Техника и технология повышения долговечности крепи скважин в криолитозоне :

Краткое описание

Содержание
Введение... 6

1. Состояние качества крепления скважин в геокриологических условиях Западной Сибири... 12

1.1. Краткая геокриологическая характеристика основных нефтегазодобывающих районов... 12

1.2. Анализ и особенности крепления скважин в криолитозоне... 25

Выводы по разделу 1... 58

2. Теоретические предпосылки к разработке мероприятий

по повышению долговечности крепи скважин в криолитозоне... 61

2.1. Условия возникновения и возможные значения давления на обсадные трубы при обратном промерзании горных пород... 61

2.2. Оценка величины давления гидроразрыва массива мерзлых горных пород... 70

2.3. Анализ методик прогнозирования максимально возможных давлений на обсадные трубы при обратном промерзании... 74

2.4. Анализ результатов исследований напряженно-деформированного состояния крепи скважин... 80

2.5. Критический анализ свойств тампонажных материалов для низкотемпературных скважин... 89

Выводы по разделу 2... 110

3. Обоснование методов и методик исследований напряженно-деформированного состояния крепи скважин в криолитозоне... 112

3.1. Лабораторный стенд для исследования давления на крепь скважин при обратном промерзании... 112

3.2. Технические средства для длительного измерения давления и

3

температуры в заколонном пространстве скважин... 118

3.3 Методы и методики исследований физико-механических

*¦ свойств тампонажных материалов в условиях низких температур... 130

3.4. Оценка напряженно-деформированного состояния крепи

скважин методом конечных элементов... 134

Выводы по разделу 3... 139

4. Прогнозирование давления, возникающего при обратном промерзании заколонного пространства скважин... 140

4.1. Влияние формы, объема каверн и свойств промерзающих сред

на величину давления обратного промерзания... 140

\ 4.2. Исследование влияния релаксации льда на величину давления замерзающей жидкости в заколонном и межколонных пространствах скважин... 150

4.3. Исследование влияния гидростатического давления на величину давления замерзающей жидкости в скважине... 153

4.4. Исследование влияния внешней цементной оболочки на сопротивляемость крепи скважин смятию при обратном промерзании... 157

4.5. Промысловые исследования давления, возникающего при обратном промерзании заколонного пространства скважин... 161

Выводы по разделу 4... 168

5. Исследование напряженно-деформированного состояния крепей скважин в криолитозоне... 170

5.1. Методика расчета напряженно-деформированного состояния крепи скважин в криолитозоне... 170

5.2. Исследование напряженно-деформированного состояния крепи скважин под воздействием внешней равномерной нагрузки... 176

5.3. Исследование напряженно - деформированного состояния

\* крепи скважин при внешней локальной осесимметричной нагрузке... 189

4

Выводы по разделу 5... 199

6. Разработка мероприятий по повышению долговечности крепи скважин в криолитозоне... 201

6.1. Обоснование основных требований к свойствам тампонажного материала для низкотемпературных скважин... 201

6.2. Разработка и исследование специальных тампонажных материалов для низкотемпературных скважин... 205

6.2.1. Научное обоснование эффективности применения ЦНУБ для цементирования скважин в интервале залегания мерзлых горных пород... 205

6.2.2. Тампонажный облегченный безусадочный цементо-цеолитововый раствор для низкотемпературных скважин...

6.2.3. Разработка рецептуры облегченного расширяющегося тампонажного раствора для низкотемпературных скважин... 239

6.2.4. Разработка облегченного тампонажного раствора с повышенной седиментационной устойчивостью... 253

6.3. Методика оптимизации параметров крепи скважин в криолитозоне... 257

Выводы по разделу 6... 261

7. Результаты опытно-промышленного внедрен!» разработанных рекомендаций... 263

7.1. Производство и промышленные испытания разработанных тампонажных материалов для низкотемпературных скважин... 263

7.2. Применение компьютерного проектирования оптимальной крепи скважин в криолитозоне... 273

Выводы по разделу 7... 279

Основные выводы и рекомендации... 280

Список используемых источников... 283

Приложения... 300
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Нефтяная и газовая промышленность являются основными бюджетообразующими отраслями России. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса тесно связаны с темпами ведения геологоразведочных и буровых работ на севере и востоке нашей страны. Эффективное решение этой важной народнохозяйственной проблемы во многом определяется качественными и экономическими показателями строительства скважин в районах со сложными горно-геологическими условиями.

Основным топливно-энергетическим центром нашей страны остаются месторождения севера Западной Сибири, характеризующиеся наличием в геологическом разрезе мерзлых горных пород (МГП) мощностью до 600 м с температурой до минус 8 °С, что значительно осложняет сооружение и эксплуатацию скважин.

Многолетний отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что наличие в геологическом разрезе месторождений криолитозоны обусловливает возникновение в скважинах различных специфических осложнений и аварий таких как: интенсивное кавернообразование, размыв и просадка устья скважины, нарушение целостности крепи скважин и др.

Причины и условия возникновения указанных осложнений изучены недостаточно и определяются влиянием многообразных факторов геологического, технологического и технического характера. Исследование условий возникновения осложнений позволит разработать способы их предупреждения.

Одним из самых тяжелых по последствиям осложнений является смятие обсадных труб в интервале МГП во время длительных простоев скважин. В результате нередко возникают заколонные газопроявления, наносящие огромный ущерб экологии данного района, что порождает социальные

проблемы для малых народов Крайнего Севера. Для ликвидации последствий смятия обсадных колонн требуются большие дополнительные затраты. Только на территории Западной Сибири уже зарегистрировано 38 скважин, в которых произошло смятие обсадных колонн, причем 20 из них пришлось ликвидировать.

Проблемами качественного крепления скважин на месторождениях Крайнего Севера продолжают заниматься ведущие заинтересованные зарубежные компании и отечественные предприятия. Однако, несмотря на более чем полувековой опыт, проблема повышения долговечности крепи скважин в криолитозоне остается актуальной.

Для предупреждения смятия крепи скважин предложены различные технические решения, но вследствие их значительной трудоемкости и низкой надежности они практически не применяются.

Одним из эффективных решений этой проблемы является создание надежной крепи скважин. При этом обязательным условием ставится качественное цементирование обсадных колонн в интервале МГП.

Несмотря на имеющиеся решения задач о напряженно-деформированном состоянии (НДС) крепи скважины не выявлены важные особенности ее работы в криолитозоне, существенные для принятия решений при выборе обсадных труб, тампонажного материала и технологии крепления.

Выпускаемые отечественной промышленностью обычные тампонажные цементы малопригодны в этих условиях. Особенно это относится к облегченным тампонажным материалам. Применяемые облегчающие добавки в основном не участвуют в процессе гидратации цемента и требуют повышенного водосодержания, что отрицательно влияет на основные свойства формирующегося тампонажного камня.

Актуальность проблемы требует научного обоснования и практического решения вопросов оптимизации крепи скважин в криолитозоне, разработки и промышленного производства специальных тампонажных материалов для

цементирования низкотемпературных скважин, чему и посвящена настоящая работа.

Основные этапы работы выполнялись в рамках отраслевых программ «Геолог» («Ускорение научно-технического прогресса в строительстве поисковых скважин на нефть и газ в Западной Сибири»), «Шельф» («Разработать и внедрить прогрессивную технологию и технические средства добычи нефти и газа на континентальном шельфе с различными природно-климатическими условиями»), гранта ТюмГНГУ на разработку научно-исследовательского проекта («Исследование напряженно-деформированного состояния крепей скважин и оптимизация их конструкций»).

Цель работы

Повышение качества крепления скважин в сложных геокриологических условиях месторождений Крайнего Севера на основе разработки и внедрения эффективных технических средств и технологий.

Основные задачи исследований

1. Обобщение имеющихся представлений об условиях возникновения и величинах давления на крепь скважин в криолитозоне.

2. Оценка величин наружных давлений, действующих на крепь скважин при обратном промерзании массива горных пород.

3. Исследование напряженно-деформированного состояния крепи скважин в интервале залегания мерзлых горных пород.

4. Разработка требований к свойствам тампонажных материалов для цементирования обсадных колонн скважин в криолитозоне.

5. Разработка рецептур тампонажных растворов для цементирования обсадных колонн в условиях отрицательных и низких положительных температур.

6. Разработка методики оптимизации параметров крепи скважин в криолитозоне.

7. Промышленная апробация и внедрение разработанных мероприятий по повышению долговечности крепи скважин в криолитозоне. Научная новизна

1. Предложена модель возникновения избыточного давления на крепь при обратном промерзании водосодержащих масс в заколонном пространстве скважин и сделано сопоставление с известными моделями.

2. Предложена и подтверждена результатами натурных исследований эмпирическая формула для определения давления, действующего на крепь скважин при обратном промерзании в диапазоне температур от минус 2 °С до минус 4 °С.

3. Определено влияние параметров крепей скважин на их напряженно-деформированное состояние при воздействии внешней распределенной и локальной осесимметричной нагрузках, возникающих при обратном промерзании.

4. На основе системного подхода, который включает в себя следующие положения: обоснование необходимого количества обсадных колонн в крепи скважин; выбор тампонажного материала; оценка величины давления обратного промерзания; расчет напряженно-деформированного состояния крепи скважин, разработана методика оптимизации параметров крепи скважин в криолитозоне с позиции прочности. В качестве целевой функции предложена и обоснована стоимость крепи скважины.

Практическая ценность

1. Разработаны и изготовлены технические средства, позволяющие длительно с повышенной точностью измерять давление и температуру в заколонном пространстве скважин.

2. На основе сформулированных требований рекомендовано для цементирования промежуточных колонн, кондукторов и направлений в криолитозоне применять безгипсовый тампонажный материал ЦНУБ.

10

3. Разработаны и внедрены при участии автора рецептуры облегченных тампонажных растворов для низкотемпературных скважин:

- расширяющийся тампонажный раствор (пат. № 2204690 РФ);

- безгипсовый цементно-цеолитовый раствор (положительное решение о выдаче патента на изобретение (пат. № 2241095 РФ);

тампонажный раствор с повышенной седиментационной устойчивостью.

4. Разработана и внедрена компьютерная программа «CW», позволяющая обосновывать оптимальные параметры крепи скважин в криолитозоне при составлении нормативной документации.

5. Разработаны в соавторстве мероприятия по повышению качества крепления скважин в криолитозоне, на основе которых внедрены следующие нормативные документы:

- Технические условия «Цемент низкотемпературный седиментационно-устойчивый, безусадочный» (г. Стерлитамак 1990 г.);

- Стандарт объединения «Материал тампонажный, низкотемпературный, безусадочный» (г. Мурманск, 1991 г.);

- Стандарт предприятия «Изготовление и применение облегченных цементно-цеолитовых тампонажных растворов с повышенной седиментационной устойчивостью» (ПО «Арктикморнефтегазразведка» г. Мурманск, 1991 г.);

Инструкция «Материал тампонажный низкотемпературный, седиментационно-устойчивый, безусадочный (ЦНУБ)» (г. Красноярск, 1990 г.);

- Рекомендации по совершенствованию качества крепления обсадных колонн скважин в ПО «Арктикморнефтегазразведка (г. Мурманск, 1991 г.).

6. Разработана и внедрена при участии авторана Стерлитамакском цементном заводе технология изготовления безгипсовых тампонажных материалов. Выпущено в виде опытно-промышленных партий 680 тонн

11

цемента, которые были применены при цементировании скважин в ПО «Арктикморнефтегазразведка» и ПГО «Енисейнефтегазгеология».

7. Основные рекомендации и разработки диссертации внедрены в Карской НГРЭ, Стерлитамакском ПО «Сода», филиале «Тюменбургаз» ДООО «Бургаз» ОАО «Газпром», ПО «Арктикморнефтегазразведка», ПГО «Енисейнефтегазгеология», Сургутском УБР-1, ЗапСибБурНИПИ, НПО «Тюменразведтехнология» и используются в учебном процессе для студентов ТюмГНГУ.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Ю.С. Кузнецову, д.т.н. С.Н. Бастрикову, д.т.н., профессору Ю.Е. Якубовскому, к.т.н., профессору В.И. Кучерюку, к.т.н., доценту К.В. Сызранцевой, за консультации при обсуждении работы.

Особую благодарность и признательность автор выражает своему научному консультанту д.т.н., профессору В.П. Овчинникову.

12

1. СОСТОЯНИЕ КАЧЕСТВА КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН В ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Повышению качества крепления скважин на месторождениях Крайнего Севера посвящены многочисленные научные исследования, как в нашей стране, так и за рубежом. Однако, несмотря на более чем полувековой отечественный и зарубежный опыт сооружения скважин в районах Крайнего Севера проблема повышения их долговечности изучена недостаточно.

1.1. Краткая геокриологическая характеристика основных нефтегазодобывающих районов

Общепланетарное похолодание в позднем кайнозое привело к формированию в части земной коры криолитозоны, в которой горные породы имеют отрицательную температуру.

Криолитозона по условиям залегания и формирования в верхней части земной коры подразделяется на субаэральную область криолитозоны континентов, субмаринную область криолитозоны под акваторией полярного бассейна, прилегающих морей и субгляциальную область криолитозоны под ледниками [1].

Сплошность распространения криолитозоны по площади определяется условиями формирования температурного режима пород в слое годовых теплооборотов температур, мощностью и строением их по разрезу, наличием сквозных таликов. Распространение криолитозоны по разрезу определяется геологическим строением и тектонической структурой, условиями промерзания и их взаимодействия с пластовыми водами. В результате сформировались как непрерывно мерзлые на всю мощность, так и мерзлые двухслойные толщи, разобщенные слоем талых горных пород.

По геологическому строению криолитозона может быть представлена

13

рыхлыми отложениями кайнозойского (в основном четвертичного возраста), а также геологическими формациями до кайнозойского возраста.

По типу криогенеза в строении криолитозоны принимают участие синкриогенные и эпикриогенные горные породы. Эпикриогенные толщи пород возникают преимущественно при одностороннем промерзании сверху, после того как процесс осадконакопления завершился. Синкриогенные породы промерзают одновременно с накоплением осадков. Они всегда подстилаются эпигенетически промерзшими горными породами и наращивают свою мощность за счет поднятия верхней поверхности мерзлых пород.

Мерзлые горные породы имеют широкое распространение на Земле, встречаясь почти на всех континентах. Площадь их распространения составляет более 25 % всей суши земного шара, включая примерно 75 % территории Аляски, 63 % территории Канады и 47 % территории России. Наибольшую территорию криолитозона занимает в Азии, простираясь от северных побережий до горных районов Монголии и Китая. Субмаринная криолитозона занимает значительную часть океанической и шельфовой части арктического бассейна. Если не учитывать высокогорные области, то распространение МГП в северном полушарии можно ограничить широтой 57° [1].

Именно в этих районах открыты наиболее крупные месторождения природных углеводородов.

Трудами известных мерзлотоведов В.А. Кудрявцева, М.И. Сумгина, П.И. Мельникова, И.Я. Баранова, Б.И. Достовалова и др. установлены закономерности распространения и условия формирования криолитозоны Евразии.

В европейской части нашей страны южная граница распространения МГП начинается на Кольском полуострове, далее прослеживается до Урала, совпадая с широтой полярного круга. Большая часть криолитозоны площадью более 9 млн.кв.км. находится к востоку от Уральских гор. Здесь ее граница доходит до широтного участка р. Обь, пересекает р. Енисей, и затем резко

14

поворачивает на юг, уходя за пределы России [1] (рисунок 1.1).

В пределах Западной Сибири южная граница распространения мерзлых горных пород доходит до 59° северной широты.

Субмаринная криолитозона приурочена к территории полярного бассейна, включает океаническую и шельфовую части. По общим закономерностям распределения отрицательных температур придонного слоя воды допускается возможность распространения мерзлых пород под дном арктических морей Евразии до изобаты 100 м [2].

В работе [3] схематично представлены характерные особенности геокриологических условий для различных месторождений и перспективных площадей севера России (рисунок 1.2).

В Западно-Сибирской низменности повсеместное развитие мощных толщ МГП было установлено буровыми работами к северу от широтного течения р. Оби (первые поисковые скважины на севере Западной Сибири были пробурены в 1952 году).

Большое внимание к изучению геокриологических условий Западно-Сибирской низменности привлекло открытие на севере этого региона крупных газовых и газоконденсатных месторождений таких, как Медвежье, Уренгойское, Ямбургское, Харасавэйское, Бованенковское и др.

Криолитозона образований Западно-Сибирской плиты представлена разнообразными в возрастном и генетическом отношении комплексами. Процессы криолитогенеза различных парагенетических комплексов отложений привели к формированию двух основных генетических типов МГП: сингенетического и эпигенетического.

Обобщение геокриологической информации по территории Западной Сибири проводилось многократно. Предпринимались многочисленные попытки построения схем изменения температур, мощности и глубины залегания подошвы мерзлых пород. Основные закономерности их развития на территории Западной Сибири приведены в работах [4- 7 и др.]. В работах [4-6]

Рисунок 1.1 - Распространение мерзлоты на территории Евразии: 1 - южная граница распространения ММП; 2- изотермы -1, -3, -5, -10 С на глубине Юм; 3 - отдельные пункты ММП; 4 - островная зона мощностью ММП до 15м; 5 - то же мощность 15 - 60м; 6, 7, 8, 9 - зона ММП с мощностью до 120, 250 500м и более 500м

Многолетнемерзлые горные породы

Материков (субаэральные толщи)

Акваторий (субаквальные толщи)

Сплошные имонолитные (Н=100-500 м)

ниже-7°С

Малыгинская

Тамбейская

Харасаюйское

Бованенковское

Нейтинское

Гьщанская

М. Паютинская

Порт-Юровская

Озерное

-5..-7°С

Зимнее

Арктическое

Ямбургское

Семаковское

Нурминское

Пелятинское

Казанцевское

Н-Хетское

Ср-Ямальско«

v

Прерывистые слоистые (современные - Н=25-100 м реликтовые - Н= 100-200

Тазовское

Заполярное

С-Уренгойское

Мастахское

Толонское

Бадаранское

Неджелинское

Островные с мощной реликтовой толщей (Н=100-200 м)

Мощные реликтовые, перекрытые

охлажденными и мерзлыми

породами (Н=100-250 м)

J

Медвежье

Уренгойское

Губкинское

Юбилейное

Надымское

Ямсовейское

Комсомольское

Яро-Яхинское

Таркосалинская

Большая

Ю-Вилюйская

Ватлорская

Толькинская

Ай-Хетинская

Ср.-Надымское

Татринское

Вэнгапурское

Варьеганское

ниже -5 °С

Преображенская

Явайская

Геофизическое

Харасаюйское

Шараповская

Трехбугорное

Антипаютинская

о\

Рисунок 1.2 - Классификация геокриологических условий месторождений и площадей севера России

17

авторы подразделяют всю территорию Западной Сибири по геокриологическим условиям на три основные зоны: северную, центральную и южную (рисунок 1.3).

Северная геокриологическая зона характеризуется сплошным распространением мерзлых пород и большой их мощностью. Исключением являются морские террасы, долины рек и озер. Она включает подзоны полигенетических и эпигенетических мерзлых горных пород, ее южная граница проходит по 67° с.ш.

В первой подзоне МГП распространены на всех элементах рельефа и в мелководной части Карского моря. Мощность мерзлого массива достигает 400 -600 м, температура пород в слое годовых теплооборотов меняется в пределах от минус 8 °С до минус 5 °С. В долинах рек сплошное распространение мерзлых горных пород прерывается псевдоталиками под озерами и руслами рек. Полигенетическая (сингенетический горизонт аллювия) мерзлая толща подстилается эпигенетически промерзшими отложениями. Мощность сингенетически промерзшего горизонта отложений изменяется в среднем от 5 до 7 метров.

Сингенетически промерзшие суглинки и супеси обладают высокой льдистостью (40-60) % по всему разрезу. Эпигенетически промерзшие суглинки и глины характеризуются высокой льдистостью (30-50) % до глубины 3-7 м, ниже количество льда в горных породах уменьшается.

В отложениях морских террас отмечаются эпигенетически жилы льда высотой 5 м и шириной 1,5-2 м, а также небольшие пласты инъекционного льда.

Эпигенетически промерзшие казанцевские глины и суглинки обладают высокой льдистостью, постепенно сокращающейся с глубиной. Содержание льда до глубины 5-10 м достигает 40-50 %; в интервале глубин 10-30 м льдистость пород уменьшается до 15 - 20 %, ниже встречаются единичные включения льда. Суглинистые отложения Салехардской равнины до глубины

Список литературы