7 Осложнения при бурении. Поглощения и газанефтеводопроявления. Осложнения при бурении нефтяных и газовых скважин

• Название: Осложнения при бурении нефтяных и газовых скважин
• Дата: 17.03.2022
• Размер: 381.02 Kb.
• Имя файла: 7 Осложнения при бурении. Поглощения и газанефтеводопроявления.docx
• Тип: Документы; #401224
• страница: 8 из 8

1. Общая характеристика многолетнемерзлых пород

В зависимости от глубины залегания и наличия талых пород выделяется три типа мерзлотных зон:

1. Сплошное распространение мерзлых пород с поверхности до определенной глубины. Эта глубина в разных регионах колеблется в пределах от нескольких десятков до 1400 м.

2. Двухслойное строение мерзлой толщи с талыми породами между ними – таликами мощностью до 100‑150 м. Такое строение мерзлоты объясняется несколькими периодами похолодания.

3. Глубинные реликтовые мерзлые породы.

К основным свойствам мерзлых горных пород, влияющим на возникновение осложнений, относятся:

• 
  льдистость;
  
• 
  температура;
  
• 
  литологическая характеристика пород.
  

Льдистость – отношение веса льда к весу сухой породы. Льдистой уменьшается с глубиной, для верхней части разреза в ряде случаев доходит до 60 %. Известны случаи вскрытия скважиной пластовых залежей льда мощностью до 20 м. При высокой льдистости в случае протаивания породы часть порового пространства освобождается, что способствует обрушению стенок скважины. С другой стороны при низкой льдистости теплоемкость пород невелика, и поэтому при тепловом воздействии они разрушаются быстрее. Наиболее полно мерзлую породу характеризует избыточная льдистость, т.е. содержание льда в объеме, превышающем пористость. Если избыточная льдистость близка к нулю, то частицы пород плотно прилегают друг к другу, и несущую способность обеспечивает скелет породы. Протаивание в этом случае почти не приводит к осложнениям при бурении.

Температура ММП колеблется в пределах от 0 до -10^о С. При низких температурах протаивание ММП, естественно, меньше, и кавернообразование в них меньше при прочих равных условиях. В то же время при низких температурах значительно быстрее проходит процесс обратного промерзания талых пород. В результате в стволе скважины при длительных остановках образуются ледяные пробки, а если в скважине находится колонна бурильных труб, то она примерзает к стенкам ствола, т.е. происходит прихват. Вместе с тем следует учесть, что промерзание пород происходит в 3‑5 раз медленнее, чем их протаивание.

При охлаждении льда, находящегося в замкнутом объеме, на 1^о С давление повышается на 13,43 МПа. Следовательно, чем ниже температура ММП, тем большие усилия действуют на колонну обсадных труб при обратном промерзании пород. Это может привести к смятию и поломке колонн.

Любые горные породы, находящиеся на соответствующей глубине, могут быть многолетнемерзлыми, но только несвязные, или со слабыми минеральными связями (пески, супеси), легко разрушаются при бурении с образованием каверн. Глинистые породы, а тем более породы с минеральными связями, имеющие отрицательную температуру, в процессе бурения остаются устойчивыми, ствол скважины сохраняет номинальный диаметр, а осложнения маловероятны.

2. Буровые растворы, используемые при бурении в ММП

Бурение в ММП возможно с использованием в качестве очистного агента:

• 
  бурового раствора с отрицательной температурой;
  
• 
  охлажденного воздуха, аэрированных жидкостей, пен;
  
• 
  бурового раствора с положительной температурой, но с применением специальных технологий.
  

В первом случае могут быть использованы растворы как на углеводородной, так и водной основе. В качестве противоморозных добавок в водные растворы вводятся NaCl, KCl, CaCl₂, Na₂Br₄O₇, Na₂CO₃, Na₂NO₃. С повышением их концентрации температура замерзания раствора, естественно, снижается и может быть доведена до –16^о С. Однако при этом возрастает скорость растворения льда. Для получения требуемых свойств в раствор вводятся глинопорошок, гипан, КМЦ, ПДА. Однако введение противоморозных добавок существенно снижает стабильность растворов, в результате происходит их разделение на твердую и жидкую фазы. Кроме того, в летнее время охлаждение раствора до отрицательных температур затруднено.

Лучшим вариантом с точки зрения минимального воздействия на ММП является продувка скважин воздухом. Это связано с тем, что он обладает низкой теплоемкостью, теплосодержание (энтальпия) его в десятки раз меньше, чем жидкостей. Воздух не замерзает. При продувке температура воздуха в скважине очень быстро становится равной температуре ММП, поэтому протаивание пород практически не происходит. Однако воздух, выходящий из компрессора, имеет достаточно высокую температуру (60‑80^о С), поэтому его необходимо охлаждать. Кроме того, при охлаждении в скважине из воздуха выпадает конденсат, что приводит к смерзанию частиц шлама, образованию сальников, ледяных пробок. В связи с этим необходимо осушение воздуха.

Аэрированные жидкости и пены имеют ряд существенных преимуществ как промывочные агенты. При их применении гидростатическое давление в скважине мало, что приводит к возрастанию механической скорости бурения, повышает износостойкость долот. Введение в газожидкостную смесь ПАВ, ПАА, КМЦ, гипана, сульфонола, глинопорошка, смазывающих, противоморозных, ингибирующих добавок позволяет получить буровые растворы с требуемыми свойствами и регулировать их в широких пределах. При замерзании аэрированных растворов и пен в кольцевом и межколонном пространствах разрушения колонн обсадных труб не происходит, так как растворы сохраняют ячеистую структуру, а примерзший буровой инструмент достаточно легко извлекается из скважины. При цементировании пена легко вытесняется из заколонного пространства, что повышает качество крепления скважин.

Вместе с тем, в настоящее время пены и аэрированные жидкости используются по незамкнутой схеме циркуляции. Это создает определенные трудности.

В целом применение в качестве очистных агентов жидкостей с отрицательной температурой, аэрированных жидкостей и пен практически всегда невозможно при бурении основной части ствола глубокой скважины, а замена раствора после проходки ММП приводит к существенному удорожанию работ. В связи с этим в подавляющем большинстве случаев бурение скважин на нефть и газ в ММП осуществляется с промывкой буровым растром с положительной температурой.

3. Виды воздействия растворов

с положительной температурой на ММП

При бурении в ММП имеют место два основных вида воздействия – физико‑химическое и тепловое.

В системе ММП – корка на стенках скважины – буровой раствор проходит осмотический процесс, в результате которого происходит выравнивание концентрации солей, температуры и давления в системе. В результате может произойти разрушение породы. Если буровой раствор имеет повышенную концентрацию какой‑либо растворенной соли, то начинается растворение льда даже при отрицательной температуре. Если при этом лед является цементирующим веществом для несвязных пород, то устойчивость стенок скважины будет потеряна, начнутся осыпи, обвалы, образование каверн.

Если минерализация поровой воды ММП, а поровая вода может быть в жидком виде при температуре до – 100^о С, и образующаяся при таянии льда вода будет также иметь повышенную минерализацию, то происходит осмотический переток и фильтрация бурового раствора в окружающие породы. Это, безусловно, приводит к нарушению устойчивости стенок скважины.

Таким образом, для исключения физико‑химических процессов необходимо обеспечить одинаковую минерализацию бурового раствора и поровой воды ММП. Однако добиться этого трудно, поэтому чаще используются растворы, создающие на стенках скважины малопроницаемую пленку. Так, например, при замене промывки скважины соленой водой на глинистый раствор высокой вязкости с той же концентрации соли, интенсивность разрушения льда снижается в несколько раз.

Более мощным фактором, влияющим на устойчивость стенок скважины при бурении в ММП, является тепловое воздействие. Под воздействием теплового потока происходит таяние льда, связность частиц породы нарушается, образуются каверны. Этому процессу способствует эрозия движущегося бурового раствора.

Для уменьшения глубины протаивания ММП необходимо снижать температур бурового раствора и время контакта его с породой. Оптимальная с этой точки зрения температура раствора должна быть равна температуре таяния льда и не превышать +0,5^о С. Однако в летнее время снижение температуры без специальных холодильных устройств практически невозможно, а их использование требует значительных затрат средств. Снижение теплового воздействия на породу возможно путем уменьшения внутреннего коэффициента теплоотдачи раствора. Самый простой способ снижения этого коэффициента – обеспечение ламинарного режима течения жидкости. Это достигается снижением скорости восходящего потока и повышением вязкости бурового раствора. Еще одна причина растепления ММП – попадание фильтрата в породу, в том числе и в мерзлую. Поэтому необходимо снижать водоотдачу.

Для уменьшения времени контакта раствора с породой необходимо проведение комплекса организационных мероприятий (повышение механической скорости бурения, исключение простоев, ожиданий). С этой же целью используются так называемые удлиненные направления, перекрывающие интервалы неустойчивых ММП сразу же после их вскрытия. Длина этих направлений доходит до 200‑300 м. Башмак их устанавливается в устойчивых глинистых породах. Этот метод хотя и усложняет конструкцию скважины, но существенно уменьшает кавернообразование.
4. Другие виды осложнений при бурении ММП
Кроме нарушения устойчивости стенок скважины в ММП возможны и другие осложнения. К их числу относятся:

• 
  низкое качество цементирования;
  
• 
  провалы приустьевых площадок;
  
• 
  разрыв и смятие колонн обсадных труб.
  

Низкое качество цементирования связано с тем, что в скважине образуются каверны большого размера. Цементный раствор при тампонировании не вытесняет полностью буровой раствор, а движется в виде «языка». В результате часть кольцевого пространства оказывается незацементированным, что в дальнейшем при бурении и эксплуатации скважины может привести к тяжелым последствиям (проседание колонн обсадных труб, заколонные проявления, провалы приустьевых площадок). Кроме того, на контакте ММП и цементного раствора может произойти его замерзание до начала схватывания, а при дальнейшем растеплении – нарушение герметичности колонн. Во избежание этих явлений необходимо исключить кавернообразование теми методами, которые указывались ранее, а также:

• 
  затворять цемент при повышенной температуре воды;
  
• 
  повысить температуру внутри колонны обсадных труб в период ОЗЦ путем циркуляции нагретой жидкости, или другими методами;
  
• 
  применять тампонажные смеси, выделяющие при схватывании тепло, достаточное для поддержания необходимой температуры;
  
• 
  использовать тампонажные смеси, схватывающие при отрицательных температурах.
  

Неустойчивость приустьевых площадок проявляется в виде провалов вокруг устья скважины и перекоса оснований буровых установок. Первое явление связано с размывом направлений или кондукторов и образованием в результате этого каверн большого размера. Следовательно для предотвращения провалов необходима установка башмаков колонн в глинистых породах и качественное цементирование. Снизить вероятность размыва направления можно за счет снижения гидравлических потерь в кольцевом пространстве. Для этого вывод восходящего потока бурового раствора из кольцевого пространства обеспечивается на уровне дневной поверхности, а подача его в систему очистки осуществляется с помощью шламового насоса.

Перекос оснований буровых происходит в результате значительных нагрузок на грунт. Это приводит к растрескиванию ММП, по образовавшимся трещинам начинает циркулировать вода, происходит протаивание грунта, а затем проседание основания. Для предотвращения этого явления необходимо уменьшить удельную нагрузку на грунт путем увеличения площади основания.

Разрыв и смятие колонн обсадных труб происходит при обратном промерзании пород. Как показывает практика, при температуре ММП до‑2^о С и наличии двух колонн обсадных труб (кондуктор, эксплуатационная колонна), эти осложнения маловероятны. При более низких температурах необходимо использовать трубы с большей толщиной стенки и более высокой группой прочности материала.