Руководство для обучения инженеров по буровым растворам - часть 87

 

505 

электролитным  составом.  При  замещении  иона  кальция  на  ион  натрия  подавляется 
гидратация. 

Исследования проницаемости указывают на то, что сланцы не проницаемы. 
Трудно  представить  как  ионы входят  в  эти  сланцы  и вызывают обезвоживание  или 

гидратацию.  Одна  из  теорий  -  это  теория  капиллярного  действия,  другая  -  вторжение 
флюида вдоль плотностей напластования. Ещё одна теория  - процесс осмоса - изменение 
сланцев    в  результате  перехода  воды  из  бурового  раствора  в  сланцы  или  наоборот  -  из 
сланцев  в  буровой  раствор.  При  этом  сланцы  обезвоживаются,  что  ведет  к 
растрескиванию.  Поэтому  в  некоторых  глинистых  сланцах  высокоионизированные 
буровые растворы как известковый, гипсовый или солёный, не дали хорошего результата. 
Кроме того, пресная вода из раствора на пресной воде переносится в сланцы и вызывает 
гидратацию и разрыв, т. к. сланцы содержат электролит в большой концентрации. 

При  любом  изменении  сланцы  становятся  нестабильными.  Поэтому  важно 

предотвратить  переход    воды  из  сланцев  или  в  них  из  бурового  раствора  с  помощью 
уравновешивания активности  сланцев. 

Опыт  показывает,  что  снижение  осложнений  зависит  от  регулирования  водоотдачи 

на  низком  уровне,  т.к.  высокую  водоотдачу  трудно  остановить  на  увеличивающейся 
площадью контакта при расширении ствола. 

Следующий  фактор  влияния  на  сланцевую  стабилизацию  —  рН.  Все  буровые 

растворы регулируются в щелочном режиме. рН=7,0 или больше. Доведение рН до 8,5-9,5 
улучшает  стабильность  с  соответствующим  контролем  свойств  бурового  раствора. 
Высокие  значения  рН,  например,  в  известковых  растворах,  усиливают,  а  не  снижают 
проблему. Давление внутри сланцев и падение пластов усложняет проблему. Существует 
три  фундаментальных  способа  устранения  осложнений:  1)  достаточная  плотность;  2) 
правильный диапазон рН; 3) контроль водоотдачи. 

 

Напряженные сланцы 

Эти  сланцы  характеризуются  как  гидратирующие  незначительно,  но  при  проходке 

через них могут осыпаться. Они находятся на участках диастрофического движения (при 
котором  деформируется  земная  кора,  образуя  континенты,  океаны,  горы  и  т.д.).  Сланцы 
могут быть значительно наклонены относительно горизонтальной линии, даже могут быть 
крутопадающими. На рис.2 представлены силы, действующие на пласты. Смачиваемость 
водой усугубляет проблему. 

Пластовое напряжение, вызываемое движением, увеличивает способность сланцев к 

осыпям.  Природный  цементирующий  эти  сланцы  материал  относительно  слабый.  В 
некоторых  случаях  это  аморфная  слюда,  в  других  –  алюмосиликат    или  кальциевый 
силикат или органический материал, чувствительный к нефти. 

 

506 

 

 

Рис. 2. Напряженные глинистые сланцы. 

Нестабильность 

сланцев 

может 

быть 

вызвана 

наличием 

микротрещин, 

чувствительных  к  воде.  Эти  сланцы  не  распадаются,  контактируя  с  водой,  но  в 
микротрещины  может  проникать  фильтрат  или  буровой  раствор,  ослабляя  структуру 
вдоль  плоскостей  напластования  и  вызывая  разъединение  и  осыпание.  Химическое 
ингибирование  не  полностью  устраняет  это  осложнение  как  и  буровые  растворы  с 
повышенным весом. 

Наиболее эффективная мера - это закупорка от вторжения флюида. Выполняется это 

регулированием фильтрационных свойств бурового раствора при высоких температуре и 
давлении. 

Напряженные  сланцы  не  поддаются  полному  контролю.  На  сегодняшний  день 

наилучшим  методом  борьбы  с  осложнениями  в  сланцах  является  использование 
глинистой  системы  с  низкой  величиной  «N»  и  высоким  хрупким  статическим 
напряжением  сдвига  и  поддержанием  хороших  характеристик  глинистой  корки,  а  также 
достаточной  водоотдачей.  Низкие  значения  «N»    помогут  предотвратить  осыпание 
напряженных сланцев созданием ламинарного профиля течения и очищать ствол. 

Высокое напряжение сдвига удержит сланцы во взвешенном состоянии при подъёме 

бурильной колонны не допуская падения частиц и образования перемычки. 

 

Вывод 

Один  буровой  раствор  не  решит  проблему  осложнения.  Сочетание  подходящих 

свойств  бурового  раствора,  режима  бурения  улучшит  состояние.  Предлагаются 
следующие режимы бурения. 

 

507 

1. Избегать чрезмерной скорости восходящего потока для недопущения расширения 

ствола, вызванного эрозией (иногда на низкой скорости лучше очищается ствол). 

2. Бурильную колонну держать под натяжением во избежание вибрации. 
3. Если возможно, поддерживать минимальное искривление ствола скважины. 
4, Не допускать гидравлических ударов при спуске труб. 
5. Медленно поднимать колонну из скважины. 
Многие  сланцы  со  временем  изменяются,  поэтому  важно  учитывать  время 

реагирования  ствола  скважины  с  буровым  раствором.  Время  бурения  следует  по 
возможности сокращать. 

 

ГЛАВА 16. 

Контроль давления 

Существование  пластов  с  высоким  давлением  вызывает  значительные  осложнения 

при  бурении  и  заканчивании  скважин  на  большинстве  месторождений  мира.  Неудачи  в 
регулировании  этих  давлений  во  время  бурения  и  заканчивания  могут  привести  к 
значительным  финансовым  потерям,  загрязнению  окружающей  среды,  потере  нефтяных 
запасов и даже жизни. 

Поэтому очень важно прогнозировать эти высокие давления в пластах до бурения, и 

обнаружить  пласты  и  безопасно  контролировать  давление  во  время  бурения  и 
заканчивания. 

 

Происхождение давления. 

Нормальное давление 

Нормальное давление земли - это результат гравитационных сил, выраженных весом. 

Давление  на  среднем  уровне  моря  на  экваторе  14,7.  Логично  предположить,  что  воды  и 
твёрдые тела ниже этой точки будут иметь повышенный градиент давления в результате 
большей  плотности  материала.  Плотность  измеряется  в  единицах  удельного  веса  при 
взвешивании  1    см?    воды  с  использованием  1  грамма  в  качестве  основы.  (В  нефтяном 
деле наиболее общим выражением величины плотности, веса бурового раствора, является 
фунт/галлон  с  1  галлоном  чистой  воды,  весящим  8,33  фунта).  Можно  предположить 
увеличение  давления  с  ростом глубины.  Однако  зависящее от  химических  и  физических 
изменений аномальное давление  - явление очень частое и вызывает серьёзные проблемы 
во время бурения скважин. Давлёния на глубине могут быть выше или ниже нормального 
и,  соответственно,  одинаково  вредны  с  точки  зрения  экономически  для  проектной 
глубины.  

Гидростатическое  давление  НР  -  давление  существующее  как  единица  веса 

(плотность) и вертикальная высота столба жидкости. Воздушный размер и форма колонки 
(столба)  не  имеет  эффекта,  т.к.  фактически  на  данной  глубине  давление  равно  во  всех 
направлениях. НР математически рассчитывается: 

НР = (0,052)(MW)(D) = рsi 

0,052 - коэффициент преобразования = 

фут

х

дюйм

lbs

 

MW - плотность в фунтах/гал, 
D - глубина от поверхности в ф (общая глубина). 
Градиент  гидростатического  давления  зависит  от  концентрации  растворенных 

твёрдых веществ (солей) в колонке флюида. Типичные градиенты: 

пресная вода - 0,433 рsi    /фут 
морская вода - 0,444 рsi   —"— 
солёная вода (100000 ч/млн) - 0,465 рsi   —"— 
насыщенная соленая вода — 0,520 рsi    —"— 
16 ф/гал буровой раствор — 0,832 рsi   —"— 

 

508 

Большинство  скважин  бурятся  в  осадочных  породах,  характеризующихся  солёной 

водой, поэтому для данного случая нормальным считается градиент 0,465 рsi. 

Горное давление (ОР) — давление, проявляющееся на любой данной глубине в виде 

объединенного  веса  материнской  породы  и  жидкости  порового  пространства.  Средний 
градиент горного давления в третичных отложениях Мексиканского побережья составляет 
около  1  рsi  /фут.  Это  основывается  на  20%  порового  пространства,  содержащего  воду  с 
уд.весом 1,07 и 80% глинистых сланцев  уд.весом 2,6 (рис.1). Градиент горного давления 
может  изменяться  от  площади  к  площади,  в  зависимости  от  %  порового  пространства  и 
плотности  пласта.  Эти  переменные  зависят  от  исторических  геологических  условий: 
химического состава и состояния переноса осадков. 

Пластовое  поровое  давление  (FР)  -  это  давление  флюида  в  определенном  пласте. 

Нормальное  пластовое  давление  равно  гидростатическому  давлению  жидкости. 
Отклонение от нормального гидростатического давления называется аномально (высоким) 
или аномально (низким). 

 

Аномальное давление 

Аномальное  давление  -  результат  физического  и  химического  воздействия  внутри 

земли.  Чаше  всего  оба  эти  фактора  взаимодействуют.  В  любом  случае  аномального 
давления определенная зона должна быть изолирована - сверху, с боков или снизу. 

Изоляцией  служат  слои  и  граничные  зоны  непроницаемых  пород,  препятствующие 

ослаблению давления проникновением флюидов или газов в залегающие выше зоны и на 
поверхность.  К  изолирующим  пластам  могут  относиться  плотные  сланцы,  известковый  
сланец,  сцементированный  известняк,  известковисто-сцементированный  песчаник,  туф, 
ангидрит  и  другие.  Классической  изоляцией  снизу  будут  гранитные  подстилающие 
породы. 

 Транспортировка  наносов  (валунов,  гравия,  песка  и  ила)  с  поднятых  поверхностей 

земли  в  океан  создала  осадочные  бассейны  с  помощью  ветра  и  воды.  Наносы,  
переносимые на короткие расстояния, оседают в виде крупных частиц (песок) на большое 
расстояние  -  в виде  мелких  частиц  (ила)  в  результате  истирающего  действия.  Примером 
может  служить  гравий  и  порода  в  истоке  реки  и  грязь  и  ил  на  устье.  Чередование 
периодов  с  разным  количеством  осадков  на  протяжении  столетий  объясняет  разное 
количество  песка  и  ила,  осевших  в  океане.  Илом  становится  то,  что  мы  называем 
сланцами,  следовательно,  чередующиеся  слои  песка  и  ила  создадут  многие  третичные 
бассейны (рис.2). 

Пониженные  давления  встречаются  в  зонах,  где  поровое  давление  меньше 

нормального  гидростатического.  В  этих  зонах  чаще  всего  наблюдается  поглощение 
бурового  раствора  при  бурении.  Такое  состояние  характерно  для  участков  в  Западном 
Техасе,  где  зеркало  воды  находится  на  глубине  нескольких  тысяч  футов.  Здесь 
гидростатическое  давление  бурового  раствора  превышает  поровое  давление  менее 
глубоких пород, которые проникает флюид (рис.3).