книги / Предупреждение и борьба с авариями в бурении

стенок ствола скважины, вследствие чего возможны тяжелые при­ хваты бурильных труб.

В табл. 3 приведены данные для ряда скважин, вскрывших понтический ярус.

Бурение интервала, сложенного этой категорией мергелей, необходимо проанализировать более детально.

4. НЕУСТОЙЧИВЫЕ МЕРГЕЛИ

Это общее наименование относится к мергелям некоторых видов, бурение которых сопряжено с большими трудностями.

Проявления

Спустя некоторый промежуток времени после входа долота в интервал, сложенный неустойчивыми мергелями, появляются пер­ вые признаки обвалов стенок ствола скважины. Приводим несколько примеров: в понтическом ярусе района Болдешти примерно спустя 25 дней; в понтическом ярусе района Южная Цинтя примерно спустя 12—18 дней; в соляном районе Сенин Цинтя приблизительно спустя 3 дня.

Обвалы происходят с возрастающей частотой, и объем проявления увеличивается со временем. При подъеме колонны бурильных труб заметна тенденция к прихвату, а во время спуска долота в скважину скопления обвалившегося материала перекрывают ствол, образуя висячие пробки или мосты. Обвалообразование может происходить и в процессе непосредственного бурения. Его определяют по появле­ нию очень большого количества шлама на вибросите, резкому увели­ чению вязкости глинистого раствора и неравномерной работе насосов или ротора.

При проработке ствола скважины после обвала встречаются боль­ шие трудности.

Насосы работают не нормально. При увеличении давления на выкиде насосов раметна тенденция к прихвату. После выключения насосов колонной бурильных труб свободно маневрируют.

Проходка на долото снижается по сравнению с проходкой при нормальном бурении. Необходимо частое маневрирование инстру­ ментом, а также усиленное прокручивание его ротором, как и в слу­ чае сильного заваливания бурильных труб шламом. При этом проис­ ходят обрывы бурильных труб, которые невозможно извлечь нор­ мально из скважины, так как ловильные инструменты проходят мимо части колонны бурильных труб, оставшейся в стволе. Известен случай, когда после трех последовательных обрывов долотом пробу­ рили весь ствол. Не обнаружив ни одного оборванного конца буриль­ ных труб.

Количество шлама, выносимого на поверхность во время прора­ ботки ствола, обычно велико. Очевидно, происходят потери гли­ нистого раствора. В других случаях шлам отсутствует, но плотность

31

и вязкость восходящего потока глинистого раствора резко увеличи­ вается, что указывает на переход глинистого материала в раствор.

Если в кольцевом пространстве образовался сальник, глинистый раствор не поднимается на поверхность. Однако скважина может продолжать принимать глинистый раствор в больших количествах. В этом случае наблюдается повышение давления на выкиде насосов.

Наличие в геологическом разрезе газа под давлением минерализо­ ванных вод с высоким гидростатическим давлением и соли способ­ ствует обвалообразованпям.

На практике встречаются обвалы различных видов. Классифика­

32

Обвалы

Признаки

шения давления

Стеоретической точки зрения существует прямая зависимость между углом падения пластов и степенью их нарушенное™ в резуль­ тате тенденции горных пород разламываться по плоскости напла­ стования.

Поверхности напластования осадочных пород возникли в резуль­ тате качественного изменения отлагаемого материала в период осадконакопления под влиянием постоянно меняющихся условий седи­ ментации.

Вмергелях песчаные прослои, иногда невидимые простым глазом, способствуют проникновению воды из промывочного раствора, вследствие чего разрушается горная порода.

Стехнической точки зрения необходимо учесть также искривле­ ние ствола скважины, которое приводит к воздействию на ее стенки неравномерной нагрузки при работе колонны бурильных труб.

Если бурение ведется в мергелистых породах, то на протяжении всего процесса проходки существует опасность заваливания долота

или образования сальника на колонне бурильных труб, которые во время подъема вызывают поршневой эффект, приводя к разруше­ нию стенок скважины. Этому обстоятельству способствует примене­ ние некачественного глинистого раствора, который характеризуется малой плотностью и большой водоотдачей.

На обвалообразования влияют геотектонические условия и харак­ теристика неустойчивых глинистых материалов. Боковые давления, возникшие в результате орогенеза, наиболее ярко выражены в зонах основных разломов антиклиналей или вблизи соляных куполов. Они способствовали изменению структуры осадочных образований.

Аналогичные условия наблюдаются в понтическом ярусе в южной части Цинтя, где бурение с нуля ведется без затруднений. Одновре­ менно с углублением долота часть глинистого раствора уходит по трещинам, меняя постепенно степень устойчивости блоков глинистых сланцев.

Если в момент, когда блоки глин пришли в движение, колонна бурильных труб находится в стволе скважины, она временно препят­ ствует их обвалу.

После извлечения колонны бурильных труб (с большими трудно­

отбивается значительно выше кровли обваливающихся сланцев. Кроме того, наблюдаются поглощения глинистого раствора в стволе скважины, которые объясняются наличием в разрезе рыхлых мерге­ лей.

Поглощение раствора происходит только за счет перепада давле­ ния, необходимого для создания циркуляции в кольцевом про­ странстве. После остановки насосов глинистый раствор возвращается на поверхность.

Вследствие проникновения глинистого раствора в систему трещин происходит сжатие насыщающих породу газов, что сдерживает его выделение. Это явление зависит от давления, создаваемого глинистым

34

раствором на стенки ствола скважин, и объема норового простран­ ства.

Во время бурения происходит непрерывное движение глинистого раствора из ствола скважины в породу и обратно вследствие следую­ щих причин: 1) изменения плотности глинистого раствора; 2) потерь динамического давления [формула (3)1; 3) роста статического давле­ ния благодаря образованию сальника на колонне бурильных труб; 4) опорожнения ствола скважины; 5) поршневых эффектов во время подъема колонны бурильных труб, что объясняет в большой степени происхождение обвалов; 6) резкого отключения насосов под давлением, что вызывает гидравлический удар на элементы горной породы, находящиеся в нестабильном равновесии, и способствует обвалообразованию.

Во время проработки скважины долотом должен быть удален весь глинистый материал, засоряющий ствол. При этом на вибросите отделяется большое количество шлама. Учитывая диспропорцию между диаметром долота и полученным в процессе бурения диаметром ствола скважины, на эту операцию затрачивается очень много вре­ мени.

Рассмотрение физико-химической характеристики осадочных об­ разований объясняет причину тяжелых осложнений, происходящих во время бурения.

Окончательно установлено, что обваливающиеся сланцы имеют ярко выраженные свойства бентонитов. Они абсорбируют большое количество воды. Кусочек такого сланца, помещенный в стакан с водой, полностью разрушается за очень короткое время, образуя суспензию, состоящую из мельчайших' частиц.

Абсорбция воды увеличивает объем глинистой породы почти в 8 раз и объясняется восприимчивостью глин к гидратации. Моле­ кулы воды фиксируются на поверхности чешуек кристаллической решетки, увеличивая расстояние между ними до полного уничто-' жения сил сцепления.

Гидратация глин в замкнутом пространстве вызывает увеличение объема пород, сопровождающегося появлением внутренних давле­ ний, которые выжимают материал в зону минимального сопротивле­ ния, т. е. в ствол скважины.

Абсорбция воды происходит также из глинистого раствора, заполняющего ствол скважины. Если раствор высокого качесхва, необходимо некоторое время для образования непроницаемой корки на стенках ствола. В результате проникновения воды в породу возникают периодические или повторяющиеся обвалы. Считается, что после каждого обвала глинистая поверхность контакта с раство­ ром увеличивается, что может привести к повторению обвала.

Иногда перекрытие ствола скважины обвалом имеет характер течения вязкопластичпой жидкости. Под действием долота материал на поверхность переносится не в форме шлама, а благодаря дпспергации. Поэтому увеличиваются плотность и вязкость глинистого раствора.

В пептическом ярусе в Циитя предполагается наличие тонких пропластков бентонитовых глии, которые переслаиваются последо­ вательно с более твердыми и плотными глинистыми сланцами, вслед­ ствие чего также может произойти обвалообразование.

Если характер глинистых сланцев трещиноватый, и опи позво­ ляют проникать глинистому раствору или воде в их массу на боль­ шую глубину, то вокруг ствола скважины создается зона пластиче­ ских деформаций. Вследствие возникающих внутренних давлений происходит выжимание глинистой массы, деформация стенок сква­ жины и даже полное исчезновение ствола в результате уменьшения канала, по которому поднимается глинистый раствор на поверхность. Это явление проявляется более четко в области Сенин Циитя, где в непосредственной близости с солью бентонитовые глины переслаи­ ваются многочисленными тонкими прослоями песков. Вода, прони­ кая по этим прослоям песков, увлажняет глины.

Глинистый материал, увлажненный водой, образует пасту, кото­ рая вследствие увеличения в объеме и возникновения внутренних давлений заполняет ствол скважины до самой поверхности.

Колонна бурильных труб при спуско-подъеме должна преодолеть

Присутствие газов, соленой воды (которые могут вызвать фонта­ нирование) или даже соли ведет к осложнениям, в особенности при ухудшении параметров глинистого раствора.

Влияние внутреннего давления, существующего в массе горных пород, проявляется в обвалах всех типов.

Величина этого давления составляет часть давления, создавае­ мого вышележащими породами, и может быть выражена наиболее простым способом при помощи уравнения:

Р — К Р — К упН,

где р — внутреннее давление; уп — средний удельный вес вышележа­ щих горных пород; Н — глубина; К — коэффициент.

При бурении в неустойчивых горных породах с гранулометриче­ ской структурой (галечники) можно допустить, что К = 1.

Когда трещиноватая порода подвергается воздействию воды, необходимо, чтобы

К- УпН Н угл. р—ра>

где Угл. р—ра — удельный вес глинистого раствора.

В практике бурения вышеуказанное условие не всегда выпол­ няется.

Примеры.

1. Уменьшение давления на забой, происходящее обычным путем при .вскрытии трещиноватой породы долотом, вызывает расширение ее в направлении ствола скважины и, как следствие, появление тре­ щин в плоскостях наименьшего сопротивления.

36

В результате повышения удельного веса раствора увеличивается давление столба глинистого раствора на стенки ствола скважины и уменьшается это явление.

2.Воздействие глинистого раствора с высоким удельным весом на породу вызывает разрыв стенок ствола скважины, производя «гидравлический разрыв». Иными словами, высокий удельный вес глинистого раствора способствует устойчивости ствола скважины только до определенной величины. Превышение этой величины может вызвать разрушение и обвалообразование горных пород, даже если они и были достаточно плотными.

3.Если горная порода имеет ярко выраженную пластичность, то под влиянием давления она становится полужидкой с тенденцией течения к стволу по мере снижения давления в скважине.

Из практики бурения известно, что глинистый раствор с относи­ тельно малым удельным весом даже с незначительной водоотдачей не дает желаемых результатов при проходке обваливающихся пород,

вто время как глинистый раствор с большим удельным весом обеспе­ чивает успех операций.

Так, например, были получены хорошие результаты с раствором удельпого веса 1,7—1,8 г!см3 при борьбе с обвалами среднего типа. Подобным же образом применение глинистого раствора удельного веса 2—2,3 г/см3 позволило избежать проявления обвалов тяжелого типа.

Средства борьбы с обвалами

Проблему борьбы с обвалообразованием горных пород в про­ цессе бурения нельзя считать полностью разрешенной, особенно при тяжелых осложнениях. Поэтому представляет интерес беглый обзор методов, применявшихся до настоящего времени при тяжелых осложнениях, связанных с обвалообразованием.

Для того чтобы избежать диспергирование глинистых пород, предпочиталось применять соляной глинистый раствор. Хлористый натрий, будучи сильным электролитом, действует как коагулятор суспензий.

Полученные результаты были отрицательными, так как наряду с прекращением диспергирования глин невозможно стало предотвра­ тить их раздробление на кусочки.

Эксперименты, проведенные в лаборатории с соляными раство­ рами, показывают, что при концентрации 5—15% NaCl диспергиро­ вание глин не прекращается; при концентрации 15—20% NaCl диспергирование частично уменьшается, но глина начинает кро­ шиться; при концентрации 20—25% NaCl диспергирование пол­ ностью прекращается, но образец глины распадается на большие кусочки.

При опытах с растворами хлористого кальция (СаСЬ) был получен аналогичный эффект: при концентрации 20—30% диспергирование продолжается; при концентрации 30—50% СаСЬ диспергирование исчезает, но происходит интенсивное разламывание породы.

37

Соляной глинистый раствор имеет высокую водоотдачу и не яв­ ляется тиксотропным. Эти недостатки делают его непригодным для бу­ рения. Вместе с тем существуют породы, бурение которых с при­ менением нормального глинистого раствора нельзя осуществить без осложнений. Так, например, некоторые глины миоцена с неболь­ шим кливажем обваливаются, если при бурении применяют пресный глинистый раствор. Соляной глинистый раствор, имея минимум содержания соли (1500 кг на 10 тп глинистого раствора), позволяет продолжать бурение без осложнений.

Идея использования в качестве основы глинистого раствора другой жидкости (не пресной воды), является правильной. Хорошо известно, что нормальные глинистые растворы, получаемые в про­ мысловых условиях, обладают водоотдачей.

Благоприятными свойствами, подавляющими пептизацию глин, обладает силикат натрия (Na^SiOa). Несмотря на незначительную концентрацию добавок, он воздействует на глинистый раствор как дефлокулянт. В больших же концентрациях силикат натрия прио­ бретает свойства электролита, в котором глины проявляют наи­ большую устойчивость. Кроме того, силикат натрия образует тон­ кую защитную пленку на поверхности горной породы.

Этим можно объяснить, почему частица глины, выдержанная в таком растворе, позднее не диспергирует в воде.

Одно время отдавалось предпочтение глинистому раствору, приготовленному исключительно на основе силиката натрия. Однако внедрение его в практику встретило трудности, так как при этом повышается вязкость раствора. В свою очередь стоимость бурения была бы очень велика по причине использования дорогого сырья и трудностей приготовления силикатных растворов.

Вследствие того, что соляные растворы обладают аналогичными свойствами, перешли к смесям силиката натрия в растворе соленой воды. Лабораторные исследования показали, что при концентрации 20% силиката + 8 0 % соленой воды не получили результатов; при концентрации 25% силиката + 75% соленой воды происходит кро­ шение глины, но нет диспергирования; при концентрации 50% сили­ ката + 50% соленой воды дробление глины полностью прекра­ щается.

Для большей уверенности предпочитают применять смесь, в кото­ рой силикат натрия находится в более высокой концентрации, дости­ гая отношения 2 : 1 . Получаемая при этом вязкость раствора 20— 30 сек. по СПВ является допустимой.

Со временем вследствие накопления взвешенных частиц в рас­ творе вязкость его начинает увеличиваться. Так как глинистый раствор, приготовленный таким путем, не тиксотропен, необходимо применять установки для осаждения шлама (емкости, отстойники,' вибросита и т. д.).

Для уменьшения вязкости глинистый раствор обрабатывают свежим раствором смеси силиката натрия и соли, расход которой значительно снижается благодаря флокуляции глинистого раствора.

38

Необходимый удельный вес раствора получают добавлением утяжелителя. Начиная с момента утяжеления, глинистый раствор должен непрерывно перемешиваться, чтобы предотвратить осаждение тяжелого минерала.

Приводим рецептуры глинистых растворов с добавкой силиката натрия.

Силикат натрия не реагирует с электролитами, цементом и хи­ мическими реагентами, применяемыми в настоящее время для уменьшения вязкости растворов. Это объясняется высоким pH,

Отмечаются следующие недостатки таких растворов:

1)ускоряют твердение цемента;

2)воздействуют на одежду, кожу и обувь;

3)растворяют смазки, возможно засорение вертлюга;

4)раствор дает скользкую поверхность, поэтому возможны несчастные случаи с людьми в результате падения;

5)при разбавлении пресной водой раствор портится и теряет

свои положительные качества.

Метод добавления силиката натрия к раствору является дорого­ стоящим. Необходимы сложные установки для его заготовки и очистки, между тем применение силиката натрия не решает про­ блемы борьбы с обвалообразованием, хотя и требует применения наиболее совершенных технических средств и условий работы.

Наилучшие результаты от применения этого раствора можно получить при вскрытии неплотных глин и особенно при бурении в соляных массивах или прослоях глинистых сланцев в соли.

Соляной раствор можно использовать при бурении в соленосных формациях. Такой раствор обрабатывают крахмалом. Обработка не требует сложных установок. Для этого предварительно раство­ ряют крахмал в 10%-ном растворе каустической соды, приготовлен­ ном на теплой воде. Обработка глинистого раствора (примерно 1%-ным раствором крахмала) способствует уменьшению фильтрации до 10 см3 за 30 мин. Если соляной раствор содержит более 200 г/м3

39

соли на 1 м 3 раствора, необходима стерилизация глинистого рас­ твора формалином.

Таким же органическим коллоидом, но значительно эффектив­ нее крахмала, является карбоксиметилцеллюлоза (растворимая целлюлоза), при добавке которой к раствору можно получить филь­ трацию приблизительно 3—4 см3 на 30 мин.

Другой метод повышения качества промывочной жидкости за­ ключается в замене воды как основного элемента глинистого рас­ твора на углеводородную жидкость.

В первых опытах при бурении обваливающихся сланцев с про­ мывкой нефтью не были получены хорошие результаты, так как удельный вес такого раствора был низкий, вследствие чего не было равновесного противодавления на газ, находящегося во вскрытых породах, а также в результате уходов жидкости и циркуляции ее во вскрытых породах.

Наконец, был получен рецепт, в котором в основном использо­ вались нефтепродукты, но с более сложным .химическим составом. Раствор, приготовленный по такому рецепту, удовлетворяет всем необходимым условиям, предъявляемым к качественному глинистому раствору.

Приведем такой рецепт:

1)моторное топливо составляет внешнюю фазу;

2)окисленный асфальт представляет собой коллоидный мате­ риал, который определяет тиксотропность раствора и способствует кольматации;

Такая промывочная жидкость теоретически разрешает вопрос вскрытия и бурения обваливающихся сланцев. Но имеется серьез­ ное возражение против применения растворов на нефтяной основе: моторное топливо, проникая по плоскостям трещин, способствует разрушению породы на отдельные блоки, а окисленный асфальт нельзя считать эффективным кольматирующим веществом, за исклю­ чением мало пористых разностей горных пород.

Ряд других недостатков сокращает сферу применения промывоч­ ной жидкости на нефтяной основе:

1)работа на буровой осложняется по причине скопления грязи;

2)большая опасность пожара;

3)большой износ резиновых деталей оборудования;

4)установки для приготовления и эксплуатации таких раство­ ров сложны;

5)проходка на долото снижается;

6)электрический каротаж получается недостаточно четко выра­ женным.

Поэтому промывочную жидкость на нефтяной основе применяют

восновном для вскрытия нефтеносных пластов низкого давления.

40