Разработка минерализированных растворов с адгезионным кольматантом для сохранения устойчивости глинистых пород при бурении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.10, кандидат технических наук Карабалин, Узакбай Сулейменович

• Карабалин, Узакбай Сулейменович
• кандидат технических наук
• 1985

Оглавление диссертации кандидат технических наук Карабалин, Узакбай Сулейменович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОПЫТА БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РАЗВЕДОЧНЫХ ПЛОЩАДЕЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА.

1.1. Типизация осложнений при бурении в глинистых породах.

1.2. Свойства глинистых пород региона.

1.2*I» Литолого-минералогическая характеристика

1*2«2. Физико-механические свойства

1.3» Промывочные жидкости.

1.3.1. Глинистые растворы.

1.3.2. Буровые растворы с конденсированной твердой фазой.

1.3.3. Растворы на нефтяной основе . ••••

1.4« Влияние промывочных жидкостей на изменение свойств глинистых пород в приствольной зоне ••.*••

1.4.1. Противодавление столба промывочной жидкости

1.4.2» Влияние состава промывочной жидкости на разупрочнение глин

1.4.3. Методы оценки физико-химического взаимодействия глинистых пород с промывочными жидкостями . . • •

1.5» Цели и задачи исследований

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

ZЛ• Разработка методики и устройства для оценки параметров капиллярной фильтрации в глинистых породах

2.1.1« Математическая модель процесса.

2.1.2. Приготовление модели фильтрационного канала •

2.1.3. Устройство и методика определения показателей капиллярной фильтрации

2.2. Устройство и методика измерения давления набухания

2.3. Устройство и методика акустического исследования прочностных характеристик пород при их взаимодействии с жидкостями

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ ЩЦКОСТЕЙ С ГЛИНАМИ. 75 ЗЛ. Исследование капиллярной фильтрации жидкостей в глинах.

3.1.1. Особенности капиллярной фильтрации в различных глинах.

ЗЛ«2. Капиллярная фильтрация электролитов *

3.1.3. Капиллярная фильтрация органических химреагентов.

3.1.4« Капиллярное увлажнение глин буровыми растворами • • « III

3.2. Исследование давления набухания глин в буровых растворах

3*2.1. Влияние обработки стабилизаторами.

3.2.2« Влияние содержания электролитов.IIB

3.2.3« Зависимость давления набухания от типа и фильтрационных свойств буровых растворов *

3*3. Акустические исследования прочностных характеристик глинистых пород при взаимодействии с промывочными жидкостями

3.3.1« Акустические характеристики буровых растворов и глинистых пород • •«.«.

3.3.2. Влияние неорганических электролитов на изменение акустических характеристик глин.• . . •

3.3.3. Влияние химической обработки растворов на изменение акустических характеристик глин.

3.4. Разработка и исследование рецептуры ингибирующей про» мывочной жидкостей.

3.4.1. Обоснование компонентного состава промыврчной жидкости . . •••«

3«4.2. Оценка ингибирующей способности буровых растворов с адгезионным кольматантом

3.4.3. Оценка технологических свойств ингибирующей про* мывочной жидкости •

4. ИСПЫТАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Испытание рекомендаций в условиях полигонного эксперимента .••••.•••.••••••.•

4.2, Регулирование ингибирувдих свойств буровых растворов добавками электролитов.

4.3. Внедрение минерализованных буровых растворов обработанных адгезионным кольматантом.

5. ШВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка минерализированных растворов с адгезионным кольматантом для сохранения устойчивости глинистых пород при бурении»

Решениями ХХУ1 съезда КПСС и последующих Постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР Прикаспийская впадина вьщелена как высоко-* перспективная на нефть и газ область, в которой предусматривалось и осуществляется интенсивный рост объемов глубокого разведочного бурения на подсолевые отложения. Проводка скважин в этом регионе сопровождается осложнениями,связанными с геолого-техническими особенностями разреза: наличием мощных (до 4-4,5 км) соленосных отложений, аномально высоких пластовых давлений, течением пластичных глин, обвалами трещиноватых аргиллитов, агрессией пластовых флюидов, содержащих поливалентные ионы, сероводород и кислые газы и др.

В последние годы благодаря усилиям ученых и специалистов Казахстана и ведущих научно-исследовательских буровых организаций удалось существенно повысить скорости и качество глубокого бурения в сложных условиях, включая мощные хемогенно-терригенные толщи неустойчивых пород. Однако,несмотря на применение новых темно-логических приемов и средств,включая более совершенные рецептуры буровых растворов, в том числе калийно-магниевых с конденсированной твердой фазой, растворов на нефтяной основе,затраты времени на предупреждение и ликвидацию осложнений в бурении остаются высокими. В геологических предприятиях Западного Казахстана они составляют 6-11% в общем балансе календарного времени.

Особые трудности вызывают осложнения;вызванные неустойчивостью стволов скважин в интервалах глинистых пород глубокого залегания, связанные с их разупрочнением и разрушением вследствие взаимодействия с промывочными жидкостями и их фильтратами. Это обусловило необходимость проведения новых исследований, целью которых явилось повышение эффективности проводки скважин в осложненных интервалах глинистых пород за счет сохранения их устойчивости цри использовании минерализованных буровых растворов. При этом углубленно изучались вопросы гидратации глинистых пород, как одного из основных факторов»приводящих к разупрочнению глинистых пород на стенках скважин.

В результате исследований получена математическая модель капиллярной фильтрации жццкостей в щелевых каналах с набухающими стенками. Экспериментальное изучение кинетики капиллярной фильтрации жидкостей в устройстве, защищенном авторским свидетельством, подтвердило обоснованность модели.

Разработана методика выбора химического состава промывочных жидкостей для бурения в глинистых породах на основе оценки их гид-ратационных свойств. С использованием ее обоснованы рецептуры минерализованных буровых растворов,снижающих интенсивность гидратации глинистых пород на стенках скважин, и на уровне изобретения разработан состав адгезионной кольматиругацей добавки в буровые растворы для проводки скважин в интервалах осыпающихся трещиноватых и сланцеватых глинистых пород высокой степени литификации за счет подавления их капиллярного увлажнения.

Предлагаемые в диссертационной работе рекомендации по предупреждению и ликвидации осложнений, связанных с неустойчивостью глинистых пород, путем регулирования химического состава дисперсионной среды буровых растворов и введения кольматирующих добавок, успешно внедрены при бурении ряда глубоких (до 5280м) скважин в производственном геологическом объединении Турьевнефтегаз-геология". Минерализованные буровые растворы с добавками адгезионного кольматанта в 1983-1984гг. использовались в бурении в соответствии с планом внедрения научно-технических достижений и передового производственного опыта по Министерству геологии Казахской ССВ.

Работа выполнена в КазНИГРИ под научным руководством доцента Р.Г.Ахмадеева и в тесном сотрудничестве с технологическими службами производственных геологических объединений "Гурьевнефтегаз-геология" и "Актюбнефтегазгеология".

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук профессору О.К.Ангелопуло, оказывавшему постоянную помощь при выполнении работы*

Свою благодарность автор выражает также доктору технических наук профессору И.М.Аметову за ценные консультации при разработке теоретических вопросов капиллярной фильтрации.

Большую помощь в проведении исследований автору оказали сотрудники лаборатории промывочных жидкостей КазНИГРИ« Практической реализации результатов исследований в наибольшей степени способствовали главный инженер ПГО "Гурьевнефтегазгеология" А.А.Ба-рыльник и заведующая лабораторией промывочных жидкостей ЦИТС объединения Т.М.Фофонова. Автор искренне благодарит товарищей за сотрудничество*

I. АНАЛИЗ ОПЫТА БУРЕНИЯ В ГЛИНИСТЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА

Западный Казахстан в тектоническом отношении состоит из следующих крупных структурных элементов: Прикаспийской впадины, переходящей к Югу (в районе Южно-Эмбинской моноклинали и Мынсуалмас-ской структурной ступени) в Северо-Устюртскую впадину, ещё южнее которой находится Мангышлак-Устюртская система поднятий, переходящая в Южно-Мангын лак-Устюрт скую впадину [67] .

Прикаспийская впадина представляет собой огромную чашеобразную впадину, в которой накопилась мощная толща различных по составу и генезису осадочных образований, в т.ч. каменной соли. Общая мощность осадочного чехла в центральной, наиболее погруженной части впадины по геофизическим данным [42] достигает 20-25 км с тенденцией сокращения её к бортовым зонам до 5-6 км (рис.1.1.). Буровые работы в Прикаспийской впадине проводят организации Мин-нефтепрома СССР (объединение "Эмбанефть), Мингазпрома СССР (объединение "Оренбурггазпром") и Мингео Каз.ССР. Нами рассматривались особенности проводки скважин в глинистых отложениях на примере производственных геологических объединений "Гурьевнефтегазгеоло-гия" и "Актюбнефгегазгеология", выполняющих основной объём геологоразведочных работ.

Заключение диссертации по теме «Бурение скважин», Карабалин, Узакбай Сулейменович

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведен теоретический анализ гидратационных процессов в щелевых каналах, сложенных набухающими материалами« На уровне изобретения разработаны способ и устройство для исследования скорости капиллярного увлажнения глин в щелевых каналах. Создана оригинальная методика, позволяющая определить степень предельного набухания глин в различных растворах,

2, Растворы хлорвдов одновалентных металлов по степени убывания интенсивности капиллярной фильтрации в нефтеабадской гидрослюдистой глине располагаются в следующей последовательности; ИНАС1 , КС1, МаС1 , 1<С1; двухвалентных- ВаС12, СаС12, МдСЦ.

С увеличением концентрации солей положительно гвдратирующихся ионов N<1*, » Са2+, в растворе до 1Н* интенсивность капиллярной фильтрации (коэффициент А) падает« Дальнейший рост концентрации солей слабо влияет на характер изменения коэффициента А.

В бентонитовых глинах уже при малых (0,25-0,5 Н) концентрациях электролитов происходит резкое снижение интенсивности капиллярных процессов.

3, Давления набухания глин различного минералогического состава в структурированных буровых растворах всегда ниже, чем в водных растворах органических и неорганических химических реагентов» При прочих равных условиях давления набухания глин понижаются с увеличением концентрации реагентов - понизителей водоотдачи и с ростом минерализации буровых растворов, особенно, до 1Н концентрации.

4. Акустическими исследованиями влияния промывочных жидкостей на прочностные свойства пород установлено, что все водные буровые растворы разупрочняют глины. Консолидация пород вследствие "крепящего*1 действия носит вторичный характер. Интенсивность разупрочнения пород зависит от химического состава растворов и зависит от скорости капиллярной фильтрации их в породы. Добавки в раствор электролитов, связывающих свободную воду, способны снизить интенсивность разрыхления пород до уровня, сравнимого с действием органических реагентов.

5. С целью подавления гидратации трещиноватых глинистых пород высокой литификации (аргиллитов, сланцев), на уровне изобретения разработан состав адгезионного кольматанта, содержащий (в вес.%): соль поливалентного металла- 20-40; анионоактивное ПАВ- 0,5-5, нефтепродукты- остальное. Исследованы рецептуры минерализованных буровых растворов с его добавками.

6. На основании проведенного районирования осложнений, связанных с неустойчивостью глинистых пород при бурении водными растворами^ учетом стратиграфического и литологического расчленения по основным площадям Прикаспийской впадины выбраны первоочередные объекты для разработки и испытания мер по предупреждению и ликвидации осложнений при бурении скважин.

7. Экспериментально, а также в условиях полигонных и промысловых скважин подтверждено, что разупрочнение глинистых пород происходит вследствие гидратации их в среде буровых растворов и при прочих равных условиях протекает: в слаболитифицированных породах- с предварительным набуханием, ускоряющим процессы пластической деформации и приводящим к сужениям скважины, сальникообразо-ваниям, загущению раствора и т.п.; в высоколитифицированных породах- без "набухания", с ускорением процессов трещинообразования вследствие расклинивающего давления, оказываемого на породу, проникающим по трещинам и поровым каналам фильтратом бурового раствора.

Экономический эффект от использования рекомендаций при бурении скважин в ПГО "Гурьевнефтегазгеология" составил 585,77 тыс.рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Карабалин, Узакбай Сулейменович, 1985 год

1. АВЕТИСЯН Н.Г., ШЕМЕТОВ В.Ю. Принципы выбора водоотдачи бурового раствора при бурении в неустойчивых породах- "Тр.ВНИИКР", 1980, №18, 109—112.

2. АДЕЛЬ И.П., Г0Р0ДН0В В.Д., КЛИМЕНКО З.К., ЛИПСОН Э.А. Опыт применения малосиликатного глинистого раствора при бурении скважины СГ-1 Аралсор. РНТС, сер. "Бурение", №3, ВНИИОЭНГ, М.,1967, с. 13-17.

3. АДЕЛЬСОН И.В. Борьба с обвалами при бурении нефтяных и газовых скважин. Тематический научно-технический обзор, сер."Бурение',' ВНИИОЭНГ, М., 1974, с.4-14.

4. АДЕЛЬСОН И.В., ЕВСТИГНЕЕВ Ю.Н., КЕЙБАЛ A.C. Прибор для исследования кинетики самопроизвольного раскрытия слоистых пород. -Реф.сб. "Нефтяные маностроения", №2, ЦИНТИХимнефтемаш, М.,1974, C.II-I2.

5. АЛЕКСАНДРОВ В.Б., ЖЕЛТУХИН Ю.Л., ГРИНБЕРГ М.Э.,ГРУЗМАН Э.Э., КУЗНЕЦОВ О.Л. Использование акустического каротажа при разработке залежей открытыми стволами скважин",- "Нефтяное хозяйство", 1979, №6, с.47-51.

6. АНАНЬЕВ А.Н., ВЕКСЛЕР Л.И.,ГРЕБЕННИКОВ П.П., ГРИЦЕНКО И.А., ДУ-ХОН П.Ю., ЛИПКЕС М.И., ЛИТВИШКО В.Г., МАЙОРОВ И.К., ПУСТОВА-ЛОВ В.И., ФЕРШТЕР A.B. "Бурение и крепление скважин в соленос-ных отложениях". М., ВНИИОЭНГ, 1972, с.34-61.

7. АНГЕЛОПУЛО O.K. Кальциевые глинистые растворы. М., Гостоптех-издат, 1962, с.64.

8. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Дефектоскопия скважин.- "Нефтяник", №8, М., "Недра", 1976.

9. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Акустический метод изучениявзаимодействия пород с буровыми растворами. РНТС ВНИИГазПром, "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", №4, 1976.

10. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Взаимодействие глин с минерализованными буровыми растворами.- РНТС ВНИИГазПром "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", №6, 1977.

11. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Взаимодействие глин с минерализованными буровыми растворами. Реф.сб. "Бурение газовых и газоконденсатных скважин", вып.6, ВНИИГазПром,M.,1977,с.24-25.

12. АНГЕЛОПУЛО O.K. Гидрогель магния- новый тип неглинистого бурового раствора для проводки нефтегазовых скважин в сложных геологических условиях.- Депонирована ВНИИГазПромом, № 194Д, M., 1977, с.58.

13. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Исследование неустойчивого поведения пород в глубоких скважинах на некоторых площадях Прикаспийской впадины.- Москва, 1977, с.49. Рукопись представлена КазНИГРИ. Деп. в ВНИИЭГазПроме 30 дек, 1977, №208Д.

14. АНГЕЛОПУЛО O.K., КАРАБАЛИН У.С. Новые исследования КазНИГРИ в области буровых растворов.- "Нефтяник", № 12, М., "Недра",1979.

15. АРАБАДЖИ М.С., ВАРЛАМОВ В.Г., МИЯНИЧУК B.C. Закономерности распределения минерализации пластовых вод подсолевого комплекса восточного борта Прикаспийской синеклизы. "Нефть и газ", Изв. ВУЗов, 1983, №8, с.3-8.

16. АХМАДЕЕВ Р.Г. Физико-химические исследования глин в связи с их устойчивостью при бурении скважин.- Дисс.канд.техн.наук. УДН им.Патриса Лумумбы, M., 1970.

17. АХМАДЕЕВ Р.Г. Особенности бурения скважин в глинистых породах. В обзоре ВИНИТИ "Итоги науки и техники", сер."Разработка нефтяных и газовых месторождений", т.9, M., 1977, с.

18. АХМАДЕЕВ Р.Г., ДАНЮШЕВСКИЙ B.C. Химия промывочных и тампонаж-ных смесей. М., "Недра", 1981, с.152.

19. А.С. №101209А (СССР). Устройство для оценки капиллярной фильтрации (Р.Г.АХМАДЕЕВ, У.С.КАРАБАЛИН. Опубл. в Б.И., 1983, №14).

20. БАЙДЮК Б.В., ЗУБАРЕВ А.Н., ПЕРЕЯСЛОВ А.Н. Использование данных о физико-химических свойствах горных пород для оценки устойчивости стенок скважины.- Тр.ВНИИБТ, №33, M., 1975.22,23,24,25,26,27,28,29,30,31