Со стороны ГНВП и открытых фонтанов скважины, добывающие пластовый флюид, представленный газом, являются одними из самых опасных. Для того чтобы свести к минимуму риски в процессе строительства, ремонта и реконструкции скважин, разберем одну из самых важных тем, а именно что происходит с газом после поступления в скважину. Поведение газовой пачки в скважине будет зависеть от условий, в которых она находится, и может различаться в зависимости от того, является ли скважина открытой или закрытой.
Открытая скважина
В открытую скважину газ может попадать различными путями: в результате разрушения вмещающих пород во время вскрытия продуктивных пластов, эффекта свабирования при подъёме, массообменных процессов или снижения давления ниже пластового. Рассмотрим, что происходит после этого.
Газ имеет меньшую плотность по сравнению с рабочим раствором в скважине и, согласно законам физики, должен подниматься вверх. Однако для этого необходимо соблюдение определённых условий. Всплытие даже такого лёгкого флюида, как газ, возможно только в вертикальном или условно вертикальном участке скважины. Профиль скважины может замедлить или остановить газ, не позволяя ему подняться наверх. Для понимания этого процесса представьте «S» или «J» — горизонтальный профиль. Попавший в скважину газ в горизонте прижмется сразу к верхней стенке, где может и остаться до тех пор, пока его не вытолкнут в вертикальный участок циркуляцией. С «S», если газ начнет подниматься с забоя, будет такая же ситуация, когда он дойдет до начала падения угла.
На всплытие также влияют объём поступившего газа, реология раствора. Чем меньше объём и размер пузырей газа в растворе и чем выше плотность и вязкость раствора, тем сложнее газу подняться наверх. Для всплытия газовый пузырь должен буквально поменяться местами с равным объёмом раствора, который находится сверху. При перемещении происходит перемещение раствора вниз, а пузырь газа поднимается наверх.
В статических условиях, когда раствор перестаёт двигаться, он становится более вязким, что затрудняет перемещение. Однако по мере прогрева раствора от забоя и отсутствия длительной циркуляции может произойти разрушение структуры раствора и открытие более лёгких путей следования наверх для газа.
Теперь, выяснив какие трудности встречает газ по мере всплытия сосредоточимся на том, что происходит и с газом, и с самой скважиной в этот момент. Для начала разберемся с понятием давление насыщения.
Давление насыщения
Это давление, при котором газ начинает выделяться из жидкости. В пластовых условиях газ хорошо растворяется в нефти. Зависит этот процесс от соотношения объемов нефти и растворенного газа, состава, пластовой температуры и давления. Многие скважины при бурении работают с раствором на углеводородной основе, в котором газ хорошо растворяется. Однако условия в скважине отличаются от пластовых. При подъеме растворенного газа до глубины, на которой давление становится меньше давления насыщения, происходит выделение газа из раствора.
Поведение газа
В самом начале пути на газ сверху воздействует значительный вертикальный столб жидкости, который не дает газу быстро расширяться. Но по мере всплытия столб жидкости давит с каждым метром все слабее и слабее, что дает возможность газу увеличить свой объем.
При подъеме газа с глубины продуктивного пласта происходит его расширение. Это расширение неравномерно: значительную часть пути газ проходит с относительно невысоким увеличением объема, поскольку сверху воздействует значительный вертикальный столб жидкости, создающий гидростатическое давление, но по мере всплытия столб жидкости давит с каждым разом все слабее и слабее. Интенсивное увеличение начинается в верхней части скважины, где давление ниже. В этот момент происходит не только резкое расширение газовой пачки, но и интенсивное снижение забойного давления. Это связано со снижением гидростатики за счет выдавливания раствора на поверхность и потери давления в самой пачке. В совокупности вышеперечисленное может привести к поступлению нового объёма пластового флюида. Таким образом, скорость миграции газа возрастает по мере приближения к поверхности.
Необходимо также отметить, что в начале своего пути газовый приток представляет собой множество пузырей, распределённых в растворе. По мере подъёма пузыри газа расширяются, и ближе к поверхности они располагаются достаточно близко друг к другу. При соприкосновении происходит их слияние. У самого устья понятие газовых пузырей исчезает, так как они объединяются в единую газовую пачку, которая начинает интенсивно расширяться, выбрасывая раствор на поверхность. Этот процесс называется выбросом.
Проведем расчет и проанализируем изменение объема и давления газовой пачки в открытой скважине. Для удобства и ясности понимания процесса рассмотрим идеальные, практически лабораторные условия.
Для понимания нам потребуется обратиться к формуле Бойля — Мариотта. Идеальный газовый закон, где рассматривается взаимосвязь между давлением и объемом (температуру на данном этапе исключим):
Исходные данные по скважине:
Чтобы узнать объем и давление пачки преобразуем формулу выше:
Первое, что мы найдем, так это давление которое оказывалось на газовую пачку на глубине 2000м, т.е. считаем гидростатику (Р1):
Вторым действие найдем остаточное давление гидростатики, которое оказывает влияние на газ при глубине 200м (Р2):
Проводим финальный расчет подставляя наши данные в формулу выше:
Объем газовой пачки прямо пропорционален давлению внутри нее. По мере всплытия давление над пачкой уменьшалось, что позволяло пачке расширяться и снижать внутреннее давление.
Эту задачу можно было посчитать и без расчетов давлений. Глубина расположения пачки изменилась в 10 раз, при неизменной плотности давление снизилось в 10 раз, а это означает, что объем газа увеличился примерно в эти же 10 раз.
Из этого следует важный вывод:
- если давление в пачке растет, объем газа уменьшается (пачка сжимается и набирает это давление в себе)
- если давление в пачке падает, объем газа увеличивается (пачка теряет давление и расширяется)
Расширение газовой пачки на поверхности необходимо контролировать следующим образом:
- Во время тех. отстоя по статичному уровню и переливу раствора
- Во время циркуляции по увеличению потока на выходе и уровню в рабочей ёмкости
- При СПО по фактическому объему долива в сравнении с расчетным
Подведем итог этой статьи
В открытой скважине:
- Газ увеличивается в объеме по мере движения в вертикальном участке скважины;
- Максимальный объем газ имеет возле поверхности;
- Максимальное снижение забойного давления будет, когда газ окажется возле поверхности.
В заключение хочу подчеркнуть, что газ, поступающий в скважину и попадающий в вертикальный участок, начинает подниматься и расширяться. По достижении устья происходит максимальное расширение газовой пачки, сопровождающееся снижением гидростатического давления. В момент выхода газовой пачки из скважины в атмосферу происходит резкое падение забойного давления. Это может привести к поступлению дополнительного объёма газа и началу газонефтеводопроявления (ГНВП), которое может перерасти в открытый фонтан.
Соблюдайте правила ПБНиГП, следите за прямыми признаками и помните: "Безопасность начинается с тебя".