Миграция газа в закрытой скважине

Сегодня постараюсь раскрыть одну из самых сложных в понимании тем, которая изучается на курсе ГНВП.

Миграция газа в закрытой скважине — это процесс перемещения газа внутри ствола скважины после её закрытия. Это явление может иметь серьёзные последствия для всей скважины из-за роста давления.

После обнаружения прямых признаков и успешной герметизации устья необходимо дождаться стабилизации давлений. Сразу после этого любой пластовый флюид с меньшей плотностью, чем у жидкости в скважине, будет всплывать, но только газ будет демонстративно показывать свое всплывание на манометрах. Объем газа остается постоянным, так как скважина не позволяет ему расширяться, от этого зависит давление в газовой пачке, которое не изменяется (согласно закону Бойля-Мариотта: P⋅V = const). В дальнейшем для изменения объема газовой пачки и, как следствие, давления в ней необходимо стравить раствор на поверхности через дроссель или заставить уйти жидкость в пласты вследствие поглощения.

Рис. 1. После герметизации устья и стабилизации газовая пачка имеет такое же давление, как и пласт

На устьевых манометрах можно наблюдать избыточные давления. Эти давления в момент стабилизации показывают условие равновесия забойного и пластового давления. Для трубного канала избыточное давление (согласно рис. 1) меньше в сравнении с КП. Это связано с тем, что в трубах находится максимально однородный раствор для данной ситуации. Манометр показывает, насколько гидростатика в трубах проигрывает пластовому давлению. В дальнейшем именно это давление будет использоваться для расчета пластового давления, раствора глушения и начального давления циркуляции для проведения успешного глушения скважины.

На манометре кольцевого пространства (КП) также наблюдается давление, оно, как и давление в трубах, показывает разницу между гидростатическим давлением в КП и пластовым давлением. Однако для проведения расчетов это давление не используется. Связано это со сложностью проведения точного расчета гидростатики раствора. Во-первых, в процессе бурения раствор насыщался газом из выбуренной породы. Во-вторых, в КП также имеется определенный объем шлама во взвешенном состоянии. И в-третьих, поступивший газ при ГНВП, плотность которого мы не сможем узнать точно, а лишь предположить приблизительно с помощью расчета.

Чему же равно давление в пачке в момент стабилизации? Как ни странно давление в пачке равно давлению пласта. В этом и есть вся дальнейшая проблема миграции газа в закрытой скважине.

Рис. 2. Газовая пачка мигрирует к устью. Объем и давление в пачке остается прежним

На изображении (рис. 2) можно увидеть, что местоположение газовой пачки изменилось, и теперь она находится выше. Как это отразилось на скважине?

Пачка движется по кольцевому пространству, и для её подъёма необходимо переместить часть раствора под пачку. Это можно наблюдать на рис. 2. Столб гидростатики над пачкой в кольцевом пространстве стал меньше, а давление в пачке не поменялось. Получается, что давление в пачке остается стабильным, ведь пачка не может расшириться из-за отсутствия свободного пространства, а гидростатическое давление над пачкой постоянно снижается. Именно это приводит к тому, что давление на манометре кольцевого пространства постоянно растёт.

Рис. 3. Упрощенная формула расчета избыточного давления на манометре КП при миграции газа в закрытой скважине

В трубах давление также будет расти, хотя газовой пачки там нет. Это связано с тем, что раствор, перетекающий под пачку при её миграции, создаёт дополнительное давление. Совместно с давлением в пачке, которое действует во все стороны одинаково, давление столба жидкости под пачкой давит через насадки долота или открытый конец в трубах на раствор, который в свою очередь не в состоянии сжаться начинает передавать прирост давления на манометр труб. Таким образом мы фиксируем одновременно рост давления и на забое.
Однако, если обратный клапан установлен, давление на манометре труб не будет повышаться. Рост будет под клапаном, и его прирост будет обнаружен только после его открытия.

Рис. 4. Упрощенная формула расчета избыточного давления на манометре труб при миграции газа в закрытой скважине

Настало время разобраться с забойным давлением.

Рис. 5. Абсолютно теоретическая ситуация. Газовая пачка в закрытой скважине достигла устья с тем же начальным объемом

Забойное давление растёт из-за всплытия газовой пачки и увеличения гидростатики под ней. На Рис. 5 газовая пачка достигла устья с исходным объемом, а это значит, что давление в ней также не изменилось и осталось равным пластовому. На манометре КП будет давление, равное давлению в пачке, поскольку гидростатического давления больше над пачкой нет. Однако весь раствор перетек под пачку, создав достаточный прирост давления на забой. Это абсолютно теоретическая ситуация для понимания поведения газа и невозможности ее существования в реальных условиях. Поскольку в скважинах с открытым стволом этот эффект рано или поздно приведет к раскрытию и созданию новых трещин в проницаемых пластах, что в дальнейшем запустит процесс поглощения и приведет к уходу раствора в пласты. Уходящий раствор начнет освобождать место для расширения газовой пачки, что поможет ей увеличить свой объем и потерять столь высокое внутреннее давление.

Рис. 6. Упрощенная формула расчета забойного давления на забое при миграции газа в закрытой скважине

На что хочу обратить внимание читателя. Во время миграции газа в закрытой скважине давления растут одинаково в трубах, КП, забое и, легче сказать, во всей скважине, чтобы не перечислять дальше всё.

Скорость миграции газа

Скорость миграции газа в закрытой скважине может варьироваться. Обычно она составляет около 300 м/час, но может как увеличиваться, так и уменьшаться, это зависит от плотности бурового раствора, газа и температуры в скважине. При этом газ может оставаться в забойной зоне без заметного перемещения длительное время, а может совсем не всплывать (помните о профиле скважины).

Раз пачка мигрирует в закрытой скважине, то можно рассчитать приблизительную скорость всплытия.

Рис. 7. Упрощенная формула скорости миграции газа в закрытой скважине

Возьмем данные сравнив рис. 1 и рис. 2. Скважина заполнена раствором плотностью 1,12 г/см³. Между событиями на этих изображениях прошел ровно один час. Устьевые давления выросли на 3 МПа.

Рис. 8. Расчёт скорости миграции газа по данным выше

Данный расчет не следует рассматривать как долгосрочный. С его помощью можно определить только фактическую скорость или приблизительное положение газовой пачки в скважине. По мере приближения к устью скважины скорость всплытия газовой пачки будет увеличиваться.

Подведем итог данной статьи

Рис. 9. Миграция газа в закрытой скважине. Объем, давление газа неизменны во время всплытия. Давление постоянно растут как на устье, так и в скважине

В закрытой скважине газовая пачка:

• Всплывает в вертикальном участке;
• Сохраняет постоянный объем;
• Не расширяется;
• Несет в себе постоянное пластовое давление;
• Всплывает со скоростью 300 м/час (скорость может меняться в зависимости от условий).

В закрытой скважине во время миграции:

• Давления в трубах, КП и на забое растут;
• Возрастает риск поглощения и ГРП.

P. S. Также прошу принять во внимание, что статья написана с целью дать общее представление о процессе миграции газа в закрытой скважине и представлена в идеальных условиях. В ней не рассматриваются реальные процессы, которые будут происходить при всплытии газа на практике, такие как расширение обсадной колонны, сжимаемость раствора, фильтрация раствора в пласт и т. д. Это сделано, чтобы не усложнять понимание и не вводить в заблуждение.

Пишите комментарии, задавайте вопросы, предлагайте новую тему для статьи в рамках курса ГНВП.

Подписывайся на телеграм канал, чтобы узнать еще больше интересного