Способ сооружения гравийного фильтра в скважине и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горному делу. Цель изобретения - повышение качества сооружаемого фильтра и снижение затрат на сооружение. Устанавливают фильтровую колонну с каркасом фильтра. Закачивают гравийную смесь в нисходящем потоке по колонне труб. В процессе закачки гравийную смесь над каркасом направляют под углом 5-20° к оси скважины. Закачивают гравий гранулометрического состава с учетом диаметра частиц гравия, среднего диаметра частиц песка продуктивного пласта, размера отверстий фильтра. При прохождении гравийной частицы через отклонитель наиболее крупные частицы движутся у лежачего бока, а мелкие взвешиваются в потоке. Устройство для осуществления данного способа содержит фильтровую колонну 1, бурильную 2 и вспомогательную 3 колонны, соединяющий эти колонны распределительный узел 4, герметизирующий элемент 12 в кольцевом пространстве 11 скважины. Узел 4 выполнен в виде конусного выступа 5 с вершиной, обращенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом 5-20°, и ответного конусного углубления 6. Оно соединено с выступом 5 параллельными оси скважины патрубками 7, имеющими отверстия 8. Последние совпадают с отверстиями 9 и 10, выполненными в выступе 5 и углублении 6. Гравийная смесь поступает в пространство 11, где откидывается гравий, жидкость отфильтровывается в колонне 1, а через колонну 3 и углубления 6 по пространству 11 поднимается к устью. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВ ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1481384

А1 (51)4 E 21 В 43 08 о

Ц и !,Ф4Л

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4288933/23-03;3 4288935! 23-03 (22) 22.07.87 (46) 23.05.89. Бюл. И- 19 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (72) А.Д.Башкатов (53) 622.245.543 (088.8) (56) Гаврилко В.М. и др. Фильтры буровых скважин;М.: Недра, 1985, с. 223-235.

Там же, с. 213-214.

Квашнин Г.II. и др. Водозаборные скважины с гравийными фильтрами.—

И.: Недра, 198 1, с.203-204. (54) СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ГРАВИЙНОГО

ФИЛЬТРА В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ГПЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к горному делу. Цель изобретения — повышение качества сооружаемого фильтра и снижение затрат на сооружение. Устанавливают фильтровую колонну с каркасом фильтра, Закачивают гравийную смесь в нисходящем потоке по колонне труб.

В процессе закачки гравийную смесь над каркасом направляют под углом

5-20о к оси скважины. Закачивают гравий гранулометрического состава с

1481384 учетом диаметра частиц гравия, среднего диаметра частиц песка продуктивного пласта, размера отверстий фильтра. При прохождении гравийной частицы через отклонитель наиболее крупные частицы движутся у лежачего бока, а мелкие взвешиваются в потоке.

Устр-во для осуществления данного способа содержит фильтровую колонну

1, бурильную 2 и вспомогательную 3 колонны, соединяющий эти колонны распределительный узел 4, герметизирующий элемент 12 в кольцевом пространстве 11 скважины. Узел 4 выполнен в виде конусного выступа 5 с вершиной, Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия соответствует размеру отверстий каркаса

25 фильтра, определяется из формулы (Вф+ 2е) — 03) 1003.

Д2 — П2 Ф

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при сооружении гравийного фильтра в скважине °

Цель изобретения — повышение качества сооружаемого фильтра и снижение затрат на сооружение.

На фиг ° 1 показано устройство, установленное в скважине, общий вид; на фиг.2 — разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 - принципиальная схема разделения гравийных частиц в поперечном сечении отклонителя по крупности.

Способ осуществляют следующим образом.

На основании гранулометрического состава продуктивного пласта и конструкции скважины, обеспечивающей заданные режимы эксплуатации, выбирают гранулометрический состав гравия. Средний диаметр частиц гравия выбирают равным половине суммы среднего диаметра частиц песка продуктивного lIJIacTa, умноженного на коэффициент межслойности и размера отверстий каркаса фильтра. Затем определяют процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия соответствует среднему диаметру частиц песка продуктивного пласта и размеру отверстий каркаса фильтра.

Искомый процент ситового отсева определяется из условия необходимости равномерного перекрытия поверхности стенок скважины и каркаса фильтра обращенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом 5-20", и ответного конусного углубления 6. Оно соединено с выступом 5 параллельными оси скважины патрубками 7, имеющими отверстия

8. Последние совпадают с отверстиями 9 и 10, выполненными в выступе 5 и углублении 6. Гравийная смесь поступает в пространство 11, где откидывается гравий, жидкость отфильтровывается в колонне 1, а через колонну

3 углубления 6 по пространству 11 поднимается к устью. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. частицами фракций D „и Э„соответственно количеством слоев, определяемых из окатанности гравия, назначения скважины и условий эксплуатации.

Количество слоев гравия, учитываемое коэффициентами надежности а и Ь, выбирается .от 3 до 10, исходя из необходимости исключения миграции через

10 частицы определенной фракции более мелких частиц.

Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия соответствует среднему диаметру частиц песка продуктивного пласта, умноженного на коэффициент межслойности,, определяется из формулы ш = а - - 100

20 D — Ю

Способ заключается в установке фильтровой колонны с каркасом фильт ра и закачке гравийной смеси в нисходящем потоке по колонне труб. B процессе закачки гравийную смесь направляют под углом 5-20 к оси сква35 жины, осуществляют закачку гравия гранулометрического состава

1481384

Kd + t

D = Kd, D

Kd что она двигается в отклонителе в устойчивом режиме, если подъемная сила

F компенсирует силу тяжести за вычетом силы Архимеда Рт — F где D, 1>„„D „ диаметры частиц гравия, соответствующие

50X-, m- и и-процентному ситовому отсеву 10 соответственно; средний диаметр частиц песка продуктивного пласта; размер отверстий 15 фильтра; коэффициент межслойности; коэффициент неоднородности гравия; 20 р — (р - 2КД)2 1007. р с Ф (Рф+ 2t) — D$) (1 Ь р2 Dz 100Жф с ф а, Ь вЂ” коэффициенты надежности, D,Рф — диаметры скважины и фильтровой колонны соответственно. 30

При прохождении гравийной смеси через отклонитель наиболее крупные частицы движутся у лежачего бока (при выходе и колонны труб), а мелкие взвешиваются в потоке, причем чем мельче частицы, тем ближе они движутся в установившемся режиме к продольной оси симметрии отклонителя и тем с большей горизонтальной скоростью они перемещаются от фильтро- 40 вой колонны к стенкам скважины после прохождения отклонителя и на тем большее расстояние удаляются от каркаса фильтра в процессе. формирования гравийной обсыпки. 45

Взвешивание частиц гравия в отклонителе происходит под воздействием подъемной силы, обусловленной градиентом скорости в поперечном сечении потока в отклонителе. В процессе закачки необходимо, чтобы частицы гравия крупностью D „ и большей откладывались в непосредственной близости от каркаса фильтра. Для этого необходимо, чтобы частицы круп-55 ностью р„ и большей двигались по лежачему боку отклонителя.

Учитывая влияние действующих на частицу гравия сил, можно записать, У „= (((р S (v> — v> );

TiD т я 6 а(у, Р ) где S — площадь миделевого сечения частицы крупностью В„; ь — скорости обтекания частицы по противоположным относительно. продольной оси симметрии потока сторонам;

D „ — диаметр частицы гравия,"

g — ускорение свободного падения.

Частица крупностью D „ в установйвшемся режиме двигается у лежащего бока отклонителя, если градиент скорости у лежачего бока отклонителя равен

d v 2 Jz- з1п(DÄ 3

Требуемый-градиент скорости у лежачего бока отклонителя обеспечивает.— ся заданием определенного расхода закачки: для ламинарного потока

@ от 1

0 —. — - - —.——

Г (Dor -2Рл) 24 (1 — — — — -" р для турбулентного режима

7 ((DQ D ô

96 (2t) ( где D — диаметр отклонителя или расстояние между лежачим и висячим боками отклони". теля.

Анализ уравнений дпя ламинарного и турбулентного режимов движения смеси показывает их хорошую сходимость для пристенной области потока.

При закачке градиент квадрата скорости по сечению частицы крупностью

gv2 р„(†-) при выходе гравийной смеси

n„ иэ колонны труб поддерживают соглас81384 6

20

5 14 но формулы (1) путем изменения расхода смеси.

Устройство содержит фильтровую колонну 1, бурильную 2 и вспомогательную 3 колонны, соединенные распределительным узлом 4, выполняющим функцию отклонителя. Распределительный узел 4 выполнен в виде конусного выступа 5 с вершиной, обращенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом 520, и ответного конусного углубления 6, соединенного с конусным выступом 5, параллельными оси скважины патрубками 7, причем отверстия 8 в патрубках 7 совпадают с отверстиями 9 и 10, выполненными в конусном выступе 5 и углублении распределительного узла 4. Кольцевое пространство 11 между распределительным узлом 4 и стенками скважины или обсадной колонны загерметизировано элементом 12.

Устройство работает следующим образом.

В скважину устанавливают фильтровую колонну 1. Над фильтровой колонной 1 устанавливается распределительный узел 4, соединяющий вспомогательную 3 и бурильную 2 колонны, Кольцевое пространство 11 скважины над распределительным узлом 4 изолируют элементом 12.

Закачку гравийной смеси осуществляют при комбинированной циркуляции.

Смесь в нисходящем потоке транспортируется по бурильной колонне 2 и через отклонитель, между конусным выступом 5 и ответным углублением 6 поступает в кольцевое пространство 11 скважины, гре гравий откладывается, а жидкость-носитель отфильтровывается через фильтр фильтровой колонны 1 и в восходящем потоке через вспомогательную колонну 3, отверстия в конусном выступе 5, патрубках 7, конусном углублении 6 и по кольцевому пространству 11 скважины выше элемента 12 поднимается к устью.

При прохождении через отклонитель гравийная смесь отклоняется от оси скважины. Установлено, что наиболее стабильное отклонение направления г движения смеси наблюдается при углах установки отклонителя 5-20 к оси скважины. При больших углах отклонитель в скважине практически не обеспечивает отклонения смеси, а играет роль местного сопротивления.

Угол отклонения меньший, чем 5 ухудшает качество фракционирования частиц в отклонителе и зафильтровом пространстве скважины. Длина отклонителя выбирается исходя из обеспечения устойчивого, установившегося режима движения частиц на выходе из отклонителя.

При установлении в процессе закачки расхода смеси через отклонитель, рассчитанного по формулам, частицы крупностью Р „ и более движутся у лежачего бока отклонителя с минимальными скоростями, а более мелкие взвешиваются в потоке и движутся с большими скоростями. Учитывая, что чем больше скорость движения частицы на выходе из отклонителя, тем на большее расстояние она удаляется от фильтровой колонны 1 в процессе формирования обсыпки, можно утверждать, что в процессе закачки по предложенной технологии формируется гравийный фильтр с размером частиц, постепенно уменьшающимся от каркаса фильтра к стенкам скважины от значений 0„ до значений П . Величина ш выбирается исходя из условия необходимости перекрытия песка продуктивного пласта устойчивым суффозионным слоем толщиной 3-1DD . Обычно m составляет 10-15% ситового отсева, а

D принимается равным 2-6 среднего диаметра песка продуктивного пласта.

Отклонитель устанавливается от верхних отверстий фильтровой колонны

1 на расстоянии, при котором происходит стабилизация движения частиц в потоке после прохождения отклонителя. Стабилизация или установившийся режим наступает тогда, когда с увеличением времени движения частицы в потоке расстояние между ней и фильтровой колонной 1 практически не увеличивается. Высоту установки отклонителя от верхних отверстий фильтровой колонны 1 при заданных режимах закачки, конструкции скважины и отклонителя определяют путем решения дифференциального уравнения движения частицы после отклонителя в кольцевом пространстве 11 скважины. Реально, высота установки отклонителя от верхних отверстий фильтровой колонны составляет от 5 до 10 м.

Применение предложенного устройства позволяет получить фильтры вы1481384

8 сокого качества, в которых размер частиц гравия постепенно уменьшается от. фильтровой колонны 1 в направлении стенок скважины. Такое фракционное распределение частиц обеспечивает .оптимальную суффоэионную устойчивость фильтра и позволяет снизить его гидравлическое сопротивление.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Kd+t D — — — - ° D = Kd D ь и ю

И=КД где Ь, D,„, 0„диаметры частиц гравия, соответствующие

50K-, m- h и-процентному ситовому отсеву соответственно; коэффициент межслойности; средний диаметр час" тиц песка продуктивного пласта; размер отверстий фильтра; коэффициент неоднородности гравия;

К н

1. Способ сооружения гравийного фильтра в скважине, заключающийся в установке фильтровой колонны с кар-. касом фильтра и закачке гравийной смеси в йисходящем потоке по колонне труб, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сооружаемого фильтра и снижения затрат на сооружение, в процессе закачки гравийную смесь над карка.сом фильтра направляют под углом

5-20 к оси скважины, осуществляют закачку гравия гранулометрического состава

ВЬ вЂ” (D 2Kd) ОО .

Дг D2

° = (1 — Ь ® " 4100ж, ))2 1)г с Ф где а, Ь вЂ” коэффициенты надежности;

D,D y — диаметры скважины и фильтровой колонны соответственно; а градиент квадрата скорости по се,1уг чению частицы крупностью Р (— -) н при выходе гравийной смеси из колонны труб поддерживают равный

15 яя nо( цу Ф

2 —,р

3 где д г разница квадратов скоростей обтекания частицы; плотность гравия и жидкости-носителя соответ20

9r P

25 ственно;

g — ускорение свободного падения; — угол наклона отклонителя к оси скважины; — коэффициент сопротивления обтеканию частицы путем изменения расхода смеси.

30 2. Устройство для сооружения гравийного фильтра в скважине, содержащее фильтровую колонну, бурильную и вспомогательную колонны, соединяющий эти колонны распределительный

35 узел, герметизирующий элемент в кольцевом пространстве скважины, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что распределительный узел выполнен в виде конусного выступа с вершиной, обра40 щенной к устью скважины и образующей, наклоненной к оси скважины под углом

5-20, и ответного конусного углубле ния, соединенного с конусным выступом параллельными оси скважины пат45 рубками, причем отверстия в патрубках совпадают с отверстиями, выполненными в конусных выступе и углублении. с

1481384

О

A-A

Составитель Е. Молчанова

Редактор Г. Волкова Техред Л,Сердюкова Корректор В.Гирняк

Заказ. 2649/31 Тираж 51 5 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1!3035, Москва, Ж-35, Рауйская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãî îä, ул. Гагарина,101