Технология изоляции горных пород термопластичными материалами при бурении скважин

А.М. Бражененко, А.А. Кожевников, А.К. Судаков, Национальный горный университет (Украина)

Об актуальности темы

Технико-экономические показатели бурения скважин в значительной мере определяются затратами времени и средств на устранение осложнений. К одному из наиболее распространенных осложнений относится поглощение промывочной жидкости. По статистическим данным на их ликвидацию расходуется до 20% средств и времени от общих расходов на сооружение скважины. Поглощение приводит к нарушению технологического режима бурения, провоцирует аварии. Анализ показывает, что в настоящее время существует большое многообразие технологий и материалов, применяемых для ликвидации поглощения промывочной жидкости. В большинстве случаев ликвидация поглощений обеспечивается тампонированием каналов отхода промывочной жидкости твердеющими или нетвердеющими тампонажными смесями путём создания водонепроницаемого экрана в породе вокруг скважины.

Как правило, для ликвидации поглощения промывочной жидкости применяются недостаточно эффективные тампонажные материалы, которые приготавливаются на водной основе с введением в их состав минераловяжущих или синтетических веществ. Основной недостатком этих материалов является то, что они обладают большой чувствительностью к разбавлению водой – растворы легко перемешиваются с промывочной жидкостью и пластовыми водами, особенно при наличии межпластового перетока. Происходит разубоживание, седиментация тампонажных растворов, ведущая к увеличению времени схватывания, растеканию на значительные расстояния от скважины и, как следствие, к перерасходу тампонажных материалов и повторению операций по тампонированию.

Подтверждением вышеприведенного могут служить данные, приведенные в работах [1–3].

В источнике [4] отмечается, что твердеющие тампонажные растворы имеют конечную прочность тампонажного камня, сопоставимую с прочностью горных пород проницаемой зоны, в силу чего эффект ликвидации поглощений может быть достигнут при радиусе заполнения каналов поглощения, измеряемом десятками сантиметров и даже сантиметрами. Для решения этой проблемы необходимо искать новые технологии, основанные на других физических процессах и других тампонажных материалах, не чувствительных к разбавлению водой (пластовым флюидом).

До настоящего времени в качестве таких материалов применялись только нефтяные битумы. К основным недостаткам битума как тампонажного материала относится его способность релаксировать во времени: при перепаде давления 0,3–0,5 МПа он способен течь даже при температуре +15°C. Расплав битума имеет плотность, близкую к плотности воды, и в среде промывочной жидкости он способен расслаиваться и всплывать. Битум плохо разбуривается и способен загрязнять буровой инструмент. Известны данные о его канцерогенности и вредном влиянии на окружающую среду. Из-за этих и других недостатков битумы не нашли широкого применения в качестве тампонажного материала.

Требования к тампонажным растворам

Тампонажные материалы должны соответствовать определённым требованиям технического, технологического и экономического характера. Их соблюдение во многом обусловливает технико-экономическую эффективность проведения работ.

Нами выделены основные требования, которые предъявляются к тампонажному материалу, применяемому для изоляции поглощающих горизонтов. Тампонажные материалы при твердении не должны давать усадки с образованием трещин, не растекаться в трещинах, обладать хорошей сцепляемостью с горными породами, быть устойчивыми к воздействию пластовых вод и перепадов давлений. Кроме того, эти материалы должны быть однокомпонентными, технологичными при доставке их в зону тампонирования, легко разбуриваться и смываться с бурового инструмента и обладать плотностью выше плотности очистного агента.

Технология изоляции поглощающего горизонта буровой скважины

В Национальном горном университете (Днепропетровск, Украина) на кафедре «Техника разведки месторождений полезных ископаемых» разработана новая технология тампонирования поглощающих горизонтов, позволяющая создавать малообъемные, непроницаемые оболочки с применением нетрадиционного тампонажного термопластичного материала.

Идея технологии заключается в создании изоляционной оболочки вокруг скважины (горной выработки), основанной на изменении агрегатного состояния тампонажного термопластичного материала (ТПМ), неразубоживаемого пластовыми водами, с низкой температурой плавления, расплав которого, проникая в каналы поглощения промывочной жидкости, затвердевает в них, образуя вокруг скважины малообъемную надежную непроницаемую изоляционную оболочку.

Отличительная особенность этой технологии состоит в том, что ТПМ с низкой температурой плавления доставляется в зону осложнения в твердом гранулированном виде, где расплавляется до жидкого состояния забойным тепловым источником. При этом промывочная жидкость, находящаяся в скважине в зоне поглощения, обязательно должна быть нагрета до температуры плавления ТПМ [5].

Таким образом, для реализации предлагаемой технологии, необходимо выполнить следующие технологические операции: доставку гранулированного ТПМ в забой скважины, локальный нагрев промывочной жидкости в призабойной зоне скважины, плавление и задавливание расплава ТПМ в каналы поглощения.

Оборудование электротепловой обработки поглощающего горизонта. Для реализации технологии тампонирования разработан специальный комплекс оборудования, позволяющий качественно и с наименьшими материальными затратами производить тампонирование каналов поглощения промывочной жидкости.

Операции по прогреванию зоны поглощения и изоляции поглощающего горизонта продолжаются несколько часов, после чего оборудование перемещается на другую скважину или базу предприятия. В соответствии с этим все оборудование размещено на самоходной транспортной базе. Для защиты оборудования от атмосферных осадков агрегат снабжен фургоном на раме, в котором вмонтированы устройства для спуска и подъема электронагревателя, контрольноизмерительные приборы, электрическое оборудование и сам нагреватель. К ближайшим аналогам такого агрегата можно отнести самоходные каротажные станции или агрегаты для электротепловой обработки нефтяных скважин.

Забойный электронагреватель [6] состоит из двух основных частей: головной части и рабочего органа (рис. 1). Головная часть, выполнена в виде стального конуса, служащего для фиксации, герметизации и подключения кабеля к трубчатым злектронагревателям (ТЭН). Рабочий орган выполнен в виде трёх U-образных ТЭНов.

Благодаря возможности погружения нагревателя непосредственно в нагреваемую жидкость обеспечивается высокой КПД установки. ТЭНы не повреждаются не вибрацией, ни ударами, и срок их службы составляет 5–8 лет. Для свободного спуска электронагревателя в скважину зазор между его корпусом и стенками скважины должен быть не менее 3 мм.

Для подвода электроэнергии к нагревателю используется грузонесущий кабель, который обладает достаточной разрывной прочностью, высокой прочностью защитной оболочки, термовлагостойкостью, маслостойкостью и имеет малое электрическое сопротивление.

Термопластичный материал. Проведенные исследования физико-механических свойств ТПМ [7] подтвердили возможность его применения в качестве тампонажного материала для изоляции поглощающих горизонтов скважин (горных выработок).

Применяемый ТПМ химически инертный, на него не действуют агрессивные воды. Он легко разбуривается и не налипает на технологический инструмент. Его физико-механические свойства не зависят от срока хранения; стоимость его сопоставима со стоимостью цемента и намного меньше стоимости синтетических смол. Благодаря низкой вязкости расплава ТПМ (6–8 сП при температуре 130–150°С) легко проникает в горные породы, имеющие незначительное раскрытие трещин (от 0,5 мм). Прочность тампонажного камня, полученного при остывании расплава ТПМ, сопоставима с прочностью цементного камня (рис. 2), причем, на ранней стадии твердения прочность ТПМ на порядок выше прочности на одноосное сжатие цементного камня.

Исследования технологии тампонирования

С учетом критериев подобия разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволивший моделировать процессы в поглощающем горизонте с различным раскрытием трещин. В результате стендовых исследований была установлена зависимость изменения температуры в поглощающем пласте от мощности электронагревателя и времени нагревания. Доказана возможность плавления ТПМ в среде нагретой скважинной жидкости. Установлена зависимость температуры жидкости от количества вводимого в нее ТПМ.

В частности, растекаемость ее в каналах поглощения незначительна, но достаточная для образования надежной изоляционной оболочки, что позволяет резко сократить расход тампонажного материала. Расплав ТПМ легко отделяется от скважинной жидкости и перетекает из скважины в поглощающий пласт. ТПМ заполняет и закупоривает трещину ступенчатыми слоями. При этом нижние слои имеют больший радиус распространения, чем верхние. Радиус распространения расплава ТПМ превышает (в 1,5–2 раза) контур температуры скважинной жидкости, равной температуре его плавления. Это объясняется тем, что скорость течения расплава ТПМ превышает скорость его остывания. Доказано, что для перекрытия каналов поглощения достаточно нагреть только скважинную жидкость до температуры, при которой обеспечивается полное расплавление всей массы ТПМ, не затрачивая времени на прогревание пласта вглубь.

В результате скважинных исследований была установлена зависимость изменения температуры скважинной жидкости по оси скважины от её глубины в различные интервалы времени (рис. 3).

Проектирование изоляции поглощающего горизонта

Комплекс работ по проектированию изоляции поглощающего горизонта термопластичным материалом с применением забойного электронагревателя состоит из следующих этапов:

- сбор и обработка геологической информации о характере трещиноватости, пластовом давлении, месте расположения и интенсивности поглощения поглощающих пластов;

- расчет необходимых размеров изоляционной оболочки и объема расплава ТПМ;

- выбор типа ТПМ и добавок к нему;

- расчет режима электротепловой обработки зоны поглощения и выбор мощности электронагревателя.

После завершения работ по изоляции поглощающего горизонта вокруг скважины в зоне осложнения должна образоваться непроницаемая оболочка диаметром D(рис. 4). Следует отметить, что растекание расплава в поглощающем горизонте – процесс многофакторный. На его величину влияют такие факторы: скважинное и пластовое давление; глубина залегания горизонта и температура расплава; связанные с температурой вязкость расплава и скорость его течения в каналах поглощения. Попытки учесть влияние всех факторов, от которых зависит предельная величина радиуса распространения расплава серы и его потребный расход, до настоящего времени не давали положительных результатов и приводили к занижению вычисляемых величин. Поэтому радиальный размер изоляционной оболочки можно определить по эмпирической зависимости, полученной на основании математической обработки результатов стендовых исследований процесса изоляции поглощающего горизонта [5]:

(1)

где R – радиус изоляционной оболочки, м; δ – среднее раскрытие трещин, м.

Среднее раскрытие трещин и коэффициент поглощающей способности горизонта определяются на основе выражений, предложенных И.И. Вахромеевым и Л.М. Ивачевым.

Расчетный радиус, а следовательно, и толщина изоляционной оболочки должны отвечать требованиям прочности. Расчеты, произведенные по методике В.И. Крылова, показывают, что минимально допустимая толщина изоляционной оболочки, созданной с применением ТПМ, должна быть в пределах 0,04–0,05 м.

Объем расплава ТПМ Sпг определяется исходя из геометрических размеров оболочки и скважности пласта по формуле Л.М. Ивачева [1]:

(2)

где D и D0 – диаметры соответственно оболочки и скважины; М – мощность поглощающего горизонта, м; m– скважность; hн– величина, учитывающая заполнение скважины расплавом ниже зоны поглощения (hн = 1–2 м); hв – величина, учитывающая необходимость заполнения расплавом скважины выше зоны поглощения (hв = 2–3 м); kк – коэффициент, учитывающий наличие каверн в скважине.

Для того, чтобы обеспечить расплавление всей массы термопластичного материала в зоне осложнения, скважинная жидкость должна быть нагрета до температуры tп, которая позволит его нагреть и расплавить. Эта температура определяется по формуле [8]:

(3)

где m1 и m2 – масса соответственно скважинной жидкости и термопластичного материала, кг; tагр – температура плавления ТПМ, °C; tт – температура скважинной жидкости в зоне поглощающего горизонта; ψ – удельная теплота плавления ТПМ, Дж/кг; c1 и c2 – удельные теплоемкости скважинной жидкости и ТПМ соответственно, Дж/(кг·°C).

Зная температуру tп, по графикам (рис. 5) можно определить необходимую мощность электронагревателя при заданной продолжительности прогревания зоны осложнения.

Определение оптимальной глубины и области применения технологии тампонирования

Общая стоимость проведения изоляционных работ при выполнении единичного тампонирования с доставкой ТПМ в контейнере зависит от затрат на спуск и подъем электронагревателя с контейнером и на нагревание скважинной жидкости до температуры ее перегрева над точкой плавления ТПМ. При этом общая стоимость Сo создания изоляционной оболочки определятся суммой:

(4)

где Стр и Сн – стоимость соответственно транспортировки электронагревателя по стволу скважины и нагревания скважинной жидкости в зоне тампонирования.

Стоимость транспортировки электронагревателя по скважине:

(5)

где Сст.ч. – стоимость станко-часа работы буровой установки, грн.; Н – глубина залегания поглощающего горизонта, м; Vс – скорость спуска электронагревателя, м/ч; g – ускорение свободного падения, м/с2; Nл – мощность привода лебедки, кВт; Q и q – масса соответственно электронагревателя и 1 м кабеля, кг.

Стоимость нагревания скважинной жидкости с учетом мощности нагревателя :

(6)

где Nн – мощность нагревателя, кВт; Сэ – стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, грн; С – геотермическая ступень, м/°C; tп – температура перегревания скважинной жидкости, °C; tн – температура нейтрального слоя, °C.

Из формул (5) и (6) следует, что с ростом глубины Н залегания поглощающего горизонта затраты на транспортировку электронагревателя в скважине увеличиваются, а на нагревание за счет естественной температуры горных пород – снижаются. Это свидетельствует о двойственном влиянии глубины выполнения тампонажных работ с применением ТПМ на их стоимость. В этой связи представляется целесообразным определить оптимальное значение глубины Н, соответствующей минимуму С0.

Исследование зависимости С0 = f (H) на экстремум с учетом выражений (5) и (6) позволило определить оптимальную глубину применения ТПМ с использованием забойных электронагревателей:

(7)

Расчёты по уравнению (7) показали, что оптимальная глубина применения предлагаемой технологии изоляции поглощающих горизонтов составляет 350–400 м.

Предлагаемая технология может быть применена при ремонте эксплуатационных скважин и ликвидации осложнений в процессе бурения разведочных, эксплуатационных и технических скважин диаметром более 76 мм, а также при проходке горных выработок любого сечения в трещиноватых устойчивых породах с раскрытием трещин не менее 0,5 мм. Максимальная глубина применения предлагаемой технологии зависит от величины геотермического градиента в скважине и равна глубине, при которой температура горных пород поглощающего горизонта станет равной температуре плавления ТПМ. В условиях Украины эта глубина составляет 3000–4000 м.

Производственные испытания технологии тампонирования поглощающих горизонтов тампонажными ТПМ

Производственные испытания технологии ликвидации поглощения промывочной жидкости тампонажными ТПМ с использованием забойного теплового источника были проведены на базе Геологоразведочной экспедиции №37 ГГП «Кировгеология» (г. Кировоград) в период с 20 по 25 сентября 1999 г. в скважине №3645 на Анновском участке. При бурении скважины методом расходометрии выявлен поглощающий горизонт в интервале 127,6–130,2 м с интенсивным поглощением промывочной жидкости. Статический уровень составил 38 м. Диаметр скважины в кровле поглощающего горизонта составил 79 мм.

По данным расходометрии были рассчитаны параметры изоляционной оболочки: раскрытие трещин – 3,1M10–3 м; радиус изоляционной завесы – 0,065 м; количество материала для изоляции 1 м поглощающего горизонта промывочной жидкости – 13,5 кг. Расход времени на проведение комплекса скважинных исследований составил 0,28 смены.

Для ликвидации осложнения в зону поглощения промывочной жидкости на грузонесущем кабеле был опущен забойный электронагреватель. После трехчасового нагревания скважинной жидкости нагревателем и его извлечения из скважины к поглощающему горизонту было доставлено 36 кг серы (время доставки составило 0,01 ст.см). После этого в течение 0,036 ст.см был осуществлен процесс плавления гранулированного ТПМ. Задавливание расплава в поглощающий горизонт осуществлялся за счет повышения давления в скважине путем доливания в нее 0,2 м3 промывочной жидкости. Контроль качества проведения тампонажных работ осуществлялся по уровню жидкости в скважине в течении 0,01 ст.см. По завершению изоляционных работ бурение продолжалось.

Поглощение было ликвидировано, выход промывочной жидкости восстановлен в полном объеме. Поглощение промывочной жидкости в интервале 127,6–130,2 м после проведения тампонажных работ с применением технологии изоляции поглощающих горизонтов термопластичными материалами не возобновлялось.

Затраты на тампонирование поглощающего горизонта составили 69,9 гривен.

По проведенной оценке экономическая эффективность от внедрения разработанного способа тампонирования поглощающих горизонтов с применением ТМП составит 459 тыс. гривен в год при объеме проведения тампонажных работ в ста скважинах.

Выводы

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной проблемы, заключающейся в разработке технологии изоляции поглощающих горизонтов термопластичными смесями, расплав которых после проникновения в каналы поглощения и последующего изменения агрегатного состояния, образует прочную изоляционную оболочку.

В ходе выполнения работ получены следующие результаты: - Разработана и обоснована рецептура тампонажной смеси, защищенная патентом Украины.

- Предложена новая технология изоляции поглощающих горизонтов тампонажными ТПМ с применением забойных тепловых источников, защищенная патентом Украины.

- Для различных геолого-технических условий разработаны технологические схемы и способы изоляции поглощающих горизонтов ТПМ, а также методика их проектирования. - На основании экспериментальных и теоретических исследований установлена оптимальная глубина применения предлагаемой технологии, а также условия изоляции поглощающих горизонтов.

- Экспериментально и расчетным путем установлена зависимость температуры нагревания скважинной жидкости от теплофизических свойств ТПМ.

- На основании аналитических исследований составлена математическая модель температурного поля, описывающая процесс теплопередачи при электротепловой обработке скважины в зоне осложнения.

- Проведена оценка и доказана экономическая эффективность применения технологии изоляции поглощающих горизонтов тампонажными ТПМ.

- Стоимость проведения технологических операций, связанных с тампонированием поглощающих горизонтов по сравнению с цементированием может быть снижена на 4500 грн. на одну операцию.

- Опытная проверка эффективности применения разработанной технологии изоляции поглощающих горизонтов ТПМ осуществлена в производственных условиях.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Рафиенко И.И. Синтетические смолы в разведочном бурении. М.: Недра, 1975. 128 с.

2. Титков Н.И. Гайворонский А.А. Изоляция поглощающих горизонтов при бурении скважин. – М.: Гостоптехиздат, 1960. – 248с.

3. Мехтиев Э.Х. Бурение скважин с очисткой забоя аэрированными жидкостями. М.: Недра, 1980. – 77 с.

4. Ивачев Л.М. Борьба с поглощениями промывочной жидкости при бурении геолого разведочных скважин. – М.: Недра, 1982.– 293 с.

5. Патент UA 21629 А, МКИ Е21 В19/00. Спосіб тампонування свердловин. / А.М.Бра жененко, М.А.Дудля, О.М.Давиденко, А.К.Судаков(UA). – № 97020756. Замовлено 20.02.97; Друк. 30.04.98; Бюл. №2.

6. Патент UA 42311А. Вибійне теплове джерело. / В.Ф.Сірик, А.К.Судаков (UA). – Друк. 30.9.00; Бюл. № 9.

7. Патент UA 40259А. МКИ Е21 В19/00. Тампонажна термопластична суміш. /А.М.Бражененко, А.К.Судаков(UA). – Друк. 30.06.00; Бюл. № 5.

8. Судаков А.К. Технология изоляции зон поглощения буровых скважин с применением термопластичных материалов. Дис. канд. техн. наук: – Днепропетровск, 2000. 204 с.