Предупреждение обвалов стенок скважины при бурении на площади Северо – Брагунская

Реферат

Дипломный проект изложен 115 на страницах машинописного текста, содержит 2 рисунка, 23 таблиц, библиография 9 наименований.

Ключевые слова: депрессия  на пласт, пластовое давление, поглощение раствора, гидроразрыв пласта, флюидопроявление, градиент давления, аномально-высокое пластовое давление, поровое давление, статическое напряжение сдвига.

В дипломном проекте 4 раздела по теме проектирования, целью которой является предупреждение обвалообразований при бурении скважины на площади Северо- Брагунская. Обвалы при бурении могут происходить на в интервале 1750 до 5420 м. при проектной глубине 5800 м., поэтому эта тема актуальна и ей уделено большое внимание.

В аналитическом разделе  изложены современные взгляды ученых на этот вид осложнения.

В технико-технологическом разделе изложены инженерно-геологические условия и технология, мероприятия по предупреждению обвалов при бурении проектируемой скважины.

В разделе Безопасность жизнедеятельности рассмотрены  вопросы техники безопасности при  бурении скважины и охраны окружающей среды.

В четвертом организационно-экономическом  разделе изложены вопросы организации  работ при бурении, его структура, продолжительность цикла строительства  скважины.

В заключении расчет экономической  эффективности разработанных мероприятий для ускорения бурения скважины. На основе применения реагента метас, который за счет уменьшения водоотдачи бурового раствора снижает процесс обвалообразования стенок скважины, подсчитан экономический эффект, который составил 1385137 рублей.

Содержание

Введение

Опыт бурения нефтяных и газовых скважин свидетельствует  о многочисленных случаях обвалов  стенок скважин.

Обвалы стенки скважин  происходят чаще всего при разбуривании перемятых сланцевых глин, особенно вблизи тектонических нарушений. На значительных глубинах обвалы происходят в породах, не затронутых тектоническими нарушениями. Обвалы не происходят при разбуривании крепких пород, что побудило исследователей искать природу обвалообразований в свойствах самих пород.

Обвалы при бурении  скважин (в Грознефти) чаще происходят на больших глубинах, а их первопричиной являются геотехнологические условия и техника проводки скважин. Обвалы происходят только в сланцевых глинах спиралисовой толщи и верхней части отложений майкопа, в которых прослеживаются тонкие прослои песка, слюдистых включений с содержанием пирита, марказита и т.д.; более часто наблюдаются обвалы пород в скважинах при больших углах падения пластов и в зонах нарушений; все обстоятельства, связанные со снижением плотности буровых растворов, замедленным темпом и остановкой бурения, способствуют обвалообразованиям.

Обвалообразования становятся очень серьезным видом осложнений в случае обрушения пород над образовавшейся каверной, технология предупреждения образования которой известна.

Различные исследователи  выдвигали свои гипотезы о природе обвалообразований. Так, B.C. Федоров механизм обвалов объяснял тем, что при бурении глина вследствие снижения бокового давления упруго расширяется (вследствие сниженного давления со стороны бурового раствора), а прочность ее увеличивается; при этом порода всасывает воду из бурового раствора.

Вода, по B.C. Федорову, проникая в поры глины, «включает» капиллярное давление, и начинается вспучивание глины. Глина попадает в ствол скважины – идет образование каверн. При достаточной производительности буровых насосов возникновение каверн может быть не замечено. Однако при последующем обрушении вышележащих пород (если они недостаточно прочны и не образуют карнизов) процесс бурения может быть остановлен. Основным мероприятием по предупреждению обвалообразований B.C. Федоров считал замену бурового раствора безводной жидкостью, а там, где не отмечаются газонефтеводопроявления, рекомендовал применять беспарафиновый мазут. По B.C. Федорову, применять на водной основе буровой раствор плотностью 1,5-1,7 г/см³ против обвалообразований бесполезно.

Впоследствии B.C. Федоровым и B.C. Барановым для предупреждения обвалообразований рекомендовано использование эмульсии глинистого раствора с крекинг-остатками. Для стабилизации эмульсии к ней добавлялся асидол.

Однако применение этого  раствора не стабилизировало ситуацию, и обвалообразования наблюдались при проводке скважин.

Отрицательные результаты при использовании гидрофобных эмульсий способствовали разработке буровых растворов с минимальной водоотдачей, обладающих свойством откладывать тонкую плотную фильтрационную корку, замедляющую проникновение воды из раствора в породу. B.C. Баранов считал основным показателем бурового раствора при борьбе с обвалами его водоотдачу. Результативность применения буровых растворов с пониженной водоотдачей оказалась высокой, хотя проблема обвалообразований снята полностью не была.

На основании вышеизложенного  в данном дипломном проекте разработаны мероприятия по предупреждению обвалов стенок скважины на Северо-Брагунской площади.

1. Аналитический обзор

Одной из основных причин обвалов является использование некачественных буровых (глинистых) растворов, и надо применять системы, обладающие минимальной водоотдачей способных глинизировать стенки скважин, создавая на них тонкую и плотную корку, задерживающую проникновение фильтрата в неустойчивую породу.

B.C. Шаров за основную причину обвалов принял набухание и размокание глинистых пород. При этом скорость распада глин обусловливается величинами степени гидратации глинистых частиц и скорости гидратации массы глины, которая почти равнозначна скорости диффузии воды. Процесс распада путем воздействия можно ускорить, замедлить или даже совсем предотвратить изменением этих величин.

Немаловажную роль играет напряженное состояние пород. Ю.А. Песляк указывает, что если к образцу глины приложить постоянную нагрузку, то его деформация будет со временем увеличиваться и становится заметной при достаточно длительном действии нагрузки. В случае кратковременной нагрузки происходит только упругая деформация образца.

Представления о превалирующей  роли горного давления в обвалообразованиях привели к тому, что в ряде районов  страны широко применяют утяжеление буровых растворов как метод борьбы с потерей устойчивости стенок скважины и весьма мало учитывают физико-химическую природу этого явления.

На основании большого объема исследований B.C. Баранов пришел к выводу, что утяжеление бурового раствора не препятствует образованию расширений стволов скважины вследствие осыпания пород, но облегчает очистку скважин от шлама. Возможные осложнения в результате осыпей и обвалов, по мнению автора, легко предотвращаются использованием буровых растворов с малой водоотдачей.

Поскольку применение утяжеленных  буровых растворов с минимальной  водоотдачей не всегда обеспечивает сохранение устойчивости стенок скважин, в период с 1955 до 1970 г. за основную причину  обвалов принимали совместное действие двух факторов: напряженного состояния горных пород на стенке скважин и физико-химического воздействия фильтратов буровых растворов на обваливающиеся породы.

Все теории, основанные на превалирующей роли горного давления в каверно- и обвалообразованиях, не дают объяснений высокой устойчивости сухих и слабоувлажненных глин, наблюдаемой при продувке скважин газообразными агентами, хотя вследствие ничтожно малого противодавления на пласты условия течения или разрушения глинистых пород в этом случае наиболее благоприятны. Они не дают ответа и на вопрос, почему обвалам подвержены в основном глинистые породы и породы, цементирующим веществом которых являются глинистые материалы.

Роль горного давления в обвалах глинистых пород  будет различной в зависимости  от естественной влажности глинистых пород, слагающих стенки скважин.

В процессе проводки скважин  глинистые породы, склонные к обвалам, разрушаются обычно не сразу при  их вскрытии, а через некоторое  время. По данным И.Е. Шевалдина, процесс  осыпания кыновских аргиллитов носит  периодический характер. Стадии интенсивного осыпания чередуются с периодами стабилизации размера ствола скважины, т.е. периодами, в течение которых не наблюдается заметного увеличения среднего диаметра каверн. При этом продолжительность стадии осыпания и периодов стабилизации зависит от физико-химических свойств бурового раствора и скорости ее движения в заколонном пространстве. Из этих данных, а также из данных о набухании глин очевидно, что период начального осыпания, как и период стабилизации, после которого происходит вторая стадия осыпания, по продолжительности близок к периоду набухания этих глин. В большинстве случаев обвалы происходят через длительный период после вскрытия глинистых пород с применением бурового (глинистого) раствора и меньший - с применением воды в качестве бурового раствора.

Практика бурения показывает, что с использованием для продувки скважины газообразного агента ствол  скважины в большинстве случаев  сохраняет размеры, близкие к  номинальным. Применение буровых (глинистых) растворов содержит в себе ряд противоречий. С одной стороны, создавая противодавление на глины, он как бы способствует устойчивости стенок скважины. С другой, перепад давлений в системе скважина – пласт вызывает фильтрацию и тем самым способствует течению физико-химических процессов, которые в различной мере, в зависимости от химического состава фильтрата, вызывают изменение механической прочности глинистых пород. Плотность глинистой корки, если она будет образовываться на стенках скважины, сложенных коллоидальными глинистыми породами, едва ли будет играть важную роль, поскольку собственно глинистые породы сильно уплотнены и в приствольной зоне могут иметь значительно меньшую проницаемость, чем корка.

Использование инертных по отношению к глинистым отложениям буровых растворов, например безводных растворов на нефтяной основе, как правило, способствует сохранению номинального размера скважины, но имеются и исключения. В.Ф. Роджерс приводит кавернограмму глубокой скважины, пробуренной с промывкой раствором на нефтяной основе плотностью 1,80 г/см³, из которой видно, что в 216-мм стволе имеются многочисленные каверны размером до 370 мм. Те участки кавернограммы, где диаметр ствола номинальный, соответствуют песчаникам, а каверны появились в смежных глинистых породах.

Устойчивость стенок скважин, сложенных глинистыми породами, в значительной мере определяется показателями набухания (степенью, скоростью и периодом набухания), давлением набухания, величинами структурно-адсорбционных деформаций и предельного напряжения сдвига р_т образующихся систем глина - жидкость и другими факторами. Судить об устойчивости различных глинистых пород только по величине их набухания в исследуемой среде, например в воде, недостаточно, так как более набухающая глинистая порода может оказаться (при благоприятных геологических условиях залегания) устойчивее, чем слабо набухающая.

Влияние того или иного  химического реагента или фильтрата обработанного бурового раствора на устойчивость глинистых пород может оцениваться в первую очередь по показателям набухания этой породы и величинам ΔV и р_т в исследуемой системе по сравнению с этими показателями в дистиллированной воде, как эталонной жидкости. Чем меньше степень и скорость набухания, а также величина ΔV и больше период набухания и величина р_т глинистой породы в водном растворе реагента относительно этих показателей в дистиллированной воде, тем более устойчива будет глинистая порода (при контактировании с буровым раствором на водной основе) содержащей тот же реагент или те же реагенты и той же концентрации.

Системы «глина – жидкость» по сравнению с показателями в воде, оказывают положительное влияние на устойчивость глинистых пород.

Все буровые растворы на водной основе снижают прочность сухих глинистых пород, но ее значение может остаться выше, чем при действии воды. Если глинистые породы находятся в набухшем состоянии, то такие растворы обусловливают повышение прочности и снижение величины структурно-адсорбционных деформаций систем глина - жидкость, оказывая крепящее действие.

На устойчивость глинистых  пород сильно влияет величина водоотдачи буровых растворов, обусловливающая степень и глубину их увлажнения. Чем выше водоотдача, тем менее устойчивы глинистые породы при прочих равных условиях.

Горные породы, слагающие  стенки скважин, испытывают напряженное  состояние. В отличие от неглинистых горных пород, мало изменяющих прочность в случае контакта с водными растворами, в слабоувлажненных глинистых породах при их смачивании возникают дополнительные напряжения, обусловленные набуханием, что способствует их разупрочнению.

Следовательно, к одному из основных факторов, влияющих на устойчивость стенок скважин, следует отнести увлажненность глинистых пород. Поскольку в природе, а также в процессе проводки скважин в основном возможны три вида условий залегания глинистых пород (по физическому состоянию): малоувлажненные, среднеувлажненные и сильноувлажненные, то в каждом случае должна быть своя особенность механизма каверно- и обвалообразования. В соответствии с этим рекомендации по борьбе с ними также, очевидно, должны быть различными.

Как указывалось ранее, количество поглощаемой жидкости 1 г глины в отсутствие внутрипакетного набухания равно произведению толщины сольватного (гидратного) слоя δ на величину удельной поверхности глины S.

При одинаковой абсолютной влажности (общепринятый показатель влажности глин) и при различной удельной поверхности глин толщина слоя жидкости на поверхности глинистых частиц и, следовательно, прочность их сцепления будут значительно отличаться.

При вскрытии слабоувлажненных глинистых отложений инертным по отношению к глинистым породам буровым раствором, например безводным раствором на нефтяной основе или газообразным агентом, устойчивость стенок скважины будет сохранена в результате больших сил сцепления глинистых пород, что подтверждается отечественной и зарубежной практикой бурения. При использовании буровых растворов на водной основе происходит фильтрация жидкости в пласт. С течением времени в приствольной зоне скважины поры глинистых пород заполняются водным фильтром, давление которого становится близким к гидростатическому давлению столба бурового раствора, и перепад давления приствольная зона - скважина приближается к нулю, сохраняя свое значение только по мере удаления от этой зоны. С уменьшением перепада давлений создаются более благоприятные условия для набухания глинистых частиц.

Набухание сопровождается развитием давления на окружающие частицы, которые, естественно, могут при потере сцепления уплотняться (если пористость достаточно велика) или перемещаться в сторону наименьших сопротивлений, т.е. в скважину.

В сланцевых глинистых  породах набухание происходит по плоскостям спайности и сланцеватости  в отличие от однородных глин, набухание которых протекает во всем объеме массы частиц.

В процессе литогенеза сланцевых  глинистых пород под действием  массы вышележащих пород частицы приобретают параллельную ориентацию с наличием поверхностей скольжения между агрегатами или сильно уплотненными пластинами.

Электронно-микроскопические исследования глинистых частиц, взятых с поверхностей скольжения ориентировочной массы, показывают их высокую дисперсность. Образование этого слоя вызвано деформационным смещением пластинок глинистых пород в связи с поступлением воды и взвешенными в ней коллоидными частицами. Оседая на площадках максимальных касательных напряжений с ориентацией их в направлении приложения силы, коллоидные частицы образуют слой, состоящий из плотноупакованных высокодисперсных частиц (иногда такой слой называют «ультраглина»). Эта прослойка между пластинами сланцевых глинистых пород в условиях дегидратации, набухая и диспергируясь, выполняет роль «смазки», ослабляя связь и создавая площадки скольжения.

Увеличение плотности  бурового раствора - мероприятие, рекомендуемое  большинством авторов для борьбы с каверно- и обвалообразованиями, которое может изменить лишь время начала осложнения ствола скважины в результате создания большего перепада давлений.

Для сохранения устойчивости стенок скважины B.C. Баранов предложил производить постепенное многоступенчатое утяжеление бурового (глинистого) раствора. Выполняя это мероприятие, можно отодвинуть начало осложнений на длительное время, вплоть до спуска и цементирования обсадной колонны. Это мероприятие эффективно в том случае, когда разрез скважины представлен коллоидальными сильно набухающими глинами, и малоэффективно при наличии глинистых сланцев или аргиллитов, так как в последнем случае возникает реальная возможность проявления микрогидро-разрывов.

Устойчивость сланцевых  глинистых пород в значительной мере зависит от наличия микротрещиноватости.

По данным П.А. Ребиндера, все твердые тела обладают дефектами структуры (слабыми местами), распределенными таким образом, что участки твердого тела между ними имеют в среднем коллоидные размеры (порядка 10^-6 см), т.е. один дефект встречается в среднем через 100 правильных межатомных (межмолекулярных) расстояний. Проникающий по этим дефектным местам или микротрещинам фильтрат бурового раствора в зависимости от химического состава вызовет тот или иной эффект понижения твердости со всеми вытекающими последствиями для устойчивости стенки скважины. При этом следует указать на ошибочность распространенного мнения о значительной роли смазывающей способности нефтепродуктов в потере устойчивости глинистых пород. Эти представления, основанные на аналогии трения металлических тел, нельзя переносить на глинистые породы. Малая величина смазывающего эффекта в этом случае обусловлена следующими факторами:

а) трудность проникновения в массу глинистой породы молекул нефтепродуктов в результате их большого размера;

б) органические неполярные жидкости вследствие малого сродства с глинистыми породами оказывают ничтожно малое расклинивающее давление.

Снижение сцепления (увеличение смазывающего эффекта) глинистых пород  может быть вызвано в большей  мере водными растворами, обусловливающими наибольшее давление набухания и рост сольватных слоев на поверхности глинистых частиц. Роль горного давления в приствольной зоне скважины в этом случае весьма ограничена и проявляется лишь в период вскрытия глинистых отложений. При этом оно играет положительную роль как сила, препятствующая развитию набухания и сопровождающих его явлений.

Устойчивость стенок скважины в основном определяется величинами степени, скорости и давления набухания  глинистых пород, структурно-адсорбционных деформаций, предельного напряжения сдвига систем глина – жидкость, геологическими и другими факторами.

Для сохранения размеров стволов скважины, сложенных слабоувлажненными  глинистыми породами, близкими к номинальным размерам долот, наиболее целесообразно применение в качестве буровых растворов газообразных агентов с низкой влажностью, а также растворов на нефтяной основе или нефтеэмульсионных растворов второго рода.

Для обеспечения устойчивости глинистых пород при использовании буровых растворов на водной основе необходимо, чтобы в случае невысокой водоотдачи фильтрат ее обусловливал минимальные величины давления, степени и скорости набухания, структурно-адсорбционных деформаций и максимальные величины предельного напряжения сдвига и периода набухания. В определенной мере такими свойствами обладают известковые, гипсовые, высококальциевые, малосиликатные и другие буровые растворы.

При вскрытии среднеувлажненных  глинистых отложений с применением  газообразных агентов устойчивость стенок скважины будет невысокой. В  результате развития структурно-адсорбционных деформаций во времени прочность сцепления частиц глинистых пород уменьшится. Механические воздействия бурильного инструмента могут способствовать осыпанию таких пород. При использовании растворов на нефтяной основе указанные процессы также будут протекать, но в меньшей мере, если отложения представлены коллоидными глинами, так как на них оказывает противодавление столб промывочной жидкости. Если же такие отложения представлены сланцевыми глинистыми породами, то устойчивость их будет значительно меньшей.

Для сохранения устойчивости стенок скважины, сложенных среднеувлажненными аргиллитами, целесообразнее применять буровые растворы, обладающие крепящим действием и имеющие невысокую водоотдачу. В результате диффузии, добавки (CaSO₄-2H₂O, СаС1₂, водорастворимые силикаты и т.д.) или их ионы проникают в глинистые породы, увеличивая сцепление частиц и снижая величину структурно-адсорбционных деформаций.

Использование буровых  растворов, не содержащих добавки, даже с низкой водоотдачей, как правило, не обеспечивает сохранение устойчивости таких глинистых отложений. Роль горного давления в устойчивости среднеувлажненных глинистых пород невелика.

Сильноувлажненные глинистые  породы находятся в состоянии набухания, величина которого зависит от пластовых условий (давление вышележащих горных пород, тектонические силы, температура, соленосность и др.). Отсутствие жесткого несущего фундамента обусловливает наличие аномальных давлений в этих отложениях, равных или близких по величине к горному давлению. При вскрытии этих отложений вследствие разности давлений в системе пласт – скважина создаются благоприятные условия для развития структурно-адсорбционных деформаций. Величина их в указанной системе зависит от разности давлений, условий залегания, гидрофильных свойств глин и других факторов. Часть из них будет способствовать вытеканию пастообразной массы в скважину. Развитию осложнений в значительной мере способствует горное давление (выдавливание вязкой массы глины в скважину). Если породы представлены высококоллоидальными глинами, может произойти не обвал, а пробкообразование.

Б. Миллс, описывая это  явление, указывает, что сила движения глинистой массы часто бывает настолько велика, что ее невозможно контролировать, при этом гнутся и ломаются бурильные и обсадные трубы, а пробки часто поднимаются на высоту нескольких сотен метров.

Если глинистые породы разреза скважины представлены сильноувлажненными аргиллитами, пробкообразование не происходит, но после их вскрытия возникают  интенсивные осыпи и обвалы.

Для борьбы с осложнениями в сильноувлажненных глинистых отложениях недопустимо применение газообразных агентов. Применение известково-битумных растворов на нефтяной основе или нефтеэмульсионных растворов едва ли обеспечит нормальный процесс углубления скважины, так как в результате высокой вязкости этих растворов свабирующий эффект при спускоподъемных операциях значительно больше, чем при использовании буровых растворов на водной основе. В процессе подъема инструмента в случае наличия свабирующего эффекта создаются благоприятные условия (развитие структурно-адсорбционных деформаций, вдавливание вследствие внешних сил) для течения пастообразной массы глины в скважину либо для кавернообразования, если глинистые породы представлены сланцами или аргиллитами. При спуске инструмента требуется проработка заплывшего участка ствола скважины. Это может повторяться многократно. На практике такие осложнения часто заканчиваются прихватом бурильного инструмента и потерей ствола скважины.

Для борьбы с осложнениями процесса бурения в сильноувлажненных коллоидальных глинах наибольший эффект могут дать утяжеленные буровые растворы с низкой водоотдачей, способствующие увеличению предельного напряжения сдвига, уменьшению структурно-адсорбционных деформаций и стабилизации объема набухшей породы. К таким системам относятся гипсовые, малосиликатные буровые растворы и др. При этом не следует повышать скорость бурения, а в наиболее сложных случаях необходимо остановить процесс бурения до завершения течения физико-химических процессов в системе буровой раствор - приствольная зона пласта. Обязательным условием является снижение до минимума колебания давления, в частности, при спускоподъемных операциях.

Для борьбы с осложнениями процесса бурения в сильноувлажненных глинистых сланцах и аргиллитах обязательным условием является применение буровых растворов, обладающих крепящим действием, с минимальной водоотдачей. Утяжеление буровых растворов в этих условиях не предотвращает кавернообразования.

Одним из перспективных  методов борьбы с каверно-, обвало- и пробкообразованием может явиться установка силикатных ванн с низкой водоотдачей.

Силикатные ванны в  качестве химического метода закрепления потенциально неустойчивых глинистых пород различной степени увлажненности можно устанавливать при использовании буровых растворов как на водной, так и неводной основе).

Определяющим фактором, обусловливающим изменение прочностных  характеристик пород однородной литологической характеристики, является не глубина их залегания Н, а горное давление P_r.

Было предложено много рецептур буровых растворов для предупреждения обвалообразований, которые отвечали требованиям различных гипотез их возникновения и развития. Однако борьба с обвалообразованиями, начиная с их профилактики, должна заключаться в комплексе мероприятий с учетом геолого-технических особенностей каждой скважины.

Сложность выбора мероприятий  по предупреждению обвалообразований состоит в том, что буровые растворы выполняют функции, которые определяют не только успешность и скорость бурения, но и ввод скважины в эксплуатацию с максимальной продуктивностью. Основные из этих мероприятий – обеспечение быстрого углубления, сохранение в устойчивом состоянии ствола скважины и коллекторских свойств продуктивных пластов. Выполнение указанных функций зависит от взаимодействия с проходимыми породами. Характер и интенсивность такого взаимодействия определяются природой и составом дисперсионной среды.

Только комплексный  подход к решению задачи выбора показателей свойств бурового раствора и режимных параметров циркуляции позволит обеспечить выполнение основных функций технологического процесса промывки скважины, в том числе предупреждения образования осыпей и обвалов.