автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка минерализированных растворов с адгезионным кольматантом для сохранения устойчивости глинистых пород при бурении

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОПЫТА БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РАЗВЕДОЧНЫХ ПЛОЩАДЕЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА.

1.1. Типизация осложнений при бурении в глинистых породах.

1.2. Свойства глинистых пород региона.

1.2*I» Литолого-минералогическая характеристика

1*2«2. Физико-механические свойства

1.3» Промывочные жидкости.

1.3.1. Глинистые растворы.

1.3.2. Буровые растворы с конденсированной твердой фазой.

1.3.3. Растворы на нефтяной основе . ••••

1.4« Влияние промывочных жидкостей на изменение свойств глинистых пород в приствольной зоне ••.*••

1.4.1. Противодавление столба промывочной жидкости

1.4.2» Влияние состава промывочной жидкости на разупрочнение глин

1.4.3. Методы оценки физико-химического взаимодействия глинистых пород с промывочными жидкостями . . • •

1.5» Цели и задачи исследований

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

ZЛ• Разработка методики и устройства для оценки параметров капиллярной фильтрации в глинистых породах

2.1.1« Математическая модель процесса.

2.1.2. Приготовление модели фильтрационного канала •

2.1.3. Устройство и методика определения показателей капиллярной фильтрации

2.2. Устройство и методика измерения давления набухания

2.3. Устройство и методика акустического исследования прочностных характеристик пород при их взаимодействии с жидкостями

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ ЩЦКОСТЕЙ С ГЛИНАМИ. 75 ЗЛ. Исследование капиллярной фильтрации жидкостей в глинах.

3.1.1. Особенности капиллярной фильтрации в различных глинах.

ЗЛ«2. Капиллярная фильтрация электролитов *

3.1.3. Капиллярная фильтрация органических химреагентов.

3.1.4« Капиллярное увлажнение глин буровыми растворами • • « III

3.2. Исследование давления набухания глин в буровых растворах

3*2.1. Влияние обработки стабилизаторами.

3.2.2« Влияние содержания электролитов.IIB

3.2.3« Зависимость давления набухания от типа и фильтрационных свойств буровых растворов *

3*3. Акустические исследования прочностных характеристик глинистых пород при взаимодействии с промывочными жидкостями

3.3.1« Акустические характеристики буровых растворов и глинистых пород • •«.«.

3.3.2. Влияние неорганических электролитов на изменение акустических характеристик глин.• . . •

3.3.3. Влияние химической обработки растворов на изменение акустических характеристик глин.

3.4. Разработка и исследование рецептуры ингибирующей про» мывочной жидкостей.

3.4.1. Обоснование компонентного состава промыврчной жидкости . . •••«

3«4.2. Оценка ингибирующей способности буровых растворов с адгезионным кольматантом

3.4.3. Оценка технологических свойств ингибирующей про* мывочной жидкости •

4. ИСПЫТАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Испытание рекомендаций в условиях полигонного эксперимента .••••.•••.••••••.•

4.2, Регулирование ингибирувдих свойств буровых растворов добавками электролитов.

4.3. Внедрение минерализованных буровых растворов обработанных адгезионным кольматантом.

5. ШВОДЫ

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 последовательности; ИНАС1 , КС1, МаС1 , 1<С1; двухвалентных- ВаС12, 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, нефтепродукты- остальное. 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 породах- с предварительным набуханием, ускоряющим процессы пластической деформации и приводящим к сужениям скважины, сальникообразо-ваниям, загущению раствора и т.п.; в высоколитифицированных породах- без "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.

1. АВЕТИСЯН Н.Г., ШЕМЕТОВ В.Ю. Принципы выбора водоотдачи бурового раствора при бурении в неустойчивых породах- "Тр.ВНИИКР", 1980, №18, 109—112.

2. АДЕЛЬ И.П., Г0Р0ДН0В В.Д., КЛИМЕНКО З.К., ЛИПСОН Э.А. Опыт применения малосиликатного глинистого раствора при бурении скважины СГ-1 Аралсор. РНТС, сер. "Бурение", №3, ВНИИОЭНГ, М.,1967, с. 13-17.

3. АДЕЛЬСОН И.В. Борьба с обвалами при бурении нефтяных и газовых скважин. Тематический научно-технический обзор, сер."Бурение',' ВНИИОЭНГ, М., 1974, с.4-14.

4. АДЕЛЬСОН И.В., ЕВСТИГНЕЕВ Ю.Н., КЕЙБАЛ A.C. Прибор для исследования кинетики самопроизвольного раскрытия слоистых пород. -Реф.сб. "Нефтяные маностроения", №2, ЦИНТИХимнефтемаш, М.,1974, C.II-I2.

5. АЛЕКСАНДРОВ В.Б., ЖЕЛТУХИН Ю.Л., ГРИНБЕРГ М.Э.,ГРУЗМАН Э.Э., КУЗНЕЦОВ О.Л. Использование акустического каротажа при разработке залежей открытыми стволами скважин",- "Нефтяное хозяйство", 1979, №6, с.47-51.

6. АНАНЬЕВ А.Н., ВЕКСЛЕР Л.И.,ГРЕБЕННИКОВ П.П., ГРИЦЕНКО И.А., ДУ-ХОН П.Ю., ЛИПКЕС М.И., ЛИТВИШКО В.Г., МАЙОРОВ И.К., ПУСТОВА-ЛОВ В.И., ФЕРШТЕР A.B. "Бурение и крепление скважин в соленос-ных отложениях". М., ВНИИОЭНГ, 1972, с.34-61.

7. АНГЕЛОПУЛО O.K. Кальциевые глинистые растворы. М., Гостоптех-издат, 1962, с.64.

8. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Дефектоскопия скважин.- "Нефтяник", №8, М., "Недра", 1976.

9. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Акустический метод изучениявзаимодействия пород с буровыми растворами. РНТС ВНИИГазПром, "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", №4, 1976.

10. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Взаимодействие глин с минерализованными буровыми растворами.- РНТС ВНИИГазПром "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", №6, 1977.

11. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Взаимодействие глин с минерализованными буровыми растворами. Реф.сб. "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", вып.6, ВНИИГазПром,M.,1977,с.24-25.

12. АНГЕЛОПУЛО O.K. Гидрогель магния- новый тип неглинистого бурового раствора для проводки нефтегазовых скважин в сложных геологических условиях.- Депонирована ВНИИГазПромом, № 194Д, M., 1977, с.58.

13. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Исследование неустойчивого поведения пород в глубоких скважинах на некоторых площадях Прикаспийской впадины.- Москва, 1977, с.49. Рукопись представлена КазНИГРИ. Деп. в ВНИИЭГазПроме 30 дек, 1977, №208Д.

14. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Новые исследования КазНИГРИ в области буровых растворов.- "Нефтяник", № 12, М., "Недра",1979.

15. АРАБАДЖИ М.С., ВАРЛАМОВ В.Г., МИЯНИЧУК B.C. Закономерности распределения минерализации пластовых вод подсолевого комплекса восточного борта Прикаспийской синеклизы. "Нефть и газ", Изв. ВУЗов, 1983, №8, с.3-8.

16. АХМАДЕЕВ Р.Г. Физико-химические исследования глин в связи с их устойчивостью при бурении скважин.- Дисс.канд.техн.наук. УДН им.Патриса Лумумбы, M., 1970.

17. АХМАДЕЕВ Р.Г. Особенности бурения скважин в глинистых породах. В обзоре ВИНИТИ "Итоги науки и техники", сер."Разработка нефтяных и газовых месторождений", т.9, M., 1977, с.

18. АХМАДЕЕВ Р.Г., ДАНЮШЕВСКИЙ B.C. Химия промывочных и тампонаж-ных смесей. М., "Недра", 1981, с.152.

19. А.С. №101209А (СССР). Устройство для оценки капиллярной фильтрации (Р.Г.АХМАДЕЕВ, У.С.КАРАБАЛИН. Опубл. в Б.И., 1983, №14).

20. БАЙДЮК Б.В., ЗУБАРЕВ А.Н., ПЕРЕЯСЛОВ А.Н. Использование данных о физико-химических свойствах горных пород для оценки устойчивости стенок скважины.- Тр.ВНИИБТ, №33, M., 1975.22,23,24,25,26,27,28,29,30,31