Способ прогнозирования разрушения эксплуатационных колонн

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 770558 А 19) (11) 1 В 47 151) ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ(71) Сибирский научно-исследовательский институт нефтяной промышленности (72) В.И.Белкин, О,М.Гарипов и С,В.Кобылинский(56) Авторское свидетельство СССР М 1260509, кл. Е 21 В 45/00, 1984.Авторское свидельство СССРМ 1399458, кл, Е 21 В 47/00, 1986.(54) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗРУШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН(57) Использование: нефтегазодобывающаяпромышленность, в частности способы проИзобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам прогнозирования места разрушения обсадных колонн эксплуатационных скважин.Известен способ прогнозирования разрушения эксплуатационных колонн 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 отдельгнозиоования места разрушения обсадных колонн эксплуатационных скважин, Сущность изобретения: на стадии проектирования 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. ные 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(1Рг Рэ.т. - экспериментальное критическоеление текучести пород, МПа;Рг, - 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;4 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 3 С от дневной поверхности к центру и северу ее (до 700 м), что говорит о недоучете влияния геологических факторов на. разрушение целостности колонн 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 навышележащие породы с большей плотностью, после чего для межблочий определяютпредельное сопротивление сдвигу и при5 превышении давления всплывающих породнад сопротивлением сдвигу делают выводоб опасности разрушения колонн.Сущность предлагаемого способа прогнозирования состоит в том, чтобы обезопа 10 сить попадание колонн скважин в наиболеенапряженные участки земной коры, особенно там, где возможн ы перемещен ия горн ыхпород, характерные для толщ с гравитационно неустойчивым залеганием слоев по 15 род,В системе с гравитационной неустойчивостью всегда имеет место Архимедова силавсплытия легких пород, действующая на вышележащие тяжелые породы с давлением20 Рв и препятствующее ей, предельно сопротивление сдвигу 7 пред., гдеРвТпред. (1)Исключением являются участки, приуроченные к межблочьям,25 Предельное сопротивление сдвигу определяется формулой;Тпред. = С + 1 Р, (2)где С - коэффициент сцепления, М )а;С=0,1 гтсж, где усж - сжимающее напря 30 жение, МПа;коэффициент внутреннего трения,Р осж 01 ЦР - эффективное давление, МПа (Р =35 =Рг- Ри);Рг - горное давление, МПа;Ри - нейтральное (поровое, гидростатическое) давление, МПа;В межблочьях слои пород еряют40 сплошность за счет разломов и разрывовбез смещений. Коэффициент стру стурногоослабления, характеризующий отношениесцепления по контактам естественных трещин к сцеплению в монолитной породе, для45 крупноблоковой трещиноватости в:реднемсоставляет 0.01, т.е, С = 0,01 (0,1 сто ж) и длямелкоблоковой трещиноватости - 0,1, т.е.С = 0,1 (0,1 Осж)Тогда формула (2) будет иметь следую 50 щий вид:для крупноблоковой трещиноватоститпред,= Осж = 0,001 гтсж + 0,0001 гтсж Р, (3)для мелкоблоковой трещиноватоститпред. = сусж = 0,01 усж + 0,001 сгс ж Р. (4)55 При гравитационно неустойчив:м залегании породы с меньшей плотностью оказывают давление на вышележащие псроды сбольшей плотностью, рассчитываемое поформуле:Ра=(У- У 1, Ц, (5) где у 1 - плотность легких пород, кг/м;з,у 2 - плотность тяжелых пород, кг/м;з.Ь - толщина слоя легких пород, м;Ра - давление, оказываемое всплывающими породами, МПа;ц - ускорение свободного падения, м/с,При выполнении соотношения Ратирад, 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 межблочья 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-космоснимков 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 тол щин ы легких пород. Измеряют сжимающеее напряжение (оож). Затем вычисляют выталкивающее давление (Ра) по формуле (5) и предельное сопротивление сдвигу (тирад) по формулам (3) или (4), При РаГпрад. 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, П р и м е р 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. 20 По данным изучения керна и ГИС толщина наиболее легких диатомитовых пород колеблется от 7 до 15 м (верхняя часть свиты), в среднем в пределах куста 42 составляет 10 м. Среднее значение плотности пород 25(3) и (5) выше приведенные значения, учитывая, что абсолютная отметка кровли диато 30 митового слоя равна 550 м, рассчитаемминимальное Ра" и максимальноептахТп рад,ать п щ 1 п п 1 ахРв = Флин )диатом, ) хоо щахх Ьдиатом.ц Гпред, = 0,001 х 35 Ц Н )в с 3)где углин" = 1,9 10 (кг/м ). удиатом"== 1,110 (кг/м )Ьдиатом Р = 10 (м), Сгсж = б (МПа).диатом 40 Н = 550 (м)уг.п. = 2,0 10 з (кг/мз), уа = 1,0 10 з (кг/м) тогда Рр" = 0,8 (МПа),тпредщ = 0 4 (МПа) т.е. Ра"тпрад" в 2 раза, что обусловило перемещение диатомитовых пород, приведших к разрушению эксплуатацлонных колонн 11-ти скважин.П р и м е р 2, С меньшей степенью детальности рассмотрим применение способа прогнозирования для куста 37 СевероВарьеганского 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 4550 55 51015 хст, "+0,0001 о,. " х(Н ,.х диатом диатом1770558 ТаблицаРаспределение скважин с нарушением герметичности обсадной колонны по интервалам глубин порываТаблица 2 герметичности, судя по геолого-промысловой информации, длительное время находится в бездействии, что говорит о ее возможной неисправности, Проведенный анализ (аналогичен рассмотренному выше длЯ К) показал, что Рв иТпред" т,е. при толщине диатомитового слоя в 7 м Рв и =0,56 МПа пРи Гпред. = 0,4 МПа, Следствием чего явилось разрушение скважин, пересекающих гравитационно неустойчивую толщу в пределах межблочья.П р и м е р 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 будет равно 3,9 МПа при минимуме 2,6 МПа, т е Рат" ( хпред вах что говорит о невоз можности всплытия или перемещения пород. Как видно из фиг. 3 поломанной на кусте 23 является единственная скважина 750, которая оказалась на пересечении межблочий, 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 прогнозированияразрушения колонн на этих кустах, то спасли бы 16 скважин,5 Предлагаемый способ прогнозирования разрушения колонн найдет широкоеприменение в тех нефтяных районах страны, где имеются слои гравитационно-неустойчивых пород, причем независимо от10 природной активности земной коры,Формула изобретенияСпособ прогнозирования разрушенияэксплуатационных колонн, включающийпроектирование сетки разбуривания сква 15 жин, измерение физических параметров пород, по которым судят об искривле,ии илисломе колонн, отл и ч а ю щи й с я тем, что,с целью повышения эффективности способа, при проектировании сетки разбурива 20 ния скважин выделяют места пересеченияграниц тектонических блоков со слоями пород, имеющих гравитационную неустойчивость, замеряют плотности и толщину этихпород и определяют давление, оказываемое25 породами с меньшей плотностью на вышележащие породы с большей плотностью, после чего для межблочий определяютпредельное сопротивление сдвигу и припревышении давления над сопротивлением30 сдвигу делают вывод об опасности разрушения колонн,1770558 акт ектор В, Петра аказ 3723 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изо 113035, Москва, Ж, Раизводственно ельский комбинат "Патент", г, Уж Гагарина, 101/79 Составитель О. ГарипоТехред М,Моргентал Подписноетениям и открытиям при ГКНТ СССская наб 4/5