Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин

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):

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

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):

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

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

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