ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН, ВСКРЫВАЮЩИХ ОТЛОЖЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ СОЛЕЙ

Материалы к изучению дисциплины

«Особенности бурения и крепления скважин в солях»

                                            Пермь – 2015

Освоение недр с использованием глубоких скважин нередко связано с вскрытием отложений горных пород, отличающихся от других пород геологического разреза аномальными свойствами. К таким породам относятся водорастворимые соли – хлориды натрия, калия и магния: каменная соль (NaCl), бишофит (MgCl₂·6H₂O), карналлит (KCl·MgCl₂·6H₂O), сильвин (KCl), сильвинит (смесь сильвина с преобладанием галита) и др. Отложения солей толщиной от первых десятков до 3 – 4 тысяч метров залегают на глубинах от нескольких метров до 5 тысяч метров. В зонах залегания солей забойная температура изменяется от 10-20 ^оС до 150-180 ^оС.

Высокая растворимость солей и их активное влияние на буровые растворы, на тампонажные растворы и формирующийся цементный камень создают значительные трудности при строительстве скважин в солевых и подсолевых отложениях.

В ряде регионов мира (Германия, Франция, Канада, США, Россия, Казахстан, Беларусь  и др.) в подсолевых отложениях известны залежи, содержащие значительные запасы нефти, газа, минеральных вод.

В условиях наличия водорастворимых солей в геологическом разрезе недр осваиваемых территорий осуществляется бурение и крепление скважин различного назначения:

1.Скважины на нефть, газ, строящиеся на разных этапах освоения месторождений углеводородов (опорные, параметрические, поисковые, разведочные, эксплуатационные);

2.Специальные скважины для сброса и захоронения жидких и твердых отходов различных производств (промышленные стоки, радиоактивные и токсичные вещества);

3.Скважины для транспортирования контейнеров с радиоактивными и токсичными веществами в выработанное пространство соляных рудников;

4.Скважины для создания и эксплуатации подземных хранилищ газа, нефти и нефтепродуктов в солевых и подсолевых отложениях;

5.Скважины для добычи солей методом растворения и выщелачивания.

                   ВИДЫ И ПРИРОДА ОСЛОЖНЕНИЙ

                  ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН В СОЛЯХ

Известно, что общим для всех скважин на нефть и газ является требование обеспечить надежное, не ограниченное во времени, разобщение эксплуатируемых глубинных углеводородсодержащих объектов (нефтяные и газовые пласты, водоносные горизонты, проницаемые пласты, искусственно созданные емкости в недрах) от выше и ниже залегающих флюидосодержащих комплексов горных пород. Такая задача удовлетворительно решается в условиях разрезов, сложенных терригенно-карбонатными породами выше кровли и ниже подошвы продуктивных пластов, но при наличии выше кровли продуктивного пласта и ниже его водорастворимых солей достижение этой цели зачастую становится проблематичным. Это обусловлено резким отличием физико-химических и физико-механических свойств солей от свойств вмещающих их терригенно-карбонатных пород.

Вещественный состав, физико-химические и физико-механические свойства, термобарические условия залегания водорастворимых солей в солесодержащей части вскрываемого геологического разреза определяют в большинстве случаев возможность возникновения различных видов осложнений на разных стадиях строительства и функционирования скважин.

Наиболее типичными являются следующие виды осложнений:

1. Кавернообразование

Основной причиной кавернообразования в является способность солей растворяться в пресных (таблицы 1,2)  и маломинерализованных водах, в водно-солевых системах, недонасыщенных по наиболее растворимой соли в открытой части ствола скважины.  Одновременно при этом создаются условия для обрушения стенок скважины в интервалах межсолевых пропластков твердых пород из-за растворения соли в кровле и ниже подошвы этих пропластков. Следствием кавернообразования по этим причинам является увеличение диаметра скважины в отдельных интервалах в 3-4 раза, а ее объема – в 2-2,5 раза.

 Таблица 1

Растворимость солей в воде (до насыщения)

       Таблица 2

Скорость растворения солей в воде, мм/час,

При постоянной скорости омывания

Сохранять близким к номинальному диаметр скважины в отложениях солей, минимизируя их растворение, необходимо для того, чтобы:

-исключить оседание и скопление шлама выбуренной породы в кавернах и тем самым предупредить осыпи, прихваты инструмента;

-исключить возможность забуривания новых стволов скважины, особенно в наклонных участках основного ствола;

-создать условия для формирования между обсадной колонной и стенкой скважины равномерного по толщине кольца цементного камня при одновременном снижении расхода тампонажного материала.

2. Сужение ствола скважины

Основной причиной этого вида осложнений является потеря устойчивости стенок скважины вследствие пластического «течения» солей. В зависимости от термобарических условий и химического состава солей пластические деформации в отложениях обычно фиксируются  с глубин 2300-2800 м для каменной соли и 1300-1500 м для бишофита при забойной температуре           .35-50 ^оС. Результатом этого вида осложнений могут явиться прихват бурильной колонны в скважине, смятие и срезание обсадных труб, полное перекрытие ствола скважины.

3. Газо-  и рапопроявление –это поступление в ствол скважины из солесодержащего пласта газа или пересыщенных растворов солей с минерализацией до 600 г/л. Чаще встречаются рапы хлоридно-натриево-кальциевые и хлоридно-натриево-магниевые плотностью 1,28-1,38 г/см³. Следствием рапопроявлений являются прихваты бурильного инструмента, а нередко и закупоривание ствола кристаллизующимися из рапы солями.

4. Коррозионное разрушение обсадных труб при наличии доступа к ним водных растворов солей. Скорость разрушения металла обсадных труб не защищенных коррозионно-стойким цементным камнем  за ними достигает величины до 3 мм/год, а при отсутствии цементного кольца она возрастает в 8-10 раз.

5. Самопроизвольное искривлениествола скважины в интервале солесодержащей части ствола скважины, нарушающее нормальный ход технологического процесса ее углубления, способствует интенсификации процесса жолобообразования на стенках скважины при проведении спуско-подъемных операций, что негативно сказывается на результатах последующего цементирования обсадных колонн в этом интервале.

6. Прихваты бурильной и обсадной колонн вследствие обрушения межсолевых пропластков твердых пород, обнажившихся в стволе скважины при растворении соли в кровле и ниже подошвы этих пропластков.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН, ВСКРЫВАЮЩИХ ОТЛОЖЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ СОЛЕЙ

При проектировании конструкции скважин, вскрывающих отложения водорастворимых солей, в перечне требований, предъявляемых к конструкции скважины [ПБНГП-2003], особое место отводится необходимости обеспечить соответствие принимаемых решений требованиям охраны недр и окружающей среды, в первую очередь за счет прочности и долговечности крепи скважины, герметичности обсадных колонн и кольцевых пространств за ними, а также разобщения флюидосодержащих горизонтов друг от друга, от проницаемых пород и дневной поверхности. Разобщению друг от друга в строящейся скважине подлежат не только зоны несовместимые по условиям проводки ствола по градиентам пластовых (поровых) давлений гидроразрыва пластов, но в обязательном порядке и зоны, несовместимые по условиям бурения вследствие наличия в них пород с аномальными свойствами. К породам с такими свойствами  относятся и водорастворимые соли.

Солесодержащая часть геологического разреза в недрах практически повсеместно разобщена от над- и подсолевого водосодержащих комплексов (пластовых вод) флюидонепроницаемыми экранами (флюидоупорами), наличием которых обеспечивается ее сохранность на протяжении сотен миллионов лет. В связи с этим логичным следует считать требование о необходимости при освоении недр восстанавливать герметичность этих флюидоупоров в случае нарушения их герметичности при проведении работ по строительству и последующей эксплуатации горных выработок, в том числе и скважин различного назначения, вскрывающих одновременно соляную толщу, над- и подсолевой водосодержащие комплексы горных пород. 

Из сказанного выше следует, что конструкция скважины должна обеспечивать невозможность доступа к солям в открытой части ее ствола пластовых вод и технологических жидкостей, способных растворять соли как в процессе углубления скважины буровыми растворами, так и в процессе цементирования обсадных колонн тампонажными растворами, размещаемыми в солесодержащей части геологического разреза. Это требование выполняется использованием в составе конструкции скважины обсадных колонн, перекрывающих надсолевой водосодержащий комплекс горных пород (кондуктор) и солесодержащую часть разреза (промежуточные колонны), причем число последних определяется с учетом термобарических и горно-геологических особенностей соляной толщи.

Конструкция глубокой нефтяной скважины, строящейся на территории Верхнекамского месторождения калийных солей (Россия, Пермский край), приведена на рисунке 1.