Методы борьбы с пескопроявлением

Кратко о главном

Преграда не обязана быть меньше всех зёрен: зёрна крупнее примерно половины ширины щели складываются у неё в своды, а мелкие частицы должны проходить — иначе фильтр забьётся.
Размеры песка в борьбе с пескопроявлением отсчитывают от крупных зёрен: $D_{10}$ — размер, крупнее которого 10 % массы. Коэффициент неоднородности $C = D_{40}/D_{90}$ : до 3 — хорошо отсортированный песок, больше 5 — плохо отсортированный.
Медианный размер гравия берут в 5–6 раз больше медианного размера песка пласта: поры плотной упаковки гравия пропускают лишь зёрна мельче 0,155 его размера.
Щель фильтра в гравийной набивке делают меньше наименьшего зерна гравия — примерно 0,6–0,8 его размера: для гравия 20/40 — около 0,30 мм.
Набивка в обсаженном стволе надёжна, но каналы с гравием отнимают продуктивность; в открытом стволе набивка почти не мешает притоку; в проницаемых пластах лучший приток даёт гидроразрыв с гравийной набивкой.
Работу защиты контролируют по датчикам песка, давлениям и исследованиям скважины: внезапный вынос говорит о разрушении фильтра или пустоте в набивке, медленное падение продуктивности — о засорении.

Ключевые соотношения

C = \dfrac{D_{40}}{D_{90}}

коэффициент неоднородности; $D_p$ — размер, крупнее которого $p$ % массы

D_{50,g} = (5\text{–}6)\,D_{50,\text{п}}

подбор гравия по медианным размерам

d_{\max} = \left(\tfrac{2}{\sqrt3} - 1\right)D \approx 0{,}155\,D

наибольшее зерно, проходящее через пору плотной упаковки шаров диаметра $D$

M = \rho_g(1 - \phi_g)\,V

масса гравия для объёма набивки $V$

Где чаще всего ошибаются

Путать отсчёт процентилей: в механике грунтов $D_{10}$ — мелкая часть (10 % мельче), в борьбе с пескопроявлением — крупная (10 % крупнее).
Выбирать фильтр «помельче, чтобы надёжнее»: он задержит и мелкие частицы, забьётся и отнимет продуктивность.
Брать гравий крупнее рекомендованного ради проницаемости: песок пласта войдёт в поры гравия, и смесь станет менее проницаемой, чем сам песок.
Считать набивку готовой, не сравнив уложенную массу гравия с расчётной: пустоты в набивке — путь для песка и причина эрозии фильтра.
Подбирать гравий по пробе вынесенного песка: вынос обогащён мелкими зёрнами; основа подбора — керн продуктивных прослоев.

После урока вы сможете

объяснить, как песок задерживается сводами у щели фильтра и порами гравийной набивки и почему мелкие частицы должны проходить;
обработать ситовый анализ песка: найти размеры $D_{10}$ , $D_{40}$ , $D_{50}$ , $D_{90}$ , коэффициент неоднородности и долю мелких частиц и оценить сортировку;
подобрать гравий по отношению медианных размеров гравия и песка и ширину щели фильтра под гравий;
сравнить фильтры, гравийную набивку в открытом и обсаженном стволе, гидроразрыв с гравийной набивкой и химическое крепление и выбрать способ для заданных условий;
рассчитать объём гравия для набивки, оценить полноту намыва и назвать признаки отказа защиты при эксплуатации.

Как задерживают песок

Песок можно остановить двумя путями: поставить ему преграду или скрепить зёрна у скважины. Преграда — скважинный фильтр, иногда вместе со слоем гравия. Любая преграда добавляет сопротивление притоку, поэтому задача — остановить несущие зёрна, которые иначе вынесет поток, и пропустить мелкие частицы глин и пыли: они не держат нагрузку, и если их задерживать, фильтр забьётся (песок и мелкие частицы).

Щель фильтра может быть шире многих зёрен. Когда к щели одновременно подходят несколько зёрен, они упираются друг в друга и в края щели и складываются в свод, через который проходит жидкость, но не проходят зёрна. Ещё в 1930-х годах опыты показали, что однородный песок образует устойчивые своды над щелью шириной до двух диаметров зёрен. Своды держатся при постоянном потоке, но перестраиваются при пусках и остановках, поэтому одиночный фильтр надёжен лишь при хорошо отсортированном песке.

Гравийная набивка действует иначе: слой отсортированного гравия между фильтром и пластом сам становится фильтром. Поры между зёрнами гравия меньше зёрен песка, песок останавливается на границе с гравием и не смешивается с ним. Фильтр же держит гравий — его щели меньше зёрен гравия. Размер пор плотной упаковки легко оценить геометрически:

Наибольшее зерно, проходящее через пору упаковки одинаковых шаров

d_{\max} = \left(\frac{2}{\sqrt3} - 1\right)D \approx 0{,}155\,D\quad\text{(плотная упаковка)},\qquad d_{\max} = \left(\sqrt2 - 1\right)D \approx 0{,}414\,D\quad\text{(кубическая)}

где:

$d_{\max}$ диаметр наибольшего шара, проходящего через пору между соседними зёрнами, мм
$D$ диаметр зёрен гравия, мм

Единицы: любые единицы длины

Справедливо, если

одинаковые шары; в плотной упаковке три соприкасающихся зерна образуют треугольное сужение, в кубической — квадратное из четырёх;
реальный гравий — смесь зёрен в пределах двух сит и не идеально круглых; оценка показывает порядок, а не точную границу.

Окружность, вписанная между тремя касающимися кругами диаметра $D$ , имеет диаметр $(2/\sqrt3 - 1)D$ : её центр отстоит от центров кругов на $D/\sqrt3$ . В плотной упаковке поры почти втрое меньше, чем в рыхлой кубической, поэтому гравий должен лечь плотно: в рыхлой упаковке тот же гравий пропустит в 2,7 раза более крупные зёрна.

СхемаОсновные механические способы защиты (схема не в масштабе): фильтр в открытом стволе, гравийная набивка в открытом и в обсаженном стволе, гидроразрыв с гравийной набивкой.

Способы защиты от песка

Способ: Фильтр без гравия
Что задерживает песок: своды зёрен у щелей или ячеек фильтра
Где применяют чаще всего: хорошо отсортированный чистый песок, длинные горизонтальные стволы

Способ: Гравийная набивка в открытом стволе
Что задерживает песок: поры гравия
Где применяют чаще всего: неоднородный песок с мелочью; высокая продуктивность

Способ: Гравийная набивка в колонне
Что задерживает песок: поры гравия в кольце и в перфорационных каналах
Где применяют чаще всего: несколько пластов, которые нужно разобщить

Способ: Гидроразрыв с гравийной набивкой
Что задерживает песок: гравий в кольце и трещина, заполненная проппантом
Где применяют чаще всего: проницаемые слабые пласты, повреждение, слоистые песчаники

Способ: Химическое крепление
Что задерживает песок: смола, скрепившая зёрна пласта
Где применяют чаще всего: короткие интервалы чистого песка, когда в стволе нельзя оставлять оборудование

Способ	Что задерживает песок	Где применяют чаще всего
Фильтр без гравия	своды зёрен у щелей или ячеек фильтра	хорошо отсортированный чистый песок, длинные горизонтальные стволы
Гравийная набивка в открытом стволе	поры гравия	неоднородный песок с мелочью; высокая продуктивность
Гравийная набивка в колонне	поры гравия в кольце и в перфорационных каналах	несколько пластов, которые нужно разобщить
Гидроразрыв с гравийной набивкой	гравий в кольце и трещина, заполненная проппантом	проницаемые слабые пласты, повреждение, слоистые песчаники
Химическое крепление	смола, скрепившая зёрна пласта	короткие интервалы чистого песка, когда в стволе нельзя оставлять оборудование

Альтернатива защите — управление выносом песка без механической преграды (урок о пескопроявлении).

Ситовый анализ и характеристика песка

Защиту подбирают по размерам зёрен пласта. Пробу берут из керна продуктивных прослоев, разбирают на отдельные зёрна, не дробя их, и рассеивают на наборе сит с уменьшающейся ячейкой — ситовый анализ (sieve analysis). Массу на каждом сите взвешивают и строят накопленную кривую: какая доля массы крупнее данного размера. Размер сита обозначают номером — числом проволок на дюйм: чем больше номер, тем мельче ячейка. Всё чаще применяют и лазерный анализ частиц; его результаты отличаются от ситовых, поэтому критерии подбора применяют к тем данным, по которым их получили.

Коэффициент неоднородности песка

C = \frac{D_{40}}{D_{90}}

где:

$C$ коэффициент неоднородности (uniformity coefficient), —
$D_{40},\ D_{90}$ размеры, крупнее которых 40 и 90 % массы песка, мм

Единицы: безразмерная

Справедливо, если

размеры находят по накопленной кривой интерполяцией между ситами в логарифмах размера;
проба представляет продуктивный интервал; если проб несколько, защиту подбирают по самому мелкому из продуктивных прослоев.

Чем ближе $C$ к единице, тем однороднее песок. Принято считать песок хорошо отсортированным при $C$ до 3, умеренно — от 3 до 5 и плохо — больше 5. Дополнительно смотрят на отношение $D_{10}/D_{95}$ и на долю частиц мельче 44 мкм (прошедших сито № 325): чем больше мелочи и шире распределение, тем хуже работает фильтр без гравия.

Ситовый анализ пробы песчаника (100 г, условные данные)

Сито №: 30
Ячейка, мм: 0,595
Осталось на сите, г: 0,3
Накоплено крупнее, %: 0,3

Сито №: 40
Ячейка, мм: 0,420
Осталось на сите, г: 1,5
Накоплено крупнее, %: 1,8

Сито №: 50
Ячейка, мм: 0,297
Осталось на сите, г: 4,2
Накоплено крупнее, %: 6,0

Сито №: 60
Ячейка, мм: 0,250
Осталось на сите, г: 5,0
Накоплено крупнее, %: 11,0

Сито №: 70
Ячейка, мм: 0,210
Осталось на сите, г: 7,0
Накоплено крупнее, %: 18,0

Сито №: 80
Ячейка, мм: 0,177
Осталось на сите, г: 10,0
Накоплено крупнее, %: 28,0

Сито №: 100
Ячейка, мм: 0,149
Осталось на сите, г: 13,0
Накоплено крупнее, %: 41,0

Сито №: 120
Ячейка, мм: 0,125
Осталось на сите, г: 14,0
Накоплено крупнее, %: 55,0

Сито №: 140
Ячейка, мм: 0,105
Осталось на сите, г: 13,0
Накоплено крупнее, %: 68,0

Сито №: 170
Ячейка, мм: 0,088
Осталось на сите, г: 10,0
Накоплено крупнее, %: 78,0

Сито №: 200
Ячейка, мм: 0,074
Осталось на сите, г: 8,0
Накоплено крупнее, %: 86,0

Сито №: 270
Ячейка, мм: 0,053
Осталось на сите, г: 7,0
Накоплено крупнее, %: 93,0

Сито №: 325
Ячейка, мм: 0,044
Осталось на сите, г: 3,0
Накоплено крупнее, %: 96,0

Сито №: поддон
Ячейка, мм: —
Осталось на сите, г: 4,0
Накоплено крупнее, %: 100,0

Сито №	Ячейка, мм	Осталось на сите, г	Накоплено крупнее, %
30	0,595	0,3	0,3
40	0,420	1,5	1,8
50	0,297	4,2	6,0
60	0,250	5,0	11,0
70	0,210	7,0	18,0
80	0,177	10,0	28,0
100	0,149	13,0	41,0
120	0,125	14,0	55,0
140	0,105	13,0	68,0
170	0,088	10,0	78,0
200	0,074	8,0	86,0
270	0,053	7,0	93,0
325	0,044	3,0	96,0
поддон	—	4,0	100,0

Через сито № 325 (44 мкм) прошло 4 г — это частицы мельче 44 мкм.

Расчётный примерРазмеры зёрен и сортировка по ситовому анализу

Исходные данные (условные)

Проба: 100 г песчаника из керна продуктивного прослоя, разобранного на зёрна; рассев — в таблице выше

Решение

Медиана $D_{50}$ лежит между ситами № 100 (0,149 мм, 41,0 %) и № 120 (0,125 мм, 55,0 %). Доля пути: $(50 - 41)/(55 - 41) = 0{,}643$ .
Интерполяция в логарифмах размера: $D_{50} = 0{,}149\cdot(0{,}125/0{,}149)^{0{,}643} = 0{,}133$ мм.
Так же находим: $D_{10} = 0{,}259$ мм, $D_{40} = 0{,}151$ мм, $D_{90} = 0{,}061$ мм, $D_{95} = 0{,}047$ мм.
Коэффициент неоднородности $C = 0{,}151/0{,}061 = 2{,}5$ ; отношение $D_{10}/D_{95} = 0{,}259/0{,}047 = 5{,}5$ ; частиц мельче 44 мкм — 4 %.

Ответ: Песок мелкозернистый (

D_{50}

= 0,133 мм) и хорошо отсортированный (

C

≈ 2,5), но мелких частиц в нём заметно — 4 %.

Что это значит. По сортировке песок подходит и для фильтра без гравия, но доля мелочи на пределе того, что такие фильтры переносят без засорения, — решение требует испытаний на удержание песка (следующий раздел). Пробу брали из керна: песок, вынесенный скважиной, для подбора не годится — он обогащён мелкими зёрнами и обломками. Если в интервале есть тонкие глинистые прослои, которые не будут работать, их пробы при подборе гравия не учитывают, иначе гравий получится излишне мелким. Данные примера условные.

РасчётНакопленная кривая ситового анализа пробы из примера (точки — сита) и такая же кривая гравия 20/40, подобранного ниже. Штриховые вертикали — окно Сосье для медианного размера гравия: от 5 до 6 медианных размеров песка.

Подбор гравия и щели фильтра

Гравий должен быть достаточно мелким, чтобы песок не входил в его поры, и достаточно крупным, чтобы набивка не отнимала продуктивность. В 1970-х годах Р. Сосье прокачивал жидкость через песок пласта в гравий разного размера и сравнивал проницаемость набивки до и после опыта. Пока медианный размер гравия был не больше примерно шести медианных размеров песка, песок останавливался на границе и проницаемость гравия сохранялась. При большем отношении песок входил в поры гравия, и смесь становилась менее проницаемой, чем сам песок пласта; только при отношении больше примерно 15 песок проходил через гравий насквозь. Отсюда критерий Сосье:

Подбор гравия по медианным размерам

D_{50,g} = (5\text{–}6)\,D_{50,\text{п}}

где:

$D_{50,g}$ медианный размер гравия, мм
$D_{50,\text{п}}$ медианный размер песка пласта, мм

Единицы: любые единицы длины, одинаковые для обоих размеров

Справедливо, если

песок хорошо или умеренно отсортирован; гравий узкого размера — почти вся масса между двумя соседними ситами;
для плохо отсортированных песков критерий по медиане ненадёжен: используют критерий Шварца — размер гравия $D_p$ берут в шесть раз больше того же размера $D_p$ песка, а точку кривой выбирают по сортировке: $D_{10}$ при $C$ до 5, $D_{40}$ при $C$ от 5 до 10, $D_{70}$ при $C$ больше 10 (чем хуже сортировка, тем мельче точка подбора), — и испытания на удержание песка.

Окно в 5–6 раз — компромисс: меньший гравий тоже держит песок, но его проницаемость, пропорциональная квадрату размера зёрен, ниже; больший пускает песок в поры. Гравий выпускают стандартных размеров, поэтому из окна выбирают ближайший стандартный размер, при сомнении — в сторону более мелкого.

Стандартные размеры гравия и подходящие им пески

Гравий: 40/60
Ячейки сит, мм: 0,420–0,250
Середина, мм: 0,335
$D_{50}$ песка по Сосье, мм: 0,056–0,067
Щель фильтра, мм: 0,15–0,20

Гравий: 30/50
Ячейки сит, мм: 0,595–0,297
Середина, мм: 0,446
$D_{50}$ песка по Сосье, мм: 0,074–0,089
Щель фильтра, мм: 0,18–0,24

Гравий: 20/40
Ячейки сит, мм: 0,841–0,420
Середина, мм: 0,630
$D_{50}$ песка по Сосье, мм: 0,105–0,126
Щель фильтра, мм: 0,25–0,34

Гравий: 16/30
Ячейки сит, мм: 1,190–0,595
Середина, мм: 0,892
$D_{50}$ песка по Сосье, мм: 0,149–0,178
Щель фильтра, мм: 0,36–0,48

Гравий: 12/20
Ячейки сит, мм: 1,680–0,841
Середина, мм: 1,260
$D_{50}$ песка по Сосье, мм: 0,210–0,252
Щель фильтра, мм: 0,50–0,67

Гравий	Ячейки сит, мм	Середина, мм	$D_{50}$ песка по Сосье, мм	Щель фильтра, мм
40/60	0,420–0,250	0,335	0,056–0,067	0,15–0,20
30/50	0,595–0,297	0,446	0,074–0,089	0,18–0,24
20/40	0,841–0,420	0,630	0,105–0,126	0,25–0,34
16/30	1,190–0,595	0,892	0,149–0,178	0,36–0,48
12/20	1,680–0,841	1,260	0,210–0,252	0,50–0,67

Середина — среднее размеров ячеек двух сит. Щель фильтра — 0,6–0,8 наименьшего зерна гравия. Проницаемость гравия растёт как квадрат размера зёрен: при переходе на соседний более крупный размер — примерно вдвое.

К гравию предъявляют требования и помимо размера: почти вся масса должна лежать между двумя ситами, зёрна — быть окатанными и сферичными, прочными, с малой растворимостью в кислоте и без глины. Выпускают и искусственный гравий — керамические гранулы: они прочнее, круглее и при том же размере дают более проницаемую набивку, а более лёгкие сорта меньше оседают при намыве в горизонтальных стволах. Гравий со смоляным покрытием после намыва схватывается в пласте в проницаемый прочный слой.

Щель или ячейку фильтра подбирают под то, что он должен держать. В гравийной набивке фильтр держит гравий, поэтому щель меньше наименьшего зерна гравия. Без гравия фильтр держит песок пласта: по классическим опытам щель может быть до двух $D_{10}$ — своды складываются из крупной части песка, — но на практике её выбирают осторожнее и проверяют испытаниями на удержание песка: через образец фильтра прокачивают жидкость с песком пласта и измеряют, сколько песка прошло и как растёт перепад давления.

Расчётный примерКакой гравий и какая щель для песка из примера

Исходные данные (условные)

Песок пласта: $D_{50}$ = 0,133 мм, $D_{90}$ = 0,061 мм, $C$ ≈ 2,5 (предыдущий пример)
Стандартные размеры гравия: таблица выше

Решение

Окно Сосье: от $5\cdot0{,}133 = 0{,}67$ до $6\cdot0{,}133 = 0{,}80$ мм.
Ближайшие размеры: 20/40 — середина 0,63 мм, отношение $0{,}63/0{,}133 = 4{,}7$ ; 16/30 — 0,89 мм, отношение 6,7. Первый чуть мельче окна, второй крупнее.
Проверка порами: в плотной упаковке самых мелких зёрен 20/40 (0,42 мм) пора пропускает лишь зёрна мельче $0{,}155\cdot0{,}42 = 0{,}065$ мм — это около десятой части песка, самая мелкая ( $D_{90}$ = 0,061 мм); остальные девять десятых останавливаются на границе с гравием.
Щель фильтра под 20/40: от $0{,}6\cdot0{,}42 = 0{,}25$ до $0{,}8\cdot0{,}42 = 0{,}34$ мм; берут стандартные 0,30 мм (0,012 дюйма).
Гравий 16/30 был бы проницаемее в $(0{,}89/0{,}63)^2 = 2{,}0$ раза, но при отношении 6,7 песок начнёт входить в его поры.

Ответ: Гравий 20/40 со щелью фильтра 0,30 мм.

Что это значит. Выбран более мелкий из двух соседних размеров: потеря проницаемости гравия против 16/30 в открытом стволе почти не сказывается на притоке, а песок в порах гравия сделал бы набивку хуже самого пласта. В обсаженном стволе, где весь приток идёт по каналам с гравием, проницаемость гравия важнее (потери в гравийной набивке), но и там вторжение песка обходится дороже. Данные примера условные.

Подробнее:Почему именно 5–6 раз

Пора плотной упаковки пропускает зёрна мельче 0,155 размера гравия. При отношении медианных размеров 6 это 0,93 медианного зерна песка: половина песка, более крупная, войти не может вовсе, а более мелкие зёрна подходят к порам гравия целой толпой и складываются в своды, как у щели фильтра. Сквозь гравий проходят лишь самые мелкие частицы — так и должно быть. При отношении 10 пора уже в 1,55 раза больше медианного зерна, и значительная часть песка входит в гравий; своды внутри гравия неустойчивы, и смесь песка с гравием забивает поры.

Отсюда и требование к плотности укладки. В рыхлой кубической упаковке пора в 2,7 раза больше, чем в плотной: гравий, уложенный рыхло — например, с пустотами из-за оседания или неполного намыва, — пропускает песок, который плотная набивка того же гравия удержала бы. Поэтому гравий намывают так, чтобы он уплотнился потоком, а набивку после намыва проверяют на пустоты.

Скважинные фильтры

Скважинный фильтр (sand screen) — труба с проницаемой стенкой, которая пропускает флюид и задерживает гравий или песок. Фильтры различаются тем, как сделана эта стенка, а от этого зависят точность размера щели, доля открытой площади, стойкость к засорению и эрозии и прочность.

Щелевой фильтр (slotted liner): труба с прорезанными щелями. Самый дешёвый и прочный, но щели не могут быть очень узкими, а открытая площадь мала — единицы процентов и меньше. Годится для крупного однородного песка или просто для удержания стенок ствола.
Проволочный фильтр (wire-wrapped screen): проволока клиновидного профиля, навитая с постоянным зазором на продольные стержни поверх перфорированной трубы. Зазор выдерживается точно, а клиновидный профиль расширяет щель внутрь: зерно, прошедшее узкое место, не застревает. Открытая площадь — порядка десятка процентов. Основной фильтр гравийных набивок.
Фильтр с гравийной предупаковкой (pre-packed screen): два концентрических фильтра со слоем гравия, скреплённого смолой, между ними — набивка, сделанная на заводе. Задерживает песок без намыва гравия в скважине, но легче забивается мелкими частицами.
Многослойный сетчатый фильтр (premium mesh screen): несколько слоёв металлической сетки с дренажным слоем под защитным кожухом. Большая открытая площадь и устойчивость к засорению; чаще других применяется без гравия в длинных горизонтальных стволах.
Расширяемый фильтр (expandable sand screen): фильтр, который после спуска расширяют внутри ствола до контакта со стенкой: кольцевого зазора, по которому мог бы перемещаться песок, нет. Сопротивление смятию у него ниже, чем у обычных фильтров, и применяют его ограниченно.

Главные причины отказа фильтров — эрозия и засорение. Если стенка ствола обрушилась неравномерно или набивка неполна, приток сосредоточивается на небольшом участке, и песок с большой скоростью протирает фильтр. Засоряют фильтр мелкие частицы, остатки бурового раствора и продукты коррозии. Поэтому фильтры без гравия ставят в хорошо отсортированный песок с малой долей мелочи и бурят интервал специальным раствором для вскрытия пласта: его фильтрационная корка должна отходить от стенки при пуске и проходить через фильтр или растворяться в добываемом флюиде, а не налипать на фильтр (Буровые растворы: функции и свойства). В длинных горизонтальных стволах фильтры дополняют разобщающими пакерами, в том числе набухающими, и устройствами контроля притока (Горизонтальные скважины).

Гравийная набивка: устройство, намыв и проверка

В открытом стволе фильтр ставят против пласта, ствол часто расширяют, а пространство между фильтром и стенкой заполняют гравием. Поток проходит слой гравия радиально через всю стенку, поэтому такая набивка почти не снижает продуктивность. В обсаженном стволе гравий заполняет кольцо между фильтром и колонной и перфорационные каналы; весь приток идёт по узким каналам с гравием, и потери в них заметны — их расчёт разобран в уроке о влиянии заканчивания на приток. Зато колонна с цементом разобщает пласты и позволяет потом отключить обводнившийся интервал. Для набивки в колонне перфорируют густо и крупными отверстиями, а каналы перед намывом часто заполняют гравием под давлением.

Гравий намывают через переводник, меняющий направление потока (crossover tool): смесь гравия с жидкостью идёт по трубам вниз, через переводник выходит в кольцо между фильтром и колонной или стенкой; гравий оседает, а жидкость проходит через фильтр, поднимается по промывочной трубе внутри фильтра и через тот же переводник уходит по затрубному пространству на поверхность. Часть жидкости уходит в пласт. Когда гравий закрыл фильтр, давление резко растёт — набивка закончена. Переводник поднимают и обратной промывкой вымывают на поверхность излишек гравия из труб.

Намыв гравия маловязкой и вязкой жидкостью

Показатель: Концентрация гравия
Рассол (водная набивка): низкая: около 100–250 кг на м³ жидкости
Вязкая жидкость: высокая: до 1000–1800 кг/м³

Показатель: Расход
Рассол (водная набивка): большой
Вязкая жидкость: малый

Показатель: Как растёт набивка
Рассол (водная набивка): гравий оседает и набивка растёт снизу вверх; в горизонтальном стволе — волна вдоль низа ствола, затем обратная по верху
Вязкая жидкость: гравий удерживается жидкостью, набивка уплотняется по мере ухода жидкости в пласт и через фильтр

Показатель: Риски
Рассол (водная набивка): долгое время и большие объёмы жидкости, перемешивание гравия с песком пласта
Вязкая жидкость: преждевременная пробка в длинном наклонном интервале; остатки полимера

Показатель	Рассол (водная набивка)	Вязкая жидкость
Концентрация гравия	низкая: около 100–250 кг на м³ жидкости	высокая: до 1000–1800 кг/м³
Расход	большой	малый
Как растёт набивка	гравий оседает и набивка растёт снизу вверх; в горизонтальном стволе — волна вдоль низа ствола, затем обратная по верху	гравий удерживается жидкостью, набивка уплотняется по мере ухода жидкости в пласт и через фильтр
Риски	долгое время и большие объёмы жидкости, перемешивание гравия с песком пласта	преждевременная пробка в длинном наклонном интервале; остатки полимера

В длинных и наклонных интервалах, где пробка гравия может перекрыть кольцо раньше времени, применяют обводные трубки на фильтре: смесь обходит пробку и заполняет пустоты ниже.

Жидкости для намыва — отфильтрованные рассолы, совместимые с пластом (обычно с хлоридом калия против набухания глин); их плотность подбирают так, чтобы удержать пластовое давление. После намыва, пока в скважине нет оборудования, поглощение жидкости пластом ограничивают вязкими пачками с разрушаемым наполнителем или механическими клапанами. Глушить скважину буровым раствором с твёрдой фазой нельзя: он забьёт набивку.

Расчётная масса гравия для набивки в колонне

M = \rho_g(1 - \phi_g)\left[\frac{\pi}{4}\left(D_c^2 - d_s^2\right)(L_s + L_r) + n\,\frac{\pi}{4}d_p^2\,l_p\right]

где:

$M$ масса гравия, кг
$\rho_g,\ \phi_g$ плотность зёрен гравия и пористость набивки, кг/м³, —
$D_c,\ d_s$ внутренний диаметр колонны и наружный диаметр фильтра, м
$L_s,\ L_r$ длина фильтра и запас гравия над ним, м
$n,\ d_p,\ l_p$ число перфорационных каналов, их диаметр и длина за колонной, —, м, м

Единицы: СИ

Справедливо, если

запас над фильтром компенсирует оседание и уплотнение набивки при работе скважины;
каналы и пустоты за колонной обычно принимают больше гравия, чем дают их размеры, — особенно если пласт уже выносил песок; поэтому уложенная масса больше расчётной — хороший признак, меньше — повод для проверки.

Расчётную массу сравнивают с уложенной: закачанной минус вымытой обратной промывкой.

Расчётный примерПолностью ли заполнена набивка

Исходные данные (условные)

Конструкция: колонна 168 мм (внутренний диаметр 150,5 мм), фильтр наружным диаметром 114 мм длиной 15 м, запас гравия над фильтром 9 м
Перфорация: 15 м по 40 отв./м, каналы 20 мм длиной 0,25 м за колонной
Гравий: 2650 кг/м³, пористость набивки 0,38
Намыв: закачано 1100 кг гравия, обратной промывкой вымыто 800 кг

Решение

Площадь кольца: $\dfrac{\pi}{4}(0{,}1505^2 - 0{,}114^2) = 0{,}00758$ м²; на $15 + 9 = 24$ м — 0,182 м³.
Каналы: $600\cdot\dfrac{\pi}{4}\cdot0{,}02^2\cdot0{,}25 = 0{,}047$ м³ ( $40\cdot15 = 600$ каналов).
Всего 0,229 м³; плотность набивки $2650\cdot(1 - 0{,}38) = 1643$ кг/м³; расчётная масса $0{,}229\cdot1643 = 376$ кг.
Уложено $1100 - 800 = 300$ кг — 80 % расчётного. Не хватает 76 кг, или $76/1643 = 0{,}046$ м³ — столько вмещают 6,1 м кольца.

Ответ: Набивка заполнена примерно на 80 %: где-то в ней пустота объёмом около 6,1 м кольца.

Что это значит. Если гравия не хватает только сверху, его кровля ниже расчётной на 6 м, но всё ещё на 3 м выше фильтра — запас для этого и оставляют. Если же пустота внутри интервала фильтра — гравий застрял пробкой и не дошёл вниз или не заполнил каналы, — песок пойдёт к фильтру напрямую и быстро протрёт его. Различить случаи можно только каротажем через фильтр: приборы, измеряющие плотность среды за трубой, показывают меньшую плотность против пустот. Решение — повторить намыв или пускать скважину — принимают по каротажу и цене повторных работ. Данные примера условные.

Набивка в горизонтальном стволе

Длинные горизонтальные стволы набивают водной набивкой: гравий оседает волной вдоль нижней части кольца от начала горизонтального участка к его концу, а затем обратная волна заполняет верх. Главный риск — потеря жидкости в пласт или в трещины до того, как волна дошла до конца: тогда скорость в кольце падает, и гравий останавливается раньше. Набивку проектируют программами, рассчитывающими скорости и давления по длине ствола, с ограничением давления ниже давления гидроразрыва.

Гидроразрыв с гравийной набивкой

Гидроразрыв с гравийной набивкой (frac-pack; ГРП — гидравлический разрыв пласта) — короткая широкая трещина, созданная в слабом проницаемом пласте и заполненная проппантом размера гравия, вместе с гравийной набивкой в кольце вокруг фильтра, выполненные за одну операцию. Трещина обходит повреждённую зону у ствола, соединяет со скважиной тонкие прослои, которые перфорация могла пропустить, а главное — меняет геометрию притока: флюид подходит к трещине с малой скоростью по большой площади, и нагрузка на зёрна у скважины меньше. В 1990-х годах на шельфе Мексиканского залива такие работы стали одним из основных способов заканчивания высокодебитных скважин в слабых песчаниках.

Размеры трещины подчиняются тем же правилам, что и при обычном гидроразрыве (Размеры и проводимость трещины: проектирование). В проницаемом пласте число проппанта мало, и оптимальная трещина короткая — несколько метров или первые десятки — и очень широкая: её проводимость должна быть сравнима с проводимостью пласта. Обычной закачкой такую ширину не создать; её получают, намеренно останавливая рост трещины по длине проппантом у её конца и продолжая закачку, чтобы расширить трещину (Жидкости разрыва и гидроразрыв с остановкой роста трещины). Мягкая слабая порода раскрывается широко и помогает этому.

РасчётБезразмерный коэффициент продуктивности скважины в зависимости от проницаемости пласта: гидроразрыв с гравийной набивкой (15 т проппанта, ширина не больше 15 мм), набивка в колонне с чистым и засорённым гравием (нижние кривые) и идеальный открытый ствол без скина (квадратная область 400 × 400 м, пласт 10 м). Для набивки учтён только вязкий скин каналов с гравием; инерционные потери, скин перфорации и повреждение снизили бы её кривые ещё больше.

Расчётный примерГРП с гравийной набивкой против набивки в колонне

Исходные данные (условные)

Пласт и скважина: $k$ = 500 мД, $h$ = 10 м; квадратная область 400 × 400 м, $r_w$ = 0,108 м — скважина примера о гравийной набивке в уроке о влиянии заканчивания
Набивка в колонне: скин каналов с гравием 0,333 (чистый гравий) и 3,33 (засорённый) — из того же примера
ГРП с набивкой: 15 т керамического проппанта 20/40 (2700 кг/м³, пористость упаковки 0,38), высота трещины 14 м, проницаемость упаковки в пласте 200 Д, наибольшая достижимая ширина 15 мм

Решение

Набивка в колонне: $\ln(400/0{,}108) - 1{,}311 = 6{,}906$ , и $J_D = 1/(6{,}906 + S)$ — 0,138 с чистым гравием и 0,098 с засорённым; идеальный открытый ствол ( $S$ = 0) — 0,145.
Проппант в пласте: $V_{prop} = \dfrac{15\,000\cdot10/14}{2700\cdot0{,}62} = 6{,}40$ м³; число проппанта $N_{prop} = \dfrac{2\cdot200\,000\cdot6{,}40}{500\cdot400^2\cdot10} = 0{,}0032$ .
Оптимум ( $F_{CD} \approx 1{,}7$ ) требовал бы трещины полудлиной 8,7 м и шириной 37 мм — такую ширину не создать. При ширине 15 мм: $x_f = \dfrac{6{,}40}{2\cdot10\cdot0{,}015} = 21{,}3$ м, $F_{CD} = \dfrac{200\,000\cdot0{,}015}{500\cdot21{,}3} = 0{,}28$ .
По модели трещины в замкнутой области ( $I_x = 2\cdot21{,}3/400 = 0{,}11$ ): $J_D = 0{,}2346$ ; эквивалентный скин $S = 1/J_D - 6{,}906 = -2{,}64$ .
Продуктивность ГРП с набивкой выше, чем у набивки в колонне, в 1,7 раза (чистый гравий) и в 2,4 раза (засорённый), а чем у идеального открытого ствола — в 1,6 раза.

Ответ: ГРП с гравийной набивкой даёт скважине эквивалентный скин около −2,64 вместо +0,3…+3,3 у набивки в колонне — и в 1,7–2,4 раза большую продуктивность.

Что это значит. Даже ширина 15 мм в 2,5 раза меньше оптимальной, и трещина работает с $F_{CD}$ 0,28 — поэтому в проницаемых пластах ширину набирают изо всех сил. Фактические скины таких скважин обычно выше расчётных: трещина бывает пережата у ствола, её стенки повреждены жидкостью, при высоких дебитах в упаковке растут инерционные потери (пережатие трещины и скин стенок). Но и скины набивок в колонне на практике больше учтённых здесь: к каналам с гравием добавляются скин перфорации, повреждение за каналами и инерционные потери. Данные примера условные.

Промежуточный вариант — набивка каналов и кольца рассолом с большим расходом при давлении выше давления разрыва: в каждом канале образуется короткая трещинка, заполненная гравием, и каналы набиваются лучше, чем при обычном намыве, но трещины такой длины, как при ГРП с набивкой, не создаётся.

Химическое крепление призабойной зоны

При химическом креплении (chemical sand consolidation) в пласт у скважины закачивают смолу — эпоксидную, фурановую или фенольную. Смола обволакивает зёрна, затем продавочная жидкость вытесняет её излишек из пор, и смола остаётся лишь на контактах зёрен. После отверждения она скрепляет их, а поры остаются открытыми. Ствол при этом свободен: в нём нет ни фильтра, ни гравия, и обработку можно выполнить через насосно-компрессорные трубы (НКТ), гибкой трубой, без подъёма оборудования и без бригады капитального ремонта.

Порядок обработки

1
Подготовка
промывка, при необходимости кислотная обработка, чтобы пласт принимал жидкость равномерно.
2
Предварительная промывка
вытесняет из пор воду и нефть и готовит поверхность зёрен, чтобы смола к ним прилипла.
3
Смола
расчётный объём на метр интервала, через буферную пачку, отделяющую её от других жидкостей.
4
Продавка
вытесняет излишек смолы в глубь пласта и восстанавливает проницаемость; смола остаётся на контактах зёрен.
5
Выдержка
время отверждения при пластовой температуре, затем осторожный пуск.

Короткие интервалы. Смола должна попасть в каждый перфорационный канал: необработанный канал станет источником песка. Поэтому за одну обработку крепят несколько метров, длинные интервалы — по частям.
Чистые пески. Глина отнимает смолу и мешает ей схватиться с зёрнами: уже при десятке процентов глины прочность закреплённой породы резко падает. Главная область применения — чистые проницаемые песчаники.
Потеря проницаемости. Часть пор остаётся занятой смолой; если продавка неполна, проницаемость падает заметно.
Ограничения. Температура пласта, время отверждения, сложность последовательной закачки нескольких жидкостей и неопределённость их распределения по интервалу.

Те же смолы применяют и иначе: гравий и проппант со смоляным покрытием схватываются в пласте и не выносятся в скважину — так удерживают проппант в трещинах после гидроразрыва. Химическое крепление чаще выбирают для ремонта: когда скважина без защиты начала выносить песок и нужно обойтись без капитального ремонта.

Выбор способа и контроль работы

С чего начинать выбор

Условия: Прочность почти достаточна, вынос можно держать в допустимых пределах
Обычный выбор: управление выносом без механической защиты

Условия: Хорошо отсортированный песок с малой долей мелочи, длинный горизонтальный ствол
Обычный выбор: фильтр без гравия, подобранный по испытаниям на удержание песка

Условия: Неоднородный песок, много мелких частиц, высокий дебит
Обычный выбор: гравийная набивка в открытом стволе

Условия: Несколько пластов, которые нужно разобщить, вертикальная скважина
Обычный выбор: гравийная набивка в колонне или ГРП с набивкой

Условия: Высокая проницаемость, повреждение, тонкослоистый пласт
Обычный выбор: ГРП с гравийной набивкой

Условия: Короткий интервал чистого песка, ремонт без подъёма оборудования
Обычный выбор: химическое крепление

Условия	Обычный выбор
Прочность почти достаточна, вынос можно держать в допустимых пределах	управление выносом без механической защиты
Хорошо отсортированный песок с малой долей мелочи, длинный горизонтальный ствол	фильтр без гравия, подобранный по испытаниям на удержание песка
Неоднородный песок, много мелких частиц, высокий дебит	гравийная набивка в открытом стволе
Несколько пластов, которые нужно разобщить, вертикальная скважина	гравийная набивка в колонне или ГРП с набивкой
Высокая проницаемость, повреждение, тонкослоистый пласт	ГРП с гравийной набивкой
Короткий интервал чистого песка, ремонт без подъёма оборудования	химическое крепление

Это отправная точка; окончательный выбор делают сравнением продуктивности, надёжности и затрат за срок службы скважины.

Кроме продуктивности и цены, сравнивают надёжность — долю отказов похожих скважин, — и то, что будет с ремонтами. Через фильтр трудно проводить геофизические исследования в работающей скважине и изолировать обводнившийся интервал; поднять фильтр с гравием — долгая и рискованная работа. Защиту выбирают на весь срок службы: позднее истощение и обводнение ослабят породу (Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы), а переделывать защиту в работающей скважине дороже, чем сразу сделать её с запасом.

Пуск. Отбор увеличивают ступенями, следя за песком и давлениями: фильтр и набивку тоже можно разрушить резким пуском, особенно если в набивке есть пустоты.
Песок. Акустические датчики и зонды эрозии на выкидных линиях, отбор проб, замер песка в сепараторах. Внезапное появление песка после периода чистой работы — признак разрушения фильтра или пустоты в набивке.
Продуктивность. Исследования скважины регулярно дают скин. Его медленный рост — засорение набивки или фильтра мелкими частицами, солями, продуктами коррозии; если инерционная часть растёт быстрее вязкой — закупорка части каналов с гравием (Влияние заканчивания на приток).
Режим. Даже за защитой ограничивают депрессию и скорость у фильтра: большая скорость ускоряет эрозию и вынос мелочи, а перепад на набивке растёт с дебитом быстрее, чем линейно.

Термины и обозначения

Ситовый анализ: рассев пробы песка на ситах с уменьшающейся ячейкой и построение накопленной кривой размеров зёрен.
$D_{10}$ , $D_{50}$ , $D_{90}$: размеры, крупнее которых 10, 50 и 90 % массы песка (отсчёт от крупных зёрен).
Коэффициент неоднородности $C$: $D_{40}/D_{90}$ ; до 3 — песок хорошо отсортирован, больше 5 — плохо.
Критерий Сосье: медианный размер гравия — в 5–6 раз больше медианного размера песка пласта.
Скважинный фильтр: труба с проницаемой стенкой — щелевая, проволочная, сетчатая, с предупаковкой или расширяемая.
Гравийная набивка: слой отсортированного гравия между фильтром и пластом в открытом или обсаженном стволе.
ГРП с гравийной набивкой: короткая широкая трещина с проппантом и набивка кольца вокруг фильтра за одну операцию.
Химическое крепление: скрепление зёрен пласта у скважины смолой без оборудования в стволе.
Испытание на удержание песка: прокачка жидкости с песком пласта через образец фильтра: сколько песка прошло и как растёт перепад давления.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Чем мельче щель фильтра, тем надёжнее защита».

На самом деле

Слишком мелкая щель задерживает и мелкие частицы, которые должны проходить: фильтр забивается, продуктивность падает, перепад на фильтре растёт и может его смять. Щель подбирают под гравий или, без гравия, под крупную часть песка с проверкой испытаниями.

Неверно

«Гравий покрупнее даст ту же защиту при большей проницаемости».

На самом деле

При отношении медианных размеров больше примерно 6 песок входит в поры гравия, и смесь становится менее проницаемой, чем сам пласт. В примере урока более крупный гравий 16/30 был бы вдвое проницаемее, но отношение 6,7 уже вне окна.

Неверно

«Для подбора гравия годится песок, вынесенный скважиной».

На самом деле

Вынесенный песок обогащён мелкими зёрнами и обломками и не представляет пласт. Подбор ведут по керну продуктивных прослоев, а если проб несколько — по самому мелкому из работающих прослоев.

Неверно

«Набивка закончена, раз давление выросло — значит, гравий закрыл фильтр».

На самом деле

Рост давления показывает лишь, что где-то образовалась пробка; ниже неё может остаться пустота. Уложенную массу сравнивают с расчётной (в примере урока — 80 %), а при недостаче проверяют набивку каротажем через фильтр.

Неверно

«В проницаемом пласте гидроразрыв не нужен — приток и так хороший».

На самом деле

Именно в проницаемом пласте набивка в колонне отнимает больше всего: её скин пропорционален $kh$ . Короткая широкая трещина с набивкой обходит и каналы с гравием, и повреждение: в примере урока продуктивность выросла в 1,7–2,4 раза по сравнению с набивкой в колонне.

Подробно: для продвинутых

Что показали опыты с песком и гравием

В опытах Сосье жидкость прокачивали через слой песка пласта в слой гравия и измеряли проницаемость гравия в начале и после долгой прокачки. Результат удобно описать отношением этих проницаемостей в зависимости от отношения медианных размеров гравия и песка. До отношения около 6 оно остаётся близким к единице: песок держится на границе. Между 6 и 15 оно падает — песок входит в гравий, и худшие смеси оказываются менее проницаемыми, чем сам песок пласта. При отношениях больше примерно 15 проницаемость гравия снова почти не меняется, но лишь потому, что песок проходит его насквозь и выносится в скважину.

Отсюда два вывода для практики. Гравий не должен быть крупнее окна: вред от вторжения песка больше, чем выигрыш от крупного зерна. И гравий не стоит брать намного мельче окна: при отношении 3–4 песок тоже удерживается, но проницаемость набивки, пропорциональная квадрату размера гравия, ниже в 2–4 раза, а мелкий гравий легче засоряется остатками жидкости намыва. Для неоднородных песков с большой долей мелочи окно смещают по испытаниям, а не по таблице.

Связь с другими темами

Пескопроявление: виды, прогноз и цена проблемы — почему пласт выносит песок, критическая депрессия и управление выносом без защиты.
Влияние заканчивания на приток — сколько продуктивности отнимают каналы с гравием в обсаженном стволе.
Размеры и проводимость трещины: проектирование — размеры трещины по числу проппанта — основа проектирования ГРП с набивкой.
Жидкости разрыва и гидроразрыв с остановкой роста трещины — как создают короткие широкие трещины, останавливая их рост по длине.
Заканчивание скважины: вскрытие пласта и лифтовая колонна — конструкции забоя: открытый ствол, хвостовик-фильтр, обсаженная колонна.
Горизонтальные скважины — заканчивание горизонтальных стволов фильтрами и устройствами контроля притока.
Буровые растворы: функции и свойства — растворы для вскрытия пласта, корка которых не забивает фильтр.
Повреждение пласта и скин повреждения — повреждение пласта при намыве гравия и глушении скважины.

Проверьте себя

1
По ситовому анализу $D_{40}$ = 0,22 мм, $D_{90}$ = 0,048 мм. Как отсортирован песок и что это значит для выбора защиты?
1. А.Хорошо отсортирован: подойдёт фильтр без гравия
2. Б.Умеренно отсортирован: скорее нужна гравийная набивка
3. В.По этим данным судить нельзя
4. Г.Плохо отсортирован: защита не нужна
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Умеренно отсортирован: скорее нужна гравийная набивка
$C = 0{,}22/0{,}048 \approx 4{,}6$ — между 3 и 5, песок умеренно отсортирован. Фильтр без гравия в таком песке рискует засориться мелкими зёрнами или пропускать песок, пока не сложатся своды; надёжнее гравийная набивка, а если всё же фильтр — то по испытаниям на удержание песка.
2
Медианный размер песка пласта 0,085 мм. Какой стандартный гравий подходит по критерию Сосье и какую щель фильтра взять под него?
Показать ответ
Окно — от $5\cdot0{,}085 = 0{,}43$ до $6\cdot0{,}085 = 0{,}51$ мм. Ближе всего гравий 30/50 с серединой 0,446 мм (отношение 5,2). Наименьшее зерно 30/50 — 0,297 мм, щель — 0,6–0,8 от него, то есть 0,18–0,24 мм; берут ближайший стандартный размер в этом диапазоне.
3
Почему гравий в набивке должен лечь плотно? Во сколько раз больше зерно пропустит пора рыхлой кубической упаковки, чем плотной?
Показать ответ
Через пору плотной упаковки проходит шар не крупнее $0{,}155D$ , через пору кубической — $0{,}414D$ , то есть в 2,7 раза крупнее. Рыхлая или с пустотами набивка пропустит песок, который плотная того же гравия удержала бы; поэтому гравий уплотняют при намыве, а набивку проверяют на пустоты.
4
При намыве набивки в колонне уложено 450 кг гравия при расчётных 380 кг. Как это понимать?
1. А.Фильтр разрушен
2. Б.Гравий ушёл в трубы, набивку надо повторить
3. В.Ошибка расчёта: больше расчётного уложить нельзя
4. Г.Хороший признак: гравий заполнил каналы и пустоты за колонной
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Хороший признак: гравий заполнил каналы и пустоты за колонной
Каналы и пустоты за колонной, особенно в пласте, уже выносившем песок, вмещают больше, чем дают их размеры. Избыток над расчётом говорит, что гравий дошёл туда, где он нужнее всего; тревожный признак — недостача.
5
Почему в высокопроницаемом слабом пласте ГРП с гравийной набивкой обычно даёт больше, чем набивка в колонне, хотя трещина короткая?
Показать ответ
Скин каналов с гравием пропорционален $kh$ пласта, поэтому в проницаемом пласте набивка в колонне теряет больше всего. Трещина обходит и каналы, и повреждённую зону, а приток к её плоскости идёт с малыми скоростями. В примере урока при 500 мД эквивалентный скин около −2,6 против +0,3…+3,3 у набивки в колонне.
6
Когда химическое крепление предпочтительнее механической защиты?
Показать ответ
Когда интервал короткий (несколько метров), песчаник чистый, с малым содержанием глины, и важно оставить ствол свободным — например, при ремонте скважины, начавшей выносить песок, без подъёма оборудования и без бригады капитального ремонта. В длинных, глинистых или неоднородных интервалах надёжнее механическая защита.

Обновлено: 10 октября 2026 г.