Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин
..pdfПример № 3 ..................................................................................... |
364 |
Пример № 4 ..................................................................................... |
364 |
Пример № 5 ..................................................................................... |
365 |
Пример № 6 ..................................................................................... |
366 |
Пример № 7 ..................................................................................... |
366 |
Пример № 8 ..................................................................................... |
367 |
Пример № 9 ..................................................................................... |
367 |
Пример № 10 ................................................................................... |
369 |
Пример №11 .................................................................................... |
371 |
6. Некоторые справочные материалы и данные |
|
для практических расчетов............................................................... |
374 |
Список литературы............................................................................ |
378 |
11
ВВЕДЕНИЕ
Проводка глубоких скважин обусловлена неопределенностью информации о горно-геологических условиях бурения, включающих необходимые с позиции бурения сведения о горных породах и флюидах в их естественном состоянии. Сведения о горногеологических условиях бурения накапливаются и формируются постепенно.
Бурение первых разведочных скважин на площади, которая признана перспективной для поиска нефти и газа на базе геофизических изысканий, структурно-поискового бурения, проводят в условиях предположительной информации о геологическом разрезе. Степень надежности информации возрастает по мере увеличения количества пробуренных скважин, уровня проведенных в них исследований и качества обработки полученных данных. И, как правило, убывает с увеличением глубины залегания горных пород.
Исходя из этого даже при достаточно высоком уровне технологии бурения могут возникнуть непредвиденные ситуации, когда
вкакой-то части геологического разреза его фактические характеристики не соответствуют техническим регламентам проекта, что вызывает так называемое осложнение, т.е. нарушение нормального процесса строительства скважин.
Осложнения в бурении могут усугубляться организационными причинами: низким уровнем технологии, недостаточным и несвоевременным обеспечением качественными инструментами и материалами, низкой квалификацией и исполнительской дисциплиной оператора буровой бригады.
Осложнения заметно снижают темпы строительства скважины и увеличивают ее стоимость.
Сувеличением глубины скважин, ростом объемов бурения
всложных климатических условиях Крайнего Севера, Арктического шельфа, Прикаспия будут расти требования к результативности методов предупреждения и ликвидации осложнений.
12
В структуре баланса времени бурения скважин осложнения выделены в отдельную статью. Затраты времени на ликвидацию осложнений в отдельных районах различны и могут достигать десятки часов на тысячу метров проходки. Затраты на ликвидацию осложнений геологического характера оплачивает заказчик на основании исполнительных сметных расчетов, представленных подрядчиком – буровым предприятием.
13
1.ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
ВОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ
1.1.Горно-геологические условия бурения
Горно-геологические условия дают информацию о составе, строении и физико-механических свойствах горных пород и пластовых флюидов по разрезу скважины. Под горно-геологическими условиями понимают:
стратиграфический разрез скважины с указанием глубины залегания каждого стратиграфического подразделения, азимута и угла падения пласта по подошве;
тектоническую характеристику разреза;
физико-механические свойства пород;
состав и свойства пластовых флюидов;
баротермические условия по разрезу скважины;
интервалы возможных осложнений.
1.2. Физико-механические свойства горных пород
Плотность горной породы ρг (кг/м3) – масса единицы объема твердой фазы минерала или породы (табл. 1):
г |
|
|
m |
|
, |
|
|
|
V1 |
|
|||
|
|
|||||
|
1 |
V2 |
|
|||
|
|
|
V2 |
|
|
где m – масса образца породы в сухом виде, кг; V1 – объем пустот и пор в горной породе, м3; V2 – общий объем породы, м3.
Объемная масса горных пород ρ (кг/м3) – масса единицы объ-
ема сухой породы при данной пористости в ее естественном состоянии.
14
Таблица 1
Значения плотности некоторых горных пород
№ п/п |
Горная порода |
Плотность (кг/м3) |
1 |
Алевролиты |
2650–2730 |
2 |
Ангидриды |
2300–2400 |
3 |
Аргиллиты |
2600–2780 |
4 |
Гипсы |
2200–2300 |
5 |
Глинистые сланцы |
2800–3000 |
6 |
Глины |
2620–2750 |
7 |
Доломит |
2750–2880 |
8 |
Известняки |
2700–2740 |
9 |
Пески |
2640–2660 |
10 |
Песчаники |
2600–2800 |
11 |
Соль каменная |
2120–2220 |
Прочность – это способность горной породы противостоять разрушению от действия внешних сил. Прочность горной породы характеризуется величиной предельных напряжений, которые могут быть созданы в опасном сечении. Прочность на одноосное сжатие σсж (МПа, кг/см2) – напряжение, при котором горная порода начинает разрушаться, существенно зависит от минералогического и петрографического состава породы. От величин σсж зависит энергия, расходуемая на разрушение породы.
Твердость – способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в него другого тела. Мерой твердости горных пород является величина контактного давления, при которой напряжения достигают пределов текучести.
В горном деле под абразивностью горных пород понимают их способность изнашивать контактирующий с ними породоразрушающий инструмент.
Под изнашиванием понимается изменение формы и размеров инструмента или детали в процессе контакта с горной породой. В результате изнашивания отделяются частицы твердого тела – происходит износ.
15
В технике используется два показателя изнашивания:
• скорость изнашивания – износ в единицу времени: a wt ,
где w – степень износа, в любых единицах; t – время контакта твердых тел;
•интенсивность износа – износ, приходящийся на единицу работы трения.
Показатели изнашивания зависят от большого числа факторов:
•свойств среды, в которой происходит изнашивание;
•свойств трущихся поверхностей (шероховатость, соотношение твердостей контактирующих тел);
•режима трения.
Среда характеризуется смазывающей и охлаждающей способностями. Породоразрушающие инструменты, элементы бурильной колонны, забойные двигатели работают в воде и водных растворах, в средах углеводородных жидкостей, в различных видах эмульсий.
Абразивность зависит от минералогического состава и строения горной породы. Отмечается тенденция увеличения абразивности с ростом микротвердости породообразующих минералов.
Под деформированием горной породы понимается процесс из-
мененияразмеров илиформыееобразца под действием внешних сил. Деформация – это относительная величина изменения разме-
ров или формы тела.
Горные породы способны деформироваться в пределах упругости и иметь пластические (остаточные) деформации.
Обратимой (упругой) деформация называется, если при снятии внешних сил (нагрузок) размеры и форма образца горной породы полностью восстанавливаются.
Необратимой (пластической) деформация называется, если при снятии внешних сил форма и размеры образца горной породы не восстанавливаются.
16
Упругостью горной породы называется ее способность изменять формы и объем под действием внешних сил (нагрузок) и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.
Пластичностью горной породы называется ее способность изменять форму и объем под воздействием внешних сил и сохранять состояние деформации после устранения воздействия.
Горные породы, которые при нагружении могут одновременно проявлять упругую и пластическую деформации, также являются идеально упругими или пластическими телами. Минералы деформируются в большинстве случаев как упругохрупкие тела: их разрушение характеризуется моментом, когда напряжение достигнет предела упругости.
Модуль продольной упругости E (модуль Юнга), Н/см2, ха-
рактеризует упругие свойства пород, т.е. сопротивляемость твердого тела упругой деформации при сжатии или растяжении, и является отношением нормального напряжения σ к соответствующему относительному удлинению (или упрочнению) ε при одноосном растяжении (или сжатии):
E |
|
|
|
, |
|
|
l / l |
||||
|
|
|
где l – первоначальная длина твердого тела;
l – абсолютное удлинение при растяжении или абсолютное упрочнение при сжатии;
ε– относительнаяпродольнаядеформация, безразмернаявеличина. Чем выше значение Е, тем большее сопротивление порода оказывает в процессе бурения и тем лучше она разрушается ударными
нагрузками.
Для стали E изменяется от 2·107 до 2,2·107 Н/см2, для дерева E = 106 Н/см2, для горных пород E изменяется от 105 до 107 Н/см2. При определении твердости породы по Л.А. Шрейнеру (штампе) по величине деформации образца можно определить величину модуля продольной упругости по формуле
17
E м (1 2 ) , d
где ρм – нагрузка для какой-либо точки экспериментальной кривой
вупругой области, Н;
ε– соответствующая деформация образца породы, см;
– коэффициент Пуассона;
d – диаметр опорной поверхности штампа, см.
Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуас-
сона) является отношением относительной поперечной деформации ε1 и относительной продольной деформации ε при растяжении или сжатии
1 / .
Значение величины коэффициента Пуассона необходимо
при определении коэффициента бокового распора для различных горных пород, определения модуля продольной и поперечной упругости и др.
Коэффициент Пуассона для различных твердых тел изменя-
ется от 0 до 0,5; для стали от 0,25 до 0,33; каучука 0,47; для горных пород от 0,10 до 0,45 (табл. 2).
Таблица 2 Значения коэффициента Пуассона для различных пород
№ п/п |
Горные породы |
Коэффициент |
|
Пуассона |
|||
|
|
||
|
|
|
|
1 |
Сланцы глинистые |
0,10–0,20 |
|
2 |
Глины плотные |
0,25–0,35 |
|
3 |
Граниты |
0,26–0,29 |
|
4 |
Известняки |
0,28–0,33 |
|
5 |
Песчаники |
0,30–0,35 |
|
6 |
Каменная соль |
0,44 |
18
Жесткостью горной породы называется отношение нагрузки P, действующей на пуансон при его вдавливании, к деформации δ породы, которая вызвана этой нагрузкой:
P .
Разрушение – разрыв связей в образце горной породы. Разрушение называется хрупким, если необратимая деформация, предшествующая разрушению, практически отсутствует. Пластическое разрушение характеризуется значительной пластической деформацией, предшествующей разрушению.
Анизотропия горной породы – это различные значения физических свойств (прочности, твердости, проницаемости и т.д.) горной породы по различным направлениям.
Пористость горных пород. Под пористостью горной породы понимают наличие в ней пустот (каверн, пор, трещин), не заполненных твердым веществом. Пористость определяет способность горной породы вмещать в себя жидкости, газы и их смеси.
Породы обычно характеризуются пористостью и коэффициентом пористости.
Коэффициент пористости – отношение объема пор образца породы к видимому объему образца:
m Vп , Vо
где m – коэффициент пористости; Vп – объем пор образца породы; Vо – объем образца породы.
Пористостью называется отношение объема пор образца породы к объему образца, выраженное в процентах:
m1 Vп 100 %.
Vо
Открытая пористость – отношение объема связанных (неизолированных) между собой пор, по которым могут передвигаться жидкости и газы к объему образца:
19
По Vо.п 100 %,
Vо
где По – открытая (эффективная) пористость;
Vо.п – объем открытых (сообщающихся между собой) пор; Vо– объем образца.
Пористость зависит от формы и размера зерен, степени их уплотнения и неоднородности (табл. 3).
Таблица 3
Значения пористости некоторых горных пород
№ п/п |
Горная порода |
Пористость (%) |
1 |
Глины |
6,0–50,0 |
2 |
Глинистые сланцы |
0,5–1,4 |
3 |
Пески |
6,0–52,0 |
4 |
Песчаники |
3,5–29,0 |
5 |
Известняки, доломиты |
0,5–35,0 |
С увеличением глубины залегания горных пород их пористость
вбольшинстве случаев снижается. Причина– рост горного давления. Карбонатные породы характеризуются наличием трещин и оце-
ниваются коэффициентом трещиноватости.
Гранулометрический состав – характеристика горной породы, от которой во многом зависят такие свойства, как пористость, проницаемость, удельная поверхность, капиллярные свойства, а также количество остающейся в пласте нефти в виде пленок, покрывающих поверхность зерен. Гранулометрический состав – это количественное содержание в горной породе разных по размеру зерен (в % для каждой фракции).
Проницаемость горных пород является важнейшим параметром, характеризующим коллекторские свойства горных пород. Этот параметр широко используется в понимании механизма поглощения промывочных и тампонажных жидкостей при бурении и креплении скважин. Проницаемостью горной породы называется
20