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: 103

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

В.И.Мищевич

Гидродинамические

исследования

поглощающих

пластов и методы их изоляции

МОСКВА-НЕДРА -1974

УДК (622.24 : 533.5).0011

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