Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин

Для них характерно то, что раскрытие и густота трещин определяются мощностью и составом пород. Последнему подчинена и ориентация трещин.

Распределение тектонических трещин контролируется строением данного участка (месторождения). Эти трещины имеют повсеместное развитие и могут встречаться во всех видах пород. Состав их в значительной степени определяет частоту и ориентировку тектонических трещин отрыва.

Распределение экзогенных трещин подчинено как экзогенным факторам, так и литолого-тектоническим особенностям массива. Они, например, могут быть приурочены к слабым прослоям пород, тектоническим зонам и т.п.

Появление искусственных трещин в основном определяется инженерной деятельностью человека.

Поглощения промывочной жидкости, связанные с карстами, встречаются в районах распространения растворимых пород (карбонатных, сульфатных, отложений солей). При бурении в таких породах возможно вскрытие каверн, каналов, галерей, пещер, а также провалы бурового инструмента. В зависимости от локальности развития карста интенсивность поглощения может резко изменяться. Закарстованность пород затухает с глубиной.

Обобщенная классификация горных пород по степени сплошности, коэффициенту фильтрации и удельному водопоглощению (табл. 4) позволяет использовать данные гидрогеологических исследований скважин в районе (участке) для прогнозирования возможных поглощений промывочной жидкости при бурении на твердые полезные ископаемые. Она может служить также основой для выбора методов предупреждения и ликвидации поглощений, которые будут тем больше, чем больше водопроницаемость, трещиноватость или закарстованность пород.

Наиболее частые поглощения отмечаются обычно в зонах аномально низкого пластового давления (АНПД).

31

Таблица 4 Классификация горных пород по трещиноватости, закарстованности и степени водопроницаемости

Коэффициент фильтрации – величина, характеризующая водопропускную способность горной породы, являющаяся постоянной для определенной горной породы.

Представляет собой скорость фильтрации при напорном градиенте, равным единице, и выражается в м3/сут или л/с. Коэффициент фильтрации служит исходным параметром для всех фильтрационных расчетов. Коэффициент фильтрации определяется опытными откачками и нагнетанием воды, а также геофизическими и лабораторными исследованиями. Удельное водопоглощение горной породы – расход (л/мин) нагнетаемой в скважину воды, отнесенный к интервалу длиной 1 м и напору 1 м столба воды.

Технологические причины поглощений промывочной жидкости связаны с правильностью выбора конструкции скважины, выбором параметров промывочной жидкости, способа бурения, час-

32

тоты вращения бурового инструмента в скважине, соотношения диаметров долота, забойного двигателя и других элементов бурильной колонны, изменения перепада давления Р на пласт:

Р = Рст – Ргд – Рпл.

Гидростатическое давление Рст определяется весом столба промывочной жидкости. Гидродинамическое давление Ргд зависит от выполняемой технологической операции:

•при циркуляции промывочной жидкости;

•при пуске бурового насоса;

•при спуско-подъемных операциях.

Рост гидродинамического давления может оказаться особенно опасным (вызывающим поглощение), если гидростатическое давление близко кпластовому. Из практикибурения скважин на нефтьи газ известно, что для начала поглощения промывочной жидкости иногда достаточно развития репрессии напласт, равной 3,6·10–3 Па [15].

Поглощение промывочной жидкости может обусловливаться и гидроразрывом пласта, т.е. искусственным формированием каналов ухода (трещин) в первоначально монолитных породах или раскрытием ранее имевшихся трещин. Это происходит при условии:

Рст + Ргд > Рр,

где Рр – давление гидроразрыва пласта.

Образование трещин может значительно увеличить проницаемость породы как за счет емкости трещин, так и за счет улучшения гидродинамической характеристики пласта. Давление разрыва и направление развития трещин зависят от вертикального и бокового горного давления, наличия естественной трещиноватости, давления

впоровом пространстве, пористости и проницаемости горных пород, вязкости жидкости разрыва. В каждом конкретном случае существует определенное значение критического давления, при котором трещины открываются и резко возрастает проницаемость пласта. Уменьшение перепада давления ниже критической величины вновь приводит к смыканию трещин. Это необходимо учитывать при изоляционных работах. Чтобы тампонирующая смесь попала

втрещины, давление в процессе ее закачки должно быть больше давления раскрытия трещин.

33

Существует определенное значение давления, при котором иногда происходит не разрыв целиком породы, а лишь раскрытие существующих микротрещин по наиболее ослабленным участкам породы.

Необходимо отметить, что поглощения промывочной жидкости в результате гидравлического разрыва значительно легче не допускать, чем ликвидировать. Профилактические меры по предупреждению поглощений сводятся к регулированию свойств промывочной жидкости и выбору технологии проводки скважин, которые позволяют снизить гидростатическое и гидродинамическое давление на стенки скважины.

Для предотвращения гидроразрыва пласта требуется, чтобы суммарное давление (Рст + Ргд) было меньше давления гидрораз-

рыва Рр на 5–6 % [15].

Допустимую величину (Рст + Ргд) можно определить по формуле

(Рст + Ргд) = kσzHпл,

где k – коэффициент запаса, равный 0,90–0,95; σz – градиент горного давления, МПа/м; Нпл – глубина залегания пласта, м.

Основные причины поглощения заключаются в превышении давления в стволе скважины над пластовым давлением и давлением гидравлических сопротивлений в каналах поглощения вследствие излишней плотности бурового или тампонажного раствора и больших потерь давления в кольцевом пространстве при бурении или креплении колонн в проницаемых коллекторах или в интервалах образования трещин гидроразрыва пласта. Гидравлический разрыв пласта в связи с высоким давлением в скважине возможен при спуске бурильной или обсадной колонны, вызове циркуляции, креплении обсадных колонн, перекрытии кольцевого пространства при наличии циркуляции сальником или шламом.

34

2.1.2. Физико-геологическая сущность гидравлического разрыва пласта

Как было сказано выше давление разрыва и направление развития трещин зависят от вертикального и бокового горного давления, наличия естественной, искусственной трещиноватости, величины давления в каналах и порах, пористости, проницаемости горных пород и свойств жидкости разрыва.

Всякий разрыв пласта сопровождается одновременно тремя явлениями:

•упругой деформацией горных пород;

•движением вязкой жидкости или суспензии по каналу (трещине);

•фильтрацией жидкости в горных породах [18]. Гидравлический разрыв пласта в песчано-глинистых толщах на

небольших глубинах происходит при давлении столба бурового раствора, значительно меньшем, чем геостатическое давление. Давление ГРП возрастает с глубиной, достигая геостатического давления. Предполагается, что с глубиной под действием большого геостатического давления и высокой температуры породы становятся более пластичными и боковые составляющие напряжений приближаются к вертикальным, что может обусловить увеличение давления ГРП. Согласно этой точке зрения трещины гидроразрыва, образующиеся в пластах, должны быть преимущественно вертикальными. Образование горизонтальных трещин можно объяснить следующими причинами. Вскрытие скважиной глинистых пластов приводит к выдавливанию глин в скважину силами упругого сжатия их скелета и поровых вод. В результате этого напряжение в пластах вблизи скважины уменьшается. Из-за уменьшения влагонасыщенности глины с глубиной становятся менее пластичными и выдавливаются в скважину, где давление понижено по сравнению с горным массивом, поэтому первоначальное напряженное состояние горных пород в приствольной зоне скважины изменяется и давле-

35

ние ГРП с глубиной возрастает и приближается к геостатическому. Трещины в таком случае могут быть горизонтальными. На величину давления ГРП значительное влияние оказывают реологические свойства жидкости. Чем больше величина динамического напряжения сдвига (ДНС) и структурной вязкости жидкости, тем при меньших значениях давления возникает ГРП. Это происходит потому, что слабофильтруемые жидкости оказывают большое гидродинамическое давление на стенки каналов разрыва, чем менее вязкие и легкофильтруемые в породы жидкости.

Цементные и глинистые растворы по своим физическим, струк- турно-механическим свойствам в процессе движения по трещине разрыва значительно различаются между собой. Водоотдача цементного раствора может быть в десятки раз больше водоотдачи глинистого раствора. Цементные растворы в пористой, трещиноватой среде могут не только отфильтровывать свою, но и пропускать через себя постороннюю воду. При этом цементные растворы обладают свойством загустевать, схватываться.

Все эти свойства взаимосвязаны. Водоотдача цементных растворов, не обработанных химическими реагентами, очень высока. Она зависит от природы вяжущего вещества, удельной поверхности, условий, в которых они находятся, водоцементного отношения и других факторов. Опытами доказано, что через цементное тесто может профильтроваться такое количество воды, которое в несколько раз превышает его объем. В то же время общая потеря цементным раствором воды приводит к его быстрому загустеванию и схватыванию, создавая, таким образом, барьер, препятствующий проникновению раствора в трещину. Но так как закачка раствора продолжается, через образовавшийся барьер отфильтровываются все новые порции воды затворения, что может обусловить дальнейшее развитие тре-

щин [18].

Таким образом, ГРП может произойти как при бурении, так и при цементировании скважин.

36

На ГРП влияют и другие технологические факторы. Так, спуск бурильного инструмента в скважину с повышенной скоростью приводит к появлению дополнительного гидродинамического давления в стволе скважины. Это может стать причиной раскрытия трещин в породах и поглощения промывочной жидкости.

Таким образом, на давление ГРП влияют как геологические особенности горизонтов, так и технологические факторы.

Действующие при ГРП силы делятся на две группы: силы, вызывающие распространение трещин в горных породах, и силы, препятствующие этому процессу. К первым относятся: сила давления жидкости разрыва, сила, связанная с фильтрацией жидкости. Ко вторым относятся: силы сопротивления разрыву, сила бокового горного давления, силы молекулярного сцепления, гидравлические сопротивления при движении жидкости разрыва по трещине, сжимающие пласт тектонические напряжения.

В практических расчетах при бурении скважин величины давлений ГРП берут из геологической характеристики или определяют расчетным путем, используя следующие методики.

Давление гидроразрыва пород для проницаемых пород [7]

Ргрп = (1 ) (Рг – Рпл) + Рпл,

где Рг – горное давление, МПа; Рпл – пластовое давление, МПа; μ – коэффициент Пуассона.

При коэффициенте Пуассона, равном 0,25, можно применять следующую формулу:

Ргрп = 1/3(Рг – Рпл) + Рпл.

Осредняя плотность горной породы до 2600 кг/м3, можно использовать упрощенную формулу

Ргрп = 0,0083Нпл + 0,66Рпл,

где Нпл – глубина залегания пласта, м.

37

Величины давления ГРП используются:

при проектировании конструкции скважины для определения зон с совместимыми условиями бурения;

при определении плотности бурового и тампонажного растворов, расчете допустимой скорости спуска бурильных и обсадных колонн, глубины установки муфты ступенчатого цементирования, режима крепления обсадной колонны, глубины установки башмака технической обсадной колонны, на которую ставится противовыбросовое оборудование.

2.1.3. Признаки поглощения

Признаки поглощения бурового и тампонажного растворов можно подразделить на прямые и косвенные. При поглощении расход жидкости на выходе из скважины меньше, чем на входе, уровень жидкости в приемных емкостях уменьшается. Однако эти прямые признаки поглощения могут четко не проявиться, если в скважине одновременно с поглощением происходит проявление.

При разбуривании интервалов поглощения возможны провалы инструмента и увеличение механической скорости бурения, ухудшение выноса шлама, его локальные скопления в стволе скважины с последующими заклиниваниями и зависаниями инструмента в местах скопления шлама. Это все косвенные признаки поглощения. Косвенными признаками межпластовых перетоков могут служить изменения плотности бурового раствора и его свойств, состава ионов.

В крупнотрещиноватом коллекторе возможно поглощение тампонажного раствора вместе с твердой фазой. Признаком такого гидродинамического взаимодействия может служить уменьшение давления при продавке цементного раствора.

При поглощении буровой раствор перенасыщается шламом. На забое образуется осадок шлама, а также локальные скопления его в стволе скважины выше забоя, что способствует сальникообразованию, затяжкам и прихватам инструмента. Вследствие снижения

38

противодавления возможно развитие осыпей и обвалов стенок скважины, газо-, водо-, нефтепроявлений. При этом увеличивается расход раствора, материалов, химических реагентов, снижается скорость бурения.

При неизолированном поглощающем пласте значительно затрудняется достижение заданной высоты подъема цементного раствора, увеличивается его расход. Борьба с поглощением связана с расходом времени, средств, материалов, обсадных труб и в конечном итоге приводит к увеличению сроков сооружения скважины и повышению ее стоимости.

Для разработки мероприятий по предупреждению поглощений буровых и тампонажных растворов, а также изоляции поглощающих горизонтов, или по уменьшению степени интенсивности поглощения необходимо знать следующие характеристики поглощающих объектов:

•границы (мощность зоны поглощения);

•пластовое давление, интенсивность поглощений;

•взаимодействие пластов – межпластовые перетоки;

•тип коллектора, размер и форму поглощающих каналов;

•местоположение изменения диаметра ствола скважины (сужения, каверны);

•возможность других осложнений, их интервалы (обвалы, проявления);

•давление гидроразрыва пород;

•тип и свойства флюида, содержащегося в каналах поглощения. Изучение зон поглощений проводится с помощью специальных

исследований в скважине, выполняемых буровым предприятием на имеющихся на буровой установке приборах. Это оперативный вид контроля.

При этом определяются:

•параметры промывочной жидкости;

•положение статического и динамического уровней;

•объем промывочной жидкости в циркуляционной системе;

39

•скорость восходящего потока промывочной жидкости;

•количество промывочной жидкости, входящей и выходящей из скважины;

•изменение давления на насосах;

•содержание газа в буровом растворе (газопоказания);

•контроль процесса углубления скважины.

Кроме оперативного вида контроля применяют специальные виды исследования – промыслово-геофизические и гидродинамические.

2.1.4. Геофизические методы исследования скважин

Кавернометрия. По кавернограмме можно определить степень разрушения прискважинной части поглощающего пласта. Однако поглощения не всегда приурочены к расширенным участкам ствола скважины. Если полное поглощение бурового раствора сопровождается провалом инструмента, то по кавернограмме можно оценить сложность проведения изоляционных работ.

Термокаротаж позволяет найти границы поглощающих пластов. Этот метод основан на использовании естественного теплового поля Земли. Суть метода заключается в следующем. Скважину на некоторое время оставляют в покое. После выравнивания значений температуры бурового раствора и окружающих пород производят контрольный замер температуры в скважине. Затем в нее закачивают буровой раствор. При этом часть его из верхней части ствола скважины уйдет взону поглощения. Поскольку температура закачиваемого раствора обычно более низкая, снизится и температура раствора, расположенного в интервале над поглощающим пластом. Температура раствора ниже поглощающей зоны не изменится. На термограммах напротив поглощающего горизонта выделится зона пониженных температур. Для этой цели используется записывающий термометр.

Резистивиметрия позволяет определить положение зоны поглощения по изменению удельного сопротивления раствора до и

40