ВЫЯВЛЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СУЛЬФАТНО-ТЕРРИГЕННЫХ ПРОПЛАСТКОВ В СОЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ НИЖНЕЙ ПЕРМИ АСТРАХАНСКОГО СВОДА

Хайловский В. Н.¹, Тинакина Л. В.², Луханина И. В.³

¹Главный геолог, ²Начальник геофизического отдела, ³геофизик, ЗАО «Октопус» 

ВЫЯВЛЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СУЛЬФАТНО-ТЕРРИГЕННЫХ ПРОПЛАСТКОВ В СОЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ НИЖНЕЙ ПЕРМИ АСТРАХАНСКОГО СВОДА

Аннотация

Одним из осложнений, возникающих при строительстве и креплении ствола скважин в соленосных отложениях кунгурского яруса нижней перми Астраханского свода связано с пластическим течением солей, а также их сульфатно-терригенными пропластками. Исследования физико-механических свойств всего соляного массива и его рапонасыщенных пропластков, их литологический состав, их устойчивость в массиве и зависимость от термобарических характеристик разреза совместно с интерпретацией геофизических исследований помогут своевременно определять опасные интервалы разреза, прогнозировать осложнения в них и соответственно предупреждать техногенные проявления соляного массива, и как следствие предотвращать деформацию обсадных колонн скважин.

Ключевые слова: соленосная толща, межсолевые пропластки, пластическое течение солей, деформация колонны.

Hailovsky V. N.¹, Tinakina L. V.², Lukhanina I. V.³

¹Сhief geologist, ²Head of the Geophysical Department, ³Geophysicist of the Geophysical Department, company “Octopus”

THE IDENTIFYING FEATURE OF SULFATE-SANDSTONE INTERLAYERS IN THE SALT-BEARING LOWER PERMIAN SEDIMENTS OF THE ASTRAKHAN ARCH

Abstract

One of the complications that arise during construction and casing of wells in saline Kungurian deposits of the lower tier Perm, Astrakhan arch is associated with plastic flow of salt, and sulfate-Sandstone interlayers. Studies of physico-mechanical properties of the salt massif and its rephasing interlayers, their lithological composition, their stability in the array and the dependence on temperature and pressure characteristics of the section, together with the interpretation of geophysical surveys will help to identify dangerous section intervals, to predict complications in them respectively and to prevent man-made manifestations of the salt array, and consequently to prevent the deformation of the casing.

Keywords: salt-bearing strata, mislevy interlayers of plastic for salts, deformation of the column.

Геолого-технические условия пластической деформации соли многообразны. Установлено, что до настоящего времени не выработано научно обоснованных представлений об источниках, механизмах и закономерностях техногенных проявлений вскрываемого соляного массива. Механизм пластической деформации соленосных отложений и возникающих вследствие этого осложнений изучен еще недостаточно, в связи с чем, на практике используются различные технологии разбуривания и крепления эвапоритовых толщ, сохраняется относительно высокая аварийность буровых работ. В этой области многими отечественными и зарубежными исследователями выдвинут ряд гипотез, в соответствии с которыми разработаны и используются в практике строительства скважин различные технологии проводки и крепления стволов скважин.

При проводке и креплении скважин в условиях сложной соляной тектоники специфическими проблемами являются ряд факторов: мощность, глубина залегания, особенности внутреннего строения, литолого-минералогический состав как собственно солей, так и примесей и пропластков терригенно-карбонатных образований, физико-механические свойства пород, слагающих толщу, характер и условия их залегания, обусловленные взаимодействием гравитационных и тектонических сил, содержание флюидов и их пластовое давление, температурный режим, тип и параметры применяемого бурового раствора и др. Противоречивыми всегда остаются взгляды на причины и механизм деформации обсадных колонн. Иногда к одинаковым последствиям могут приводить различные осложнения. Поэтому от точного определения вида и его причины зависит правильный выбор рационального мероприятия по предупреждению или ликвидации данного осложнения.

Исследование соленосной толщи в связи с прогнозом устойчивости пород предполагает создание геолого-физической модели, включающей структурно-тектонические особенности массива, внутреннее строение, литолого-петрофизический состав и физико-механические свойства слагаемых пород.

Строительство скважин в соленосных отложениях часто осложняется нарушением устойчивости ствола в виде каверн, сужений, сопровождается проработками, посадками, затяжками, прихватами инструмента, забуриванием нового ствола, а также повреждением обсадных колонн. В основе осложнений, как считает подавляющее число исследователей, лежит пластическая деформация солей, в том числе калийно-магниевых, межсолевых глинистых пород, а также их пропластков и включений [3].

В соленосном разрезе Астраханского свода (площади Астраханская, Ахтубинская, Имашевская, Харабалинская и др.) в интервалах залегания терригенных пропластков, к которым приурочены рассолопроявления, также наблюдаются частые проработки и прихваты бурильного инструмента из-за сужения ствола скважины.

Примечательно, что в одной скважине может наблюдаться проявление рассола, а в соседней, в интервале залегания того же «рапоносного» горизонта, происходить сужение ствола, сопровождающееся посадками и затяжками бурового инструмента при спуско-подъемных операциях.

Как свидетельствует анализ осложнений, возникающих при строительстве скважин в соленосных толщах Прикаспийской и Восточно-Кубанской впадин, большинство их было связано с межсолевыми отложениями, в т.ч. глинистыми гидрослюдисто-монтмориллонитового состава, в виде пропластков и пачек, кунгурского яруса нижней перми и кимеридж-титонского ярусов верхней юры соответственно. На северном и западном бортах Прикаспийской впадины значительная часть осложнений приурочена к прослоям калийно-магниевых солей и их включений (рис. 1 а) [2].

На примере (рис. 1 б) в интервале глинистого пропластка соленосных отложений кунрурского яруса нижней перми, мощностью 30 м, отмечается эллипсоидность 168.3 мм эксплуатационной колонны [7]. В данном случае межсолевые глины приобретают пластичность после насыщения материнской рапой. Высоковлажная пластичная глина представляет собой слабый слой, выдавливающийся в ствол, а впоследствии оказывающий сильнейшее местное давление на обсадную колонну. Об этом свидетельствуют данные по многим соленосным бассейнам.

Рис. 1 (а, б) - Пример эллипсоидности 168.3 мм эксплуатационной колонны в солях и глинах кунгурского яруса нижней перми

Выпучивание пермских межсолевых пестроцветных глин в ствол скважины требует многочисленных проработок и является причиной прихватов бурильного инструмента, непрохождения обсадных колонн в пределах прибортовой площади Прикаспийской впадины [5].

На рис. 2 показан пример «выпучивания» глинистого пропластка солевыми отложениями, размыв его гидравлическим расширителем и повторное уменьшение диаметра через 8 ч за счет выдавливания его в стол солями.

Рис. 2 - Пример «выпучивания» глинистого пропластка солевыми отложениями

Пластическое течение солей и выпучивание межсолевых глин отмечено при строительстве ряда скважин. Скважины находились долгое время с осложненным стволом, ввиду того что плотность бурового раствора не обеспечивала репрессию на пласты. Решением ГТС плотность раствора подняли с 1700 до 1960 кг/м³, ствол стабилизировался, и дальнейшее углубление скважины проходило без осложнений.

Однако, при строительстве некоторых скважин АГКМ увеличение плотности раствора до 2000-2240 кг/м³ не позволило ликвидировать проявление, что можно объяснить следующим образом: рапа представляет собой многофазную систему из растворимых солей галита, сульфата кальция, хлоридов магния и кальция, высокодиспергированных глинистых частиц с минерализацией 320-430 г/л. Подъем ее на поверхность по стволу скважины приводит к кристаллизации солей, осаждению их на стенках скважины, постепенному сужению ствола, образованию соляно-шламовой пробки и, следовательно, самозакупорке пласта.

При повторном вскрытии пласта (раскольматации) дебиты рапы скважины резко увеличиваются, и дальнейшее увеличение плотности раствора не позволяет ликвидировать осложнение, а вызывает новое осложнение – поглощение.

Анализ осложнений на скважинах Астраханского месторождения показал, что интервалы деформации обсадных колонн отмечены в интервалах залегания межсолевых глинистых пластов и «рапоносных» горизонтов («R»), где на колонну действуют, в основном, деформации сдвига ослабленного увлажненного глинистого прослоя. При этом возникает вероятность нарушения целостности обсадной трубы за счет горизонтального смещения по контакту слоя увлажненных глин.

В ряде скважин (Астраханской, Пионерской площади) деформация обсадных колонн зафиксирована в интервалах относительно «чистых» солей, где в процессе бурения также отмечались сужения ствола и прихваты бурильного инструмента.

В единичных случаях зафиксирована деформация обсадных колонн в мезозойских отложениях, содержащих засолоненные глинистые породы или заглинизированные соли.

Лабораторные исследования образцов керна, отобранных из скважин на площадях Астраханского свода, позволили установить, что межсолевые пестроцветные глинистые образования сложены в основном пластичным алевролитопелитом плотностью 1880-1920 кг/м³ с кристаллами галита (рис. 3). Итак, у породы появляется склонность к проявлению пластических деформаций в широком интервале напряжений, превышающий условный статический предел текучести. Разрушение структуры идет высокими темпами с образованием оползней выдавливания. В межсолевых сульфатно-терригенных образованиях создается зона нарушенных трещиноватых пород. Трещины обычно заполнены высоконапорными рассолами, что способствует скольжению кусков породы относительно друг друга и выдавливанию в ствол.

Рис. 3 - Керновый образец красноцветных глин, заполненных в трещинах галопелитом

На установке Харьковского автодорожного института экспериментально изучалось влияние минералогического состава, различных включений, примесей, а также термобарических условий на физико-механические параметры соленосных пород. В результате выявлено, что наличие в каменной соли примеси глинистого материала способствует заметному (на 20 %) повышению коэффициента Пуассона и существенному (в два раза) уменьшению давления текучести при сжатии.

Данные полученные В. С. Войтенко (1974 г.) также показывают, что примесь глины снижает прочность галита, а скорость ползучести растет. Другими словами, прослойки глины выполняют роль «смазки» и облегчают выдавливание в ствол более прочных межсолевых пород. Процесс ползучести глины протекает значительно интенсивнее, чем в каменной соли. Деформация глины при экспериментальном исследовании оказалась в 2-3 раза выше, чем у каменной соли.

Таким образом, установлено, что галит с примесью глинистого материала, также как хлориды калия и магния (карналлит, бишофит), обладают повышенной пластичностью по сравнению с относительно чистым галитом и сильвинитом. Примеси ангидрита и алевролита повышают прочностные свойства каменной соли. Наличие механических примесей плотных пород, таких как ангидрит и известняк, повышает устойчивость соли к ее пластической деформации.

Лабораторными исследованиями каменной соли (В. С. Войтенко 1985 г.) было доказано, что увлажнение снижает ее прочность (табл. 1) [9].

Таблица 1 - Физико-механические параметры образцов каменной соли при различных условиях

Таким образом, реологические свойства каменной соли зависят от ее влажности и температуры, что следует учитывать при разработке мероприятий по предупреждению деформаций обсадных колонн.

Рапонасыщенные образцы соляных пород при увеличении давления и температуры обладают повышенной деформацией (рис. 4).

Рис. 4 - Зависимость скорости относительной деформации рапонасыщенных образцов от давления

Причем, скорость относительной деформации соляных пород при увеличении температуры и давления возрастает.

По данным ГИС также возможно определение интервалов повышенной текучести солей методом ГГК-П и АК (рис. 5) [6].

Рис. 5 - Выделение интервалов повышенной текучести солей методом ГГК-П и АК

Межсолевые образования обычно представлены карбонатными и терригенными отложениями с включениями сульфатно-галогенных, калийно-магниевых солей в виде пропластков, прослоев, линз, вкраплений. Устойчивость таких пород зависит от противодавления бурового раствора, его солевого состава, водоотдачи, pH, температуры и других параметров, оказывающих влияние на растворимость солей.

На определенных этапах исследований физико-механических свойств и устойчивости горных пород для объяснения процессов, происходящих в горных условиях, большое значение имеет экспериментальный подход. Однако наиболее объективные результаты о вещественном составе и прочностных характеристиках соленосных пород в условиях их естественного залегания могут быть получены только на основе данных высокоинформативных методов геофизических исследований. Результаты лабораторных исследований в этом случае представляют важную информацию для петрофизического подтверждения данных ГИС.

При оценке напряженного состояния горных пород в околоскважинном пространстве одним из эффективных методов ГИС является акустический широкополосный и гамма-гамма-плотностной каротажи. По параметрам волнового сигнала в комплексе с данными других методов ГИС оцениваются физико-механические свойства (коэффициент Пуассона, модули продольного и поперечного сжатия и др.) и компонентный состав горных пород в условиях их естественного залегания (табл. 2).

Таблица 2 - Физико-механические свойства соляного массива

Kp – коэффициент Пуассона, Е – модуль Юнга, К – коэффициент упругости, G – модуль сдвига, Кбр – коэффициент бокового распора, ВЕТА – коэффициент объемной сжимаемости.

Так, например, по данным геофизического анализа, возможно, интерпретировать неустойчивое состояние стенок ствола скважины, характеризующейся сужением ствола и образованием каверн, за счет размыва и обрушения пород. Им соответствуют высокие значения коэффициента Пуассона (0,35-0,37) и низкие значения модуля Юнга (7-10*10³ МПа). Хрупкому разрушению породы с образованием каверн большого размера соответствуют низкие значения коэффициента Пуассона (0,25-0,29) [8].

Итак, проводка скважин в мощных соленосных отложениях нижнепермского возраста в пределах бортового уступа Прикаспийской впадины, где развиты в разрезе пласты калийно-магниевых солей, сопровождается образованием в интервалах их залегания обширных каверн. Они зачастую многократно превышают номинальный диаметр скважин, ассиметричны, что затрудняет качественное цементирование обсадных колонн. Неполное заполнение заколонного пространства тампонажным раствором, миграция флюидов и наружная коррозия труб, появление стрелы прогиба колонны, провоцируют нарушение ее целостности.

Таким образом, результаты теории и практики подтверждают необходимость своевременного прогнозирования, предупреждения техногенных проявлений соленосного массива и использования всех известных технологий для предотвращения деформации обсадных колонн скважин в соленосных отложениях, например, устанавливать в интервалах пластического течения горных пород толстостенную обсадную колонну.

Выводы и рекомендации

В процессе пластического течения горных пород в соленосных отложениях кунгурского яруса нижней перми отложений Астраханского свода участвуют не только непосредственно сами галогенные породы, но и их сульфатно-терригенные пропластки, которые получают свою пластичность после насыщения материнской рапой, оказывающие в последствие сильнейшее давление и, как правило, деформацию на обсадную колонну скважины.

Совокупность анализа физико-механических свойств горного массива, полученных в процессе обработки и интерпретации геофизических замеров совместно с данными анализа кернового и шламового материала, анализа их физико-механических свойств при различных термобарических условиях позволят выделить интервалы повышенной текучести соляного массива:

• на основе структурно-морфологических особенностей, минералогического и химического состава солей и рапонасыщенных пропластков;
• по величине изменения бокового давления массива, по скорости продольных (Р) и поперечных (S) волн акустического каротажа;
• по величине сужения открытого ствола скважины при разности диаметров по данным временных замеров кавернометрии (по данным исследователей ВолгоградНИПИнефть И. А. Гриценко, И. К. Майорова, Н. П. Гребенникова и др. [4], сужение ствола скважины в соляных породах может достигать 0,25 % диаметра в сутки);
• на основе использования возможностей двухчастотной акустической цементометрии по выявлению и идентификации дефектов по типу (контактный или объемный). Временной контроль за изменением величины кругового микрозазора и объемного дефекта позволяет оценить характер и направленность воздействия горного массива на обсадную колонну.

В качестве рекомендаций возможно использование при креплении открытого ствола, в интервалах повышенной текучести соляного массива, трубы обсадной колонны с большей толщиной стенки и большего диаметра (например, трубой диаметром 250.8 х15.88 мм при креплении ствола трубами обсадной колонны 244.5х11.99 мм).

Литература

1. Антипов В. И. Деформация обсадных колонн под действием неравномерного давления. – М.: Недра, 1992. – 233 с.
2. Воронин Н. И. Особенности геологического строения и нефтегазоносность юго-западной части Прикаспийской впадины: Моногр. / Астрахан. гос. техн. ун-т. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. – 164 с.
3. Гаджиев М. С. Геологические аспекты строительства скважин в соленосных отложениях / М. С. Гаджиев, С. Б. Свинцицкий // Проблемы технологии сооружения газовых и газоконденсатных скважин. – М.: ВНИИгаз, 1985. – С. 3-8.
4. Гриценко И. А., Майоров И. К. Нормирование плотности бурового раствора при бурении интервалов залегания каменной соли: сб. статей. – Москва, 1980.
5. Девятов Е. В. Особенности проводки скважин на Астраханском своде // ИО Газовая промышленность. Серия: Бурение газовых и газоконденсатных скважин. М., 1982. – № 6. – 23 с.
6. Масленников В. И. Петрофизическое обоснование данных ГИС в сложных геолого-технических условиях скважин / В. И. Масленников, В. Н. Можаев // Проблемы геофизического и геолого-технологического контроля разработки Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения. – М.: Нефть и газ, 2002. – С. 89-94.
7. Масленников В. И. Изучение устойчивости ствола скважин в соляном массиве по данным ГИС // НТВ Каротажник. – 2004. – Вып. 118-119. – С. 265-274.
8. Проскуряков Н. М. Физико-механические свойства соляных пород /  Н. М. Проскуряков, Р. С. Пермяков, А. К. Черников. – Л.: Недра, 1973. – 272с.
9. Свинцицкий С. Б. Прогнозирование устойчивости стволов скважин в соленосных отложениях // Обз. инф. Серия: Бурение газовых и газоконденсатных скважин. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. – С. 144.

References

1. Antipov V. I. Deformacija obsadnyh kolonn pod dejstviem neravnomernogo davlenija. – M.: Nedra, 1992. – 233 s.
2. Voronin N. I. Osobennosti geologicheskogo stroenija i neftegazonosnost' jugo-zapadnoj chasti Prikaspijskoj vpadiny: Monogr. / Astrahan. gos. tehn. un-t. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2004. – 164 s.
3. Gadzhiev M. S. Geologicheskie aspekty stroitel'stva skvazhin v solenosnyh otlozhenijah / M. S. Gadzhiev, S. B. Svincickij // Problemy tehnologii sooruzhenija gazovyh i gazokondensatnyh skvazhin. – M.: VNIIgaz, 1985. – S. 3-8.
4. Gricenko I. A., Majorov I. K. Normirovanie plotnosti burovogo rastvora pri burenii intervalov zaleganija kamennoj soli: sb. statej. – Moskva, 1980.
5. Devjatov E. V. Osobennosti provodki skvazhin na Astrahanskom svode // IO Gazovaja promyshlennost'. Serija: Burenie gazovyh i gazokondensatnyh skvazhin. M., 1982. – № 6. – 23 s.
6. Maslennikov V. I. Petrofizicheskoe obosnovanie dannyh GIS v slozhnyh geologo-tehnicheskih uslovijah skvazhin / V. I. Maslennikov, V. N. Mozhaev // Problemy geofizicheskogo i geologo-tehnologicheskogo kontrolja razrabotki Orenburgskogo neftegazokondensatnogo mestorozhdenija. – M.: Neft' i gaz, 2002. – S. 89-94.
7. Maslennikov V. I. Izuchenie ustojchivosti stvola skvazhin v soljanom massive po dannym GIS // NTV Karotazhnik. – 2004. – Vyp. 118-119. – S. 265-274.
8. Proskurjakov N. M. Fiziko-mehanicheskie svojstva soljanyh porod / N. M. Proskurjakov, R. S. Permjakov, A. K. Chernikov. – L.: Nedra, 1973. – 272 s.
9. Svincickij S. B. Prognozirovanie ustojchivosti stvolov skvazhin v solenosnyh otlozhenijah // Obz. inf. Serija: Burenie gazovyh i gazokondensatnyh skvazhin. – M.: OOO «IRC Gazprom», 2004. – S. 144.