Содержание к диссертации
Введение
1 АНАЛИЗ ОПЫТА БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РАЗВЕДОЧНЫХ
ПЛОЩАДЕЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА 8
1.1. Типизация осложнений при бурении в глинистых породах. 8
1.2. Свойства глинистых пород региона .... 18
1.2.1. Литолого-минералогическая характеристика . . 19
1.2.2. Физико-механические свойства ........... 25
1.3. Промывочные жидкости ................ 30
1.3.1. Глинистые растворы . . . . . . 31
1.3.2. Буровые растворы с конденсированной твердой фазой. .33
1.3.3. Растворы на нефтяной основе .......36
1.4. Влияние промывочных жидкостей на изменение свойств
глинистых пород в приствольной зоне 37
1.4.1. Противодавление столба промывочной жидкости .... 37
1.4.2. Влияние состава промывочной жидкости на разупрочнение глин 39
1.4.3. Методы оценки физико-химического взаимодействия глинистых пород с промывочными жидкостями .... 44
1.5. Цели и задачи исследований * 49
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 51
2.1. Разработка методики и устройства для оценки параметров капиллярной фильтрации в глинистых породах ... 51
2.1.1. Математическая модель процесса 51
2.1.2. Приготовление модели фильтрационного канала ... 55
2.1.3. Устройство и методика определения показателей капиллярной фильтрации 57
2.2. Устройство и методика измерения давления набухания глин 63
2.3. Устройство и методика акустического исследования прочностных характеристик пород при их взаимодействии с жидкостями .................. 70
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОМЫЮЧНЫХ ВДКОСТЕЙ С ГЛИНАМИ. 75
3.1. Исследование капиллярной фильтрации жидкостей в глинах . . 75
3.1.1. Особенности капиллярной фильтрации в различных глинах.. 75
ЗЛ.2. Капиллярная фильтрация электролитов .......... 88
3.1.3» Капиллярная фильтрация органических химреагентов. « .100
3.1.4. Капиллярное увлажнение глин буровыми растворами » III
3.2. Исследование давления набухания глин в буровых растворах 114
3.2Л. Влияние обработки стабилизаторами. 115
3.2.2. Влияние содержания электролитов .......... 118
3.2.3. Зависимость давления набухания от типа и фильтрацион
ных свойств буровых растворов ............ 121
3*3. Акустические исследования прочностных характеристик глинистых пород при взаимодействии с промывочными жидкостями 124
3.3.1. Акустические характеристики буровых растворов и глинистых пород .124
3.3.2. Влияние неорганических электролитов на изменение акустических характеристик глин . .... 128
3.3.3. Влияние химической обработки растворов на изменение акустических характеристик глин ........... 135
3.4. Разработка и исследование рецептуры ингибирующей про
мывочной жидкостей 142
3.4.1. Обоснование компонентного состава промыврчной
жидкости . . . . 142
3.4.2. Оценка ингибирующей способности буровых растворов
с адгезионным кольматантом ...... 149
3.4.3. Оценка технологических свойств ингибирующей про
мывочной жидкости .... ..... 156
4. ИСПЫТАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 167
4.1. Испытание рекомендаций в условиях полигонного эксперимента ... 167
4.2. Регулирование ингибирущих свойств буровых растворов добавками электролитов 176
4.3. Внедрение минерализованных буровых растворов обработанных адгезионным кольматантом 182
6. ЛИТЕРАТУРА 194
ПРИЛОЖЕНИЯ 204
- Типизация осложнений при бурении в глинистых породах.
- Разработка методики и устройства для оценки параметров капиллярной фильтрации в глинистых породах
- Исследование капиллярной фильтрации жидкостей в глинах
- Испытание рекомендаций в условиях полигонного эксперимента ...
Введение к работе
Решениями ХХУІ съезда КПСС и последующих Постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР Прикаспийская впадина выделена как высокоперспективная на нефть и газ область, в которой предусматривалось и осуществляется интенсивный рост объемов глубокого разведочного бурения на подсолевые отложения. Проводка скважин в этом регионе сопровождается осложнениями,связанными с геолого-техническими особенностями разреза: наличием мощных (до 4-4,5 км) соленосних отложений, аномально высоких пластовых давлений, течением пластичных глин, обвалами трещиноватых аргиллитов, агрессией пластовых флюидов, содержащих поливалентные ионы, сероводород и кислые газы и др.
В последние годы благодаря усилиям ученых и специалистов Казахстана и ведущих научно-исследовательских буровых организаций удалось существенно повысить скорости и качество глубокого бурения в сложных условиях, включая мощные хемогенно-терригенные толщи неустойчивых пород. Однако,несмотря на применение новых темно-логических приемов и средств,включая более совершенные рецептуры буровых растворов, в том числе калийно-магниевых с конденсированной твердой фазой, растворов на нефтяной основе,затраты времени на предупреждение и ликвидацию осложнений в бурении остаются высокими. В геологических предприятиях Западного Казахстана они составляют 6-11$ в общем балансе календарного времени.
Особые трудности вызывают осложнения;вызванные неустойчивостью стволов скважин в интервалах глинистых пород глубокого залегания, связанные с их разупрочнением и разрушением вследствие взаимодействия с промывочными жидкостями и их фильтратами. Это обусловило необходимость проведения новых исследований, целью которых явилось повышение эффективности проводки скважин в осложненных интервалах глинистых пород за счет сохранения их устойчивости при использовании минерализованных буровых растворов. При этом углубленно изучались вопросы гидратации глинистых пород, как одного из основных факторов,приводящих к разупрочнению глинистых пород на стенках скважин.
В результате исследований получена математическая модель капиллярной фильтрации жидкостей в щелевых каналах с набухающими стенками. Экспериментальное изучение кинетики капиллярной фильтрации жидкостей в устройстве, защищенном авторским свидетельством, подтвердило обоснованность модели.
Разработана методика выбора химического состава промывочных жидкостей для бурения в глинистых породах на основе оценки их гид-ратационных свойств. С использованием ее обоснованы рецептуры минерализованных буровых растворов,снижающих интенсивность гидратации глинистых пород на стенках скважин, и на уровне изобретения разработан состав адгезионной кольматирующей добавки в буровые растворы для проводки скважин в интервалах осыпающихся трещиноватых и сланцеватых глинистых пород высокой степени литификации за счет подавления их капиллярного увлажнения.
Предлагаемые в диссертационной работе рекомендации по предупреждению и ликвидации осложнений, связанных с неустойчивостью глинистых пород, путем регулирования химического состава дисперсионной среды буровых растворов и введения кольматирующих добавок, успешно внедрены при бурении ряда глубоких (до 5280м) скважин в производственном геологическом объединении Турьевнефтегаз-геология". Минерализованные буровые растворы с добавками адгезионного кольматанта в 1983-1984гг. использовались в бурении в соответствии с планом внедрения научно-технических достижений и передового производственного опыта по Министерству геологии Казахской ССВ.
Работа выполнена в КазНИГРИ под научным руководством доцента Р.Г.Ахмадеева и в тесном сотрудничестве с технологическими службами производственных геологических объединений "Гурьевнефтегаз-геология" и "Актюбнефтегазгеология".
Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук профессору О.К.Ангелопуло, оказывавшему постоянную помощь при выполнении работы*
Свою благодарность автор выражает также доктору технических наук профессору И.М.Аметову за ценные консультации при разработке теоретических вопросов капиллярной фильтрации.
Большую помощь в проведении исследований автору оказали сотрудники лаборатории промывочных жидкостей КазНИГРИ. Практической реализации результатов исследований в наибольшей степени способствовали главный инженер ПГО "Гурьевнефтегазгеология" А.А.Ба-рыльник и заведующая лабораторией промывочных жидкостей ЦИТС объединения Т.М.Фофонова. Автор искренне благодарит товарищей за сотрудничество.
class1 АНАЛИЗ ОПЫТА БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РАЗВЕДОЧНЫХ
ПЛОЩАДЕЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА class1
Типизация осложнений при бурении в глинистых породах
Анализ осложнений при бурении скважин в производственных геологических объединениях "Гурьевнефтегазгеология" и "Актюбнефтегазгеология" в 1974-1983 г.г. показывает, что ежегодно затраты времени на их ликвидацию составляют от 5 до 11,4 % в балансе календарного времени. Из этого времени 29,8 % (табл.1.1) приходится на ослож Западного Казахстана с разделением их тяжести и литологическим комплексам (рис.1.2. и 1.3.) показывает,что 24,3$ осложнений происходит в районе площади Кенкияк на восточном борту впадины,площадей Забу-рунье, Сев.Бегайдар, Сев.Кусанбай, в Междуречье Урала и Волги, а также в триасовых и пермских отложениях Сев.Устюрта и полуострова Бузачи, которые мы условно объединили с надсолевыми отложениями Прикаспийской впадины (табл.1.2.). Осложнения здесь связаны с осыпанием аргиллитов триасовых и верхнепермских отложений, залегающих в зонах глубоких межсолевых мульд (скв.Кенкияк-89) или примыкающих к крутым склонам и карнизам соляных штоков (скв. Жа-наталап-37). В процессе соляного тектогенеза порода в этой зоне претерпевает значительные деформации, в ней развиваются микротрещины, по которым происходит ее увлажнение, приводящее к разупрочнению породы. Осложнения в этом литологическом комплексе отличаются сравнительно нетяжелым характером и,за исключением зон тектонических нарушений, ликвидируются регулированием свойств буровых равтворов.
К соленосной толще приурочено наиболее число (56,4$) осложнений. Они распространены (рис.1.1.) по всем бортовым частям Прикаспийской впадины и наиболее тяжело (более 2000ч) ликвидировались на площадях Ульяновская на северном борту, Жанажол, Киндысай и Шу-баркудук на восточном борту. В южном направлении наиболее тяжелые осложнения встречены в районах площадей Шолькара и Боранколь. В большинстве своем они связаны с глинистыми пропластками (глины, аргиллиты,сланцы, глинистые песчаники и т.п.),которые могут в значительном количестве встречаться в галогенной толще [14] . Например, в интервале залегания солей 370-4680м скважины Шубарккдук-3 содержится 21 глинисто-песчаный пропласток общей мощностью около 450м (табл.І.З.). В скважине Шубардудук-4 в интервале залегания солей (450-5476м) выделено 7 таких пропластков, имеющих общую мощность 211м и расположенных в нижней части толщи. Бурение этой скважины в отложениях кунгурского яруса сопровождалось осыпями аргиллитов, приводившими к сильным затяжкам и посадкам инструмента. На глубине 5201м из-за обвала пород произошел прихват инструмента с потерей циркуляции, ликвидировать который не удалось. Второй ствол был забурен на гидрогели магния с глубины 4610 м, и скважина доведена до проектной глубины 5500м с частыми проработками и затяжками инструмента.
Другой характер имеют осложнения, связанные с межсолевыми высокопластичными монтмориллонитовыми глинами мощностью 20-250 м, встреченными на площади Жанажол, где они залегают в солях на глубине около 2100-2200 м.
Как показывает опыт проводки скважин на этой площади, существует определенный период времени с момента вскрытия горизонтов залегания пластичных глин, по истечению которого течение глин не удается остановить даже значительным (до 2100-2300 кг/м3) увеличением плотности бурового раствора.
В подсолевом комплексе неустойчивыми являются высоколитифици-рованные глинистые породы (аргиллиты,сланцы). Их отличает тонкая слоистость и наличие между слоями менее метаморфизованной белесой глины [43], гидратация которой приводит к ослаблению связей между отдельными слоями. Обломки породы, выносимые раствором из зон осложнений, в зависимости от условий залегания,трещиноватости и слоистости имеют формы пластин или продолговатых кусков, размеры которых достигают
Разработка методики и устройства для оценки параметров капиллярной фильтрации в глинистых породах
Капиллярная фильтрация в глинистых породах во многом зависит от степени литификации, типа капиллярного канала (поровый или трещинный) и свойств фильтрущейся жидкости. Исследование этого процесса известными методами связано с большими трудностями. Предлагаемые методика и устройство для оценки параметров капиллярной фильтрации разработаны нами при участии Ахмадеева Р.Г., Аметова И. и Пятибрата В.П.
Стационарное течение жидкости в щелевом капилляре описывается
уравнением Пуазейля [54]: где скорость течения;
h - высота капиллярного поднятия жидкости;
- ширина щели;
ju - вязкость жидкости;
t - время.
Перепад давления между поверхностью мениска и основанием столба жидкости равен:
где б - поверхностное натяжение жидкости на границе ее с воздухом; б - краевой угол смачивания; Р - плотность жидкости; а - ускорение силы тяжести. В том случае, когда нижний торец капилляра расположен на уровне жидкости вне его, перепад давления, возникающий между силами поверхностного натяжения и весом столба капиллярной жидкости уравновешивается гидродинамическим сопротивлением потока,движущегося в капилляре. G учетом (2.2) уравнение капиллярного движения жидкости (2.1) будет :
Особенность капиллярной фильтрации такова,что в начальный момент к мала. Поэтому вторым слагаемым в уравнении (2.3) пренебрегаем и получаем:
Оценка величины степени -/? ., для щели шириной 1 10"3м и времени 5 секунд показывает,что она равна - 416,7, т.е. величина t" ничтожно мала и можно считать, что за этот небольшой отрезок времени капиллярные силы уже уравновешены (мениск находится в равновесии). Действительно,подъем жидкости в капилляре до равновесного состояния К (рис.2.1а) происходит практически мгновенно,например, согласно данным Г.А.Мартынова и др. [64] для воды это время равно примерно 15 -ій $/гг о.
В случае, когда стенки щели сложены глинистым материалом, капиллярный подъем жидкости идет одновременно двумя разномасштабными потоками: в полости щели и по поровым каналам глины.
Гидратация глины сопровождается ее набуханием и, соответственно, сужением щели (ot &). Это обуславливает дальнейший подъем жидкости в ее полости до высоты кн (рис.2.16),соответствующей максимальному набуханию глинистой прослойки за время tH .
Последующий этап капиллярной пропитки характерен тем, что подня тие жидкости в щели останавливается на высоте hH, а перенос влаги осуществляется только по поровым каналам глины и описывается выра жением
Исследование капиллярной фильтрации жидкостей в глинах
В опытах использовались образцы глины,свойства которых хорошо известны специалистам (табл.3.1), а также глинистые керны,отобранные с различных глубин ряда нефтегазовых площадей Западного Казахстана.
Учитывая,что методикой исследований предусматривается раздельная оценка капиллярного поднятия в несуженной и суженной (за счет набухания) щели, а также определение скорости капиллярной пропитки гранулярных каналов на стенках щели, вначале выявлялись для каждого типа глины исходные размеры щели,которые не перекрывались набухающим на ее стенках глинистым материалом. Для этого последовательно исследовалась кинетика капиллярного поднятия для дистиллированной воды в щелях шириной 0; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0хЮ 3м. Обработка результатов этих исследований показала,что для всех изученных образцов в щелях размером 0,5хЮ 3 и особенно 1,0хЮ"3м при макси-мальном набухании перекрытия щелевого капиллярного канала не происходит. Об этом,например, свидетельствуют данныеfприведенные на рис.2.3. и 3.1, которые показывают,что в широких щелевых каналах, как и предусматривалось вначале,капиллярная пропитка глины происходит, по крайней мере, в три стадии, две из которых четко выделяются на графиках. Было также замечено, что скорость капиллярного увлажнения гранулярных каналов глин на стенках трещины незначительно увеличивается в широких трещинах неперекрываемых набухающим слоем глины,по сравнению с узкими щелями или при отсутствии их. Особенно характерно это для бентонита. Причина отмеченного не совсем ясна и, видимо, является следствием специфичных процессов, связанных с явлениями пленочного переноса влаги, а также внутри кристаллического набухания монтмориллонита.
Данные о кинетике капиллярной фильтрации в щелевых каналах размером 1мм, стенки которых представлены различными глинами показаны на рис.3.2. Аналогичные кривые для гранулярных каналов показаны на рис.3.3. Эти результаты свидетельствуют о том, что капиллярные процессы в глинах для минеральных разностей с жесткой кристаллической решеткой (кривые 2,5 и т.п.), особенно в начальный период, быстротечны,затем скорости уменьшаются. Заметить время перехода процесса из одной стадии в другую удается,как мы уже отметили,путем линеаризации кинетических кривых. Это, в соответствии с разработанной методикой, позволяет определить параметры процесса,приведенные в табл.3.2,которые оказались интересными по конечным результатам.
Испытание рекомендаций в условиях полигонного эксперимента
Полигонный эксперимент проводился на площади Бакланий в соответствии с "Программой и методикой полигонного эксперимента по оценке влияния типа и химического состава промывочных жидкостей на поведение глинистых пород",разработанной под руководством и участии Р.Г.Ахмадеева и утвержденной в 1981г. заместителями по научной работе руководителей КазНИГРИ и МИНХ и ГП имени И.М.Губкина,
Целью этого эксперимента являлась оценка влияния типа и химического состава промывочных жидкостей на скорости бурения и расширения скважин, а также устойчивости их стенок, сложенных глинистыми породами, в условиях их естественного залегания.
Основные сведения об опытных скважинах,пробуренных на площади Бакланий.приведены в табл.4.I. Скважины пробурены до глубины 300м буровой установкой УРБ-ЗАМ. Бурение скважин производилось долотами диаметром 0,132м с последующей их расширкой через 10 дней до диаметра 0,190м и проработкой ствола скважины тем же диаметром долота через двадцать дней. После каждой из указанных операций производился комплекс промыслово-геофизических исследований,включающий: кавернометрию, электрометрию, акустический каротаж, гамма-каротаж.
Бурение скважин производилось в соответствии с индивидуальными Технологическими регламентами, утвержденными замдиректора КазНИГРИ по научной работе.
Скважина №1/81 была пробурена на воде с полным отбором керна по всему стволу. Поэтому в 1982 году бурение сплошным забоем с использованием ЕВС в качестве промывочной жидкости было повторено. В других скважинах отбор производился выборочно в отдельных интервалах. Сразу после подъема керна из ее средней части отбирались образцы пород, не подвергавшиеся увлажнению раствором, и определялась их естественная влажность. Какого-либо закономерного изменения влажности с глубиной в разрезе опытных скважин не отмечено. В целом по разрезу влажность колеблется в пределах 12-17%,что соответствует максимальной молекулярной влагоемкости рассматриваемых пород. Однако в отдельных интервалах (130-139, 153-162, 212-250м) влажность пород превышает 30%. В этих же интервалах, как будет показано ниже,наблюдается максимальное кавернообразование в скважинах, пробуренных на водных растворах.
Рассматривая свойства пород,можно отметить,что они в определенной мере зависят от их карбонатности,которая в интервале І2І-І62м составляет 63-68%, а в интервале 97-ЮЗм достигает 86,12%, т.е. порода здесь практически представляет из себя плотный известняк, объемная масса которого достигает 2200 кг/м3, и обладает высокой прочностью на сжатие - 145 МПа и на растяжение- 6,37 МПа.
Ниже 175-185м карбонатность глинистых пород в значительной мере снижается, уступая преобладающему содержанию легкодиспергируемых и хорошо набухающих глин. Это подтверждается и данными солянокислой вытяжки, где отмечается резкое снижение (1-5%) GaO.
Содержание MgO в солянокислой вытяжке достигает максимума 3,36% в интервале 97-ЮЗм и в дальнейшем, с увеличением глубины,падает. По-видимому, оно зависит от содержания в разрезе мергелеподобных образований, а также содержания ионов магния в обменном комплексе глинистых минералов.
