Архив рубрики: ОСЛОЖНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ УГЛУБЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ

ОСЛОЖНЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ТЕПЛОВЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ И ММП

Добавить комментарий

Бурящаяся скважина вступает с окружающими мерзлыми породами не только в физико-химическое взаимодействие. Чаще наиболее мощным фактором, влияющим на устойчивость стенок ствола скважины в ММП, является тепловое воздействие скважинного флюида на состояние мерзлой породы.

Имеющий обычно положительную температуру буровой раствор рас­плавляет лед в примыкающих к скважине ММП, в результате чего связ­ность частиц породы друг с другом нарушается, стенка скважины теряет устойчивость и разрушается под действием несбалансированного горного давления и эрозии движущейся промывочной жидкостью.

Практикой установлено: чем выше температура бурового промывочно­го раствора, тем интенсивнее процесс кавернообразования, осыпи, обвалы, поглощения при проходке ММП. Развитию этих нежелательных процессов способствуют большая продолжительность бурения в ММП, высокая ин­тенсивность промывки скважины и степень турбулентности восходящего потока бурового раствора.

Проблемы сооружения скважин в районах распространения ММП по­рой не прекращаются после их закрепления колонной (кондуктором). При длительных остановках или при использовании охлажденных ниже О °С буровых растворов происходит обратное промерзание растепленных сква­жиной ММП и бурового раствора, находящегося в кавернах. В результате промерзания и связанного с ним увеличения объема промерзающего мате-

риала с водой возникает огромное, неравномерное по периметру внешнее давление на обсадные трубы, приводящее в ряде случаев к их слому.

Горные породы, слагающие разрез скважины ниже распространения ММП, имеют положительную температуру, увеличивающуюся по мере уг­лубления забоя. На глубине 3000 м температура горных пород может дос­тигать 80—100 °С (газовое месторождение Уренгой в РФ, месторождение Прадхо-Бей на Аляске). Естественно, что нагретый на этой глубине цирку­лирующий буровой раствор будет нагревать приствольную зону ММП за кондуктором и растеплять ее. Так, после закрепления ММП обсадной ко­лонной она может подвергаться многократному растеплению и промерза­нию. Вероятно поэтому отмечаются как случаи повреждения кондукторов, так и случаи проседания их в глубь скважины.

Решение проблемы осложнений, возникающих в результате растепле­ния околоствольной зоны ММП, состоит, с одной стороны, в учете этого явления при выборе прочностных характеристик обсадных колонн при расчете их на смятие внешним давлением, а с другой — в предотвращении этого явления путем регулирования температуры нагнетаемого в скважину бурового раствора до значений, близких к температуре плавления льда, скрепляющего частицы ММП.

Исследователи, занимающиеся проблемами бурения скважин в Запо­лярье, единодушно отмечают, что необходимо применять в комплексе ре­комендации по предупреждению кавернообразований, сущность которых сводится к следующему: во-первых, использовать для бурения ММП охла­жденные до температуры плавления льда буровые растворы; во-вторых, свести к минимуму способность буровых растворов растворять лед; в-третьих, соблюдать умеренные скорости циркуляции бурового промы­вочного раствора в кольцевом пространстве скважины.

Основные усилия исследователей были направлены на поиск промы­вочных сред, наиболее благоприятных с точки зрения недопущения разру­шения ММП. Используя в качестве промывочных агентов пены, воздух, эмульсии и растворы на нефтяной основе, буровики Канады добились зна­чительных успехов в профилактике кавернообразования, осыпей и обвалов при проходке ММП.

Такого рода промывочные жидкости незначительно отфильтровывают жидкость в поры породы, нейтральны по отношению ко льду, обладают по­ниженной теплоемкостью.

Однако даже при использовании таких систем, требующих значитель­ного усложнения техники и технологии промывки скважин, процесс ка­вернообразования наблюдается при положительных температурах в цирку­ляционном потоке, особенно при разбуривании песчаников, сцементиро­ванных льдом. Поэтому, наряду с применением систем, не растворяющих лед, для предотвращения разрушения прискважинной зоны ММП необхо­димо регулировать в определенных пределах температуру используемого при бурении промывочного агента.

Установлено, что температура циркулирующего в скважине промы­вочного агента в зоне ММП не должна превышать температуру фазового перехода (плавления) льда. Практически она должна быть не выше + 0,5 °С. Пожалуй, единственная возможность поддерживать на низком уровне температуру циркулирующего раствора — это охлаждать его в по­верхностной системе.

Задача охлаждения промывочной жидкости на дневной поверхности

при отрицательной окружающей температуре не столь сложная. Но при положительной температуре на поверхности задача резко усложняется и требует для своего решения тщательного расчета поверхности теплообмен­ников, холодопроизводительности системы охлаждения, других характе­ристик.

Для того, чтобы запроектировать эффективные меры профилактики осложнений при сооружении скважин, необходимо в каждом конкретном случае решить ряд задач.

1.      Выбрать тип и компонентный состав бурового промывочного агента
в соответствии с геолого-техническими условиями бурения, при использо­
вании которого было бы сведено к минимуму отрицательное воздействие
его на ММП.

2.      Определить границы колебаний температуры в сооружаемой сква­
жине в зависимости от температуры промывочного агента на дневной по­
верхности.

3.      Оценить степень деградации окружающих скважину ММП под воз­
действием бурового промывочного агента, в первую очередь такую харак­
теристику, как радиус протаивания ММП вокруг скважины.

4.      Выбрать метод и систему регулирования температуры в скважине,
позволяющую свести к минимуму растепления околоствольной зоны ММП.

5.      Выбрать прочностные характеристики крепи скважины с учетом на­
грузок, обусловленных как течением растепленных пород, так и их обрат­
ным промерзанием в результате восстановления отрицательной температу­
ры в скважине.

С ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ММП

Добавить комментарий

При бурении в интервалах распространения ММП в результате совме­стного физико-химического воздействия и эрозии на стенки скважины сцементированные льдом песчано-глинистые отложения разрушаются и легко размываются потоком бурового раствора. Это приводит к интенсив­ному кавернообразованию и связанным с ним обвалам и осыпям горных пород.

Наиболее интенсивно разрушаются породы с низким показателем льдистости и слабоуплотненные породы. Теплоемкость таких пород невы­сокая, и поэтому их разрушение происходит существенно быстрее, чем по­род с высокой льдистостью.

Среди мерзлых пород встречаются пропластки талых пород, многие из которых склонны к поглощениям бурового раствора при давлениях, незна­чительно превышающих гидростатическое давление столба воды в скважи­не. Поглощения в такие пласты бывают весьма интенсивные и требуют специальных мероприятий для их предупреждения или ликвидации.

В разрезах ММП обычно наиболее неустойчивы породы четвертичного возраста в интервале 0 — 200 м. При традиционной технологии бурения фактический объем ствола в них может превосходить номинальный в 3 — 4 раза. В результате сильного кавернообразования, которое сопровождает­ся появлением уступов, сползанием шлама и обвалами пород, кондукторы во многих скважинах не были спущены до проектной глубины.

В результате разрушения ММП в ряде случаев наблюдалось проседа­ние кондуктора и направления, а иногда вокруг устья скважины образовы­вались целые кратеры, не позволяющие вести буровые работы.

В интервале распространения ММП трудно обеспечить цементирова­ние и крепление ствола вследствие создания застойных зон бурового рас­твора в больших кавернах, откуда его невозможно вытеснить тампонаж-ным раствором. Цементирование зачастую одностороннее, а цементное кольцо несплошное. Это порождает благоприятные условия для межпласто-вых перетоков и образования грифонов, для смятия колонн при обратном промерзании пород в случае длительных простоев скважины.

Процессы разрушения ММП достаточно сложные и мало изученные. Циркулирующий в скважине буровой раствор термо- и гидродинамически взаимодействует как с горной породой, так и со льдом, причем это взаимо­действие может существенно усиливаться физико-химическими процесса­ми (например, растворением), которые не прекращаются даже при отрица­тельных температурах.

В настоящее время можно считать доказанным наличие осмотических процессов в системе порода (лед) — корка на стенке скважины — промы­вочная жидкость в стволе скважины. Эти процессы самопроизвольные и направлены в сторону, противоположную градиенту потенциала (темпера­туры, давления, концентрации), т.е. стремятся к выравниванию концентра­ций, температур, давлений. Роль полупроницаемой перегородки может вы­полнять как фильтрационная корка, так и прискважинный тонкий слой са­мой породы. А в составе мерзлой породы кроме льда как цементирующего ее вещества может находиться незамерзающая поровая вода с различной степенью минерализации. Количество незамерзающей воды в ММП зави­сит от температуры, вещественного состава, солености.

Из-за наличия в открытом стволе скважины промывочного бурового раствора, а в ММП — поровой жидкости с определенной степенью мине­рализации наступает процесс самопроизвольного выравнивания концен­траций под действием осмотического давления. В результате этого может происходить разрушение мерзлой породы. Если буровой раствор будет иметь повышенную по сравнению с поровой водой концентрацию какой-нибудь растворенной соли, то на границе лед — жидкость начнутся фазо­вые превращения, связанные с понижением температуры плавления льда, т.е. начнется процесс его разрушения. А так как устойчивость стенки скважины зависит в основном от льда, как цементирующего породу веще­ства, то в этих условиях устойчивость ММП, слагающих стенку скважины, будет потеряна, что может явиться причиной осыпей, обвалов, образования каверн и шламовых пробок, посадок и затяжек при спускоподъемных опе­рациях, остановок спускаемых в скважину обсадных колонн, поглощений буровых промывочных и тампонажных растворов.

Если степени минерализации бурового раствора и поровой воды ММП одинаковы, то система скважина — порода будет находиться в изотониче­ском равновесии, и разрушение ММП под физико-химическим воздейст­вием маловероятно.

С увеличением степени минерализации промывочного агента возни­кают условия, при которых поровая вода с меньшей минерализацией будет перемещаться из породы в скважину. Из-за потерь иммобилизованной во­ды механическая прочность льда будет уменьшаться, лед может разрушить­ся, что приведет к образованию каверны в стволе бурящейся скважины. Этот процесс интенсифицируется эрозионным воздействием циркулирую­щего промывочного агента.

Разрушение льда соленой промывочной жидкостью отмечено в рабо­тах многих исследователей. Эксперименты, проведенные в Ленинградском горном институте, показали, что с увеличением концентрации соли в омы­вающей лед жидкости разрушение льда интенсифицируется. Так, при со­держании в циркулирующей воде 25 и 100 кг/м3 NaCl интенсивность раз­рушения льда при температуре минус 1 °С составляла соответственно 0,0163 è 0,0882 êã/÷.

На процесс разрушения льда влияет также длительность воздействия соленой промывочной жидкости. Так, при воздействии на лед 3%-ным рас­твором NaCl потеря массы образца льда с температурой минус 1 °С соста­вила: 0,62; 0,96 и 1,96 г соответственно через 0,5; 1,0 и 1,5 ч.

По мере растепления прискважиннои зоны ММП освобождается часть ее порового пространства, куда также может фильтроваться промывочная жидкость или ее дисперсионная среда. Этот процесс может оказаться еще одним физико-химическим фактором, способствующим разрушению ММП. Он может сопровождаться осмотическим перетоком жидкости из скважин в породу, если концентрация какой-нибудь растворимой соли в жидкости ММП больше, чем в жидкости, заполняющей ствол скважины.

Следовательно, чтобы свести к минимуму отрицательное влияние фи­зико-химических процессов на состояние ствола бурящейся в ММП сква­жины, необходимо, в первую очередь, обеспечить равновесную концентра­цию на стенке скважины компонентов бурового промывочного раствора и внутрипоровой жидкости в ММП.

К сожалению, это требование не всегда выполнимо на практике. По­этому чаще прибегают к защите цементирующего ММП льда от физико-

химического воздействия буровым раствором пленками вязких жидкостей, которые покрывают не только обнаженные скважиной поверхности льда, но и частично прилегающее к скважине внутрипоровое пространство, раз­рывая тем самым непосредственный контакт минерализованной жидкости со льдом.

Как указывают А.В. Марамзин и А.А. Рязанов, при переходе от про­мывки скважин соленой водой к промывке более вязким глинистым рас­твором интенсивность разрушения льда уменьшилась в 3,5 — 4 раза при одинаковой концентрации в них NaCl. Она снижалась еще больше, когда буровой раствор обрабатывали защитными коллоидами (КМЦ, ССБ). Под­тверждена также положительная роль добавок к буровому раствору высо­коколлоидного бентонитового глинопорошка и гипана.

Таким образом, для предупреждения кавернообразования, разрушения устьевой зоны, осыпей и обвалов при бурении скважин в ММП буровой промывочный раствор должен отвечать следующим основным требованиям:

обладать низким показателем фильтрации;

содержать количество солей, равновесное с жидкостью в ММП;

обладать способностью создавать на поверхности льда в ММП плот­ную, непроницаемую пленку;

обладать низкой эрозионной способностью;

иметь низкую удельную теплоемкость;

образовывать фильтрат, не создающий с жидкостью породы истинных растворов;

быть гидрофобным к поверхности льда.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ И ХАРАКТЕРИСТИКА ММП

Добавить комментарий

Многолетняя мерзлота распространена в России на территории Ир­кутской, Магаданской, Читинской, Омской, Новосибирской, Тюменской, Томской, Свердловской областей, Хабаровского и Красноярского краев, Коми, Якутии и Бурятии. Она занимает площадь 10 млн км2, т.е. более 50 % всей территории страны.

Значительная территория Аляски (США) и часть территории Канады также характеризуются наличием ММП.

До недавнего времени считалось, что максимальная глубина распро­странения ММП составляет 600 — 700 м. Однако бурение и исследования Мархинской скважины в северо-западной части Якутии позволили устано­вить распространение ММП до глубины 1400 м с температурой в интервале 250-1400 ì äî ìèíóñ 3 °Ñ.

В районах распространения ММП находятся богатые залежи углево­дородов — нефти и газа. Крупнейшие из них: газовые месторождения Медвежье и Уренгой на территории Таймырского полуострова (Россия) и нефтяное месторождение Прадхо-Бей на территории Аляски (США).

Многие месторождения в настоящее время успешно эксплуатируются в России: Возейское, Медвежье, Уренгойское, Русское, Холмогорское, Варьеганское и др.; в США: Барроу, Симпсон, Топагорук, Коалак, Мид, Фишкрик, Сумалик, Прадхо-Бей, Сквеар-Лейк, Кенай и др.

Как в России, так и на Аляске и на территории Канады отмечают три категории распространения ММП: сплошное, прерывистое, островное.

В настоящее время геолого-геотермические условия залегания ММП изучены недостаточно. Отсутствуют конкретные рекомендации по оценке такой важнейшей из характеристик, как льдистость, мало данных о тепло-физических свойствах мерзлых пород. Поэтому приведем по некоторым месторождениям лишь краткую литолого-стратиграфическую характери­стику разреза ММП, общие сведения о строении и естественной темпера­туре мерзлотной толщи.

Возейское нефтяное месторождение расположено за полярным кру­гом, где мерзлота развита повсеместно. Мощность мерзлотной толщи оце­нивается в 100 — 400 м и представлена отложениями третичного и четвер­тичного возраста. Мерзлота относится к эпигенетическому типу. Третич­ные образования представлены плотными глинистыми алевролитами, гли­нами, суглинками, в верхней части — песками. Четвертичные — осадками озерно-аллювиального, ледниково-морского происхождения, по преимуще­ству песчано-гравийного состава с прослоями глин, суглинков и валунов. В южной части месторождения мерзлота — реликтовая. Естественная темпе­ратура пород ниже минус 1 °С.

На Медвежьем и Уренгойском газовых месторождениях промерзанием охвачены супесчано-глинистые и песчано-глинистые отложения четвертич­ного и палеогенового возраста. На Медвежьем месторождении глубина нижней границы ММП изменяется от 250 до 400 м, на Уренгойском — от 282 до 537 м. Температура мерзлых пород минус 2 — минус 3 °С.

На Русском нефтяном месторождении слой ММП является монолит­ным на водораздельных участках и имеет островной характер на поймах рек. Промерзанием охвачены песчано-глинистые отложения палеоцена, эоцена, четвертичные. Максимальная мощность ММП 350 — 500 м, темпера­тура на глубине слоя годовых колебаний минус 3 °С.

На Холмогорском нефтяном месторождении промерзанием охвачены следующие литолого-стратиграфические разности: водонасыщенные песча­ные и глинистые пласты олигоценовых и эоценовых отложений на глуби­нах до 500 м. ММП имеют реликтовое происхождение и характеризуются двухслойным строением. Верхний слой — от поверхности до глубины 30 —50 м — мерзлые породы, затем — вплоть до глубины 100—150 м — за­легают талые породы. Подошва второго мерзлотного слоя отмечается на глубине около 500 м. Температура мерзлых пород, по-видимому, близка к 0 °Ñ.

В разрезе Варьеганского нефтяного месторождения ММП представле­ны реликтовой частью на глубинах от 100 до 350 м. Промерзанием охваче­ны отложения четвертичного и эоцен-олигоценового возраста, представ­ляющие собой неравномерное чередование песчаных и глинистых пород с различными включениями. Естественная температура мерзлых пород ко­леблется от 0 до минус 2,5 °С.

Толща ММП месторождения Прадхо-Бей (США) составлена из не­больших по мощности современных отложений с включениями сплошного льда, хорошо отсортированным гравием с пропластками илистого песка (до глубины примерно 170 м), глинистым илом (до глубины 190 м), илистым песком (до глубины 250 м), илистой глиной (до глубины 290 м), переслаи­вающимися илистыми песками с илистыми глинами (до глубины 350 м) и песками, перемежающимися с небольшими прослоями глины (до глубины

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ И ХАРАКТЕРИСТИКА ММП

Рис. 8.13. Текстура многолетнемерзлых пород:

а — массивная; б — слоистая; в — сетчатая; 1 — минеральный материал породы; 2 — лед

600 м). Температура мерзлоты достигает минус 8 °С. Нефтегазовая залежь связана с отложениями пермо-триаса на глубине 2430 — 2600 м.

В мерзлых породах различают три вида криогенной текстуры: массив­ную (рис. 8.13), в которой кристаллы льда заполняют поровое пространст­во, слоистую, когда лед в виде ориентированных в одном направлении линз и прослоек участвует в формировании мерзлой породы, и сетчатую, когда линзы и жилы льда ориентированы беспорядочно.

В составе мерзлой породы может находиться незамерзающая поровая вода с различной степенью минерализации. Количество этой воды зависит от температуры и вещественного состава. Считают, что тонкодисперсные мерзлые глины могут содержать незамерзшую воду даже при температуре минус 100 °Ñ.

Одной из основных характеристик ММП, от которой зависит степень осложненности условий при сооружении скважин, является их льдистость.

В связи с недостаточной изученностью кернового материала конкрет­ной информации о льдистости ММП по различным месторождениям очень мало. Тем не менее для различных оценок степени осложненности ствола скважины под тепловым воздействием промывочного агента необходимо располагать хотя бы общими сведениями о льдистости ММП.

Известно, что для Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции объемная льдистость ММП в интервале залегания 0 — 50 м
составляет в среднем 40 — 45 %. В Тюменской области льдистость ММП в интервале 0 — 30 ì ñîñòàâëÿåò 40 — 60 %.

Льдистость суглинков и супесей изменяется в пределах от 30 до 60 %, а ïåñêîâ — îò 10 äî 30 %.

С глубиной льдистость, как правило, уменьшается. Льдистость синге­нетических отложений обычно выше, чем эпигенетических.

Льдистость в верхней части разреза ММП, проходимого скважинами в Тюменской области, часто превосходит 50 %; наибольшая объемная льди­стость (более 60 %) соответствует глубине 30 — 50 м.

Газовые месторождения Тюменского Заполярья по своему литологиче-скому разрезу отличаются наличием мощных толщ ММП. Многолетняя мерзлота распространяется на олигоценовые и эоценовые отложения, а в крайней северной части месторождения Медвежье — и на верхнюю часть палеоцена. В составе мерзлой толщи преобладает лед, мощность которого достигает половины мощности ММП.