Аварии с обсадными трубами

Наиболее распространенный вид аварий с обсадными трубами - отвинчивание башмака колонны и протирание обсадных труб. Башмак колонны отвинчивается в том случае, когда нижняя часть колонны не закреплена, например, когда цемент закачан выше башмака или не схватился у башмака. При дальнейшем бурении, особенно роторным способом, не зацементированный башмак от трения муфт бурильных труб отвинчивается. Чтобы определить расположение отвинтившегося башмака, в скважину обычно опускают печать, выполненную из куска обсадной трубы. Нижняя часть печати имеет воронкообразную форму. В эту часть вставлена деревянная пробка, в которую забиты гвозди; гвозди оплетены проволокой и залиты гудроном или свинцом. Печать опускают до отвинченного башмака. По отпечатку судят о том, как расположен башмак в скважине. Такую аварию ликвидируют при помощи пикообразных долот, которыми стремятся поставить башмак вертикально, чтобы долото полного размера свободно проходило через него. Лучшее средство против возникновения таких аварий - упрочнение нижних труб кондуктора и технических колонн сваркой. При длительной работе бурильные трубы своими муфтами и замками иногда совершенно протирают обсадные трубы. Средством предохранения от протирания служат предохранительные кольца. Протирание обсадных труб будет значительно интенсивнее в искривленной скважине.

Когда против протертого места обсадной колонны имеется цементный стакан, в колонне в процессе бурения не происходит никаких осложнений. Если цементный стакан отсутствует, то при бурении обсадные трубы могут рваться лентами, что затрудняет проход долота. Если же, кроме того, за трубами будут обваливающиеся породы, протирание может осложниться смятием. Во всех этих случаях единственная мера ликвидации аварии- спуск и цементирование промежуточной обсадной колонны меньшего диаметра.

Давления в скважине

Гидродинамические давления при проведении различных технологических операций:

1. Нет циркуляции, нет движения инструмента:

Р_СКВ = Р_ГС

2. Циркуляция:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП

3. Движение инструмента вниз:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_ПОРШ.

4. Движение инструмента вверх:

Р_СКВ = Р_ГС - ΔР_СВАБ. (Р_СКВ - min)

5. Движение вниз с циркуляцией:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП + ΔР_ПОРШ. (Р_СКВ - max)

6. Движение вверх с циркуляцией:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП - ΔР_СВАБ.

7. Проработка:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП + ΔР_ПОРШ. (V_СПО = V_ПРОРАБ)

где Р_СКВ - давление в скважине;

Р_ГС - гидростатическое давление: Р_ГС = ρН/10

ΔР_КП - потери давления в кольцевом пространстве; ΔР_КП = f (Q², S_КП, ρ,t_0, h)

ΔР_ПОРШ - давление поршневания; ΔР_ПОРШ, ΔР_{СВАБ. =} f (V_СПО, S_КП, ρ,q_, h)

ΔР_СВАБ. - давление свабирования;

V_СПО - скорость спуско-подъемных операций; V_ПРОРАБ - скорость проработки.

АВПД

3.6.1. Понятия о давлениях - горное, скелетное, пластовое. Нормальные и аномальные давления. Изменение пористости и плотности пород с глубиной. Нормальное уплотнение пород

Объёмная и минералогическая плотность

Плотность горных пород является основным физическим параметром, который наряду с пористостью широко используется для выделения зон аномально-высоких поровых давлений (АВПоД) и пород-коллекторов.

Плотностью горной породы (ρ) называют массу, приходящуюся на единицу объёма, т.е.

ρ=m/V

Масса образца породы (m_п) состоит из массы твёрдой фазы (m_т), жидкости (m_ж) и газа (m_г). Объём образца складывается также из объёма твёрдой фазы (V_т), жидкой (V_ж) и газовой (V_г).

Следовательно:

ρ= m_т+ m_ж + m_г/ V_т+ V_ж+ V_г

Отношение массы твёрдой фазы породы к занимаемому её объёму называют минералогической плотностью:

ρ_м=m_т/V_т

При проведении ГТИ определяется обычно объёмная плотность в г/см³,

ρ=m_в*ρ_ж/V

где т_в – масса влажного образца, г;

V – объём образца, см³;

ρ_ж – плотность насыщающей образец жидкости, г/см³ (обычно принимают

ρ_ж =1 г/см³)

и минералогическая плотность

ρ_м=m_с/V_с

где V_c – объём сухого образца, см³

V_c=V-(m_в-т_с)/ρ_в,

где т_с -масса сухого образца, г.

Величина плотности горных пород изменяется в широких пределах для различных типов горных пород и зависит от минерального состава, плотности слагающих породу минералов, пористости породообразующих минералов, плотности жидкости и газов заполняющих её поровое пространство, структурно-текстурных особенностей породы и др. Значения плотности основных осадочных пород приведены в табл. 4.

С глубиной плотность горных пород возрастает, так как она обусловлена, главным образом, пористостью. Такая закономерность наиболее характерна для глинистых пород. При отсутствии зон АВПоД плотность глин закономерно возрастает с глубиной, а при их наличии эта закономерность нарушается за счёт зон разуплотнённых глин.

Общая, открытая и эффективная пористость

Пористость горных пород, слагающих коллектор, представляет собой совокупность пространств, заключённых между частицами твёрдой фазы, формирующей породу. По условиям образования пористость подразделяют на первичную и вторичную. Первичная пористость образуется в процессе отложений материала, вторичная – возникает при некоторых геологических процессах, следующих за процессом осадконакопления. Первичная пористость может быть межзерновой, характерной для терригенных пород, и межкристаллической, присущей карбонатным породам. Вторичная пористость образуется за счёт растрескивания, процессов растворения и выщелачивания, характерных для карбонатных пород. Пористость зависит не только от укладки зёрен породы, но и от их формы, распределения по размерам, наличия глинистого и цементирующего материала.

Различают общую, открытую, закрытую и эффективную пористость. Иногда оперируют трещинной и кавернозной пористостью.

Общая пористость включает в себя открытую и закрытую пористости и определяется совокупностью всех пустот в минеральном скелете породы и представляет собой отношение объёма пор в образце (V_п) к объёму образца (V), т.е. коэффициент открытой пористости будет

K_n=V_п/V

Коэффициент открытой пористости определяется как отношение объёма открытых пор в образце породы (V_n.o.) к объёму образца, т.е.

K_n.o.=V_п.o./V

Закрытая пористость определяется объёмом изолированных пустот в образце породы.

Пористость горных пород – это совокупность пор, каверн и трещин, заключённых между частицами твёрдой (скелетной) части породы.

В зависимости от размера пор различают мегапоры (>10 мм), сверхкапиллярные (0,1-10 мм), капиллярные (0,001-0,1 мм) и субкапиллярные (<0.001 мм). Подавляющая часть субкапиллярных пор не пропускает жидкость при градиентах давлений, наблюдаемых в природе.

Конфигурация пор крайне разнообразна.

Эффективная пористость определяется объёмом порового пространства (V_п.д), по которому может происходить передвижение пластового флюида при перепадах давления встречающихся в природе.

Коэффициент эффективной пористости рассчитывается по формуле

K_эф=V_п.д/V

Пористость пород-коллекторов с глубиной залегания пласта уменьшается, вследствие уплотнения породы под действием давления вышележащих слоёв, а также геотектонических сил. Влияние давления и температуры неодинаково на породы с различным литологическим составом, плотностью, минеральным составом, насыщенностью пластовыми водами, степенью цементизации зёрен и т.д.

При выносе керна на поверхность, когда происходит снижение пластового давления до атмосферного, а пластовой температуры до температуры окружающей среды, коэффициент пористости увеличивается, что необходимо учитывать.

Величина пористости горных пород изменяется в широком диапазоне: от долей процента (магматические породы) до 40% (глины в зонах АВПоД, газоносные песчаники). Наиболее распространённое значение пористости песчаников Русской платформы 17-24%.

Пористость горных пород терригенного типа с увеличением глубины залегания снижается почти по линейной зависимости. И на глубине 5-6 км редко превышает 3-4%. Пористость карбонатных пород с глубиной также уменьшается но нелинейно и величина пористости, на больших глубинах, может достигать 8-10% и более за счёт возрастания доли вторичной пористости, трещин и каверн (месторождения Прикаспийской впадины и Северного Кавказа).

Изучение коллекторских свойств горных пород на больших глубинах, показывает наличие мощных зон (до 500-800 м) вторичной пористости, обусловленных выщелачиванием карбонатных минералов под агрессивным воздействием углекислого газа и углеводородных газов в водорастворимой фазе, мигрировавших по разломам и трещинам в глубокопогружённые зоны низкопористых коллекторов с нарушенной стабильностью термодинамического равновесия (температура 150-200⁰С и давление 60-70 МПА). В этих природных условиях карбонатные минералы легко переходят в пластическое состояние и быстро растворяются. В формировании вторичной пористости участвуют также каолинизация глинистых материалов, микротрещинноватость, доломитизация и другие факторы.

С увеличением глубины залегания пород-коллекторов их промышленная значимость во многом зависит не только от величины общей пористости пород, а также от степени их трещиноватости и проницаемости.

3.6.2. Происхождение АВПД

Основные причины образования АВПД - естественные причины, скорость и условия осадконакопления, тектоника (палеодаления, разломы, надвиги, складки, диапиризм и др.), тепловое расширение, преобразования минералов, диагенез глин, органические преобразования.

3.6.3. Признаки АВПД

Признаки приближения и вхождения в зону АВПД

Примечание – изменение параметров относительно нормального изменения с глубиной:

0 - параметр не меняется, - - уменьшение параметра;

+ - увеличение параметра; () - возможное изменение параметра.

3.6.4. Методы определения АВПД

3.6.4.1. Прямой метод – испытание пласта.

3.6.4.2. Оценочные методы – 1) по величине избыточного давления на устье закрытой скважины (+ гидростатическое давление); 2) по величине давления начала поглощения (теоретическая верхняя граница пластового давления); 3) по эквивалентной плотности бурового раствора (с учетом гидродинамических давлений) на момент поступления газа из пласта в скважину.

3.6.4.3. Косвенные методы (методы в процессе бурения)

Физическая основа методов – рост скорости разбуривания зон с аномально-высокми пластовыми и поровыми давлениями за счет снижения прочности породы (низкая плотность, высокая пористость) и снижения дифференциального давления в системе скважина-пласт.

При оценке скорости проходки следует учитывать:

· Изменение режима бурения,

· влияние износа долота

· влияние плотности раствора

· влияние литологии и прочих характеристик пород.

Все влияния учитываются в различных моделях бурения. Наиболее распространенный способ – d-экспонента.

3.6.5. Методы определения давления гидроразрыва пород

3.6.5.1. Прямой метод – тест на утечку – закачка в закрытую скважину раствора на малом расходе с контролем и регистрацией объема закачки и давления в скважине. Испытание проводится для первого вскрытого пласта ниже башмака обсадной колонны.

3.6.5.2. Косвенные методы определения градиента разрыва

· Метод Хабберта и Уиллиса

grad Pгр = К* (grad Pгор - grad Pпл) + grad Pпл; К= 1/3 или К=1/2 –1/4

Недостаток – возможное занижение градиента в зонах АНПД и завышение в зонах АВПД

· Метод Мэтьюза и Келли

grad Pгр = К* (grad Pгор - grad Pпл). + grad Pпл; К – коэффициент эффективного напряжения, определяется методом эквивалентных глубин для разуплотненных зон по эмпирической зависимости К от глубины для данного региона.

· Метод Итона

grad Pгр = К* (grad Pгор - grad Pпл) + grad Pпл; К=m / (1-m), m - коэффициент Пуассона для горных пород, m = 0,2-0,45. Требуется знание регионального коэффициента Пуассона. Определяется на базе фактических данных о гидроразрывах.

· Метод Кристмана (модификация метода Итона для морских месторождений)

grad Pгор = (ρводы* hводы + ρпор*Нскв)/ hводы + Нскв;

ρводы и hводы – плотность и высота столба морской воды.

ρпор – средневзвешенная плотность пород в скважине

· Метод Чезароне – учитывает влияние механического поведения пород на гидроразрыв.

1. для высокопластичных пород (глины, соли, мергели)

grad Pгр =grad Pгор;

2. для низкопроницаемых песков и песчаников

grad Pгр = 2m / (1-m) * grad Pгор + grad Pпл;

3. для высокопроницаемых упругих пород с глубоким проникновением фильтрата

grad Pгр = 2m * grad Pгор + grad Pпл;

m = 0,25 – чистые пески, нетрещиноватые известняки на небольших глубинах

m = 0,28 – глинистые песчаники на больших глубинах.