Способ прогнозирования разрушения эксплуатационных колонн Советский патент 1992 года по МПК E21B47/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам прогнозирования места разрушения обсадных колонн эксплуатационных скважин.

Известен способ прогнозирования разрушения эксплуатационных колени в скважинах, построенных в условиях повышенной сейсмичности земной коры, включающий фиксацию и измерение среднегодовой скорости перемещения земной поверхности и определение времени образования дефектов в колоннах 1.

Недостатки способа: во-первых, способ действителен только в районах с высокой сейсмической активностью, во-вторых, для определения среднегодовой скорости перемещения земной поверхности необходимо время, измеряемое годами, что небезопасно для целостности обсадных колонн, в- третьих, в сейсмически активных районах перемещение поверхности земной коры не всегда опасно для скважины, поскольку перемещается вся земная кора, или ее отдельные крупные блоки толщиной, намного превосходящей глубину скважины, т.е. возможно перемещение скважины совместно с тектоническими блоками без нагрузок на обсадные колонны, в-четвертых, максимально допустимая амплитуда смещения точек земной поверхности, равная 50 мм, принятая из опыта эксплуатации скважин в Азербайджане, не является универсальной, приемлемой для других нефтяных районов. Известен способ прогноза, взятый за прототип, заключающийся в прогнозировании разрушения обсадных колонн, спущенных в скважины, имеющих интервалы с пластической деформацией горных пород 2. Способ включает проектирование сетки разбуривания скважин, установку обсадных колонн в скважины, эксплуатацию скважин и определение соотношения Рэ.т.

Рг.

1,

ел

с

VI VI о ел ел

00

где Рэ.т. экспериментальное критическое давление текучести пород, МПа;

Pr - геостатическое давление в интервале залегания пластических пород, МПа, по величине которого прогнозируют деформацию пород и смятие обсадных колонн.

Недостаток способа заключается в том, что возможно только прогнозирование смятия колонн и только в интервале пластических пород На месторождениях Западной Сибири имеет место особый вид разрушения обсадных колонн. В основном разрушаются резьбовые соединения от возникающих дополнительных осевых и боковых усилий, Нарушения имеют место как в интервале пластических глинистых пород, так и в интервале скважины, перекрытом кондуктором.

Кроме того, прогнозирование невозможно до проектирования и разбуривания скважин; во-вторых, способ не действителен после ввода скважины в эксплуатацию, т.е. он применим только на этапах бурения, освоения и ввода скважин в эксплуатацию, что говорит о его малоэффективности.

В Западной Сибири (ЗС) последние полтора десятилетия с 1976 г. получили широкое распространение порывы обсадных колонн эксплуатационных и, значительно реже, разведочных скважин. Распределение скважин с нарушением целостности обсадной колонны представлено в табл. 1, из которой видно, что 67,29% потерявших целостность колонн скважин приходится на глубины менее 700 м, причем более 2/3 из них или 47,53% от общего количества скважин поломано в интервале 400-700 м.

Как было установлено исследованиями СибНИИНП, за небольшим исключением скважины, поломанные на глубинах 400- 700 м, приурочены к стометровому стратиграфическому интервалу залегания гравитационно-неустойчивой толщи пород люлинворской свиты, которая погружается от бортов ЗС от дневной поверхности к центру и северу ее (до 700 м), что говорит о недоучете влияния геологических факторов на разрушение целостности копонн скважин.

Цель изобретения - повышение эффективности способа.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем проектирование сетки разбуривания скважин, измерение физических параметров пород, по которым судят об искривлении или сломе колонн, при проектировании сетки разбуривания скважин выделяют места пересечения границ тектонических блоков со слоями пород, имеющих гравитационную неустойчивость, замеряют плотности и толщину этих пород и определяют давление, оказываемое породами с меньшей плотностью на вышележащие породы с большей плотностью, послечего для межблочий определяют предельное сопротивление сдвигу и при

превышении давления всплывающих пород над сопротивлением сдвигу делают вывод об опасности разрушения колонн.

Сущность предлагаемого способа прогнозирования состоит в том,чтобы обезопасить попадание колонн скважин в наиболее напряженные участки земной коры, особенно там, где возможны перемещения горных пород, характерные для толщ с гравитационно неустойчивым залеганием слоев пород.

В системе с гравитационной неустойчивостью всегда имеет место Архимедова сила всплытия легких пород, действующая на вышележащие тяжелые породы с давлением

Рв и препятствующее ей, предельное сопротивление сдвигу Гпред, где

Рв Тпред.(1)

Исключением являются участки, приуроченные к межблочьям.

Предельное сопротивление сдвигу определяется формулой:

Гпред С + f Р,(2)

где С - коэффициент сцепления М Та;

С 0,1 оьж, где Осж - сжимающее напря- жение, МПа;

f- коэффициент внутреннего трения,

(f

,1С)

100

Р - эффективное давление, МПа (Р Рг-Ри);

Рг - горное давление, МПа; Ри - нейтральное(поровое, гидростатическое) давление, МПа;

В межблочьях слои пород еряют сплошность за счет разломов и разрывов без смещений. Коэффициент структурного ослабления, характеризующий отношение сцепления по контактам естественных трещин к сцеплению в монолитной породе для крупноблоковой трещиноватости в среднем составляет 0,01, т.е. С 0,01 (0,1 (7Сж) и для мелкоблоковой трещиноватости - 0,1, т.е. С 0,1 (0,1аСж).

Тогда формула (2) будет иметь следую- щий вид:

для крупноблоковой трещиноватости

Гпред ОЪж 0,001 7СЖ +0,0001 Ос Р (3)

для мелкоблоковой трещиноватое™

Гпред ОЬк 0,01 Осж + 0.001 Осж Р. (4)

При гравитационно неустойчив:м залегании породы с меньшей плотностью оказывают давление на вышележащие псроды с большей плотностью, рассчитываемое по формуле:

Рв (У2- ,(5)

где yi - плотность легких пород, кг/м ;

уг - плотность тяжелых пород, кг/м ;

h - толщина слоя легких пород, м;

Рв - давление, оказываемое всплывающими породами, МПа;

q - ускорение свободного падения, м/с2.

При выполнении соотношения Рв пред. произойдут вертикальные перемещения пород, что является причиной выхода из строя скважин.

На фиг. 1, 2, 3 схематически изображены планы расположения скважин на кустах, соответственно кустам 42,37,23, где сплошной линией показаны проекции целых скважин, прерывистой - поломанных. Окончания отрезков соответствуют проекциям забоев скважин. Интервалы поломок выделены крестами, в случае неполоманных скважин (443, 817) штрихами обозначены проекции люлинворской свиты. Ось меж- блочья показана штрихпунктирной линией. Границы межблочий выделены сплошными двойными линиями.

Предлагаемый способ прогнозирования реализуют следующим образом.

На стадии проектирования сетки скважин месторождений, где известно присутствие в отдельных стратиграфических интервалах регионально выдержанных слоев с гравитационно неустойчивым залеганием пород, выделяют на основе полевой геофизики и дешифрирования аэро-космос- нимков границы тектонических блоков. Далее устанавливают места пересечения межблочий с гравитационно неустойчивыми слоями пород. В гравитационно неустойчивых толщах измеряют плотности слагающих их пород и определяют разность плотностей наиболее легких из них с вмещающими породами. Устанавливают среднее значение толщины легких пород. Измеряют сжимающее напряжение (оьж). Затем вычисляют выталкивающее давление (Рв) по формуле (5) и предельное сопротивление сдвигу (тпред.) по формулам (3) или (4). При Рв тпред. происходит всплытие наиболее легких пород в среде тяжелых вмещающих пород, что делает места (интервалы в разрезе пород с гравитационной неустойчивостью в пересечении с межблочьями) опасными для разрушения эксплуатационных колонн.

В целях предотвращения преждевременного выхода скважин необходимо проектировать кусты со скважинами, так, чтобы они закладывались на наибольшем отдалении от межблочий.

Пример 1, В качестве конкретного примера рассмотрим условия для прогнозирования разрушения эксплуатационных колонн на кусте 42 Северо-Варьеганского

месторождения (см. фиг. 1). На этом кусте 13 скважин, 11 из которых разрушено на глубинах 500-700 м (см. табл. 2), причем интервал поломки сопоставим с глубиной залегания люлинворской свиты.

Поданным полевой геофизики и дешифрирования космоснимков установлено, что куст 42 расположен на пересечении межблочий северо-восточного и северо-западного простирания, ограничивающих

крупные тектонические блоки.

Как известно, люлинворская свита сло- .жена гравитационно неустойчивыми породами. Плотность и сжимающее напряжение по данным лабораторных исследований

керна приведены в табл. 3.

По данным изучения керна и ГИС толщина наиболее легких диатомитовых пород колеблется от 7 до 15м (верхняя часть свиты), в среднем в пределах куста 42 составляет 10 м. Среднее значение плотности пород (Уг.п.), перекрывающих люлинворскую свиту ,.2,0-10 кг/м3. Тогда, подставив в формуле (3) и (5) выше приведенные значения, учитывая, что абсолютная отметка кровли диатомитового слоя равна 550 м, рассчитаем

минимальное PBmm и максимальное

max Тпред.

Pmin /,. mm ,,max

в - l/глинУдиатом . ) X

X Пдиатом. Q Гпред.1 Х 0,001 X

х асжтах + 0,0001 асжтах х (Н vrn x

диатомдиатом

х q - Н ув q).

з.

где углинтш 1,9 Ю-3 (кг/м-1): удиатомтах

1,1 103(кг/м3)- 40г.диатомср- 10 (м)7 СТсжтаХ 6 (МПа).

диатом

Н 550 (м)

УГ.П. 2,0.103 (кг/м3), ув 1,0 103 (кг/м3).

тогда Рртш 0,8 (МПа).ТпРедтах 04 (МПа) т.е. РВтт гпредтах в 2 раза, что обуслови- ло перемещение диатомитовых пород, приведших к разрушению эксплуатационных колонн 11-ти скважин.

Пример 2. С меньшей степенью детальности рассмотрим применение спо0

соба прогнозирования для куста 37 Северо- Варьеганского месторождения, где граница тектонических блоков проходит в 150-165 м от места заложения куста (см. фиг. 2). Пять из 11-ти скважин поломано, причем 4 из них разрушено в интервале залегания люлинворской свиты (на глубинах 550-750 м), а 348 скважина разрушена на глубине 1700- 1740 м. По 350 скважине нет сведений о ее

герметичности, судя по геолого-промысловой информации, длительное время находится в бездействии, что говорит о ее возможной неисправности. Проведенный анализ (аналогичен рассмотренному выше для К-42) показал, что PBmln гПрвдтах., т.е. при толщине диатомитового слоя в 7 м PBmln 0,56 МПа при Тпредтах 0,4 МПа. Следствием чего явилось разрушение скважин, пересекающих гравитационно не- устойчивую толщу в пределах межблочья.

Пример 3. На примере куста 23 (фиг. 3) рассмотрим соотношение минимального выталкивающего напряжения и максимального предельного сопротивления сдвигу для мелкоблоковой трещиноватости. При толщине диатомитового слоя в 11 м минимальное выталкивающее напряжение составит 0,88 МПа при максимуме в 1,43 МПа, тогда как максимальное сопротивление сдвигу бу- дет равно 3,9 МПа при минимуме 2,6 МПа, т.е. РВШ|П Тпред.тах что говорит о невозможности всплытия или перемещения пород. Как видно из фиг. 3 поломанной на кусте 23 является единственная скважина 750, которая оказалась на пересечении меж- блочий, где мелкоблоковая трещиноватость за счет значительного усиления ее интенсивности приближается к крупноблоковой трещиноватости, что делает ее аварийно- опасной для эксплуатационных колонн.

Таким образом, если бы заблаговременно использовали способ прогнозирования разрушения колонн на этих кустах, то спасли бы 16 скважин.

Предлагаемый способ прогнозирования разрушения колонн найдет широкое применение в тех нефтяных районах страны, где имеются слои гравитационно-неустойчивых пород, причем независимо от природной активности земной коры.

Формула изобретения

Способ прогнозирования разрушения эксплуатационных колонн, включающий проектирование сетки разбуривания скважин, измерение физических параметров пород, по которым судят об искривлении или сломе колонн, отличающийся т ем, что, с целью повышения эффективности способа, при проектировании сетки разбуривания скважин выделяют места пересечения границ тектонических блоков со слоями пород, имеющих гравитационную неустойчивость, замеряют плотности и толщину этих пород и определяют давление, оказываемое породами с меньшей плотностью на вышележащие породы с большей плотностью, после чего для межблочий определяют предельное сопротивление сдвигу и при превышении давления над сопротивлением сдвигу делают вывод об опасности разрушения колонн.

Использование: нефтегазодобывающая промышленность, в частности способы прогнозирования места разрушения обсадных колонн эксплуатационных скважин. Сущность изобретения: на стадии проек.тирова- ния сетки скважин месторождений выделяют места пересечения границ тектонических блоков со слоями пород, имеющих гравитационную неустойчивость. Замеряют плотность и толщину этих пород и определяют давление, оказываемое породами с меньшей плотностью на вышележащие породы с большей плотностью, после чего для межблочной определяют предельное сопротивление сдвигу и при превышении давления над сопротивлением сдвигу делают вывод об опасности разрушения колонн. 3 ил.

Таблица

Распределение скважин с нарушением герметичности обсадной колонны по

интервалам глубин порыва

Таблица 2

{иг. 1

Продолжение табл. 2

Таблица 3

ш

329

JS5

240

n

)

Фил 3