автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии стабилизации глинистых пород при строительстве скважин

РТБ с

2 3 ^^

На правах рукописи КАТЕЕВ РУСТЕМ ИРЕКОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН

05Л5Л0 - Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА - 1998

Работа выполнена в Татарском научно-исследовательском проектном институте нефти (ТатНИПИнефть) и Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, член-корр. АН РТ Научный консультант: кандидат технических наук

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, с.н.с., член-корр. АЕН РФ

Кандидат технических наук

Ведущее предприятие - Башкирский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефти

Защита состоится 18 декабря 1998г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Адрес: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, Д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ

Автореферат разослан 18 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук профессор

И.Г. Юсупов 3.3. Шарафутдинов

Н.И. Крысин В.В. Васильев

Р.Н.Бахтизин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Опыт бурения и эксплуатации скважин на нефть и газ показывает, что одной из причин разрушения стенок ствола в процессе бурения, а также нарушения целостности крепи в процессе эксплуатации скважин является гидратациопная активность вскрытых бурением глинистых отложений. Высокая гидратациоиная активность глин обусловливает ряд осложнений при строительстве скважин: сужение ствола, осыпи, обвалообразование и, как следствие, затяжка и прихват бурильного инструмента, ухудшение свойств бурового раствора, удорожание строительства, а при эксплуатации -разрушение крепи скважин с вытекающими отсюда последствиями.

Под воздействием воды или фильтрата бурового раствора глинистые породы в приствольной части скважины разрушаются. Разрушение глин может происходить и в процессе эксплуатации скважин, когда нагнетаемая вода через дефекты заколонной крепи постоянно контактирует с породами разреза, а гидратированные глинистые породы создают неравномерную наружную нагрузку на обсадную колонну и нарушают целостность ее крепи. Работы по восстановлению крепи скважин, как показывает практика, не эффективны и экономически нецелесообразны. В начале 1980 годов в АО "Татнефть" при разработке залежей в пласте До кыновских отложений с повышенным значением давления на устье скважины были выявлены нарушения целостности эксплуатациотшых колонн нагнетательных скважин в виде смещения или смятия труб. Нарушения происходили в интервале залегания глинистых отложений и были связаны с закачиванием пресной воды при разработке залежей на северо-западных площадях Ромашкинского месторождения.

В настоящее время поведением глины в разрезе скважипы управляют путем применения в составе буровых растворов специальных добавок. Однако, несмотря на применение различных технологий, химических реагентов, проблема разрушения глинистых пород в скважине не решена. Не обобщен

механизм происходящих процессов, не определен оптимальный класс реагентов для стабилизации глин и условия их применения.

Для стабилизации глины широкое распространение получили: углеводородные жидкости, полиакрил амид, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Однако применение первых - затруднено по экологическим соображениям, а при применении последних появляются затруднения в проведении в скважине геофизических исследований, другие же приводят к удорожанию работ по проводке скважин. Поэтому необходимо, используя знание механизма гидратации и набухания глины, изыскать оптимальные и экономически оправданные мероприятия, а также необходимые для этого химические реагенты.

Цель работы. Повышение устойчивости глинистых отложений при строительстве скважины

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• анализ промысловых данных по строительству и эксплуатации скважин при наличии в их разрезе гидрагационно активных глинистых отложений;

• теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия составляющих в системе «глина - вода - химический реагент»;

• исследование свойств глины и глинистых пород геолого-геофизическими, физико-химическими и физико-механическими методами анализа;

• исследование процессов гидратации глин в водных растворах различных химических соединений;

• промысловая апробация результатов исследований;

• оценка экономической эффективности разработанных мероприятий.

Указанные задачи решались:

• обобщением теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых в системе «глина - вода - химический реагент»;

> экспериментальными исследованиями набухания глинистых пород в различных средах;

> путем промысловых испытаний и анализа их результата.

Чаучная новизна работы.

. На основании обобщения ранее выполненных исследований, а также проведенных теоретических и экспериментальных исследований уточнен механизм гидратации и набухания глины в воде. Уточнение механизма основано на учете последовательности действия электростатических, химических и дисперсионных сил. Действие дисперсионных сил, действующих между частицами глины, ослабляется при ее гидратации по донорно-акценторному механизму. Это усиливает действие электростатических сил и приводит к набуханию глин.

I. Исходя, из возможного изменения свойств воды в системе глина - вода показано, что предотвратить или знатштельно снизить ее набухание становится возможным при реиядуцировании действия: дисперсионных сил между глинистыми частицами. Разработаны требования к свойствам химических реагентов для подавления гидратационного разрушения глинистых пород приурочепных к месторождениям Татарстана.

Основные защищаемые положения.

I. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по гидратации и набуханию глинистых пород.

I. Метод подбора реагентов для стабилизации глинистых отложений, включающий в себя их выбор по термодинамическим параметрам их гидратации.

!. Состав бурового раствора, обеспечивающего устойчивость ствола скважины при бурении в глинистых отложениях.

Технологическая жидкость, подавляющая разрушение глинистых пород в скважине.

Практическая ценность работы.

1. Определены требования к свойствам и составу реагентов для управления процессом набухания глины в стволе скважины.

2. Разработаны и внедрены в практику строительства скважин: технологическая жидкость подавляющие набухание глины путем установки ванн, а также буровой раствор, обработанный четвертичным амином.

Реализация работы в промышленности.

1. € использованием результатов исследований разработана рецептура бурового раствора, содержащего четвертичный амин для стабилизации глинистых пород в стволе скважины.

2. С использованием бурового раствора содержащего четвертичный амин пробурены скважины в Елабужском УРБ АО «Татнефть». При этом время осложнений, по экспериментальным скважинам, сокращено в сравнении с базовыми в два раза.

3. Разработаны и используются при строительстве скважин РД 39-0147585136-96 и РД 39-0147585-158-97.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях Ученого Совета института "ТатНИПИнефть" (1991,1992,1993 1998 гг.), на техсоветах АО "Татнефть" (1991,1992гг.), на семинарах в гг. Краснодаре, Киеве, Невинномыске, Москве и Уфе.

Автор благодарит научного руководителя д. т. н., профессора, члена-корреспондента АН Татарстана Юсупова И.Г., научного консультанта к.т.н., докторанта УГНТУ Шарафутдинова З.З., заведующего кафедрой бурения нефтегазовых скважин УГНТУ, д. т. н., профессора, академика РАЕН и АН РБ Мавлютова М.Р., а также к. т. н. Рылова Н.И. и сотрудников отдела бурения института "ТатНИПИнефть" за помощь, оказанную при обсуждении результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций.

Диссертация состоит из 172 страниц машинописного текста, включая 15 рисунков, 11 таблиц и 8 приложений. Список использованной литературы содержит 121 наименование.

В первом разделе диссертации анализируется техническое состояние пробуренных скважин на Ромашкинском нефтяном месторождении АО "Татнефть". В результате анализа промысловых данных выявлены многочисленные нарушения целостности крепи на участках залегашм глинистых пород кыновского горизонта. После первичного вскрытия пород кыновского горизонта в результате их гидратации происходит интенсивное кавернообразо-вание и вызванное этим осложнение процесса бурения. В процессе цементи-ровапия эксплуатационной колонны, не происходит полпого замещения бурового раствора тампонажным, в кавернозных интервалах разреза, что не обеспечивает герметичность ее крепи.

Нарушение крепи нагнетательных скважин вызвано тем, что породы кыновского горизонта, кроме пласта До, представлены глинами. Закачиваемая в скважину пресная вода контактирует с ними через негерметичное зако-лонное пространство, что и обуславливает периодическое и увеличивающееся со временем разрушение глин.

Разрушенная порода оказывает на колонну в интервале, осложненном кавернами одностороннюю нагрузку. В кровельном и подошвенном участках каверпы колонна теряет свою устойчивость - смещается, изгибается и принимает эллипсовидную форму. Проходимость инструмента по колонне затрудняется или прекращается. Разрушенная порода закупоривает каналы движения флюидов из пласта в скважину, уменьшается или прекращается приемистость нагнетательных скважин

Опыт строительства скважин показывает, что использование при бурении глинистых отложений различных типов буровых растворов (раствора на углеводородной основе, растворов, содержащих минеральные соли, полиак-риламид, гидролязовашшй полиакриламид) не всегда исключает образования каверн в глинистых отложениях.

Наличие в разрезе скважин различных водоносных горизонтов, в том числе содержащих высокоминерализованные воды, требует от растворов повышенной устойчивости к действию на них солей, а необходимость проведения геофизических исследований в скважине - приемлемых значений элек-тропроводно сто.

Поэтому возникает необходимость применения новых реагентов в условиях Ромашкинского месторождения. В связи с этим необходимо детально изучить процессы гидратации и набухания глин, определить пути управления их устойчивостью при контакте с водой.

Исследованию процесса гидратации глин, их стабилизации посвящены работы многих ученых: Аминова P.A., Ангеполуло O.K., Ахмадеева Р.Г.,. Байзакова М.К., Войтенко B.C., Городнова В.Д., Дерягина В.Б., Крысина Н.И., Мавлютова М.Р., Нигматуллиной А.Г., Овчарснко Ф.Д., Рахимбаева Ш.М., Ребиндера П.А., Тимохина И.М., Шарипова А.У., Шарафутдинова 3.3., Юсупова И.Г. и многих других.

Традиционно, процесс гидратации и набухания глины описывается на основе вандерваальсовых взаимодействий, включающих в себя: электростатические и дисперсионные силы, а вода рассматривается как молекулярная система. Однако, возможность реализации водою свойств атомных, ионных, молекулярных и металлических тел, а также особенности свойств химических связей в глинистых частицах, а соответственно и на их поверхности, может внести дополнительный вклад в представления о процессе гидратации глины ее набухания и диспергирования.

Во втором разделе диссертации, с позиций обладания глиной свойствами атомного тела, а также многообразия свойств проявляемых водой изложены теоретические предпосылки об управлении процессами гидратации и набухания глиньг.

Любые взаимодействия в дисперсных системах, к которым относится «глина - вода», следует рассматривать в единстве и противоположности действия трех сил: электростатических, химических и дисперсионных. Глина сложена атомами, соединенными между собой ковалентиой связью, обладающей полярностью, и взаимодействует с водой по тому или иному механизму в зависимости от ее свойств. Обычная вода взаимодействует с глиной на самых раннгих этапах под действием дисперсионных и электростатических сил (как самых быстродействующих и не требующих ориентации) с последующим взаимодействием уже по донорно- акцепторному механизму (химические силы).

В природных условиях частицы глины, вследствие их плотной упаковки, находятся под действием дисперсионных сил. Взаимодействие глины с водой по донорно-акцепторному механизму приводит к ослаблению дисперсионных сил. Однако при этом, согласно закону Кулона, начинает возрастать роль электростатических сил, ведущих к набуханию и диспергированию глины, т.е. процесс набухания глины, следует рассматривать как процесс преодоления дисперсионных сил электростатическими, обуславливаемого до-порно-акцспторным характером реакции воды с глиной, которая сопровождается падением диэлектрической проницаемости среды (рис. 1).

Следовательно, стабилизировать устойчивость глины становится возможным при реиндуцировании действия дисперсионных взаимодействий. Данный путь наиболее ярко проявляется при использовании в качестве ингибиторов набухания глины различных минеральных солей, т.е. при придании молекулам воды ионных свойств и обеспечения им при адсорбции на глине максимально плотной упаковки.

Друг им вариантом стабилизации глины в воде, является растворение в воде под действием дисперсионных сил различных неэлектролитов. Однако при этом следует учитывать и возможность чисто геометрического совпадения структурных пустот квазикристаллической структуры воды на поверхности глины, объема растворяющихся неэлектролитов, а также учесть и донор-но - акцепторный баланс на поверхности исходной глины. Так, например, доноры электронов будут более компактно достраивать структуру воды на поверхности глины по сравнению с иными видами реагентов, обладающих акцепторными свойствами (различные виды аминов).

Исходя из возможности реализации молекулами воды металлических свойств, с изменением рН среда возможно изменение характера связи молекул воды с поверхностью глины. Подобный механизм с наложением на него донорно-акцелторного механизма характерен для органических кисло?. Эффективность кислот определяется характером нарушения кислотно-основного равновесия на поверхности глины и возможностью стабилизации, на требуемом уровне, созданных форм воды.

Исходя из химической природы используемых органических соединений, минеральных солей, и в первую очередь, от размера катиона, возможно сочетание электростатической нейтрализации заряда глины при сохранении роли и действия дисперсионных сил. Это относится к так называемым «отрицательно гидратирующим ионам». Так ион калия отличается большим размером от иона натрия и поэтому в значительно меньшей степени гидратирует по сравнению с ионом натрия. Но в тоже время он способен хорошо растворяться в кристаллической структуре воды. Аналогично действуют и катионы четвертичных солей аммония.

В тоже время, следует учитывать и то, что многие органические электролиты в целом будут вести себя больше как неэлектролиты, чем электролиты. Это обусловлено тем, что при своей гидратации (по донорно- акцепторному или гидрофобному механизму),они упорядочивают структуру воды, в

результате чего происходит падение диэлектрической проницаемости среды и возрастание электростатического взаимодействия.

В целом, данный подход позволяет наметить пути управления набуханием глин в воде и осуществлять направленный поиск необходимых реагентов.

При изучении результатов работ Круглицкого H.H., Киселева В.Ф., Ра-химбаева Ш.М., Овчаренко В.Д., Дерягина В.Б. и др. можно сделать вывод. Глины сложены соединениями с полярно-ковалентной связью, гидратируют по донорно-акцепторному механизму, но со значительными искажениями объемов молекул воды. Это обусловлено действием дисперсионных сил и гибкостью связей у молекулы воды. Более всего это наглядно выделяют данные Дерягина В.Б. на рис. 1, где происходит падение диэлектрической проницаемости с 80 в чистой воде до 2...40 в глинистой пасте. Аналогичные результаты следуют и из рассмотрения и изучения работ других ученых, внесших свой вклад в изучение свойств самой воды, природы растворения в ней различных химических соединений - кислот, солей, углеводородов.

Работы ученых показывают, что в целом вода обладает многообразием проявляемых ими свойств. Она может обладать свойствами атомных, ионных, молекулярных и металлических тел. Поведение отдельных молекул воды определяется проявлением, в тот или иной момент, одпой или нескольких сил одновременно. Следует также обратить внимание и на чрезвычайную гибкость водородных связей и изменение их энергии в зависимости от величины валентного угла, также глубины взаимодействия с тем или иным атомом из состава различных соединений. В соответствии с этим будет изменяться и поведение отдельных молекул, особенно в зависимости от вида растворяемых в воде соединений, т.е. по какому механизму растворяется данное соединение: донорно - акцепторному, поляризационному или гидрофобному. В зависимости от механизма растворения в воде будут проявляться свойства: атомных, ионных или металлических тел. Металлические свойства проявля-

югся при малых концентрациях кислот и щелочей, при их больших концентрациях, вода поляризуется и приобретает свойства ионно-молекулярного тела.

Диэлектрическая проницаемость воды в набухшем N3- монтмориллоните (по данным Деря гика Б.В.)

*

« 35 Я

| за В, 25

а 20

Ё = й о

9,6%

-- --—

---

2 ^-" --

22% 38,6%

Влажность, %

■ Оград. К 83 2781 рал. К П 26» град. К В 28» град. К

55%

Рис.1

В свою очередь, это определяет поведение соединений, ионов или характер их взаимодействия со структурой воды на поверхности глины, т.е. стабилизация глины будет определяться преобладающим действием одной из сил: электростатических, дисперсионных и химических. Характер проявления этих сил будет носить диалектический характер, т.е. произойдет их взаимная нейтрализация, или наоборот, они усилят друг друга.

В целом преобладающее действие того или иного механизма можно характеризовать двумя параметрами: энтальпией и энтропией растворения тех или иных соединений. Так, при избыточно высокой дНг характерной для растворения солей, преобладают ионные свойства молекул воды. При этом обеспечивается их плотная упаковка на поверхности глины и не происходит зна-

чительного отдаления глинистых частиц друг от друга, а дисперсионные силы продолжают удерживать их друг возле друга.

При энтропийном характере растворения реагента, он будет растворяться, подчиняясь действию дисперсионных сил, в сотовой структуре адсорбционной воды и согласно правилу аддитивности дисперси01шых сил усиливать роль дисперсионных взаимодействий между частицами глины и предотвращать их дальнейшее набухание.

Трепш путь реализуется при незначительных величинах энтальпии растворения (дНг~ 2-30 кдж/моль), т.е. при наличии в составе соединений до-норных или акцепторных групп ( ЖЬ, N11, ОН, ССЖНг и т.п.) взаимодействие будет происходить по донорно-акцепторному механизму. Стабилизирующее действие на процесс набухания глины будет во многом зависеть от величины удельных объемов исходного реагента и коллектива молекул воды на поверхности глины, т.е. на какую величину произойдет их раздвижка. Значительно будут усиливать стабилизирующее действие реагентов наличие в их составе углеводородных групп, способных раствориться в поверхностной воде, т.е. прежде всего увеличения роли энтропийного фактора растворения.

Однако, в целом, несмотря на общую очевидность такого подхода, после изучения свойств исходных компонентов в системе «глина - буровой раствор», содержащий в своем составе воду, твердую фазу и химические реагенты, необходимо более подробно изучить набухание глины в водных растворах соединений, растворяющихся по трем механизмам: поляризационному, донорно - акцепторному, гидрофобной гидратации.

В третьем разделе диссертации проведено изучение исходного состава и свойств глин, в частности, кыновского горизонта. Показано, что данный тип глин, несмотря на то, что по стандартным методикам относится к малопластичным и слабо набухающим глинам в своем составе содержит глинистые минералы, способные к гидратации, дисперг ированию. В поздние сроки

эксплуатации скважин подобное поведение глины привело к нарушению условий эксплуатации, а впоследствии и крепи скважин.

Исследован процесс набухания глилы в растворах, различающихся по механизму гидратации. Результаты приведены на рисунках 2...5 и полностью подтверждают выдвинутые теоретические предпосылки и рабочую гипотезу.

Влияние соединении пщрапфукншх по ддаорно-эдщетврному механизму на набухание глин

0.3% КМП-НЮ 6,35» НОС 5% «их»

мал 0 и. ПиЬгш! П\ 0,3% ПАА

.1 V"*-\"Т!К 0,1 % Валжжсттален

время набухания, час

I в и 1 В 2 Вз Ш< В* И7 ]

я

Рис. 2

Наименьшую величину набухания показали образцы глин, гидрати-рующие в растворах четвертичных солей аминов, поливинилового спирта, хлористого калия, аналогов углеводородных соединений кремнийорганиче-ских жидкостей, а также синергетические комплексы на основе лигносульфо-натов и нитрилотриметилфосфоновой кислоты, т.е. это, были соединения, которые позволяли усилить дисперсионные силы между частицами глины.

Влияние соединений распюрякицихся по ионному механизму на набухание глины

время набухания, час

в«п 1 м 2 и з э 4 а 5 а«¡а 7 а 8 Рис. 3

Это свидетельствует, в первую очередь, о том, что для эффективного »еиндуцироваиия дисперсионных сил целесообразно оперировать составом ;оединений, или их сочетаний.

Для разработки метода выбора реагентов подавляющих набухание гли-ш были произведены оценочные термодинамические расчеты по гидратации >азличных соединений. Расчет производился по аддитивности вкладов отдельных фрагментов реагентов использованных при изучении процессов на-зухания глины. Результаты расчетов приведены в табл. 1. Для удобства определения значимости вклада в процесс гидратации, того или иного соедине-шя, по эитальпийному или энтропийному фактору использовалось отноше-ше между ними (ДНг/ДБг)

Выполненные расчеты показывают, что реагенты обладающие значением отношения энтальпии к энтропии процесса гидратации изученных соединений мене 0,3 103 способствуют подавлению процесса набухания глины.

Таблица 1

Термодинамические параметры растворения неэлектролитов

при Т=295 К

Вид соединений дНг, КДж/моль дБг, Дж/моль дНг/дБг, •103 Энергия водородной связи, КДж/моль

Термодинамические параметры гидратации соединений используемых для химической обработки промывочных и тампонажных растворов

Полиакрил аты (гипан, гивпан, нитрон и т.п.) N24,2 N65 0,37 21,7

Полиакриламид N18,2 N65 0,28 18,8

Карбоксиметилцеллюлоза N130 N180 0,72 17,6

Крахмал N104 N120 0,86 17,6

Лигносульфонаты N285 N330 0,86

Поливиниловый спирт N - степе Расчеты выполнены по пр термодинамиче< 14 нь полимер! иблизителы ;ких параме 65 «ации сое; гым оценк; гров фрагу 0,215 цинсиий ш аддитивно [ентов молею 17,6 сти вкладов /Л

В четвертом разделе диссертационной работы приводятся дшшые апробирования полученных теоретических и лабораторных исследований в промысловых условиях АО "Татнефть".

При вскрытии глинистых отложений с применением бурового раствора, обработанного реагентом КОР, гидратационное разупрочнение пород с образованием каверн значительно уменьшилось.

При вскрытии мощных (до 400 м) малиновско - сарайлинских глинистых отложений с применением бурового раствора, содержащего четвертичный амин на Сарайлинском месторождении АО «Татнефть», время осложнений, связанное с гидратационным разупрочнением стенок скважин и образо-

[ием каверн, сокращено в сравнении с базовыми скважинами в два раза, эномический эффект от использования рецептуры указанного бурового ггвора и технологии его применения составил 430 тысяч рублей в ценах >8 г.

Влияние органических соединении поляризующих воду на набухание глшпы

пода IV. Ущ.^ло^ 0,5% ПТФ 1%ЛГС+НТФ

1%МЛ.81 2% Стпаккоо! ВК!< 0,01% ПТФ-

время набухания, час

й11]1ВгП1а4Я1В*В7В1

Рис.4

Путем установки ванны из водного раствора четвертичного амина в ин-вале гидратационно - неустойчивых отложений иерейского и угленосного изонтов в соответствии с требованиями РД 39-0147585-158-97 исключена Сходимость цементирования каверн с последующим разбуриванием моста I строительстве скважин на Ромашкинском месторождении. Экономиче-й эффект от проведения операций на каждом горизонте составил 15,3 тыс. лей в ценах 1998 г.

Шшшисугсювдффщькоддонси н и\ аналогов на набухание

ишны

время набухания, час

Во 12 М4 Вб 18 П1 Шз 15 17

Рис. 5

Спуск "хвостовика" малого диаметра в нагнетательные скважины при разработке залежи в пласте До в интервал разрушенной обсадной колонны по действующей технологии невозможно вследствие повторного заваливания ствола кыновскими глинами. После установки ванны из водного раствора ВПК-402 в скважину № 11990 Сармановской площади удалось спустить "хвостовик" и восстановить ее в действующем фонде скважин.

Использование рекомендаций РД 39-0147585-136-96 позволяет сохранить свойства буровых растворов и осуществить успешное строительство скважин.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ состояния качества крепи скважин, а также условий их строительства и эксплуатации показывает, что осложнения, возникающие при вскрытии отложений кыновского горизонта и нарушение целостности крепи при эксплуатации скважин происходит вследствие гидратационного разупрочнения глинистых пород.

2. Изучены свойства глин кыновского горизонта на Ромашкинском месторождении по стандартным методам и установлено, что они относятся к малоактивным видам глин и содержат в своем составе пластичные и набухающие минералы, способные при продолжительном контакте с водой вызвать нарушение целостности крепи скважин.

3. Обобщением известных, а также наших теоретических и экспериментальных исследований обоснован донорно-акцепторный механизм гидратации и его влияние на набухание глины. Действие дисперсионных сил между частицами глины ослабляется при ее гидратации по донорно - акцептор-пому механизму. Это усиливает действие электростатических сил, что приводит к набуханию и диспергированию глин.

4. Показано, что управление набуханием глинистых пород в разрезе скважины возможно реиндуцированием действия дисперсионных сил между частицами глины.

5. Соединениями, обладающими дашшм механизмом действия на глины, в разрезе скважины, являются: четвертичные соли аминов, хлористый калий, поливиниловый спирт, оксиэтилцеллюлоза, полиакриламид, сочетания органических кислот с лигносульфопатами, углеводородные жидкости или их аналоги - кремнийорганические соединения.

6. Предложен метод выбора реагентов для управления процессом набухания глинистых пород в разрезе скважин, по термодинамическим параметрам их растворения в воде. Показано, что реагенты, обладающие отношением

энтальпии растворения к энтропии этого же процесса менее величины 0,3-103, подавляют процесс набухания глины.

7. Успешно использованы в условиях Ромашкинского месторождения буровые растворы, содержащие в своем составе аналог углеводородных жидкостей - кремнийорганические соединения, а также буровой раствор, содержащий четвертичный амин. От использования бурового раствора, содержащего четвертичный амин на скважинах Сарайлинского месторождения АО «Татнефть» получен экономический эффект в сумме 430 тысяч рублей в ценах 1998г.

8. Разработан и внедрен в АО «Татнефть» РД 39-0147585-158-97 «Временная инструкция по первичному вскрытию и укреплению глинистых отложений при строительстве скважин на месторождениях АО «Татнефть», от использования которого получено 15,3 тысячи рублей экономии, в ценах 1998 г., на каждом объекте применения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Рылов Н.И., Захарова Г.И., Никонов В.А., Катеев Р.И., Тюрин В.В. Буровой раствор с гидрофобизованной глинистой фазой. // Материалы Всесоюзной конференции. Проблемы строительства нефтяных и газовых скважин. - Краснодар, ВНИИКРнефть, 1990 г., С. 41-42.

2. Катеев Р.И., Шарафутдинов 3.3. Стабилизация глиц при строительстве скважин. //Материалы научно-практической конференции. «Комплексное освоение нефтегазовых месторождений юга Западной Сибири». Тюмень, ЗанСиббурНИПИ, 1995 г., С 37

3. Юсупов И.Г., Катеев Р.И., Гилязетдинов З.Ф. Основные направления по повышению качества крепления скважин в АО "Татнефть". // Материалы

научно-практической конференции. «Техника и технология добычи нефти на современном этапе». Альметьевск, АО "Татнефть", 1998г., С. 137.

4. Гараев Н.С., Катеев Р.И., Катеева Р.И. и др. «Способ бурения скважины». Патент № 2097529. Бюллетень № 33, 1997 г.

5. Катеев Р.И., Юсупов И.Г., Ибатуллин P.P. и др. Временная инструкция по первичному вскрытию и укреплению глинистых отложений при строительстве скважин на месторождениях АО "Татнефть". // Руководящий документ РД 39-0147585-158-97. Бугульма, АО "Татнефть", 1997г., С. 8.

6. Шарафутдинов 3.3., Гилязетдинов З.Ф., Катеев Р.И. Управление свойствами дисперсных систем в строительстве скважин для эффективной их эксплуатации.// В сб.: Материалы семинара - дискуссии «Проблемы первичного и вторичного вскрытия пластов при строительстве и эксплуатации вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин». Уфа: Изд-во УГ-НТУ, 1998 г., С.37-41

Соискатель: Р.И.Катеев

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВНОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТАТАРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И

ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ НЕФТИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАТЕЕВ РУСТЕМ ИРЕКОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН

Специальность 05.15.10 "Бурение скважин"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор, член-корр. Р.И.Катеев АН РТ

Юсупов И.Г. Научный консультант: к.т.н., Шарафутдинов 3.3.

БУГУЛЬМА - УФА 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1 Изучение состояния крепи нагнетательных скважин АО "Татнефть". Влияние на состояние крепи скважин мероприятий по интенсификации разработки месторождений. Анализ факторов, обеспечивающих устойчивость ствола скважин

1.1. Промысловые данные о состоянии крепи скважин при их строительстве и эксплуатации

1.2. Факторы, обуславливающие нарушение целостности колонн в скважинах

1.3. Существующие представления и технологические мероприятия по обеспечению устойчивости ствола скважин

1.4. Свойства воды. Особенности поведения химических реагентов в воде

1.5. Свойства глины и ее поверхности. Гидратация глины

1.6. Анализ состояния проблемы. Постановка задач исследований

Выводы к главе 1

Глава 2. Теоретические предпосылки обеспечения устойчивости вскрытых бурением глинистых отложений. Обоснование методов исследования и характеристика используемых материалов

2.1. Теоретические предпосылки обеспечения устойчивости вскрытых бурением глинистых отложений

2.2. Методы исследования состава и свойства исходных материалов

Стр. 4

16

33

38

52 61

66

68

2.3. Характеристика используемых материалов 82

2.4. Методика обработки результатов экспериментов 84 Выводы по главе 2 87 Глава 3. Изучение пород кыновского горизонта. Разработка

методов управления активностью глинистых пород

3.1. Исследования состава и свойств глинистых пород кы- 88 новского горизонта

3.2. Исследование увеличения объема глинистых пород в 101 водных и углеводородных средах

3.3. Выбор вида соединений для подавления набухания 113 глинистых пород при строительстве скважин

Выводы по главе 3 116

Глава 4. Опытно-промышленное использование рекомендаций работы. Оценка эффективности разработанных мероприятий

4.1. Полное исключение закачивания технической воды в 118 нагнетательные скважины

4.2. Использование буровых растворов для управления 119 набухающей способностью глинистых отложений

4.3. Подавление набухающей способности глины путем 121 установки ванн

4.4. Ограничение проникновения фильтрата бурового или 123 цементного раствора в проницаемый пласт

4.5. Оценка эффективности разработанных мероприятий 124 Выводы по главе 4 126 Основные выводы и рекомендации 127 Литература 129 Приложения 138

ВВЕДЕНИЕ

Опыт бурения и эксплуатации скважин на нефть и газ показывает, что одной из причин разрушения стенок ствола в процессе бурения, а также нарушения целостности крепи в процессе эксплуатации скважин является гидратационная активность вскрытых бурением глинистых отложений. Высокая гидратационная активность глин обусловливает ряд осложнений при строительстве скважин: сужение ствола, осыпи, обвалообразо-вание и, как следствие, затяжка и прихват бурильного инструмента, ухудшение свойств бурового раствора, удорожание строительства, а при эксплуатации - разрушение крепи скважин с вытекающими отсюда последствиями.

Под воздействием воды или фильтрата бурового раствора глинистые породы в приствольной части скважины разрушаются. Разрушение глин может происходить и в процессе эксплуатации скважин, когда нагнетаемая вода через дефекты заколонной крепи постоянно контактирует с породами разреза, а гидратированные глинистые породы создают неравномерную наружную нагрузку на обсадную колонну и нарушают целостность ее крепи. Работы по восстановлению крепи скважин, как показывает практика, не эффективны и экономически нецелесообразны. В начале 1980 годов в АО "Татнефть" при разработке залежей в пласте До кыновских отложений с повышенным значением давления на устье скважины были выявлены нарушения целостности эксплуатационных колонн нагнетательных скважин в виде смещения или смятия труб. Нарушения происходили в интервале залегания глинистых отложений и были связаны с закачиванием пресной воды при разработке залежей на северо-западных площадях Ромашкинско-го месторождения.

В настоящее время поведением глины в разрезе скважины управляют путем применения в составе буровых растворов специальных добавок. Однако, несмотря на применение различных технологий, химических реаген-

тов, проблема разрушения глинистых пород в скважине не решена. Не обобщен механизм происходящих процессов, не определен оптимальный класс реагентов для стабилизации глин и условия их применения.

Для стабилизации глины широкое распространение получили: углеводородные жидкости, полиакриламид, соли щелочных и щелочноземельных металлов. Однако применение первых - затруднено по экологическим соображениям, а при применении последних появляются затруднения в проведении в скважине геофизических исследований, другие же приводят к удорожанию работ по проводке скважин. Поэтому необходимо, используя знание механизма гидратации и набухания глины, изыскать оптимальные и экономически оправданные мероприятия, а также необходимые для этого химические реагенты.

Цель работы. Повышение устойчивости глинистых отложений при строительстве скважины

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• анализ промысловых данных по строительству и эксплуатации скважин при наличии в их разрезе гидратационно активных глинистых отложений;

• теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия составляющих в системе "глина - вода - химический реагент";

• исследование свойств глины и глинистых пород геолого-геофизическими, физико-химическими и физико-механическими методами анализа;

• исследование процессов гидратации глин в водных растворах различных химических соединений;

• промысловая апробация результатов исследований;

• оценка экономической эффективности разработанных мероприятий.

Указанные задачи решались:

• обобщением теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых в системе "глина - вода - химический реагент";

• экспериментальными исследованиями набухания глинистых пород в различных средах;

• путем промысловых испытаний и анализа их результата.

Научная новизна работы

1. На основании обобщения ранее выполненных исследований, а также проведенных теоретических и экспериментальных исследований уточнен механизм гидратации и набухания глины в воде. Уточнение механизма основано на учете последовательности действия электростатических, химических и дисперсионных сил. Действие дисперсионных сил, действующих между частицами глины, ослабляется при ее гидратации по донорно-акцепторному механизму. Это усиливает действие электростатических сил и приводит к набуханию глин.

2. Исходя, из возможного изменения свойств воды в системе «глина - вода» показано, что предотвратить или значительно снизить ее набухание становится возможным при реиндуцировании действия дисперсионных сил между глинистыми частицами. Разработаны требования к свойствам химических реагентов для подавления гидратационного разрушения глинистых пород приуроченных к месторождениям Татарстана.

Основные защищаемые положения

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по гидратации и набуханию глинистых пород.

2. Метод подбора реагентов для стабилизации глинистых отложений, включающий в себя их выбор по термодинамическим параметрам их гидратации.

3. Состав бурового раствора, обеспечивающего устойчивость ствола скважины при бурении в глинистых отложениях.

4. Технологическая жидкость, подавляющая разрушение глинистых пород в скважине.

Практическая ценность работы

1. Определены требования к свойствам и составу реагентов для управления процессом набухания глины в стволе скважины.

2. Разработаны и внедрены в практику строительства скважин: технологическая жидкость подавляющие набухание глины путем установки ванн, а также буровой раствор, обработанный четвертичным амином.

Реализация работы в промышленности

1. С использованием результатов исследований разработана рецептура бурового раствора, содержащего четвертичный амин для стабилизации глинистых отложений в стволе скважины.

2. С использованием бурового раствора, содержащего четвертичный амин, пробурены скважины в Елабужском УРБ АО "Татнефть". При этом время осложнений, по экспериментальным скважинам, сокращено в сравнении с базовыми в два раза.

3. Разработаны и используются при строительстве скважин РД 390147585-136-96 и РД 39-0147585-158-97.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях Ученого Совета института "ТатНИПИнефть" (1991,1992,1993 1998 гг.), на техсоветах АО "Татнефть" (1991,1992гг.), на семинарах в гг. Краснодаре, Киеве, Невинномыске, Москве и Уфе.

Автор благодарит научного руководителя д. т. н., профессора, члена-корреспондента АН Татарстана Юсупова И.Г., научного консультанта к.т.н., докторанта УГНТУ Шарафутдинова З.З., заведующего кафедрой бурения нефтегазовых скважин УГНТУ, д. т. н., профессора, академика

РАЕН и АН РБ Мавлютова М.Р., а также к. т. н. Рылова H.H. и сотрудников отдела бурения института "ТатНИПИнефть" за помощь, оказанную при обсуждении результатов диссертационной работы.

«

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ КРЕПИ НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН АО "ТАТНЕФТЬ". ВЛИЯНИЕ НА СОСТОЯНИЕ КРЕПИ СКВАЖИН МЕРОПРИЯТИЙ ПО ИНТЕНСИФИКАЦИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ УСТОЙЧИВОСТЬ СТВОЛА СКВАЖИН

1.1.Промысловые данные о состоянии крепи скважин при строительстве и эксплуатации До начала 1970-х годов проектами строительства скважин в Татарстане предусматривалось цементирование эксплуатационной колонны только в интервалах залегания продуктивных пластов. Верхняя часть зако-лонного пространства оставалась без разобщения вскрытых бурением водоносных коллекторов. В связи с этим в конце 1960-х годов обнаружилось массовое коррозионное нарушение целостности эксплуатационных колонн /27, 28, 29/, был разработан и осуществлен комплекс мероприятий по управлению этим процессом, в т.ч. по обеспечению подъема цементного раствора до устья при первичном цементировании скважин /28, 34, 70/.

В начале 1980-х годов проявился второй поток нарушений целостности эксплуатационных колонн, но уже в интервале залегания глинистых отложений кыновского горизонта. Сначала нарушения колонн были обнаружены на опытном участке Миннибаевской площади Ромашкинского месторождения при нагнетании воды в коллектора - алевролиты под повышенным давлением (прил.1). Число скважин с нарушенной целостностью эксплуатационной колонны увеличилось с началом разработки залежей в пласте До кыновского горизонта.

Характерными особенностями нарушений колонны и связанных с ними осложнений являются: снижение приемистости пласта, непроходимость по колонне приборов и инструмента номинального диаметра, смятие труб, смещение эксплутационной колонны, вынос на дневную поверхность разрушенных глинистых пород при промывке скважины. Для анализа и выяснения причин нарушения целостности обсадных колонн нами были

рассмотрены промысловые данные по скважинам с нарушениями целостности эксплуатационной колонны.

Такие скважины находятся в нагнетательных рядах (рис. 1.1) северовосточных площадей (рис. 1.2.) Ромашкинского месторождения. Сведения по скважинам НГДУ "Альметьевнефть" и НГДУ "Джалильнефть" с нарушениями целостности эксплуатационной колонны приведены в приложении 1.

Анализ возможных причин нарушения целостности колонн показал, что они происходят в нагнетательных скважинах, построенных до 1986 года для разработки залежи в пласте Д0, расположенной между глинистыми отложениями при закачивании пресной воды. Места нарушения колонн находятся выше вскрытого перфорированием пласта Д0.

Распределение нагнетательных скважин НГДУ "Джалильнефть" по причинам нарушения эксплуатационной колонны приведено на рис. 1.3.

По данным геофизических исследований, практически в скважинах всего фонда, качество цементирования колонн в осложненном кавернооб-разованием участке (глинистые отложения кыновского горизонта) не удовлетворительное - полного замещения в кавернах глинистого раствора цементным в процессе цементирования эксплуатационной колонны не происходило.

При вторичном вскрытии пластов перфорирование колонны осуществлено по всей толщине пласта, не оставляя буферного интервала до глин. Следовательно, во всех скважинах вероятность контакта закачиваемой воды с глинистыми породами кыновского горизонта достаточно высока.

Анализ приведенных данных показывает, что наибольшее число нарушений эксплуатационной колонны приурочены к Сармановской, Читтт-минской и Березовской площадям, где основным объектом разработки является пласт До кыновского горизонта. Они происходят при нагнетании

11

РАСПОЛОЖЕНИЕ НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН С НАРУШЕНИЕМ ЦЕЛОСТНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ

КОЛОННЫ

(Сармановская и Чишминская площади Ромашкинского

месторождения)

Сармановская , ••*''*

площадь ' •

209/31 . *\

•••• •* • • • ... ••••••

.• .......

/ • ••

Чишминская • >#«'

•'

площадь 148/19

• - скважины с нарушением целостности эксплуатационной колонны, в числителе - общее количество скважин, в знаменателе - в т.ч. с нарушением колонны.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКВАЖИН С НАРУШЕНИЕМ КОЛОННЫ ПО ПЛОЩАДЯМ РОМАШКИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

- площади с проявлением нарушения колонн в числителе - количество всех скважин с нарушением колонны, в знаменателе - количество нагнетательных скважин.

ПО ФАКТОРАМ ПРОЯВЛЕНИЯ НАРУШЕНИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

ПЛОЩАДЬ

ПРОЕКТНАЯ ГЛУБИНА

НАЗНАЧЕНИЕ СКВАЖИНЫ

САРМАНОВСКАЯ - 31 ЧИШМИНСКАЯ -19 ТАШЛИЯРСКАЯ - 5

ОТ 1000

ОТ 1001 ДО 1500 -ОТ 1501 ДО 2000 - 53

НАГНЕТАТЕЛЬНЫЕ - 47 ДОБЫВАЮЩИЕ - 5 ДРУГОГО НАЗНАЧЕНИЯ - 1

ВИД ЗАКАЧ. ЖИДКОСТИ

ПРИУРОЧЕН. К ОТЛОЖЕНИЯМ ПЕРИОД СТРОИТЕЛЬСТВА

ПРЕСНАЯ - 53 СТОЧНАЯ МИНЕРАЛИЗ. -

ДОМАНИКОВЫЕ - 12 КЫНОВСКИЕ - 30

ИНТЕРВАЛ ПЕРФОР,- 11

ДО 1986 ГОДА -52 ПОСЛЕ 1986 ГОДА - 1

РАЗРАБАТ. ОБЪЕКТ

ПЛАСТ До -50 ПЛАСТ Д, - 1 ПЛАСТ Д0+1 - 2

ОБРАБОТКА ПРИЗАБ. ЗОНЫ

ОТОРОЧКА - 31

КИСЛОТ.ОБРАБОТКА - 11 ДРУГИЕ - 3

БЕЗ КИСЛОТ. ОБ-КА - 8

ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ДО 3 ЛЕТ -8; ОТ 4 ДО 6 ЛЕТ - 10;

ОТ 7 ДО 9 ЛЕТ - 17;

ОТ 10 ДО 12 ЛЕТ-4;

ОТ 13 ДО 15 ЛЕТ - 8;

ОТ 16 ДО 18 ЛЕТ-3;

ОТ 19 ДО 21 ГОДА - 3.

Рис. 1.3.

в пласты пресной (технической) воды, и отсутствуют в случае закачивания пластовой девонской воды (ПДВ).

Нарушения целостности эксплуатационной колонны приурочены в основном к аргиллитам кыновских отложений, залегающих выше пласта До (60...65%), четвертая часть нарушений приурочена к интервалам залегания саргаевско-доманиковых отложений (20...25%), а остальная часть - к нефтеносным песчаникам До.

Нарушения колонн приурочены к нагнетательным скважинам при закачивании пресной воды.

Распределение скважин с нарушением целостности эксплуатационной колонны по продолжительности работы скважины до первого отказа приведены на рис. 1.4, откуда видно, что максимум нарушения (отказов) приходится в среднем к шести годам эксплуатации.

Проведенными ремонтно-восстановительными работами на скважинах, с нарушенной целостностью колонны, выявлено, что они трудоемки и часто не достигают цели. Большинство скважин с нарушенной крепью, в интервале залегания глинистых отложений, ликвидируются, а часть их переводится для разработки возвратных объектов.

Количество скважин, в которых смятие колонн произошло выше осложненного кавернами разреза кыновских отложений, а именно, в саргаевско-доманиковых отложениях, составляют по Сармановской и Чишмин-ской площади соответственно семь из 31-ой, пять из 19-и скважин.

В интервалах нарушения эксплуатационной колонны выше кыновских отложений по данным гамма каротажа (ГК) прослеживается повы-

V-/ Ч^ 1 и

шенныи радиационный фон, характерный для пород, содержащих глинистые минералы. На отдельных диаграммах кавернометрии прослеживается и образование каверн, что характерно для гидратационно неустойчивых глинистых отложений пород.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКВАЖИН С НАРУШЕНИЕМ ЦЕЛОСТНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ПО ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ РАБОТЫ ДО ПЕРВОГО ОТКАЗА

СарманаЗсхая ллощас/ъ

Т, годы

Чициаш&ая площадь

О 3 6 9 12 15 ^ 21

Т^оды

о 3 6 9 12 18 г1

X ¿оды

Для оценки глинистости пород указанных горизонтов на скв. № 22259 (Сармановская) был отобран керн. При первом долблении (17251731 м) отобрали 0,5 м керна (7%). При втором (1731-1736 м) - Зм (50%).По внешнему виду образцы содержат слюды. Одн