Введение к работе
з
Актуальность исследований. Во многих нефтегазоносных регионах мира существует проблема достоверного и своевременного прогнозирования горно-геологических условий проводки и последующей эксплуатации скважин, в разрезах которых имеются соленосные и глинистые отложения с аномально высокими (сверхгидростатическими) пластовыми (АВПД) и поровыми (АВПоД) давлениями флюидов. Наличие указанных пород, несмотря на их положительную роль как покрышек залежей углеводородов (УВ), осложняет процесс формирования устойчивого ствола правильной геометрической формы. При бурении наблюдаются проявления высоконапорных рассолов (рапы) из соленосных толщ, затрудняющие углубление ствола. После спуска обсадных колонн нередки случаи их деформации вследствие повышенной подвижности соляных и глинистых образований. Поэтому научное обоснование основных геологических параметров разреза, включая глубины залегания, состав, термобарические условия пород, на стадии проектирования существенно облегчит разработку оптимальной конструкции скважины, технологию ее безаварийной проводки, крепления и тем самым будет способствовать успешному проведению поисково-разведочных работ. Актуальным является также оперативный прогноз геолого-барических условий, корректирующий осуществление технико-технологических операций на бурящейся скважине.
Проблема состоит в недостаточности знаний о свойствах, флюидогеоди-намическом состоянии и поведении соленосных и глинистых отложений в разрезах нефтяных и газовых скважин.
Цель работы. Разработка системы прогнозирования горно-геологических условий в нефтегазоносных бассейнах с аномально высокими давлениями флюидов в соленосных и глинистых отложениях, повышающей качество проектирования, надежность и безопасность проводки скважин.
Основные задачи исследований.
1 Совершенствование методики прогнозирования горно-геологических условий проводки скважин в нефтегазоносных бассейнах.
Выяснение и определение совокупности критериев, параметров, показателей горно-геологических условий недр, повышающих надежность и безопасность проводки и эксплуатации скважин, в разрезах которых содержатся соле-носные и глинистые отложения с аномально высокими давлениями флюидов.
Уточнение строения соленосных толщ.
Совершенствование и разработка методов оперативного прогнозирования соленосного разреза ниже забоя скважины.
Выявление закономерностей пространственного распределения и природы аномально высоких давлений пластовых и поровых флюидов, насыщающих глинистые и межсолевые породы.
Совершенствование и разработка методов оценки АВПД и АВПоД по данным геофизических исследований скважин (ГИС) и технологическим параметрам режима бурения.
Выявление связи аномально высоких давлений пластовых и поровых флюидов, насыщающих глинистые и межсолевые породы, с осложнениями, возникающими при формировании ствола скважины.
Исследование геологических причин нарушения крепи скважин в соленосных отложениях.
Совершенствование и разработка методов прогнозирования состояния устойчивости ствола в соленосных и глинистых отложениях.
10 Разработка методов выявления зон рапопроявлений.
Объект исследований - соленосные и глинистые отложения, вскрываемые нефтяными и газовыми скважинами.
Предмет исследований - физические процессы, протекающие в системе «скважина - массив флюидонасыщенных горных пород», оказывающие влияние на флюидопроявление, устойчивость стенок открытого ствола, обсадных колонн и герметичность крепи в соленосных и глинистых отложениях с аномально высокими давлениями флюидов.
Фактический материал. Решение поставленных задач осуществлялось автором в период 1980-2005 годов. При исследованиях использовались, главным образом, первичные фактические данные производственных организаций «Астраханьгазпром», «Гурьевнефтегазгеология», «Кавказтрансгаз», «Карачага-накгазпром», «Краснодарнефтегаз», «Кубаньгазпром», «Нижневолжскгеоло-гия», «Оренбурггазпром», «Туркменгазпром», «Узбекгазпром», «Южгеология».
В качестве полигонов для исследований использовались регионы, имеющие в геологических разрезах мощные соленосные и глинистые толщи с широким развитием зон АВПД и АВПоД: Предкавказье, Прикаспий, Средняя Азия.
Автор принимал непосредственное участие в изучении геологического строения, в особенности соленосных толщ, в обработке и анализе геологических и промыслово-геофизических материалов, данных бурения более 300 глубоких скважин, пробуренных на площадях Восточно-Кубанской, Прикаспийской, Восточно-Ставропольской впадин, Амударьинской синеклизы. Особое внимание было обращено на подготовку исходных геологических данных для обоснования и разработки конструкций скважин, регламентов и проектов на их строительство.
Методологическую основу исследований составили:
- положения философии о законах развития и познания природы, о разви
тии природно-технических систем, о научном подходе к изучению предметов,
явлений и процессов окружающей действительности;
концептуальные положения о всеобщей причинной обусловленности явлений, о многофакторном природно-техногенном характере развития процессов в течение «жизни» скважин, о ведущей роли геологических факторов в обосновании условий их проводки;
системный подход к анализу осложнений при проводке скважин как сложных инженерных сооружений и к разработке новых методических и технологических решений по качественному долговременному креплению ствола с герметизацией заколонного пространства и предотвращением неконтролируемых перетоков флюидов.
6 Методы исследований.
Теоретические методы: анализ философской, методической литературы, нормативных документов; обобщение отечественного и зарубежного опыта прогнозирования АВПД и предупреждения осложнений при проводке скважин в соленосных и глинистых толщах; анализ промысловых документов и статистических данных. Эмпирические методы: обработка результатов геофизических исследований разрезов скважин. Экспериментальные методы: лабораторные и на скважинах.
При обработке цифрового материала использовались методы математической статистики, компьютерные программы.
Научная новизна.
Новизна в теоретическом плане:
Обоснован на философско-методологическом уровне системный под
ход к прогнозированию:
горно-геологических условий недр в нефтегазоносных бассейнах;
состояния скважин на различных этапах (стадиях) их жизненного цикла.
Развиты на структурном и функциональном уровнях представления о
природно-техногенной системе «скважина - массив флюидонасыщенных гор
ных пород (п пластов)».
Новизна в методическом плане:
Установлена возможность опережающего прогноза глубин залегания межсолевых рапоносных пластов с АВПД ниже забоя скважины без извлечения бурильного инструмента.
Установлена возможность определения пластового давления в межсолевых отложениях по технологическим параметрам режима бурения или данным промежуточного каротажа при наличии информации не по всему вскрытому разрезу, а лишь в интервале исследуемого литологически обособленного пласта.
Предложено использовать для определения поровых давлений по технологическим параметрам режима бурения значения фонового коэффициента
7 аномальности давления и корректировать линию нормального изменения параметра d-экспоненты в зависимости от изменения отношения диаметров долот.
Предложено использовать для количественной оценки поровых давлений по данным ГИС графики связи между максимальным эффективным напряжением скелета породы и глубиной ее залегания, построенные для типовых разрезов исследуемых площадей или структурных зон.
Разработана методика, позволяющая повысить достоверность выявления зон рапопроявлений как по площади развития соленосной толщи, так и по ее разрезу, совмещая данную задачу с поиском залежей углеводородов.
Предложен физический критерий устойчивого состояния вскрываемых глинистых пород на стенках скважин.
Обоснована необходимость учета угла падения межсолевого пласта при определении бокового горного давления, для расчета обсадной колонны на избыточное наружное давление.
Выдвинуты и обоснованы гипотезы:
1) о деформации (смятии) обсадной колонны за счет:
неравномерного воздействия микроблоков межсолевых трещиноватых терригенно-хемогенных пород (галопелитов) в среде высоконапорного рассола (рапы);
селективного растворения калийно-магниевых солей в замкнутой каверне и одностороннего воздействия образующегося «языка»;
о роли явления дилатансии в формировании скоплений рапы;
о роли явления кавитации в рапопроявлениях из скважин;
о роли в образовании эндогенной энергии Земли циклических процессов преобразования механической энергии вращения твердого ядра в электрическую и тепловую энергии.
Новизна в прикладном плане:
Установлены в разрезе осадочного чехла Восточно-Кубанской впадины
(ВКВ) три основные зоны развития АВПоД: юрская, альбская и майкопская.
Установлена дисгармоничная складчатость в соленосной толще ВКВ в результате проявления соляной тектоники.
Доказана приуроченность основной массы рассолов (рапы) в соленосной толще к межсолевым терригенно-хемогенным пластам-коллекторам трещинного типа.
Установлена для верхнеюрской соленосной толщи ВКВ корреляционная связь между коэффициентом аномальности давления рассолов и глубиной залегания рапоносного пласта.
Установлена в ВКВ концентричная зональность распределения коэффициентов аномальности поровых давлений в глинистых подсолевых и межсолевых отложениях юрского возраста на фоне закономерного регионального повышения их значений по мере увеличения мощности и глубины залегания соленосной и глинистых толщ-флюидоупоров.
Установлена зависимость эквивалент-градиента устойчивости каменной соли от глубины ее залегания, что позволяет выбрать плотность бурового раствора, предотвращающего пластическое течение соли в ствол скважины.
Установлено, что наиболее опасными участками с позиции деформации обсадной колонны являются склоны соляных куполов с углом падения пластов от 40 до 55.
Основные защищаемые положения.
1 Методология прогнозирования горно-геологических условий недр в
нефтегазоносных бассейнах.
Метод опережающего прогноза глубин залегания межсолевых рапонос-ных пластов с АВПД ниже забоя скважины.
Методы количественной оценки поровых давлений в глинистых породах по данным ГИС и технологическим параметрам режима бурения.
Метод определения пластового давления в межсолевых отложениях.
Геологическая модель формирования зоны рапопроявления.
Методы выявления зон рапопроявления и методика их прогнозирования.
Метод оценки и прогнозирования устойчивого состояния вскрываемых глинистых пород на стенках скважин с учетом фактора времени.
Метод учета поправки на угол падения межсолевого пласта при определении бокового горного давления, для расчета обсадной колонны на избыточное наружное давление.
Практическая ценность.
Разработана и реализована при проводке глубоких скважин на нефть и газ система прогнозирования горно-геологических условий в соленосных и глинистых отложениях с аномально высокими давлениями флюидов.
Использование разработанных методов позволяет:
повысить качество проектов на строительство глубоких скважин за счет более обоснованной подготовки исходных геологических данных на стадии проектирования;
сократить непроизводительное время и снизить затраты на борьбу с осложнениями при проводке глубоких скважин за счет научно обоснованных корректив параметров вскрываемого геологического разреза;
повысить надежность расчетов обсадных колонн в соленосных отложениях за счет более полного учета параметров пород и угла падения пластов.
Реализация работы в промышленности.
Результаты исследований по теме диссертации вошли составной частью в научно-исследовательские отчеты, проекты, рекомендации, заключения, выполненные в ОАО «СевКавНИПИгаз» (ранее «СевКавНИИгаз») для предприятий нефтегазовой отрасли. Соискатель являлся ответственным исполнителем работ по прогнозированию горно-геологических условий газоносных районов, характеризующихся наличием АВПД и рапопроявлений по договорам с ОАО «Газпром» (ранее Мингазпром СССР) (№ 125/84-Г; № 101788.88; № 0254-02-2, тема 5), с производственными предприятиями «Астраханьгазпром» (№ III-10А/88.90; № 25А/91.91; № 27А/92.92), «Кубаньгазпром» (№ 32/81; № 54К/90.90; № 67К/91.91; № 23К/92.92; № 40К/93.93; № 10К/94.94), «Нижне-волжскгеология» (№ 25/87Д; № Х1Х-1Э/89.90; № Шв/90.91), «Южгеология» (№
10 XVI-3Pc/89.89; № 5Pc/90.91). В частности, выполнялась оперативная оценка поровых давлений по результатам промежуточного каротажа непосредственно на буровых скв. 258 Геологической (Азовское море), скв. 3 Прибрежной (Западно-Кубанский прогиб) с выдачей рекомендаций по корректировке плотности бурового раствора. В течение ряда лет участвовал в экспертизе альбомов конструкций скважин, технических проектов на строительство параметрических, поисково-разведочных скважин для предприятий газовой промышленности, участвовал в установлении причин осложнений и аварий, в т.ч. рапопрояв-лений, прихватов бурильного инструмента, деформаций обсадных колонн в со-леносных толщах ВКВ и Прикаспийской впадины. Выполненные работы по прогнозированию и оперативной оценке горно-геологических условий строительства скважин передавались производственным предприятиям для внедрения через проекты, заключения, протоколы научно-технических советов и др.
Разработка карточек конструкций и геолого-технических регламентов на строительство глубоких скважин с учетом прогнозных величин пластовых и поровых давлений во вскрываемых соленосных и глинистых толщах способствовали успешному строительству ряда скважин на площадях Амударьинской синеклизы (Западный Шатлык), ВКВ (Вознесенская, Восточно-Гиагинская, Восточно-Майкопская, Восточно-Тбилисская, Восточно-Хлебодаровская, Западно-Чапаевская, Кочергинская, Кошехабльская, Новоалексеевская, Скобелев-ская, Юбилейная, Южно-Братская, Южно-Соколовская), Западно-Кубанского прогиба (Береговая, Геленджикская, Гривенская, Западно-Красноармейская, Прибрежная, Слободкинская), Прикаспийской впадины (Астраханская, Ахту-бинская, Ашунская, Володарская, Воложковская, Ивановская, Имашевская, Ка-расальская, Карачаганак, Касаткинская, Прибаскунчакская, Ферсмановская, Харабалинская, Чкаловская, Южно-Астраханская, Южно-Плодовитенская).
Экономический эффект рассчитывался по результатам экономии средств на проведение гидродинамических исследований для определения коэффициентов аномальности пластовых давлений, за счет усовершенствования конструкций скважин, снижения осложненности открытого ствола скважин, сниже-
11 ния затрат на их строительство (уменьшение расхода обсадных труб, цемента, химреагентов, транспортных расходов и сокращение затрат времени), предотвращения нарушения обсадных колонн из-за проявления горного и пластового давлений в условиях неустойчивых глинистых и соленосных толщ на предприятиях «Кубаньбургаз», «Оренбургбургаз», «Астраханьбургаз».
Апробация работы.
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на выездных заседаниях научно-технического совета Мингазпрома, научно-технических конференциях, совещаниях, семинарах: «ВНИИгаз», г. Видное, 1980 г., 1981 г.; «ИГИРНИГМ», г. Ташкент, 1982; Институт геофизики им. СИ. Субботина АН Украинской ССР, г. Киев, 1982; «СевКавНИПИгаз», г. Ставрополь, 1980 г., 1983 г., 1988 г., 1990 г., 1997 г.; Ивано-Франковский институт нефти и газа, 1984 г.; ТФ ВНИИгаза, г. Ашхабад,
г.; «СевКавНИПИнефть», г. Пятигорск, 1986 г.; «УкрНИИгаз», г. Харьков,
г.; «Туркменгазпром», г. Ашхабад, 1982 г., 1989 г.; ВДНХ УзСССР, г. Ташкент, 1987 г.; «ВолгоградНИПИнефть», г. Волгоград, 1989 г.; «Гурьевнеф-тегазгеология», г. Гурьев, 1989 г.; «Астраханьбургаз», п. Аксарайский, 1989 г.; Астраханской НГРЭ, г. Астрахань, 1989 г.; «Нижневолжскгеология», г. Саратов, 1989 г., 1990 г.; координационном совете Калмыцкой республики, г. Элиста, 1990 г.; «Южгеология», г. Ростов-на-Дону, 1992 г.; «Кубаньгазпром», г. Краснодар, 1984 г., 1992 г.; «Астраханьгазпром», г. Астрахань, 1987 г.; 1989 г., 1993 г., 2002 г.; «СевКавГТУ», г. Ставрополь, 2004 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в т.ч. 4 научно-технических обзора (из них один в соавторстве), 38 научных статей (из них 29 в соавторстве), получены одно авторское свидетельство СССР (в соавторстве) и два патента РФ (в соавторстве) на изобретения.
12 Структура и объем работы.
