Классификация осложнений

Лекция 17

Тема: Осложнения и аварий в процессе бурения.

План: 1. Классификация осложнений.

           2. Поглощение промывочной жидкости и тампонажного раствора.

1. Классификация осложнений.

Наиболее распространенными осложнениями при бурении скважин являются: разрушение стенок скважины; поглощения буровых промывочных и тампонажных растворов; пластовые флюидопроявления; прихваты колонн бурильных и обсадных труб.

Названные типы осложнений можно подразделить на следующие виды.

Разрушение стенок скважины:

осыпи и обвалы незакрепленных горных пород, приводящие к чрез­мерному загрязнению ствола скважины;

Рекомендуемые материалы

набухание горных пород, приводящее к сужению ствола скважины;

оползни, приводящие к частичному или полному перекрытию ствола скважины;

желобообразование в местах резкого искривления ствола, приводящее к возникновению затяжек и посадок при спуске или подъеме колонны труб;

растворение соленосных отложений, приводящее к образованию ка­верн;

растепление многолетнемерзлых пород, приводящее к их деградации и потере устойчивости.

Поглощения бурового промывочного и тампонажного растворов:

потери бурового раствора в проницаемые пласты, приводящие к не­обходимости приготовления дополнительных объемов бурового раствора, а зачастую и проведения специальных глубинных гидродинамических ис­следований;

недостаточное гидростатическое давление в скважине, порождающее опасность смятия находящейся в ней обсадной колонны и выброса пласто­вого флюида на поверхность;

применение специальных материалов для закупорки поглощающих пластов, требующее их доставки на буровую, монтажа специальных уст­ройств для ввода материалов в буровой раствор;

недоподъем тампонажного раствора за обсадной колонной, приводя­щий в ряде случаев к необходимости исправительных тампонажных работ.

Пластовые флюидопроявления:

газирование бурового раствора, приводящее к необходимости его де­газации и дополнительной обработке химическими реагентами;

разбавление бурового раствора пластовыми флюидами, приводящее к необходимости его частичной замены;

межпластовые перетоки флюидов, требующие дополнительного ра­зобщения пластов из-за их несовместимости при проходке открытым стволом;

заколонные флюидопроявления, приводящие к опасному скоплению газа непосредственно на устье бурящейся скважины;

возникновение грифонов, приводящее к проникновению газа на днев­ную поверхность и возникновению его взрывоопасной концентрации в окрестностях скважины.

Прихваты колонны труб в необсаженном стволе скважины:

одностороннее прижатие колонны труб к проницаемому пласту за счет репрессии между ним и скважиной;

заклинивание колонны в желобной выработке вида «замочная сква­жина»;

заклинивание долота сальником или в сужении ствола скважины;

прихват колонны обвалившимися породами.

Такая классификация осложнений, не претендуя на законченность, позволяет дифференцировать технологические приемы борьбы с ними.

Проходка ствола скважины в массиве горных пород сопровождается существенным нарушением поля напряжений в ее окрестностях и концен­трацией напряжений на ее стенках. В процессе углубления ствол скважи­ны заполнен циркуляционным агентом с плотностью значительно ниже плотности горных пород. На открытой поверхности стенок скважины про­является действие сил бокового распора, которые вызывают деформацию горных пород в окрестностях ствола и могут приводить к их разрушению.

Присутствие на контакте с горной породой инородной среды (бурово­го промывочного раствора) вызывает физико-химические процессы на гра­нице раздела: осмотические явления, поверхностную гидратацию, раство­рение, капиллярное проникновение и т.п. В некоторых породах они могут вызывать заметное изменение их агрегатного состояния, сил внутреннего сцепления и в итоге могут существенно преобразовывать свойства горных пород в окрестностях скважины по сравнению с первоначальными в есте­ственном залегании. Особенно опасно повышение склонности к пластиче­скому течению глинистых и хемогенных горных пород.

Разупрочнению горных пород в стенках ствола скважины также спо­собствует развитие усталостных явлений, происходящих под воздейст­вием гидродинамических ударов и переменного давления в стволе при спускоподъемных операциях.

При циркуляции промывочного агента по стволу нарушается темпера­турный режим горных пород в стенках скважины, что также вызывает по­явление дополнительных напряжений.

Наконец, на контакте пластовых флюидов с промывочным агентом мо­гут наблюдаться длительные или кратковременные нарушения гидродина­мического равновесия, и в таких случаях подвижная среда (жидкость или газ) под действием разности давлений будет легко перетекать в область по­ниженного давления. Может возникнуть переток промывочного агента в окружающие ствол горные породы либо, наоборот, пластовой жидкости в ствол скважины.

Все эти нарушения равновесного состояния в окрестностях скважины и на ее стенках неблагоприятно сказываются на процессе углубления ство­ла и осложняют его.

Под осложнением понимают нарушение нормального процесса строи­тельства скважины, которое требует принятия безотлагательных и эффек­тивных мер для его устранения и продолжения бурения. В отличие от ава­рий осложнение, как правило, не связано с перерывом в процессе проход­ки скважины.

На борьбу с осложнениями в глубоком бурении затрачивается в сред­нем до 20 — 25 % календарного времени. Это выдвигает проблему преду­преждения осложнений и борьбы с ними как весьма актуальную.

Опыт практической работы показывает, что всякое осложнение легче предупредить, чем затем его ликвидировать.

Причем на практике одно возникшее осложнение нередко влечет за собой другое (поглощение бурового раствора может вызвать приток из вы­соконапорного горизонта; осыпи и обвалы — затяжку инструмента и т.д.), а сочетание нескольких осложнений в одном стволе чрезвычайно усложня­ет задачу их ликвидации и приводит к значительным затратам календарно­го времени и средств.

В арсенале эффективных средств предупреждения осложнений при бурении скважин имеются следующие основные:

обоснование конструкции скважины с учетом всех специфических особенностей разреза;

правильный подбор промывочных агентов по составу и свойствам для каждого специфического интервала и грамотная оперативная корректиров­ка режима промывки в зависимости от свойств проходимых горных пород;

использование системы раннего обнаружения осложнений на основе оперативной обработки данных комплексного контроля за процессом бу­рения (методы технологического контроля, методы геофизического конт­роля);

использование методов прогнозирования опасных зон по данным ре­гиональных и промысловых геофизических исследований.

2. Поглощение промывочной жидкости и тампонажного раствора.

Поглощения в скважинах буровых растворов является одним из основных видов осложнений.

ПРИЧИНЫ ПОГЛОЩЕНИЙ ЖИДКОСТЕЙ В СКВАЖИНАХ

Установить какие-либо закономерности возникновения погло­щений и выбрать эффективные мероприятия и технологию проведения работ по предупреждению и ликвидации поглощений из-за большого числа факторов, обусловливающих явление поглощения, очень сложно. Поэтому стали использовать вероятностно-статистические методы для прогнозиро­вания зон поглощений и выбора наиболее эффективных технологических мероприятий по предупреждению и борьбе с поглощениями.

Поглощения буровых растворов и иных жидкостей в поглощающие пласты обеспечиваются наличием пор, каналов, трещин, пустот в проходи­мых скважиной породах и |или) недостаточной устойчивостью (сопротив­ляемостью) пород к давлению столба жидкости в скважине, в результате чего   возникает   гидроразрыв   пород, и   в щели   проникает жидкость.

Поглощающие пласты в бурящихся скважинах могут быть представле­ны пористыми, трещиноватыми и кавернозными породами. Пористые песчано-алевритовые породы имеют трещины и обладают поровой трещинной проницаемостью, трещиноватые породы имеют межзерновую пористость, а кавернозные породы разбиты микротрещинами различной раскрытости.

Проницаемость песчано-глинистых пород зависит от размеров пор, которые могут быть субкапиллярными, капиллярными и сверхкапил­лярными. Соединяющиеся между собой поры образуют поровые каналы, являющиеся путями   движения   жидкости   и   газа.

В мелко- и среднезернистых песчаниках и алевролитах интенсивные поглощения буровых растворов не происходят, так как образующаяся при фильтрации раствора в пласт глинистая корка на стенке скважи­ны имеет низкую проницаемость и препятствует проникновению раство­ра в пласт. В крупнозернистых песчаниках и алевролитах раствор фильт­руется с большой скоростью. Еще больше раствор проникает в пласты конгломератов,   имеющих   каналы диаметром 1-5 мм   и   более.

Наиболее часто буровой раствор поглощается в карбонатных (обычно известняки) породах. Различаются известняки с первичной или вторичной пористостью и трещиноватые. К первым относятся мел, раковинные и коралловые известняки. Ко вторым - все известняки и доломиты, порис­тость которых является результатом последующего выщелачивания. Третью группу составляют известняки и доломиты, трещиноватость которых обу­словлена процессами доломитизации, вызывающими сокращение объема породы,   или   тектоническими   причинами.

Раковинные, коралловые известняки и мел имеют высокую порис­тость, но их пустоты не все сообщаются между собой, что снижает их про­ницаемость. Известняки со вторичной пористостью являются хорошими коллекторами. Различаются известняки мелкопористые, крупнопористые и кавернозные. Трещиноватые известняки также обладают высокой про­ницаемостью.

Погружение осадочных пород на большие глубины приводит к их уп­лотнению и отжатию поровых вод.

Область прогибании часто вовлекается в воздымание, и верхняя часть разреза подвергается размыву. Разгрузка пород от геостатического давле­ния приводит к расширению их пустотного пространства за счет дефор­маций скелета. По указанным причинам давления в верхней части разре­за   могут установиться аномально низкими.

В областях, где осадконакопление происходило относительно медленно (платформа, плита и т.д.), породы за длительные геологические отрезки времени уплотняются и цементируются так, что при снятии нагрузки упру­гого разуплотнения плотных и крепко сцементированных пород почти не происходит. В таких районах основная причина возникновения АНПД -снижение температуры пород. К таким областям относятся, в частности, районы Урало-Поволжья   (до   600-1300 м).

АНПД могут фиксироваться также в артезианских бассейнах. Такие случаи АНПД объясняются тем, что альтитуда устья скважины находится выше линии напора вод от области питания к области разгрузки.

Поглощение буровых и цементных растворов связано также с гидроразрывом пластов (ГРП). Физическая сущность и механизм гидроразрыва изучены главным образом в связи с выявлением возможностей увеличения продуктивности скважин. Давление разрыва и направление развития тре­щин зависят от вертикального и бокового горного давления, наличия естественной и искусственной трещиноватости, значения давления в норо­вом пространстве, пористости, проницаемости горных пород и вязкости жидкости разрыва, подачи насосов. Разрыв пласта сопровождается одно­временно тремя явлениями: упругой и пластической деформацией горных пород, движением вязкой жидкости или суспензии по трещине, фильтра­цией   жидкости   в   горных породах.

ГРП в песчано-глинистых толщах прогибов и впадин на небольших глубинах происходят при давлениях столба бурового раствора, значи­тельно меньших геостатических давлений. С глубиной давления ГРП воз­растают и на больших глубинах приближаются к гео статическому дав­лению. Подобное явление наблюдается и в районах спокойного зале­гания горных пород, где проявление тектонических напряжений мало­вероятно, и в районах напряженной складчатости. Возрастание давлений ГРП с глубиной различные   исследователи   объясняют   по-разному.

По многим данным, боковые составляющие напряжений в породах σ_x. σ_y меньше вертикальной составляюшей σ_z. на значение коэффициента бо­ковою  распора а:

σ_x. = σ_y= а σ_z

Значение а зависит от коэффициента Пуассона V для рассматриваемой породы.

Предполагается, что с глубиной под действием больших геостатиче­ских давлений и температур породы становятся более пластичными, и σ_x. ,σ_y, σ_z постепенно выравниваются, что может обусловить увеличение давле­ний ГРП. Согласно этой точке зрения, образующиеся в пластах трещины гидроразрыва должны быть преимущественно вертикальными.

Рассмотренные причины ГРП при давлениях меньше геостатических позволяют объяснить многие особенности ГРП в осадочных толщах. Так, в монолитной однородной толще пород напряжения в приствольной зоне скважины почти не меняются, и для ее гидроразрыва необходимо создать давление в скважине, близкое или превышающее геостатическое. Если ствол скважины длительное время не закреплен колонной, то деформации глинистых пластов увеличиваются, напряжения в породах вблизи ствола скважины снижаются, что приводит   к уменьшению давления ГРП.

На значение давления ГРП большое влияние оказывают реологические свойства жидкостей: чем больше значения динамического напряжения сдвига и структурной вязкости жидкости, тем при меньших давлениях возникают ГРП. Связано это с тем, что слаб о фильтрующиеся жидкости оказывают большее гидродинамическое давление на стенки трещин разры­ва, чем менее вязкие и легко фильтрующиеся в породы жидкости.

Буровые и цементные растворы создают повышенное давление на пласт, что иногда приводит к ГРП и поглощению жидкости.

Буровые и цементные растворы по своим физическим, структурно-механическим свойствам в процессе расширения трещины значительно отли­чаются от жидкостей разрыва, применяемых в нефтедобыче. Они также являются вязкопластическими жидкостями, но имеют высокую водоотдачу.

Водоотдача цементного раствора может быть в десятки раз боль­ше водоотдачи   бурового раствора на   водной   основе.

Цементные растворы при наличии пористой (трещиноватой) прони­цаемой среды склонны не только отфильтровывать свою, но и пропускать

через себя постороннюю воду. Цементные растворы обладают способно­стью загустевать, схватываться и превращаться в прочный камень. Все эти свойства находятся в тесном взаимодействии   между собой.

ГРП вызывают и другие технологические факторы. Так, спуск буриль­ного инструмента в скважину с повышенной скоростью приводит к воз­никновению дополнительных гидродинамических давлений в стволе сква­жины, что нередко является причиной раскрытия трещин в породах и по­глощения буровою  раствора.

Таким образом, на давления ГРП влияют как геологические особенно­сти разрезов, так и технологические факторы. В таких условиях прогноз давления ГРП в бурящихся скважинах связан со значительными трудно­стями.

Контрольные вопросы:

1.Что представляет собой разрушение стенок сквадины?

2. Что такое пластовые  флюидопроявления?

3.Назовите причины поглошения промывочной жидкости

Литература

Ещё посмотрите лекцию "2.13 Источники" по этой теме.

1.Булатов АИ, Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению: В 4 т. - М: Недра, 1993-1996.

2.Сеид-Рза М.К. Технология бурения глубоких скважин в осложненных условиях. — Баку: Азернешр, 1963.

3.Малеванский В.Д. Открытые фонтаны и борьба  с ними.   —  М: Гостоптехиздат, 1962.

4.Булатов АИ., Макаренко П.П., Будников В.Ф., Басарыгин Ю.М. Теория и практика заканчивают скважин: В 5 т. — М: Недра, 1997, 1998.

5.Басарыгин Ю.М., Макаренко П.П., Мавромати В.Д. Ремонт газовых скважин. — М: Недра, 1998.

6.Крылов В.И. Изоляция поглощающих пластов в глубоких скважинах. — М: Недра, 1980.