книги из ГПНТБ / Мищевич, В. И. Гидродинамические исследования поглощающих пластов и методы их изоляции
.pdfВ.И.Мищевич
Гидродинамические
исследования
поглощающих
пластов и методы их изоляции
МОСКВА-НЕДРА -1974
УДК (622.24 : 533.5).0011'С |
Гос. пуб |
1 |
|
|
|
научно— |
|
------- |
V* |
ЧИТА ЛЬНС |
|
у^ |
ч -г - |
|
|
Мищевич В. И. Гидродинамические исследования погло щающих пластов и методы их изоляции. М., «Недра», 1974. 208 с.
В книге рассмотрены физико-геологические и тех нологические причины поглощения промывочных раство ров. Подробно изложены вопросы исследования пла стов, поглощающих промывочные растворы. Дана мето дика решения задачи взаимодействия поглощающих пластов с одинаковыми и различными приведенными пластовыми давлениями. Рассмотрены установившийся и неустановившийся режимы течения жидкости в пори стых средах. Описаны основы теории фильтрации жид кости в поглощающих пластах, представленных пори стыми, трещиноватыми и кавернозными породами. Приведена методика расшифровки данных гидродинами ческих исследований для определения основных пара метров поглощающих горизонтов.
Дано теоретическое обоснование методов изоляции зон поглощения на основе данных гидродинамических исследований. Рассмотрены методы и средства для проведения изоляционных работ, методика расчета процесса изоляционных работ и описаны основные там понирующие материалы.
Книга предназначена для научных инженерно-тех нических работников, занимающихся вопросами бурения нефтяных и газовых скважин.
Табл. 38, ил. 64, список лит. — 60 назв.
М30803—548 269—74 |
© Издательство «Недра», 1974 г. |
043(01)—74 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из резервов повышения технико-экономических показате лей в бурении является снижение затрат на борьбу с поглоще ниями промывочного раствора. Ежегодные затраты на ликвида цию осложнений при бурении нефтяных и газовых скважин толь ко по Министерству нефтяной промышленности составляют более 500 тыс. ч, или 5—6% всего времени, затрачиваемого на проход ку. Более половины этих затрат приходится на борьбу с погло щениями промывочных растворов.
Для районов Урало-Поволжья поглощение растворов является основным видом осложнений. Ежегодные затраты на их ликвида цию по Татарии, Башкирии и Куйбышевской области составляют более 100 тыс. ч.
При бурении глубоких скважин поглощения промывочных ра створов часто сопровождаются другими осложнениями (нефтегазопроявление, обвалы, осыпи стенок скважины, прихваты). Высо кие давления и температура значительно осложняют методы борьбы с поглощениями.
Обоснованный выбор методов и средств предупреждения и ликвидации поглощений (регулирование параметров растворов, изменение технологии проходки скважи^ с целью снижения гид родинамических давлений на стенки скйажины, определение каче
ства |
и состава тампонирующих смесей 1ш технологии изоляцион |
ных |
работ) возможен только при учете геологического строения |
поглощающих пластов, их приемистости, мощности, глубины за легания и др. Эти данные могут быть получены только в резуль тате проведения специальных исследований в процессе бурения скважин. За последние годы накоплен значительный опыт по комплексным исследованиям поглощающих горизонтов при ис пользовании различных методов: геофизических, гидродинамиче ских, глубинного фотографирования, отбора керна и др.
Наиболее распространенными и надежными являются гидро динамические методы исследования. Однако установить зависи мость между характером изменения индикаторной прямой и раз мером каналов фильтрации весьма сложно. Основные причины этого заключаются в большом разнообразии данных о поглощаю щем пласте, сложной гидродинамической взаимосвязи между от дельными пластами и пропластками, различных гидростатиче ских давлениях в пластах и пропластках. Поэтому обработка
1* 3
данных без учета всех факторов, влияющих на характер индика торных кривых, не приводила к желаемым результатам.
Наиболее объективным критерием оценки состояния скважи ны является коэффициент приемистости поглощающего пласта, который зависит от проницаемости пласта, его мощности, радиу са скважины, размеров трещин и каверн в пласте, инерционных сопротивлений и др. Зная величину коэффициента приемистости пласта, можно правильно выбрать наиболее эффективный метод борьбы с поглощениями, подобрать соответствующие тампонаж ные смеси или регулировать параметры промывочных растворов.
Несмотря на разнообразие разработанных рецептов тампони рующих смесей на основе цементов, гипса или макромолекулярных соединений, в основном применяют смеси на основе мине ральных вяжущих. Опыт борьбы с поглощениями промывочных растворов показал, что наиболее перспективными являются там понирующие смеси на основе макромолекулярных соединений, например гидролизованного полиакрилонитрила и растворов со лей поливалентных металлов. Эти тампонирующие смеси дают хороший результат при изоляции зон поглощений в трещинова тых отложениях. Эффективность перекрытия поглощающих кана лов повышается, если в тампонирующую смесь вводить наполни тели различных типов: хлопьевидные, волокнистые или грануляр ные. Кроме того, изоляционные работы следует проводить только в одном пласте, если же вскрыто несколько поглощающих пла стов, то необходимо применять пакеры для разобщения поглощаю щих пластов.
Разнообразие геолого-технических условий проходки скважи ны в каждом районе обусловило применение различных способов предупреждения и борьбы с поглощением промывочных и це ментных растворов. В работе обобщены результаты гидродинами ческих исследований при бурении скважин в районах Урало-По- волжья. Однако технология изрляции зон поглощений и техни ческие средства, которые приводятся в книге, могут быть исполь зованы во всех нефтяных районах с учетом их геологических особенностей.
Глава I Физико-геологические причины поглощений
промывочных растворов при бурении скважин
§ 1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРОВ
Поглощение промывочных растворов является |
следствием |
пре |
||||
вышения давления |
в стволе скважины (гидростатического и гид |
|||||
родинамического) |
в процессе |
ее проходки |
над. |
давлением |
газа |
|
или жидкости, содержащихся |
в трещинах, |
кавернах |
или |
порах |
||
пород. В результате этого промывочные |
растворы, |
преодолевая |
местные гидравлические сопротивления, будут проникать в тре щины, каверны и поры пород. Снижение давления в скважине по сравнению с пластовым приводит к движению жидкости из пла ста в скважину. Поэтому поглощение и проявление являются следствием влияния создаваемого перепада давления на прони
цаемые пласты.
Поглощение промывочных растворов наиболее интенсивно при прохождении трещиноватых и кавернозных пород [50], а также при разбуривании пористых пластов продуктивных горизонтов. Поглощение вызывается как геологическими, так и технологиче скими причинами. В первом случае пластовое давление в зоне поглощения ниже нормального (гидростатического, создаваемого весом столба пресной воды). Во втором случае повышение дав ления в стволе скважины обусловлено возникновением дополни тельных гидродинамически# сопротивлений при выполнении раз личных операций в процессе бурения скважины: спуск и подъем бурильной колонны, проработка ствола, восстановление циркуля ции, спуск обсадных колонн, их цементирование, применение про мывочных растворов с повышенными значениями плотности, вяз кости, статического напряжения сдвига и т. д.
Поглощение происходит при вскрытии пластов с естественны ми и искусственными каналами фильтрации и при перепаде дав лений в скважине и пласте, выражающемся зависимостью
|
Ар |
= Рх + р2 — р3, |
|
|
где |
р \— давление столба |
промывочного |
раствора; |
р2— суммар |
ные |
гидравлические сопротивления в кольцевом |
пространстве |
||
скважины от зоны поглощения до устья; |
р§— пластовое давле |
|||
ние в поглощающем пласте. |
|
|
|
5
При этом
Pi + Рг > Р>-
По технологическим причинам поглощение возможно при сле дующих обстоятельствах: при образовании сальников на буриль ной колонне и резком повышении давления на выкиде насоса, причем последнее уменьшается во время проработки ствола сква
жины до нормального;*по |
геологическим причинам — при сниже |
нии пластового давления |
вследствие длительной эксплуатации |
пласта или в результате газо-нефте-водяных выбросов.
Наиболее вероятной причиной поглощения в условиях Бала- хано-Сабунчи-Романинского месторождения является трещинова тость пород как естественная, обусловленная тектоническими про цессами, так и искусственная, являющаяся результатом гидрав лического разрыва пластов, вызванного колебанием гидродинами ческого давления в скважине [2]. На основе анализа фактического материала по скважинам на этих же месторождениях в работе [49] сделан вывод о том, что основное количество поглощений промывочных растворов произошло в период бурения (86,2%), из них 70% составляют поглощения, в которых полному прекраще нию циркуляции предшествовали проработки ствола. Авторами работы [49] предлагается причины поглощения подразделять на технологические и обусловленные физическими свойствами гор ных пород. Аналогичные выводы ранее были сделаны в [51].
При нормальных условиях бурения циркуляция промывочного раствора в системе не нарушается, количество ее может умень
шаться только в результате фильтрации |
воды |
из раствора и |
вследствие естественных потерь. |
|
|
В работе [43] рекомендуется за нормальное пластвое давление |
||
принимать такой напор вод, градиент давления |
которого равен |
|
0,1 кгс/см2/м, считая, что при градиенте |
давления |
*£0,1 вскрытие |
зоны поглощения при промывке забоя водой сопровождается по глощением, а при градиенте давления > 0 ,1 — водопроявлением. Характер циркуляции других промывочных растворов опреде-' ляется в основном их удельным весом.
Нормальным состоянием пласта следует считать состояние, при котором пластовое давление подчиняется закону, выраженно му уравнением
Рил — 0,1Яуп.в,
где Я — глубина скважины в м; уп. в — удельный вес пластовой воды в гс/см3.
Одной из причин поглощения промывочного раствора при про ходке скважин на месторождениях Чечено-Ингушской АССР ав торы [18] считают увеличение давления ка стенки скважины в процессе спуска бурильной колонны. Аналогичные результаты получены в работе [41] для месторождения Окарем.
6
Для определения глубины проникновения промывочного рас твора в пласт в [30] предложена теоретическая схема явления по глощения. Чтобы вычислить скорость фильтрации раствора в по ристой среде в первом приближении, использована формула Бу кингема, в которой путем подстановки удвоенного значения гид равлического радиуса пор вместо радиуса трубы и средней (истинной) скорости движения вместо среднеобъемной скорости получена формула для определения глубины проникновения про мывочного раствора в пласт:
где р — коэффициент |
формы пор; то — предельное |
напряжение |
|||||
сдвига |
промывочного |
раствора; |
k — проницаемость; |
т — пори |
|||
стость; |
Ар — перепад |
давления |
в процессе ухода |
бурового рас |
|||
твора. |
|
|
|
раствора |
при |
бурении |
|
Причины поглощения промывочного |
|||||||
скважины рассматривались также и зарубежными |
|
исследовате |
|||||
лями. Так, в [13] отмечено, что |
при |
нарушении |
равновесия в |
||||
гидродинамической системе скважина — пласт возникает |
поток, |
скорость и дебит которого являются функциями давления и вели чины кольцевого зазора между стенками скважины и бурильны ми трубами.
В результате рассмотрения причин поглощения промывочного раствора при бурении скважин автор [15] приходит к выводу, что поглощения происходят в случае, когда поры породы настолько велики, что не закупориваются твердыми частицами раствора, а проницаемость породы повышается до таких пределов, что про исходит поглощение. Это объясняется превышением гидростати ческого давления в скважине над пластовым, в результате чего происходит раскрытие имеющихся в пласте трещин, а при зна
чительном |
превышении давления — нарушение |
монолитности |
по |
род и образование новых трещин. |
поглощение |
про |
|
В [56] |
отмечено, что причины, вызывающие |
мывочного раствора при бурении скважин, обусловлены наличием высокопроницаемых или трещиновато-кавернозных пород или превышением давления столба жидкости в скважине над пла стовым.
В процессе расхаживания труб при бурении возникает высо кое давление, под действием которого может прекратиться цир куляция раствора [19].
Поглощения часто наблюдаются после спуско-подъемных опе раций [15, 37]. Это объяснялось нарушением глинистой корки на стенках скважины против поглощающих пород движущимися бу рильными трубами и долотом. Иногда, после извлечения части труб (в процессе их подъема), наблюдаются выбросы вследствие поступления в скважину газа из газоносных пород и уменьшения
7
плотности промывочного раствора. Экспериментальными и ана литическими работами [35, 55, 58, 59 и др.] установлено, что эти явления возникают главным образом вследствие колебаний дав ления на забое, обусловленных движением бурильных труб в скважине, которые действуют подобно поршню в цилиндре.
Анализируя 25 случаев поглощения промывочного раствора, К. Фримен [57] установил, что только в одном случае циркуляция прекратилась в связи с уходом раствора в призабойную зону, в остальных же случаях разрыв пласта произошел в пробуренном интервале скважины, что указывает на увеличение динамическо го давления.
Работами советских и зарубежных исследователей установле
но, что высокие давления, возникающие в стволе скважины |
при |
|
выполнении различных операций, приводят к |
гидравлическому |
|
разрыву пласта — расширению естественных |
и образованию |
ис |
кусственных трещин, вследствие чего происходит поглощение про мывочного раствора. При этом раствор, даже обладающий высо кими структурно-механическими свойствами, может проникать в трещины под действием возникающего гидродинамического дав ления в скважине.
Таким образом, гидродинамическое давление на стенки сква жины определяется условиями движения жидкости в стволе сква жины. Следует отметить, что повышение давления может проис ходить и в статических условиях. Как пример можно привести сегрегацию газа в промывочном растворе. При наличии даже сравнительно небольшого количества газа в растворе и в закры-'
той системе при гравитационном разделении |
газа можно ожи |
|
дать значительного повышения давления на |
стенки |
скважины. |
Для пористой или трещиновато-пористой |
среды |
поглощение |
промывочного раствора определяется проницаемостью этой сре ды, а также реологической характеристикой раствора. Так, для обычной пористой среды и в случае вязкого промывочного рас твора определяющей является так называемая гидравлическая проводимость, т. е. отношение проницаемости к вязкости. При фильтрации с начальным градиентом давления важным фактором является гидравлическая проводимость, а также величина на чального градиента давления, которые определяются как свойст вами пористой среды, так и свойствами фильтрующейся жид кости.
Необходимо отметить, что гидродинамическое давление на стенки скважины может способствовать образованию трещин, т. е. гидроразрыву пласта в процессе проходки скважины, причем дав ление гидроразрыва пласта меняется в сравнительно широких пределах от давлений, близких к гидростатическому, до давлений, близких к геостатическому. Одной из причин невысоких давлений
гидроразрыва пласта, подтвержденных промысловыми |
данными |
по гидроразрыву в эксплуатационных скважинах [45], |
является |
наличие зоны разгрузки в глинистых пластах. |
|
8
Таким образом, поглощение промывочного раствора при оурении скважин обусловлено наличием проницаемых горных пород, (трещиноватых, кавернозных, пористых), превышением гидроста тического давления столба раствора над пластовым, высокими гидродинамическими давлениями на стенки скважины при выпол нении различных технологических операций, а также свойствами жидкости, насыщающей поглощающий пласт.
§ 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
Геологические разрезы нефтяных и газовых месторождений представлены осадочными породами различных типов. По клас сификации горных пород, предложенной М. С. Швецовым, четко'
разграничиваются породы с различными механическими, |
филь |
|||
трационными и физико-химическими свойствами. |
Согласно этой |
|||
классификации, все осадочные породы делятся на |
три |
группы: |
||
а) |
обломочные; б) органического и химического |
происхождения;, |
||
в) |
глинистые. |
|
|
и хемо- |
|
Пористость и проницаемость обломочных, биогенных |
|||
генных пород изменяется в широких пределах, |
что |
объясняется |
не только их первичными свойствами и составом, но и воздейст вием вторичных процессов, характерных для различных стадий формирования и разрушения осадочных пород.
Поглощения промывочного раствора при бурении скважин встречаются в основном в карбонатных отложениях и реже в песчаниках.
Поглощение промывочного раствора в песчаных породах ана логично поглощению воды в нагнетательных скважинах с той лишь разницей, что в растворе содержится большее количество твердых частиц [44]. Известны, например, поглощения в сильно' дренированных продуктивных песчаниках на месторождениях Апшеронского полуострова, Северного Кавказа и Поволжья. При снижении пластового давления возрастает перепад давлений в си стеме пласт — скважина, под действием которого происходит гидроразрыв пород, сопровождающийся поглощением промывоч ного раствора. Поглощения, обусловленные разрывами, значи тельно легче не допустить, чем ликвидировать. Профилактиче ские меры по предупреждению поглощений сводятся в основном к регулированию свойств промывочных растворов.
Поглощения при разбуривании трещиноватых пластов имеют различный характер — от частичных до катастрофических. Высо кая гидропроводность таких пластов, определяемая проницае мостью трещин, приводит к тому, что даже незначительное пре вышение статического давления в скважине над пластовым уже вызывает движение жидкости из скважины в пласт. Такие явле
9