Способ определения зон аварийного смятия обсадных колонн

(56) Войтенко В.С. и др. Прогнозскорости сужения ствола скважинстических деФормациях пород. -хозяйство, В 8, 1974.Авторское свидетельЬЬ 1224400, кл, Е 21 В 47 ированиеы при пла- Нефтяное ство СССР/00, 1986. ДЕЛЕНИЯ Э ОБСАДНЫХ осится к газ енности и и ния степен важины в и ающих газо ов, Цель изоб тение относится к газонефтедопромышленности и преднаэнаопределения степени смятия колонн скважины в интервалах перекрывающих газонефтеносонты пластов (например, галит, нгидрит и т.д.) с целью своеврероведения предупреждающих хнологических мероприятий и я безаварийной работы скважиссе разработки месторождений,Изобре бывающей чено для обсадных залегания ные гориздоломит, а менного и смятие те обеспечени ны в проце Известны методы прогнозироваНию,скорости сужения ствола скважины при ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И(54) СПОСОБ ОПРЕ РИЙНОГО СМЯТИЯ (57) Изобретение .отн бывающей промышл чено для определе . обсадных колонн ск залегания перекрыв ные горизонты пласт ОН АВАКОЛОНН онефтедо- редназнаи смятия нтервалах нефтенос- ретенияповышение эффективности и точности определения степени смятия обсадных колонн. Для этого по разведочным скважинам одним из геофизических методов - методом акустической эмиссии - измеряют напряженность перекрывающего газоносные го, ризонты пласта, способного оказат сминающее действие на обсадную колонну, и, интерполируя замеренные величины напряженности, находят местоположение на геологической структуре.оси равновесия динамических нагрузок. Рассчитйвают изменение мощности газоносного горизонта в связи с падением пластового давления в залежи при ее разработке и вычисляют величину перемещения сминающего пласта относительно обсадной колонны Ь Ь, а о возможности аварийного смятия колонн судят по значению Ь Ь, равному 1/2 или более диаметра скважины. 1 табл 4 ил. пластической деформации пород, осно ванные на зависимости скорости течения С) упруго-вязких сред от разницы горного давления и давления столба бурового раствора в. интервалах.их залегания при вскрытии горного массива.Данная методика позволяет характеризовать состояние некоторых пород в период прохождения их буровым инструментом (открытый ствол скважины) и не может эффективно использоваться для определения динамических характеристик сминающего пласта, как элемента геологической структуры месторождения в периодего эксплуатации, т.е. когда в скважинуспущены и эацементированы обсадные колонны.Наиболее близким к изобретению является способ предупреждения смятияобсадных колонн в зоне пластической деформации солей; заключающийся в определении на данной площади по каждойскважине критических давлений текучести горных пород, способных подвергаться пластической деформации (Рэ,т.) игеостатических давлений по всему. разрезу скважины (Рг) и т.д.В соответствии,с особенностями физического состояния пород (Рэ,т.,Рг - 1;11) оконтуривают различные зоны на погориэонтальных структурных картах, Поформуле Рк = Рэ.т. - РкКп определяют, прогнозную критическую депрессию пластовогафлюида, а по формулеРпт - Ь Рм.э. = - т -Аопределяют время безаварийной работыскважины, т.е, период, в который необходимо проводить технические мероприятия сцелью предупреждения смятия обсаднойколонны,Недостаток известного способа - низкая эффективность прогнозирования зонсмятия и отсутствие точности определенийколичественных параметров деформациидм условий, когда воздействующие настенки обсадной колонны горные породы ненаходятся в упруго-вязком (текучем) состоянии, а также значительные затраты, связанные с определением многих параметров покаждой скважине на месторождении (Рзл.,Рг, Рпт, Рд, Рк, тб.э )Цель изобретения - повышение эффективности и точности способа определениястепени смятия путем установления количественных параметров воздействия горныхпород на скважину во времени еще до начала эксплуатационного бурения и снижениязатрат на геолого-промысловые исследования вследствие сокращения их обьема.Поставленная цель достигается тем, чтопо разведочным скважинам одним из геофизических методов - методом акустической эмиссии - измеряют напряженностьперекрывающего газоносные. горизонтыпласта, способного оказать сминающеедействие на обсадную колонну и, интерполируя замеренные величины напряженности, находят местоположение нагеологической структуре оси равновесия динамических нагрузок,Определение истинного положенияоси равновесия динамических нагрузок5 10 15 20 сминающего пласта повышает точность нахождения расстояния от этой оси до точек измерений (определений) других величин, участвующих в дальнейших вычислениях, а также точность окончательного результата.Экспериментальным(например, по керновому материалу на установке Кармана) или расчетным путем с использованием литературных данных определяют параметр сжимаемости пород коллектора, моделируя пластовые давления при падении давления в залежи, и вычисляют величину изменения (сокращения) мощности газоносного горизонта в точках замера (Ьп), Для определения параметра Ь й расчетным путем применима методика определения степени уплотнения осадочных пород, разработанная сотрудниками МИНХа, Затем находят величину перемещения сминающего пласта относительйо обсадной колонны в конкретных точках месторождения (ЬЬ) по выражению:ЬЬ =/в + ь-) 25 30 3540 где е - расстояние от точки замера до осиравновесия динамических нагрузок,м;Ь - раСстояние от точки пересечения сминающего пласта с осью равновесия динамических нагрузок до спроектированной нанее точки замера, м;Ь и - величина, характеризующая изменение мощности коллектора в зоне равновесия динамических нагрузок взависимости, от степени сжимаемости пород при изменении параметра Рг-Рпл -ф Рг,м,где Рг - геостатическое давление на кровлю продуктивного горизонта,Рпл- пластовое давление в залежи;Л Ь - величина, характеризующая из- .менение мощности коллектора в точке замера, м.До разработки месторождения приРг - Рп = сопзт горные породы, слагающие месторождение, представляют собой устойчивую систему, которая можетпретерпеть изменения только на протяжении длительного геологического времени.Однако, в процессе активного отбора газаиз залежи, пластовое давление снижаетсяи это влечет за собой увеличение геостатического давления на скелет коллектора,Происходит уплотнение коллектора уменьшение его эффективных мощностей и обьема вследствие. проявления различныхвидов деформаций горных пород, а такжевследствие отдачи жидкого флюида из контактирующих с коллектором влагонасыщенных глинистых и других пластов иэлементов самого коллектора. Это в своюочередь, влечет за собой сокращение поверхности кровли газоносного горизонта.В то же время перекрывающий газовуюзалежь и сминающий обсадную колоннупласт, представляющий собой более пластичное однако твердое тело, под действием геостатического давления вышележащихгорных пород стремится занять новое пространственное положение, Этот процесс характеризуется высокой энергоемкостью ипротекает скачкообразно.В результате сминающий колонну пластперемещается в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к подстилающим и перекрывающим породам, а,следовательно, и к проходящей в них обсадной колонне, что в итоге приводит к ее смятию или разрушению.Определение степени смятия обсадныхколонн производят путем установления динамических и линейных параметров сминающего колонну пласта по отношению кстволу скважины для различных зон месторождения при Рг - Рпл -+ Рг с учетом особенностей его геологического строения.Так как основные продуктивные пласты газовых залежей представлены, в основном, песчаниками, алевролитами,известняками, которые в рассматриваемых нами горно-геологических условияхне проявляют пластических деформаций, атакже ввиду того, что предел прочности ихна сжатие относительно невелик и ониспособны разрушаться при сравнительнонебольших нагрузках, уменьшение мощности коллекторов в процессе разработкиместорождений не вызывает сомнений.С другой стороны, определения характера смятия колонн с помощью свинцовых"печатей" и других в процессе капитальных ремонтов аварийных скважин такжеподтверждает предположение о наличииодносторонненаправленных боковых напряжений в интервалах залегания пластичных горных пород,На фиг.1 показана структурная картаместорождения; на фиг.2 - схематическийразрез залежи; на фиг,3 и 4 - прогнозныекарты.Сущность прогнозирования по предлагаемому способу заключается в следующем (фиг.1-3),На стадии разведочных работ в периодустановления основных элементов геологического строения месторождения стрОятструктурную карту месторождения (фиг.1)по кровле сминающего пласта с указаниемизолиний 1 глубины 2 его залегания, контура 3 газоносности. А,В,С - точки замеров, 10 15 Ф совпадающие с имеющимися на месторождении скважинами.В выбранных скважинах методом акустической эмиссии определяют напряженность сминающего пласта и ее значения 4наносят рядом с векторными значками 5,Интерполяция данных акустической эмиссии позволяет определить центр равновесия динамических нагрузок О, который в приведенной ситуации совпадает сцентром сводовой части структуры месторождения,По данным геолого-промысловых и геофизических исследований определяют положение сминающего пласта при Рпл 20 25 30 35 40 45 50 55 начальном и определяют расстояния в и и.На фиг,2 схематически показан разреззалежи от кровли сминающего колонну пласта до ГВК или контура газоносности с изображением его поверхности в заданномнаправлении (на фиг.2 в одной плоскостипоказаны три разреза, т;е, в направленииОА, ОВ, ОС) при Рпл начальном 1 кривыеОА = ЕА, ОВ = .в, ОС = .с).По керновому материалу пластаколлектора, взятому из разведочныхскважин, экспериментальным путем устанавливают параметр сжимаемостиэтих пород при условии снижения Рпл дозначения, определенного проектом разработки месторождения,В случае недостаточности керновогоматериала для расчетов используютданные из литературных источников поэкспериментальным исследованиям аналогичных пород.Затем для каждой из точек рассчитывают прогнозную величину сокращениямощности продуктивного горизонта и определяют положение сминающего колонну пласта при Рпл конечное.На фиг.2 положение поверхности сминающего пласта на момент окончания разработки залежи представлено кривой 2.Линия ОМ является осью равновесиядинамических нагрузок. Отрезок ОМ = й -расстояние на оси равновесия динамических нагрузок от точки пересечения ее сосминающим пластом до спроектированнойна нее точки замера при Рпл начальном.Отрезок 010 = Ю - расстояние на оси равновесия динамических нагрузок между точками пересечения ее со сминающимпластом при Рпл начальном и Рпл.тек., т.е.изл 1 енение мощности газоносного горизонта по оси ОМ, Отрезки СС = ЬЬ, ВВ = Ь йв- изменение мощности газоносного горизонта в точках замера. Отреэкал 1 и АУ, ВМ,СМ" = гп, в,щ" - расстояние от точек замеи 50 В связи с этим при пр строительства скважин в зон ходимо планировать, а при проводить различные по тех дупредительные мероприятия Точность прогнозировани смятия обсадных колонн н сложно-построенных месторо бует корректив при определе ния подвижки сминающегооектирова ах 7 и 9 не строительс нологии п реого ых я авариин а некото ждениях нии напрапласта пО ра до оси равновесия динамических нагрузок по горизонтали, Точки А 1, В 1, С 1 - расположение точек А, В, С на кривой 2, Точки В, С - проекции точек В, С с кривой 1 на кривую 2. Ж.А,Ь в,Ь с - расстояние, на 5 которое перемещаются точки вместе с пластом при снижении пластового давления, характеризует линейное боковое действие пласта на обсадную колонну скважины иравное соответственно: 01 А 1 - 01 А; 01 В - 10 01 В; 01 С - 01 С, которое определяют по выражению; 4 = чБ + ь - а + 1 - (ЬЬ - ЬЬ Значения ЬЦ Ьи) наносят на прогнозную карту (фиг,З), где обозначены изолинии 15 1 залегания кровли сминающего пласта с указанием значений глубин 2, контур 3 газоносности, точки замеров (скважины) 4 с их , номерами 5, и выделяют зоны 7-9 различной степени действия сминающего пласта 20 на обсадную колонну.Как видно на прогнозной карте (фиг.З) можно выделить несколько зон деформации: зону 7 равновесия горизонтальных динамических нагрузок, в которой переме щение пород происходит параллельно стволу скважины и к боковому смятию обсадной колонны, как правило, не приводит, но при значительной величине вертикального перемещения и разнице в скоростях перефор мирования горных пород в продуктивном и перекрывающем залежь интервалах в об. садной колонне возникают критические осевые напряжения (сжимающие или растя-. гивающие), приводящие к сплошным разры вам, трещинам, сужению проходного сечения и другим ослож,ениям; зону 8 не-, значительных деформаций, в которой сте пень смя "ия обсадной колонны при соблюдении технологии установки, не. тре-, 40 бующей дополнительных затрат, позволяет эксплуатировать скважину без ремонтных мероприятий до. окончания разработки залежи; зону 9 аварийной боковой деформации, характеризующуюся значительным 45 горизонтальным перемещением сминающего колонну пласта, равную или превышающую 1/2 диаметра скважины,анализа взаимодействия тектонических элементов, составляющих их структуру,Пример выполнения способа прогнозирования.По данным разведочного бурения построена схематическая прогнозная карта Ефремовского ГКМ (фиг.4), на которой указаны изолиний 1 глубины залегания кровли продуктивного, пласта 2, места расположения разведочных скважин 3 с номерами 4, контур 5 газоносности, разрывные нарушения 6, контур 7 соляного штока, центр равновесия динамических нагрузок сминающего пласта 8, векторные значки напряженности сминающего пласта 9 и их числовые значения 10По данным геолого-промысловых материалов определены параметры для расчета Ь пласта по отношению к обсадным колоннам разведочных скважин 1-3 и сведены в таблицу. дставив табличные д=4 в+Р -йп определяют ф для каждой скважиныЬ2 = 0,29 м, Ь1 = 0,27 м,Л 1.з = 0,069 м Согласно данным расчетов определяем зону 11 аварийных ситуаций и наносим ее нз прогнозную карту.Факт расположения скважин 12 со смятыми обсадными колоннами в обозна- ценной на карте аварийной зоне 11 подтверждает возможность прогнозировайия процесса по предлагаемому нами способу.Предлагаемый. способ по сравнению с известным имеет ряд преимуществ, Основной эффект достигается возможностью прогнозирования количественных параметров и характера деформации по небольшому числу разведочных скважин, что дает возможность своевременно планировать и проводить мероприятия по предотвращению смятия обсадных колонн непосредственно при строительстве эксплуатационных скважин. Экономическая эффективность достигается также значительным сокращением обьема геолого-промысловых исследований, экспериментальных определений и теоретических расчетов,Экономическая эффективность рассчитана для Крестищенского ГКМ по состоянию фонда скважин на 1,0186 г., т.е. на период, когда смятие обсадных колонн в интервалах залегания соляных пластов, перекрывающих газоносные горизонты, следует считать установленным фактом.За базу для расчета приняты затраты на ггрогнозирование по известному способу:3 ". (С 1+ С 2) п й,где С 1 - стоимость работ по отбору керна наодну операцию, состоящую,из дополнительных затрат времени на спуско-подьемныеоперации и определяемую из расчета 5С 1 мии + С 1 мзксС 12ГдЕ С 1 мии - СтОИМОСтЬ рабОт ПО ОтбОру КЕркас глубины 500 м;С 1 макс стоимость Работ по отбоРУ кеРна с максимальной глубины 4000 м,Согласно расценок и сметыС 1- 278,16 руб.С 2 - стоимость работ на подготовкуобразца породы и экспериментальное определение физических параметровпринимается равной заработной платемл.научного сотрудника эа 8.ми часовойрабочий день, т.е,150:22 = 6,7 руб. 20и - минимальное необходимое количе- .ство отборов керна, принятое равным 30;й - минимально необходимое количест-во скважин, обусловленное геологическим.строением месторождения, принято равным 60.Подставив значения в формулу, опреде- .ляем затраты по известному способу;3 = 512,75 тыс.руб.. Затраты по предлагаемому способу составляют:3 (С 1+ С 2) ий,где С 1 - стоимость работ по отбору кеРнана одну операцию, состоящая из дополнительных затрат на спуско-подьемные 35операции, принята на середину продуктивного интервала (3500 м) согласно тем мерассценкам 428,58 руб.;С 2 - стоимость работ на подготовку образца и экспериментальное определение 40параметраьЧ равна 6,7 руб.;и - минимально необходимое количество операций по отбору керна из пластовколлекторов равно 6;й - минимально необходимое количество разведочных скважин на площади равно 15,.Подставив значения в формулу, определяем затраты на прогнозирование по предлагаемому способу: 503 = 39,17 тыс,руб,Экономический эффект представляет разность затрат по известному и предлагаемому способу: Э = 3 - 3 = 473,58 тыс,руб. Таким образом, годовой зкономический эффект только по Крестищенскому ГКВл составит 473,58 тыс.руб,Применение предлагаемого способа нв предприятиях ПО Укргаздром поэволитувеличить экономический эффект в кратное число раз. Ф о р мул а из о бр",тени я Способ определения зон аварийного смятия обсадных колонн, включающий определение литолого-физических характеристик продуктивных горизонтов, построение прогнозных карт по геолого-промысловым данным, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности и точности способа, измеряют нап ряженность сминающего пласта методом акустической эмиссии, путем интерполяции полученных данных на структуре месторождения находят ось равновесия динамических нагрузок, рассчитывают изменение мощности газоносного горизонта в связи с падением пласточо-о давления в залежи при ее разработке и вычисляют величину перемещения сминающего пласта относительно обсадной колонны по следующему выражению:Г г+,2 - , +)1 где в - расстояние от точки замера до оси равновесия динамических нагрузок, м;и - расстояние от точки пересечения сминающего пласта с осью равновесия динамических нагрузок до спроектированной на нее точки замера, м;ЬЬ - величина изменения мощности коллектора в зоне равновесия динамических нагрузок в зависимости от сжимаемости пород при снижении пластового давления в залежи;Ф - величина изменения мощности коллектора в точке замера, м, а о воэможности аварийного смятия колонн судят по значению ЬЬ, равному 1/2 или более диаметра скважины.е,м 450 300 150 0,7 1,5 2,9 30 60 120 3,6 2,9 2,1 0,7 4500 2300 1500 2 1 3 Примечание:для определения Ж ЬЬ испольэованы литературные данные и принято ЬЧс при пластической деформации 2, а изменение объема при упругой деформации рассчитано по формуле ЬЧ-ф ЬР Ч, где 8=1 10Я ф/ Заказ 318 Тираж Подписное ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5