Применение технологии НТ с целью промывки (очистки) забоя скважин от песчаных пробок на Холмогорском месторождении

Для получения пены в системе  жидкость-газ обязательно присутствие  поверхностно-активных веществ (ПАВ). Молекула ПАВ состоит из гидрофобной части  и, способного гидратироваться, остатка  гидрофильной группы. Адсорбируясь на поверхности раздела жидкости с газом (воздухом), молекулы ПАВ образуют своеобразный поверхностный слой, в котором они располагаются определённым образом. Ориентация происходит так, что гидрофильная часть молекулы находится в водной фазе, а гидрофобная часть направлена в сторону газовой среды. [1]

Добавка к жидкости ПАВ  приводит к снижению поверхностного натяжения, которое представляет собой  работу, необходимую для образования  единицы новой поверхности. [1]

 

Механизм образования  пузырька пены сводится к образованию адсорбционного слоя на межфазной поверхности газообразного включения в жидкой среде, содержащей ПАВ. При выходе пузырька на поверхность раствора он окружается двойным слоем ориентированных молекул. [1]

Структура пен определяется соотношением объёмов газовой и жидкой фаз и, в зависимости от этого соотношения, ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную форму. [1]

Пенная система характеризуется  следующими свойствами и параметрами:

- пенообразующая способность  растворов ПАВ - объем пены, которая образуется из определенного объёма пенообразующей жидкости при соблюдении заданных условий в течение данного времени; [1]

- кратность пены - отношение  объёма пены к объёму пенообразующей  жидкости, пошедшей на её образование; [1]

- устойчивость или стабильность пены - время существования («жизни») элемента пены (отдельного пузырька, ленки) или определенного её объема; [1]

- степень аэрации - отношение  объема газа в пене к объему  пенообразующей жидкости. При условии  сжимаемости газовой фазы пены степень аэрации меняется с изменением давления; [1]

- плотность пены изменяется  в широких пределах и зависит  от плотности пенообразующей  жидкости, степени аэрации и условий,  в которых она определяется (давление, температура). [1]

В общем, виде плотность пены (ρ_п) в кг/м³ определяется по формуле:

                                  (5.5)

 

где     r_ж - плотность пенообразующей жидкости, кг/м³;

a₀- степень аэрации;

r_г - плотность газа, используемого для приготовления пены, кг/м³;

 

Р₀- атмосферное давление, МПа;

Р - текущее давление, МПа;

Z - коэффициент  сверхсжимаемости;

Т_о - температура на устье. К;

Т - текущая температура. К;

К_n - коэффициент, учитывающий упругие свойства пен, 1/МПа

(К_n=0.002-0,005). [1]

 

5.3.3 Практическое  применение

 

Горные формации с  низким пластовым давлением:

* статический  градиент давления (0,02 - 0,08 бар/м или 0,087 - 0,35 фунт/дюйм²/фут);

• большой кольцевой зазор. [16]

Слабо сцементированные отложения:

• пена обладает высокой несущей способностью;
• пена имеет низкое гидромониторное действие. [16]

Горные формации, чувствительные к загрязнению:

• низкая проникающая способность пены;
• низкая фильтрация. [16]

 

5.3.4 Основные  критерии расчета

 

• Циркуляцию, по возможности, необходимо проводить с небольшим превышением над пластовым давлением (200 фунт/дюйм² или 14 кг/см²); [16]
• Скорость закачки пены в кольцевом пространстве должна составлять 20 – 60 фут/мин (0,1 - 0,3 м/сек); [16] 
  

1 - нестабильная пена (туман); 2 - стабильная пена (сухая); 3 - стабильная пена (влажная); 4 - относительная несущая способность; 5 - концентрация пены, %;  6 - относительная скорость; 7 - фут/с.

 

Рисунок 5.5 Несущая способность  пены

 

• Отрегулировать производительность насосов и механическую скорость бурения так, чтобы концентрация вымываемых отложений  твердой  фазы составляла 2 - 5 фунт/галлон (1 фунт/галлон = 0,1198 г/см³); [16]
• Давление нагнетания в колонне гибких НКТ не должно превышать 5000 фунт/дюйм² (350 кг/см²); [16]
• Для создания оптимальной несущей способности концентрация пены должна составлять (рис.5.5.): [16]
• не менее 55% на забое;

 

*  не более 92% на  поверхности. [16]

 

5.3.5 Упругие  свойства пен при циркуляции  в скважине

 

Пена обладает структурно-механическими свойствами и представляет собой упругую  вязкопластичную систему. Проявление упругих свойств пен наблюдается  при циркуляции в скважине. [1]

Практика проведения работ освоению скважин с применением трёх- и двухфазных пен показывает, что после прекращения закачки пены, а скважину происходит ее перелив, как из трубного, так и из межтрубного пространства. Известно, что в результате перелива забойное давление может быть снижено более чем на 50% по сравнению с давлением, которое наблюдалось при циркуляции. [1]

Причинами перелива пены из скважины после прекращения  циркуляции являются:

- упругое расширение  пены в результате снижения  давления на величину гидравлических потерь на трение; [1]

- температурное  расширение пены в результате  прогрева до температуры окружающих  скважину горных пород; [1]

Эти процессы происходят одновременно, и перелив пены прекращается при условии равенства суммарной  энергии, приводящей к увеличению объёма пены, потерям энергии на трение в результате движения пены. [1]

 

5.3.6 Гидростатическое  давление, создаваемое пенной системой  в стволе скважины

 

Давление, создаваемое  столбом пены, зависит от плотности  пенообразующей жидкости, степени аэрации пены, температуры окружающей  

среды, коэффициента сверх сжимаемости Z, и в общем  виде определяется выражением: [1]

     (5.6)

где   r_п – плотность пены, кг/м³;

g – ускорение  свободного падения, м/с²;

Н – высота столба пены, м. [1]

Дифференциальное  уравнение гидростатического давления столба пены с учетом естественного  распределения температуры и  коэффициента сверх сжимаемости  имеет вид: [1]

   (5.7)

где   а - геотермический градиент, К/м.

ρ_пож – плотность пенообразующей жидкости, кг/м³;

α₀- степень аэрации;

ρ_г - плотность газа, используемого для приготовления пены, кг/м³;

Р₀ - атмосферное давление, МПа;

Р - текущее давление, МПа;

Z - коэффициент  сверхсжимаемости;

T₀ - температура на устье, К;

Т - текущая температура, К;

К_n - коэффициент, учитывающий упругие свойства пен, 1/МПа;

(Кп = 0.002 -0,005). [1]

Это уравнение  решается на ЭВМ численным интегрированием.

Программное обеспечение  для расчетов параметров процесса с  применением пенных систем разработано  СевКавНИПИгазом. На рис.5.6. и рис.5.7. показано распределение гидростатического давления пены с различными значениями степени аэрации (а = 5~60) и изменение ее плотности по стволу скважины. [1] 

Рис 5.6 Распределение давления по стволу скважины

Рис 5.7 Распределение плотности по стволу скважины   

5.3.7 Плотность  и дисперсность пен

 

Плотность пены зависит от соотношения жидкой и  газовой фаз и может колебаться в пределах от 0,5 ρ_ж (ρ_ж – плотность жидкой фазы) до значений, близких к нулю. Так, плотность пен, применяемых при тушении пожаров или для вытеснения дыма из помещений, составляет 1—0,5 кг/м³ и меньше. [1]

Плотность пены можно математически связать  с другим свойством—удельной поверхностью S раздела фаз раствор— газ. [1]

Дисперсность  пен можно оценить средним диаметром пузырьков, удельной поверхностью раздела раствор—воздух или распределением пузырьков по размерам. Обычно размеры пузырьков образующейся пены имеют широкий диапазон — от сотых долей миллиметра до нескольких сантиметров. Лишь в особых случаях можно получить монодисперсную пену, используя специальные устройства. Поэтому применять средний диаметр пузырьков для оценки дисперсности пен, особенно с ячейками многогранной формы, не вполне правомерно, хотя и допустимо. [1]

Дисперсность  пен существенное влияние оказывают физико-химические свойства раствора (поверхностное натяжение, вязкость, концентрация ПАВ и т.д.), способ смешения фаз, конструкция генератора пены или технологического аппарата, а также режимы ведения технологического процесса, в ходе которого образуется пена. Диаметр пузырьков пены в незначительной степени увеличивается с уменьшением концентрации ПАВ. Это связано, главным образом, с изменением поверхностного натяжения раствора. [1]

 

 

5.3.8 Характеристики  ПАВ

 

Для приготовления  пен используются разнообразные ПАВ, рассмотрим основные: [1]

Сульфонол - это смесь  натриевых солей алкилбензолсульфокислот  с алькильными остатками. Водные растворы обладают высокой смачивающей  способностью и хорошим моющим действиям. [1]

Сульфонол является также эмульгатором; хорошо растворим в пресной воде, в жесткой воде образует осадок; слабо растворим в спирте, эфире, уайт-спирте, бензоле и четыреххлористом углероде. Водородный показатель 5%-ного водного раствора равен 7,8. Содержание натриевых солей алкилбензольсульфокислот не менее 80%; неомыляемых веществ не  более 3%; сульфата натрия не более 15%; влаги не более 2%; железа не более 0,05%.[1]

По внешнему виду сульфонол представляет собой пластинки или зерна  от желтого до светло-коричневого цвета. [1]

Сульфонол НП-3-смесь натриевых солей алкилбензолсульфокислот с алкильными остатками. Является хорошим смачивателем и пенообразователем, этот реагент хорошо растворяется в воде. Применяют его для образования устойчивых пен. Выпускают в виде концентрированного сиропа, содержащего 50-55% активного вещества. Содержит около 6% сульфата натрия и около 1% несульфированных соединений. [1]

Сульфонол НП-1- смесь натриевых  солей алкилбензолсульфокислот  с алкильными остатками разветвленного строения. [1]

Этот сульфонол обладает моющей способностью в щелочной среде с повышенной жесткостью, хорошо растворим в воде и спирте. Водородный показатель водного раствора составляет 7-8. Выпускают его в виде порошка от кремового, до светло-желтого цвета  с соотношением активного вещества к сульфату натрия не менее 1,2:1, содержит он несульфенированные соединения (сухого вещества не более 3%, воды не более 10%, железа 0,025%). [1]

 

Карбоксиметилтилцеллюлоза (КМЦ) - высокомолекулярное анионное поверхностно-активное вещество, производное целлюлозы типа простых эфиров. [1]

Этот ПАВ в воде и водных растворах щелочей образует вязкие растворы, не осаждающиеся под  действием поваренной соли, но образующие осадок с катионами тяжелых и поливалентных металлов в виде соответствующих кислот.[1]

КМЦ - измельченная масса  волокнистой структуры белого и  кремового цвета. Содержание воды не более 24%, эфира не менее 30%, степень  этерификации не ниже 82. [1]

Возрастающую эффективность  стабилизирующего действия препаратов КМЦ с ростом их степени полимеризации при оптимальных значениях степени замещения и минимальном содержании геолого-образных фракций можно объяснить следующим образом. Являясь линейным полимером, КМЦ, при значение _рН более 8, адсорбируется на глинистых частицах и занимает через функциональные группы сразу несколько активных адсорбционных центров адсорбента (глины). Чем длиннее цепь полимера (КМЦ), тем больший участок он займет на адсорбенте. При этом  увеличивается число связей с активными центрами адсорбента, и следовательно прочность связи макромолекулы КМЦ с глиной. Это обуславливает повышенную устойчивость агрегатов к тепловым колебаниям (повышение термоустойчивости) и большую стабилизирующую способность. Адсорбировавшийся агрегат КМЦ в большей мере препятствует доступу дисперсной среды, к местам дефектов строения глинистых частиц, возможных при отсутствии защитного слоя. [1]

Все препараты КМЦ  во время нагревания претерпевают термоокислительную деструкцию. Снижение молекулярной массы  макромолекул КМЦ обусловливает понижение стабилизирующих свойств реагента. [1]

 

Для приготовления пенных систем применяют КМЦ-600. Так как  этот реагент высоколекулярных ПАВ, то добавление  его в водный раствор низкомолекулярных ПАВ (сульфонол, ДС-РАС, ОП-10) способствует значительному повышению устойчивости пены. [1]

Метилцеллюлоза водорастворимая (МЦ) - высокомолекулярное анионное поверхностно-активное вещество, представляющее собой метиловый  эфир целлюлозы, содержащий 26-33% метоксильных групп (-ОСН₃). [1]