Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Из практики бурения нефтяных и газовых скважин известно, что чаще всего обвалы происходят при разбуривании перемятых сланцеватых или листоватых глин, т. е. глин со слабым сцепле­нием частиц между собой. Наряду с этим имеются многочислен­ные случаи обвалов пород на больших глубинах, где породы не затронуты тектоническими нарушениями. При разбуривании песчаных и других крепких пород обвалов, как правило, не наблюдается. Эти обстоятельства привели многих исследовате­лей к необходимости искать основную причину обвалов в при­роде самих глин — их размокании и набухании под действием фильтрата раствора и воды и как следствие этого — к умень­шению сил сцепления с последующим осыпанием (В. С. Бара­нов, В. С. Старжинский и др.).

Исходя из такой предпосылки о природе обвалов, основное внимание исследователей было сосредоточено на отыскании эф­фективных и дешевых реагентов, при помощи которых можно было бы получить глинистый раствор с низкими величинами водоотдачи. Указанное направление в работе исследователей себя вполне оправдало, так как оно привело к значительному повышению общей культуры ведения глинохозяйетва на про­мыслах.

Впервые В. С. Барановым [2] был предложен для снижения водоотдачи глинистого раствора углещелочной реагент, являю­щийся в настоящее время основным реагентом. Позднее было предложено обрабатывать глинистый раствор сульфит-целлю — лозным экстрактом и едким натром, сульфит-спиртовой бардой и едким натром и др. В самое последнее время получили рас­пространение сульфитно-солевые растворы, известковые глини­стые растворы и растворы на нефтяной основе.

Многочисленный опыт применения химически обработанных глинистых растворов показал,’ что снижение водоотдачи рас­твора до минимальных величин, а также применение безводных растворов хотя и снижает возможность обвалообразования, однако не ликвидирует их совершенно. Из этого следует, что набухание и размокание глинистых пород под действием Филь-v тр ата глинистого раствора и., воды „не..является решающи м ф а к-1 тором развития обвалообразований. —. ,,

При борьбе с обвалами лучшие результаты были получены в случае применения утяжеленных химически обработанных растворов. Этот метод борьбы с обвалами в Азербайджане впер­вые предложен Р. И. Шищенко и 3. П. Швейцер [41]. Однако применение утяжеленных химически обработанных растворов не всегда обеспечивает предупреждение и эффективную борьбу с обвалами.

Основными признаками наличия обвалообразования пород, слагающих стенки скважины, являются:

а) вынос глинистым раствором во время циркуляции осколь — чатого шлама;

б) недоход до забоя долота после проведения спуско-подъ­емных операций в результате обрушения породы и образования патронных пробок;

в) внезапные повышения давления на насосах при бурении и проработке, а в более тяжелых случаях потеря циркуляции и прихваты инструмента.

Следует различать два типа обвалов пород: первичные и вто­ричные. Первичные обвалы в большинстве случаев сопровожда­ются только выносом обвалившейся породы и недоходами до­лота до забоя; в практике обвалообразования такого типа на­зываются осыпями. В большинстве случаев этот тип обвалооб — разований довольно легко преодолевается.

Вторичные обвалы, являющиеся следствием первичных, при­водят к серьезным осложнениям процесса бурения. Как пра­вило, они вызывают мертвые прихваты колонны бурильных труб с потерей циркуляции вследствие обвалов больших масс пород.

Производственники часто называют обвалами осложнения, обусловливаемые сужениями стволов буровых скважин. Проис­ходит это вследствие того, что по внешним признакам ослож­нения, вызываемые обвалами и сужениями стволов, весьма по­хожи друг на друга. Однако причины их происхождения суще­ственно отличаются друг от друга. Поэтому методы предупре­ждения н ликвидации их также различны.

Практика борьбы с обвалообразованиями показывает, что склонность породы к обвалам определяется геологическими условиями их залегания, применяемой технологией бурения скважин, физико-механическими свойствами пород и промывоч­ной жидкости, а также организационно-техническими усло­виями проходки скважин. Ниже приводятся сведения о влиянии названных факторов на образование обвалов.

. Обвалы горных пород при бурении скважин на нефть и газ, 11 как известно, происходят главным образом в глинистых отложе­ниях. При воздействии на эти отложения тектонических сил, обусловливающих возникновение перемятости и трещинова — I тости, связь между отдельными частицами нарушается, что со — I здает благоприятные условия для обрушения породы в ствол скважины.

Практикой подтверждается, что все районы, где бурение на отдельных структурах сопровождалось обвалами (Грозный, Баку, Туркмения и др.), представляют собой или часть складки, нарушенной большим количеством сбросов, или крутой подворот складки с расположением объектов бурения в поднадвиге, или часть складки, в которой породы залегают под большим углом падения. При бурении скважин в сводовой части складок обвалы происходят чаще, чем при раэбуривании складок на крыльях.

Это объясняется тем, что в процессе образования складок ма­ксимальные напряжения от воздействия тектонических сил ис­пытывают породы в сводовой части складки, как наиболее де­формируемые.

Кроме указанных причин, к геологическим условиям, способ­ствующим образованию обвалов, следует отнести и случаи об­валов пород, слагающих пласты с аномально высокими давле­ниями. В случае вскрытия пластов такого типа обвалы, как правило, являются следствием газо-нефтепроявлений.

При разбуривании геологически осложненных районов наи­более эффективным средством для предупреждения обвалов следует считать применение утяжеленных глинистых растворов с минимально возможными значениями вязкости, статического напряжения сдвига ц водоотдачи. .

Исследованиями, проведенными А. А. Едигаровым и 7f Р. И. Гродзовской [15], установлено наличие в глинах развитой р системы микро — и макротрещин вообще и, в частности, в напра­влении плоскостей напластования. В пластовых условиях си­стема этих трещин дополняется трещинами разломов.

Ряд исследователей [2], [24], [40] отмечает, что глинистый рас — створ и его фильтрат, проникая по трещинам, выполняют роль — смазки, уменьшающей силы сцепления между отдельными ча­стицами породы. Указанное воздействие раствора приводит к не­устойчивости глинистых пород в процессе бурения, обусловливая образование каверн и осыпей глин, слагающих стенки сква­жины. В тяжелых случаях осыпи породы могут привести к при­хвату инструмента и длительным ловильным работам. В менее тяжелых случаях аварий может и не быть, однако ствол сква­жины, где были пройдены неустойчивые глины, почти всегда имеет увеличенный диаметр. Известно, что наиболее серьезные осложнения происходят на больших глубинах, где неустойчи­вость глин проявляется в постоянном выносе твердых остро­угольных обломков породы при циркуляции глинистого рас­твора.

Учитывая наличие развитой трещиноватости в сланцеватых глинистых породах, основными факторами обрушения их в ствол скважины следует считать: а) колебание гидравличе­

ского .давления в процессе проводки скважины; ТГРнёсоотвёт — ствующее качество промывочной жидкости условиям буренияг

в) значительная величина горного давления, воздействующего на данньаГ пласт глиныТ~г) длительное оставление пройденных неустойчивых глин без закрепления обсадной колонной.

Рассмотрим влияние назв^нных~факторов на возникновение обвалов.

Колебания гидравлического давления в процессе проводки скважин могут вызываться следующими причинами: подъемом бурильных труб без заполнения скважины раствором; подъемом бурильных труб с сальником, газо-водо-нефтепроявлениями

вследствие спуско-подъемных операций, производимых при вы­сокой вязкости и СНС глинистого раствора; повышением давле­ния при продавке раствора и др.

Механизм возникновения обвалов под влиянием колебания гидравлического давления в стволе скважины можно предста­вить в следующем виде. В процессе воздействия на пласт глини­стый раствор проникает в трещины на некоторую глубину и за­нимает границу раздела, соответствующую перепаду давления в системе скважина — пласт. При повышении гидравлического давления граница раздела перемещается от поверхности ствола скважины в глубь породы, а при снижении гидравлического да­вления снова приближается к поверхности ствола. При резких колебаниях гидравлического давления от максимума к мини­муму в связи с движением жидкости по трещинам возникают гидравлические удары на породу.

Порода, испытывающая многократное воздействие таких колебательных толчков, будучи к тому же ослабленной вслед­ствие уменьшения сил сцепления отдельных частиц, за счет смазки ее по микро — и макротрещинам глинистым раствором, легко осыпается в ствол скважины. Наличие обвалов пород, обусловленных воздействием на них колеблющегося гидравли­ческого давления, подтверждается и практическими дан­ными.

Так, еще в 19’39 г. А. А. Линевский [24] отмечал, что резкое | снижение давления на выкиде превентера в результат(ГВыстрого” И открытия^ задвижки Приводило к обвалу неустрйчдвыхТ порохц… 1При буре"шги*ЛГ^ведочных скважин глубиной до 3150 м на МКалужекой и Ново-Дмитриевской площадях Кубани на­блюдался значительный вынос бскольчатой глины после про­ведения спуско-подъемных операций. Это явление происходило при бурении скв. 26, 385, 405, 355, 350 глубиной более 2600 м. ,

Наличие осыпей подтверждается данными кавернограмм (рис. 48) и является следствием колебаний гидравлического давления при проходке скважин с большими значениями вяз­кости и СНС раствора.

При бурении указанных еквнжин глинистый раствор имел следующие параметры: удельный вес 1,55—1,8 г/см3, вязкость — нетекучая, статическое напряжение сдвига через 1 мин. до 300 мг/см2, водоотдача 4—6 см3 за 30 мин. После каждого спу­ска-подъема наблюдались недопуски нового долота до забоя на 40—60 м, а при промывке выносилось значительное количество обвалившейся породы.

В аналогичных геологических условиях на Ново-Дмитриев — ской площади в 1957 г. пробурена разведочная скв. 290 на глу­бину 3110 м без каких-либо признаков осыпания породы. До­стигнуто это за счет снижения удельного веса, вязкости и СНС раствора при разбуривании пород, склонных к обвалам.

При вскрытии этой толщи пород глинистый раствор имел следующие параметры: удельный вес 1,40—1,42 г/см, вязкость 50—60 сек., СНС через 1 мин. в пре — о ииО

Рис. 48. Изменение диаметра ствола скважины по данным кавернограммы.

делах 70—112 мг/см2, водоотдача 6—8 см? за 30 мин.

На примере проходки скв. 290 видно, что не всегда величина удельного веса глинистого раствора является основным фактором, обес­печивающим устойчивость стенок скважины. В ряде случаев резкое колебание гидравлического давле­ния в стволе является причиной об­валов. При бурении скв. 290 коле­бания гидравлического давления были значительно снижены за счет применения более легкого^ глини­стого раствора с пониженной вязко­стью и СНС по сравнению с бу­рившимися в тех же условиях скв. 26, 385, 405, 355, 350 и др. Сни­жение колебаний гидравлического давления заметно повысило устой­чивость стенок скважин, что в ко­нечном итоге позволило пробурить скв. 290 без осложнений с более низким удельным весом глинистого раствора.

С целью предупреждения обва­лов пород, возникающих под воз­действием переменного гидравли­ческого давления, следует рекомен­довать следующие мероприятия.

1. Бурение обваливающихся по­род производить глинистым раство­ром, вязкость которого не должна превышать 50 сек. по СПВ-5, а СНС не более 150 мг/см2 через 10 мин. Величину удельного веса и водоотдачу устанавливать в соот­ветствии с условиями бурения.

2. При восстановлении циркуля­ции не допускать резкого роста да­вления, продавку производить путем постепенного создания давления в ^ бурильных трубах, регулируя его величину пусковой задвиж­кой.

3. При спуске инструмента производить промежуточные про­
мывки с целью разрушения структуры раствора, если величина СНС больше 150 мг/см2 через 10 мин.

4. При проработках ствола скважины не допускать резкого спуска инструмента, так как в этот момент гидравлическое да­вление резко растет.

5. Не допускать в процессе проходки скважин нефте-газо — водопроявлений, подъема бурильных труб с наличием сальника и без заполнения скважины глинистым раствором.

Качество промывочной жидкости играет большую роль в успешной проходке скважин без осложнений и обвалов. Как указывалось выше, величина вязкости и СНС глинистого рас­твора оказывают непосредственное влияние на обвалообразоза — ние пород.

В ряде случаев, особенно при разбуривании листоватых глин (например глин верхнего Майкопа), значительное повыше­ние водоотдачи глинистого раствора может приводить к их об­валам. Поэтому с целью снижения влияния фильтрата глини­стого раствора на образование обвалов в осложненных усло­виях бурения обычно применяют растворы с водоотдачей до 3—5 сж3 за 30 мин., если при этом вязкость и СНС поддержи­ваются в допускаемых пределах.

На Кубани при разбуривании ряда площадей (Петровская, Курчанская, Фрунзенская, Холмская и др.) наблюдались обва — лообразования, ликвидировать которые применением утяжелен­ных растворов удельного веса 1,8—1,95 г/см3 с низкой водоот­дачей (3—5 сж3) не представлялось возможным.

Большинство скважин на этих площадях было ликвидиро­вано по техническим причинам вследствие прихватов бурильного инструмента или обсажено эксплуатационными колоннами зна­чительно выше проектных глубин.

Затруднения в преодолении обвалов в названных районах вызывались резким ростом вязкости и СНС утяжеленного гли­нистого раствора, обрабатываемого углещелочным реагентом. Насыщение раствора УЩР было таким, что он терял восприим­чивость к химической обработке.

Для восстановления восприимчивости таких растворов к хи­мической обработке углещелочным реагентом был предложен метод их известкования [35]. Этот метод применен на скважи­нах, бурившихся в наиболее осложненных условиях (665 Холм­ская, 620 Северо-Ахтырская, 1, 2, 3 Петровская, 31, 32 Фрунзен­ская, 2, 11, 14 Курчанская, 390 Ново-Дмитриевская). В процессе подбора рецептуры для обработки раствора на скважинах уста­новлено, что известкование снижает СНС и вязкость только в присутствии солей, когда обычные реагенты УЩР, кальцини­рованная сода и гексометафосфат натрия оказываются неэффек­тивными.

В результате широкого применения нового метода химиче­ской обработки раствора на Кубани выявлена наиболее ра­циональная рецептура известкования при первичной обра­ботке.

Первичная известковая обработка раствора предусматривает введение в раствор 4—5% ССБ (50%-ной концентрации), 2— 2,5% каустической соды (30%-ной концентрации) и 2—2,5% из­весткового молока (на 1 ж3 воды 700 кг извести). Следует от­метить, что каждый из добавляемых реагентов в первый период вызывает значительное загустевание глинистого раствора, сме­няющееся разжижением только после интенсивного перемешива­ния. Поэтому добавлять реагенты рекомендуется непосред­ственно в приемные мерники насосов.

Перед обработкой глинистого раствора известью из желобов удаляют все перегородки, что улучшает условия движения по ним загустевшего раствора. Известкование можно также про­водить путем обработки глинистого раствора, находяшегося в скважине, частями, спуская при этом инструмент на различ­ные глубины. Ввод реагентов в глинистый раствор необходимо рассчитать на два цикла циркуляции. Это обосновывается тем, что в условиях скважины для получения нужных результатов часто бывает достаточно половинного количества реагента вследствие лучшего его перемешивания с глинистым раствором при циркуляции. Для повторных обработок раствора методом известкования количество реагентов должно устанавливаться лабораторными работами.

Эффективность известковой обработки глинистых растворов для регулирования в нужных пределах, вязкости и СНС можно показать на следующих примерах из буровой практики. На скв. 665 Холмской разведочной площади при глубине скважины 2006 ж глинистый раствор имел следующие параметры: удель­ный вес 1,58 г/см3, вязкость — нетекучая, СНС — неизмеримо большое, водоотдача 7,5 см3 за 30 мин. Углещелочным реаген­том не удавалось снизить вязкость и СНС. Бурение скважины осложнилось затяжками и посадками бурильных труб, повы­шениями давления при бурении и т. п.; наблюдался вынос оскольчатого шлама.

Для обработки глинистого раствора методом известкования в него ввели 4,2 м3 ССБ; 2,9 м3 каустической соды (25%-ной концентрации) и 3,6 м3 известкового молока (0,7 т извести на 1 ж3 воды). После известковой обработки параметры глини­стого раствора стали. следующими: удельный вес 1,56 г/см3,

вязкость 55 сек., СНС через 1 мин. 23 мг/см2 и через 10 мин. 78 мг/см2, водоотдача 7,5 см3.

После некоторого утяжеления глинистого раствора и про­ходки 20 ж майкопских глин удельный вес стал 1,58 г/см3, вяз­кость 43 сек., СНС через 1 мин. 43 мг/см2, через 10 мин. 89 мг/см2, водоотдача 7,5 см3. В процессе дальнейшего бурения наблюдался постепенный рост вязкости и СНС, для их регули­рования применяли УЩР и воду. Как только возникали затруд­нения с регулированием вязкости и СНС при помощи УЩР и воды, снова производили известковую обработку. Всего в интер­вале бурения 2006—2957 ж проведено 9 известковых обработок глинистого раствора. Скважину бурили без осложнений. Обва­лов пород, характерных для этой площади, при известковой об­работке глинистого раствора не наблюдалось.

При бурении скв. 390 Ново-Дмитриевской площади в интер­вале 2495—2757 ж применяли утяжеленный глинистый раствор, обработанный УЩР. Параметры глинистого раствора были сле­дующие: удельный вес 1,44—1,47 г/см3, вязкость — нетекучая, СНС через 1 мин. больше 300 мг/см2, водоотдача 5 см3 за 30 мин. Обработка глинистого раствора УЩР и водой способ­ствовала только снижению удельного веса, а вязкость и СНС снизить не удавалось.

Бурение при данном растворе сопровождалось значитель­ными осыпями породы и поглощениями. Было решено провести известкование глинистого раствора. С этой целью в раствор добавили 12 ж3 ССБ с каустической содой и 4 ж3 известкового молока. Одновременно с обработкой раствора в него добавляли воду в количестве 6% от объема.

После известковой обработки и утяжеления параметры гли­нистого раствора оказались следующими: удельный вес 1,45— 1,5 г/см3, вязкость 40—45 сек., СНС через 1 мин. 23 мг/см2, СНС через 10 мин. 33 мг/см2, водоотдача 5 см3.

При названных параметрах глинистого раствора скважину углубили до 2830 ж без. осложнений, связанных с обвалами породы и поглощениями, и успешно закрепили 85/s" техниче­ской колонной. За время бурения в интервале 2757—2830 ж и проработки ствола скважины под спуск 85/s" технической колонны вязкость глинистого раствора возросла всего до 60—70 сек., а СНС — до 70—90 мг/см2 через 1 мин.

Аналогичные результаты получены и по другим скважинам, где применяли известкование.

В настоящее время на Кубани известковую обработку глини­стого раствора применяют в осложненных условиях бурения для:

а) восстановления восприимчивости глинистых растворов — к химической обработке, утраченной в результате поступления в него электролитов из пластовой воды;

б) получения стабильных величин вязкости и СНС для за­данных условий бурения.

Положительной стороной известковой обработки глинистых растворов является сохранение вязкости и СНС после проведе­ния спуско-подъемных операций, а также в процессе дальней­шего бурения, в то время как при обработке растворов только — УЩР после указанных работ вязкость и СНС резко возрастают. Таким образом, применение известковой обработки глинистых растворов позволило эффективно предупреждать осложнения,

связанные с обвалообразованием горных пород, за счет сниже­ния вязкости и СНС и, следовательно, уменьшения диапазона колебаний гидравлического давления при проходке скважин.

Большое значение придается качеству промывочной жидко­сти также при бурении девонских отложений в Восточных райо­нах и особенно в районах Среднего Поволжья. Применение воды и глинистого раствора с большой водоотдачей здесь вызы­вает обвалы глин, которыми представлены отложения верхнего и среднего девона. Так, в течение ряда последних лет обвалы в девоне являются основным препятствием для развертывания разведочного бурения на Сталинградском правобережье Волги [35].

В б. Сталинграднефти при бурении глубоких девонских скважин глубиной до 3000—3200 м применяли глинистые рас­творы, обработанные углещелоч-ным реагентом. Характерно от­метить, что ни одна из скважин, бурившихся на глинистом рас­творе, обработанном УЩР, не была доведена до проектной глубины.

Некоторые исследователи для предотвращения обвалов в по­добных условиях рекомендовали применение еульфит-солевых растворов. Проведенное в 1954 г. промышленное их испытание, несмотря на высокое качество растворов (удельный вес 1,3— 1,32 г/см3, вязкость 30—35 сек., водоотдача 1,5—2 см3), не дало> положительных результатов. Кроме того, при применении суль­фитно-солевого раствора снижается проходка* за долбление, искажаются каротажные диаграммы, нарушаются сроки схва­тывания цемента.

Для проходки девонских отложений — проведено также испы­тание карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в качестве реагента — стабилизатора. В результате проведенных работ установлено, что глинистый раствор для рассматриваемых условий должен обладать комплексом свойств, а именно:

а) иметь небольшую водоотдачу — до 5 см3 за 30 мин.;

б) удельный вес должен поддерживаться в пределах 1,25— 1,35 г/см3;

в) СНС глинистого раствора через 1 мин. — в пределах 40—50 мг/см2, а через 10 мин. — максимум 150—200 мг/см2;

г) раствор должен быть устойчивым к агрессивному воздей­ствию ангидритов и пластовых вод, а также понижать степень гидратации сланцеватых глин.

В связи с этим значительную перспективность приобретают известковые растворы и для районов Среднего Поволжья.

В процессе промышленных испытаний известкового раствора на скв. 74 Паникской площади выявлено, что процесс бурения де­вонских отложений при известковой обработке растворов идет более успеш-но с меньшим количеством осложнений. Устойчи­вость стенок скважины при работе известковым раствором зна­чительно повысилась, осыпи породы резко сократились.

Методика приготовления известкового раствора следующая. Глиномешалку заполняют водой, в воду вводят каустик (0,1 — 0,5%), ССБ или синтан ПЛ (0,4—1,0%), известь (0,5—2,5%). После перемешивания в глиномешалку забрасывают глину до получения раствора удельного веса 1,25—1,35 г/см3. Кроме того, применяют известковый раствор, обработанный УЩР. Для этого в глиномешалке бурый уголь размешивают с повышен­ным содержанием каустика, после чего в мешалку вводят глину, известь и синтан.

В районах Татарии и Башкирии в большинстве случаев для предотвращения обвалов кыновские глины разбуривают с про­мывкой забоя не водой, а глинистым раствором, приготовлен­ным из глинопорошка цементосмесительными машинами. Лишь в редких случаях путем форсированного разбуривания этих глин и скоростного вскрытия пласта удается проходка сква­жины до продуктивного пласта с промывкой водой. При этом от момента вскрытия глин до спуска колонны должно пройти не — более 36 час.

Комментарии запрещены.