CC BY
16УДК 622.023.23
О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДОВ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОСЛОЖНЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ
ABOUT USING THE GEOPHYSICAL STUDY METHODS TO PREVENT DRILLING PROBLEMS
Л. А. Паршукова, А. В. Дерябин
L. A. Parshukova, A. V. Deryabin
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: устойчивость ствола скважины; осложнения при бурении неустойчивых горных пород; комплекс ГИС, позволяющий прогнозировать проблемные интервалы с точки зрения устойчивости Key words: well borehole stability, problems of drilling incompetent rocks; borehole survey complex to predict the problem intervals in terms of stability
66
Нефть и газ
№ 5, 2016
В геологическом разрезе Сургутского района имеются интервалы неустойчивых глин. Бурение данных интервалов сопряжено с риском возникновения различного рода осложнений (потери циркуляции, механического прихвата колонны и пр.), но наиболее часто встречаются осложнения при проведении подъема компоновки низа бурильной колонны (КНБК) и при спуске обсадных колонн. Эти осложнения проявляются в виде затяжек бурильного инструмента вплоть до потери подвижности колонны и в виде разгрузок веса при спуске обсадных колонн с высокой вероятностью недохождения обсадной колонны до проектной глубины. Следовательно, данные осложнения несут большие экономические потери буровому предприятию.
В результате проведенного анализа диаграмм бурения, количества и характера выбуренной породы на первой ступени очистки, информации по результатам геофизических исследований, исследований кернового материала были определены вертикальные отметки интервалов, наиболее опасных с точки зрения потери устойчивости ствола скважины. Эти интервалы представлены Уватской (1 160-1 430 м), Ханты-Мансийской (1 430-1 720 м.) и Викуловской (1 720-2 030 м) свитами. Данные интервалы представлены абсолютно разными по составу и свойствам горными породами. Например, Уватская свита содержит мелко- и среднезернистый песчаник субконтинентального генезиса, Ханты-Мансийская свита сложена глинами, переслаиванием глин и песчаников, Викуловская свита сложена преимущественно слабосцементированными песчаниками и алевролитами. После обобщенного анализа полученной информации был сделан вывод о том, что первопричина осложнений на месторождениях Сургутского района — потеря устойчивости ствола скважин.
Причины нарушения устойчивости ствола скважины разнообразны. Основными являются изменение напряженно-деформированного состояния горных пород после про-буривания скважины в горном массиве, а также взаимодействие глинистых пород, слагающих данный геологический разрез, с водной фазой буровых растворов. Следовательно, для предупреждения нарушения устойчивости ствола скважины применяют два основных направления: для уравновешивания напряженного состояния на стенках ствола скважины применяют буровые растворы повышенной плотности, а с целью предупреждения взаимодействия глин и водной фазы применяют различные химреагенты-ингибиторы и различные методы кольматации [1-4].
Альтернативным методом предупреждения осложнений при бурении является разработка безопасных (с точки зрения устойчивости) профилей стволов скважин. Для определения опасных зон В. Д. Горгоцем [5] предлагается использовать сейсмические исследования. Проведение сейсмических исследований на месторождении позволило выявить неоднородность волнового поля, что было интерпретировано как тектоническое нарушение. Волновые аномалии, определенные по результатам обработки всех данных, были объединены и нанесены на структурную карту. Также на карту были нанесены профили скважин. Было отмечено, что именно в местах, где профили скважин пересекают линии предполагаемых тектонических разломов, наблюдаются наиболее интенсивные осложнения при бурении (сильные обвалы стенок, затяжки и посадки при проведении спуско-подъемных операций).
Отмечается, что при определении участков скважин, попадающих в такую аномалию, необходимо учитывать также ширину (область) ее действия. В связи с тем, что были использованы 2Б сейсмические данные, не представляется возможным точно определить зону (границу) простирания нарушения между выявленными аномалиями.
С целью увеличения точности определения зон тектонических напряжений наиболее верно иметь адекватную модель тектонических нарушений. Сложность построения адекватной модели заключается в следующих моментах. Во-первых, необходимо учитывать иерархично-блочную структуру массивов горных пород, где выделяют поля тектонических напряжений различного уровня (размера): глобальные > региональные > локальные > частные. В каждом уровне (размере) блока выделяют свои индивидуальные определяющие факторы, приводящие к изменению напряженных состояний в горном массиве [7]. Во-вторых, необходимо учитывать действие временного фактора на состояние массивов пород — в результате релаксации напряжений за длительный
2016
Нефть и газ
67
период времени существования массива имеющееся поле напряжений имеет тенденцию к выравниванию, то есть поля напряжений трансформируются в равнокомпонентные.
Для построения математической модели напряженных состояний горного массива и для решения любых задач геомеханики необходимо иметь адекватную, постоянно обновляемую геологическую модель максимально возможного геоблока. Для решения данной задачи эффективно использовать в комплексе сейсмические и акустические методы исследований.
Для определения максимального сжимающего напряжения эффективно использовать комплекс методов: профилеметрию, САТ (скважинный акустический телевизор), НИД (пластовый наклономер), кавернометрию. Данный комплекс приборов позволяет определить наличие, направление, размер трещин и желобов в скважине, а также поперечные размеры и конфигурацию стенок ствола скважины. Благодаря наличию информации о направлении и размерах трещин можно определить направление максимального сжимающего напряжения, так как известно, что образующиеся трещины ориентированы вдоль минимального сжимающего напряжения, а минимальное напряжение перпендикулярно максимальному сжимающему напряжению.
В результате анализа данных профилеметрии скважин было отмечено, что в направлении одной из осей поперечного сечения стволов отмечается уменьшение диаметра скважины, а в направлении другой оси — увеличение диаметра (рис. 1), что свидетельствует о наличии напряжений в горном массиве, а также о взаимосвязи направлений эллипсовидных расширений ствола скважины с горизонтальным напряжением пород. Установлено, что направление расширения ствола скважины перпендикулярно
Использование профилеметрии [6] позволило четко выделить интервалы расположения зон обвалов пород в скважине. Для того чтобы проследить динамику процесса обвалообразования, необходимо периодически определять поперечные размеры и конфигурацию стенок скважины.
В настоящее время в нефтяной промышленности двумя основными методами определения прочности пород являются лабораторные исследования на одноосное и трехосное сжатие согласно ГОСТ 21153.2-84 либо проведение акустического каротажа в открытом стволе скважины. Согласно работам [7], каротажные данные совпадают с лабораторными исследованиями для разных типов пород и являются первоисточником при дальнейшем проектировании скважин. Проведение лабораторных испытаний ограничено количеством отобранных образцов керна, каротажные исследования позволяют получить информацию для принятия оперативных решений и разработки мероприятий с целью обеспечения устойчивости ствола скважин по всему открытому стволу.
Одной из характеристик, полученных с помощью широкополостного акустического каротажа и дающих четкое представление о максимально возможных нагрузках на породу, является метод UCS - Unconfined compressive strength (предел прочности на одноосное сжатие (ПОС)), который представляет собой максимальное значение осевого сжимающего напряжения, которое может выдержать порода. Предел прочности на
направлению вектора напряжений пород.
Рис. 1. Профилеметрия ствола скважины
68
Нефть и газ
№ 5 2016
одноосное и трехосное сжатие выражается в паскалях (Па) и может быть рассчитан по полученным данным в результате проведения акустического каротажа.
На рис. 2 представлен пример результатов акустического каротажа, совмещенного со схематической литологической колонкой и данными кавернометрии, записанным на глубине 2 100-2 450 м по вертикали [8]. Исследуемый разрез представлен доломитами и сланцами (нижняя часть рисунка): сланцевые отложения на диаграмме отображены темным фоном; отложения доломитов отображены светлым фоном. В средней части рисунка отображена диаграмма рассчитанной ПОС. В верхней части графика представлена кавернограмма.
-ТПГТ"-
—1|_лгч.__А-Ляу-лл-
Ш/Ш1 11 А 1 > 1Г 1 (1 1
Рис. 2. Распределение ПОС в открытом стволе по данным А Г. Ружникова
На рис. 2 отчетливо видна зависимость увеличения диаметра ствола скважины (увеличение кавернозности) и уменьшение значений ПОС именно в интервалах залегания неустойчивых сланцев. По данному рисунку можно заключить, что применение метода широкополосного акустического каротажа в комплексе с каверномером позволяет достаточно точно определить интервалы ствола с изменением значений предела прочности на одноосное сжатие. Таким образом, можно выявить интервалы залегания и мощность неустойчивых глинистых пропластков.
При проведении широкополосного акустического каротажа приборами АВАК или ШАГ получают данные о скоростях распространения упругих продольных и поперечных волн. Зная эти скорости, применяя математические формулы, определяются упругие динамические характеристики основных пород (коэффициент Пуассона, модуль сдвига, модуль Юнга).
1. Определение коэффициента Пуассона V:
0,5 - Я2
-^, (1)
1-Я
где Я — отношение скорости поперечной волны V* к скорости продольной волны ур.
2. Определение модуля упругости Е:
Е =
- 4v])
2 2
V -V
р *
(2)
где а — плотность породы; V* — скорости поперечной волны; ур — скорость продольной волны.
3. Определение модуля сдвига для плоскости изотропии О:
Е
(3)
О = -
2(1 + V)
где О — модуль сдвига плоскости; Е — модуль Юнга; V — коэффициент Пуассона. 4. Определение минимального горизонтального (радиального) напряжения:
3 тп=
1-Ц
(РоуЪ - УРрХ
(4)
2016
Нефть и газ
69
где ц — модуль Пуассона; РтЬ — горное давление; Рр — поровое давление; у — коэффициент Биота.
Применение сейсмического локатора бокового обзора (СЛБО) позволяет получить ценную информацию для построения актуальной геологической модели. Метод СЛБО применяется для изучения пространственного (3Б) и пространственно-временного (4Б) поля открытой трещиноватости в геосреде. Как было сказано выше, локация, размер и направление трещин позволяют определить направление векторов напряжений в горном массиве, а также наличие зон АВПД [9].
Информация о доминирующих направлениях открытой трещиноватости, полученная по данным СЛБО, может быть использована для задания оптимальных азимутальных направлений бурения горизонтальных и наклонных стволов скважин [9] (рис. 3).
Ичк--М5вт 'Лаогг
ыио
¡ю "* т| ^ ™ т * т 1/3 м
к ■ ^^^Е V
гга ^^ £ не ( И т ^^ » гга ^^ я гш ^^ И
о о
Л*1
и
♦
«ООО ном
Рис. 3. Пример использования данных СЛБО для определения азимутальных роза-диаграмм открытой трещинноватости на различных глубинах локальных участков Средне-Макарихинского месторождения
Резюмируя вышесказанное, использование геофизических методов исследований в комплексе позволит построить геологическую модель месторождения, поддерживать ее в актуальном состоянии, выявлять очаговые зоны скопления пластовых флюидов, определять опасные зоны для бурения и на проектном уровне разрабатывать мероприятия, направленные на безаварийную проводку стволов скважин.
Список литературы
1. Усачев Е. А., Грошева Т. В., Присяжнюк А. А. Основные аспекты оценки устойчивости ствола скважины на примере Рогожниковского месторождения // Бурение скважин. - 2009 - С. 79-87.
2. Наддолотные кольмататоры и кольмататоры-калибраторы.Устройство кольматирующее УОК [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.neftepгomcentг.гu/ustгojstvo_kol'matiгujuwee_uok.htm.
3. Ратникова Е. В., Романов В. В., Ноздря В. И. Кольматирующие наполнители широкого спектра действия производства ЗАО «НПО «Полицелл» // Бурение и нефть. - 2012. -№ 10. - С. 32-35.
4. Ганеев А. И., Гильманова Р. Х., Бахтияров Г. А. О некоторых направлениях повышения эффективности бурения в неустойчивых породах // Нефтепромысловое дело. - 2015. - № 10. - С. 43-45.
5. Горгоц В. Д., Хабаров А. В., Король Д. А. Анализ влияния тектонических напряжений на устойчивость стенок ствола скважины // Вопросы геологии, бурения и разработки нефтяных и газонефтяны х месторождений Сургутского района: сборник научных трудов. - М.: Изд-во ЗАО «Нефтяное хозяйство», 2012. - С. 38-43.
6. Горгоц В. Д., Тихонов А. Г., Куприянов С. Ю. Проблемы определения вектора тектонических напряжений в стенке ствола скважины // Вопросы геологии, бурения и разработки нефтяных и газонефтяных месторождений Сургутского района: сборник научных трудов. - М.: Изд-во ЗАО «Нефтяное хозяйство», 2012. - С. 44-51.
7. Анвар Х., Браун Т. Моделирование механических свойств геологической среды как средство расшифровки напряжений в горных породах // Нефтегазовое обозрение. - 2005.- Т. 9. - № 1. - С. 20.
8. Ружников А. Г. Влияние прочностных свойств литифицированных отложений на стабильность ствола скважины // Нефтегазовое дело. - 2014. - № 1. - С. 1-9.
70
Нефть и газ
2016
9. Сейсмический локатор бокового обзора «Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геохимических и геофизических систем» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.geosys.ru/index. рЬр/гиЫЬо.Мш1
10. Патент РФ на полезную модель № 145681 «Промывочный калибратор».
Сведения об авторах
Паршукова Людмила Александровна,
к. т. н., доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8 (904)980622
Дерябин Андрей Владимирович, аспирант кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390363
Information about the authors Parshukova L. A., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8 (904)980622
Deryabin A. V., drilling engineer, OJSC «Sur-gutneftegas», postgraduate of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)390363
