Ключевые слова: бурение скважин, напряженное состояние, упругие свойства, стабильность ствола скважины, верхнедевонские отложения.
Усложнение горно-геологических условий бурения приводит к увеличению количества скважин со сложными профилями и большими проложениями многозабойных скважин. Их строительство, как правило, сопровождается высокой аварийностью и возникновением осложнений различного характера.
Объектом исследования выбрана многозабойная скважина, которая планируется к бурению на одном из месторождений Волгоградской области. Одной из проблем, возникающих при бурении скважин данного региона, является потеря устойчивости стенок скважины в верхнедевонских отложениях. Разрушение глинистых пород верхнедевонских отложений является результатом воздействия таких факторов, как разгрузка текущего тектонического напряжения при вскрытии массива пород скважиной и потеря устойчивости пород вследствие эффекта расклинивания микротрещин под влиянием бурового раствора [1].
Информация об исследуемом месторождении
Административно изучаемое месторождение расположено в Волгоградской области. В тектоническом плане исследуемое месторождение находится в районе тектоно-седиментационного Западно-Кленовского выступа Щелкан-Терсинской ступени Терсинской структурной террасы, расположенной на юго-восточном склоне Воронежской антеклизы.
Вскрытый разрез осадочного чехла сложен отложениями от девонских до четвертичных и представлен переслаиванием терригенных и карбонатных толщ разнообразного литологического состава. Целевым интервалом бурения проектной многозабойной скважины являются отложения среднего отдела девонской системы.
Исходя из опыта строительства скважин в пределах Западно-Кленовского выступа, основными проблемами, возникающими при бурении, являются:
– поглощения бурового раствора в четвертичных, меловых, каменноугольных и девонских отложениях;
– осложнения, приуроченные к слабоустойчивым интервалам аргиллитов среднего и нижнего отделов каменноугольной системы, а также склонным к обвалообразованию верхнедевонским отложениям.
Для снижения риска осложнений при бурении проектной многозабойной скважины проведен ряд исследовательских работ, включающих в себя исследование физико-механических свойств верхнедевонских терригенных отложений, разработку 1D геомеханической модели, адаптацию состава и свойств бурового раствора для вскрытия неустойчивых отложений девонской системы.
Проведение лабораторных исследований керна
Испытания на керне разрушающими методами являются прямым источником данных о геомеханических характеристиках горных пород [2–6]. Для повышения качества геомеханической модели проведены специальные физико-механические исследования образцов керна, отобранных из верхнедевонских отложений (рисунок 1). Программа исследований включала определение предела прочности на одноосное сжатие и растяжение, объемное сжатие в пестовых условиях. Определены динамический и статический модуль Юнга и коэффициент Пуассона, а также параметры паспорта прочности Мора-Кулона (когезия, угол внутреннего трения) (рисунки 2–4).
РИСУНОК 1. Общий вид керна, отобранного из верхнедевонских отложений месторождения-аналога
Корреляционные связи между упруго-прочностными свойствами горных пород верхнего отдела Девонской системы, полученные по керновым исследованиям:
1. Зависимость статического модуля Юнга от динамического:
, при R2 = 0,91 (1)
где Eдин – динамический модуль Юнга, ГПа; Eстат – статический модуль Юнга, ГПа.
2. Зависимость статического коэффициента Пуассона от динамического:
, при R2 = 0,88 (2)
где υдин – динамический коэффициент Пуассона, д. ед.; υстат – статический коэффициент Пуассона, д. ед.
3. Зависимость предела прочности на сжатие от статического модуля Юнга:
, при R2 = 0,77 (3)
где σсж – предел прочности при одноосном сжатии, МПа.
Полученные корреляционные связи в дальнейшем применены при разработке геомеханической модели проектной скважины.
Разработка предбуровой геомеханической модели многозабойной скважины
Построение геомеханической модели выполнялось в следующем порядке [7–9]: прогноз порового давления; определение упруго-прочностных свойств пород, горного давления и горизонтальных стрессов; расчет устойчивости стволов проектных скважин.
На рисунке 5 приведен расчет устойчивости двух стволов проектной многозабойной скважины исследуемого месторождения.
РИСУНОК 5. Графический расчет устойчивости стволов проектной многозабойной скважины месторождения Волгоградской области (а – основной ствол, б – боковой ствол)
В таблице 1 указаны рекомендуемые параметры бурового раствора и глубина установки башмаков обсадных колонн, полученные на основе геомеханической модели
ТАБЛИЦА 1. Рекомендуемые плотности бурового раствора и конструкции проектной многозабойной скважины
Установление требований к параметрам и компонентному составу бурового раствора
Значительное влияние на устойчивость стенок скважины оказывают процессы физико-химического взаимодействия буровых растворов с вскрываемыми бурением горными породами, характеризующимися высокой анизотропией прочностных свойств. Следствием этих процессов являются встречаемые в скважине осложнения: осыпания и обвал стенок скважины, кавернообразование [10, 11]. Среди возможных осложнений при строительстве скважин особое внимание следует обратить на потерю устойчивости пород, характеризующихся наличием в своем составе глинистых минералов. К одним из наиболее неустойчивых пород при строительстве проектной многозабойной скважины на месторождении Волгоградской области относятся верхнедевонские терригенные отложения, отобранные для проведения исследований.
По результатам исследований установлено, что верхнедевонские отложения представлены аргиллитом алевритистым. Структура алеврит-пелитовая. Текстура слоистая, сланцеватая, образец хрупкий, раскалывается по сланцеватости. Минеральный состав отложений включает хлорит (23,6 %), гидрослюду (36,1 %), каолинит (7,5 %), полевые шпаты (11,2 %), кварц (11,1 %), плагиоклаз (8,2 %), пирит (0,6 %), кальцит (1,5 %) и доломит (0,2 %). Рассматриваемые породы характеризуются довольно высоким суммарным содержанием глинистой фракции (67,2 %), представленной гидрослюдой, каолинитом и хлоритом. При контакте с водой породы верхнедевонских отложений подвержены самопроизвольному растрескиванию без заметного набухания (рис. 5), что позволяет отнести их к слабонабухающим трещиноватым глинистым отложениям.
РИСУНОК 6. Образец верхнедевонских отложений
Порядок обоснования требований к промывочной жидкости для бурения через нестабильные глинистые пласты состоит из следующих работ:
-
Построение геомеханической модели с целью обоснования требований к плотности бурового раствора.
-
Проведение гидравлических расчетов при бурении и спуско-подъемных операциях с учетом эффектов свабирования и поршневания, определение оптимальных режимов бурения.
Требования к реологическим параметрам бурового раствора для вскрытия неустойчивых верхнедевонских отложений при бурении основного и бокового стволов проектной многозабойной скважины приведены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Требования к реологическим параметрам бурового раствора
- Выбор «опорного» раствора (в качестве «опорного» принимается раствор, фактически использовавшийся на скважинах рассматриваемого месторождения (либо месторождений-аналогов), геофизические данные с которых использовались для построения, калибровки и проверки геомеханической модели).
Для проведения исследований по установлению минимальных требований к промывочной жидкости для вскрытия неустойчивых верхнедевонских отложений выбрана рецептура бурового раствора на УВ основе (РУО).
Оценка ингибирующей способности:
-
оценка уровня продольного набухания спрессованных образцов исследуемых отложений при взаимодействии с раствором для установления минимального порога степени набухания рассматриваемых пород;
-
оценка пикового напряжения при разрушении спрессованных образцов исследуемых отложений после выдержки в растворе для установления минимального порога степени разупрочнения рассматриваемых пород;
-
оценка относительного изменения средней раскрытости трещин в породе после выдержки в растворе с целью установления минимального порога воздействию раствора на трещиноватость рассматриваемых пород.
Обоснование требований к кольматирующей способности бурового раствора:
-
проведение анализа размеров пор и трещин рассматриваемых неустойчивых пород с целью обоснования требований к фракционному составу и концентрации микрокольматантов в буровом растворе;
-
определение показателей фильтрации «опорного» раствора на фильтровальной бумаге и керамических дисках с диаметром пор, близким к размеру трещин в рассматриваемых породах, в условиях, соответствующих пластовым, с целью установления минимальных требований к данным параметрам.
Обоснование требований к устойчивости раствора при максимальной пластовой температуре.
Оценка соответствия «базового» бурового раствора установленным требованиям к промывочной жидкости для вскрытия неустойчивых отложений (под «базовым» буровым раствором понимается раствор, планируемый к использованию при вскрытии рассматриваемых пород).
Таким образом, получены результаты проведенных лабораторных исследований по установлению требований к параметрам и компонентному составу бурового раствора для вскрытия неустойчивых верхнедевонских отложений. Требования к параметрам и компонентному составу бурового раствора приведены в таблице 3.
ТАБЛИЦА 3. Требования к параметрам и компонентному составу бурового раствора
Выводы
Одной из существенных проблем при бурении на объекте исследования является потеря устойчивости стенок скважин в склонных к обвалообразованию верхнедевонских отложениях. Для снижения риска осложнений применен комплексный подход, который включает в себя построение геомеханической модели устойчивости с определением безопасной траектории и оптимальной плотности бурового раствора и исследование процессов изменения состава, структуры, физико-механических свойств пород под воздействием буровых растворов.
В рамках проведенного исследования определены упруго-прочностные свойства горных пород верхнего отдела Девонской системы. Построены корреляционные связи между статическими и динамическими характеристиками.
Разработана геомеханическая модель для планируемой скважины с несколькими горизонтальными стволами. По результатам геомеханического моделирования даны рекомендации по плотностям бурового раствора и конструкции проектной скважины. Определены оптимальные конструкция скважины и плотность бурового раствора.
Проведены лабораторные исследования, на основании которых определены структура, текстура и минеральный состав пород, слагающих верхнедевонские отложения, на исследуемом месторождении и месторождениях-аналогах. Установлено, что при контакте с водой породы верхнедевонских отложений подвержены самопроизвольному растрескиванию без заметного набухания, что позволяет отнести их к слабо набухающим трещиноватым глинистым отложениям.
Обоснованы требования к рецептуре и параметрам бурового раствора для бурения через нестабильные глинистые отложения верхнего отдела Девонской системы.
Литература
1. Гаршина, О.В. Геомеханическое моделирование как неотъемлемая часть комплексного подхода к строительству скважин в сложных горно-геологических условиях / О.В. Гаршина, А.А. Предеин, П.И. Клыков, П.А. Хвощин, И.Л. Некрасова // Нефтепромысловое дело. – 2017. – № 5 – С. 28–33.
2. Ганаева М.Р., Халиулин Р.Р, Балюра Н.Ю. Геомеханические исследования керна на Сахалинском шельфе с учетом литологической характеристики и геологической неоднородности нижненутовских отложений // НТВ «Каротажник». – 2019. – № 6 (300). – С. 160–168.
3. Гирфанов, И.И., Усманов И.Т. О зависимостях для определения геомеханических свойств для условий Ромашкинского нефтяного месторождения // Нефтяная провинция. 2021. № 3 (27). С. 57–66.
4. Муминов С.А., Попов С.Н. Выявление закономерностей изменения геомеханических свойств карбонатного коллектора Астраханского газоконденсатного месторождения на основе экспериментальных исследований образца керна // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2023. № 4 (376). С. 42–48.
5. Субботин М.Д., Павлов В.А., Кудымов А.Ю. и др. Комплексное планирование лабораторных исследований керна для геомеханического моделирования на примере объектов АО «Сибнефтегаз» // НТВ «Каротажник». 2022. № 6 (320). С. 44–56.
6. Хьеу Ф.В. Оганов А.С., Лан Ч.Д. Геомеханическое исследование образцов кернов с блока 09-1 на шельфе Вьетнама СП Вьетсовпетро
7. Лядова Н.А., Клыков П.И., Предеин А.А. Численное решение задач геомеханики // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2020. Т. 20, № 2. С. 126–136.
8. Маковей Н. Гидравлика бурения / Н. Маковей. – М.: Недра, 1986. – 536 с.
9. Клыков, П.И. Опыт применения геомеханического моделирования при бурении скважин в сложных тектонических условиях на месторождении Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции / П.И. Клыков, Н.А. Мошкин, Д.А. Кудряшова, А.В. Наговицин, Г.В. Зверев, И.А. Петренко // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2025. – № 10 (394). – С. 27–34.
10. Басарыгин, Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. – М.: Недра, 2000. – 680 с.
11. Пуля Ю.А., Егорова Е.В. Проблемы бурения неустойчивых глинистых пород на Астраханском газоконденсатном месторождении // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. 2007. № 4 (13). С. 52–55.
