технология бурения 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ГЛАВА 11

ГАЗОНЕФТЕВОДОПРОЯВЛЕНИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

Авторы-составители:

Овчинников В. П., Кузнецов В. Г.

11.1. Общие положения и определения

Газонефтеводопроявления (ГНВП) – поступление пластового флюида в скважину, не предусмотренное проектом.

Перелив – истечение жидкости через бурильные трубы при отсутствии циркуляции в скважине.

Выброс – апериодичное извержение флюида из скважины на значительную высоту.

Фонтан – постоянное, неуправляемое извержение пластового флюида через устье скважины на значительную высоту.

Грифон – проявление пластового флюида вне устья скважины. Флюид – любой вид продукта (газ, нефть, вода и пр.), находящийся в

пласте.

Определить вид флюида до выхода его на поверхность практически невозможно. Поэтому при бурении опорных, параметрических или первых разведочных скважин в отечественной практике применяется обобщенный термин «газонефтеводопроявление». При строительстве и ремонте скважин на газовых месторождениях применяется термин «газопроявление», а на нефтяных месторождениях – «нефтепроявление». Вместе с газом в скважину могут поступать вода и нефть, соответственно проявления при этом будут называться – «газоводопроявления», «нефтегазопроявления» или «газонефтепроявления». Наиболее распространенным и опасным по последствиям является газопроявление, так как при вымыве газа с забоя происходит быстрое его расширение, что может привести к возникновению открытого фонтана.

В процессе работ по предупреждению и ликвидации указанных осложнений используют следующие показатели и термины.

Горное давление

Горное (геостатическое) давление Ргор на глубине представляет собой давление, оказываемое весом вышележащих пород и насыщающих их флюидов.

192

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ϕ – пористость пород, доли общего объема;

ρскi , ρфi – плотность горных пород и флюида, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

Плотность отложений зависит от пористости и плотности флюида, содержавшегося в порах горной породы. В нормальных условиях пористость отложений уменьшается с глубиной, а их плотность увеличивается. В глинистых породах пористость уменьшается по экспоненте. Для других типов отложений она уменьшается линейно (рис. 11.1).

Пластовое давление

Пластовое (поровое) давление представляет собой давление, оказываемое флюидами, содержащимися в горной породе.

Рис. 11.1. Изменение пористости горных пород в зависимости от глубины скважины

Различие между пластовым и поровым давлениями определяется характером пород, содержащих в порах флюид. В проницаемых породахколлекторах давление флюида называют пластовым, в непроницаемых, таких как глина, – поровым.

Пластовое давление называется нормальным, если оно равно гидростатическому давлению столба пластовых вод, сообщающихся через трещины и поры горной породы с атмосферой.

Различные вариации с величинами пластового давления в основном зависят от плотности поровой жидкости, а также соотношений между положениями пьезометрической поверхности, глубиной залегания пласта и превышением устья скважины над уровнем моря (рис. 11.2).

193

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Пластовые давления, превышающие гидростатические давления флюидов, относят к аномально высоким давлениям, а пластовые давления меньше гидростатических – к аномально низким.

Рис. 11.2. Влияние пьезометрической высоты на пластовое давление в скважине: а) устье скважины совпадает с пьезометрической поверхностью; б) устье скважины расположено выше пьезометрической поверхности; в) устье скважины расположено ниже пьезометрической поверхности

Практика строительства нефтяных и газовых скважин показала, что аномально высокие давления встречаются повсеместно. Аномально низкое пластовое давление в природе наблюдается редко, такое давление может возникнуть в морских бассейнах вследствие истощения продуктивных пластов.

В формировании аномальных давлений важную роль играет время. Непроницаемые перегородки никогда не бывают герметичными и постоянными в масштабе геологических периодов. С течением времени давления имеют тенденции к выравниванию с обеих сторон перегородки.

Давление гидроразрыва горных пород

Это давление, создаваемое флюидом, при котором в горной породе начинают возникать трещины, что может стать причиной поглощения бурового или тампонажного раствора, а затем и газонефтеводопроявлений (ГНВП).

Гидроразрыв горных пород представляет собой сложное явление. Величина давления гидроразрыва горных пород может находиться в пределах от пластового до полного горного давления и зависит от многих факторов, таких как: прочность, анизотропия и проницаемость пород, физикохимических и термических напряжений, азимутального и зенитного углов скважины.

194

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для прогнозирования градиента гидроразрыва существуют различные зависимости. В отечественной и зарубежной практике используется формула Б. А. Итона (11.2) и Р. А. Андерсона (11.3):

где Pпл , Ргор – пластовое и горное давления, Па;

H – глубина пласта, м;

ν – коэффициент Пуассона;

Значения коэффициента Пуассона для наиболее распространенных горных пород приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1 Значения коэффициента Пуассона для некоторых горных пород

А. П. Сельващуком предложена формула, отражающая механизм гидроразрыва горных пород различных категорий:

где λ – коэффициент бокового распора горных пород; Рс – давление, необходимое для преодоления сопротивления скелета горных пород разрыву, МПа.

В исключительных случаях при полном отсутствии промысловых данных допускается использовать эмпирическую зависимость:

С увеличением глубины скважины градиент давления гидроразрыва пород возрастает. Следовательно, наибольшая вероятность его

195

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

возникновения будет в верхней части открытого ствола (под башмаком

предыдущей зацементированной обсадной колонны).

Для наиболее точного определения прочности горных пород используют данные непосредственных измерений при интенсификации притока, а также данные наблюдений за поглощением бурового раствора во время бурения или цементирования.

За рубежом и в нашей стране после разбуривания башмака обсадной колонны проводят работы по определению давления поглощения горных пород, которое должно быть больше давления опрессовки цементного кольца, т.е. определяют максимально допустимое увеличение плотности промывочной жидкости при дальнейшем углублении скважины. Знание давления поглощения обязательно для успешной ликвидации ГНВП или открытого фонтана.

Обычно испытания проводят под башмаком кондуктора и промежуточных обсадных колонн. При этом горная порода не должна подвергаться гидроразрыву во избежание осложнений в скважине.

Методика проведения исследования заключается в следующем.

1.Разбуривают цементный стакан и породу на 10–15 метров ниже башмака обсадной колонны.

2.Промывают скважину и выравнивают параметры бурового раствора.

3.Поднимают долото в башмак обсадной колонны. Контролируют, чтобы скважина была полностью заполнена буровым раствором.

4.Подсоединяют цементировочные агрегаты к опрессовочной головке. Опрессовывают нагнетательную линию.

5.Вызывают циркуляцию бурового раствора через линию дросселирования при полностью открытом штуцере. Регулируют производительность цементировочных агрегатов в пределах 40–80 л/мин.

6.Закрывают скважину (превентором и штуцером).

7.Прокачивают цементировочным агрегатом внутрь бурильной колонны буровой раствор, увеличивая давление в скважине до половины расчетного максимального значения. При этом на устье регистрируют повышение давления по мере увеличения объема закачиваемого раствора.

8.Продолжают закачивание бурового раствора порциями по 0,04 м3 каждый раз с последующей выдержкой во времени (2–3 минуты) для стабилизации давления в скважине. По полученным данным строят график изменения давлений в скважине после каждой закачанной в неё порции (рис. 11.3).

9.Строят график в координатах «давление – объем закачиваемой жидкости». Точка отклонения (А) от прямолинейной зависимости соответствует давлению начала поглощения (РА). Прекращают закачивание при получении на графике двух-трех точек стабильного поглощения. Продолжение (точка В) приведет к достижению максимального давления (РВ), при котором происходит гидроразрыв породы. Характеризуется резким падением давления нагнетания.

196

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис. 11.3. Типовая диаграмма испытания горной породы на прочность методом опрессовки: 1 – давление нагнетания; 2 – статиче-

ское давление; А – начало поглощения бурового раствора; В – гидроразрыв пласта; ВС – распространение трещин в породе; СD – падение давления после прекращения закачки

10.Останавливают насос и делают выдержку в течение 5–10 минут.

11.Осуществляют плавное (по 0,5…1,0 МПа/мин) стравливание давления через штуцер. Сравнивая объем возвратившейся жидкости с объемом закачанной, определяют объем жидкости, поглощенный пластом.

Гидростатическое давление на забой и стенки скважины

Это давление, создаваемое столбом жидкости определенной плотности выше рассматриваемого сечения.

Прогнозирование его величины является необходимым условием для создания противодавления на стенки скважины с целью предотвращения обвалообразований и газонефтеводопроявлений.

В покоящейся вязкой или ньютоновской жидкости гидростатическое давление распределяется по глубине скважины согласно уравнению

где Ргс – полное гидростатическое давление на глубине h (м), Па; Ро – внешнее давление на свободной поверхности жидкости, Па; ρ ж – плотность жидкости, кг/м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

197

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Гидростатическое давление зависит от высоты столба флюида и его плотности. Сечение и геометрия столба не оказывают влияния на величину давления. Любое изменение давления в произвольной точке несжимаемой жидкости, находящейся в статическом состоянии, полностью передается в любую другую точку этой жидкости. Гидростатическое давление в какойлибо точке одинаково во всех направлениях.

В глубоких скважинах, заполненных буровой промывочной жидкостью, значения гидростатического давления отклоняется от закономерности (11.6). Отклонения обусловлены влиянием высокой температуры, давления, фильтрацией, контракцией и др. С увеличением глубины скважины влияние температуры преобладает над влиянием давления, в результате чего плотность буровой промывочной жидкости уменьшается. Имеются эмпирические зависимости влияния температуры и давления на плотность

Необходимо учитывать, что если остановить или снизить циркуляцию, то температура буровой промывочной жидкости повысится, что приведет к снижению плотности и как следствие – гидростатического давления.

Скважина с помещенной внутри колонной труб уподобляется U- образной трубе (колонна труб представляет одну из ветвей, а кольцевое пространство – другую). В случае если U-образная труба содержит неподвижный флюид, свободные поверхности этого флюида находятся на одном уровне в обеих ветвях трубы. Гидростатическое давление одинаково на одной горизонтали независимо от рассматриваемого сечения. Если в ветви U-образной трубы содержат флюиды различной плотности, то свободные поверхности флюидов находятся на разных горизонтальных уровнях. Для достижения равновесия системы происходит переток флюида с большей плотностью из одной ветви в другую. Как правило, гидростатическое давление одинаково в нижней части обеих ветвей U-образной трубы.

Гидродинамическое давление в скважине

Гидродинамические давления в скважине возникают при течении жидкости по циркуляционной системе и при спуско-подъемных операциях.

При промывке скважины – это давление, создаваемое буровыми насосами, для преодоления суммарных гидравлических сопротивлений течению жидкости в циркуляционной системе буровой:

198

7