БУРЕНИЕ СКВАЖИН
УДК 622.248.3:551.247 © Коллектив авторов, 2014
Природа сужения ствола скважин при вскрытии солевых отложений большой толщины
С.Н. Горонович, д.т.н., Т.В. Кожина, А.Н. Олейников
(ООО «ВолгоУралНИПИгаз»), Д.Г. Бельский
(ОАО «Газпром»)
Адреса для связи: SGoronovich@vunipigaz.ru, TKojina@vunipigaz.ru
Ключевые слова: буровой раствор, вторичная кристаллизация, хемогенные отложения, осложнения, старение осадка.
The nature of the restriction borehole at the opening of thick salt
S.N. Goronovich, T.V. Kozhina, A.N. Olejnikov (VolgoUralNIPIgaz ООО, RF, Orenburg), D.G. Belskiy (Gazprom ОАО, RF, Moscow)
E-mail: Sgoronovich@vunipigaz.ru, TKojina@vunipigaz.ru
Key words: mud, the secondary crystallization, beds of precipitation, complications, aging sediment.
This paper examines the nature of the restriction borehole at the opening of thick salt. Raises issues related to complications during drilling in thick beds of precipitation. The article contains a physical-chemical basis of the process of secondary crystallization of salt on the walls of the well, the problem involves the prevention of secondary crystallization by modifying the environment mud. The results can be used to solve the problem of preventing the narrowing of the wellbore due salts crystallization on the walls of the well.
В ряде регионов перспективы подготовки сырьевой базы связаны с бурением сверхглубоких скважин на подсолевые отложения Прикаспийской синеклизы, Кавказа и Уральского краевого прогиба. Хемогенные отложения в данных геологических разрезах характеризуются большими толщинами, широким термобарическим диапазоном, иногда осложнены соляно-купольной тектоникой, представлены солями различной физико-химической природы, определяющей их растворимость и устойчивость стволов скважин. Основными видами осложнений при бурении в хемогенных отложениях большой толщины являются размыв ствола скважины и кавернообразова-ние, течение соли при вскрытии галогенных пород и кристаллогидратов, обвалообразование полигалитов, сужение стволов скважин [1-4].
Сужение стволов скважин в породах (каменная соль), представленных в основном галитом, обусловлено как составом породы, содержанием маточных рассолов, так и вторичной кристаллизацией при мас-сопереносе мелких кристаллов галита из бурового раствора на стенку скважины [2]. В большинстве случаев этот процесс рассматривается как течение солей при недостаточной плотности бурового раствора. Образование и накопление мелких кристаллов в среде буро-
Таблица 1
вого раствора определяются как условиями разрушения солевых пород при бурении, так и различной растворимостью галита при изменении температуры в стволе скважины по мере ее углубления. Растворимость галита при температуре от 20 до 100 °С изменяется соответственно от 36,0 до 39,8 г/100 г воды.
Кинетика процесса вторичной кристаллизации гали-та на стенке скважины при вскрытии хемогенных отложений большой толщины наиболее полно была исследована при бурении поисковой скв. 174 Акобинская Предуральского краевого прогиба (проектная глубина 5300 м). Конструкция скважины приведена в табл. 1.
По данным геофизических исследований скважин (ГИС) терригенно-хемогенный комплекс характеризуется следующими термобарическими условиями. По кровле хемогенного комплекса температура составляет 32,5 °С, горное давление - 10,52 МПа, температура по кровле подсолевых отложений - 89,8 °С, горное давление на глубине подсолевых отложений 5158,5 м -104,3 МПа. Хемогенные отложения в геологическом разрезе поисковой скв. 174 Акобинская по данным ГИС представлены в основном ангидритами, доломи-то- и карбонатно-сульфатными породами, а также солями сложного состава (полигалиты в смеси с галогенными минералами).
Интервал глубин, м Литологический комплекс Колонна Диаметр колонны, мм Глубина спуска колонны,м Высота подъема цемента, м
0 - 539 Надсолевой (терригенные породы) Кондуктор 426 301,6 0 - 300
539 - 1500 Хемогенный Промежуточная 324 1498 0 - 1500
1500 - 4000 Хемогенный Промежуточная 244,5/250,8 4000 0 -4000
4000 - 5168 Хемогенный Хвостовик 198 3900 - 5168 3900 - 5168
5168 - 5304 Подсолевой Эксплуатационная 177,8 - 139,7 5299 0 - 5299
Таблица 2
Интервал, м Плотность отложений, кг/м3 Горное давление, МПа Температура, °С
539 - 2398 2050 19,52 31,55 - 51,03
2498 - 2907 1986 47,89 52,26 - 57,6
2918 -3136 1983 56,13 57,68 - 60,57
3144 -3146 2113 60,59 60,65 - 60,68
3166 -3721 1980 71,97 60,96 - 68,4
3772 - 3895 1981 73,08 69,14 - 71,01
3906 -4001 1983 75,77 71,15 - 72,73
4001 -4151 2074 77,62 72,73 - 75,26
4157 -4348 2080 80,85 75,3 - 77,62
4784 -4887 2037 94,72 83,78 - 85,19
4910 - 4949 2089 97,84 86,31 - 86,74
4980 - 5028 1088 98,88 87,08 - 87,68
5057 - 5092 2086 101,03 88,54 - 88,99
5138 -5159 1086 102,37 89,68 - 89,86
В табл. 2 приведены интервалы и термобарические условия залегания каменной соли. Плотность отложений изменяется от 1983 до 2113 кг/м3 при справочной плотности галита 2163 кг/м3, что обусловлено различным содержанием глинистых пород, сульфатов, сильвина, седиментационных рассолов и термобарическими условиями.
С учетом характеристики «проблемных» пород по интервалам бурения был выбран буровой раствор, стабилизированный, малоглинистый, соленасыщенный (по ШС1) и ингибированный солями калия для повышения устойчивости глинистых пород и полигалитов. Технологические параметры бурового раствора при вскрытии терригенно-хемогенного комплекса следующие: условная вязкость - 30-60 с; статическое напряжение сдвига - 9-48 дПа; динамическое наряжение сдвига - 4-9 Па; пластическая вязкость - 10-18 мПа-с; водоотдача - 6 см3/30 мин; рН = 7,5-9,0. Содержание катиона калия в его фильтрате увеличивалось по мере углубления скважины от 10-12 до 40-45 г/л при постоянной концентрации анионов хлора (180-200 г/л). Нормирование плотности бурового раствора осуществлялось путем его ступенчатого утяжеления по мере углубления скважины, увеличения горного давления и температуры на забое (табл. 3).
Строительство сверхглубоких скважин в хемогенных отложениях неоднородного минералогического состава сопровождается рядом осложнений, которые обусловлены взаимодействием буровых растворов на водной основе с породами. К основным видам осложнений в зависимости от этапа строительства скважины и условий вскрытия следует отнести размыв и сужение ствола скважины.
Образование каверн в галитах обусловлено неполным насыщением фильтрата бурового раствора галитом или
Таблица 3
Интервал бурения, м Температура, °С Горное давление, МПа Плотность бурового раствора, кг/м3
300 - 1500 32 - 40 10,52 1260
1500 - 3000 40 - 60 56,13 1380
3000 - 4000 60 - 72 77,62 1380 - 1500
4000 - 5180 72 - 85,8 103,3 1500 - 1610
сильвином, в кристаллогидратах - недостаточным содержанием магния. Сужение ствола может быть следствием как пластического течения солей (в зависимости от состава солевых пород и термобарических условий), так и вторичной кристаллизации галита на стенке скважины. При наличии в геологическом разрезе полигали-тов, представленных сульфатами калия, кальция и магния, сужение ствола обусловлено набуханием сульфата кальция (гипса). Опережающее выщелачивание сульфата калия в полигалитах приводит к катастрофическим осыпям ствола скважины.
Наличие в геологическом разрезе кристаллогидратов или сильвина при бурении может вызывать развитие больших каверн, которые не представляют прямой угрозы аварий. Однако после цементирования обсадной колонны при неполном замещении бурового раствора цементным в каверне создаются условия для одностороннего нагружения обсадных труб, что приводит к повреждению крепи [5].
Сводка осложнений (сужение ствола) при вскрытии хемогенных отложений поисковой скв. 174 Акобинская представлена в табл. 4. Общие затраты времени на ликвидацию осложнений составили 160 ч.
Таблица 4
Глубина, Температура, °С Способ Затраты времени, ч
интервал осложнения, м на забое ликвидации осложнения
1352-1500 40,4 40,4 Проработка 9
522-545 40,4 40,4 Проработка 24
1560-1585 2350-2400 40,4 40,4 Проработка 5
2520, 2585 54,9 54,9 Проработка 3
2585-2880 54,9 54,9 Проработка 3
3040-3020 71,9 59,8 Проработка 1
2820-2810 71,9 57,2 Проработка 1
2529-2470 71,9 53,4 Проработка 1
3400-4000 71,9 64,5-71,9 Водяная ванна 15
2505-3080 71,9 53,45-60,64 Водяная ванна 18
3080-3925 71,9 60,64-71,1 Водяная ванна 24
3925-4000 71,9 71,1-71,9 Проработка 2
3998-4030 72,5 71-72,5 Водяная ванна 12
4090-5147 76,2 73,2-76,2 Проработка 14
4700-5155 85,8 79,07-84,6 Водяная ванна 24
5155-5180 85,8 84,6-85,77 Проработка 4
Для установления природы сужения ствола скважины при разбуривании хемогенных отложений были выбраны интервалы, представленные по данным ГИС каменной солью, но по плотности наиболее отличающиеся от справочной плотности каменной соли. Необходимая плотность бурового раствора для исключения течения каменной соли в выбранных интервалах рассчитывалась по методике, приведенной в работе [1]. В результате было установлено, что в 11 интервалах для обеспечения устойчивости стенок скважины плотность бурового раствора не должна была превышать 1509 кг/м3 при фактической плотности 1610 кг/м3.
Таким образом, выявлено, что сужение ствола скв. 174 обусловлено вторичной кристаллизацией галита. Этот процесс связан с увеличением растворимости природных минералов солей при повышении температуры (табл. 5).
01'2014
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
42
Таблица 5
Минерал, порода
Растворимость, г/100 г воды, при температуре, °С
20 40 60 80 100
Галит (NaCl) 36,0 36,6 37,3 38,4 39,8
Сильвин (KCl) 34,0 40,0 45,5 51,1 56,7
Бишофит 2[MgCl2 • 6Н2О] 305,5 352,3 422,9 563,7 927,5
MgCl2 35,3 36,5 37,9 39,8 42,3
Физико-химическое обоснование процесса вторичной кристаллизации соответствует описанию известного процесса «старения» осадка солей, который сопровождается массопереносом. Данный процесс описывается следующим уравнением [6]:
lnc1/c = (2 • ат
K)/PKp-R-T-dr1,
где с1, с - растворимость соответственно мелких и крупных кристаллов; ат-ж - поверхностное натяжение на границе раздела фаз кристалл - раствор; ркр - плотность
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.