О ПРОБЛЕМЕ ПРОВЕРКИ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН

О ПРОБЛЕМЕ ПРОВЕРКИ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН

Научная статья

Асюлев К.С.*

ORCID:0000-0002-4141-1741,

Ухтинский государственный технический университет, Ухта, Россия

* Корреспондирующий автор (Kostya-limenda[at]mail.ru)

Аннотация

Процесс бурения ствола скважины сопряжен с определенными трудностями, связанными с геологическими осложнениями. Несмотря на большой опыт и достаточно изученные условия при проектировании процесса строительства скважины проблема предупреждения геологических осложнений не решена. Это связано с тем, что на этапе проектирования, а также в процессе самого бурения ствола скважины основным критерием прочности горных пород является такой параметр, как давление гидроразрыва пласта. Градиент гидроразрыва пласта является основополагающим при проведении расчетов с целью безаварийного бурения и крепления при строительстве скважины. При проводке скважины в большинстве случаев оказывается, что фактическая прочность ниже расчетной.

Ключевые слова: бурение, осложнения, прочность горных пород, давление опрессовки открытого ствола скважины.

ON THE PROBLEM OF THE TESTS OF ROCK STRENGTH CHARACTERISTICS IN THE PROCESS OF WELL CONSTRUCTION

Research article

Asyulev K.S.*

ORCID:0000-0002-4141-1741,

Ukhta State Technical University, Ukhta, Russia

* Corresponding author (Kostya-limenda[at]mail.ru)

Abstract

The process of wellhole drilling is accompanied by certain difficulties associated with geological complications. Despite extensive experience and well-studied conditions in the design of the well construction process, the problem of preventing geological complications has not been solved. This is due to the fact that at the design stage as well as in the process of drilling the wellbore itself, the main criterion for rock strength is the hydraulic fracturing pressure. The fracture gradient is fundamental when performing calculations for trouble-free drilling and cementing during well construction. In hole drilling, in most cases the actual strength results to be lower than the calculated one.

Keywords: drilling, complications, rock strength, proof-test pressure of an open hole.

Введение

В данной статье представлены виды оценки прочностных характеристик горных пород на необходимое давление при строительстве скважины перед проведением “сложных” операций. Рассмотрены технологии для проведения данных операций. Описаны недостатки при проведении данных работ. 

Методы и принципы Сбор и анализ промысловых данных. Основный текст статьи

“Сложные” операции часто приводят к осложнениям в открытом стволе скважины, таким как катастрофическое поглощение промывочной жидкости, одновременное поглощение и проявление бурового раствора, некачественное цементирование обсадных колонн, приводящее к заколонным перетокам флюидов в процессе эксплуатации скважины. Иногда это приводит к необратимым последствиям, вплоть до потери ствола скважины. Для предупреждения осложнений и безаварийного бурения в последнее время широко стали использовать дополнительные операции по фактической оценке прочности горных пород.

Суть данных работ заключается в создании необходимого избыточного давления на “слабый” пласт с целью оценки прочностных характеристик горных пород. Для определения такого давления проводятся гидравлические расчеты. Есть несколько способов создания избыточного давления. Оно может быть достигнуто при увеличении потерь давления в стволе скважины за счет увеличения производительности буровых насосов, а также включения дополнительных секций утяжеленных бурильных труб, калибраторов в компоновке низа бурильной колонны. Такой метод сопряжен с определенными трудностями, связанными с ограниченной производительностью буровых насосов, а также с дополнительными спуско-подъемными операциями (СПО) для включении определенных элементов в компоновку низа бурильной колонны (КНБК). Зачастую это становится финансово неоправданным.

Более широкое распространение получил метод создания избыточного давления в замкнутом пространстве. Он широко используется перед операциями по утяжелению бурового раствора (для стабилизации положения ствола скважины), а также перед цементированием эксплуатационных колонн и хвостовиков. Произведя расчет необходимого давления, учитывая плотность промывочной жидкости в скважине, производят перерасчет необходимого избыточного давления на устье скважины. При определении прочности горных пород таким методом требуется привлечение дополнительной техники. В основном для проведения данных операций используют цементировочные агрегаты, расположенные на кустовой площадке.

Порядок проведения работ следующий:

1. Убедиться в однородности бурового раствора по всему стволу скважины. Для этого на забое перед подъемом производят промывку ствола скважины до отсутствия выбуренной породы и выравнивания параметров бурового раствора.
2. Поднять бурильный инструмент в безопасную зону (в обсаженный ствол скважины) с целью недопущения аварий, связанных с прихватом инструмента из-за высокого противодавления на пласт (дифференциальный прихват) и возможных осыпей горных пород в связи с их разрушением.
3. Убедиться, что скважина заполнена до устья и закрыть превентор.
4. Обвязать цементировочный агрегат с линией трубного пространства устья скважины (рекомендуется наиболее короткая линия с минимальным количеством задвижек).

Схема расстановки техники представлена на рисунке 1.

 

Рис.1 – Схема расстановки техники при опрессовке открытого ствола скважины

 

5. Произвести опрессовку открытого ствола скважины (обычно нагнетание производят буровым раствором из рабочей емкости, использующимся в процессе бурения), чтобы создать ожидаемое (расчетное) давление на определенный “слабый” пласт. Давление необходимо нагнетать с постоянной производительностью (40-60 л/мин), через каждую минуту его фиксировать. Одновременно нужно строить график зависимости изменения давления от объема бурового раствора.
6. Операции следует продолжать, пока не будут получены 2 точки на графике, где давление не увеличивается прямо пропорционально с каждой новой закачкой, и до момента, когда будет достигнуто заранее рассчитанное давление испытания.
7. Остановить закачку и дождаться стабилизации давления через 5 минут.
8. Стравить давление и записать количество вернувшейся жидкости.

Если после проведения опрессовки открытого ствола скважины фактическое значение герметичности ствола скважины окажется ниже необходимого расчетного, то прочность горных пород вычисляют по формуле 1:

ЭЦП= (Р*10/Нверт) + МW

(1)

где ЭЦП – эквивалентная циркуляционная плотность, г/см³; Р – давление опрессовки, кг/см²; Н_верт – глубина “слабого” пласта по вертикали, м; МW – плотность бурового раствора, г/см³.

Если открытый ствол скважины “держит” необходимое давление, то приступают к последующим операциям.

При наличии поглощения промывочной жидкости в процессе опрессовки, проводят работы по определению коэффициента приёмистости открытого ствола в следующей последовательности:

• Производят нагнетание промывочной жидкости в трубное пространство до расчетного давления по затрубному манометру;
• При достижении расчетного значения давления по затрубному манометру, продолжают закачку промывочной жидкости с расходом, обеспечивающим постоянное давление в затрубном пространстве;
• В случае, если при опрессовке не удается поднять давление до расчетного, производят закачку промывочной жидкости с максимально возможной производительностью, обеспечивающей постоянное давление в затрубном пространстве.
• После выхода на постоянное значение затрубного давления производят отсчет времени и фиксацию закачиваемого объема промывочной жидкости в скважину (рекомендуемое время закачки - 3 минуты);
• Фиксируют фактическое значение закачанного объема промывочной жидкости, значения затрубного давления и времени закачки;
• Рассчитывают коэффициент приёмистости скважины по формуле 2:

Кпр = Q / Pз

(2)

где: Q = V / T – расход, м³/ч; T – время закачки, ч; V – объем закачанной жидкости, м³; Р_з – фактическое значение давления в затрубном пространстве, МПа;

• Стравливают остаточное давление из линий высокого давления, фиксируют объем вернувшейся жидкости из скважины.

Если по результатам опрессовки коэффициент приемистости менее 1 м³/ч/МПа, то дальнейшие работы проводят согласно плану работ (если после опрессовки наблюдается поглощение, то дальнейшие работы проводят по ликвидации осложнения).

В противном случае пересматривают дальнейшие работы и при необходимости создают кольматационный экран, укрепляют ствол цементными мостами с целью увеличения прочностных характеристик горных пород. Бывают случаи, когда увеличить прочность горных пород нет возможности и даже на самых “щадящих” режимах в дальнейшем мы создаем давление намного большее, нежели “держит” пласт. Поэтому с целью заканчивания скважин заведомо приходится идти на дальнейшие осложнения. При этом вводятся дополнительные превентивные методы для уменьшения негативных последствий после проведения последующих работ.

Несмотря на дороговизну работ по оценке прочности горных пород, данные операции не дают точной “картины” состояния “слабых” пластов. Не учитываются моменты отступления от запланированных дальнейших работ. За исключением давления не рассматриваются временной фактор между данной операций и последующей, свойства бурового раствора, горных пород, положение ствола скважины относительно напластования. А при отрицательном результате опрессовки ствола скважины на необходимое расчетное давление зачастую состояние горных пород ухудшается, что приводит к катастрофическим последствиям. Отсутствует возможность определения глубины, на которой происходит раскрытия трещин, разупрочнение горных пород, поэтому операция опрессовки открытого ствола скважины на необходимое расчетное давление бессмысленная и оставляет еще больше вопросов, нежели ответов. Необходимо совершенствовать как расчетную часть, так и практические работы.

Целью усовершенствования методов оценки фактического состояния горных пород будет локализация результатов и пересмотр входных данных перед проведением операций.

В дальнейшем опрессовка ствола скважины на необходимое расчетное давление перед “сложными” операциями станет неотъемлемой частью цикла строительства и функционирования скважины. Это будет способствовать предупреждению осложнений в ходе бурения и крепления скважин.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Аманат Чодри Гидродинамические исследования нефтяных скважин / Аманат Чодри // Премиум инжиниринг - М. – 2011. С. 380.
2. Большой справочник инженера нефтегазодобычи. Бурение и заканчивание скважин. – М: Профессия. – 2009. –С. 632.
3. Булатов А.И. Детективная биография герметичности крепни нефтяных и газовых скважин / А.И. Булатов. - М: Просвещение-Юг. – 2009. С. 936.
4. Булатов А.И. Бурение нефтяных и газовых скважин. Теория и практика / А.И. Булатов. – М: Просвещение-Юг. – 2010. С. 797.
5. Маковей Н. Гидравлика бурения / Н. Маковей / Пер. с рум. М.: Недра, 1986. С. 533.
6. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин / Ю.В. Вадецкий. – М: Академия. – 2008. С. 352.
7. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин / Ю.В. Вадецкий. М: Академия. – 2010. С. 352.
8. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин / Ю.В. Вадецкий. М: Академия. – 2011. С. 352.
9. Булатов А.И. О гидростатическом давлении в стволе скважины, заполненном глинистым раствором / А.И. Булатов // Азербайджанское нефтяное хозяйство – 1979. – №4. – С. 27-29.
10. Мовсумов А.А. Гидродинамические основы совершенствования технологии проводки глубоких скважин / А.А. Мовсумов // Недра – 1978. – С. 208.
11. Мирзаджанзаде А.Х. Гидравлика глинистых и цементных растворов / А.Х. Мирзаджанзаде // Недра – 1966. – С. 273.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Amanat Chaudhry Gidrodinamicheskie issledovanija neftjanyh skvazhin [Hydrodynamic studies of oil wells] / Amanat Chodri // Premium inzhiniring [Premium engineering] - M. - 2011. P. 380. [in Russian]
2. Bol'shoj spravochnik inzhenera neftegazodobychi. Burenie i zakanchivanie skvazhin [A large reference book of an oil and gas production engineer. Drilling and well completion]. - M : Profession. - 2009.P. 632. [in Russian]
3. Bulatov A.I. Detektivnaja biografija germetichnosti krepni neftjanyh i gazovyh skvazhin [Detective biography of the tightness of the casing of oil and gas wells] / A.I. Bulatov. - M: Education-South. - 2009. P. 936. [in Russian]
4. Bulatov A.I. Burenie neftjanyh i gazovyh skvazhin. Teorija i praktika [Drilling oil and gas wells. Theory and practice] / A.I. Bulatov - M Enlightenment-South. - 2010. P. 797. [in Russian]
5. Makovei N. Gidravlika burenija [Drilling hydraulics] / N. Makovej. M.: Nedra, 1986.P. 533. [in Russian]
6. Vadetsky Yu. V. Burenie neftjanyh i gazovyh skvazhin [Drilling of oil and gas wells]. -Moscow: Academy -2008. P. 352. [in Russian]
7. Vadetsky Yu. V. Burenie neftjanyh i gazovyh skvazhin [Drilling of oil and gas wells]. –M: Academy -2010. P. 352. [in Russian]
8. Vadetsky Yu. V. Burenie neftjanyh i gazovyh skvazhin [Drilling of oil and gas wells]. –Moscow: Academy -2011. P. 352. [in Russian]
9. Bulatov A. I. O gidrostaticheskom davlenii v stvole skvazhiny, zapolnennom glinistym rastvorom [On hydrostatic pressure in a well bore filled with clay solution] / A.I. Bulatov // Azerbajdzhanskoe neftjanoe hozjajstvo [Azerbaijan oil industry]-1979. - No. 4. - Pp. 27-29. [in Russian]
10. Movsumov A. A. Gidrodinamicheskie osnovy sovershenstvovanija tehnologii provodki glubokih skvazhin [Hydrodynamic bases of improvement of deep well wiring technology] / A.A. Movsumov // Nedra-1978. - P. 208. [in Russian]
11. Mirzajanzade A. H. Gidravlika glinistyh i cementnyh rastvorov [Hydraulics of clay and cement] / A.H. Mirzadzhanzade // Nedra-1966. - P. 273. [in Russian]