Технологические проблемы строительства глубоких скважин и методы их системного решения

Перспективы укрепления и расширения минерально-сырьевой и энергетической базы России, а также развития нефтегазодобывающего комплекса тесно связаны с темпами ведения геолого-разведочных работ на нефть и газ бурением глубоких (Западная и Восточная Сибирь) и сверхглубоких скважин (Астраханская область, Краснодарский край). Вместе с тем, рост глубин и объемов разведочного и эксплуатационного бурения в регионах со сложными горно-геологическими и природно-климатическими условиями, слабо развитой инфраструктурой и отдаленностью без материально-технического обеспечения существенно растягивают сроки строительства глубоких скважин и увеличивают финансовые и материальные затраты.

Многолетний опыт показывает, что снижение качества и эффективности буровых работ происходит от воздействия ряда ключевых факторов. Это высокая аномальность геолого-технических и термодинамических условий бурения как природного, так и техногенного происхождения. Нестационарность технологических процессов бурения и заканчивания скважин, снижающих качество и эффективность буровых работ. Высокий уровень сложности гидравлических условий бурения глубоких скважин, приводящих к поглощениям буровых и тампо-нажных растворов, гидроразрывам горных пород, межпластовым перетокам и заколонным флюидопроявлениям, выбросам и фонтанам.

В сложившихся обстоятельствах отмечается устойчивая тенденция снижения эффективности технологий бурения, основанных на поддержании различных способов равновесия в скважине (гидравлического, механического, гидромеханического и т. д.). И главными факторами при этом становятся рост глубин бурения и сложность термодинамических условий строительства скважин.

Поэтому успешное решение проблем повышения качества и эффективности строительства глубоких скважин, сокращение сроков буровых работ приобретают важное народнохозяйственное значение и актуальность.

Важнейшими задачами совершенствования технологии буровых работ являются: стабилизация технологических процессов бурения и заканчивания скважин, сохранение природных коллекторских свойств продуктивных пластов и долговременное разобщение флюидонасы-щенных пластов при креплении скважин.

Реализация новых научно-технических разработок в этой области обеспечит рост качества и эффективности буровых работ, приведет к существенному сокращению финансовых средств и времени на поиски, разведку и разработку новых глубоко залегающих месторождений углеводородного сырья, необходимых для наращивания топливно-энергетического потенциала страны.

Цель работы. Повышение качества и эффективности строительства глубоких разведочных и эксплуатационных скважин разработкой и внедрением комплекса научно-технических решений и технологий по контролю технического состояния ствола и регулированию гидравлических процессов бурения и заканчивания скважин.

Основные задачи исследований и разработок:

1. Анализ термодинамических условий строительства глубоких скважин.

2. Аналитическая оценка технологических проблем строительства глубоких скважин и методов их решения.

3. Научно-технические обоснования системного развития технологии глубокого бурения.

4. Совершенствование методических основ и комплексных технологических решений по гидромеханическому упрочнению ствола в процессе бурения глубоких скважин.

5. Оценка результатов промысловых испытаний и внедрения технологий гидромеханического упрочнения ствола при строительстве глубоких разведочных скважин.

Методы исследований. Для решения научно-прикладных задач в диссертации использованы методы аналитических обобщений информационной базы данных, классическая механика сплошных сред (раздел «гидромеханика»), научно-методические принципы системных подходов и технологических решений, методы гидродинамических и промыслово-геофизических исследований разреза скважин и флюи-донасыщенных пластов.

Научная новизна работы.

1. Установлены взаимосвязь и взаимозависимость действующих в скважине давлений природного (термодинамического) и техногенного (технологического) происхождения, оказывающих превалирующие влияние на техническое состояние и гидравлическое поведение скважин на различных этапах ее строительства. Это нестационарные процессы гидромеханического и физико-химического взаимодействия технологических жидкостей и массива вскрываемых бурением горных пород, негативными последствиями которых становятся частые нарушения процессов бурения, крепления скважин и первичного вскрытия продуктивной толщи, снижение уровня организации и управления технологическими операциями. В конечном счете снижаются конечные показатели качества и эффективности буровых работ.

2. Научно-технические обоснования по развитию технологий бурения глубоких скважин на системных принципах, главными из которых являются: расширение информационной базы промысловых данных, совершенствование методов организации технологических операций и управления механизмами воздействия технологических жидкостей на приствольную и призабойную зону обрабатываемого в процессе бурения массива горных пород.

3. Развитие идеологии совершенствования технологии бурения и заканчивания глубоких разведочных скважин с гидромеханическим упрочнением ствола в интервалах флюидонасыщенных пластов и неустойчивых горных пород.

Практическая ценность работы.

1. По результатам научных обобщений и аналитической оценки современного уровня развития технологий строительства глубоких скважин на разведочных площадях различных регионов России установлена низкая эффективность традиционно применяемых технологий. Не находят удовлетворительного решения такие ключевые проблемы технологии бурения скважин, как: предупреждение и борьба с наиболее распространенными осложнениями (поглощения, гидроразрывы, газонефтеводопроявления, межпластовые перетоки и т. д.), сохранение природных коллекторских свойств продуктивных пластов, повышение герметичности заколонного пространства крепи, разработка технологически оптимальных конструкций забоя и гидравлически совершенных фильтров в интервалах продуктивной толщи глубоких скважин.

2. Установлены гидравлические особенности совместного влияния различной природы давлений в скважине на технологию буровых работ, что позволило усовершенствовать методический подход к технологически обоснованному выделению в разрезе скважин, совместимых по геолого-промысловым условиям интервалов бурения.

3. Разработан и внедряется в промысловую практику комплекс методических решений и технологий по гидромеханическому упрочнению ствола в процессе бурения глубоких скважин, который включает:

• расширенную информационно-аналитическую базу промысловых данных по техническому состоянию и гидравлическому поведению скважин в процессе бурения;

• методы оперативного контроля и регулирования фильтрационных и прочностных характеристик необсаженного ствола скважин;

• методические решения по адаптации технологических процессов гидромеханического упрочнения ствола к буровой технике (способ бурения, мощность буровых насосов, тип долота, свойства буровых растворов) и фильтрационно-прочностным характеристикам приствольной зоны массива горных пород (механическая прочность, проницаемость, пластовое давление и температура, флюидонасыщен-ность);

• методы расчета технологических параметров процесса изоляции проницаемых пород с различными фильтрационно-прочностными характеристиками;

4. Результаты технико-экономической эффективности внедрения комплекса системных разработок при строительстве глубоких разведочных скважин на площадях ОАО «Бургаз» (Астраханская и Оренбургская области, Красноярский и Краснодарский края, Тюменская область). Показатели технологической эффективности буровых операций — бурения, первичного вскрытия продуктивной толщи, крепления, освоения и эксплуатации скважин в большинстве случаев отличает их нелинейный рост.

Диссертационная работа является научным обобщением результатов выполненных автором теоретических, экспериментальных и промысловых исследований в области технологии строительства глубоких разведочных и эксплуатационных скважин по повышению качества, эффективности и экологической безопасности буровых работ, что позволило решить крупную научно-техническую проблему ускорения поисков и разведки новых глубокозалегающих месторождений углеводородного сырья, имеющую важное народнохозяйственное и оборонное значение для страны.

Научная работа выполнялась автором самостоятельно, а также при оказании консультативной и научно-методической помощи профессорами В. Н. Поляковым, Ю. С. Кузнецовым, В. И. Урманчеевым, которым автор выражает благодарность и искреннюю признательность за их внимание, оказанную помощь в процессе и при завершении работы, а также моим коллегам за участие в проведении экспериментальных и промысловых работ на скважинах ОАО «Бургаз».

ОСНОВЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Результаты аналитических обобщений и масштабных исследований свидетельствуют о снижении качества и технико-экономических показателей традиционных технологий буровых работ во все осложняющихся геолого-технических условиях строительства нефтяных и газовых скважин. Связаны эти обстоятельства со слабо развитой теорией в области нестационарных термодинамических процессов, отсутствием в технологии буровых работ системных разработок, неудовлетворительным контролем технического состояния необсаженного ствола и регулированием гидравлического поведения скважин.

2. Получили развитие современные представления о виброволновой природе турбулентного течения технологических жидкостей в скважине и его превалирующего влияния, как фактора, на нестационарность технологических процессов в бурении. По результатам промысловых исследований установлено, что величина амплитуд пульсирующих давлений в процессе бурения, промывки, цементирования обсадных колонн, спуско-подъемных операций, борьбы с осложнениями превышает давление гидравлических сопротивлений в элементах циркуляционной системы в 1,5−3,0 раза, а амплитуды колебания давлений в колонне бурильных труб выше, чем в затрубном пространстве в 1,4−3,7 раза.

3. Впервые проанализировано взаимодействие различной природы (геолого-физической и технической) давлений в скважине и их влияние на гидравлику буровых работ и технологические процессы. Установлена высокая степень сложности и изменчивости внутрисква-жинных гидравлических процессов взаимодействия массива горных пород и технологических жидкостей, обусловленных анизотропией свойств горных пород (физико-химические, механические, фильтрационные, структурные и т. д.), существенными различиями термодинамических параметров гидродинамических систем (давление, температура, свойства пластовых флюидов) и нестационарностью гидравлических виброволновых процессов, амплитудно-частотные характеристики которых изменяются в широких пределах при производстве в скважине различных операций.

4. Аналитическая оценка прикладных возможностей теории и эксперимента в технологии бурения скважин показала, что многочисленные попытки создания математических, физических, детерминированных, стохастических и других моделей, а также расчетных методов, адекватно отражающих нестационарность технологических процессов в скважине, оказались бесплодными. Обусловлено сложившееся положение некорректным использованием теории линейной математики, основанной на десятичной системе исчисления, для описания нестационарных процессов и состояний, характерных для термодинамических условий системы «скважина — массив горных пород», которые могут быть описаны лишь при применении теории, основанной на двенадцатеричной системе исчисления (многомерной).

5. Впервые сформулированы научно-методические принципы организации и управления технологическими процессами бурения, позволяющие расширить перспективы совершенствования традиционных технологий и поднять их на более высокий уровень качества и эффективности строительства нефтяных и газовых скважин.

6. Впервые разработан многофункциональный комплекс системных технологий по гидромеханическому упрочнению ствола в процессе бурения и заканчивания скважин в сложных и изменяющихся геолого-технических условиях, который включает:

— метод гидромеханических испытаний ствола на герметичность (приемистость) и прочность (градиент давления испытания) опрессов-ками скважин с устья или пакерующими устройствами;

— технологию гидроизоляции приствольной зоны вскрываемых бурением поглощающих, газонефтеводопроявляющих пластов и низкой прочности горных пород («метод малых проникновении»);

— технологию изоляции призабойной зоны поглощающих пластов высокой приемистости при регулируемых режимах нагнетания тампо-нажных смесей, параметры которых адекватны их геолого-физическим и фильтрационным характеристикам («метод регулируемых проникновений»);

— методы оперативного регулирования гидравлических режимов бурения, первичного вскрытия продуктивной толщи, цементирования обсадных колонн и тампонирования поглощающих пластов;

— методику совершенствования (упрощения и облегчения) конструкций глубоких скважин.

7. Промысловый опыт показал, что внедрение многофункционального комплекса гидромеханического упрочнения ствола в процессе бурения скважин привело к нелинейному росту качественных и технико-экономических показателей ключевых технологических операций: процесса бурения скважин, предупреждения и борьбы с осложнениями, первичного вскрытия продуктивной толщи, разобщения пластов при цементировании обсадных колонн, упрощения и облегчения конструкций глубоких скважин, т. е. к переходу их на более высокий уровень развития.