Министерство образования и науки Республики Татарстан

Альметьевский государственный нефтяной институт

В.А. Файзуллин, а.А. Джаратов, л.Р. Кужбаева

Учебное пособие

«Предупреждение и ликвидации осложнений

и аварий при бурении нефтяных и газовых скважин»

для студентов специальности130504.65 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

(для студентов всех форм обучения и

слушателей АЗЦ МРЦПК)

Альметьевск 2008

УДК 622.24

В.А. Файзуллин, А.А. Джаратов, Л.Р. Кужбаева

Предупреждение и ликвидации осложнений и аварий при бурении нефтяных и газовых скважин». Учебное пособие по дисциплине «Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин» для студентов, обучающихся по специальности 130504.65 «Бурение нефтяных и газовых скважин»: - Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2008. – 55с.

Детально освещены вопросы по предупреждению осложнений и аварий.

Впервые рассмотрены проблемы осложнений при бурении наклонных и горизонтальных участков в наклонно-направленных скважинах и методам предупреждения и ликвидации осложнений. Кроме того, значительное внимание уделено инструментам и оборудованию и средствам при ликвидации аварий. Дан анализ наиболее встречаемых осложнений в Татарстане и прилегающих районах Поволжья и Урала.

Печатается по решению учебно-методического совета АГНИ.

Рецензенты:

1. Главный технолог ООО «Татнефть-Бурение» - Бикбулатов Р.Р.

2. Заведующий кафедрой Альметьевского нефтяного института, доктор технических наук - Липаев А.А.

3. Главный технолог ЗАО «Промбурсервис» - Фатхудинов Ф.Ф.

Издательство второе, дополненное и переработанное.

© Альметьевский государственный

нефтяной институт, 2008

ВЕДЕНИЕ

Под осложнением в скважине следует понимать нарушение штатного режима бурения, затруднение ее углубления, вызванное нарушением состояния буровой.

В процессе бурения возникают различные осложнения: поглощение промывочной жидкости или тампонажного раствора, осложнения, вызывающие нарушения целостности стенок скважины, нефте-, газо- или водопроявления, растепление многолетнемерзлых пород, прихваты, затяжки и др.

1. Поглощение промывочной жидкости

Поглощение промывочной жидкости происходит:

а) если в горной породе имеются раскрытые трещины, каверны и прочие крупные каналы, а давление, создаваемое промывочной жидкостью на стенки скважины, превышает пластовое в рассматри­ваемом горизонте;

б) когда давление, создаваемое промывочной жидкостью на стенки скважины, достаточно для раскрытия имеющихся в данной породе сомкнутых микротрещин либо для разрыва породы и образования в ней новых трещин.

При поглощении многократно увеличивается общий расход про­мывочной жидкости, необходимый для проходки скважины; замед­ляется темп углубления, так как буровая бригада вынуждена расхо­довать часть рабочего времени на приготовление и обработку допол­нительного объема промывочной жидкости. В результате возрастает стоимость бурения.

При поглощении уровень промывочной жидкости устанавливается на несколько десятков и даже сотен метров ниже уровня скважины. Вследствие этого снижается противодавление на стенки скважины и может начаться приток пластовых жидкостей и газа из горизонта с более высоким коэффициентом аномальности. Иногда при снижении уровня жидкости обнажаются стенки скважины, сложенные неустой­чивыми породами. Колебания противодавления на стенки и периоди­ческое осушение и вновь увлажнение неустойчивых пород, вызванные изменением положения уровня промывочной жидкости, могут быть причиной их осыпания или обваливания.

Важно поэтому не допускать возникновения поглощения, и воз­можно быстрее ликвидировать его, если оно возникло.

Естественная трещиноватость, кавернозность, прочность горных пород и пластовые давления — это природные факторы, не зависящие от воли человека; управлять ими в процессе бурения невозможно. Для предотвращения и устранения поглощения в первом из назван­ных выше случаев необходимо, чтобы сопротивление естественных трещин и каналов растеканию по ним промывочной жидкости пре­вышало разность между давлением, которое создает эта жидкость на стенки трещины, и пластовым давлением в данном горизонте:

, (1)

где р_с — сопротивление растеканию промывочной жидкости по естественным каналам в породе данного горизонта в Па; ρ — плот­ность промывочной жидкости в кг/м³; z — глубина залегания рассматриваемого горизонта от устья в м; — пластовое давле­ние в этом горизонте в Па; р_гд — гидродинамическое давление, передаваемое промывочной жидкостью на данный горизонт, в Па. Во втором случае сумма статического и гидродинамического давле­ний, передаваемых промывочной жидкостью на стенки скважины, должна быть всегда меньше давления раскрытия микротрещин и раз­рыва породы:

(2)

где Δр_р — градиент давления разрыва (или расслоения) породы в Па/м.

Чтобы предотвратить поглощение промывочной жидкости, как видно, очень важно знать величины градиентов давления разрыва и коэффициенты аномальности не только продуктивных, но и всех других горизонтов, вскрываемых скважиной. К сожалению, до последнего времени сведения о коэффициентах аномальности непро­дуктивных горизонтов по многим районам весьма неточны, а о гра­диентах давления разрыва пород очень незначительны. Градиенты давления разрыва пород могут колебаться примерно от 0,012 до 0,026 МПа/м. Например, на месторождении Нефтяные Камни в Азер­байджане средний градиент давления разрыва равен 0,017 МПа/м, но для разных горизонтов он не одинаков и возрастает от 0,012 МПа/м на глубине 300 м до 0,015 МПа/м на глубине 1000 м и до 0,018 МПа/м на глубине 2000 м; на месторождении Узень в Казахстане средний градиент давления разрыва составляет около 0,017 МПа/м; на место­рождениях Волго-Уральской области он изменяется в пределах 0,013—0,020 МПа/м.

Величину градиента давления разрыва можно определить по промысловым материалам, сравнивая противодавления на соответ­ствующий горизонт в скважинах, где были поглощения, и в скважи­нах на той же площади, где заметного поглощения не наблюдалось.

Анализ неравенств (1) и (2) показывает, что поглощение может быть вызвано следующими причинами:

а) увеличением плотности промывочной жидкости выше предела, который можно найти, решив эти неравенства;

б) чрезмерно высоким гидродинамическим давлением, возникаю­щим при промывке скважины на участке от поглощающего горизонта до устья и обусловленным большой скоростью течения, малой вели­чиной зазора между колонной труб и стенкой скважины либо неудач­ным выбором реологических свойств промывочной жидкости;

в) высоким гидродинамическим давлением в момент восстановле­ния циркуляции, обусловленным большой величиной статического напряжения сдвига промывочного раствора;

г) высоким гидродинамическим давлением, возникающим при попытке очень быстрого восстановления циркуляции и обусловлен­ным инерцией промывочной жидкости;

д) высоким гидродинамическим давлением, возникающим при спуске колонны труб с большой скоростью либо с большим ускоре­нием;

е) высоким гидродинамическим давлением, возникающим при промывке скважины или в период спуско-подъемных операций, если на колонне труб или долоте образовался сальник.

Если известны градиенты давлений разрыва пород и коэффици­енты аномальности, осложнения во многих случаях можно предупре­дить соответствующим регулированием свойств промывочной жидко­сти (уменьшением плотности, статического, предельного динамиче­ского напряжений сдвига, пластической вязкости), ограничением скоростей и ускорений при спуско-подъемных операциях, а также правильным выбором конструкции скважины.

Если поглощение возникло при вскрытии трещиноватой или кавернозной породы, необходимо регулированием свойств промы­вочной жидкости снизить интенсивность поглощения до возможного минимума, быстрее разбурить всю зону осложнения и затем изоли­ровать ее с помощью того или иного тампонирующего материала либо, в крайнем случае, обсадной колонной. Если мощность погло­щающего пласта не слишком велика, проводить изоляционные ра­боты или спускать обсадную колонну после вскрытия лишь части зоны осложнения обычно нецелесообразно, так как при дальнейшем разбуривании этого пласта поглощение возобновится; стоимость же строительства скважины при этом заметно возрастает, а технико-экономические показатели ухудшаются.

Если в процессе бурения скважины может быть вскрыто несколько поглощающих горизонтов, вопрос об изоляции каждого горизонта индивидуально до вскрытия следующего либо о проведении изоля­ционных работ после вскрытия всех или нескольких горизонтов решают с учетом интенсивности поглощения и влияния его на тех­нико-экономическую эффективность бурения (скорость бурения, стоимость скважины). Интенсивность поглощения может колебаться в широких преде­лах от сотых долей до нескольких десятков дм³/с и более. При буре­нии без поглощения уровень жидкости в приемной емкости насосов снижается медленно, так как некоторое количество промывочной жидкости расходуется на заполнение вновь создаваемого объема скважины и на компенсацию потерь фильтрата через проницаемые стенки последней. При вскрытии зоны с небольшой интенсивностью поглощения возрастает скорость снижения уровня в металлической приемной емкости. Если в приемной емкости установить уровнемер с самописцем, по изменению наклона кривой, записываемой прибором, можно обнаружить начало поглощения, а по темпу снижения уровня определить интенсивность поглощения.

В случае вскрытия горизонта с высо­кой интенсивностью поглощения часто выход промывочной жидкости из сква­жины на поверхность прекращается, уровень ее в скважине снижается и устанавливается на глубине в несколько десятков и даже сотен метров от устья. Интенсивность поглощения при этом можно определить только при помощи специальных исследований. Поглоще­ния такой большой интенсивности обычно называют полными, или ката­строфическими.

Для ликвидации поглощений тре­буется знать местоположение зоны осложнения и интенсивность. Положе­ние зоны можно уточнить несколькими способами. Наиболее точно это позволяет сделать индикатор скорости потока «Разведчик». Прибор «Разведчик Р-8» состоит из глубинного снаряда, спускаемого в скважину на трехдольном каротажном кабеле, и наземного блока питания и регистрации. Глубинный снаряд (рис. 1) представляет собой цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены индуктивный датчик 2 и под­вижный сердечник 3; к корпусу снизу присоединена камера 4. с рези­новым разделителем 5, резиновым конденсатором 6 и узкими проточ­ными каналами 7. Внутри камеры расположена коробчатая мемб­рана 5, к центральной части которой прижат сердечник 3. Внутрен­няя полость глубинного снаряда заполнена кремнийорганической жидкостью.

Рис. 1. Индикатор скорости

потока «Разведчик Р-8»

Для определения местоположения зон поглощения глубинный снаряд предварительно спускают на забой скважины; при этом под влиянием разности давлений промывочного раствора, действующих на резиновый разделитель 5 и компенсатор б, кремнийорганическая жидкость будет перетекать через каналы 7 из области повышенного в область пониженного давления до тех пор, пока давление не выровняются. Возникающий при движении жидкости скоростной напор вызывает деформацию коробчатой мембраны 5, и соответствующее перемещение сердечника фиксируется на поверхности фоторегистра­тором автоматической каротажной станции АКСЛ-64.

Закачивая в скважину с постоянным расходом промывочную жидкость, снаряд поднимают с постоянной скоростью. Пока он перемещается на участке ствола, сложенном непроницаемыми поро­дами, действующая на него разность давлений остается постоянной, положение сердечника не меняется и регистратор на поверхности фиксирует неизменность поступающего сигнала. Когда же снаряд доходит через зону поглощения, скоростной напор потока промы­вочной жидкости, действующий на резиновый разделитель 5, воз­растает все более и более по мере перемещения прибора от подошвы зоны к кровле. Так как все меньшее количество промывочной жидко­сти успевает уйти в пласт на участке от кровли его до места нахожде­ния снаряда. Поэтому при перемещении снаряда через поглощающую зону регистратор на поверхности фиксирует все возрастающий сигнал.

Таким образом, по характерным точкам излома кривой, записы­ваемой регистратором прибора, легко определить глубины подошвы и кровли поглощающего горизонта. Если таких горизонтов несколько, по кривой достаточно точно определяют положение каждого из них. Аналогично можно определить положение горизонтов с более высо­кими коэффициентами аномальности, если из них при снижении уровня жидкости в скважине происходит приток пластовых жидко­стей и газа.

О степени поглощения судят по интенсивности его, понимая под этим объем поглощенной жидкости в единицу времени под дей­ствием определенного избыточного давления, обычно 0,1 МПа. Для этого скважину исследуют и строят экспериментальную зависимость объемной скорости поглощения от избыточного давления. Предва­рительно исследуемый поглощающий горизонт разобщают от расположенных выше проницаемых объектов с помощью гидромеха­нического пакера, спускаемого на бурильных трубах. В бурильной колонне вблизи нижнего открытого конца устанавливают специаль­ный глубинный манометр, с помощью которого регистрируют уста­новившееся давление при разных темпах нагнетания промывочной жидкости в колонну, а также установившееся статическое (пластовое) давление после прекращения подачи жидкости. При отсутствии глубинных манометров давления вычисляют по изве­стной плотности закачиваемой жидкости и измеренной с помощью электрического уровнемера глубине ее уровня.

Для устранения поглощений применяют следующие способы:

а) уменьшают плотность промывочной жидкости, например аэрацией;

б) снижают скорость течения промывочной жидкости в затрубном пространстве, особенно при небольшом зазоре между стенками скважины и колонной труб;

б) задавливают в поглощающий горизонт некоторый объем про­мывочной жидкости с высоким предельным статическим напряже­нием сдвига и быстрым темпом структурообразования и оставляют скважину в покое на несколько часов;

г) добавляют к промывочной жидкости небольшое количество специальных волокнистых или гранулированных материалов для закупорки ими трещин шириной менее 1—2 мм и каналов с эквивалент­ным диаметром 4—5 мм;

д) бурят без выхода на дневную поверхность промывочной жидко­сти; при этом полагают, что выбуренные частицы, поступая в каналы и трещины поглощающего горизонта, постепенно закупоривают их;

е) задавливают в поглощающий объект некоторый объем быстро-схватывающегося цементного раствора или другой тампонирующей смеси с пониженной плотностью, часто с добавкой волокнистых или гранулированных материалов;

ж) намывают в крупные каналы, трещины и каверны грубозер­нистые инертные материалы (песок, гравий и т. п.) для закупорки их и резкого уменьшения интенсивности поглощения и затем цементи­руют быстросхватывающейся тампонажной смесью;

з) задавливают в пласт высокомолекулярные соединения, спо­собные полимеризоваться при контакте с пластовой водой, затвер­девать и надежно закупоривать каналы поглощения;

и) перекрывают зоны поглощения обсадными трубами (как край­няя мера) или профильными перекрывателями.

Способ ликвидации поглощения или комбинацию способов выби­рают в зависимости от удельной интенсивности поглощения и с уче­том возможной технико-экономической эффективности их. Если в скважине вскрыто несколько зон поглощения значительной интен­сивности, как правило, лучший результат достигается, когда каждую зону изолируют индивидуально, предв-

арительно разобщив ее от других проницаемых горизонтов, пакером.