Примеры построения графика совмещённых давлений и методики обоснования необходимого количества обсадных колонн

Пример 1:

Для разделения разреза на интервалы с несовместимыми условиями строится совмещенный график давлений, на котором по интервалам глубин откладываются известные значения коэффициента аномальности пластового давления k_a, индекса давления поглощения k_o и соответствующие значения относительной плотности бурового раствора, рассчитанные по формуле р=к_зк_а где А, - коэффициент запаса, определяющий величину репрессии на пласт.

Значения коэффициента запаса к₃ задаются в следующих пределах.

Интервал, м..... <1200 1200-2500   >2500

k_x. Г..................... 1,1-1,15  1,05-1,1 1,04-1,07

Репрессия на пласт, МПа          1,5 2,5 3,5

При этом, как видим, ограничивается максимально допустимая величина репрессии на пласт.

Совмещенный график давлений и выделенные интервалы с несовместимыми условиями приведены на рис. 1. Как следует из анализа ситуации, представленной на рис. 1, на глубине 300 м скважина превышает индекс давления поглощения в вышележащем пропластке. Поэтому на этой глубине следует провести границу интервалов с несовместимыми условиями и для их разобщения спустить кондуктор. Рассуждая подобным образом, мы приходим к выводу, что с глубины 2100 м необходимо резко повысить плотность бурового раствора от 1,22–1,23 до 1,63–1,64. Поэтому вышележащий интервал должен быть изолирован промежуточной колонной. Таким образом, с учетом эксплуатационной колонны, которая спускается в продуктивный пласт, скважина должна быть оборудована еще направлением, кондуктором и промежуточной колонной.

После определения требуемого количества обсадных колонн необходимо уточнить глубину спуска каждой колонны. Если ниже спущенной колонны будут вскрываться пласты с АВПД, глубина спуска уточняется с таким расчетом, чтобы были перекрыты интервалы слабых пород, в которых возможен гидроразрыв после полного замещения бурового раствора в скважине пластовым флюидом и герметизации устья скважины. Возникновение повышенного давления в скважине в случае притока пластового флюида можно проиллюстрировать на следующем примере.

Исходные данные: пусть на глубине z₁ = 2300 м вскрывается газоносный пласт с коэффициентом аномальности пластового давления к_а= 1,5. Необходимо определить максимальное давление на стенки открытого ствола на глубине z₂ = 2200 м, которое может возникнуть в процессе вымывания газовой пачки при герметизированном устье, а также рассчитать допустимое давление на устье, если на глубине 2200 м индекс давления поглощения горной породы k_П = 2,1.

 

Решение.

1. Пластовое давление в газоносном пласте:

 

2. Необходимая плотность раствора для вскрытия газоносного пласта:

ρ_б.р.= k_з· k_а ·1000= 1,1·1,5·1000 = 1650 кг/м³

3. Гидростатическое давление бурового раствора на глубине 2200 м:

P_г.ст. = ρ_б.р.· g · z₂ = 1650 · 9,8 · 2200 =35,6 МПа

4. Гидростатическое давление на глубине 2200 м после перемещения газовой пачки к устью:

P’_г.ст = P_г.ст + P_пл = 35,6 + 33,8 = 69,4 МПа

5. Давление гидроразрыва пород на глубине 2200 м:

P_г.р. = k_П · ρ_в · g · z₂ =2,1· 1000 · 9,8 · 2200 = 45,3 МПа

6.  Как видим, давление гидроразрыва 45,3 МПа значительно ниже того, которое может возникнуть при закрытом устье, и велика опасность гидроразрыва пород и интенсивного поглощения. Чтобы избежать осложнения, надо либо предусмотреть изоляцию интервала с k_П= 2,1 до вскрытия газоносного пласта, либо рассчитать допустимое давление на пласт и уровень допустимого давления на устье при вымывании газовой пачки.

 

7. Допустимое давление на глубине 2200 м во избежание гидроразрыва пород:

P_доп.2200 = P_г.р.: k = 45,3: 1,05 = 43,1 Мпа, где k =1,05 – коэфициент запаса

 

8.  Допустимое давление на устье скважины при вымывании газовой пачки:

P_доп.у = P_доп.2200 – P_г.ст. = 43,1 – 35,6 = 7,5 МПа

Если же в процессе вымывания газовой пачки давление в открытом стволе превысит допустимое и может возникнуть опасность гидроразрыва пород, то указанный интервал должен быть перекрыт обсадной колонной до вскрытия продуктивного пласта.

Подобными расчетами возможных изменений давления в скважине в результате их сопоставления с допустимыми с точки зрения гидроразрыва или потери устойчивости породы в стенках скважины определяется необходимость перекрытия обсадной колонной того или иного интервала. В любом случае глубина спуска обсадной колонны устанавливается с таким расчетом, чтобы ее башмак находился в устойчивых прочных малопроницаемых породах.

Все более широкое распространение находит практика бурения скважин и увеличение объемов буровых работ в зонах распространения многолетнемерзлых пород. Опыт проведения буровых работ показывает, что бурение скважин, в породах с постоянной отрицательной температурой, особенно в осадочных толщах (глина, пески, ил, мягкие глинистые сланцы), при высокой чувствительности мерзлоты к нарушению ее теплового режима, наличие минерализованных вод в жидкой фазе и явлений переувлажнения пород существенно отличается от бурения в тех же породах, но имеющих положительную температуру.

Бурение этих зон приводит к возникновению тяжелых осложнений, основными из которых являются: разрушение (растепление) мерзлых стенок скважин и льда, цементирующего горные породы, возникновение обвалов пород, проявление поглощений промывочной жидкости и замерзание бурового раствора при остановках процесса бурения. Поскольку жидкость обладает уникальными свойствами – она при замерзании расширяется и возникают колоссальные межмолекулярные давления, способные разрушить бурильные и обсадные трубы.

Разработка технологии предупреждения осложнений по скважине – основной и содержательный раздел курсового проекта осуществляется студентом исходя из исходных данных по зонам и видам возможных осложнений. Характеристика таких зон и методов борьбы с осложнениями подробно изложены в учебных пособиях [1,2,3.]

 

Осложнение – это ситуация, которая нарушает непрерывный техно-логический процесс бурения, вызывает дополнительные затраты времени, материалов и средств на сооружение скважины и оказывает существенное влияние на ее надежность при последующей эксплуатации.

В процессе бурения нарушается равновесие пород, слагающих стенки скважин. Устойчивость стенок зависит от исходных прочностных характеристик горных пород, их изменения во времени под действием различных факторов.

Осложнения обусловлены рядом геологических и технико-технологических факторов. Им способствуют: поглощения; газонефтеводопроявления (ГНВП); потеря устойчивости стенок скважины; частая перемеживаемость глинистых пород с песчаниками; большая мощность глинистых, хемогенных отложений; большие углы падения горных пород; сильно развитая сланцеватость и трещиноватость; наличие слабоустойчивых и проницаемых горных пород; недостаточная скорость восходящего потока бурового раствора; самопроизвольное изменение траектории ствола скважины; длительное бурение интервалов, склонных к осложнениям, и пребывание их в не обсаженном состоянии. Эти и другие факторы приводят к зашламлению и сужению ствола скважины, осыпям и обвалам, желобообразованию, что отрицательно сказывается на подвижности инструмента, а иногда вызывает его прихват.

Наиболее значительные затраты времени приходятся на борьбу с осложнениями, связанными с нарушением целостности ствола скважины, которые отмечаются в процессе всего углубления скважины. Многообразие причин возникновения этого вида осложнений и их взаимосвязь требует целого комплекса мероприятий по их предупреждению. Характерно, что большинство причин действуют дифференцированно, т. е. являются следствием не одного, а нескольких типов геологических осложнений.

Знакопеременные нагрузки, которые испытывает колонна бурильных труб и ее элементы в процессе бурения, в значительной степени переносятся на околоствольное пространство, способствуя тем самым потере устойчивости ствола, каверно- и желобообразованию, искривлению трассы скважины и разрушению керна.

Буровые растворы, облегчающие работу колонны, должны обладать хорошими противоизносными и смазочными свойствами, должны создавать упругие пленки на стенках скважины, иметь хорошую адгезию к металлу бурильных труб и горным породам. Механическое воздействие потока промывочной жидкости проявляется в размывании слабосвязанных пород и их цемента, и как следствие этого происходит обрушение стенок и зашламование скважины. В этом случае, с точки зрения минимально возможного механического воздействия на слабосвязанные породы, наиболее эффективно применение пен.

Гидростатическое и гидродинамическое давление столба бурового раствора в процессе бурения и спуско-подъемных операций также определяют устойчивость стенок скважины, регулируют фильтрационные процессы, затрудняют разбуривание пород, могут вызвать гидроразрыв пласта, чем способствуют вскрытию каналов ухода раствора. Давление столба бурового раствора зависит от содержания твердой фазы, ее состава и концентрации, показателей реологических свойств: удельного веса, плотности, статического и динамического напряжения сдвига раствора. Химическая эрозия определяется физико-химическими явлениями, происходящими на стенках скважины при взаимодействии их с фильтратом раствора. Эти процессы зависят от вида, состава и параметров применяемых жидкостей, минералогического состава горных пород, а также химического состава пластовых вод.

Однозначного ответа на механизм проявления физико-химических процессов не получено, да, видимо, этого и не будет, поскольку многообразие условий взаимодействия промывочных систем и комплекса пород определяет и многообразие форм их проявления. Можно отметить, что в результате химической и термической эрозии происходит растворение пород, цементирующего материала, солей, льда, набухание пород, разрушение связей, изменение структуры и состава, как околоствольного пространства, так и состава раствора, проникновение свободной воды в межплоскостное пространство и в решетки минералов пород.

Осмотические явления также могут способствовать нарушению целостности ствола скважины. При несоответствии минерализации промывочной, пластовой и поровой жидкостей и наличии полунепроницаемой перегородки (мембраны) могут происходить необратимые процессы, приводящие к увлажнению пород и развитию значительных осмотических давлений.

Горное давление (горизонтальное, вертикальное, боковое) может явиться следствием деформации пород при их вскрытии, особенно при наличии в разрезах увлажненных, пластичных глин и аргиллитов.

Температура горных пород значительно осложняет процесс бурения, что особенно характерно для многолетнемерзлых пород и пород, имеющих температуру более 10^оС. При высоких забойных температурах повышается проникающая активность БР, изменяются пластичность, предел текучести и твердость пород, проявляются дополнительные напряжения и остаточные деформации, увеличивается поровое пространство, значительно ухудшаются параметры растворов. При отрицательных температурах стенок скважин и положительных температурах очистного агента возможны растепление пород, образование каверн, обвалы и осыпи стенок скважин.

Увлажненность горных пород в некоторых случаях определяет их устойчивость. Исследования ряда авторов подтверждают рост пластических деформаций у увлажненных пород по сравнению с сухими, при этом отмечается, что глинистые сланцы (метаморфизованная глина в сухом состоянии) обладают почти всеми свойствами скальных пород, но при насыщении их влагой могут быстро разрушаться. Кроме глинистых могут терять устойчивость и другие породы, например гипс, у которого в сухом состоянии деформация не изменяется, а в увлажненном, при напряжении, деформация растет во времени, т. е. у гипса появляется способность к ползучести. Увлажненность (влагонасыщенность) также оказывает существенное влияние на механические свойства мерзлых пород. При определенной влажности (меньше полной влагонасыщенности) сопротивление сжатию для всех мерзлых пород возрастает.

Перемеживаемость горных пород по твердости, анизотропия, значительные углы падения скважины и залегания горных пород – это факторы, которые способствуют искривлению ствола скважины и желобообразованию.

Естественная трещиноватость, кавернозность и пористость могут являться причинами нарушения циркуляционного режима промывки, образования рыхлой глинистой корки, способствовать изгибу колонны и искривлению скважины.