Способ сооружения гравийного фильтра в скважине

 

Изобретение относится к горной промышленности. Цель - повышение качества сооружаемого фильтра. Предварительно определяют гранулометрический состав песка продуктивного пласта. Далее спускают в скважину фильтровую колонну с каркасом фильтра с отверстиями и размещенным над ними дополнительным фильтром вспомогательной колонны. Герметизируют кольцевое пространство между вспомогательной и фильтровой колоннами. Перед закачкой гравия определяют его состав. В процессе закачки гравия в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и станками скважины поддерживают градиент давления. Последний определяют по формуле. Величину градиента давления в процессе закачки увеличивают от минимальных значений до максимальных путем регулирования перепада давлений на фильтре. 4 ил. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 E 21 В 43/04 1 ggrlf j 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

;1А, v

l ? . . - .-I p д, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4288934/23-03 (22) 22.07.87 (46) 07.09.89. Бюл . №- 33 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии (72) А.Д . Башкатов (53) 622.245.524(088.8) (56) Патент США ¹ 4046198, кл. 166-278, опублик, !981.

Квашнин Г.П. и др. Водозаборные скважины с гравийными фильтрами.-М .:

Недра, !981, с. 103, 161. (54) СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ГРАВИЙНОГО

ФИЛЬТРА В СКВАЖИНЕ (57) Изобретение относится к горной промышленности. Цель — повышение ,качества сооружаемого фильтра. Предварительно определяют гранулометриИзобретение относится к горной промышленности, а именно к технологии сооружения гравийных фильтров в зоне продуктивного пласта.

Целью изобретения является повышение качества сооружаемого гравийного фильтра.

На фиг. представлена принципиальная схема создания градиента давления в кольцевом пространстве скважиныу на фиг. 2 — расчетная схема для анализа характера распределения частиц гравия по крупности в поперечном сечении потока и фильтра, на фиг. 3 — график зависимости скорости движения частицы от фильтровой колонны к стенкам скважины в поле градиента давления от ее крупности, на

„„Я0„„1506087 А 1

2 ческий состав песка продуктивного пласта. Далее спускают в скважину фильтровую колонну с каркасом фильтра с отверстиями и размещенным над ними дополнительным фильтром вспомогательной колонны. Герметиэируют кольцевое пространство между вспомогательной и фильтровой колоннами.

Перед закачкой гравия определяют его состав. В процессе закачки гравия в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и станками скважины поддерживают градиент давления. Последний определяют по формуле. Величину градиента давления в процессе закачки увеличивают от с минимальных значений до максимальных путем регулирования перепада давления на фильтре. 4 ил.,1 табл. фиг. 4 — график зависимости расстоя- . ния, проходимого частицей от фильтровой колонны в направлении стенок скважины в поле градиента давления от ее крупности.

Способ осуществляют следующим образом.

В предварительно подготовленную

Ф скважину 1 спускают фильтровую колонну 2 с каркасом 3 фильтра с отверстиями и размещенным над ними. дополнительным фильтром 4. Внутри фильтровой колонны 2 устанавливают вспомогательную колонну 5, а кольцевое пространство между ними герметиэируют элементом 6 над верхними отверстиями 7 дополнительного фильтра 4 .

l0OX, с

3 1506087 4

На основании гранулометрического D»(п состава продуктивного пласта и конструкции скважины 1, обеспечивающей заданные режимы эксплуатации перед 5

Процент ситового отсева, после коэакачкой гравия 8 в нисходящем пото- торого диаметр частиц гравия 8 соотке, определяют гранулометрический ветствует размеру отверстий каркаса состав .

3 фильтра, определяется иэ формулы

Kd+ t

D, Р Kd Dn (1Ь (Эф + 2t) — D

1 10 D

КН =у

Процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия 8 соответствует среднему диаметру частиц песка продуктивного пласта, умноженному на коэффициент межслойности, определяется иэ формулы где О,, D, D диаметры частиц гравия, 15 соответствующие 507-ному

mX и пХ-ному ситовому отсеву соответственно, d — средний диаметр частиц песка продуктивного плас- 20 ста, размер отверстий фильтра, К вЂ” коэффициент межслойности, К „ — коэффициент неоднородности гравия, Средний диаметр частиц гравия 8 выбирается равным половине суммы среднего диаметра частиц песка продуктивного пласта, умноженного на коэффициент межслойности и размера отвер- 30 стий каркаса 3 фильтра. Затем определяют процент ситового отсева, после которого диаметр частиц гравия 8 соответствует среднему диаметру час" тиц песка продуктивного пласта, умноженному на коэффициент межслойности, и размеру отверстий каркаса 3 фильтра. Искомый процент ситового отсева определяется из условия необходимости равномерного перекрытия по- 40 верхности стенок скважины 1 и каркаса 3 фильтра частицами 8 фракций

Dw u D „ соответственно количеством слоеВ, определяемых из окатанности гравия 8 назначения скважины 1 и 4S условий эксплуатации. Количество слоев гравия, учитываемое коэффициентами надежности а и Ъ, выбирается от

3 до 10, исходя из необходимости исключения миграции через частицы 8 определенной фракции более мелких частиц. и t

Dc — (Эс — 2Kd) в — и 100ж, где а,Ь вЂ” коэффициенты надежности, Пс, D® — диаметры скважины и фильтровой колонны соответственно, а в процессе закачки в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и стенками скважины поддерживают градиент давления

6 1 г а аР 7gipD„archl (Q+UF)

36 Y((1+H)F-Ч) где 4 P — перепад давлений на фильтре;

r — расстояние между стенками скважины и каркасом фильтра, плотность жидкости-носителя;

1 — высота дополнительного фильтра, 1 — коэффициент сопротивления обтеканию частицы;

Q — производительность закачки, U — гидравлическая крупность частиц характерного диаметра D<, F — площадь кольцевого пространства между, каркасом фильтра и стенками скважины;

Н вЂ” высота гравийного фильтра от забоя до верхних отверстий каркаса основного фильтра

Ч вЂ” объем эакаченного на данный момент гравия.

Закачку гравия 8 выбранного фракционного состава осуществляют в нисходящем потоке через кольцевое пространство 9 скважины 1 или через специальный распределительный узел.

Скорости движения смеси в кольцевом пространстве 9 постепенно уменьшаются от максимальных значений в глухой части 10 над верхними отвер" стиями 7 каркаса дополнительного

5 1506 фильтра 4 до нуля у уровня уже намытого гравийного фильтра за счет перетекания жидкости через отверстия фильтров 4 и 3. За счет перетекания через фильтры 3 и 4 скорости движения нисходящего потока в кольцевом пространстве между фильтрами 3, 4 и вспомогательной колонной 5 воэрастают от минимальных значений у уровня верхних отверстий 7 фильтра 4 до максимальных значений у уровня уже намытого гравийного фильтра.

Средние скорости нисходящего потока в кольцевом пространстве 9 между 15 фильтрами 3 и 4 и вспомогательной колонной 5 выше, чем в кольцевом пространстве 9 между фильтрами 3 и 4 и стенками скважины 1.С учетом потерь напора в фильтрах 3 и 4 при перетекании 20 жидкости из кольцевого пространства

9 скважины 1 внутрь фильтров 3 и 4

4Р величину градиента давления в процессе закачки увеличивают от минимальных значений при Ч = 0 до 25 максимальных при Ч -Н F путем регулирования перепада давления в кольцевом пространстве, определяемом по формуле

087

Г

Fg =4 DgradPdS «DgradP, 5 где

Г< < fD V

O где

35

45

При попадании гравийных частиц 8 в зону влияния градиента давления 55 на них начинает действовать сила градиента давления, способствующая смещению частиц 8 от стенок скважины в направлении фильтров 3 и 4. Сила

1 - 1

d P =P (Ug Пуф) ьР где У вЂ” плотность жидкости-носителя, 0 — средняя скорость нисходящего.потока внутри фильтров 3 и 4.

П ф — средняя скорость нисходящего потока эа фильтрами 3 и 4.

Разница давлений в кольцевом пространстве 9 эа фильтрами 3 и 4 и внутри их обуславливает возникновение и поддержание между стенками скважины 1 и фильтрами 3 и 4 градиен" та давления, величина которого определяется иэ выражения

„-а

gradP = 2 У() -4

Э, — О® где Dc — диаметр скважины 1, D у — Hap ужный днаме т р филь тров . градиента давления определяется иэ выражения размер частицы гравия, площадь Мидд ел е в ог о с ечения частицы .

Сила сопротивления действует в направлении частиц от фильтров 3 и 4 к стенкам скважины 1 и определяется по формуле V — коэффициент сопротивления обтеканию; плотность жидкости-носителя;

Ч„ — скорость перемещения частицы в направлении фильтровой колонны 2.

Учитывая, что сила градиента давления Fp пропорциональна кубу диаметра частиц 8, а сила сопротивления их квадрату, можно утверждать, что с увеличением размера частиц 8 сила градиента давления растет быстрее, чем сила сопротивления. В этой связи, наиболее крупные частицы 8 гравия быстрее смещаются к поверхности

Фильтров 3 и 4, чем более мелкие.

Характер движения и распределения частиц 8 в поперечном сечении гравийного фильтра определяется уравнениями, полученными на основании решения дифференциальных уравнений движения частиц под влиянием сил градиента давления и сопротивления.

Расстояние, на которое частица 8 гравия сместится в направлении каркаса фильтра 3,4 за время движения от верхних отверстий 7 до уже намытого слоя гравия, определяемого из уравнения Риттингера, зависит от величины градиента давления, размера частицы, плотности гравия и жидкости-носителя. Регулирование характеристик расслоения гравия по фракциям в поперечном сечении гравийного фильтра 3 и 4 осуществляется в зависимости от конструкции скважины 1, гранулометрического состава песка и соответственс но частиц 8 гравия, коэффициента неод- нородности гравия, эа счет выбора рациональных скоростей движения нисходящего потока эа и внутри фильтров 3 и-4.

Регулирование скоростей потока за и внутри фильтров 3 и 4 может осущест1506087 п = (1-Ь

lOOX

=(1 5

) 100%

0,49 — 0,377 и 77%

D = =1 77

D t 30 мм; — 0,03657 кг/м с

m =4% вляться эа счет сужения площади живого сечения потока за и внутри фильтров 3 и 4.

Учитывая, что в начальный момент закачки при V = О время движения частиц 8 гравия в поле градиента давления,определяемое с учетом уравнения

Риттингера, максимальное, а в конечный момент закачки при соответствии у расчетным значениям — минимальное, то для поддержания постоянных характеристик фракционирования необходимо по мере намыва гравия 8 увеличивать градиент давления. Необходимое уве- !5 личение градиента давления обеспечивается путем увеличения разницы скоростей нисходящего потока за и внутри фильтров 3 и 4, определяемого иэ уравнения. 20

Пример . Скважина в интервале водоносного пласта, сложенного слабосцементированными песками со средним размером частиц d = О,l мм, расширена под гравийную обсыпку до диаметра

490 мм. С учетом заданных режимов эксплуатации диаметр расширения соответствует зоне возникновения турбулиэации потока, а каркас фильтра диаметром 377 мм имеет ширину щели 3 мм.

Средний размер гравия выбирается из условия

D = Kd = 4 0,1 = 0,4 мм, Ке, = 7,5.

Эксперименты показали, что задержание более мелких частиц обеспечивается при заданных режимах эксплуатации и окатанности гравия при 4-5 слоях гравия одного размера. На ос45 новании этого значения коэффициентов надежности были приняты равными пяти.

Процент ситового отсева, после которого размер частиц гравия соответствует среднему размеру частиц водоносного пласта, определяем .из формулы

t 2

D — (D -2Kd)

= а 100%

D1Р

0,49 †(0,49-2 4 0,0001)

0,19 -О, 377

Процент ситового отсева, после которого размер частиц гравия соответствует размеру отверстий фильтра, определяем из формулы (2 ) На основании полученного

D Kd 40,1 =04мм,0 е

3,0

= 3 мм, К = = 7,5

0,4

В скважину устанавливают фильтровую колонну с каркасом фильтра. На высоте 0,5 м над верхними отверстиями фильтра устанавливают дополнительный проволочный фильтр длиной 0,5 м.

Закачку гравийной смеси осуществляют в нисходящем потоке.

Расчеты по формуле. Риттингера с учетом скорости движения смеси показали, что движение частиц гравия крупностью 3 мм от верхних отверстий дополнительного фильтра до нижних отверстий основного фильтра происходит в течение 30 с, а до верхних отверстий основного фильтра — в течение 2 с. Частицы крупностью 3 мм в процессе закачки должны преодолеть среднее расстояние в плоскости, пер0 49-0 377 пеилииулярипй сса сиваиииы -е ††-—

= 0,0565 м в начальный момент закачки за 30 с, ;. в конечный момент — за

2 с.

Градиент давления, при котором частица крупностью 3 мм смещает на

0,0565 м за 30 с определяется иэ выражения

gradP„= и arch 1.

«i p D» z бгr

Эбчс л0

1МК< )т

<< 1000 0уОО3 g О 6 Оу0565

Зб ° 0,1 ° 302 .У ° О, 003

Определение начального минимального градиента давления осуществляется графическим путем при анализе графиков на фиг. 4.

1506087

0-2 с УзфЕ 1зфн „.- 01;

30 с U yaP,26 — 4

8,275 м1 сг

Учитывая, что градиент давления в

15 кольцевом пространстве скважины определяется разницей скоростей движения нисходящего потока внутри фильтровой колонны и снаружи, получаем необходимую разницу скоростей движения потока эа и внутри фильтровой колонны, при которой поддерживаются градиенты давления в кольцевом пространстве скважины gradP „„ и gradP„„

Для установления в кольцевом пространстве скважины градиента давления

gradP необходима разница средмььн них скоростей движения нисходящего потока за и внутри фильтра

D

Ь Нфь 1 алке

О 02

0,26 ™, 35 м

U» = 0,13 —,, = 0,177 м и максимальным диаметром у верхних

40 отверстий основного фильтра

Uy„

О,13072 —, Uфмл„= 0,26143— с

= 0,180 м.

Качество соружения фильтра проверяют. Для чего в скважине устанав50 ливают специальные контрольные устройства — пробоотборники, установленные у нижних, верхних отверстий каркаса основного фильтра и в середине каркаса основного фильтра. Остатки гравийной обсыпки удаляют промывкой. Контрольные устройства обеспечивают отбор фракционного состава гравия из интервалов: каркас фильтра P 377 мм — Р 415 мм ф 415 мм—

Цф ы

Градиент давления, при котором частица крупностью 3 мм смещается на 0,0565 м за 2 с, определяется аналогично и составляет

gradF = arch 1 УD г 6 г макс 36 / 1а с Г 0„

ii!000 0,003 6 О,1 0,0565 — Я вЂ”вЂ” нл«с О, 785 (D< — D+) 0,785(0,49 - 0,377K) Для установления в кольцевом пространстве скважины градиента давления gradP gggc необходима разница средних скоростей движения нисходящего потока за и внутри фильтра.

0,1300032 †; Uq „ = 0,2600064—

Таким образом, средние скорости по. тока за и внутри фильтра должны иэменяться в процессе закачки согласно условиям

Бз Е(0,26 —; 01 (О ь U tp „a ac< ) у

У, СРО; 0,26143 -) р

° a

Бф 6 (О; О, 2600064

Учитывая, что средняя скорость движения нисходящего потока внутри фильтра определяется скоростью потока внутри фильтра на уровне поверхности уже намытого гравийного фильтра, а та в свою очередь зависит от площади сечения нисходящего потока, можно утверждать, что заданное изменение скоростей потока внутри фильтра обеспечивается sa счет установки внутри фильтровой колонны вспомогательной колонны в виде усеченного конуса с минимальным диаметром у нижних отверстий основного фильтра

1506087

ЬР

gradP

36Ч ((1 + Н) t и КЯ

40 где D, D

Он

К

К н а mX и n7.— ляют по форм ф 452 мм, ф 452 — стенки скважины ф 490 мм, Анализ проб показывает постепенное уменьшение размера частиц гравия в фильтре от каркаса фильтра

5 в направлении стенок скважины.

Данные анализа показаны в таблице.

После проведения анализа гранулометрического состава проб, на основании которого устанавливают удовлет— ворительное качество фракционирования частиц в поперечном сечении кольцевого устройства, скважину сдают в эксплуатацию практически без освоения.

15 формул а изобретения

Способ сооружения гравийного

20 фильтра в скважине, заключающийся в предварительном определении гранулометрического состава песка продуктив -, ного пласта и последующем спуске в скважину фильтровой колонны с каркасом фильтра с отверстиями и размещенным над ними дополнительным фильтром вспомогательной колонны, герметизации кольцевого пространства между вспомогательной и фильтровой колоннами и закачку гравия в нисходящем потоке, отличающийся тем, что, с целью повышения качества соружаемого фильтра, перед закачкой гравия определяют его состав по следующим формулам: 35

K8+t

D — ; D = Kd, диаметры частиц гравия, с оотвстствующие 50Х-ному т7- и пХ-ному ситовому отсеву;

45 средний диаметр частиц песка продуктивного пласта; размер отверстий фильтра, 50 коэффициент межслойности; коэффициент неоднородности гравия, ный ситовый отсев опредеъ л с,- 2.

Dc — (Пс -2Kd) — Р, 0, 100Z, ф (О +2,) — П .. п,-ю >* ) где а и Ь вЂ” коэффициенты надежности;

D< и D — диаметры скважины и фильтровой колонны соответственно, причем в процессе закачки гравия в кольцевом пространстве скважины между каркасом фильтра и стенками скважи-.

mi поддерживают градиент давления, который выбирают из выражения

6Чг зфD„arch 1 — (Q+UF )

Ъ О» где а P перепад давлении на фильтре, r — расстояние между каркасом фильтра и стенками скважины, У вЂ” плотность ж.едкости-носителя, 1 — высота допопнительного фильтра;

Ч вЂ” коэффициент сопротивления обтеканию частицы, — производительность закачки, U — гидравлическая крупность састиц характерного диаметра Р„;

F — площадь кольцевого пространства между каркасом фильтра и стенками скважины, Н вЂ” высота гравийного фильтра от забоя до верхних отверстий каркаса фильтра; У вЂ” объем закаченного на данный момент гравия, а величину градиента давления в процес" се закачки увеличивают от минимальных значений при 7 0 до максимальных значений при J Н F путем регулирования перепада давлений на фильтре, определяемого по формуле

AP = J(Uy — U ) — 6P > где U и U> — средняя скорость нин т сходящего потока внутри и эа фильтромкаркасом, 4 P — потери напора в каркасе фильтра.

l506087

Положение пробоотборника

1,5

0,9

2,0

0,8

l,5

2,l

2,2!,5

0,7

Уиг.1

Отбор пробы у нижних отверстий каркаса фильтра

Отбор пробы в середине каркаса фильтра

Отбор пробы у верхних отверстий фильтра

Средний разрез гравия в пробах, мм, при интервале кольцевого пространства, м

0,377-0,415 0,415-0,452 0,452-0,490

1506087

Vx. г

ОЯ р s

005

001

0 0001 0,0И 0,006

Уие, Ю

001 CII фиг.й

Х Ю

0,01 Я, (ЭЦ

О $001 ООО

ЛООС

Фца+

Составитель Е. Молчанова

Техред М.Дидык Корректор B. Кабаций

Редактор Г. Волкова

Заказ 540I/32

Тираж 514

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/S

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101