Разработка минерализированных растворов с адгезионным кольматантом для сохранения устойчивости глинистых пород при бурении

Решениями ХХУ1 съезда КПСС и последующих Постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР Прикаспийская впадина вьщелена как высоко-* перспективная на нефть и газ область, в которой предусматривалось и осуществляется интенсивный рост объемов глубокого разведочного бурения на подсолевые отложения. Проводка скважин в этом регионе сопровождается осложнениями, связанными с геолого-техническими особенностями разреза: наличием мощных (до 4−4,5 км) соленосных отложений, аномально высоких пластовых давлений, течением пластичных глин, обвалами трещиноватых аргиллитов, агрессией пластовых флюидов, содержащих поливалентные ионы, сероводород и кислые газы и др.

В последние годы благодаря усилиям ученых и специалистов Казахстана и ведущих научно-исследовательских буровых организаций удалось существенно повысить скорости и качество глубокого бурения в сложных условиях, включая мощные хемогенно-терригенные толщи неустойчивых пород. Однако, несмотря на применение новых темно-логических приемов и средств, включая более совершенные рецептуры буровых растворов, в том числе калийно-магниевых с конденсированной твердой фазой, растворов на нефтяной основе, затраты времени на предупреждение и ликвидацию осложнений в бурении остаются высокими. В геологических предприятиях Западного Казахстана они составляют 6−11% в общем балансе календарного времени.

Особые трудности вызывают осложнения-вызванные неустойчивостью стволов скважин в интервалах глинистых пород глубокого залегания, связанные с их разупрочнением и разрушением вследствие взаимодействия с промывочными жидкостями и их фильтратами. Это обусловило необходимость проведения новых исследований, целью которых явилось повышение эффективности проводки скважин в осложненных интервалах глинистых пород за счет сохранения их устойчивости цри использовании минерализованных буровых растворов. При этом углубленно изучались вопросы гидратации глинистых пород, как одного из основных факторов"приводящих к разупрочнению глинистых пород на стенках скважин.

В результате исследований получена математическая модель капиллярной фильтрации жццкостей в щелевых каналах с набухающими стенками. Экспериментальное изучение кинетики капиллярной фильтрации жидкостей в устройстве, защищенном авторским свидетельством, подтвердило обоснованность модели.

Разработана методика выбора химического состава промывочных жидкостей для бурения в глинистых породах на основе оценки их гид-ратационных свойств. С использованием ее обоснованы рецептуры минерализованных буровых растворов, снижающих интенсивность гидратации глинистых пород на стенках скважин, и на уровне изобретения разработан состав адгезионной кольматиругацей добавки в буровые растворы для проводки скважин в интервалах осыпающихся трещиноватых и сланцеватых глинистых пород высокой степени литификации за счет подавления их капиллярного увлажнения.

Предлагаемые в диссертационной работе рекомендации по предупреждению и ликвидации осложнений, связанных с неустойчивостью глинистых пород, путем регулирования химического состава дисперсионной среды буровых растворов и введения кольматирующих добавок, успешно внедрены при бурении ряда глубоких (до 5280м) скважин в производственном геологическом объединении Турьевнефтегаз-геология". Минерализованные буровые растворы с добавками адгезионного кольматанта в 1983;1984гг. использовались в бурении в соответствии с планом внедрения научно-технических достижений и передового производственного опыта по Министерству геологии Казахской ССВ.

Работа выполнена в КазНИГРИ под научным руководством доцента Р. Г. Ахмадеева и в тесном сотрудничестве с технологическими службами производственных геологических объединений «Гурьевнефтегаз-геология» и «Актюбнефтегазгеология» .

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук профессору О. К. Ангелопуло, оказывавшему постоянную помощь при выполнении работы*.

Свою благодарность автор выражает также доктору технических наук профессору И. М. Аметову за ценные консультации при разработке теоретических вопросов капиллярной фильтрации.

Большую помощь в проведении исследований автору оказали сотрудники лаборатории промывочных жидкостей КазНИГРИ" Практической реализации результатов исследований в наибольшей степени способствовали главный инженер ПГО «Гурьевнефтегазгеология» А.А.Ба-рыльник и заведующая лабораторией промывочных жидкостей ЦИТС объединения Т. М. Фофонова. Автор искренне благодарит товарищей за сотрудничество*.

I. АНАЛИЗ ОПЫТА БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА.

Западный Казахстан в тектоническом отношении состоит из следующих крупных структурных элементов: Прикаспийской впадины, переходящей к Югу (в районе Южно-Эмбинской моноклинали и Мынсуалмас-ской структурной ступени) в Северо-Устюртскую впадину, ещё южнее которой находится Мангышлак-Устюртская система поднятий, переходящая в Южно-Мангын лак-Устюрт скую впадину [67] .

Прикаспийская впадина представляет собой огромную чашеобразную впадину, в которой накопилась мощная толща различных по составу и генезису осадочных образований, в т. ч. каменной соли. Общая мощность осадочного чехла в центральной, наиболее погруженной части впадины по геофизическим данным [42] достигает 20−25 км с тенденцией сокращения её к бортовым зонам до 5−6 км (рис. 1.1.). Буровые работы в Прикаспийской впадине проводят организации Мин-нефтепрома СССР (объединение «Эмбанефть), Мингазпрома СССР (объединение «Оренбурггазпром») и Мингео Каз.ССР. Нами рассматривались особенности проводки скважин в глинистых отложениях на примере производственных геологических объединений «Гурьевнефтегазгеоло-гия» и «Актюбнефгегазгеология», выполняющих основной объём геологоразведочных работ.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведен теоретический анализ гидратационных процессов в щелевых каналах, сложенных набухающими материалами" На уровне изобретения разработаны способ и устройство для исследования скорости капиллярного увлажнения глин в щелевых каналах. Создана оригинальная методика, позволяющая определить степень предельного набухания глин в различных растворах,.

2, Растворы хлорвдов одновалентных металлов по степени убывания интенсивности капиллярной фильтрации в нефтеабадской гидрослюдистой глине располагаются в следующей последовательностиИНАС1, КС1, МаС1, 1<С1- двухвалентныхВаС12, СаС12, МдСЦ.

С увеличением концентрации солей положительно гвдратирующихся ионов N<1*, «Са2+, в растворе до 1Н* интенсивность капиллярной фильтрации (коэффициент А) падает» Дальнейший рост концентрации солей слабо влияет на характер изменения коэффициента А.

В бентонитовых глинах уже при малых (0,25−0,5 Н) концентрациях электролитов происходит резкое снижение интенсивности капиллярных процессов.

3, Давления набухания глин различного минералогического состава в структурированных буровых растворах всегда ниже, чем в водных растворах органических и неорганических химических реагентов" При прочих равных условиях давления набухания глин понижаются с увеличением концентрации реагентов — понизителей водоотдачи и с ростом минерализации буровых растворов, особенно, до 1Н концентрации.

4. Акустическими исследованиями влияния промывочных жидкостей на прочностные свойства пород установлено, что все водные буровые растворы разупрочняют глины. Консолидация пород вследствие «крепящего*1 действия носит вторичный характер. Интенсивность разупрочнения пород зависит от химического состава растворов и зависит от скорости капиллярной фильтрации их в породы. Добавки в раствор электролитов, связывающих свободную воду, способны снизить интенсивность разрыхления пород до уровня, сравнимого с действием органических реагентов.

5. С целью подавления гидратации трещиноватых глинистых пород высокой литификации (аргиллитов, сланцев), на уровне изобретения разработан состав адгезионного кольматанта, содержащий (в вес.%): соль поливалентного металла- 20−40- анионоактивное ПАВ- 0,5−5, нефтепродуктыостальное. Исследованы рецептуры минерализованных буровых растворов с его добавками.

6. На основании проведенного районирования осложнений, связанных с неустойчивостью глинистых пород при бурении водными растворами^ учетом стратиграфического и литологического расчленения по основным площадям Прикаспийской впадины выбраны первоочередные объекты для разработки и испытания мер по предупреждению и ликвидации осложнений при бурении скважин.

7. Экспериментально, а также в условиях полигонных и промысловых скважин подтверждено, что разупрочнение глинистых пород происходит вследствие гидратации их в среде буровых растворов и при прочих равных условиях протекает: в слаболитифицированных породахс предварительным набуханием, ускоряющим процессы пластической деформации и приводящим к сужениям скважины, сальникообразо-ваниям, загущению раствора и т. п.- в высоколитифицированных породахбез «набухания», с ускорением процессов трещинообразования вследствие расклинивающего давления, оказываемого на породу, проникающим по трещинам и поровым каналам фильтратом бурового раствора.

Экономический эффект от использования рекомендаций при бурении скважин в ПГО «Гурьевнефтегазгеология» составил 585,77 тыс.рублей.