Сборник - Нефтегазовые технологии

Подождите немного. Документ загружается.

175

УДК 622.276

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНАЯ ДИАГНОСТИКА

И ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННЫЙ МИКРОАНАЛИЗ

НЕУГЛЕВОДОРОДНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

В СКВАЖИННОМ ОБОРУДОВАНИИ

А.Ю. Конопелько, В.А. Ольховская, А.В. Песков, В.В. Гритчина

Приведены результаты исследований физическими методами состава и структуры

неорганических отложений, влияющих на работу нефтепромыслового оборудования.

На фактическом примере показана эффективность использования полученных ре-

зультатов для системного анализа причин выпадения солей в скважинах.

Неорганические отложения, которые накапливаются на внутрискважинном

оборудовании и в промысловых коммуникациях, осложняют процесс добычи нефти.

Для выбора эффективного способа защиты необходимо иметь представление о

структуре, количественном составе и происхождении осадков. Достоверность ре-

зультатов стандартных определений химического состава образцов повышается, ес-

ли дополнительно используются следующие физические методы:

- метод рентгеноструктурного анализа;

- метод энергодисперсионного (ЭД) микроанализа.

В качестве примера рассмотрим комплексный подход к анализу отложений,

отобранных с рабочих органов электроцентробежного насоса (ЭЦН) из скважины,

эксплуатирующей пласт подольского горизонта. Образец, имеющий резкий кислый

запах, представлен вязкой полужидкой массой тёмно-коричневого цвета с разроз-

ненными включениями твёрдого вещества.

На рис. 1 показана дифрактограмма, полученная при исследовании выделен-

ных из образца твёрдых включений рентгеноструктурным методом с помощью рент-

геновского дифрактометра общего назначения ДРОН-3.0.

Рис. 1. Дифрактограмма образца твёрдой части отложений

Интенсивность

Углы дифракции

100

150

200

250

300

5,000 15,000 25,000 35,000 45,000 55,000 65,000

176

Принцип действия прибора основан на дифракции потока рентгеновских лу-

чей от атомных плоскостей кристаллической решётки исследуемого вещества с ре-

гистрацией интенсивности излучения. Поскольку соединения, входящие в состав

образца, имеют неодинаковую структуру, дифракционная картина характеризуется

разнообразием комплекса рефлексов и соотношений их интенсивности.

Сравнение пиков на дифрактограмме с данными из рентгенометрической карто-

теки позволяет предположить, что исследуемый образец в основной своей массе пред-

ставлен CaSO

(ангидрит), возможно, с примесью FeS (моносульфид железа) и CaCO

(кальцит). Также не исключено присутствие в образце примесных соединений Fe

(окисел железа) и глин, обнаружение которых находится вне порога чувствительности.

Регистрируемый высокий фон и уширение отдельных пиков указывают на наличие в

образце железистых соединений и, по-видимому, рентгеноаморфного вещества.

С помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6390A получены

изображения поверхности материала с большим разрешением, а также выполнено

фрагментарное сканирование выделенных из образца твёрдых включений (рис. 2).

Принцип действия микроскопа основан на зондировании поверхности исследуе-

мого образца тонко сфокусированным управляемым электронным лучом в условиях

высокого вакуума. В зависимости от состава материала и его структуры под воздействи-

ем электронов пучка возникает вторичное излучение с характерным спектром, соответ-

ствующим набору элементов, присутствующих в образце. Результаты энергодисперси-

онного анализа вторичного квантового излучения представляются в виде спектрограм-

мы. По интенсивности линии спектра определяются концентрации элементов.

Рис. 2 (начало). Структура поверхности и спектрограммы образца твёрдых отложений:

а – фрагмент 1, локальная проба 1

177

Рис. 2 (окончание). Структура поверхности и спектрограммы образца твёрдых отложений:

б – фрагмент 2, локальная проба 2

Элементный состав исследуемых отложений представлен в табл. 1. Всего про-

анализировано девять локальных проб. Установлено, что кроме углерода основными

элементами, входящими в состав твёрдой части образца, являются кислород (6,71-

75,89% масс.), сера (9,95-23,61% масс.) и кальций (1,01-23,82% масс.). В меньших

количествах присутствуют хлор (1,23-3,21% масс.) и железо (0,57-5,41% масс.), фик-

сируются магний (1,15-3,28% масс.), натрий (0,76-1,71% масс.), алюминий (0,72-

2,21% масс.), кремний (0,11-2,63% масс.) и в единичных пробах – медь (0,70-1,11%

масс.) и цинк (менее 1% масс.).

Таблица 1

Элементный состав твёрдых отложений

Элемент

Массовое содерж

ние,

Фра

мент 1. №

пробы

Фра

мент 2. №

пробы

Углерод

37,63

9,51

68,31

58,29

56,30

64,64

25,44

75,89

45,03

Кисл

род

3,34

37,35

6,71

15,72

17,48

20,67

33,28

7,82

23,00

Натрий

1,71

0,81

0,76

0,88

Магний

1,15

3,28

2,66

1,63

2,00

Алюм

ний

0,72

2,21

1,37

0,85

0,99

Кре

ний

0,36

2,63

1,05

0,44

0,11

0,74

Сера

12,66

23,61

11,12

13,96

14,94

18,70

14,99

15,11

Хлор

2,64

1,23

3,21

2,84

2,38

1,91

1,31

2,35

Кальций

13,27

23,82

1,01

1,50

2,18

2,72

22,00

5,96

Железо

5,41

4,48

0,70

1,84

2,91

0,57

3,41

Медь

1,11

0,70

Цинк

0,69

178

Таким образом, твёрдые включения в объёме осадка на рабочих органах ЭЦН ха-

рактеризуются сложным поликомпонентным составом. На основании результатов ис-

следований образцов полуколичественными физическими методами можно утверждать,

что это – разнородная смесь ангидрита (35%), сульфида железа (30%) и кальцита (30%)

с примесью гидролизованного хлорида железа, кремнезёма и глин (5%).

Свойства осадка определяются совокупностью множества физико-химических

факторов, связанных с геологическими условиями залегания нефти, техногенными

явлениями и особенностями эксплуатации месторождения.

Из-за недостаточного притока в условиях снижения пластового давления тес-

тируемая скважина периодически находится в накоплении, что создаёт благоприят-

ные условия для осаждения на рабочих органах ЭЦН солей и мехпримесей.

Наличие в пробах карбонатных и сульфатных солей кальция обусловлено

главным образом химическим составом попутной воды и растворённого газа. Со-

держание ионов кальция в воде пластов подольского горизонта достигает 14 г/л,

магния – 5 г/л, присутствуют сульфат-ионы в количестве свыше 0,2 г/л и гидрокар-

бонат-ионы (около 1 г/л). Температура пласта умеренная (34 °С), текущее пластовое

давление не превышает 7 МПа, что на 9 МПа ниже начального давления в залежи.

При работе скважины в режиме накопления выделение газа в стволе даже при не-

большом газовом факторе 18,3 м

/т инициирует процесс отложения слабо раствори-

мых солей кальция на рабочих органах насоса. Вследствие нагрева оборудования из-

за частых пусков-остановок и работы с критическим динамическим уровнем осадки

преобразуются в безводные разности.

Несмотря на то, что залежь нефти разрабатывается без заводнения, солевой

состав попутной воды может меняться из-за неконтролируемой связи с нижележа-

щими пластами башкирского яруса или верейского горизонта. Для качественного

анализа процесса солеотложения в тестируемой скважине необходима оценка цело-

стности цементного моста.

Наличие сульфида железа в солевом осадке может быть связано:

а) с наличием сероводорода в пластовой воде;

б) с деятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий, продуцирующих

биогенный сероводород;

в) с присутствием сульфида железа в жидкости глушения, частично погло-

щаемой пластом во время ремонтов.

В первых двух случаях образование осадков сульфида железа обусловлено

коррозионным процессом металла. В межколонном пространстве тестируемой сква-

жины этот процесс мог протекать достаточно активно и продолжаться долго, по-

скольку скважина длительное время эксплуатировала пласт А

. В растворённом газе

пласта А

сероводород и углекислый газ присутствуют в повышенных концентраци-

ях. Это во всех без исключения случаях способствует коррозионному разрушению

эксплуатационных колонн, особенно над динамическим уровнем. С учётом возмож-

ности притока в скважину «посторонней» воды из нижележащих пластов опасность

сероводородной коррозии оборудования сохраняется.

Сероводород, присутствующий в воде глушения, расходуется на реакцию с иона-

ми железа с образованием сульфида железа, который при контакте с кислородом возду-

ха частично окисляется и обогащает воду сульфат-ионами. Образующаяся в ходе реак-

ции серная кислота, в свою очередь, способствует формированию сульфатных солей.

Сульфаты железа, которые получаются при окислении сульфидов, гидролити-

чески расщепляются по схеме

FeSO

+ 2H

O = Fe(OH)

+ 2H

+ SO

179

Гидрат закиси железа по реакции

4Fe(OH)

+ О

+ 2Н

О = 4Fe(OH)

быстро переходит в буро-красный гидрат окиси железа, который присутствует в рас-

творе в коллоидном состоянии.

Если вода глушения имеет низкую стабильность, что может быть связано со зна-

чительным содержанием в ней бикарбонатов HCO

–

и солей закисного железа в форме

бикарбоната Fe(HCO

)

, то при контакте с кислородом воздуха образуются осадок гид-

рата окиси железа и коррозионно-активный углекислый газ, который дополнительно

понижает рН среды и приводит к разрушению защитных пленок на металле.

При воздействии раствором соляной кислоты на железосодержащие осадки

образуется хлорное железо (хлорид железа III). Соли трёхвалентного железа в рас-

творах подвергаются далеко идущему гидролизу. В насыщенных растворах FeCl

образует ряд сильно гигроскопичных кристаллогидратов, расплавляющихся на воз-

духе при температурах от 32,5 °С до 73,5 °С.

Обнаруженный в ходе рентгеноструктурного анализа моносульфид железа в

разбавленных кислотах также разлагается с образованием хлорида железа (II) и вы-

делением H

Соли трёхвалентного железа являются окислителями и активными коагулян-

тами. Они обладают способностью объединять мелкие частицы дисперсных систем в

более крупные, что ведёт к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного

осадка или застудневанию.

В разбавленных растворах хлорное железо гидролизуется, продукты гидролиза

– основные хлориды железа и многоядерные аква-комплексы, например [Fe

(OH)

]

Данные комплексы являются коагулянтами водных дисперсий кремнезёма и глин,

причём при повышении температуры этот процесс усиливается. Одновременно об-

разуются также железо-асфальтеновые комплексы в результате соединения частиц

асфальтенов с катионами трехвалентного железа. Железосодержащие мехпримеси

твёрдого состава, соединяясь с тяжёлыми компонентами нефти, формируют трудно-

разрушимые осадки, на которые не действуют деэмульгаторы и растворители.

Нефть в пластовых условиях характеризуется повышенной вязкостью

(8,29 мПа·с) и содержит в среднем 2,5% асфальтенов. Кислотные обработки под дав-

лением способствуют созданию окислительной обстановки в удалённой от скважи-

ны части пласта. В сочетании с коррозионными процессами это усиливает процесс

образования и осаждения на насосном оборудовании так называемого «шлама» –

сложного продукта взаимодействия неорганической кислоты и тяжёлой нефти. На

сегодняшний день эффективных способов избавиться от такого типа загрязнений,

включая применение противошламовых реагентов, нет.

На основании выполненных исследований рекомендуется:

1) не применять для глушения скважины воду, содержащую сероводород;

2) для интенсификации притока и глубокой очистки призабойной зоны применять

регламентированную технологию обработки пласта обратной кислотной эмульсией с учё-

том результатов, полученных на месторождениях ОАО «Самаранефтегаз»;

3) принимая во внимание наличие в осадке железосодержащих соединений,

использовать для обработок составы на основе сульфаминовой кислоты (HSO

) –

10-15% и уксусной кислоты (CH

COOH) – 10%;

4) провести испытания альтернативной технологии обработки карбонатного пласта

на основе жидкофазного окисления лёгких углеводородов с образованием оксидата;

5) рассмотреть целесообразность ингибиторной или биоцидной противокорро-

зионной защиты скважинного оборудования;

180

6) мероприятия по профилактике солеотложений рассматривать в комплексе с

мероприятиями по восстановлению пластового давления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кащавцев В.Е., Мищенко И.Т. Солеобразование при добыче нефти. – М.: Орбита-М,

2004. – 432 с.

2. Граменицкий Е.Н., Котельников А.Р., Батанова А.М., Щекина П.И., Плечов П.Ю. Экс-

периментальная и техническая петрология. – М.: Научный мир, 2000. – 416 с.

3. Методы минералогических исследований: Справочник / Под ред. А.И. Гинзбурга. –

М.: Недра, 1985. – 480 с.

4. Ольховская В.А., Хасанов Э.М., Песков А.В., Дёмин М.В. Влияние жидкостей глуше-

ния на технологические процессы добычи и подготовки нефти в НГДУ «Первомай-

нефть» (ОАО «Самаранефтегаз») // Известия Самарского научного центра РАН. Спец.

выпуск «Проблемы нефти и газа». Т.II. – Самара, 2003. – С. 37-49.

5. Ольховская В.А., Попов В.И., Беркович К.В. Исследование состава и структуры соле-

вых отложений в целях повышения качества работ по интенсификации добычи нефти

и защиты нефтепромыслового оборудования // Известия Самарского научного центра

РАН. Спец. выпуск «Проблемы нефти и газа». – Самара, 2004. – С. 173-192.

УДК 622.245

РАЗРАБОТКА ПРОЕКТНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

НА СТРОИТЕЛЬСТВО СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «БУРЕНИЕ» (НА ПРИМЕРЕ

МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОАО «ОРЕНБУРГНЕФТЬ»)

А.В. Кох, В.К. Давыдов, Н.А. Аверина

В статье описан опыт разработки проектно-сметной документации на строитель-

ство скважин с использованием программного комплекса «БУРЕНИЕ», разработан-

ного компанией ООО «ОКБ Бурстройпроект».

Разработка проектно-сметной документации (ПСД) на строительство скважин

– это сложный процесс, требующий большой аналитической и инженерной работы,

являющейся основой научно-обоснованного принятия проектных решений на базе

геолого-физических данных и действующих в отрасли нормативно-методических

документов. Указанная ПСД выполняется в строгом соответствии с правилами безо-

пасности в нефтяной и газовой промышленности РД 08-624-03, п.п. 1.3, 2.2 [1].

Рабочий проект строительства скважин представлен следующими разделами:

общая пояснительная записка, организация строительства, ОВОС, сметная докумен-

тация, ИТМ ГО и ЧС. Разработка рабочего проекта осуществляется согласно макету

[2], утвержденному Миннефтепромом СССР в 1987 году.

Основные разделы «Общей пояснительной записки» рабочего проекта на

строительство скважин во многом состоят из многочисленных трудоемких техноло-

гических расчетов, таких как расчет обсадных колонн, расчет траектории ствола

скважины, гидравлические расчеты, расчет цементирования и др.

В настоящее время у заказчиков особым спросом пользуется проектная продук-

ция, разработанная с применением методов математического моделирования, средств

визуализации и других возможностей современных информационных технологий.

С целью сокращения времени на разработку ПСД институтом

ОАО «Гипровостокнефть» был приобретен программный комплекс «Бурение», раз-

работанный ООО «ОКБ Бурстройпроект». На базе комплекса была создана автома-

181

тизированная система проектирования строительства скважин (АСПСС), которая

позволяет качественно решать проектные задачи при разработке рабочей докумен-

тации на разработку ПСД.

Автоматизированная система объединяет следующие программные моду-

ли комплекса «Бурение»:

– ввод исходных данных для проектирования технологических разделов рабо-

чей документации на строительство скважин;

– исходные данные по геологии;

– расчет и проектирование профиля скважины;

– гидравлические расчеты при промывке скважины;

– расчет обсадных колонн;

– расчет цементирования обсадных колонн;

– расчет углубления.

АСПСС позволяет формировать результаты расчетов, полностью отвечающие

требованиям «Макета рабочего проекта строительства скважин на нефть и газ»

РД 39-0148052-537-87.

Основа системы – проектный комплекс, разработанный по технологии «кли-

ент-сервер» и работающий под управлением сервера баз данных Borland Interbase 7.5.

Общая база данных комплекса содержит более 2000 объектов.

Рассмотрим алгоритм работы с каждым программным модулем в отдельности.

Назначением программного модуля «Ввод исходных данных для проекти-

рования» является представление пользователю возможностей по вводу и редакти-

рованию данных, необходимых для дальнейших расчетов проекта. Интерфейс бази-

руется на общих принципах.

Назначением данного модуля является представление возможностей по вводу-

редактированию данных, необходимых для дальнейших расчетов. Все основные

управляющие элементы модуля сосредоточены на одном главном окне.

Из главного окна имеется доступ ко всем группам исходных данных:

– «Скважина» – исходные данные по скважине;

– «Эксплуатационный объект» – исходные данные по продуктивному пласту;

– «Геология» – исходные данные по стратиграфии и литологии;

– «Буровой раствор» – исходные данные по физико-химическим показателям

свойств буровых растворов;

– «Буровая установка» – характеристика буровой установки.

В группу исходных данных по проектированию профиля входят следующие

исходные данные:

– проектная глубина скважины;

– глубина расположения кровли продуктивного пласта;

– длина вертикального участка;

– максимальная величина зенитного угла.

Для расчета промывки скважины необходимы следующие исходные данные:

– информация об участках профиля (максимальный угол наклона профиля на

каждом участке);

– геологические данные (пластовое давление, давление гидроразрыва, плот-

ность пород, коэффициент кавернозности);

– внутренние диаметры обсадных колонн;

– режим бурения (роторный, турбинный);

– используемые долота;

– конструкция компоновки низа бурильной колонны;

– показатели свойств бурового раствора.

182

Исходные данные для расчета обсадных колонн следующие:

– глубина спуска обсадных колонн;

– диаметр ствола скважины;

– диаметр обсадной колонны;

– расстояние от устья скважины до уровня жидкости в колонне в поздний пе-

риод эксплуатации;

– расстояние от устья скважины до уровня жидкости в колонне при испытании

на герметичность;

– высота подъема цемента за колонной;

– плотность жидкости в период ввода в эксплуатацию и в поздний период экс-

плуатации;

– плотность жидкости в колонне при освоении;

– плотность бурового раствора;

– плотность цементного раствора;

– плотность пластового флюида.

Исходными данными для расчета цементирования обсадных колонн являются:

– общие сведения о скважине;

– сведения о геологическом разрезе;

– сведения о конструкции скважины;

– сведения о проектном профиле скважины.

Программный модуль «Расчет и проектирование профиля скважины»

предназначен для проектирования профиля скважины, анализа сближения фактиче-

ского профиля скважины с другими профилями в кусте: как с проектными, так и с

фактическими. На примере Донецко-Сыртовского месторождения разработан про-

ектный профиль, представленный в трехмерном виде на рис. 1.

Рис. 1. Проектный профиль Донецко-Сыртовского месторождения

Программный модуль «Разработка гидравлической программы промывки

скважины» в составе АСПСС позволяет автоматически составлять программу про-

мывки скважины в зависимости от геологических условий, выбранной конструкции

скважины, используемого бурильного инструмента и буровых растворов (рис. 2).

Целью применения программного модуля являются выбор режимов промывки

(расход бурового раствора, давление, продолжительность цикла промывки) и подбор

требуемых характеристик оборудования (диаметров насосных втулок и диаметров

183

насадок долота) в зависимости от условий бурения на каждом интервале бурения – с

соблюдением условий сохранения устойчивости стенок скважины, недопущения

гидроразрыва пласта при бурении, обеспечения качественной очистки забоя и ство-

ла, обеспечения оптимальных условий работы оборудования.

Программный модуль «Разработка гидравлической программы промывки

скважины» обеспечивает решение следующих задач:

– подбор необходимого расхода бурового раствора из условий очистки забоя,

выноса шлама и обеспечения работы ГЗД;

– определение давлений в открытом стволе скважины;

– обеспечение требуемого перепада давления на долоте;

– определение требуемого режима работы насосов и требуемого диаметра

поршней;

– определение требуемого количества и диаметра гидромониторных насадок;

– определение допустимых скоростей спуско-подъемных операций.

Рис. 2. Программный модуль «Гидравлическая программа промывки скважины»

Программный модуль «Расчет обсадных колонн» предназначен для опреде-

ления конструкции обсадной колонны (типоразмер труб по секциям и их длины).

Проектная конструкция обсадной колонны позволяет предотвращать нештатные и

аварийные ситуации, связанные со смятием от наружного избыточного давления,

расстройством резьбовых соединений и разрывом колонны от возникающего внут-

реннего давления. Расчет ведется согласно [4]. Результаты расчета на примере До-

нецко-Сыртовского показаны на рис. 3.

184

Рис. 3. Программный модуль «Расчет обсадных колонн»

Программный модуль «Цементирование обсадных колонн» предназначен

для проведения прочностных и гидравлических расчетов с целью обеспечения каче-

ства крепи цементирования скважины в зависимости от текущих условий в конкрет-

ных горно-геологических условиях строительства скважин (рис. 4).

Целью применения программного модуля является получение проектных ре-

жимов цементирования (расход и параметры растворов, давление, продолжитель-

ность процесса), выбор оборудования и его характеристик в зависимости от условий

цементирования для каждой обсадной колонны – с соблюдением условий сохране-

ния устойчивости стенок скважины, недопущения гидроразрыва пласта, обеспечения

качественного крепления ствола, обеспечения оптимальных условий работы цемен-

тировочного оборудования.

С использованием данных программных модулей успешно завершено проек-

тирование технологических разделов по рабочим проектам на скважинах по место-

рождениям: Сорочинско-Никольское, Горное, Врезовское, Скворцовское, Южно-

Спиридоновское, Донецко-Сыртовское (ОАО «Оренбургнефть»).