научная статья по теме Устойчивость ствола скважины при бурении галогенных пород Геофизика

Текст научной статьи на тему «Устойчивость ствола скважины при бурении галогенных пород»

УДК 622.24

© С.Н. Горонович, 2008

Устойчивость ствола скважины при бурении галогенных пород

С.Н. Горонович

(ООО «ВолгоУралНИПИгаз»)

Бурение в разрезах хемогенных отложений связанно с решением задач обеспечения устойчивости стенок скважин, формирования номинальных стволов как определяющего условия исключения одностороннего нагружения на обсадные трубы при проявлении горного давления. При строительстве поисковых скважин на площадях Прикаспийской си-неклизы и Уральского краевого прогиба толщины хемогенных отложений достигают 5400 м при глубине залегания до 5800 м. При этом горное давление может превышать 140 МПа, а температура - 145 °С. Минеральные соли геологических разрезов указанных территорий по генетической классификации относятся к морским отложениям, главными компонентами которых являются ионы Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, SO42-, Br, B4O72- [1]. Кроме того, присутствует большое количество малых компонентов, таких как ионы Fe2+, CO32- и I- [1].

На соляных месторождениях морского происхождения эти элементы входят в состав более чем 30 растворимых и еще в большое число нерастворимых минералов. Среди растворимых минералов широко распространены лишь галит (NaCl), сильвин (KCl), сильвинит (смесь галита и сильвина), карналлит (KMgCl3-6H20), каинит (KCl-MgS04-2,75H20), лангбейнит (K2Mg2[S04]3), казерит (MgS04-H20), полигалит (K2Ca2Mg[S04]4), причем два последних минерала относятся к умеренно растворимым. Строительство сверхглубоких поисковых скважин на площадях Прикаспийской синеклизы и Уральского краевого прогиба при больших толщинах минеральных солей сопровождается их течением, осыпями и кавернообразованием. Течение солей проявляется при вскрытии солей галита, сильвина, сильвинита и карналлита. Эти минеральные соли различаются структурой кристаллической решетки и характером сил взаимодействия между частицами кристалла. Кристаллическая решетка позволяет получить представление о правильном расположении атомов, ионов или молекул в кристаллическом веществе, но не объясняет многие его свойства. Она почти не дает сведений о силах, действующих между атомами, ионами или молекулами, хотя различия между некоторыми типами кристаллических веществ обусловлены главным образом природой сил взаимодействия между образующими их частицами [2].

Для галита и сильвина характерна ионная связь между частицами кристалла, обусловленная действием больших куло-новских сил. При этом электрическое поле, создаваемое каждым ионом, является ненаправленным: в ионных кристаллах положительные ионы окружены отрицательными, отрицательные - положительными. В большинстве простых солей вокруг каждо го иона располагается по шесть или восемь ионов с

Borehole stability at drilling of halogenous rocks

S.N. Goronovich (VolgoUralNIPIgaz OOO)

The equation, allowing to predict the required densities of drilling fluids at a design stage of construction of wells for opening-out of salts, is offered. Mountain-geological conditions of drilling of exploratory well of Kainsajskaya area and the density of drilling fluid, used for this, are given.

зарядом противоположного знака, причем их число зависит от относительных размеров катиона и аниона. Как правило, если отношение радиусов гкатион/ганион находится в пределах 0,73 - 0,41, то ионный кристалл имеет такую же структуру, как NaCl, с числом ближайших соседей каждого иона, равным 6. Карналлит (KMgCl3'6H20) относится к кристаллогидратам, в которых молекулы воды связаны непосредственно с катионами. Примером таких солей служит MgCl2-6H20. В этом случае тип гидратации можно указать точнее, представив формулы в несколько ином виде [Mg(H20)6]Cl2. При нагреве и обезвоживании вещество рассыпается в пыль.

При проектировании строительства сверхглубоких поисковых скважин в данных условиях главная проблема связана с прогнозом плотности бурового раствора при углублении скважины и росте термобарических показателей, необходимой для обеспечения устойчивости солей, и связанного с этим определения потребности в утяжелителе буровых растворов. Для решения указанной проблемы предложено уравнение расчета пластической прочности галоидных ионных минералов NaCl и KCl, позволяющее определить необходимую плотность бурового раствора.

Основные физические показатели галоидных ионных минералов NaCl и KCl, определяющих устойчивость ствола скважины, приведены в табл. 1 [3]. Термодинамические параметры этих солей и исходных продуктов, необходимых для расчета, приведены в табл. 2 [4, 5].

Предлагаемое уравнение позволяет определить пластическую прочность соли pm как разницу между энергией разрыва ионных связей при термобарических условиях пласта и внешней работой (сжатие породы горным давлением) в принятой модели жестко-пластического тела; движение последнего обу-

Таблица 1

Показатели Галит (NaCl) Сильвин (KCl)

Параметры решетки: a, Ь, c, (а, |3, 6) 5,64(26 °) 6,293 (26 °)

'катион/'анион 0,541 0,734

Плотность, кг/м3 2163 1987

Молекулярная масса 57,448 174,557

Молекулярный объем 27,018 37,528

Примечание. Сингония ионных минералов - кубическая, координационное число равно 6.

Таблица 2

ты как в микроскопических, так и в макроскопических масштабах. Дефекты кристаллической решетки в зависимости от содержания примесей и их природы снижают прочность вещества. Системное изучение чистоты галоидных солей ирень-ского горизонта кунгурского яруса на глубине до 1450 м в районе Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения проводилось с целью создания подземных емкостей для хранения конденсата и продуктов переработки углеводородного сырья. Среднее содержание основных компонентов каменной соли по семи выделенным пластам приведено в табл. 3 [10]. Были также установлены физико-механические свойства солей иреньского горизонта, которые влияют на коэффициент совершенства кристаллической решетки Кскр: плотность - 21602500 кг/м3 (средняя 2210 кг/м3); объемная плотность - 2120-2080 кг/м3 (средняя 2150 кг/м3); пористость - 0,93-4,8 % (средняя 2,7 %); влажность - 0,040,86 % (средняя 0,40 %).

Газонасыщенность солей была изучена по пласту соли 1. При этом установлено, что содержание газа в соли колебалось от 5,9 до 100,5 см3/кг и составляло в среднем 64,5 см3/кг, компонентный состав газа был Примечания. 1. ДН0рс298 - энергия разрыва химических связей в молекулах и радикалах; сгедующим: аз°Т - 79,7 %; "уптегастьш газ -19,5 %; вд-С0р298 - теплоемкость при стандартных условиях. 2. NaCl, Na, KCl, K - кристаллические, Cl2- дород - 0,6 %; углеводороды - 0,2 %. В приведенных

Вещество кДж/моль Ср298! Дж/(моль-К) Коэффициенты уравнения С=ПТ) [3, 4] а 10-3b 10-5 c' Температура Т, к

NaCl 411,3 50,71 11,92 2,65 -0,52 273-1073

Na 0 28,41 5,00 5,36 - 273-543

KC 425,1 51,51 12,64 1,35 -0,67 273-1043

K 0 29,16 5,24 5,55 - 273-336,6

Cl2 0 33,93 9,77 0,2 -0,603 273-1500

газообразный.

словлено разрывом и восстановлением ионных связей на новых позициях деформируемого тела

(Mlm+fmACpctr)

A-m-V„

г Р

-а Г

Ja

v„ '

(1)

где Kc

- коэффициент совершенства кристаллической ре-

кр

шетки; АСр - изменение теплоемкости, Дж/моль; А - постоянная Маделунга; т - координационное число кристаллической решетки; Ум - молекулярный объем вещества, м3; рг - горное давление, Па; ДУК - изменение молекулярного объема, м3.

Первый член данного уравнения определяет давление, необходимое для разрыва ионных связей с учетом температуры пласта и коэффициента совершенства кристаллической решетки, второй член - давление внешних сил [6].

Изменение теплоемкости вещества от температуры рассчитывается по уравнению [7]

ДСр=Да+ДЬ-Т+До-Т2+До'-Т~2, (2)

где Да, ДЬ, До, До' - алгебраические суммы коэффициентов при одинаковой степени изменения Т в выражении Ср=/(Т).

Постоянная Маделунга А зависит от геометрии кристаллической структуры и при координационном числе для галита и сильвина, равном 6, А=6-12/(2)0,5+8/(3)0,5-6/(4)°,5+...=1,747 [8].

Изменение молекулярного объема при термобарических условиях пласта ДУа рассчитывается путем нахождения изобарической сжимаемости вещества кр и умножения его на молекулярный объем, хотя в рассматриваемой задаче необходимо использовать адиабатическую сжимаемость к5. Изобарическая и адиабатическая сжимаемости вещества находятся в фенологической связи, определяемой уравнением [9]

кр=КСр/С» (3)

где Ср - изохорная теплоемкость вещества, Дж/(моль-К).

Расчеты кр и к5 показали, что для твердых тел галита и сильвина кр » к и они не влияют на точность расчета в решаемой задаче.

Галит и сильвин как природные образования не имеют правильной кристаллической структуры и содержат породы (минералы) других веществ, воду и газы, что определяет их дефек-

расчетах коэффициент K принят равным 0,950 для NaCl и 0,908 для KCl.

Определение пластической прочности солей при термобарических условиях их залегания позволило установить требуемую плотность бурового раствора (см. рисунок) [11]. Результаты расчета плотности бурового раствора подтверждаются данными бурения сверхглубокой поисковой скв. 2 Каинсайская. Горно-геологические условия проводки этой скважины для

Таблица 3

Массовое содержание, %

пласта соли NaCl Ca2+ Mg2+ K+ SO42- нерастворимого в воде остатка

7 95,44 0,63 0,06 0,03 1,67 1,43

6 82,11 2,23 0,12 0,09 5,72 8,45

5 90,65 1,08 0,07 0,39 2,81 4,01

4 75,64 2,52 0,06 0,08 6,31 14,29

3 69,69 2,42 0,03 0,03 6,01 19,26

2 74,50 2,33 0,53 1,20 9,13 9,92

1 96,78 0,56 0,02 0,01 1,35 0,44

90 110 130 Горное давление, МПа

" pNaCI

■Ркп

р0,7 NaCl+ 0,3 KCl

Зависимость плотности бурового раствора от горного давления и состава соли при температурном градиенте северного борта Прикаспийской синеклизы

50 02'2008 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО

нормирования плотностей буровых растворов определялись на основе данных, приведенных в табл. 4.

Для оптимизации условий углубления скважины и из экономических соображений нормирование плотности буровых растворов осуществлялось на основе анализа градиентов порового и пластового давлений, а также оценки состояния устойчивости солевого массива. При этом плотность бурового раствора в процессе бурении под обсадную колонну ступенчато увеличивали с

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.

Показать целиком