Введение к работе
Актуальность работы. Для поддержания достигнутого уровня добычи углеводородов одной из важнейших задач эксплуатации является необходимость ввода новых месторождений в осложненных горно-геологических и климатических условиях. В связи с этим возникает необходимость создания более совершенных технологических решений, позволяющих повысить качество строительства новых скважин, в т.ч. в условиях многолешемерзлых пород (ММП).
Строительство скважин в криолитозонах отличается существенными осложнениями: из-за протаивания мерзлых пород деформируются и разрушаются наземные сооружения, теряет продольную устойчивость металлическая крепь скважины, получая наклон или волнообразный изгиб в связи с исчезновением контакта обсадных труб с устьем и стенками скважины; при обратном промерзании отмечаются смятия колонны. Все это приводит к разгерметизации или разрушениям скважинного сооружения, к появлению неуправляемых каналов прорыва углеводородного флюида из пласта на дневную поверхность, что сопровождается катастрофическими последствиями и определяет актуальность проблемы не только с технической, но и с экологической точки зрения.
Упомянутые выше осложнения предопределяются некачественным бурением и креплением скважин. При строительстве скважин в многолетне-мерзлых породах (ММП) наиболее характерными и распространенными осложнениями, влияющими на качество строительства скважин, являются осыпи и обвалы пород, размыв приустьевой зоны при бурении, поглощение тампонажного раствора при цементировании и, как следствие, - низкое качество цементирования кондуктора. В дальнейшем, при освоении и эксплуатации скважин в результате протаивания вокруг устья в ММП образуются воронки — провалы, приводящие к потере продольной устойчивости конструкции скважин, разгерметизации колонн и их смятию при обратном промерзании пород.
Для профилактики этих осложнений и борьбы с ними необходимо, прежде всего, иметь детальную геолого-криологическую модель ММП: распространение, толщину и температуру, особенности строения, льдистость разреза, характеристику теплофизических свойств, лито логический состав и другие параметры. В этой связи при разработке рекомендаций по совершенствованию технологии строительства (бурения и крепления) и эксплуатации скважин должны учитываться основные особенности строения ММП, которые могут быть получены при их детальном изучении.
В нашей стране и за рубежом накоплен значительный опыт исследования этих процессов, изучены возможности управления термодинамическим состоянием скважины в интервалах залегания многолетнемерзлых пород. Однако приходится констатировать, что до настоящего времени отсутствует общепризнанная, научно обоснованная и достаточно формализованная методика поиска оптимального варианта проходки ствола, которая минимизиро-
вала бы деградацию проходимьк скважиной мерзлых пород, обеспечивала теплоизоляцию крепи скважины и позволяла гарантировать длительную безаварийную эксплуатацию скважин.
Для изучения механизма осложнений важно установить причины, выявить их взаимосвязь и оценить факторы, влияющие на динамику их развития при строительстве и эксплуатации скважин в криолитозоне. Многочисленные исследования в этой области провели: О.Ф. Андреев, Г.В. Арцимо-вич, В.В. Бабулин, Г.С. Грязное, М.А. Гудман, Н.Н. Кохманская, Ю.Ф. Мака-гон, А.В. Марамзин, РН. Медведский, П.Б. Садчиков, А.В. Просолов, А.А. Рязанов, М.В. Хомак и др.
В области теплового взаимодействия ствола скважины с мерзлым массивом научное обоснование включает прогнозирование деформационного поведения металлической крепи в функции термодинамического состояния пркскважинной зоны. Это наиболее крупный аналитический комплекс, в разработке и развитии которого участвовали: В.Т. Баловаев, Э.А. Бондарев, И.Ю. Быков, В.Ф. Буслаев, Г.Г. Габузов, Б.И. Есьман, Б.А. Красовицкий, А.Г. Колесников, Б.Б. Кудряшов, СМ. Кулиев, И.М. Кутасов, Д.В. Маршак, Р.И. Медведский, А.Г. Минко, А.В. Полозков, Ю.М. Проселков, В.В. Соловьев, А.Е. Теплов, А.И. Чарный, А.Н. Щербань и др. Именно эти исследования составляют основы научного прогноза в области выбора термозащитных методов для обеспечения надежной работы конструкций скважин в условиях многолетней мерзлоты.
Проблема повышения качества крепления и обеспечения эксплуатационной надежности газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин рассматривалась в работах Ф.А. Агзамова, А.А. Ахмедова, М.Г. Ашрафьяна, А.И. Булатова, Р.А. Гасумова, М.Ф. Каримова, Ю.П. Коротаева, М.Р. Мавлю-това, Д. Ф. Новохатского, В.В. Ремизова и других исследователей.
Цель работы. Повышение качества строительства скважин в районах распространения многолетнемерзльгх пород, обеспечивающее их длительную безаварийную эксплуатацию.
Основные задачи.
-
На основе анализа промыслового материала установить основные причины некачественного строительства скважин в условиях многолетне-мерзлых пород на примере Заполярного нефтегазоконденсатного месторождения.
-
Исследовать приоритетные технологические факторы, способствующие осложнениям при проходке и креплении в ММП.
-
Изучить строение геокриологического разреза в зонах распространения ММП и предложить зональную ее классификацию по разрезу и по площади распространения с позиций склонности к осложнениям при строительстве скважин.
-
Проанализировать доминирующие факторы теплового воздействия на мерзлые породы при бурении скважин и влияние процесса протаивания зон многолетнемерзлых пород на качество крепления скважин.
-
Обосновать требования к буровым промывочным растворам для проходки скважин в ММП и разработать рецептуры полимерглинистых буровых растворов, максимально удовлетворяющих этим требованиям.
-
Предложить на основе выполненных исследований модернизацию конструкций и технологии крепления скважин в условиях многолетних мерзлых пород.
Методика исследований. Для решения поставленных задач проведен анализ и обобщение как собственных, так и опубликованных работ, результатов промысловых исследований и измерений в скяажинах Заполярного НГКМ. Проведены теоретические и лабораторные исследования, стендовые и промысловые испытания. Проведена апробация на практике разработанных элементов технологии проходки и крепления скважин в условиях многолет-немерзлых пород.
Научная новизна.
-
Предложена градация зоны многолетнемерзлых пород по разрезу и площади, в основу которой положена склонность к осложнениям при сооружении скважин, учитывающая комплекс факторов, определяющих степень опасности осложнений: литологический состав, льдистость, тепло физические свойства, естественную температуру, пористость, проницаемость, структуру и текстуру.
-
Предложена методика расчетной оценки льдистости ММП по результатам измерения ее кажущегося электрического сопротивления на основе установленной корреляционной зависимости.
-
Выявлены доминирующие факторы агрессивного воздействия на мерзлые породы, обоснованы требования к буровым промывочным растворам и предложен метод обеспечения теплоизоляции скважины в зоне ММП в период ее сооружения.
-
Выявлена зависимость сцепления цементного камня с колонной и породой от значения активного гидростатического давления в кольцевом пространстве скважин в процессе ожидания затвердения цемента, позволяющая обеспечить качество крепи скважин за счет формирования теплоизоляционного экрана в зоне многолетнемерзлых пород.
Защищаемые положения.
-
Геокриологическая модель зоны многолетнемерзлых пород.
-
Полимерглинистый раствор для бурения скважин в многолетнемерзлых породах.
-
Способ теплоизоляции скважин в зонах многолетнемерзлых пород.
-
Способ цементирования эксплуатационной колонны в условиях многолетнемерзлых пород.
Практическая значимость работы. Разработан комплекс технико-технологических решений, направленных на повышение качества крепления скважин в условиях многолетнемерзлых пород:
1. Предложена методика разделения многолетнемерзлых пород на пачки с выделением участков, в различной степени склонности к осложнениям при строительстве скважин.
-
Предложен полимерглинистый буровой промывочный раствор для бурения скважин в многолетнемерзлых породах, в наименьшей мере оказывающий отрицательное влияние на ММП и крепление скважин.
-
Усовершенствован способ теплоизоляции скважин в зонах многолетнемерзлых пород.
-
Усовершенствована технология цементирования эксплуатационной колонны в условиях многолетнемерзлых пород.
-
Даны предложения по модернизации конструкций скважин.
-
Полученные результаты исследований успешно применяются на газовых и газоконденсатных скважинах Заполярного НГКМ.
Основные положения и рекомендации диссертационной работы могут быть использованы при составлении технических проектов на строительство скважин в криолитозонах.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин» (технические науки) и п. 2. области исследований в диссертационном исследовании рассмотрены задачи изучения строения ММП по разрезу и по площади распространения с позиций склонности к осложнениям, а также теплового воздействия бурового раствора на мерзлые породы при бурении скважин.
Апробаиия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на секциях научно-технического Совета ОАО «Газпром» (Ставрополь, 2005 г.); на Ученом Совете ОАО «СевКавНИПИгаз» (Ставрополь, 2006 г.), на международных научно-практических конференциях: «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин» (Кисловодск, 2005 г.), «Проблемы добычи газа и газового конденсата» (Кисловодск, 2006 г.), «Проблемы добычи газа и газового конденсата» (Кисловодск, 2007, 2008 гг.); научно-практических конференциях молодых специалистов и ученых ОАО «СевКавНИПИгаз» (Ставрополь, 2006 г., 2007 г.), на кафедре «Геофизика, техника разведки и бурение нефтегазовых скважин» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический университет) (Новочеркасск, 2006г.), на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 2007 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных изданиях, в т.ч. в 5 изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 189 страницах текста, иллюстрируется 25 рисунками и сопровождается списком использованных литературных источников из 88 наименований.
При работе над диссертацией автор пользовался советами и консультациями: кандидатов наук Ю.В. Тернового, В.Г. Мосиенко, Ю.А. Воропаева; докторов наук, профессоров К.М. Тагирова, А.Я. Третьяка, А.А. Переймы и др. Всем им автор глубоко признателен.
