Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин

Таблица 22

Значения коэффициента бокового давления для некоторых разновидностей горных пород

Исследование горных пород, находящихся в сложно-напряжен- ном состоянии, показывает, что при длительном действии нагрузок породы подвержены ползучести и склонны к релаксации напряжений. Эти явления проявляются с ростом глубины, увеличением температуры пород у глин, глинистых сланцев, песчанистых глин, аргиллитов, ангидрита, супесей, каменной соли.

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих процессы, протекающие в материалах при приложе-нии к ним нагрузок. Во время бурения скважин, при СПО, вызове и остановке циркуляции, во время начала вращения бурильной колонны происходят колебания давления в стволе скважины. Величина этих значений давления может быть значительно больше или меньше давления промывочной жидкости в статическом состоянии. Экспериментальными исследованиями установлено, что многократно повторяющиеся колебания давления приводят к преждевременному разрушению горных пород на стенках скважины вследствие развития усталостных явлений. Прочность горных пород снижается со временем. Установлено, что прочность высокопластичных и хрупких пород за время бурения скважины может снижаться на 10–15 % [10].

131

Снижение прочности горной породы также происходит при периодическом колебании температуры на стенках скважины. Важным фактором, способствующим нарушению устойчивости стенок скважины, является физико-химическое взаимодействие пород с фильтратом промывочной жидкости.

Отмечается еще ряд причин нарушения устойчивости стенок скважины:

механическое разрушение стенки скважины при многократном контакте с бурильной колонной;

низкие прочностные свойства горных пород вследствие дефектности структуры и перемятости;

высокие скорости циркуляции промывочной жидкости, ускоряющие эрозию пород.

В табл. 23 приведены разновидности нарушения целостности стенок скважины с указанием характерных признаков по принадлежности к типу вскрываемых пород и последствий.

132

Продолжение табл. 23

133

2.2.1. Осыпи и обвалы горных пород

Осыпи – медленно текущий процесс разрушения стенок скважины. В процессе бурения могут обнаруживать себя только с ростом плотности и вязкости бурового раствора из-за повышения содержания твердой фазы.

134

Обвалы – быстротекущий процесс разрушения стенок скважины. В ствол скважины в течение короткого промежутка времени попадает большая масса горной породы.

При обвалообразовании могут произойти:

скачки давления на буровых насосах;

затяжки и посадки при движении бурильной колонны;

недохождение долота до забоя после его замены или наращивания;

прихват бурильной колонны осевшим шламом при недостаточной интенсивности промывки скважины или остановке циркуляции;

полное перекрытие кольцевого пространства;

кавернообразование.

Осыпи и обвалы происходят при бурении уплотненных глин, глинистых сланцев и аргиллитов. На процессы разрушения стенок скважины значительно влияют геологические факторы: большие углы падения пластов, пористость, трещиноватость, газо- и водонасыщенность пород. Геологические факторы не поддаются регулированию, хотя их надо учитывать при определении причин каверно- и обвалообразования и разработке методов предупреждения и борьбы с этими осложнениями.

К одной из основных причин обвалов, осыпей относят набухание и размокание глинистых пород [11].

В процессе циркуляции происходит увлажнение горной породы буровым раствором или его фильтратом. В результате увлажнения снижается прочность уплотненной глины, аргиллита или глинистого сланца. Проникновение свободной воды, которая содержится в больших количествах в растворах, приводит к набуханию и размоканию глинистых пород. При этом скорость распада глин обусловливается величинами степени гидратации глинистых частиц и скорости гидратации массы глин, которая почти равнозначна скорости диффузии воды.

Одним из серьезных последствий осыпей и обвалов является образование каверн в стволе скважины.

135

Каверна – участок ствола скважины, имеющий диаметр, превышающий номинальный диаметр ствола скважины на определенном интервале. Наличие каверн в стволе скважины значительно осложняет процесс строительства скважины по следующим причинам:

затрудняется вынос выбуренной породы на дневную поверхность, так как в интервале каверны падает скорость восходящего потока бурового раствора;

возможен слом бурильного инструмента при попадании в каверну наклонно направленного ствола скважины;

большая кавернозность ствола скважины затрудняет точное определение объема кольцевого пространства и требует повышенного расхода тампонажного раствора;

значительная по размерам каверна 35–50 см диаметром может стать местом хранения посторонних предметов, упавших сверху или пришедших с забоя скважины, с последующим их выпадением в открытый ствол и заклинкой бурильной или обсадной колонны;

при креплении обсадных колонн в интервале каверн не происходит полного замещения бурового раствора тампонажным раствором, что значительно снижает качество цементного камня, а в некоторых случаяхприводит к его полному отсутствию.

Определение фактического диаметра скважины позволит выявить участки нахождения каверн в стволе скважины. На основании полученной диаграммы можно получить фактический профиль ствола скважины перед спуском обсадных колонн, точно определить объем скважины и кольцевого пространства, высоту подъема тампонажного раствора, глубину установки муфты ступенчатого цементирования (МСЦ), центраторов, скребков. Для определения фактического диаметра скважины применяют специальные прибо- ры-каверномеры и профилемеры, с помощью которых записывают кривую, характеризующую профиль ствола скважин, которая называется кавернограммой.

136

2.2.2. Мероприятия по повышению устойчивости стенки скважины

При бурении в неустойчивых породах и пластичных глинах целесообразно применять ингибированные буровые растворы. Растворы этого типа снижают интенсивность перехода выбуренной породы в глинистый раствор и повышают устойчивость стенки скважины. В состав раствора входит неорганический электролит или полиэлектролит. Уменьшение размокаемости и диспергирования выбуренных частиц горной породы происходит за счет [12]:

ввода в суспензию электролита;

добавки солей поливалентных металлов, переводящих растворы в гидроокиси;

обработки высокопрочными соединениями, увеличивающими глиноемкость буровых растворов;

использование модифицированных сульфатов;

обработки раствора полимерными соединениями.

Все буровые растворы ограниченно термостойки, и чем выше коллоидность разбуриваемых пород, тем ниже термостойкость раствора. Надо учитывать, что химические фрагменты-стабилизаторы в высокощелочной среде работают хуже.

Алюминатные растворы – это буровые глинистые промывочные растворы из кальциевой глины, которые содержат ингибирующую добавку – высокощелочной алюминат натрия, стабилизированный лигносульфонатами. Алюминатные растворы бывают пресными и соленасыщенными. Пресные используют для разбуривания глинистых отложений в условиях невысоких (до 100 °С) забойных температур. В качестве реагента-стабилизатора используют только сульфитно-спиртовую барду (ССБ), применяемую совместно с алюминатом натрия. Алюминатные глинистые растворы (АлГР) обладают устойчивостью в широком диапазоне хлорнатриевой минерализации и небольшими показателями фильтрации.

Известковые растворы с высоким рН – это сложные много-

компонентные системы, включающие кроме глины и воды четыре

137

обязательных компонента: известь, каустик, понизитель вязкости, защитный коллоид. В их состав также могут входить нефть или дизельное топливо, утяжелитель и различные добавки специального назначения.

Известковые растворы используют при разбуривании высококоллоидных глинистых пород и аргиллитов. В результате применения известковых растворов повышается их глиноемкость, снижаются пептизация выбуренной глины, набухание и вспучивание сланцев, слагающих стенки скважины, уменьшается опасность прихватов.

Известковые растворы имеют ограниченную солестойкость (до

5 % по NaCl).

Основной недостаток известковых растворов – невысокая термостойкость (100–120 °С).

На приготовление 1 м3 известкового раствора (в пересчете на сухое вещество) требуется (в кг): глины 80–120, УЩР 5–10, лигносульфоната 50–30, каустика 5–3, воды 913–915, утяжелителя – до получения раствора требуемой плотности.

Снижение фильтрации достигается добавками 1–3 кг/м КМЦ (или гипана) или 20–30 кг/м3 КССБ-4.

Значения показателей растворов могут изменяться в широких пределах.

Безглинистые солестойкие растворы (БСК) состоят из буро-

го угля, каустической соды, воды и гидроксида поливалентного металла; применяются при проводке скважин, осложненных наличием хемогенных отложений, осыпающихся и склонных к обвалам терригенных пород.

Крепящее действие основано на образовании в определенных температурных условиях нерастворимых в воде цементирующих веществ – гидросиликатов и гидроалюминатов двухвалентных металлов.

Крепящий эффект раствора БСК лучше проявляется при достаточно высокой концентрации каустической соды (не менее 0,2 %) и избытке в жидкости нерастворенного гидроксида двухвалентного металла – Са(ОН)2, Ва(ОН)2 и др.

138

Недостатки этих растворов – низкая термостойкость и высокая щелочность.

Кальциевые растворы – ингибирующие глинистые промывочные растворы, содержащие кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов – понизителей вязкости, фильтрации и регуляторов щелочности специальные вещества, носители ионов кальция.

Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.

Известковый раствор с низким рН – кальциевый буровой раствор, содержащий в качестве ингибитора – носителя ионов кальция гидроксид кальция, более высокая растворимость которого обеспечивается пониженным значением рН раствора (9,0–9,5), предназначен для разбуривания глинистых отложений; термостоек до 160 °С.

Хлоркальциевый раствор (ХКР) – ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция.

Установлено, что оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3000–5000 мг/л.

Хлоркальциевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Присутствие в фильтрате бурового раствора ионов кальция способствует значительному сокращению осыпей и обвалов при разбуривании неустойчивых аргиллитоподобных отложений.

Из-за отсутствия эффективных кальциестойких реагентов термостойкость раствора ограничена (100 °С).

Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчивых глинистых сланцев. Существует ряд разновидностей калиевых растворов, различающихся составом и некоторыми свойствами.

Хлоркалиевые растворы содержат в качестве ингибирующего электролита хлорид калия, а в качестве регулятора щелочности – гидроксид калия.

139

Раствор предназначен для эффективного повышения устойчивости стенок скважины при бурении в неустойчивых глинистых сланцах различного состава.

Калиево-гипсовый раствор содержит в качестве ингибирующих электролитов соединения калия и кальция, в частности гипс.

Калиево-гипсовые растворы используют для разбуривания высококоллоидальных глин, когда хлоркалиевый раствор недостаточно эффективен. Термостойкость зависит от используемого защитного реагента, но не превышает 160 °С.

Показатели раствора: плотность 1,08–2,2 г/см, условная вязкость 20–30 с, показатель фильтрации 4–8 см3/30 мин, CHC1 = = 6…36 дПа, СНС10 = 12…72 дПа, рН = 8…9.

Кроме бурения с применением ингибирующих буровых растворов в качестве профилактических мер при осыпании и обвалообразовании рекомендуется выполнение следующих мероприятий:

организация буровых работ, обеспечивающих максимальные скорости проходки;

использование буровых растворов, имеющих высокую плотность и минимальную водоотдачу;

бурение скважины возможно меньшего диаметра;

обеспечение скорости восходящего потока бурового раствора не менее 1,5 м/с;

регламентирование скорости спуско-подъемных операций.

2.2.3. Профилактические мероприятия по предупреждению набухания горных пород

Явление набухания происходит при разбуривании уплотненных глин. Набуханием называется приращение объема частиц диспергированных материалов. Набухание – процесс поглощения дисперсной среды дисперсной фазой, сопровождаемый увеличением объема последней. Увеличение объема глинистых минералов и пород при набухании обусловлено процессами мономолекулярного адсорбционного слоя, протекающего с выделением теплоты. Набухание также сопровождается развитием давления, называемого

140