Цели и задачи освоения содержания дисциплиныЦелью преподавания дисциплины является получение студентами теоретических знаний: об осложнениях и авариях при бурении нефтяных и газовых скважин, основные виды осложнений и аварий, предупреждение осложнений при бурении скважин, способы ликвидации поглощений и газонефтеводопроявлений, противовыбросовое оборудование, также ознакомление с осложнениями связанными с нарушениями целостности стенок скважины, распространенностью и характеристикой ММП, понятие об аварии, основные виды аварий и их ликвидация, ловильный инструмент, применяемый при ликвидации аварий. В процессе изучения дисциплины студенты должны приобрести общие представления по предупреждению и ликвидации возможных осложнений и аварий при строительстве нефтяных и газовых скважин; основные понятия о технике и технологии применяемой для предупреждения и ликвидации осложнений и аварий. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла. Для изучения курса требуется знание дисциплин: основы нефтегазопромыслового дела, прикладная физическая и коллоидная химия в бурении, буровые технологические жидкости, технология бурения нефтяных и газовых скважин. Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины, будут использоваться в: проектировании, разработке и применения на практике безаварийной технологии бурения нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин.
4. Основная структура дисциплины.
Таблица 1 - Структура дисциплины
Содержание дисциплины Перечень основные разделов и тем дисциплины. Раздел 1. Давления в скважине и околоствольном пространстве. Темы:
Раздел 2. Газоводонефтепроявления. Темы:
Раздел 3 Поглощения. Темы:
Раздел 4. Гидраты компонентов природных газов. Темы:
Раздел 5. Осложнения, определяющие прихваты бурильного инструмента Темы:
Раздел 6. Осложнения при бурении скважин в многолетнемёрзлых породах. Темы: 6.1. Виды осложнений 6.2. Предупреждение и борьба с осложнениями в ММП Раздел 7. Конструкция скважин Темы: 7.1. График совмещенных условий бурения 7.2. Гидравлическая программа промывки скважины Раздел 8. Аварии Темы: 8.1. Причины возникновения аварий 8.2. Методы ликвидации аварий
Краткое содержание теоретической части разделов и тем дисциплины 1. Давления в скважине и околоствольном пространстве. 1.1.Горное (геостатическое) давление. Горное давление Ргор это давление, создаваемое весом вышележащих горных пород. Оно может быть определено из выражения: 1.2. Пластовое (поровое) давление. Пластовое давление определяется как давление флюидов, содержащихся в пласте - коллекторе. При возрастании температуры поровое давление возрастает, так как коэффициент температурного расширения жидкостей, а тем более газов, во много раз больше, чем твердых тел. В результате этих процессов в замкнутых продуктивных пластах, т.е. в пластах, не имеющих гидродинамической связи с окружающими породами, пластовое давление может стать больше или меньше первоначального нормального. В результате оно становиться аномально высоким (АВПД) или аномально низким (АНПД). Степень этой аномальности оценивается коэффициентом Ка, равным отношению фактического пластового давления к нормальному, т.е. Ка - коэффициент аномальности пластового давления, где: Рпл - пластовое давление, Па; rв - плотность слабо засолённой воды (rв = 1040 кг/м3); zпл - глубина залегания пласта, м; Существование аномальных давлений требует одновременного присутствия: непроницаемой перегородки, образующей «стенку сосуда, работающего под давлением» и не допускающего сообщения флюидов с атмосферой, и избыточные давления. Наличие непроницаемой перегородки связано с геологическими процессами (осадконакопление, диагенез и тектоника). Герметичность перегородки понятие относительное. Она зависит от породы, а также от флюидов в ловушках (одна порода может быть относительно непроницаемой для нефти и проницаемой для газа). В существовании избыточных давлений важную роль играет время. Вызывающие избыточные давления причины многочисленны и разнообразны. Они действуют зачастую одновременно и связаны с физико-химическими процессами. Основными из них являются: Присутствие углеводородов. Давление пластовой воды в залежи может быть нормальным на контакте вода/углеводороды. Напротив, у кровли пласта наблюдается избыточное давление вследствие различия в плотности между углеводородами и пластовыми водами. Это избыточное давление может быть значительным в случае газовой залежи. Избыточное давление углеводородов пропорционально разности плотностей пластовой воды и углеводородов и высоте h столба углеводородов. Dр = h ´ (rводы - rуглевод) / 10,2. Увеличение плотности флюида будет тем выше, чем ближе к поверхности будет пласт и чем значительнее высота газонасыщенной зоны. Оседание представляет собой постепенное опускание недр. В ходе оседания отложения осаждаются на дне моря в периодическом режиме, при этом более поздние отложения покрывают более древние. Геостатическое давление постепенно увеличивается внутри отложений в ходе их опускания. Рыхлый осадок превращается в породу под действием давления, температуры и ионообмена между породой и циркулирующими флюидами. Этот процесс называется диагенезом. Если, напротив, флюиды вытесняются с трудом или остаются на месте, уплотнение не может проходить нормально. Увеличение геостатического давления вызовет увеличение давления вмещаемых флюидов. Объем породы и пор практически не изменится. Порода окажется недоуплотненной. Недоуплотнение обычно рассматривается как основная причина возникновения аномальных давлений. Это явление касается, главным образом, глин, так как они относятся к сжимаемым и малопроницаемым породам, содержащим значительное количество воды в момент осадконакопления. Минералогические превращения глин в процессе диагенеза. Минералогические превращения, освобождающие значительные количества воды, могут происходить в процессе диагенеза некоторых глин. Смектиты и стратитекстуры превращаются в иллит под совместным действием температуры, ионообмена и, в меньшей мере, давления. Количество выделяемой воды составляет порядка 15-20%. Эта вода изменяет давление в порах, если она не имеет возможности свободно покинуть глину. Термическое расширение воды. Температура внутри отложений увеличивается вместе с глубиной и ведет к увеличению объема воды в порах пород. В системе с хорошим дренажом это увеличение рассеивается. Напротив, если система полностью замкнута, объем воды не может измениться, и возникнет повышение порового давления. Повышение давления может быть очень значительным. Эффект возникает только при условии, что порода замкнута герметичной непроницаемой перегородкой. Осмос. Осмос представляет собой феномен, который возникает, когда два раствора с различной концентрацией ионов разделены полупроницаемой мембраной. Такая мембрана отличается селективной проницаемость: она пропускает воду, но не ионы. Происходит циркуляция воды от менее концентрированного раствора к более концентрированному. В камере с более концентрированным раствором давление повышается, а в камере с менее концентрированным понижается. Пласт глины может вести себя подобно полупроницаемой мембране. В случае, например, замкнутой глинами залежи с высоким содержанием солей возможна миграция в ее направлении, повышающая, тем самым, поровое давление. Диагенез сульфатов. Сульфат кальция существует в природе в двух формах: гипс, гидратированная форма, ангидрит, безводная форма. При температуре около 40оС гипс превращается в ангидрит, выделяя значительное количество воды и вызывая уменьшение объема породы. Выделенная при этом вода ведет к возникновению некоторых аномальных давлений. Обратное превращение, сводящееся к регидратации ангидрита для образования гипса, возможно, когда ангидрит оказывается в контакте с водой при невысокой температуре. Реакция вызывает увеличение объема породы, которое представляется в некоторых случаях причиной возникновения аномальных давлений. Образование соляных куполов. Соль представляет пластичную породу, способную течь с образованием соляных куполов. Подъем соли к поверхности может вызывать аномальные давления в вышерасположенных образованиях и по бокам купола. Тектоника. Тектонические явления могут вызвать изменения порового давления, создавая тем самым в одних условиях избыточные давления, а в других ликвидируя их. Их существование требует, чтобы поднятые отложения были замкнутыми Гидродинамизм. Явления гидродинамизма и любые другие перемещения флюидов вызывают перепады давления, которые нарушают “нормальный” гидростатический режим давлений. В малопроницаемых породах перепады давления могут быть огромными, несмотря на незначительность расхода. Гидродинамизм, в отличие от других механизмов, создающих давление, не обязательно нуждается в наличии непроницаемых перегородок. 1.3. Гидростатическое давление. На жидкость, находящуюся в равновесии, действуют внешние силы, пропорциональные массе жидкости (это силы тяжести и силы инерции); поверхностные силы, обусловленные атмосферным давлением и избыточным давлением. Под действием этих сил в жидкости возникает гидростатическое давление. Для предотвращения поступление пластового флюида в скважину гидростатическое давление должно быть больше пластового. Необходимая плотность БР при известном пластовом давлении определяется по формуле:
При проведении работ, не допускается снижение плотности БР. На глубоких скважинах и скважинах с высокими температурными градиентами плотность БР меняется в зависимости от температуры и давления. Правила безопасности допускает колебание плотности не более 0,02 г/см3. 1.4. Давление гидроразрыва. Это давление, при котором нарушается целостность горной породы в стенках скважины за счёт разрушения скелетной решетки пласта и возникновения сети макро- и микротрещин, вызывающих увеличение проницаемости и интенсивное поглощение жидкости, находящейся в скважине (рис.3). Давление гидроразрыва будет разным, в зависимости от азимута и наклона скважины. Величина давления гидроразрыва обычно составляет 70 - 110% величины геостатического. Поскольку геостатический градиент увеличивается вместе с глубиной, градиент гидроразрыва также должен увеличиваться с глубиной. Таким образом, наиболее уязвимая точка открытого ствола будет башмак последней колонны. Плотность БР, применяемого при разбуривании заданного интервала, следует определять, исходя из следующих двух условий создания противодавления, препятствующего притоку в скважину пластовых жидкостей и газов; предотвращения гидроразрыва наиболее слабых пластов. Первое условие имеет вид. Рассчитанную
1.5. Давление страгивания (инициирования течения). Для того чтобы началась циркуляция БР, необходимо создать некоторое избыточное давление, которое называется давлением страгивания Рстр. Его величина может быть определена по формуле:
dr - гидравлический диаметр, м 1.6. Динамическое давление. В процессе спуска инструмента под долотом создается избыточное давление - репрессия, а при подъеме - разряжение - депрессия, так как скважину и движущийся в ней инструмент можно рассматривать как цилиндр и поршень. Поэтому этот процесс называется «поршневанием». Абсолютная величина этого давления, называемого динамическим Рд, может быть найдена как сумма давления страгивания и составляющей, зависящей от скорости движения труб: 1.7. Гидродинамическое давление. Гидродинамическое давление это давление, которое надо приложить к некоторому объёму жидкости для его перемещения по системе трубопроводов от одного сечения системы до другого. В бурении это давление создаётся буровыми насосами и прилагается к БР для прокачки его по системе: трубопроводы наземной обвязки - бурильные трубы - УБТ - долото - затрубное кольцевое пространство. Величина гидродинамического давления максимальна в начальном сечении системы, в нашем случае это выкид бурового насоса. В конечном сечении системы (выкид в жёлоб) гидродинамическое давление имеет нулевое значение. 1.8. Дифференциальное давление. Разница между давлением в скважине в процессе бурения и пластовым давлением называется дифференциальным давлением ΔР. ΔР=Ргс+Ргд-Рпл. 1.9. Давление поглощения. В процессе бурения при определенном соотношении давлений в скважине Рс и пласте возможно поглощение БР. В ряде случаев поглощение происходит, если Рс = Рпл.Однако чаще для поглощения необходим некоторый перепад давления ΔРn, т.е. должно выполнятся условие Рс = Рпл + ΔРn Сумма Рпл+ΔРn = Рn и являются давлением поглощения.). Индексом давления поглощения называют отношение давления Рп на стенки скважины, при котором возникает поглощение БР, к давлению столба воды высотой от рассматриваемого объекта до устья.
1.10. Забойное давление. Рзаб - есть общее давление на забое скважины (или под долотом) в любых условиях. Рзаб = Рr+Pr.ск+Риз. Рзаб. в зависимости от условий может быть равно пластовому давлению, больше или меньше его: - в нормальных условиях бурения Рзаб>Рпл; - при ГНВП, когда скважина закрыта Рзаб=Рпл. Основным условием начала ГНВП является превышение пластового давления вскрытого горизонта над забойным давлением Pпл.> P заб. ¯ Чтобы не допускать при подъёме труб повышенного эффекта поршневания, необходимо перед подъёмом выровнять вязкость раствора и СНС и не производить подъём на повышенной скорости. ¯ Если невозможно снизить до нормы вязкость и СНС подъём должен производиться на пониженной скорости. ¯ Долив при подъёме труб должен осуществляться своевременно. Возникший при подъёме труб сифон должен быть ликвидирован. При невозможности ликвидации (забито долото) подъём должен производиться на минимальной скорости и с постояннымдоливом. ¯ При подъёме труб с повышенным поршневанием (при подъёме наблюдается перелив на устье) подъём должен производится с промывкой, вращением труб ротором и выбросом их на мостки через шурф. ¯ Чтобы при спуске труб Pзаб не снизилось ниже Pпл и не возникло ГНВП скорость спуска должна быть ограничена. Седиментация - осаждение частиц из промывочной жидкости при остановке её движения. Контракция – смачивание поверхности вводимых в промывочную жидкость частиц (барита, бентонитовой глины, цемента и др.). Фильтрация - уход воды из промывочной жидкости в горизонт через корку глинистового раствора. Для глинистых растворов нормальной структуры ∆ Pст= (0,02 Избыточное давление. Избыточное давление (противодавление) есть давление, действующее на закрытую или открытую (в динамике) систему, определяемое иными, чем гидростатическое давление, источниками. Избыточным давлением в закрытой при ГНВП скважине будет давление в бурильных трубах Pиз.т. и колонне Pиз.к. Избыточным давлением в динамических условиях будут гидравлические потери в дросселе Pr.c. Избыточное давление добавляется к давлению, действующему в рассматриваемой точке в статических и динамических условиях. Это положение является основополагающим в понимании методики глушения скважины.
|
Мпа,где Н - глубина залегания пласта, м; 
- средневзвешенный удельный вес горных пород вышележащих горизонтов, г/см3.
,где 
- необходимое превышение давления над пластовым.
где 
- плотность БР, кг/м; Рпл - пластовое давление, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2; Lк - глубина залегания кровли пласта с максимальным градиентом пластового давления; м; kр- коэффициент резерва, 
- коэффициент Пуассона для горной породы.
где 
- содержание жидкости в шламожидкостном потоке без учета относительных скоростей; РГ - давление гидроразрыва (поглощения) пласта, 
потери давления при движении БР в затрубном пространстве на пути от подошвы рассматриваемого пласта до устья скважины, Па; rш- плотность шлама, кг/м2LП - глубина залегания подошвы рассматриваемого пласта от устья, м;, uм- механическая скорость бурения, м/с; dс _- диаметр скважины, м; Q- расход промывочной жидкости, м3/с.
где 
- предельное СНС, Па;
L - глубина спуска бурильных труб, м;
0,05) Pг для цементных растворов ∆P может быть значительно больше.
