Повышение эффективности заканчивания скважины при использовании забойных фильтров на месторождении с высоковязкой нефтью, эксплуатируемом в термоциклическом режиме

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов. Изложены основные положения, выносимые на защиту, приводится список публикаций и сведения об апробации работы.
В первой главе проанализированы последствии пескопроявлений и рассмотрены методы борьбы с ними и, в том числе, особенности фильтрации в условиях дренирования коллектора в термоциклическом режиме с высоковязкой нефтью.
Методам борьбы с пескопроявлением посвящено большое колич ество научно-исследовательских работ, как в российской, так и в зарубежной печати. При выполнении диссертации были использованы исследования ряда российских (Башкатова А.Д., Бахтизина Р.Н., Бабазаде Э.М., Бондаренко В.А., Г Гаврилко В.М., Ефимова Н.Н., Крылова В.И., Лихушина А.М., Магадовой Л.А., Петухова А.В., Рябцева П.Л., Савенок О.В. Смольникова Р.Н., Сюзева О.Б., Тананыхина Д.С., Чичерова Л. Г., Штурн Л.В ), и зарубежных ученых (Сьюмен Д, Эллис Р, Снайдер Р, Karakas M., Hawkins M., Furui K., Arbabi S., Livescu S., Mabaraj G., Toma P., Livesey D., Liang Q.J., Dong C.Y., Li X.B., в том числе специалистов КНР Дун Чанъинь, Ли Юбао, Ван Цзюнь, Ма Цзэнхуа, Сунь Юнтао, Линь Тао Ван Сюэфэй, Ян Шуянь, Чжао Ци, Фу Чаоян, Ян Сюлань).
Известно, что слабосцементированные песчаники в процессе отбора пластовых флюидов теряют устойчивость из-за вымывания твёрдой фазы и перераспределения нагрузок на породу (Coberly CJ 1937 г, Башкатов Д.Н. 1976). Последствия этого явления многообразны: разрушение пласта-коллектора как в призабойной зоне, так и вдали от скважины; кольматация и разрушение фильтров; образование локальных каналов фильтрации в ПЗП, повышающих интенсивность выноса твёрдой фазы; эрозионный и коррозионный износ подземного и наземного оборудования скважин; и другие затруднения (Бондаренко В.А, Савенок О.В. 2014).
В практике нефтегазодобычи широко распространены механические методы защиты коллектора и забойного оборудования с использованием фильтров различных конструкций. (Гаврилко В.М., Алексеев В.С. 1976) Основные требования, предъявляемые к фильтрам – обеспечение высокой производительности и эффективность задержания песка, при достаточной механической прочности и устойчивости в условиях коррозионной и эрозионной нагрузки (Штурн Л.В.2010).
При добыче высоковязкой нефти в термоциклическом режиме проблемы пескозадержания усугубляются проблемами, связанными с термонагрузками, эрозией и коррозией фильтров. Только в 2020 году на месторождении Шэнли (Китай) из-за повреждения фильтров было произведено более 1700 ремонтов. К прямым затратам на ремонт необходимо добавить снижение продуктивности скважин из-за фильтрационных сопротивлений потоку пластовых флюидов в элементах конструкции многослойных фильтров.
Решение комплекса проблем применения фильтров при добыче высоковязкой нефти в термоциклическом режиме, включает:
 повышение гидродинамического совершенства забойных фильтров;
 эффективное задержание твёрдой фазы;
 противостояние эрозионному и коррозионному воздействию.
Термоциклический режим работы, эрозия и коррозия от нагнетаемых агрессивных сред приводит сокращению срока службы фильтра. На основе анализа технологий и методов управления пескопроявлениямии при добыче высоковязкой нефти в термоциклическом режиме сформулированы основные задачи исследования для решения цели диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются различные способы заканчивания скважин в неустойчивых пескопроявляющих коллекторах и основные признаки эффективной работы забойных фильтрующих систем.
Исследование условий дренирования неустойчивых коллекторов с высоковязкой нефтью в горизонтальном стволе показывает, что предпочтение отдаётся варианту, когда после спуска и цементирования обсадной колонны, спущенной в кровлю коллектора, в продуктивном пласте устанавливается фильтр-хвостовик. К достоинствам этого способа заканчивания скважин относится отсутствие загрязнения пласта при цементировании и перфорации; возможность использования щадящих технологий вскрытия коллектора бурением; максимальная поверхность дренирования пласта.
Основными критериями, характеризующими эффективность фильтрующей системы, является способность задерживать основную массу песка при относительно не больших перепадах давления на фильтре, т.е. с минимальными фильтрационными потерями при фильтрации пластовых флюидов.
Механизм пескозадержания фильтрующей системой предполагает, что, для избежания самозакупорки пристенных участков коллектора (суффозии), наиболее мелкие частицы могут проникать через фильтр с потоком флюида в скважину, а на внешней поверхности фильтра формируется так называемый
«мост» из крупных гранул песка. Размер песка, который образует мост, зависит от размеров и конфигурации фильтрующих отверстий фильтра. (Башкатов А.Д. 2003 г.) Фильтр должен задерживать 70-80% (по массе) крупных частиц породы пласта и пропускать мелкие частицы (не более 20-30%). При этом условии будет сохранена устойчивость скелета пласта (Пятахин М.В.2004г.).
Для изучения эффективности пескозадержания фильтрами при дренировании коллектора с высоковязкой нефтью в термоциклическом режиме проведены: аналитические и экспериментальные исследования процесса пескозадержания; произведена оценка гидродинамических потерь на фильтре; оценены термические напряжения, эрозионная и коррозионная стойкости фильтров.
Экспериментальная установка для анализа эффективности использования фильтров на месторождениях с высоковязкой нефтью была с нашим участием смонтирована в научно-исследовательском институте разработки и разведки компании «Нефтяное месторождение Шэнли» корпорации Sinopec (рис. 1).
Рисунок 1 – Принципиальная схема экспериментальной установки исследования процесса пескозадержания.
1-насос, 2-кран, 3-дебитомер, 4-датчик давления на входе, 5-фильтрационная камера, 6-датчик давления на выходе, 7-шейкер, 8-ёмкость, 9-смеситель, 10-система сбора данных, 11-компютер, 12-набивка гравия, 13-кольцевое пространство, 14-заглушка, 15-исследуемый
фильтр.
Установка включает систему циркуляции песчаной суспензии (насос, трубопроводы, смеситель, фильтрационная камера) и систему сбора и обработки данных (расходомер, датчики давления, компьютерное обеспечение).
Состав песчаной суспензии, используемой в эксперименте, соответствовал составу потока, выносимого из рыхлых и слабоцементированых песчаников продуктивного пласта блока Тайпин месторождения Шэнли. Размеры частиц гравия в набивке 12 (рис. 1) подбирались по усреднённом у

гранулометрическому составу, так, чтобы обеспечить беспрепятственный вынос основных фракций суспензии песка (Съюмен Д., Эллис Р., Снайдер Р. 1958 г.). Суспензия в загущенной воде готовилась в смесителе (9) и насосом (1) закачивалась в фильтрационную камеру 5 через набивку крупного гравия (12) и фильтрующий основных
Основная масса песка из суспензии задерживалась на внешней поверхности фильтра, а мелкие фракции песка вместе с водой проходили через фильтрующую систему и собирались в ёмкости (8). Шейкер (7) не допускал скопления песка, прошедшего через систему фильтрации, на выходе. С учётом рекомендаций (Coberly CJ 1937 г) для исследуемой суспензии, содержащей 10% крупных частиц распределения по размерам, использованы фильтры с точностью фильтрации 150 μм. Максимальный диаметр частиц песка после фильтра определяется лазерным анализатором.
В эксперименте были протестированы четыре типа фильтров, используемых на месторождении Шэнли (таблица 1). Их фильтрующие элементы показаны на рисунке 2.
Таблица 1 – Четыре фильтра, используемые на месторождении Шэнли
Номер образца 1
4
Называние фильтра
Металоволоконный фильтр Проволочный фильтр
Сетчатый фильтр
Точность фильтрации 150 мкм 150 мкм
150 мкм
Тип фильтрующего элемента
MeshRite Проволочная обмотка
Два слоя сетки галунного плетения с мелкими ячейками
3
Многослойный фильтр
150 мкм
Два слоя сетки галунного плетения и два слоя сетки c квадратными ячейками
Рисунок 2 – Фильтрующие элементы, используемые в забойных фильтрах.
Металоволоконный фильтр изготовлен из волокна нержавеющей стали, навитого вокруг основной трубы с контролируемой плотностью навивки и степенью сжатия (точность фильтрации). Фильтрующий элемент проволочного фильтра представляет навивку из профилированной проволоки. Сетчатый фильтр и многослойный фильтр (МФ) используют сетку из нержавеющей стали в качестве фильтрующего элемента. Разница между ними заключается в том, что фильтрующий материал сетчатого фильтра представляет собой два слоя сетки галунного плетения с мелкими ячейками, тогда как фильтрующая среда многослойного фильтра МФ имеет кроме двух слоев сетки галунного пленения представляет собой два слоя сетки с квадратными ячейкам. Наиб олее рациональным использованием сетки с квадратными ячейками (ГОСТ 2826-82) является задержание среднезернистого песка. В отличие от сетки с квадратными ячейками сетка галунного плетения (ГОСТ 3187-76) не имеет просветов между нитями ячеек (нулевые ячейки). Такая плотность плетения повышает уровень точности фильтрации.
Для оценки эффективности работы фильтра использовали следующие показатели:
Показатель задержания песка:
IS = ms, (1) mt
где ms – масса песка, проходящего через фильтр, г; mt – масса песка в фильтруемой суспензии перед началом эксперимента, г. Минимальное значение Is характеризует хорошее задержание песка фильтром, максимальное – отсутствие способности удерживать песок.
Показатель гидродинамических потерь в фильтрационной системе (песчаный мост + фильтр):
Сп = Pс⁄Pу, (2) где Сп – коэффициент гидродинамических потерь, д.е.; Pс – перепад давления на фильтре при фильтрации без твёрдой фазы, МПа. Py – перепад
давления на фильтре при установившийся фильтрации суспензии, МПа. Проницаемость фильтрующей системы:
где k – проницаемость фильтра и песчаного слоя, м2; Q – производительность насоса, м3/ч; μ – вязкость жидкости, Па·с; Re – внутренний радиус гравийной набивки, м; Rw – внутренний радиус фильтра, м; h – высота эффективной фильтрующей части фильтра, м; Pe – давление на входе реактора, МПа; Pw – давление на выходе реактора, МПа.
QμlnRe
k= Rw , (3) 2πh(Pe−Pw)

Полученные значения показателя задержания песка Is для образцов 1, 2, 3 и 4. приведены на рисунке 3.
0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
150 130 110 90 70 50 30 10 -10
образец 1
Коэффициент песко-задержания
образец 2
максимальный диаметр частиц песка, проходящего чарез фильтра
образец 3
образец 4
Рисунок 3 – Показатель задержания песка Is и максимальный размер частиц песка, проходящих через исследуемые фильтры.
Проволочный фильтр (образец 2) с наихудшим значением коэффициентом Is = 0,39. Метало волоконный и сетчатый фильтры (образцы 1 и 4 соответственно) имеют относительно лучшие показатели Is. Результаты показывают, что разные типы фильтров с точностью фильтрации 150μм и однотипными условиями фильтрации имеют различные значения критериев эффективность задержания песка, т.е. тип фильтра влияет на формирование фильтрационной структуры системы песчаный слой – фильтр.
Задержанный песок формирует на поверхности фильтра проницаемый слой, свойства которого зависят от гранулометрического состава песка в суспензии, параметров фильтрующего элемента и гидродинамического режима фильтрации. Перепад давления на фильтре по мере уплотнения песчаного слоя на наружной поверхности фильтра стабилизируется. Чем выше перепад давления, тем выше гидродинамические потери в фильтрующем элементе (рис. 4).
Изменение проницаемости указывает на засорение фильтра и формирование песчаного слоя на внешней поверхности фильтра (рис. 5).
Из рисунка 5 следует, что продолжительность и стабилизация проницаемости фильтрующей системы коррелируется с перепадами давления в процессе её формирования, но не согласуется с лучшими показателями пескозадержания Is фильтрами.
Коэффициент песко-задержания,%
максимальный размер частиц песка, μм
0,3 0,2 0,1
0 5 10 15 20 25 30
время, мин Образец 1 Образец 2 Образец 3
300
200
100
50 0
0 5 10 15 20 25 30
время, мин Образец 1 Образец 2
Образец 3 Образец 4
Рисунок 4 – Перепад давления на исследуемых фильтрах
Рисунок 5 – Изменение проницаемости в четырех образцах фильтров в процессе фильтрации суспензии.
Чтобы сопоставить фильтрующую способность исследуемых фильтров, использованы безразмерные критерии эффективности формирующейся фильтрующей системы:
 фильтрующей способности фильтра Ik = ks , где, Ik – критерий ksmax
проницаемости фильтрующей системы, д.е.; ks – установившаяся проницаемость после стабилизации её величины, м2; ksmax – максимальное значение стабилизированной проницаемости среди сравниваемых фильтров, м2.
 эффективность задержания песка различными фильтрующими элементами Ib = Ismin , где Ib критерий эффективности задержания песка,
максимальное значение которого равное 1 и соответствует фильтру с наилучшим критерием Is , Ismin – минимальное значение коэффициента задержания песка у одного из исследуемых фильтров. Таким образом, чем меньше Ib, тем хуже способность задержания песка.
Чтобы сравнивать гидродинамические потери различных фильтров, использовался критерий Iп = Cп , где Спmax – Максимальное значение
коэффициента гидродинамических потерь в сопоставляемых фильтрах, МПа; максимальное значение Iп=1 соответствует фильтру с наилучшим гидродинамическим показателем среди исследуемых фильтров.
Сопоставляя критерии Iп, Ik и Ib фильтров можно оценить наиболее эффективный из них (рис. 6).
Is
Cпmax
Перепад давления, МПа
Проницаемость, мД
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
образец 1
образец 2
образец 3 проницаемая способность
гидродинамический показатель песко-задержанная способность
образец 4
Рисунок 6 – Сравнение критериев эффективности формирующейся фильтрующей системы
Сопоставление у исследованных фильтров способности задержания песка (Ib), проницаемости формирующейся фильтрующей системы (Ik) и гидродинамических потерь (Iп) не дают однозначных выводов. Использование фильтрующих элементов образцов 2, 3 и 4 типов может уменьшить перепад гидродинамического давления на фильтре, обеспечивая приемлемую степень задержания песка. Метало-волоконный фильтр (образец 1), имея хорошую способность задерживать песок, быстро снижает свою проницаемость за счёт засорения фильтра. Относительно хорошие результаты получены для МФ за счёт формирования оптимальной структуры песчаного слоя на поверхности фильтра (два слоя сетки с квадратными ячейками и два слоя сетки галунного плетения), т.к. диаметры ячеек каждого слоя сетки соответствующим образом подобраны.
Одним из факторов, влияющих на эффективность фильтрующей системы, является слой из задержанного фильтром песка, который формирует на поверхности фильтра проницаемую структуру, через которую фильтруется суспензия. Проницаемость фильтрующей системы постепенно снижается из-за песчаного слоя на наружной поверхности фильтра. Существует много факторов, которые влияют на свойства песчаного слоя (гидродинамический режим, гранулометрический состав суспензии, конструкция фильтра и другие). При исследовании различных типов фильтров с одинаковой точностью фильтрации и однотипными условиями фильтрации важное значение приобретает гидродинамическая характеристика песчаного слоя на наружной поверхности фильтра. Т.к. начальная проницаемость в эксперименте зависит только от типа фильтра без учета влияния песочного слоя, то снижение проницаемости фильтрующей системы происходит из-за уплотнения песчаного слоя на
наружной поверхности фильтра и, в конце концов, стабилизируется при относительно установившемся режиме фильтрации.
Гидродинамические потери, вызванные слоем песка, могут быть оценены скин-фактором S:
S = (Pe−Pw)2πhk − ln Re . (4) Qμ Rw
Изменение скин-фактора песочного слоя в процессе формирования при фильтрации песчаной суспензии показывается на рисунке 7.
12 10 8 6 4 2
-20 5 10 15 20 25 30
время, мин
Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4
Рисунок 7 – Изменения скин-фактора песчаного слоя в процессе формирования при фильтрации песчаной суспензии
Cкин-фактор S металоволоконного фильтра (образец 1) увеличивается в процессе формирования песчаного слоя быстрее всего. В проволочном фильтре (образец 2) за счёт V-образных щелей установившийся режим наступает позднее и скин-фактор стабилизируется при невысоком значении. Сравнение песочных слоёв, сформированных на поверхности сетчатого фильтра (образец 4) и с песочным слоем на внешней поверхности МФ (образец 3), показывает, что слой песка на внешней поверхности МФ имеет более низкий скин-фактор и, следовательно, лучшие гидродинамические характеристики.
Исследование влияния высоковязкой углеводородной жидкости на эффективность фильтрации проводилось с суспензией песка в тяжелой нефти, которая готовилась с концентрацией песка характерной для выносимой из продуктивного коллектора и углеводородной фазы (нефть вязкостью 2989мПа·с) для месторождения Шэнли. Суспензия песка в нефти готовилась в смесителе, и закачивалась насосом в фильтрационную камеру через фильтрующий элемент. Давление повышалось до стабилизации, после чего поддерживалось на достигнутом уровне. Результат эксперимента показывает, многослойный фильтр
скин-фактор слоя песка на фильтре
больше всего подходит для использования в рыхлых песчаников блока Тайпин, т.к. обеспечивает больший объём отфильтрованной нефти (табл. 2).
1 2 3
многослойный фильтр 120 проволочный фильтр 120 металловолоконный 120
фильтр
щелевой фиильтр 120
32,65 5,93 0,18 29,73 4,51 0,15
11,25 1,12 0,1 29,14 5.3 0,18
Таблица 2 – Объём отфильтрованной углеводородной фазы и содержание песка на выходе в зависимости от типа фильтра.
Noо бра зца
Тип фильтра
время, мин
Объём отфильтрованной
нефти, 1000 см3
Масса песка на выходе из установки, г
Содержани е песка на выходе,
г/1000см3
Сравнение фильтров с учетом безразмерных критериев, отражающих уровень пескозадержания, гидрадинамического показателя и проницамости фильтрующей системы со сформированным слоем песка на внешней поверхности фильтра, а также производительности по фильтрации с высоковязкой нефтью, указывает на то, что наилучшие результаты показывают МФ и проволочный фильтры. МФ станет лучшим выбором для блока Тайпин, поскольку он дешевле проволочного фильтра.
По итогам проведенного анализа были сделаны выводы:
1. При выборе фильтрующей системы для эффективного задержания песка определённого гранулометрического состава необходимо учитывать не только способность задерживать песок, но и проницаемость песчаного слоя на поверхности фильтра и перепад давления на фильтре.
2. Песчаный слой на поверхности фильтра и комплекс многослойной сетки обеспечивает высокий уровень пескозадержания и гидродинамического совершенства, при этом наиболее мелкие частицы, не влияющие существенно на процесс добычи тяжёлой нефти могут проникать через фильтрующей системы с потоком флюида.
В третьей главе исследовано влияние агрессивной среды на забойные фильтры.
Существуют проблемы с практическим применением НКТ и забойных фильтров при добыче высоковязкой нефти в термоциклическом режиме, т.к. их деформация и коррозия провоцируются термоциклическим режимом закачки
многокомпонентных систем с углекислым газом. В оксидных пленках в условиях растяжения образуются трещины, в которых происходят коррозионные поражения металла (называемые коррозией под напряжением). Когда напряжение в корродированном участке превышает предел текучести трубы происходит её деформация.
Факторы, влияющие на степень коррозии трубы, помимо температуры связаны с парциальным давлением агрессивных газов, составом и частотой обработок ПЗП. Основными источниками коррозионного воздействия на месторождении Шэнли являются CO2 (углекислота) и, в меньшей степени, H2S (сероводород). Наблюдения показали, что коррозионные дефекты из -за коррозии CO2 имеют большие радиусы и меньшую глубину. Коррозионные дефекты, вызванные H2S, наоборот – радиус коррозионного дефекта мал, а глубина глубокая (Zhao Xinwei, Luo Jinheng, Lu Minxu, 2001 г.).
По данным Ван Цзюнь (2017г) после 15-20 месяцев пребывания в коррозионной среде минимальная толщина трубы НКТ диаметром 89 мм составляет 2,98 мм; максимальная глубина коррозионного дефекта составляет 3,55 мм, что составляет 54% от теоретической толщины (6,45 мм). Срок службы выбранных НКТ и забойных фильтров составляет от 15 до 20 месяцев.
Для удобства анализа напряжений при моделировании влияния коррозионных дефектов на прочностные характеристики трубы на разных глубинах форма коррозионного дефекта принималась в виде сферы с основанием круглой формы. Обработка данных деформации НКТ, зарегистрированных датчиками деформации на внешней поверхности трубы (Cui Xuming, He Fujun, Luo Min, 2003 г.), проводилась с помощью программы ANSYS, в результате смоделированы значения напряжений в зависимости коррозионных дефектов труб на разных глубинах (рис. 8).
На основе данных расчёта с помощью программы ANSYS установлены диапазоны использования марок стали в зависимости от глубины коррозионного дефекта (рис. 9).
В Китае центральная трубка большинства фильтров изготавливается из стали марки N80 или P110 (по стандарту API Spec 5CT-2018). Минимальный предел текучести стали марки N80 составляется 440 МПа. А минимальный предел текучести стали марки P110 – 610 МПа.
Анализы показывают, что стали марки N80 при глубине коррозионных дефектов, превышающих 3,15 мм, не подходят для центральной трубы фильтра и в этих условиях следует использовать марку стали Р110 (рис. 9).
Рисунок 8 – Фрагменты диаграмм программы ANSYS, иллюстрирующие
распределение напряжений вокруг коррозионного дефекта.
Рисунок 9 – Выбор марки стали в зависимости от глубины коррозионного дефекта
650 600 550 500 450 400 350 300
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7
Глубина коррозионного дефекта, мм
Максимальное напряжение фильтра, МПа
Предел текучести N80, МПа Предел текучести P110, МПа
На нефтяном месторождении Шэнли наблюдаются два типа коррозионных повреждений фильтра: 1 Повреждение центральной трубы фильтра из -за коррозии; 2 Повреждение фильтрующего материала фильтра из-за эрозии и коррозии.
Эрозионная и коррозионная стойкость фильтрующих материалов на месторождении Шэнли изучались с нашим участием на экспериментальной установке (рис. 10), собранной в научно-исследовательском институте корпорации Sinopeс в городе Дунь Ина.
Рисунок 10 – Схема экспериментального оборудования для изучения эрозионной и коррозионной стойкости материала сетки фильтра.
Образцы, установленные на поворотном столе
Напряжение,МПа
Экспериментальное установка состоит из реактора, системы формирования коррозионноактивной среды, системы создания и контроля температуры, системы вращения образца сетки фильтра. Во время эксперимента при моделировании эрозионного и эрозионно-коррозионное воздействия на образцы фильтра стол вращается. Образцы фильтров и реактор после подготовки устанавливаются на поворотный стол и после удаления воздуха из реактора увеличивается температура и давление. Уровень парциального давления кислорода и парциального давления диоксида углерода поддерживается в пределах заданных значений. В жидкость, используемую в эксперименте, в случае исследования эрозии вводился кварцевый песок. Скорость потока 2 м/с, продолжительность эксперимента 120 часов.
Установлено, что нержавеющие стали AISI-316L (российский аналог по ГОСТ – 03Х17Н14М3) и AISI-434 (российский аналог по ГОСТ 12Х17М) обладают хорошей коррозионной стойкостью и прочностью.
Основными факторами, влияющими на коррозию центральной трубы фильтра, являются состав среды, температура и парциальное давление коррозионно-активных газов. Установлено, что, когда температура составляет от 80 ° C до 150°C, продуктом коррозии является рыхлые кристаллы FeCO3, и из-за накопления продуктов коррозии скорость коррозии возрастает и образуются более глубокие коррозионные дефекты. Наличие кварцевого песка в жидкости в условиях эксперимента увеличивает скорость коррозии.
Исследования образцов фильтра MeshRite из нержавеющей стали 434 и сетки из нержавеющей стали 316L в эрозия-коррозионных условиях показали, что сетка имеет хорошую коррозионную стойкость, коррозионная стойкость MeshRite недостаточна. Для материала MeshRite степень повреждения увеличивается в 75 раз по сравнению с условиями эрозии, а также увеличивается на 53% по сравнению с условиями коррозии (табл. 3).
Таблица 3 – Скорость повреждения фильтрующих материалов
Условия эксперимента
эрозия коррозия Эрозия – коррозия
Скорость повреждения, мм/год
MeshRite 0.0116
0.5772 0.8835
Сетка 0.0025 0.0034 0.005
В эрозионно-коррозионных условиях кварцевый песок в жидкости еще больше увеличивает скорость коррозии.
Морфология образцов и продуктов коррозии изучалась сканирующим электронным микроскопом (СЭМ).
После эксперимента явных повреждений на поверхности сетки не наблюдалось. Это показывает отличную эрозионную и коррозионную стойкость нержавеющей стали 316L.
В результате анализа данных эрозионного воздействия на фильтры определяется марка стали для центральной трубы и фильтрующих сеток фильтра (рис. 11).
Рисунок 11 – Выбор марки стали для центральной трубы и фильтрующих сеток фильтра в зависимости от условий коррозионной активности среды.
Одной из причин, затрудняющих добычу высоковязкой нефти в термоциклическом режиме при пескопроявлении, является деформация забойных фильтров. В промысловой практике удлинение фильтра при повышении температуры рассчитывается как для трубы НКТ, так и для термокомпенсаторов, которые равномерно размещаются по длине ствола.
Но так как внешний кожух, фильтровальная сетка и корпус фильтра изготовлены из разных материалов, то температурное удлинение фильтра необходимо рассчитывать с учётом различия температурных напряжений кожуха, фильтровальной сетки и корпуса.
Анализ термонапряжения между элементами конструкции фильтра проведён с учётом распределения температуры по стволу скважины. Предложено расстояния между местами установки термокомпенсаторов для защиты забойных фильтров на основании расчётов сокращать в интервалах с высокой температурой и увеличивать расстояние между термокомпенсаторами в низкотемпературных интервалах.
Моделирование показывает, что для скважины с горизонтальным участком протяженностью свыше 200 м максимальная погрешность достигает 36,51 м по

сравнению с старыми методами установки. Учёт взаимодействия напряжения между внешним кожухом, фильтровальной сеткой и корпусом позволяет избежать деформацию фильтра (рис.12)
Рисунок 12 – Местоположение компенсатора равномерно распределённой установки и рассчитанного с учётом взаимодействия напряжения между
внешним кожухом, фильтровальной сеткой и корпусом отстоящей в горизонтальной скважине.
Используя программное обеспечение Maple, рассчитано изменение точности фильтрации под действием теплового расширения.
По итогам проведенной работы были сделаны выводы:
1. На основе данных расчёта с помощью программы ANSYS установлены марки стали для забойных фильтров в зависимости от глубины коррозионного дефекта.
2. Экспериментально оценены факторы, влияющие на степень эрозионно-коррозионного износа забойного оборудования, включая температуру, парциальное давление агрессивных газов, наличия песка.
3. При расчётах термонапряжения многослойного фильтра, необходимо учитывать различия деформации корпуса и кожуха фильтра.
4. Фильтрующий материал деформируется при увеличении температуры, что приводит к изменению точности и скорости фильтрации.
В четвертой главе оптимизируется гидродинамические показатели МФ.
Многослойный фильтр (МФ) состоит из трех частей: корпуса с отверстиями, фильтровальной сетки из нержавеющей стали и внешнего кожуха

со щелями. Корпус с отверстиями представляет собой стальную перфорированную трубу. На поверхности трубы уложены два слоя сетки галунного плетения и два слоя сетки c квадратными ячейками. Поверхность фильтра покрыта защитным кожухом из перфорированного нержавеющего листа. Радиальный поток флюида из пласта в скважину уплотняется при прохождении через щели кожуха, распределяется по поверхности многослойной фильтровальной сетки, после чего проходит через отверстия в корпусе. На преодоление каждой из трёх ступеней пескозадержания расходуется давление, которое связано со скин-фактором для каждой конкретной структуры МФ.
Одна из наиболее важных причин потери давления при течении через кожух фильтра — конвергенция притока в околоскважинной зоне вокруг щелей кожуха (Крылов В.И., Рябцев П.Д. 2007г).
Основным фактором, влияющим на радиус зоны конвергенции, является количество щелей в поперечном сечении защитного кожуха и коэффициент λ, который равен отношению площади щелей к общей площади внешней поверхности кожуха. Связь проницаемости фильтрующего элемента со
скин-фактором
фильтровальной
увеличиваются.
поперечном сечении эффективно уменьшает скин-фактор центральной трубы (рис. 13).
очевидна, поэтому, к огда проницаемость промежуточной сетки снижается, то гидродинамические потери У величение радиуса отверстии и количества отверстий в
Рисунок 13 – Факторы, влияющие на скин-фактор корпуса МФ.
На основании полученных данных научно-исследовательский институт разработки и разведки ОАО SINOPEC оптимизировал конструкции МФ по следующим направлениям: 1. Увеличено количество щелей в поперечном
сечении защитного кожуха с 15 до 20. 2. Скорректировано осевое распределение щелей, что увеличило коэффициент λ с 0.33 до 0.45. 3. Увеличено количество отверстий в поперечном сечении центральной трубы с 6 до 8. После оптимизации МФ скин-фактор был снижен с 3,7 до 3,027.
В промысловых условиях МФ, модернизированный в соответствии с рекомендациями, показал расчётное значение дебита, подтвердив тем самым оптимизацию гидродинамики потока через фильтр.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. С помощью комплекса показателей эффективности задержания песка забойными фильтрами, учитывающего динамику уплотнения песка на внешней поверхности фильтра, послойные гидродинамические потери в элементах фильтра и устойчивость к эрозионному и коррозионному воздействию, установлена на примере месторождения Щэнли эффективность использования многослойного забойного фильтра для добычи тяжелой нефти при периодических термобарических воздействиях.
2. Обоснованы конструктивные параметры многослойного фильтра с минимальными гидродинамическими сопротивлениями потоку за счёт оптимизации проницаемости фильтрационной сетки, размеров и количества щелей, размеров и числа отверстий в корпусе многослойного фильтра.
3. Экспериментальные исследования работы многослойных фильтров в эрозионно-коррозионной среде показали, что:
– сетка фильтра, изготовленная из стали 316L, хорошо противостоит эрозионному и коррозионному воздействиям.
– материал MeshRite при хорошей эрозионной стойкости имеет низкую коррозионную стойкость, которая существенно снижается в эрозионно-коррозионных условиях из-за наличия в продукции кварцевого песка.
– ресурс работы металлических элементов забойных фильтров и труб на месторождении Шэнли при наличии в продукции H2S и CO2 можно увеличить, подбирая марку стали с учетом термобарических, коррозионных и эрозионных условия в скважине.
– расстояние между термокомпенсаторами с учётом различия деформации корпуса и кожуха фильтра должны сокращаться в интервале с высокой температурой и увеличиваться в низкотемпературном интервале.
– фильтрующий материал деформируется под воздействием теплового напряжения, что приводит к изменению точности и скорости фильтрации.