии в потенциальную, удельные расходы такого насоса невелики.

С другой стороны, ограничения в подаче воды к рабочей насадке и создание больших давлений в насадке приводят к небольшим абсолютным размерам насадок гидроэлеватора, что влечет за собой значительные потери при истечении рабочей воды.

Особое значение при конструировании гидроэлеваторов для удаления песчаных пробок в прифильтровой зоне эксплуатационной скважины имеет соотношение площади поперечного сечения камеры смешения ω и рабочей насадки ω₀, что определяется основным геометрическим параметром m.

Некоторые результаты расчетов гидроэлеваторной установки по ликвидации песчаных пробок в прифильтровой зоне эксплуатационных скважин приведены в таблице.

Заключение

Расчетные зависимости по исследованию параметров эжекторов кольцевого и центрального типов показывают, что гидроэлеваторы с небольшим значением основного геометрического параметра (m = ω/ω₀ = 2÷3) создают достаточно большие напоры нагнетания при небольшой производительности по эжектированию песчаной гидросмеси. Гидроэлеваторы, у которых камера смешения значительно превышает диаметр рабочей насадки (m = 8÷25), создают значительную производительность по эжектированию и могут использоваться для ликвидации песчаных пробок с глубин, не превышающих 30—40 м. Увеличить напор таких гидроэлеваторов можно и за счет подачи от поверхностного насоса большего давления. Но в этом случае значительно возрастают гидравлические сопротивления в узких каналах подводящих трубопроводов, ограниченных диаметром эксплуатационной скважины.