Технические науки/10. Горное дело

К.т.н. Ольховская В.А., к.г.-м.н. Песков А.В.

Самарский государственный технический университет, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН С ПОМОЩЬЮ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

В процессе эксплуатации нефтепромысловых объектов, как правило, наблюдаются повреждения и осложнения различного характера, приводящие к ухудшению технического состояния оборудования и наносящие значительный экономический ущерб. Полностью избежать осложнений при добыче, полагаясь на опыт разработки месторождений-аналогов, невозможно в силу уникальности геологических условий и многообразия технологий воздействия на пласты. Большинство проблем, которыми сопровождается извлечение нефти, удаётся диагностировать, лишь столкнувшись с их последствиями. К числу таких «видимых» последствий на месторождениях Самарской области относятся:

- накопление солевых комплексов в эксплуатационных колоннах скважин, в элементах глубинно-насосных установок и системах внутрипромыслового сбора и подготовки нефти;

- заклинивание, снижение наработки на отказ, а в отдельных случаях - спонтанное разрушение рабочих органов электроцентробежных насосов.

Статистическая оценка количества скважин с солеотложением, числа ремонтов и продолжительности межремонтного периода показала, что данная проблема не только актуальна, но и затрагивает экономические интересы недропользователей уже на ранних этапах освоения и эксплуатации месторождений. Залогом эффективного решения является экспериментальное обеспечение инженерного сопровождения работ по ликвидации и предупреждению осложнений в процессе добычи, которое может быть дополнено физическими методами, такими как:

кристаллооптический метод;

рентгенодифрактометрический метод;

метод спектрального анализа и, в частности, энергодисперсионного (ЭД) микроанализа.

Комплекс физических методов позволяет оперативно идентифицировать минералогический состав солевых отложений, а также диагностировать причины отказа глубинно-насосного оборудования на основе изучения структуры и состава конструкционного материала.

В течение ряда лет такие исследования проводились в Самарском государственном техническом университете. С помощью электронного микроскопа JEOL JSM-6390А получали изображения микроучастков поверхности анализируемых объектов, которые подвергались фрагментарному сканированию с целью определения концентрации элементов по интенсивности линий спектра вторичного квантового излучения. Для обработки результатов измерений использовался пакет программ SmileShot^TM системы ЭД-микроанализа. Одновременно на установке Thermo scientific ARL XtrA осуществлялся рентгенодифракционный анализ. По набору рефлексов дифракционного излучения и их интенсивности определялся минералогический состав тестируемых проб. Результаты расшифровывались с помощью картотеки ASTM, пакета программ X-Ray, Match.

В отношении исследованных образцов солевых отложений можно сказать, что все они характеризуются крайне несходным составом и разными причинами осадконакопления. Интересен в этой связи пример одной из скважин, эксплуатирующей продуктивные песчаники пласта Дк. На рисунке 1 даны изображения плотных осадков на внешней и внутренней поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ), извлечённых из скважины во время ремонта. Экспериментально установлено, что отложения внутри НКТ представлены главным образом гипсом CaSO₄ и ангидритом CaSO₄·2H₂O, тогда как осадок на внешней поверхности НКТ сформирован полифосфатными солями кальция и железа с примесью окислов железа.

Рис. 1. Комплексы отложений на внешней (а) и внутренней (б) поверхности насосно-компрессорных труб

Основная причина осадкообразования внутри НКТ - изменение химического состава попутной воды как в результате заводнения, так и в силу сложной гидрогеологической обстановки на месторождении.

Вода пласта Дк практически бессульфатна, но характеризуется высоким содержанием ионов кальция (свыше 30 г/л). В разные годы для поддержания пластового давления на объекте использовалась пресная и сточная вода, а также вода фаменского горизонта. Последняя отличается более высоким содержанием сульфат-ионов (до 1,5 г/л) и содержанием ионов кальция менее 5 г/л. Смешение рассолов, а также уменьшение общей минерализации в результате контакта пластовой воды с пресной способствуют выпадению гипса. Процесс активизируется при давлениях, близких к атмосферному, и температуре ниже 40 ^оС. Эти условия весьма близки к устьевым условиям исследуемой скважины.

Нельзя обойти вниманием и то обстоятельство, что в южной части месторождения непосредственно под эксплуатируемым пластом Дк залегает водонасыщенный пласт ДI, отделяемый от пласта Дк маломощной глинистой перемычкой. В исследуемой скважине нефтенасыщенная и водонасыщенная зоны разделены глинистой перемычкой толщиной 7 м и алевролитовой пачкой толщиной 3 м. Перед проведением на скважине операции по гидроразрыву пласта (ГРП) отмечался повышенный риск прорыва воды на глубине 2704 м. Качество цемента в заколонном пространстве интерпретировалось как «частичное и плохое» в интервале 2690-2710 м.м. Разность начального и текущего пластового давления составляла 11,5 МПа, что могло явиться причиной заколонных перетоков и увеличения обводнённости, в том числе, за счёт поступления воды из пласта ДI.

Заметим, что такая ситуация характерна и для других скважин, эксплуатирующих пласт Дк и подвергавшихся ГРП. Если принять во внимание сложную тектоническую обстановку, в условиях которой формировались нефтяные залежи на месторождении, то можно предположить, что в настоящее время в добывающие скважины теми или иными путями поступает вода пласта ДI, чему способствует система естественных и искусственных трещин. Эта вода также характеризуется повышенным содержанием ионов кальция и влияет на солевое равновесие.

Для профилактики осадконакопления в затрубное пространство скважины долгое время дозировался ингибитор солеотложений, представляющий собой фосфорорганический комплексон в водно-метанольной среде. Преобладание фосфора в характеристическом ЭД-спектре позволяет утверждать, что осадок на внешней поверхности НКТ представляет собой побочный продукт дозирования реагента и является результатом адсорбции. Дифрактограмма образца отложений приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Дифрактограмма образца отложений на внешней поверхности НКТ

Сопоставление пиков на дифрактограмме с данными из рентгенометрической картотеки показало, что большая часть спектра соответствует соединению Fe₃(PO₄)₂. Межплоскостные расстояния линий на дифрактограмме имеют несколько меньшее значение по сравнению с тем, которое могло быть обусловлено влиянием погрешностей съёмки. Возможно, это связано с изоморфизмом  в исследуемом соединении. На основании сопоставимости большинства линий дифрактограммы и эталонного соединения Fe₃(PO₄)₂ можно допустить близость кристаллической структуры исследуемого образца к железосодержащим фосфатным минералам – солям, производным ортофосфорной кислоты.

Таким образом, наиболее вероятно следующее. Как большинство аналогичных композиций, применяемый ингибирующий препарат, видимо, содержит некоторое количество конденсированных полифосфатов. При высоких температурах в водных растворах протекает гидролиз полифосфатов, в результате образуются ортофосфаты. В присутствии Ca²⁺ и Fe³⁺ на поверхности металла формируется непроницаемая защитная плёнка, содержащая соединения Ca₃(PO₄)₂ и FePO₄∙ 2H₂O. Со временем эта плёнка превращается в трудно растворимый осадок, который и был обнаружен в исследуемой скважине.

В других случаях при исследовании осадков физическими методами часто диагностируются такие соединения, как галит (место отложения – НКТ), арагонит и ангидрит (рабочие колёса и направляющие аппараты электроцентробежных насосов - ЭЦН), магнезиальный кальцит (межколонное пространство скважин). Встречаются поликомпонентные агломераты, откладывающиеся на рабочих органах ЭЦН и представляющие собой, к примеру, разнородную смесь ангидрита, сульфида железа и кальцита с примесью гидролизованного хлорида железа, кремнезёма и глин. Информация, полученная экспериментально, позволяет достаточно оперативно оценить масштаб проблемы в каждом конкретном случае и наметить профилактические мероприятия.

Диагностические возможности физических методов универсальны настолько, что могут быть применены для идентификации вида и природы дефектов, приводящих к отказам глубинно-насосного оборудования. Так, вывод на режим одной из добывающих скважин сопровождался интенсивным разрушением шайб осевых опор и рабочих колёс ЭЦН. По изменениям, выявленным в ходе сравнительного ЭД-микроанализа конструкционного материала до и после разрушения изделий, было сделано заключение о причинах создавшейся ситуации.

Сканирование поверхности не повреждённого рабочего колеса показало, что элементный состав конструкционного материала характерен для группы серосодержащих полимеров. В количественном отношении преобладали углерод (44,31% масс.) и сера (25,19% масс.), концентрации которых в характеристическом спектре разрушенной поверхности уменьшились, соответственно, до 14,16% масс. и 13,54% масс. При этом существенно возросли концентрации кальция (от 6,25% масс. до 13,22% масс.) и кислорода (от 17,39% масс. до 37,87% масс.).

Как известно, атомы серы в составе полимерных композиционных материалов играют роль «шарниров», нарушающих линейное строение жесткоцепных молекул, и регулируют механические свойства. Зафиксированные прибором количественные изменения в составе материала являются следствием деструктивной реакции в полимерной матрице с участием сульфидных групп. Самопроизвольное изменение механических свойств изделия произошло в результате контакта с отработанным раствором соляной кислоты, который применялся по технологии «прямой» промывки во время ремонтов скважины с целью расклинивания ЭЦН. Дополнительными факторами, ускорившими процесс деструкции, в данном случае выступили: а) высокая температура насосной установки и потока продукции; б) высокое газосодержание; в) возрастание концентрации взвешенных частиц в извлекаемой жидкости; г) каталитическая активность соединения FeCl₃ как побочного продукта соляно-кислотной обработки.

Таким образом, возникшая проблема обусловлена недостаточной устойчивостью конструкционного материала к термокислотной деструкции и его несоответствием условиям эксплуатации ЭЦН.

В заключение можно отметить, что опробованный комплекс физических методов отличается широким спектром диагностических возможностей. Исследования солевых осадков позволяют уточнить их минералогический состав и обосновать технологии ингибиторной защиты скважин с адресным подбором химических реагентов, что в итоге способствует увеличению продолжительности межремонтного периода. Методы рентгеноструктурной диагностики и энергодисперсионного микроанализа могут повысить эффективность контроля выноса реагента через насос на устье скважин и в систему сбора продукции. Анализ природы дефектов, приводящих к отказам погружных электроцентробежных установок, с учётом промысловой ситуации позволяет рекомендовать оборудование, обладающее максимальным сопротивлением к действию аномальных производственных факторов.

Литература:

1. Гинзбург А.И., Кузьмин В.И., Сидоренко Г.А. Минералогические исследования в практике геологоразведочных работ. – М.: Недра, 1981. – 237 с.

2. Граменицкий Е.Н., Котельников А.Р., Батанова А.М., Щекина П.И., Плечов П.Ю. Экспериментальная и техническая петрология. – М.: Научный мир, 2000. – 416 с.

3. Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т., Челоянц Д.К. Интенсификация добычи нефти. – М.: Наука, 2000. – С. 238-253.

4. Кащавцев В.Е., Мищенко И.Т. Солеобразование при добыче нефти. – М.: Орбита-М, 2004. – 432 с.

5. Ольховская В.А., Попов В.И., Беркович К.В. Исследование состава и структуры солевых отложений в целях повышения качества работ по интенсификации добычи нефти и защиты нефтепромыслового оборудования // Известия Самарского научного центра РАН. Спец. выпуск «Проблемы нефти и газа». – Самара, 2004. - С. 173-192.

6. Ольховская В.А., Песков А.В., Ермошкин А.А., Гритчина В.В. Диагностирование состава солевых отложений методами рентгенодифрактометрического и энергодисперсионного микроанализа // Нефтепромысловое дело, № 5, 2010. – С. 44-52.