автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Прогнозирование и предупреждение нарушений устойчивости стенок при бурении в осложненных условиях

ВВВДЕНИЕ.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕНОК СКВАЖИН . . ."'.

1.1. Современные представления о напряженном состоянии массива горных пород.

1.2. Анализ основных направлении и методов исследования проблемы с целью обоснования постановки темы.

П. ВОПРОСЫ ДИАГНОСТИКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД В

ПРИСТВОЛЬНОЙ ЗОНЕ И УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ

ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН.

2.1. Условие предельного напряженного состояния и оценка устойчивости глинистых пород на стенках скважины.

2.2. Исследование деформации стенок скважин в условиях их взаимовлияния.

2.3. О динамических проявлениях горного давления при бурении скважин на площадях Азербайджана.

2.4. Оценка напряженного состояния массива по деформационным свойствам пород.

2.5. Исследование влияния напряженного состояния пород на формирование керна

Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗУПРОЧНЕНИЯ ГЛИНИСШК ПОРОД

С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ БУРОВЫХ

РАСТВОРОВ . . . . . . . . . . . . . . . .ЮО

3.1. Исследование особенностей деформирования глинистых пород в среде ингибированных буровых растворов

3.2. Усовершенствование методики выбора буровых растворов по кривым ползучести.

Актуальность проблемы. Одним из главных направлений развития сырьевой базы нефтяной и газовой промышленности страны на современном этапе является освоение больших глубин. В XI пятилетке Миннефтепромом запланировано бурение более 80 параметрических скважин с проектными глубинами 4500-7500 м. Успешное достижение таких глубин с минимальными затратами во многом зависит от обеспечения устойчивости стенок скважин. Особенно остро эта проблема ощущается в южных районах страны, где бурение осуществляется в сложных геологических условиях, характеризующихся складчатыми и разрывными нарушениями, грязевыми вулканами, мощными многокилометровыми толщами глинистых отложений, зонами с АБЦЦ.

В объединении "Азнефть" на долю осложнений, связанных с потерей устойчивости пород, приходится более 10% общего баланса календарного времени и значительные затраты трудовых и материальных ресурсов. Рост глубин и усложнение геотектонической обстановки ставят перед буровиками сложные задачи, требующие нового подхода к их решению. Практика показала, что бороться с обвалами, когда они уже начались, очень трудно и часто остановить их невозможно. Поэтому особую актуальность приобретает прогнозирование и профилактика осложнений на основе диагностики состояния и свойств массива в процессе бурения.

Цель работы. Разработка мероприятий по прогнозированию и обеспечению устойчивости стенок скважин.

Основные задачи исследований.

- Исследование предельного состояния и условий устойчивости глинистых пород на стенках скажины в гравитационном поле напряжений.

- Исследование взаимовлияния близко расположенных скважин' в кустовом бурении и при забуривании новых стволов.

- Изучение механизма динамических проявлений горного давления в скважинах и возможности количественной оценки напряженности массива в процессе бурения,

- Уточнение механизма разупрочнения глинистых пород при взаимодействии с буровыми растворами.

Научная новизна. Установлена зависимость устойчивости глинистых пород от глубины их залегания. Разработана методика и установка для исследований устойчивости двух и более стволов в условиях их взаимовлияния. Установлено влияние некоторых факторов на устойчивость близко расположенных стволов и получено уравнение регрессии,описывающее эту зависимость.

Выявлен механизм динамических проявлений горного давления при бурений скважин, связанный с существованием в массиве аномально высоких тектонических напряжений. Разработана на уровне изобретения конструкция устройства для измерения напряжений в стенках скважины. Выявлена принципиальная возможность глинистых пород сохранять "память" на действовавшие ранее напряжения.

Промысловыми и экспериментальными исследованиями установлена связь явления дискования керна с напряженным состоянием массива при бурении в глинистых породах. Разработана методика оценки буровых растворов по взаимосвязи между вертикальными и горизонтальными деформациями образца, позволяющая оценивать не только степень, но и характер разупрочнения глинистых пород.

Практическая ценность результатов исследований и пути их реализации. Результаты проведенных исследований позволяют прогнозировать неустойчивые интервалы при бурении скважин и принимать решения по использованию профилактических мероприятий технологического и физико-химического характера.

Разработана "Инструкция по прогнозированию и обеспечению устойчивости стенок скважин в процессе бурения" РД 39-2-769-82. Годовой экономический эффект от использования РД в ПО Азнефть составил более 200 тыс.рублей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на выездных научно-технических конференциях АзНИПИнефти на предприятиях ПО Азнефть (Баку ,1980), Координационном совещании по результатам комплексных исследований первого этапа и задачи П этапа бурения сверхглубокой Саат-линской скважины СГ-I (Баку,1981), Ученом совете АзНИПИнефти (Баку,1982), Всесоюзной конференции "Проблемы и перспективы развития сверхглубокого бурения" (Грозный,1982).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубли-^ ковано 10 работ за период 1978-1984 г.г. ( в том числе монография, два изобретения, руководящий документ).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, основных выводов и приложения. Она написана на 146 страницах, включает 40 рисунков, 10 таблиц, список использованной литературы 87 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Усовершенствована методика экспериментальных исследований влияния термодинамических условий (глубины залегания) на устойчивость глинистых пород с учетом начальных физических свойств образцов при моделировании различных глубин. Получено выражение для определения минимальной плотности бурового раствора, обеспечивающей устойчивость глинистых пород на заданной глубине при наиболее общем случае распределения напряжений в массиве, когда коэффициент бокового распора I. Показано, что в гравитационном поле напряжений устойчивость глинистых пород снижается до глубины 3000 м, а затем возрастает.

2. Разработана установка и методика для проведения экспериментальных исследований двух и более стволов в условиях их взаимовлияния. Получено уравнение множественной регрессии, описывающее зависимость изменения диаметра скважины от свойств пород (давления прессования), расстояния между стволами, времени испытания первого и второго стволов, давления столба бурового раствора. Полученные результаты показали, что выбор оптимального расстояния между скважинами, исключающего их вредное взаимовлияние, является одним из способов управления горным давлением и обеспечения устойчивости стволов.

3. Анализ фактических данных о динамических проявлениях горного давления, реализующихся в виде пластического течения пород, показал, что, в основном, они наблюдаются в брахиантиклиналях и приурочены к зонам тектонических нарушений. Расчеты показали, что напряжения, вызванные силами гравитации, не могут вызвать подобных осложнений, т.к. в зоне осложнений они оказывались даже ниже давления столба бурового раствора. Это свидетельствует о том, что причиной этих осложнений является действие тектонических сил,значительно превышающих гравитационные.

4. Экспериментальные исследования деформационных свойств пород Азербайджана по методике ЕНИМИ показали принципиальную возможность глинистых пород "запоминать" действовавшие ранее напряжения. Уровень действовавших напряжений устанавливается с погрешностью до 20% по деформационной кривой. В песчанике свойство "памяти" не обнаружено. Полученные результаты свидетельствуют о применимости метода "памяти" для оценки напряжений в массиве при бурении скважин.

5. Экспериментально установлено, что при выбуривании керна из напряженных крупногабаритных глинистых образцов низкой влажности, керн делится на диски с характерной вогнуто-выпуклой формой, причем толщина дисков уменьшается с увеличением горизонтальных напряжений. При отсутствии напряжений дискование не наблюдается. Сопоставление полученных результатов с промысловыми наблюдениями за формированием керна при бурении скважин в осложненных условиях Азербайджана свидетельствует о том, что явление дискования может служить предвестником зон аномальных напряжений и неустойчивости ствола скважины. С целью количественной оценки фактических напряжений и осуществления инструментальной диагностики состояния приствольного массива разработана на уровне изобретения конструкция устройства для определения напряжений в стенках скважины.

6. Исследован механизм разупрочнения глинистых пород в контакте с гаммой ингибированных буровых растворов на водной основе. Выявлены их оптимальные составы, обеспечивающие минимальную деформацию ползучести глинистых образцов различного минералогического состава при различных напряженных состояниях. Полученные результаты подтверждены практикой бурения в Азербайджане.

7. Предложенная методика, учитывающая связь между вертикальными и горизонтальными деформациями образца, контактирующего с жидкостью в условиях одноосного сжатия, дает возможность дифференцированного подхода к оценке бурового раствора по кривым ползучести и прогнозирования характера осложнения (кавернообразова-ние или сужение ствола) при использовании того или иного вида химической обработки, что позволяет более эффективно вести борьбу с неустойчивостью стенок скважин физико-химическими методами.

1. Аветисян Н.Г.Пашинян Л.А. Зависимость предела текучести глинистых пород от глубины их залегания. НТИС "Нефтегазовая геология, геофизика и бурение", вып.2. М.,1984,с.37-38.

2. Аветисян Н.Г. ,Шеметов В.Ю.,Сидоренко Ю.И. Связь осмотических явлений с некоторыми видами осложнений при бурении скважин на площадях Краснодарского края. PC БНИИЭГазпрома. Бурение газовых и газокоаденсатных скважин, 1977,3,

3. Адельсон И.В. Борьба с обвалами при бурении нефтяных и газовых скважин.- Тематический научно-технический обзор. М.: ВНИИОЭНГ, 1974, 72 с.

4. Алиев А.И.Деримова А.А.Дскерова Т.В. Оценка коллекторов глубокозалегающих продуктивных горизонтов среднего плиоцена Апше-ронской нефтегазоносной области. Геология нефти и газа,$ 9, 1973, с.49-51.

5. Байдюк Б. В. Механические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах.-М.: Гостоптехиздат, 1963, 102 с.

6. Байдюк Б.В. ,Шрейнер JI.A. Влияние напряженного состоянияи влажности на устойчивость глинистых пород в скважинах.-М.: Изд. АН СССР, 1958.

7. Байдюк Б.В. ,Шрейнер Л.А. Расчет устойчивости горных пород в скважинах.-Сб.: Вопросы деформации и разрушения горных пород при бурении. М.: Госинти, 1951,с.48-73.

8. Баранов B.C. Глинистые растворы для бурения скважин в осложненных условиях.-М.: Гостоптехиздат, 1956, 199 с.

9. Безухов Н.И. Теория упругости и пластичности.-М.: Гостоптехиздат, 1953, 420 с.

10. Белоусов В.В. Геотектоника:-М.: Изд.МГУ, 1976, 334 с.

11. Бояркин В.И. Оценка напряженного состояния пород по выходу их из геолого-разведочных скважин.-Сб. Измерение напряжений в массиве горных пород. Новосибирск: 1974,с.80-82.

12. Булатов В.В. Температурные напряжения пород стенок скважин.- Нефтяное хозяйство, 1965,№ 2,с.23-26.

13. Влияние тектоники на напряженное состояние массива горных пород. -/Н.Г.Ялымов, А. Е. Аймаутов,Б. М.Недорезов, 0. В. Рогожников. -Сб.: Измерение напряжений в массиве горных пород,ч.2. Новосибирск: 1976,с.41-45.

14. Войтенко B.C. Прогнозирование, предупреждение и использование неустойчивости стволов скважин при бурении на подсолевые отложения. Автореф.канд.дисс.,1974, 24 с.

15. Выступление председателя оргкомитета акад.Н.В.Мельникова. Матер. 4-ой Всес.конф. по механике горных пород. Современные проблемы механики горных пород. Л.: Недра,1972,с.5-8.

16. Гзовский М.В. Тектоно-физические представления о напряженном состоянии земной коры.- Матер.4-ой конф. по механике горных пород. Современные проблемы механики горных пород. Л.: Недра, I972,c.I25-I46.

17. Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении.-М.: Недра,1977, 280 с.

18. Девис Дж. Статистика и анализ геологических данных. -М.: Мир, 1977, 572 с.

19. Денисов Н.Я. 0 роли физико-химических процессов в деформациях грунтов при увлажнении.-Избранные труды. Природа прочности деформации грунтов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972, 278 с.

20. Денисов Н.Я. 0 природе прочности глинистых пород.-Избранные труды. Природа прочности и деформации грунтов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972,278 с.

21. Динник А.Н. Статьи по горному делу.-М.: Углетехиздат, 1957, 195 с.

22. Дороднов И.П. Измерение размеров напряженного состояния керна при его отборе.-Тр.СевКАВНИПИнефть,вып.19, Грозный,1974, с.9-20.

23. Исаченко В.Х. Системы контроля за траекторией ствола скважины за рубежом.-М.: БНИИОЭНГ, 1980, 83 с.

24. Каргин В.А. ,Байбаев А.К.,Касаточкин В.И. Изыскание растворов, не вызывающих разрушения обваливающихся глин.-Сб. :Борьбас обвалами при бурении нефтяных скважин. Мл-Л.: Главная редакция горнотопливной литературы, I937,c.I26-I6I.

25. Назаров Э.А. ,0рман Л.М. ,Исмайылов Ш.И. Исследование механических свойств горных пород эоценовых и меловых отложений площади Кюрдаханы. АБХ,$ 9,1980,с.32-35.

26. Кеворков С.А. Экспериментальное исследование прочности приствольной части необсажеиной скважины.-Автореф.канд.дисс. Грозный: 197I, 18 с.

27. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов. М.: Недра, 1967, 392 с.

28. Кистер Э.Г. Современные задачи в области создания и применения буровых растворов.-Нефтяное хозяйство, 1972,£ 12,с.15-18.

29. Крысин Н.И.,Алексеев Л.Д.,Журбин Б.Н. Использование пластовых вод при бурении скважин.-НТС Бурение, 1970, № I, с Л 8-19.

30. Кларк Е.Х. Повышение забойного давления при спуске труб.-М.: ЦНШТЭнефтегаз, 1956, с. 36.

31. Кулиев С.М.,Аскеров Ф.А.,Шамсиев А.А. Зависимость механических свойств глинистых пород от степени их уплотнения.-Изв.АН Азерб.ССР,сер.геол.-геогр.наук,1964,$ 6,с.35-42.

32. Лаптев Ф.Ф. Взаимодействие растворов силиката натрия с. .,глинами.-Сб.: Борьба с обвалами при бурении нефтяных скважин.М.-^Я.: Главная редакция горно-топливной литературы, 1937,с.80-96.

33. Лаптев Ф.Ф.,Шаров B.C. Определение размокаемости глин.-Нефтяное хозяйство, 1934,В II,с.19-22.

34. Леонидов В. й., Мухин Л. К. ,Жигач К.Ф. Усовершенствование методики исследования влияния промывочных жидкостей на прочностные свойства глинистых пород.-Изв.дузов,сер."Нефть и газ",1961,с.25-30.

35. Лехницкий С.Г. Определение напряжений в упругом изотропном массиве вблизи вертикальной цилиндрической выработки круглого сечения.-Изв.АН СССР, отд.технич.наук,1938,Л 7,с.69-76.

36. Линевский А. А. Из практики борьбы с обвалами при бурении на промыслах Азернефте трестов.-Азербайджанское нефтяное хозяйство, 1936,В 4,с.5-10.

37. Лопатин Б.А. Влияние промывочных жидкостей на устойчивость обваливающихся пород при бурении глубоких скважин.-Автореф. канд.дисс. М.: МИБХиШ, 1964, 25 с.

38. Лучицкий И.В.,Громин В.И.,Ушаков Г.Д. Эксперименты по деформации горных пород в обстановке высоких давлений и температур. -Новосибирск: Наука (Сибирское отделение),1967, 74 с.

39. Магеррамов А.Ф.,Бабаев Р.Я. Влияние типа тектонической структуры на отбор керна.-AHX,J£ 5,I978,c.I3-I5.

40. Матвееев Б. В. Показатели передач бокового распора вмещающими горными породами Донецкого и Подмосковного бассейнов.-Механика горных пород и маркшейдерское дело. М.: Углетехиздат, 1959,с.42-55.

41. Мовсумов А.А. Гидравлические причины осложнений при проводке нефтяных и газовых скважин.-Баку: Азернешр,1965, 229 с.

42. Опыт бурения скважин на площади Кюрдаханы.-Ш.И.Исмайы-лов,А.М.Аванесова,Л.М.Орман и др.-В сб.: Бурение глубоких нефтяных и газовых скважин в Азербайджане",вып.XJIX, Баку,1979,с.17-24.

43. Опыт применения ингибированного калиевого раствора. Е.Д. Щеткина,Д.Д.Исмайылов,P.M.Ченцова. АНХ, 1978,$ 10,с.22-25.

44. Орман Л.М. К оценке влияния буровых растворов на устойчивость глинистых пород.- АНХ,1982,$ 2,сЛ8-21.

45. Осипов С.И.Волошин М.Е. География динамических проявлений аномальных напряжений горных пород при подземной разработке.-Матер. 4-ой Веес.конф. по механике горных пород. Современные проблемы механики горных пород. Л.: Наука,1972,с.152-163.

46. Петухов И.М.,Линьков A.M.,Фельдман Й.А. Защитные пласты. -М.: Недра, 1972, 424 с.

47. Петухов И.М. ,3апрягаев А.П. Определение напряжений в массиве пород по делению керна на диски и выходу буровой мелочи при бурении скважин.-Тр.ВНИИгорной геомеханики и маркшейдерского дела. Л.: 1975,Л? 94,с.126-130.

48. Покровский Г.И.,Федоров И.В. Исследование устойчивости грунтов глубокого залегания.-Сб.: Борьба с обвалами при бурении нефтяных скважин.М.-Л.: Главная редакция горно-топливной литературы ,1937,с.54-79.

49. Покровский Г.И.,Федоров И.В. Исследование устойчивости скважин в лабораторных моделях.-Изв.АН СССР,отд. технич.наук, 1939, Jfc 2,с.43-52.

50. Прочность и деформируемость горных пород.-/Ю.М.Карташов, Б.В.Матвеев,Г.В.Михеев и др.-М.: Недра,1979, 269 с.

51. Результаты комплексных исследований напряженного состояния горных пород Джезказганского месторождения.-/И.М.Петухов,П.В. Егоров,В.А.Редькин,В.А. Смирнов.-Сб.: Измерение напряжений в массиве горных пород,ч.2, Новосибирск: 1976,с.20-24.

52. Рельтов Б. Ф.,Новицкая Н.А. Осмотическое явление в связных грунтах при неравномерном их засолении.-Изв.ВНИИГ,т.53,М.-Л.: Гос энергоиздат,1955.

53. Роджерс В.Ф. Состав и свойства промывочных жидкостей.-М.: Недра,1967, 599'с.

54. Сеид-Рза М.К. Технология бурения глубоких скважин в осложненных условиях.-Баку: Азернешр,1963, 338 с.

55. Сеид-Рза М.К.,Исмайылов Ш.И.,0рман Л.М. О возможности прогнозирования и управления горным давлением в процессе бурения.-АНХ,1080,1 10,с.33-35.

56. Сеид-Рза М.К.,Исмайылов Ш.И.,0рман Л.М. Устойчивость стенок скважин.~М.: Недра,1981, 175 с.

57. Тектонические напряжения в земной коре и устойчивость горных выработок.-/И.А.Турчанинов,Г.А.Марков,Б.И.Иванов и др.-Л.: Наука,1978, 256 с.

58. Тимофеев Н.С.,Бугин Р.Б.,Яремийчук Р.С. Усталостная прочность стенок скважин.-М.: Недра,1972, 200 с.

59. Турчанинов И.А.,Иофис М.А.,Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород.-Л.: Недра,1977, 503 с.

60. Устойчивость горных пород при бурении скважин на большие глубины.'-/М .К .С еид-Рза ,М. Д .Фат алиев ,Т .Г .Фараджев ,Ш.Н .Исмайылов, В.Ф.Целовальннков.-М.: Недра, 1972 , 272 с,

61. Устройство для определения напряжений в стенках скважины. Мамедов P.M.,Исмайылов Ш.И.,0рман Л.М.,Исмайлова Р.Л. Положительное решение Госкомизобретений от 28.03.84 по заявке № 3487445/22-03.

62. Ушаков С.А.,Красс П.С. Сила тяжести и вопросы механикинедр земли.-М.: Недра,1972, 160 с.• -— > <

63. Фисенко Т.Л. Методы количественной оценки структурных ослаблений массива горных пород в связи с анализом их устойчивое^ ти.-Матер.4-ой Всес.конф.по механике горных пород. Современные проблемы механики горных пород. Л.: Наука, 1972,с.21-30.

64. Хангильдин Г.Н. О коллоидно-химической природе обвалов стенок буровых скважин и физико-химических основах методов борьбы с ниш. Нефтяное хозяйство,I95If№ 12,С.26-31.

65. Целовальников В.Ф. Исследование деформационных формоизменений стенок скважин в глубоком бурении и разработка мероприятий по их предупреждению.- Автореф.канд.дисс.,Баку: 1969, 26 с.

66. Шамсиев А.А. Обвалы пород при бурении нефтяных и газовых скважин.-Баку: Азнефтетехиздат,1955, 118 с.

67. Шамсиев А.А.,Фараджев Т.Г. Экспериментальное исследование устойчивости горных пород на стенках скважины.-АБХ, 1962,$ 5, с.14-17.

68. Шамсиев А.А. Напряженное состояние породы забоя скважины. -Тр.АзНИИДН,вып.Х, Баку: Азернешр,I960,с.344-347.

69. Ятров С.И. Промывочные жидкости в бурении скважин.-М.: Гостоптехиздат, I960, 312 с.

70. Ддуллаев Н.Н. ,Мурадян С.А. ,0рман Л.М. Устройство для определения объема твердых тел.- А.с.$ 641280 СССР. Открытия,изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1979,Л 1,с.

71. Bocttmccft U/.Я. Пе&ШЪонд anei ЫйСп& 8)емСЦ to CLU 6/2. 3)%cUc^ \VeUi Си btijk Ргеииье fltea*. d Petto£eu* TechhoZojy, уо& 19, NH, ^67, pJ9i3~/W

72. Ogett L., Н-ephenJon 4t\e4d CoheLCtioht Uhelet urhuh Cote 3)C6tib<j Oecutl. Jtam. foe. ibjCh"tA3MEt тГ, If. 2SZ, /I/3, p. 227-гЗУ.

73. RehM W. Mai Ue Qtcttiy Май Jhou£oL киоиг aiout the Otc^Ch &hd PtedCctcon vfi Fotfoation Рьемыеь. ou Q.hei Gras JfiteMat." Vo£. 3, MS, 4969, P. 32-2&, 39.8Z. HofoxUoh £.S. BuN. Joccefy ofteotyuitb, I/. 66 f N40/

74. Моаи John P., New KM Ftuids ogfets urtyktb о-Ц- 23 to ЗоН/даР. ,0с£ bhd U<5 J*Ut**£!\votAt A/2, 196$} p. 401-101, нок.

75. Sy.Tutnan Ткегъа? &tou»oi ou WeUiatedud UeCt 3*7ClU Gg&ect 0n Veiooity tyjtitf. JoiCet^ PeUoteuM </.", vot г, ЫЧ( 4961, />. &1-&9.

76. Kennedy \lohh I. PotanLum 4<k,UoL dxiHChg mugL рго4£ем Л&Ш OYitztU. n0U othei 6-0.4 P34f 1973, p. HO-HZ.86. (VeQui f.jour -Ьо ФъсЫ Tteu^&joMe SbtiUC^ voi. 37, N9, 1976, p. 33-36.

77. IChOLf>p J. P. CatrLnj Jh&ie -tf}6 O-Ccttito0§ Ol 6uhn „ оDtcMCnj U-oi. 30, A/HJfty P. W-S91. СОГЛАСОВАНО*

78. Замдиректора. "АзНШШнешть" ^йр,:н^ча6й,.храбоа?е 2 области5 АУ