Технология бурения скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

41

Рис.17 Неустойчивость ствола в силу механических причин (Брадли)

Согласно данной теории, при избыточной плотности раствора, ствол скважины может расширяться («раздуваться») и накапливать давление по принципу резинового шара. Это, в свою очередь, может привести к появлению признаков проявления, так как при остановке циркуляции буровой раствор будет переливаться через устье скважины. Данная концепция достаточно противоречива и трудна для понимания, она не дает ясного представления о том, чем бывают вызваны признаки расширения ствола, раскрытием и закрытием трещин или пластической деформацией ствола скважины. В любом случае, контроль давления в скважине должен проводиться с максимальной осторожностью. Разрушение при сжатии/ Обрушение или пластическая деформация Предел прочности при сжатии горных пород обычно варьируется от 4000 до 15000 фунтов/ кв.дюйм (от 276 до 1034 бар). При недостаточной плотности бурового раствора, когда невозможно сбалансировать это максимально допустимое напряжение породы, начинает действовать один из двух механизмов разрушения:

1.Расширение ствола скважины за счет осыпания или обрушения хрупких пород.

2.Деформация и сужение ствола скважины, происходящее в результате действия пластической деформации в пластичных породах, таких как соль, что может привести к полному сжатию ствола. Особые проблемы, связанные с неустойчивостью ствола, возникают при наличии глинистых пород, находящихся под высоким поровым давлением

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

42

и напряжением, поскольку в данных условиях плотность бурового раствора будет недостаточной для создания противодействия напряжению сжатия. Из-за незначительного газопоказания распознать высокое напряжение затруднительно, поэтому трудно принять решение о необходимости повышения плотности раствора. Признаком возникновения подобных осложнений является увеличение объема осыпающейся породы, который можно наблюдать на вибросите. Часто увеличение объема сопровождается изменением размера и формы (более крупные и осколочные или угловатые) кусков обрушающейся породы. Существует немало определений такому явлению, как разрушение глин под действием сжатия, среди них — осыпание, обваливание, обрушение, отслаивание породы. Фрагменты такой породы обычно крупнее выбуренных частиц, и имеют осколочную, угловатую форму.

2.2.1.7 Глинистые породы под напряжением

Увеличение плотности бурового раствора чаще всего связано с необходимостью регулировать приток жидкости или газа в скважину. Если пласт находится под давлением за счет действия тектонических сил, плотность бурового раствора может быть тем фактором, который предотвратит потерю устойчивости ствола.

Данный тип глинистых пород можно отнести к категории глин, которые существенно не гидратируются, но осыпаются в скважину при их прохождении. Такие глины залегают в районах диастрофических или тектонических движений (процесс деформации земной коры, в результате которого образуются континенты, океаны, горы и т.д.). Плоскости напластования в таких породах могут в значительной степени отклоняться от горизонтали. При ослаблении сил, действующих на породы, глины осыпаются в скважину. Проблема может осложниться еще больше в случае, если плоскости напластования станут гидрофильными или олеофильными (гидрофобными), о чем будет говориться позднее. Примерами подобных глин могут быть породы Atoka и Springer, находящиеся в среднеконтинентальной части США.

Сланцевые глины становятся менее устойчивыми и склонными к осыпанию под действием напряжений в горных породах, возникающих в результате диастрофических движений или тектонических напряжений. Кроме того, природные материалы, связывающие глины, могут быть довольно слабыми. Некоторые сланцевые глины, находящиеся под напряжением, практически невозможно контролировать с помощью плотности бурового раствора из-за вероятности поглощений (и других осложнений). В силу данных обстоятельств, некоторые глинистые породы всегда будут иметь тенденцию к обрушению.

Иногда лучшим решением проблемы является симптоматический метод, который предполагает улучшение очистки ствола скважины и попытку продолжить процесс бурения при наличии осложнений, не позволяя им усугубляться. Кроме поддержания хорошей фильтрационной корки и низкой водоотдачи, улучшить очистку можно, применяя систему бурового раствора с высокими сдвиго-разжижающими характеристиками, низким значением «n» и высоким, хрупким гелем. Низкий уровень «n» поможет предотвратить обрушение породы под действием напряжения, поддерживая профиль ламинарного потока, а также поможет улучшить качество очистки. Высокое

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

44

•Контролируйте состояние скважины и отслеживайте состояние породы на виброситах для того, чтобы определить первые признаки проявления нестабильности и старайтесь улучшить качество очистки ствола скважины для ослабления симптомов неустойчивости (образование шламовых пробок).

•Для сокращения длительности негативного воздействия на открытый ствол и снижения механических деформаций бурение должно проводиться быстро, но в то же время осторожно.

•Глубины установки обсадной колонны должны определяться с учетом перекрытия интервалов осложнений.

•Производить проработку ствола скважины только в случае крайней необходимости. Несоответствие между температурой циркулирующего раствора (более низкой) и температурой пласта (более высокой) также может являться причиной возникновения напряжений в стволе и потери его устойчивости. Это проблема встречается не так часто, однако ее следует принимать во внимание при оценке вероятности разрушения ствола в процессе бурения высокотемпературных скважин.

2.2.1.8 Глинистые сланцы, находящиеся под давлением

Предупреждение поступления в скважину газа и пластовых флюидов осуществляется путем повышения плотности бурового раствора. При бурении непроницаемых пластов, находящихся в окружении непроницаемых пород, таких как массивные отложения сланцевых глин или соли, достаточно трудно определить необходимость повышения плотности, т.к. отсутствует фоновый газ и при наращивании не наблюдается проявления газа или притока пластового флюида. Неустойчивые сланцевые глины с геостатическим давлением географически расположены в зонах более молодых отложений, как правило, постмелового периода. Сланцевые глины данного типа обычно представляют собой массив, но они не однородны. Это, в основном, морские отложения, которые, вероятнее всего, являются ловушками для нефти и газа. Логическим объяснением присутствия давления в подобных отложениях могут быть изменения, связанные с колебаниями уровня моря, схожие с изменениями, происходившими в ледниково-межледниковый период, признаком которых может быть нахождение в больших осадочных бассейнах локализованных чужеродных отложений. В результате подобных климатических изменений в прибрежной зоне формируются наносные песчаные отложения, которые впоследствии могут стать изолированными, проницаемыми линзами песчаника, заключенными в массивных залежах глин. С течением геологического времени глинистые породы и ил уплотняются под действием возрастающей массы вышележащих отложений. В процессе уплотнения флюиды, находящиеся внутри глинистых пород, вытесняются и попадают в более пористые и проницаемые линзы песчаников. Эти линзы остаются пористыми и проницаемыми и не подвергаются уплотнению. Любой флюид, попавший в линзу, улавливается, и полностью изолируется окружающей его глинистой породой, см. рис.18. Со временем поровое пространство полностью заполняется, а давление уловленного флюида приближается к горному давлению. В случае отсутствия проницаемых пластов, признаки высокого давления или притока газа или флюидов в скважину могут не проявляться. Обычно плотность бурового раствора не повышают, пока

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

45

давление не начнет увеличиваться, что может привести к ситуации, когда гидростатическое давление столба раствора окажется гораздо меньше давления глин. Образовавшееся дифференциальное давление будет стремиться к снижению в направлении наименьшего сопротивления. Полагают, что это может происходить вдоль плоскости напластования, разделяющей пески и глины, в результате чего глины будут отслаиваться и выпадать в скважину. Ослабленные подобным образом глины продолжат осыпаться до того момента, когда будут сбалансированы давление раствора и давление в пласте. Некоторые виды глин, находящиеся под давлением, могут содержать газ. Эти отложения чаще всего являются газосодержащими пластами или породами, находящимися под высоким давлением с небольшим содержанием газа.

Рис. 18 Сланцевые глины, находящиеся под давлением

Проблемы устойчивости ствола возникают не только в результате воздействия высоких напряжений в породе, возможной причиной могут являться газопроявления. Поэтому плотность раствора не обязательно увеличивать до полного вскрытия всей газосодержащей породы, так как это может привести к поглощению раствора. Утяжелить раствор можно до уровня, который не приводит к обрушению породы. Проблемы, связанные с воздействием давления, возникающие при бурении сланцевых глин, решаются довольно просто, т.е. путем увеличения плотности бурового раствора для создания гидростатического давления, способного компенсировать пластовое давление. Кроме увеличения плотности, существуют другие методы контроля: предотвращение дальнейшего понижения гидростатического давления, для чего необходимо:

(1) поддерживать уровень раствора в скважине при подъеме инструмента, постоянно поддерживая подобным образом гидростатическое давление на самом высоком уровне; (2) обеспечить низкую вязкость и низкое СНС раствора, предотвращая свабирование. Тонкая фильтрационная корка на стенках скважины, сформированная за счет низкой фильтрации, также будет способствовать снижению эффекта свабирования; (3) скорость движения

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

46

бурильной колонны во время спуско-подъемных операций в интервалах осложнений должна поддерживаться на низком уровне.

Пластическое течение

Деформация и сужение ствола скважины может происходить в пластично-текучих породах, таких как соленосные отложения. Под действием давления соли становятся текучими, выдавливаются в ствол скважины, вызывая его сужение, а иногда и полное перекрытие, а также прихват инструмента. Вследствие высокой пластичности соль может полностью передавать вес вышележащих горных пород в горизонтальном направлении, отсюда, значение всех трех напряжений будут равны. Соль становится более пластичной при повышении температуры выше 225° F (107° С). Если при разбуривании солей на небольших глубинах особых затруднений не возникает, то бурение в глубокозалегающих (ниже 10 000 футов [3048 м]) соленосных пластах представляет значительные трудности. На рис. 18 показано, какой плотности должен быть раствор, чтобы с его помощью можно было контролировать пластическое течение солей при известной глубине и температуре залегания.

Рис.18 Плотность раствора, необходимая для контроля оползания солей (<0,1 % час.).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

47

Во многих районах при бурении в соляных отложениях применяются недонасыщенные минерализованные растворы, плотность которых ниже той, что требуется для предотвращения течения солей. При этом состав раствора способствует растворению породы и тем самым препятствует сужению ствола. Данная технология применяется, в основном, при прохождении соленосных пластов неглубокого залегания или промежуточных соляных отложений, находящихся под воздействием температур, не превышающих 225° F (107° C). «Мягкие» глинистые породы и гумбо с высоким содержанием воды также могут подвергаться пластической деформации при недостаточной плотности используемой системы раствора, что приводит к сужению ствола и свабированию при подъеме инструмента. Часто сужение ствола происходит под воздействием сразу нескольких факторов, например при одновременном набухании породы и формировании толстой фильтрационной корки; таким образом, увеличение плотности раствора обычно смягчает проявления сужения ствола и поршневого эффекта при бурении в мягких глинах и глинах гумбо.

2.2.2 Химическое взаимодействие

Водочувствительные глины

Различные формы неустойчивости ствола, возникающие в результате взаимодействия между буровым раствором и глинистыми формациями, обусловлены особенностями химического состава системы и ее воздействия на породу. Неоднократно предпринимались попытки разработать классификацию глин в соответствии со степенью их химической активности. Эти попытки обычно заключались в присвоении каждой категории глин цифровых и буквенных обозначений в соответствии со степенью активности данных отложений. Чаще всего, глины, чувствительные к действию воды, преимущественно состоят из монтмориллонита. Следовательно, при разработке классификаций содержание монтмориллонита используется в качестве основного критерия активности глин по отношению к водным растворам. Другими важными критериями являются КОЕ, общее содержание глинистой составляющей, содержание воды, площадь поверхности и твердость. Даже те глины, которые содержатся в породах и гидратируются в гораздо меньшей степени, чем монтмориллонит — такие как иллитовые,

хлоритовые или каолинитовые глины — до некоторой степени подвержены воздействию буровых растворов на водной основе. Компания M-I SWACO не опирается ни на одну из разработанных классификаций глин, поскольку ни одна система раствора не может быть в одинаковой степени эффективной при применении на различных месторождениях с различными геологическими условиями.

Гидратация глин является одной из основных причин неустойчивости ствола.

Возможны два механизма гидратации:

поверхностная гидратация и осмотическое набухание. Поверхностная гидратация происходит в том случае, когда небольшое количество воды прочно удерживается на плоских поверхностях глинистых частиц, что приводит к небольшому размягчению и набуханию глин, но также может вызвать избыточное напряжение, если набухание будет ограничено. Осмотическое набухание происходит вследствие высокой концентрации

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

48

ионов, удерживаемых электростатическими силами вблизи поверхности глинистых частиц. Осмотическое набухание вызывает размягчение и значительное набухание глин, поскольку взаимно прилегающие слои глинистых минералов адсорбируют воду и расширяются. При осмотическом набухании не развивается избыточное напряжение, даже когда порода обжата. Осмотическое набухание значительно снижается при использовании минерализованных растворов с низкой степенью активности. Глинистые породы, содержащие монтмориллонит, могут адсорбировать воду из бурового раствора и гидратироваться или диспергироваться. Деформация ствола может происходить в виде его сужения вследствие размягчения и набухания разбуриваемых глинистых пород, либо в обваливании относительно твердых фрагментов. В результате осмотической адсорбции и гидратации глины, вскрытые скважиной, размягчаются и набухают, что приводит к сужению ствола и увеличению потенциальной способности пород к диспергированию. Хрупкое разрушение относительно прочных фрагментов происходит при использовании соленасыщенных растворов в процессе бурения мягких, диспергирующих глин и при использовании неминерализованных водных растворов при прохождении более старых, плотных, «хрупких» глинистых отложений. При бурении прочных отложений, сложенных

вболее ранние периоды, поверхностная гидратация ведет к росту напряжения в околоствольной зоне (за счет внутреннего напряжения, создаваемого набуханием), в результате чего происходит скалывание и обваливание твердых, хрупких и остроугольных фрагментов породы. Это ведет к появлению высоких внутренних напряжений, вызванных поверхностным набуханием, что в результате приводит к разрушению породы вдоль линий трещин. Результаты тестов на проницаемость показывают, что сланцевые глины относительно непроницаемы. Ионы, попадающие в глины, вызывают дегидратацию, либо гидратацию, возникающую в результате капиллярного действия, осмоса или проникновения флюида. Происходящие изменения бывают вызваны переносом воды из раствора в глинистую породу или наоборот, переходом воды из глины в раствор. Подвергнувшись какому-либо изменению, будь то гидратация или дегидратация, глины становятся неустойчивыми. Важно не допустить перехода воды из раствора в породу, и наоборот, так как это приводит к изменениям глин. Для этого необходимо сбалансировать активность воды во внутренней фазе раствора (концентрацию ионов) с активностью воды

вглинистом сланце. Буровые растворы на углеводородной или синтетической основе лучше всего обеспечивают устойчивость ствола скважины, пробуренной в водочувствительных глинах. Во-первых, эти растворы смачивают нефтью или синтетической основой вскрытые бурением породы, предотвращая тем самым контакт породы с водой. Во-вторых, в их состав обычно входят низкоактивный эмульгированный раствор хлорида кальция, который способствует достижению баланса между активностью воды в растворе и активностью воды в глинах. В случае экологических ограничений, вместо CaCl2 используются материалы, не содержащие хлорид. В результате действия поверхностного натяжения воды в глинистых породах, неводные системы растворов не могут проникать в структуру глин через поры так же легко, как растворы на водной основе. Идеальный буровой раствор — это раствор, воздействие которого не ведет к какому-либо изменению в глинистой породе. Для предотвращения дестабилизации сланцевых глин использовалось множество видов растворов — известковые, гипсовые, на основе хлорида кальция, нитрата кальция, ацетата кальция, силикатные и калиевые системы, растворы на основе формиатов, минерализованные растворы, жидкости на

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

49

основе лигносульфонатов, буровые растворы с добавлением ПАВ, полимерные растворы на основе частично гидролизованного полиакриламида (ЧГПАА), катионных полимеров и растворы на углеводородной основе. Ни один из растворов не может быть одинаково эффективен во всех случаях. Одна система может действовать немного эффективнее другой при прохождении определенного интервала, однако при бурении в других условиях результат может быть противоположным. Если все же воспользоваться критерием «максимальной успешности», наиболее эффективным для использования при бурении подобных отложений можно назвать калиевые системы и буровые растворы на углеводородной или синтетической основе.

Попытки стабилизовать глинистые сланцы, при бурении которых возникают осложнения, предпринимаются постоянно, для этой цели были испробованы многочисленные виды различных химических сред, воздействующих на породу. В соответствии с фундаментальной теорией необходимо создать условия, не допускающие гидратации глин. В этой связи обычно используют буровые растворы, имеющие высокое содержание электролитов, т.к. они значительно снижают гидратацию. Другая теория допускает превращение сланцев и глин в менее активные минералы, при этом для подавления гидратации вводятся ионы (такие, как ион кальция или калия) и происходит обмен данных ионов на исходные катионы, обычно натрия, находящиеся на поверхности глинистых частицах и между внутренними слоями. Калиевые (или соляные) полимерные системы растворов (как Poly-Plus*) весьма эффективны, поскольку они воздействуют на механизм гидратации глин несколькими способами. В случае с калиевыми системами, в результате обмена основного иона калия на катионы внутреннего слоя глин, глинистые сланцы и глины становятся менее активными. При использовании минерализованных систем снижается осмотическое набухание, и глины размягчаются в меньшей степени в результате низкой активности воды. Находясь в достаточной концентрации, полимеры обволакивают вскрытую породу и выбуренные частицы, обволакивая («инкапсулируя») их удерживающим слоем полимера. В результате способность воды взаимодействовать с глинами ограничивается, и выбуренная породы не диспергируется. Полимеры также повышают фильтрационную вязкость флюида, поэтому перенос воды замедляется. Необходимо понимать, что сланцевые глины имеют некоторую проницаемость, хоть и очень небольшую. Проницаемость глин — порядка одного или менее миллидарси по воде, и еще меньше в отношении растворов на углеводородной и синтетической основах. Существенное преимущество состоит в ограничении контакта водочувствительных глин с водой. Состав раствора можно изменить с целью улучшения ингибирующей способности в дополнении к катионному обмену с ионами кальция или калия для изменения природы глин и шлама, подвергающихся воздействию. Обволакивающее действие полимеров способствует снижению взаимодействия породы с водой. Полимеры также загущают фильтрат, эффективно снижая способность фильтрата бурового раствора проникать сквозь микропоры в породе. К тому же, материалы, нерастворимые в воде, и закупоривающие агенты (наполнители) значительно повышают устойчивость ствола. Они препятствуют дальнейшему попаданию воды в породу, закупоривая микропоры. Эти материалы особенно эффективны при бурении твердых сланцевых глин с тенденцией к появлению микротрещин. Среди этих добавок:

• Нефть и неводные синтетические жидкости

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

50

•Растворимые полигликоли с определенной «точкой помутнения» (Glydril*).

•Нерастворимые полигликоли и лубриканты (Lube-100* and Lube-167*).

•Асфальт окисленный (Asphasol* Supreme).

•Гильсонит

•Смеси на основе сульфированного асфальта (Asphasol).

Опыт показывает, что если поддерживать низкие значения водоотдачи, проблемы возникают значительно реже. Во многих случаях это способствует повышению устойчивости ствола. Снижение водоотдачи, достигаемое путем добавления в раствор таких материалов, как крахмал, полианионная целлюлоза (PAC) и полиакрилат натрия, сопровождается ростом вязкости фильтрата и снижением степени проникновения в породу фильтрата бурового раствора. Однако если осложнение возникло из-за высокой фильтрации раствора, то остановить и контролировать такое осложнение значительно труднее.

Другим фактором, влияющим на устойчивость ствола, является величина pH. Практически для всех систем растворов рН поддерживается в щелочном диапазоне, т.е. на уровне 7,0 или более. При грамотном регулировании свойств раствора и поддержании данного показателя на уровне от 8,5 до 9,5, можно существенно повысить устойчивость ствола скважины. Высокий уровень рН, присутствующий, например, в известковых растворах, при бурении некоторых видов глин только усугубляет проблему.

Давления в породах и угол падения пластов еще больше осложняют положение. Для борьбы с данным видом осложнений существует три способа:

(1) поддержание достаточной плотности раствора, (2) поддержание рН в нужном диапазоне и (3) контроль водоотдачи.

2.2.3 Лабораторные исследования

Разработан целый ряд лабораторных исследований, результаты которых позволяют в количественной форме представить химическое взаимодействие между различными водными растворами и определенным видом глинистой породы.

Проводятся следующие исследования:

•Классификация глинистых пород (определение катионообменной способности и содержания глин).

•Визуальная иммерсионная дефектоскопия.

•Определение гидратационной способности.

•Определение твердости выбуренной породы.

•Тест на капиллярное всасывание.