Тектонические процессы и устойчивость стенок скважин

Паршукова Л.А., Дерябин А.В., Нагорный И.А.

ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»

Проблемы предупреждения и ликвидации осложнений и аварий при бурении
и креплении скважин, связанные с устойчивостью стенок скважин, до сих пор являются весьма актуальными, несмотря на постоянное усовершенствование техник и технологий строительства скважин, направленных на сокращение временных и материальных затрат, обусловленных сложностью геолого-технических условий проводки скважин.
Введение
Актуальность работы обусловлена значительной ролью современной динамики тектонических движений и инициированных ими изменений в земной коре, влияющих на устойчивость стенок скважины при бурении.
Устойчивость стенок скважин определяется начальным напряженным состоянием среды горных пород (до бурения скважины) и формированием нового напряженного состояния на стенках скважины, находящихся под давлением бурового раствора. Разница между начальным и новым напряженными состояниями может привести к развитию систем хрупких макротрещин в горной породе вблизи скважины [1].
Развитие дефектов структуры в горных породах связано также и с тектоническими явлениями земной коры. Для нее характерны периодические перестройки в разные периоды ее развития. Всей толще коры присуще блоковое строение. Колебания отдельных блоков происходят с различной интенсивностью и приводят к формированию разломов. На основе космических исследований земной коры подтверждена закономерность расположения разломов. Дешифровка космических снимков позволяет прогнозировать: фильтрационную неоднородность коллекторов, зоны осложнений проводки скважин в виде поглощений, осыпей, обвалов, осложняющих бурение скважин [2].
В последние годы метод гидравлического разрыва пласта (ГРП) с целью увеличения продуктивности скважин осуществляется практически повсеместно, что безусловно сказывается на изменении геодинамической обстановки на месторождении. Возникают новые напряженные состояния в массиве горных пород: сколовые трещины, разрывы в виде горизонтальных напряжений (сбросы), горизонтальных сдвигов (сдвиги), горизонтальных сжатий (взбросы). Все эти тектонические деформации могут влиять на устойчивость стенок скважины при бурении.
В данной статье представлены промысловые данные бурения наклонно направленной скважины с горизонтальным окончанием.

Краткие сведения о методах изучения тектонической трещиноватости горных пород
Линеаментный анализ — изучение сети линеаментов, дешифрируемых на материалах дистанционных съемок (МДС) из космоса, и линеаментной трещиноватости [3].
Линеамент — это прямолинейный элемент (или прямолинейно организованные элементы) ландшафта поверхности Земли, отражающий линейные структуры земной коры; совокупность линеаментов характеризуется разноранговостью, транзитностью, организованностью в системы.
Разноранговость — существование линеаментов разного масштаба.
Транзитность — прослеживание отдельных протяженных линеаментов и зон линеаментов без изменения ориентировки через разные генетические и возрастные категории рельефа, разные литофациальные и стратиграфические интервалы пород через различные структурно-тектонические элементы — от локальных складок до геотектонических областей.
Организованность — образование ли-
неаментами закономерных систем, ориентированных по сторонам света, равноудаленность линеаментов одного ранга друг от друга, образование закономерностей решетки линеаментов.
Перечисленные свойства убедительно доказывают неслучайную тектонически обусловленную природу линеаментов.
Задачи линеаментного анализа:
1. Прогнозирование дизъюнктивных структур:
• разного ранга — трансрегионального, регионального, районного, локального;
• разного характера — глубинных разломов, высоко- и малоамплитудных разломов, практически безамплитудных зон трещиноватости;
• на разных глубинно-стратиграфических уровнях — поверхности фундамента, нефтегазоносных (или перспективных) комплексов, продуктивных горизонтов, покрышек;
• имеющих различное нефтегазогеологическое значение — нефтегазоконтролирующее, экранирующее, флюидопроводящее — латеральное и вертикальное.
2. Оценка новейшей тектонической активности линейных структур и разделяемых ими блоков.
3. Прогнозирование зон и участков разуплотнения как зон повышенной флюидопроводимости, миграции углеводородов и улучшенных коллекторских свойств.
4. Прогнозирование пликативных структур, в том числе структур второго порядка типа валов и локальных антиклинальных структур — ловушек углеводородов.
Линеаментные структуры характеризуются современной тектонической активностью и представляют собой наложенные новообразованные или древние унаследованные активизированные дизъюнктивы.
Линеаментным анализом на этапе региональных исследований нефтегазоносных территорий изучают общие структурно-тектонические закономерности их строения:
• уточнение границ нефтегазоносных бассейнов, предварительное тектоническое и нефтегазогеологическое районирование;
• выявление региональных разрывных нарушений и оценка их проявления на разных глубинах;
• неотектоническое районирование нефтегазоносных бассейнов, выявление неотектонических блоков и их активности, установление новейшего структурного плана территории и его сравнение с древними структурными планами.
Фактические данные по строительству наклонно направленных скважин с горизонтальным окончанием на С***ном месторождении
Рассматривались скважины согласно «Индивидуальному геологическому проекту на строительство наклонно-направленных с горизонтальным окончанием скважин на С***ном месторождении» [4]. Это предопределяет литологостратиграфическую одинаковость разбуриваемых горных пород, однотипность конструкций скважин и применяемых техник и технологий строительства скважин.
С целью определения влияния тектонических деформаций на возникновение осложнений при бурении на 7 скважинах С***ного месторождения проанализированы наличие тектонических нарушений в зоне бурения скважин, потеря устойчивости стенок скважины, количество дополнительно проведенных спуско-подъемных операций СПО, превышение нормативного времени строительства скважин (табл. 1).
Табл. 1. Осложнения при бурении скважины, обусловленные тектоническими деформациями

По результатам данных таблицы 1 заключаем:
• осложнения в процессе бурения или их отсутствие можно объяснить наличием или отсутствием тектонических деформаций в зоне строительства скважин;
• отсутствие тектонических нарушений не вызывает потерю устойчивости стенок скважины, нет дополнительных СПО, а значит и нет превышения нормативного времени строительства скважин;
• наличие тектонических нарушений в зоне бурения рассматриваемых скважин приводит к потере устойчивости ствола скважин, увеличению количества дополнительно проведенных СПО, превышению нормативного времени строительства скважины;
• увеличение сроков строительства скважины напрямую зависит от дополнительного числа СПО.

Ниже приводятся фактические промысловые данные по бурению скважины № 520 наклонно направленной с горизонтальным окончанием на С***ном месторождении.
На рисунке 1 представлена выкопировка из структурной карты С***ного месторождения.
Рис. 1. Выкопировка из структурной карты С***ного месторождения

В зоне бурения скважины № 520 четко прослеживается сгущение изогипс (-2 320, -2 325, -2 330, -2 335 м) в восточном направлении. Согласно [3] сближение линий изогипс является одним из признаков тектонодинамических деформаций, приводящих к разуплотнению горных пород и нарушению их сплошности. В результате снижается устойчивость стенок скважины при бурении горных пород, что вызывает их осыпание, обвалы или вязкопластические деформации, приводящие к затяжкам, посадкам, прихватам компоновки низа бурильной колонны (КНБК).
На рисунке 2 представлена траектория бурения скважины № 520 с данными о последнем замере и плановой траектории.
Рис. 2. Плановая и фактическая траектории бурения

Последний замер (глубина по стволу — 2 666 м, угол 90°, азимут 285,65, абсолютная вертикальная глубина — -2 344,6 м).
Плановая траектория (глубина по стволу — 2690 м, угол 88°, азимут 288,04, абсолютная вертикальная глубина — -2 345,6 м).
Выход на угол 90° (план 88°) обусловлен некорректной работой системы управления КНБК РУС-Геопилот. Настроить корректную работу инженерам по телеметрии не удалось (полный подъем, смена телеметрии).
Шлам: 2 665–2 680 м 100 % алевролит, отдельные зерна кварца. 2 685–2690 м 80 % алевролит, 20 % аргиллит. Принято решение — с глубины по стволу 2 690 м коридор проводки ствола скважины № 520 должен быть: верхняя граница — а.о. 2 345,7 м, нижняя граница — а.о. 2 347,7 м. И на глубине 2 740 м по стволу выйти на плановую траекторию.
Так как плановая и фактическая траектории бурения не совпадают, было предпринято следующее: на глубину 2 735 м снизили угол фактической траектории до 87°, углубление проводилось по 10 м с вымыванием забойной пачки шлама, снижение показаний ГК в интервале 2 680–2 710 м (отдельные зерна песчаника в шламе). В интервале 2 710–2 730 м рост показаний ГК (100 % алевролит по шламу). И на глубине 2 742 м плановая и фактическая траектории совпали. На глубине 2 695 м (по стволу) — выход из коридора бурения первоначальной плановой траектории (кривая 2 (рис. 2)).

На рисунке 3 представлен геодинамический тип горизонтального сжатия, который сопровождается образованием сколовых трещин и разрывов (А-А).
Рис. 3. Зона тектонического нарушения А-А

На рисунке 3 четко прослеживается тектоническое нарушение — разрыв (линия А-А), которое представлено режимом горизонтального сжатия, приведшее к взбросу и нарушению сплошности горных пород. И это, безусловно, сказывается на уменьшении механической прочности разбуриваемых горных пород в зоне разлома.
Анализируя рисунок 3, заключаем, что на глубине 2 754 м (по стволу) достигнута верхняя граница коридора а.о. — 2 345,7 м (вне коридора пробурено 59 м). Проводится дальнейшее бурение со снижением зенитного угла до 86,5° с контролем забойной пачки шлама.
В интервале 2 780–2 805 м (по стволу) на диаграмме ГК отмечается падение показаний (шлам представлен от 10 до 90 % песчаником). В интервале 2 805–2 830 м решено набрать угол 90°. По факту на глубине 2 830 м — угол 89,7°. Продолжение бурения до 2 840 м с углом 89,7°. Исследования шлама показали: в интервале 2 805–2 810 м песчаник 60–90 %, с 2 810 до 2 830 м увеличивается доля алевритоглинистых пород.
На рисунке 4 представлены тектонические нарушения: разрыв А-А и резкое изменение угла залегания горных пород В-В.
Рис. 4. Зоны тектонических деформаций А-А и В-В

При бурении на глубине 2 778,7 м получено осложнение: при отрыве от забоя на глубине 2 774 м получили скачок давления с Рраб = 148 атм до Р = 190 атм и затяжку КНБК на 7 т от собственного веса (59 т).
При попытке вернуться на прежний забой на глубине 2 777,7 м произошел рост давления до
Р = 180 атм и посадка на 13 т. В течение последующих 5 минут давление увеличивалось до 216 атм. Компоновка поднята на 25 м. При спуске на забой на глубине 2 770 м — рост давления до 180 атм.
На рисунке 4 видно еще одно тектоническое нарушение, связанное с изменением углов падения пород вблизи плоскости сбрасывателя В-В. Возможно также наличие синергетического усиления деформационных процессов в зоне В-В, под влиянием разрыва А-А. Наличие трещин и тектонических нарушений обуславливает дефекты структуры горных пород, оказывая существенное влияние на их устойчивость. Дефекты структуры являются плоскостями скольжения обломков и осколков пород в скважину. Это и привело к последующему осложнению при бурении в виде прихвата, так как разбуриваемые горные породы представлены аргиллитами и глинистоалевролитовыми породами, которые легко разрушаются и осыпаются.
Во время попыток проработки интервала отбирался шлам (рис. 5), который представлен пластинчатым аргиллитом размером от 0,2 до 1,5 мм, глинистым алевролитом 0,5–3,0 мм 10 %, отдельными зернами угля и кварца от 1,0 до 5,0 мм.
Рис. 5. Шлам при бурении и во время проработки (ширина поля зрения 12 мм)
Устранение прихвата:
• спуск роторной компоновки без системы управления, проработка данного интервала с увеличением плотности раствора до 1,12 г/см3;
• проработка до полного выноса шлама и свободного хождения бурильного инструмента без циркуляции. Во время проработки подобраны параметры бурового раствора, обеспечивающие устойчивость стенок скважины, в соответствии с прог-
раммой промывки (до 1,2 г/см3 по согласованию с заказчиком);
• углубление на 20–30 м для прохождения опасной зоны и уточнения положения скважины № 520.
Паршукова Л.А.,
Дерябин А.В., Нагорный И.А.

ФГБОУ ВО Тюменский
индустриальный университет

parshukovala@tyuiu.ru
Материалы: фактические данные бурения наклонно направленной с горизонтальным окончанием эксплуатационной скважины на С***ном месторождении.
Методы: теоретическое изучение и анализ влияния тектонических деформаций на устойчивость ствола скважины при бурении, промысловые данные наличия тектонического нарушения (разлома), вызвавшего прихват бурильной колонны и последующее осыпание горных пород.
бурение скважин, тектонические деформации, устойчивость ствола скважины
Паршукова Л.А., Дерябин А.В., Нагорный И.А. Тектонические процессы и устойчивость стенок скважины при бурении // Экспозиция Нефть Газ. 2023. № 2. С. 33–37.
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-2-33-37
03.02.2023
УДК 622.248.5
DOI: 10.24412/2076-6785-2023-2-33-37

Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (495) 414-34-88