книги из ГПНТБ / Мищевич, В. И. Гидродинамические исследования поглощающих пластов и методы их изоляции

В.И.Мищевич

Гидродинамические

исследования

поглощающих

пластов и методы их изоляции

МОСКВА-НЕДРА -1974

Мищевич В. И. Гидродинамические исследования погло­ щающих пластов и методы их изоляции. М., «Недра», 1974. 208 с.

В книге рассмотрены физико-геологические и тех­ нологические причины поглощения промывочных раство­ ров. Подробно изложены вопросы исследования пла­ стов, поглощающих промывочные растворы. Дана мето­ дика решения задачи взаимодействия поглощающих пластов с одинаковыми и различными приведенными пластовыми давлениями. Рассмотрены установившийся и неустановившийся режимы течения жидкости в пори­ стых средах. Описаны основы теории фильтрации жид­ кости в поглощающих пластах, представленных пори­ стыми, трещиноватыми и кавернозными породами. Приведена методика расшифровки данных гидродинами­ ческих исследований для определения основных пара­ метров поглощающих горизонтов.

Дано теоретическое обоснование методов изоляции зон поглощения на основе данных гидродинамических исследований. Рассмотрены методы и средства для проведения изоляционных работ, методика расчета процесса изоляционных работ и описаны основные там­ понирующие материалы.

Книга предназначена для научных инженерно-тех­ нических работников, занимающихся вопросами бурения нефтяных и газовых скважин.

Табл. 38, ил. 64, список лит. — 60 назв.

Глава I Физико-геологические причины поглощений

промывочных растворов при бурении скважин

§ 1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ РАСТВОРОВ

местные гидравлические сопротивления, будут проникать в тре­ щины, каверны и поры пород. Снижение давления в скважине по сравнению с пластовым приводит к движению жидкости из пла­ ста в скважину. Поэтому поглощение и проявление являются следствием влияния создаваемого перепада давления на прони­

цаемые пласты.

Поглощение промывочных растворов наиболее интенсивно при прохождении трещиноватых и кавернозных пород [50], а также при разбуривании пористых пластов продуктивных горизонтов. Поглощение вызывается как геологическими, так и технологиче­ скими причинами. В первом случае пластовое давление в зоне поглощения ниже нормального (гидростатического, создаваемого весом столба пресной воды). Во втором случае повышение дав­ ления в стволе скважины обусловлено возникновением дополни­ тельных гидродинамически# сопротивлений при выполнении раз­ личных операций в процессе бурения скважины: спуск и подъем бурильной колонны, проработка ствола, восстановление циркуля­ ции, спуск обсадных колонн, их цементирование, применение про­ мывочных растворов с повышенными значениями плотности, вяз­ кости, статического напряжения сдвига и т. д.

Поглощение происходит при вскрытии пластов с естественны­ ми и искусственными каналами фильтрации и при перепаде дав­ лений в скважине и пласте, выражающемся зависимостью

5

При этом

Pi + Рг > Р>-

По технологическим причинам поглощение возможно при сле­ дующих обстоятельствах: при образовании сальников на буриль­ ной колонне и резком повышении давления на выкиде насоса, причем последнее уменьшается во время проработки ствола сква­

пласта или в результате газо-нефте-водяных выбросов.

Наиболее вероятной причиной поглощения в условиях Бала- хано-Сабунчи-Романинского месторождения является трещинова­ тость пород как естественная, обусловленная тектоническими про­ цессами, так и искусственная, являющаяся результатом гидрав­ лического разрыва пластов, вызванного колебанием гидродинами­ ческого давления в скважине [2]. На основе анализа фактического материала по скважинам на этих же месторождениях в работе [49] сделан вывод о том, что основное количество поглощений промывочных растворов произошло в период бурения (86,2%), из них 70% составляют поглощения, в которых полному прекраще­ нию циркуляции предшествовали проработки ствола. Авторами работы [49] предлагается причины поглощения подразделять на технологические и обусловленные физическими свойствами гор­ ных пород. Аналогичные выводы ранее были сделаны в [51].

При нормальных условиях бурения циркуляция промывочного раствора в системе не нарушается, количество ее может умень­

зоны поглощения при промывке забоя водой сопровождается по­ глощением, а при градиенте давления > 0 ,1 — водопроявлением. Характер циркуляции других промывочных растворов опреде-' ляется в основном их удельным весом.

Нормальным состоянием пласта следует считать состояние, при котором пластовое давление подчиняется закону, выраженно­ му уравнением

Рил — 0,1Яуп.в,

где Я — глубина скважины в м; уп. в — удельный вес пластовой воды в гс/см3.

Одной из причин поглощения промывочного раствора при про­ ходке скважин на месторождениях Чечено-Ингушской АССР ав­ торы [18] считают увеличение давления ка стенки скважины в процессе спуска бурильной колонны. Аналогичные результаты получены в работе [41] для месторождения Окарем.

6

Для определения глубины проникновения промывочного рас­ твора в пласт в [30] предложена теоретическая схема явления по­ глощения. Чтобы вычислить скорость фильтрации раствора в по­ ристой среде в первом приближении, использована формула Бу­ кингема, в которой путем подстановки удвоенного значения гид­ равлического радиуса пор вместо радиуса трубы и средней (истинной) скорости движения вместо среднеобъемной скорости получена формула для определения глубины проникновения про­ мывочного раствора в пласт:

скорость и дебит которого являются функциями давления и вели­ чины кольцевого зазора между стенками скважины и бурильны­ ми трубами.

В результате рассмотрения причин поглощения промывочного раствора при бурении скважин автор [15] приходит к выводу, что поглощения происходят в случае, когда поры породы настолько велики, что не закупориваются твердыми частицами раствора, а проницаемость породы повышается до таких пределов, что про­ исходит поглощение. Это объясняется превышением гидростати­ ческого давления в скважине над пластовым, в результате чего происходит раскрытие имеющихся в пласте трещин, а при зна­

мывочного раствора при бурении скважин, обусловлены наличием высокопроницаемых или трещиновато-кавернозных пород или превышением давления столба жидкости в скважине над пла­ стовым.

В процессе расхаживания труб при бурении возникает высо­ кое давление, под действием которого может прекратиться цир­ куляция раствора [19].

Поглощения часто наблюдаются после спуско-подъемных опе­ раций [15, 37]. Это объяснялось нарушением глинистой корки на стенках скважины против поглощающих пород движущимися бу­ рильными трубами и долотом. Иногда, после извлечения части труб (в процессе их подъема), наблюдаются выбросы вследствие поступления в скважину газа из газоносных пород и уменьшения

7

плотности промывочного раствора. Экспериментальными и ана­ литическими работами [35, 55, 58, 59 и др.] установлено, что эти явления возникают главным образом вследствие колебаний дав­ ления на забое, обусловленных движением бурильных труб в скважине, которые действуют подобно поршню в цилиндре.

Анализируя 25 случаев поглощения промывочного раствора, К. Фримен [57] установил, что только в одном случае циркуляция прекратилась в связи с уходом раствора в призабойную зону, в остальных же случаях разрыв пласта произошел в пробуренном интервале скважины, что указывает на увеличение динамическо­ го давления.

Работами советских и зарубежных исследователей установле­

кусственных трещин, вследствие чего происходит поглощение про­ мывочного раствора. При этом раствор, даже обладающий высо­ кими структурно-механическими свойствами, может проникать в трещины под действием возникающего гидродинамического дав­ ления в скважине.

Таким образом, гидродинамическое давление на стенки сква­ жины определяется условиями движения жидкости в стволе сква­ жины. Следует отметить, что повышение давления может проис­ ходить и в статических условиях. Как пример можно привести сегрегацию газа в промывочном растворе. При наличии даже сравнительно небольшого количества газа в растворе и в закры-'

промывочного раствора определяется проницаемостью этой сре­ ды, а также реологической характеристикой раствора. Так, для обычной пористой среды и в случае вязкого промывочного рас­ твора определяющей является так называемая гидравлическая проводимость, т. е. отношение проницаемости к вязкости. При фильтрации с начальным градиентом давления важным фактором является гидравлическая проводимость, а также величина на­ чального градиента давления, которые определяются как свойст­ вами пористой среды, так и свойствами фильтрующейся жид­ кости.

Необходимо отметить, что гидродинамическое давление на стенки скважины может способствовать образованию трещин, т. е. гидроразрыву пласта в процессе проходки скважины, причем дав­ ление гидроразрыва пласта меняется в сравнительно широких пределах от давлений, близких к гидростатическому, до давлений, близких к геостатическому. Одной из причин невысоких давлений

8

Таким образом, поглощение промывочного раствора при оурении скважин обусловлено наличием проницаемых горных пород, (трещиноватых, кавернозных, пористых), превышением гидроста­ тического давления столба раствора над пластовым, высокими гидродинамическими давлениями на стенки скважины при выпол­ нении различных технологических операций, а также свойствами жидкости, насыщающей поглощающий пласт.

§ 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Геологические разрезы нефтяных и газовых месторождений представлены осадочными породами различных типов. По клас­ сификации горных пород, предложенной М. С. Швецовым, четко'

не только их первичными свойствами и составом, но и воздейст­ вием вторичных процессов, характерных для различных стадий формирования и разрушения осадочных пород.

Поглощения промывочного раствора при бурении скважин встречаются в основном в карбонатных отложениях и реже в песчаниках.

Поглощение промывочного раствора в песчаных породах ана­ логично поглощению воды в нагнетательных скважинах с той лишь разницей, что в растворе содержится большее количество твердых частиц [44]. Известны, например, поглощения в сильно' дренированных продуктивных песчаниках на месторождениях Апшеронского полуострова, Северного Кавказа и Поволжья. При снижении пластового давления возрастает перепад давлений в си­ стеме пласт — скважина, под действием которого происходит гидроразрыв пород, сопровождающийся поглощением промывоч­ ного раствора. Поглощения, обусловленные разрывами, значи­ тельно легче не допустить, чем ликвидировать. Профилактиче­ ские меры по предупреждению поглощений сводятся в основном к регулированию свойств промывочных растворов.

Поглощения при разбуривании трещиноватых пластов имеют различный характер — от частичных до катастрофических. Высо­ кая гидропроводность таких пластов, определяемая проницае­ мостью трещин, приводит к тому, что даже незначительное пре­ вышение статического давления в скважине над пластовым уже вызывает движение жидкости из скважины в пласт. Такие явле­

9