Солеотложение и рапопроявление: анализ проблем возникающих при строительстве скважин

Бурение разведочных и эксплуатационных скважин на ряде месторождений России, в том числе в Восточной Сибири, осложнено наличием рапопроявляющих и поглощающих горизонтов.

Самым вредоносным осложнением, возникающим в процессе бурения скважин, в частности в Восточной Сибири, является вскрытие пластов с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД). Зачастую на таких объектах с АВПД величина пластового давления сильно превышает величину градиента пластового давления, соответствующего разрезу месторождений в условиях солевых отложений, и почти всегда сопоставима с величиной горного давления. Бурение объектов с АВПД приурочено ко вскрытию насыщенных высокоминерализованным пластовым флюидом пластов. В добавок к этому существует проблема вскрытия неизвестных межсолевых пластов со значением коэффициента аномальности от 2,35 до 2,65.

В связи с вышесказанным учет как горно-геологических условий, так и физико-химического состава пластовой жидкости (рапы) в обязательном порядке должен лежать в основе создания не только проектных решений, но также и рабочих регламентов по безаварийному ведению буровых работ в регионе.

Аномально высокие пластовые давления высокоминерализованных пластов с чередующимися поглощающими интервалами не позволяют осуществлять эффективное, качественное бурение скважин. Процесс бурения сопровождается частыми остановками, переливами рапосодержащего флюида, что обуславливает организацию дополнительных мер по его утилизации и сохранению экологической безопасности региона, и, как следствие, приводит к увеличению финансовых затрат на строительство скважин.

Генезис коллекторов рапы

Выбор технологии для ликвидации рапопроявлений зависит от генезиса рапы и особенностей ее залегания в хемогенной породе-коллекторе. Поэтому рассмотрение вопроса генезиса, как рассолов, так и вмещающей их породы, является важной задачей.

Рапопроявляющие горизонты встречаются в карбонатных пластах-коллекторах в соляной толще. Для них характерны трещинные и трещинно-жильные типы аномально гидропроводных коллекторов. Кроме того, характерной особенностью является переслаивание карбонатных и галитовых пород и «псевдопластовое» распределение аномального коллектора в соляной толще, вызванное способностью ограничивать развитие трещин по вертикали. Ввиду гидродинамической закрытости коллекторов давление флюидов близко к горному, в результате чего формируются зоны АВПД, характерные для подавляющего большинства рапопроявлений [1].

Такие водонапорные флюидные системы карбонатных резервуаров и химический состав рапы формируются и локализуются в особых, четко идентифицируемых структурно-гидрогеологических условиях и обстановках с АВПД, которые явно характеризуют наличие в разрезе гидродинамически локализованных отдельных водонапорных систем трещинных резервуаров галогенно-карбонатной гидрогеологической формации [2]. Рапоносные пласты из-за ограниченного объема относятся к макродефектам массива с небольшим запасом упругой энергии, которая освобождается в первые часы самоизлива [3]. Именно для такого типа формаций характерны фонтаны рассолов высоких дебитов с максимальными концентрациями. Уникальность состава и свойств рапы обусловлены геологической средой и ее гидрогеологическими параметрами. Прогнозирование таких зон является важной задачей безопасного бурения [2].

Рассолы, в зависимости от условий образования, бывают двух типов:

1. седиментационные, то есть формировавшиеся в результате накопления или же сохранения маточных растворов;

2. рассолы выщелачивания, то есть образовавшиеся вследствие растворения и выщелачивания в проникающие воды соляных отложений.

Для рассолов первого типа характеры высокая минерализация и повышенное содержание ионов брома, магния, кальция, иода, калия, бора и т.п. и газов. Они относятся к трещинным, трещинно-кавернозным и брекчированным породам в несоленосных пропластках внутри соляной структуры и, как правило, имеют аномально высокие пластовые давления. Растворы выщелачивания на 100 % состоят из хлористого натрия [4]. Они встречаются в сильнообводненных зонах соляного зеркала или кепроках соляных куполов. Такие коллекторы кепроков отличаются высокой гидропроводностью, вызывающей катастрофические поглощения при их вскрытии [5].

Активными участниками геохимических процессов первичной аккумуляции и перераспределения химических элементов при развитии раповых коллекторов являются воды дегидратации водных сульфатов, глин, аргиллитов и поровые растворы внутрисолевых отложений, играющие ключевую роль в формировании химического состава седиментационных рассолов [6].

Формирование хемогенных осадков, процессы литогенеза и проявления соляно-купольной тектоники на последующих этапах осадконакопления терригенной породы определяют литологическую приуроченность и термобарические условия залегания рассолов [7].

Осложнения и их причины

Рапа прежде всего представляет собой многофазную систему, образованную межкристаллическим поровым раствором, растворимыми солями галита, сульфата кальция, хлоридов магния и кальция, а также высокодиспрергированными глинистыми частицами. Зачастую минерализация рапы колеблется в диапазоне от 320 до 430 кг/м3, но бывает и выше. А плотность рапы в диапазоне от 1200 до 1300 кг/м3 и выше [8]. Иными словами, это сильноминерализованная пластовая вода с редкими металлами и минеральными солями.

Выделяют две гипотезы причин осложнений при бурении карбонатно-галогеновых формаций [1]:

• пластическое течение солей, вызывающее смятие обсадных колонн;

• наличие зон АВПД.

Выделяют несколько факторов возникновения рапопроявлений [4]:

Геологический

Соли гравитационно уплотняются, в результате чего минералы перекристаллизовываются, гидратируют и дегидратируют, и активно захороняется рапа в силу изменяющихся гидродинамических и гидрохимических условий и заполняющихся межсолевых прослоев.

Тектонический

Происходит перераспределение растворов в межсолевых пропластках. В зависимости от морфологии и происхождения выделяют следующие типы газожидких включений в солях: внутрикристаллические и межкристаллические. Для последних характерна взаимосвязанная объемно-пространственная система капилляров и микрополостей. Эта объемно-пространственная система встречается на границах кристаллов галита, образуя миграционные каналы, которые называются «граничными» или «расшнурованными» и представлены вакуолями сложной формы, которые образовались в результате тектонических проявлений.

Твердые кристаллы каменной соли, содержащие газожидкие включения, и объемные системы вакуолей и капилляров, разделяющие эти кристаллы и составляющие главный путь миграции растворов в солях – вакуольно-капиллярную систему, образуют неделимые структурно-морфологические части, из которых состоят мономинеральные галитовые породы.

Под воздействием тектонических сил происходит движение солей и вследствие этого создается высокое избыточное давление.

Технологический

Фактор интенсивности рапопроявлений, порождаемый несоблюдением технологических регламентов по безаварийному ведению работ, несоответствие проектных технологических решений геолого-технологическим условиям месторождения, в частности в выборе типа и рецептуры бурового раствора.

Чаще всего к технологическим причинам рапопроявления относится эффект поршневания, возникающий при спуско-подъемных операциях ввиду уменьшения гидростатического давления в скважине, падение статического уровня в скважине по причине поглощения из-за несоблюдения плотности бурового раствора или по причине гидроразрыва пласта из-за высокой эквивалентной циркуляционной плотности [13].

При проходке в соленосных отложениях в забойной зоне возникают дополнительные напряжения, соразмерные с давлением раскрытия трещин пласта (еще до достижения забойного давления, равного давлению гидроразрыва пласта, ГРП) и создающие в них наведенные давления. Таким образом, после поглощений возникают проявления флюидов из-за гравитационного замещения пластового флюида промывочной жидкостью.

Необходимо знать такую допустимую плотность промывочного агента, которая позволит бурить без превышения давления начала раскрытия трещин – давления утечки. Для этого нужно опрессовывать соляные отложения. Следует отметить, что давление на забое при рапопроявлениях всегда меньше давления ГРП [9, 10], поскольку при избыточном вытеснении объемов рапы из трещин в процессе гравитационного замещения гидростатическое давление снижается.

В процессе бурения рапосодержащих пластов превышение плотности бурового раствора над плотностью рапы вызывает проявления последней и частичные поглощения раствора [11]. Чем больше раствора уходит в пласт, тем на большее расстояние он удаляется от скважины и тем меньше интенсивность поглощения, потому что необходима дополнительная энергия для преодоления сил сопротивлений при движении по трещинам.

При проявлении плотность раствора сразу начинают завышать вместо того, чтобы вымыть флюид из скважины. При достижении плотности 2000 кг/м3
возникает ГРП, создающий протяженные трещины, которые заполняются раствором и рассолом. В солях хемогенной толщи объем трещин может достигать 10 000 м3
и более [1].

В случае ГРП низкопроницаемых пород с содержанием рапы в трещинах создается давление гидроразрыва, при наличии закупорки наддолотного пространства шламом превышает гидростатическое давление раствора. Параллельно с процессом гравитационного замещения происходит проявление, встречающиеся при бурении высокотрещиноватого кавернозного пласта.

Если пластовое и забойное давления условно равны, то при гравитационном замещении объемы поглощенного раствора и проявленной рапы будут равны. Если забойное давление будет больше пластового или наведенного, то интенсивность поглощения будет выше проявления и наоборот [12].

Недооценивая гравитационное замещение, сигнализирующее о начале проявления, делается ложный вывод о вскрытии продуктивного пласта с АВПД, часто игнорируя небольшое поглощение (1–5 м3), предшествующее этому. Кроме того, это явление отражается на качестве крепления колонн, в виду того что плотность цементного раствора повышают, а затем фиксируют отсутствие цементного камня [7].

Еще одной причиной осложнений при вскрытии рапоносных отложений является осмотический массообменный процесс [13, 14].

Эффективным мероприятием, предупреждающим осложнения под влиянием осмотических массообменных процессов, является искусственное засоление буровых растворов или применение растворов на неводной основе с высокоминерализованным водным компонентом. Однако до настоящего времени выбор необходимой степени минерализации бурового раствора (его фильтрата) базируется только на многолетнем практическом опыте. Это во многих случаях приводит к необоснованному перерасходу реагентов и к увеличению затрат средств на проводку скважины в целом. Результаты гидрохимических и гидрогеологических исследований пластовых (поровых) вод по скважинам показывают [15], что зачастую с ростом глубины скважины наблюдается закономерное увеличение степени минерализации пластовых (поровых) вод. Однако в отдельных случаях степень минерализации несколько снижается с увеличением глубины залегания пластов. Анализ показывает, что снижение степени минерализации пластовых (поровых) вод чаще всего отмечается в зонах аномально высоких пластовых (поровых) давлений. Бурение соленосных отложений нередко осложняется проявлениями или открытыми фонтанами аномально высокоминерализованных рассолов – рапы. Обычно скопления рапы приурочены к изолированным в толще соли полостям. Химический состав рапы различен, поскольку он соответствует составу слагающих разрез солей [6].

В процессе вымыва рапы по стволу скважины на поверхность содержащиеся в ней соли кристаллизуются и оседают на стенки выработки, сужая тем самым ствол и образуя соляно-шламовые пробки, закупоривающие пласт [16, 17].

Процесс кристаллизации инициируется двухвалентными катионами кальция и магния, вызывающими коагуляцию бурового раствора, и начинается обвальное выпадение соли, приводящее часто к ликвидации скважины [1] из-за высокодебитных фонтанов, прихватов бурового инструмента и смятия обсадных труб при испытании и т.п.

Кроме того, под воздействием рапы и часто сопутствующих ей агрессий сероводорода и углекислого газа происходит быстрая коррозия труб и цементного камня из-за высокой минерализации рассола [18].

До начала и в момент вскрытия пластов с АВПД резко возрастает мгновенная механическая скорость бурения и проседает компоновка низа бурильной колонны [9]. А последующие попытки перекрыть проявляющий интервал осложняются притоком рапы. После перекрытия проявляющего горизонта пласт с АВПД начнет проявлять, поскольку в процессе гидратации цемента его гидростатическое давление в системе «пласт-скважина» снижается [8].

Анализ способов ликвидации рапопроявлений

Несмотря на все существующие методы борьбы с рапопроявлениями, лишь в некоторых случаях, когда дебиты рапы минимальны, удается довести скважину до проектной глубины.

В основном используют два способа борьбы с рапопроявлениями [4]: увеличение плотности раствора и разрядка рапопроявляющего горизонта.

Однако при повторном вскрытии пласта в результате его закупорки проседиментирующей рапой дебиты значительно растут и увеличение плотности приводит лишь к поглощению [19–21]. Кроме того, при утяжелении раствора вероятность возникновения прихватов повышается.

Ликвидация осложнений путем разрядки рапопроявляющего горизонта также малоэффективна, поскольку полностью он не истощается, а за это время раствор полностью приходит в негодность [6]. Более того, даже после длительного проявления пласта давление в нем выше подстилающего горизонта. Данный метод продуктивен лишь при линзовидном локальном скоплении рапы с малой энергией [4, 21]. Однако при бурении в Оренбургском геологическом районе данный метод хорошо себя проявил. Это связано с геологическими особенностями: в некоторых местах под линзами рапы залегают толщи песчаников высокой проницаемости с надежными экранами из глинистых пород. Эти пласты использовались в процессе бурения как резервуар, в который перетекала (поглощалась) рапа из линзы.

Буровые растворы

Одним из перспективных и эффективных способов проходки рапопроявляющих горизонтов является использование специальных буровых растворов, например минерализованных безглинистых, на нефтяной основе, соленасыщенных и полимер-эмульсионных утяжеленных, поскольку традиционные их рецептуры малопригодны, так как рапа вызывает их коагуляцию и повышает затраты на реагенты [8].

Требования к буровым и тампонажным растворам определяются генезисом коллекторов рапы. При изоляции рапосодержащих пластов внутренний диаметр скважины является ключевым параметром достижения необходимого бокового режима нагнетания, поэтому нельзя допускать размыва ствола скважины. Для этого необходимо использовать буровые растворы, затворенные на рапе или на рассолах хлорида натрия. Кроме того, возможно использовать буферные тампоны с пластической прочностью в 2–3 раза большей динамического напряжения сдвига цементного раствора для снижения закачиваемых объемов [5].

При разработке рецептуры раствора нужно обращать внимание на равновесие степеней минерализации раствора и поступающего рассола. В первую очередь необходимо, чтобы в состав бурового раствора входили положительно заряженные катионы солей, соответствующие составу солевого разреза и рапе. С увеличением концентрации солей в рапе растворимость хлорида натрия в растворе снижается, и ухудшаются его параметры из-за воздействия солей на полимеры.

Вследствие попадания в раствор пластовых вод из подсолевых отложений снижается растворимость введенного хлорида натрия и частицы соли кристаллизуются. Рост притока рассола ведет к повышению кислотности раствора, увеличивая воздействие на полимеры, что приводит к ухудшению реологических свойств бурового раствора. Поэтому основной упор при выборе компонентного состава промывочных жидкостей делается на неионогенные солестойкие материалы.

При борьбе с рапой, как правило, плотность бурового раствора начинают повышать, но это не дает положительного результата из-за коагуляции. Существуют разработки составов утяжеленных растворов на основе шлам-лигнинов с рапой, которые обладают плотностью более 2000 кг/м3 с высокими реологическими и фильтрационными характеристиками, а также устойчивостью к полиминеральной и сероводородной агрессиям [21].

Одним из классических методов изоляции рапосодержащих пластов является установка цементных мостов. Данный метод может быть успешно применен лишь при небольших дебитах (до 10 м3/сут), как на скважине Р-52 Ковыктинского газоконденсатного месторождения. Еще вариантом решения проблемы является смешивание полимера (гипана, метаса, полиакриламида (ПАА)) с пластовой водой. Комбинация данных двух методов является эффективным способом изоляции для конкретных горно-геологических условий.

Авторами статьи [22] приводится способ крепления призабойной зоны пласта с применением кремнийорганического состава «SWS-PLAST» на основе гидролизующихся кремнийорганических соединений. Использование данного состава с армирующими наполнителями позволяет обеспечивать увеличение прочности пород образуемого коллектора.

Кадыров Р.Х. в своей диссертационной работе [23] рассматривает полимерметаллические комплексы на основе сополимеров акриловых кислот с катионами железа (Fe3+), меди (Cu2+), алюминия (Al3+). Эти комплексы устойчивы в пластовых жидкостях и избирательно тампонируют водонасыщенные каналы пластов. В качестве полимеров применялся МАК-ДЭА, гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) и кремнийорганические жидкости «119-296Т» и «Силор».

Автором в статье [24] рассмотрены результаты опытно-промысловых испытаний водоизолирующих составов «ГПАН» и «ОВП-1». «ГПАН» представляет собой гидролизованный полиакрилонитрил с модифицирующими добавками фруктозы и сульфонола. «ОВП-1» – щелочной гидролизат технологических отходов полиакрилонитрильного (ПАН) волокна, модифицирующий специальными добавками.

Медведева Н.А. рассматривает в статье [25] армированные структурированные составы, где в качестве дисперсной среды применяют водный раствор ПАА ДР9-8177, в качестве кросс-агента оксид цинка (ZnO), оксид магния (MgO), соли-сшивателя ацетата хрома. Для придания прочности гелю применяют стекло- и полипропиленовые фиброволокна, поверхность которых гидрофилизирована дополнительной обработкой.

Клещенко И.И. [26] приводит общий анализ составов для изоляции водопритоков при проведении ремонтно-изоляционных работ в скважинах.

В работе [27] авторами рассматриваются осложнения, возникающие при строительстве скважин в условиях аномально высоких и аномально низких пластовых давлений, а также предложены изолирующие составы на основе производного ПАА «SPMI-7» и технология его установки с применением скважинного пакера.

Влияние минерализации и рН пластовой воды на вязкость геля на основе иона бора рассмотрена Силиным М.А. с соавторами в статье [28]. Установлено, что при повышенной минерализации воды вязкость геля на основе полисахаридных материалов снижается.

В инструкции [29] приведены пенные составы на основе карбоксиметилцеллюлозы, в качестве отверждающей составляющей используется силикат натрия (Na2SiO3) и хлористый кальций (CaCl2).

В основе отверждения лежит реакция обмена силиката натрия и хлористого кальция, в результате которой образуется нерастворимый осадкообразующий и отверждающий силикат кальция (CaSiО3).

Береговой А.Н. с коллегами в патенте [30] при разработке сшивающего состава объединили в одном составе две полимерные составляющие: на основе ПАА и природного полисахарида – гуаровой смолы, в качестве сшивающего агента – ацетат хрома ((CH3COO)3Cr) и буферизатор – оксид магния (MgO).

Согласно проведенным исследованиям, разработанный гелеобразующий состав в высокопроницаемую часть призабойной зоны проникает на небольшое расстояние за счет реакции сшивания, которая приводит к снижению скорости фильтрации в пласт и, как следствие, уменьшению радиуса зоны проникновения (Rф).

В своей диссертации [31] А.С. Гумеров предложил способ образования органогибридных комплексов с регулируемым временем загеливания. Гелеобразование в данном составе основано на применении реагента Ком-С на основе гидролизованного полиакрилонитрила силикатом натрия при рН 12-14 с образованием сополимера акриламида, акрилата натрия и звеньев имидоэфира кремниевой кислоты.

Системы на основе ПАА, сернокислого алюминия и технической воды хорошо себя зарекомендовали на испытаниях и могут быть применены на производстве [32].

Такие системы, в отличие от других технологических буровых жидкостей, не соответствуют условиям, характерным для классических реологических моделей жидкости, и имеют нормальные напряжения что позволяет им перемещаться по всему затрубному объему, заполняя его [33–35].

Заключение

В представленной работе показаны различные технико-технологические решения по изоляции рапосодержащих пластов и рассмотрены причины рапопроявлений и осложнений, связанных с ними.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие заключения:

• Строительство скважин в условиях рапопроявления сопряжены со значительными технологическими и экологическими рисками, приводящими в случае осложнений к кратному увеличению стоимости скважины или ее ликвидациию.

• В настоящее время отсутствует технологически отработанная технология вскрытия и закрепления рапоносных горизонтов в условиях АВПД и минерализацией рассолов бивалентными ионами.

• Перед цементированием рапоносных горизонтов на месторождениях, осложненных рапопроявлениями и поглощениями, необходимо предусмотреть тампонирование рапоносного горизонта с применением изоляционных материалов и сшивателей.

• Перед подбором изоляционных материалов и сшивателей требуется детальное изучение состава пластовой воды и ее совместимости с применяемыми базовыми жидкостями, существующими изоляционными материалами и сшивателями.