Файл: Мищевич, В. И. Гидродинамические исследования поглощающих пластов и методы их изоляции.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 65
Скачиваний: 0
В.И.Мищевич
Гидродинамические
исследования
поглощающих
пластов и методы их изоляции
МОСКВА-НЕДРА -1974
УДК (622.24 : 533.5).0011'С |
Гос. пуб |
1 |
|
|
|
научно— |
|
------- |
V* |
ЧИТА ЛЬНС |
|
у^ |
ч -г - |
|
|
Мищевич В. И. Гидродинамические исследования погло щающих пластов и методы их изоляции. М., «Недра», 1974. 208 с.
В книге рассмотрены физико-геологические и тех нологические причины поглощения промывочных раство ров. Подробно изложены вопросы исследования пла стов, поглощающих промывочные растворы. Дана мето дика решения задачи взаимодействия поглощающих пластов с одинаковыми и различными приведенными пластовыми давлениями. Рассмотрены установившийся и неустановившийся режимы течения жидкости в пори стых средах. Описаны основы теории фильтрации жид кости в поглощающих пластах, представленных пори стыми, трещиноватыми и кавернозными породами. Приведена методика расшифровки данных гидродинами ческих исследований для определения основных пара метров поглощающих горизонтов.
Дано теоретическое обоснование методов изоляции зон поглощения на основе данных гидродинамических исследований. Рассмотрены методы и средства для проведения изоляционных работ, методика расчета процесса изоляционных работ и описаны основные там понирующие материалы.
Книга предназначена для научных инженерно-тех нических работников, занимающихся вопросами бурения нефтяных и газовых скважин.
Табл. 38, ил. 64, список лит. — 60 назв.
М30803—548 269—74 |
© Издательство «Недра», 1974 г. |
043(01)—74 |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одним из резервов повышения технико-экономических показате лей в бурении является снижение затрат на борьбу с поглоще ниями промывочного раствора. Ежегодные затраты на ликвида цию осложнений при бурении нефтяных и газовых скважин толь ко по Министерству нефтяной промышленности составляют более 500 тыс. ч, или 5—6% всего времени, затрачиваемого на проход ку. Более половины этих затрат приходится на борьбу с погло щениями промывочных растворов.
Для районов Урало-Поволжья поглощение растворов является основным видом осложнений. Ежегодные затраты на их ликвида цию по Татарии, Башкирии и Куйбышевской области составляют более 100 тыс. ч.
При бурении глубоких скважин поглощения промывочных ра створов часто сопровождаются другими осложнениями (нефтегазопроявление, обвалы, осыпи стенок скважины, прихваты). Высо кие давления и температура значительно осложняют методы борьбы с поглощениями.
Обоснованный выбор методов и средств предупреждения и ликвидации поглощений (регулирование параметров растворов, изменение технологии проходки скважи^ с целью снижения гид родинамических давлений на стенки скйажины, определение каче
ства |
и состава тампонирующих смесей 1ш технологии изоляцион |
ных |
работ) возможен только при учете геологического строения |
поглощающих пластов, их приемистости, мощности, глубины за легания и др. Эти данные могут быть получены только в резуль тате проведения специальных исследований в процессе бурения скважин. За последние годы накоплен значительный опыт по комплексным исследованиям поглощающих горизонтов при ис пользовании различных методов: геофизических, гидродинамиче ских, глубинного фотографирования, отбора керна и др.
Наиболее распространенными и надежными являются гидро динамические методы исследования. Однако установить зависи мость между характером изменения индикаторной прямой и раз мером каналов фильтрации весьма сложно. Основные причины этого заключаются в большом разнообразии данных о поглощаю щем пласте, сложной гидродинамической взаимосвязи между от дельными пластами и пропластками, различных гидростатиче ских давлениях в пластах и пропластках. Поэтому обработка
1* 3
данных без учета всех факторов, влияющих на характер индика торных кривых, не приводила к желаемым результатам.
Наиболее объективным критерием оценки состояния скважи ны является коэффициент приемистости поглощающего пласта, который зависит от проницаемости пласта, его мощности, радиу са скважины, размеров трещин и каверн в пласте, инерционных сопротивлений и др. Зная величину коэффициента приемистости пласта, можно правильно выбрать наиболее эффективный метод борьбы с поглощениями, подобрать соответствующие тампонаж ные смеси или регулировать параметры промывочных растворов.
Несмотря на разнообразие разработанных рецептов тампони рующих смесей на основе цементов, гипса или макромолекулярных соединений, в основном применяют смеси на основе мине ральных вяжущих. Опыт борьбы с поглощениями промывочных растворов показал, что наиболее перспективными являются там понирующие смеси на основе макромолекулярных соединений, например гидролизованного полиакрилонитрила и растворов со лей поливалентных металлов. Эти тампонирующие смеси дают хороший результат при изоляции зон поглощений в трещинова тых отложениях. Эффективность перекрытия поглощающих кана лов повышается, если в тампонирующую смесь вводить наполни тели различных типов: хлопьевидные, волокнистые или грануляр ные. Кроме того, изоляционные работы следует проводить только в одном пласте, если же вскрыто несколько поглощающих пла стов, то необходимо применять пакеры для разобщения поглощаю щих пластов.
Разнообразие геолого-технических условий проходки скважи ны в каждом районе обусловило применение различных способов предупреждения и борьбы с поглощением промывочных и це ментных растворов. В работе обобщены результаты гидродинами ческих исследований при бурении скважин в районах Урало-По- волжья. Однако технология изрляции зон поглощений и техни ческие средства, которые приводятся в книге, могут быть исполь зованы во всех нефтяных районах с учетом их геологических особенностей.
Глава I Физико-геологические причины поглощений
промывочных растворов при бурении скважин
§ 1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРОВ
Поглощение промывочных растворов является |
следствием |
пре |
||||
вышения давления |
в стволе скважины (гидростатического и гид |
|||||
родинамического) |
в процессе |
ее проходки |
над. |
давлением |
газа |
|
или жидкости, содержащихся |
в трещинах, |
кавернах |
или |
порах |
||
пород. В результате этого промывочные |
растворы, |
преодолевая |
||||
местные гидравлические сопротивления, будут проникать в тре щины, каверны и поры пород. Снижение давления в скважине по сравнению с пластовым приводит к движению жидкости из пла ста в скважину. Поэтому поглощение и проявление являются следствием влияния создаваемого перепада давления на прони
цаемые пласты.
Поглощение промывочных растворов наиболее интенсивно при прохождении трещиноватых и кавернозных пород [50], а также при разбуривании пористых пластов продуктивных горизонтов. Поглощение вызывается как геологическими, так и технологиче скими причинами. В первом случае пластовое давление в зоне поглощения ниже нормального (гидростатического, создаваемого весом столба пресной воды). Во втором случае повышение дав ления в стволе скважины обусловлено возникновением дополни тельных гидродинамически# сопротивлений при выполнении раз личных операций в процессе бурения скважины: спуск и подъем бурильной колонны, проработка ствола, восстановление циркуля ции, спуск обсадных колонн, их цементирование, применение про мывочных растворов с повышенными значениями плотности, вяз кости, статического напряжения сдвига и т. д.
Поглощение происходит при вскрытии пластов с естественны ми и искусственными каналами фильтрации и при перепаде дав лений в скважине и пласте, выражающемся зависимостью
|
Ар |
= Рх + р2 — р3, |
|
|
где |
р \— давление столба |
промывочного |
раствора; |
р2— суммар |
ные |
гидравлические сопротивления в кольцевом |
пространстве |
||
скважины от зоны поглощения до устья; |
р§— пластовое давле |
|||
ние в поглощающем пласте. |
|
|
|
|
5
При этом
Pi + Рг > Р>-
По технологическим причинам поглощение возможно при сле дующих обстоятельствах: при образовании сальников на буриль ной колонне и резком повышении давления на выкиде насоса, причем последнее уменьшается во время проработки ствола сква
жины до нормального;*по |
геологическим причинам — при сниже |
нии пластового давления |
вследствие длительной эксплуатации |
пласта или в результате газо-нефте-водяных выбросов.
Наиболее вероятной причиной поглощения в условиях Бала- хано-Сабунчи-Романинского месторождения является трещинова тость пород как естественная, обусловленная тектоническими про цессами, так и искусственная, являющаяся результатом гидрав лического разрыва пластов, вызванного колебанием гидродинами ческого давления в скважине [2]. На основе анализа фактического материала по скважинам на этих же месторождениях в работе [49] сделан вывод о том, что основное количество поглощений промывочных растворов произошло в период бурения (86,2%), из них 70% составляют поглощения, в которых полному прекраще нию циркуляции предшествовали проработки ствола. Авторами работы [49] предлагается причины поглощения подразделять на технологические и обусловленные физическими свойствами гор ных пород. Аналогичные выводы ранее были сделаны в [51].
При нормальных условиях бурения циркуляция промывочного раствора в системе не нарушается, количество ее может умень
шаться только в результате фильтрации |
воды |
из раствора и |
вследствие естественных потерь. |
|
|
В работе [43] рекомендуется за нормальное пластвое давление |
||
принимать такой напор вод, градиент давления |
которого равен |
|
0,1 кгс/см2/м, считая, что при градиенте |
давления |
*£0,1 вскрытие |
зоны поглощения при промывке забоя водой сопровождается по глощением, а при градиенте давления > 0 ,1 — водопроявлением. Характер циркуляции других промывочных растворов опреде-' ляется в основном их удельным весом.
Нормальным состоянием пласта следует считать состояние, при котором пластовое давление подчиняется закону, выраженно му уравнением
Рил — 0,1Яуп.в,
где Я — глубина скважины в м; уп. в — удельный вес пластовой воды в гс/см3.
Одной из причин поглощения промывочного раствора при про ходке скважин на месторождениях Чечено-Ингушской АССР ав торы [18] считают увеличение давления ка стенки скважины в процессе спуска бурильной колонны. Аналогичные результаты получены в работе [41] для месторождения Окарем.
6
Для определения глубины проникновения промывочного рас твора в пласт в [30] предложена теоретическая схема явления по глощения. Чтобы вычислить скорость фильтрации раствора в по ристой среде в первом приближении, использована формула Бу кингема, в которой путем подстановки удвоенного значения гид равлического радиуса пор вместо радиуса трубы и средней (истинной) скорости движения вместо среднеобъемной скорости получена формула для определения глубины проникновения про мывочного раствора в пласт:
где р — коэффициент |
формы пор; то — предельное |
напряжение |
|||||
сдвига |
промывочного |
раствора; |
k — проницаемость; |
т — пори |
|||
стость; |
Ар — перепад |
давления |
в процессе ухода |
бурового рас |
|||
твора. |
|
|
|
раствора |
при |
бурении |
|
Причины поглощения промывочного |
|||||||
скважины рассматривались также и зарубежными |
|
исследовате |
|||||
лями. Так, в [13] отмечено, что |
при |
нарушении |
равновесия в |
||||
гидродинамической системе скважина — пласт возникает |
поток, |
||||||
скорость и дебит которого являются функциями давления и вели чины кольцевого зазора между стенками скважины и бурильны ми трубами.
В результате рассмотрения причин поглощения промывочного раствора при бурении скважин автор [15] приходит к выводу, что поглощения происходят в случае, когда поры породы настолько велики, что не закупориваются твердыми частицами раствора, а проницаемость породы повышается до таких пределов, что про исходит поглощение. Это объясняется превышением гидростати ческого давления в скважине над пластовым, в результате чего происходит раскрытие имеющихся в пласте трещин, а при зна
чительном |
превышении давления — нарушение |
монолитности |
по |
род и образование новых трещин. |
поглощение |
про |
|
В [56] |
отмечено, что причины, вызывающие |
||
мывочного раствора при бурении скважин, обусловлены наличием высокопроницаемых или трещиновато-кавернозных пород или превышением давления столба жидкости в скважине над пла стовым.
В процессе расхаживания труб при бурении возникает высо кое давление, под действием которого может прекратиться цир куляция раствора [19].
Поглощения часто наблюдаются после спуско-подъемных опе раций [15, 37]. Это объяснялось нарушением глинистой корки на стенках скважины против поглощающих пород движущимися бу рильными трубами и долотом. Иногда, после извлечения части труб (в процессе их подъема), наблюдаются выбросы вследствие поступления в скважину газа из газоносных пород и уменьшения
7
плотности промывочного раствора. Экспериментальными и ана литическими работами [35, 55, 58, 59 и др.] установлено, что эти явления возникают главным образом вследствие колебаний дав ления на забое, обусловленных движением бурильных труб в скважине, которые действуют подобно поршню в цилиндре.
Анализируя 25 случаев поглощения промывочного раствора, К. Фримен [57] установил, что только в одном случае циркуляция прекратилась в связи с уходом раствора в призабойную зону, в остальных же случаях разрыв пласта произошел в пробуренном интервале скважины, что указывает на увеличение динамическо го давления.
Работами советских и зарубежных исследователей установле
но, что высокие давления, возникающие в стволе скважины |
при |
|
выполнении различных операций, приводят к |
гидравлическому |
|
разрыву пласта — расширению естественных |
и образованию |
ис |
кусственных трещин, вследствие чего происходит поглощение про мывочного раствора. При этом раствор, даже обладающий высо кими структурно-механическими свойствами, может проникать в трещины под действием возникающего гидродинамического дав ления в скважине.
Таким образом, гидродинамическое давление на стенки сква жины определяется условиями движения жидкости в стволе сква жины. Следует отметить, что повышение давления может проис ходить и в статических условиях. Как пример можно привести сегрегацию газа в промывочном растворе. При наличии даже сравнительно небольшого количества газа в растворе и в закры-'
той системе при гравитационном разделении |
газа можно ожи |
|
дать значительного повышения давления на |
стенки |
скважины. |
Для пористой или трещиновато-пористой |
среды |
поглощение |
промывочного раствора определяется проницаемостью этой сре ды, а также реологической характеристикой раствора. Так, для обычной пористой среды и в случае вязкого промывочного рас твора определяющей является так называемая гидравлическая проводимость, т. е. отношение проницаемости к вязкости. При фильтрации с начальным градиентом давления важным фактором является гидравлическая проводимость, а также величина на чального градиента давления, которые определяются как свойст вами пористой среды, так и свойствами фильтрующейся жид кости.
Необходимо отметить, что гидродинамическое давление на стенки скважины может способствовать образованию трещин, т. е. гидроразрыву пласта в процессе проходки скважины, причем дав ление гидроразрыва пласта меняется в сравнительно широких пределах от давлений, близких к гидростатическому, до давлений, близких к геостатическому. Одной из причин невысоких давлений
гидроразрыва пласта, подтвержденных промысловыми |
данными |
по гидроразрыву в эксплуатационных скважинах [45], |
является |
наличие зоны разгрузки в глинистых пластах. |
|
8