Нургалимова А.С.

Казахский национальный исследовательский технический университет

Им. К.И. Сатпаева

АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ПРИЗАБОЙНЫХ ЗОН ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Аннотация: Эксплуатация газовых, нефтяных месторождений и подземных хранилищ, пласт – коллектор которых сложен слабосцементированными и рыхлыми породами, осложнена определенными трудностями, в основном, вызванными разрушением пород пласта. Горные породы в земной коре находятся в состоянии равновесия, которое нарушается в процессе проводки скважины и дальнейшей ее эксплуатации. Это приводит к деформациям горных пород в околоствольной зоне и переходу их к новому состоянию равновесия, что вызывает различные осложнения: вынос песка и разрушение призабойной зоны пласта.

Ключевые слова: разрушение, призабойная зона, устойчивость, вынос песка.

Причины, способные нарушить устойчивость ПЗП и в дальнейшем ее м разрушение, можно разделить на две группы.

Первую группу составляют факторы, вызванные особенностями геологического строения пластов и физико-химическими свойствами горных пород (пластовое и горное давления, сцементированность, гранулометрический состав, пористость, проницаемость, вид добываемого пластового флюида и соотношение нефти, газа и воды); вторую - технические и технологические факторы, обусловленные техникой и технологией бурения и эксплуатации скважин (конструкция забоя, способ вскрытия пласта, технологические жидкости, дебит, депрессия, скорость фильтрации, допускаемое содержание песка в добываемой продукции и др.).

При эксплуатации скважин установлено, что нарушение устойчивости ПЗП приурочены главным образом к песчаным слабосцементированным породам. К слабоустойчивым или неустойчивым пластам-коллекторам относятся песчаники и пески, у которых связь между зернами отсутствует или осуществляется цементирующим материалом, не обладающим достаточной прочностью. Исследованиями установлено, что эта связь осуществляется глинистым материалом, который легко разрушается при вызове притока из пласта в скважину.

Устойчивость пород к разрушению характеризуется наличием сил трения и сцепления между частицами пород и определяется формулой:

, (1)

где, – сила устойчивости;

– коэффициент трения;

– горное давление;

– сила сцепления.

Учитывая, что силы сцепления слабосцементированных пород незначительны, то устойчивость пород к разрушению будет определяться, в основном, силами трения.

Существует несколько гипотез, определяющих основные причины разрушения ПЗП. Под разрушением пород понимается процесс, при котором под воздействием фильтрующего флюида или иного фактора, в частности, напряженно – деформированного состояния, нарушается их агрегатное состояние за счет отрыва отдельных частиц от основной массы. В езультате разрушения ПЗП в ней образуются каналы, каверны, воронки (конуса обрушения), заполненые жидкостью, газом или обрушенной породой.

Основной причиной разрушения пород являются механические нарушения пористой системы, обусловленные фильтрацией пластовых флюидов через породы или перепадом давления вблизи стенки скважины. Для каждой породы существует критическое значение скорости фильтрации и градиента давления, превышения которых приводит к их размыву. Допустимую депрессию на пласт газовой скважины определяют по формуле:

, (2)

где, – критический радиус;

– критическая скорость;

– вязкость;

– проницаемость;

– радиус контура питания;

– радиус скважины.

Ниже приведены несколько гипотез, определяющих причин разрушения ПЗП:

1. Нарушение устойчивости пласта происходит в результате разрушения цементирующего материала пластовой водой, который в нормальных условиях скреплял между собой отдельные зерна песка.

2. В ряде скважин, эксплуатирующихся при депрессиях меньших, чем допускаемые, со временем происходит разрушение ПЗП, что не может быть объяснено только процессом размыва породы. Объясняется это тем, что вынос мелких частиц приводит к возникновению отдельных каналов, в результате чего пористость несколько увеличивается и при достижении критического значения сопровождается разрушением структуры пористой среды за счет сдвига частиц пород.

3. Одной из причин разрушения ПЗП при градиенте давления и скорости фильтрации меньших, чем их критические значения, являются наличие предварительного разрушения скелета пород. С увеличением степени предварительной разрушенности пород призабойной зоны значения критических градиентов давления и скоростей фильтрации уменьшаются.

4. Начало разрушения связано с некоторым предельным общим напряженным состоянием породы. При исследовании ряда скважин на нефтяных месторождениях доказано, что причинами пескопроявления является напряженное состояние пород ПЗП, а также фильтрационный размыв с одновременным воздействием напряженного состояния. Исследователи предлагают напряженное состояние пород призабойной зоны характеризовать безразмерным коэффициентом по формуле:

, (3)

где, – коэффициент бокового распора пород;

– глубина залегания продуктивного пласта;

– объемный вес породы;

– забойное давление;

– прочночть породы на сжатие7

При наблюдается условие равновесия пород и при – напряженное состояние.

О механизме разрушения призабойной зоны после произошедших в породах структурных изменений существуют различные точки зрения.

При исследованиях по определению устойчивости пластов – коллекторов размыву установлено наличие суффозионных процессов, при этом происходила непрерывная перегруппировка мелких частиц в поровом пространстве с изменением проницаемости образца. Длительное воздействие фильтрационного потока, движущегося с критической скоростью в нефтяной породе, сопровождалось деформацией испытуемых образцов в виде выпирания. Откалывающиеся под действием фильтрационного потока частицы образуют конус на поверхности образца, вершина которого в процессе размыва перемещается в сторону, противоположную направлению скорости фильтрации. В результате такого разрушения породы поверхность перфорационных каналов увеличиваются, они соединяются между собой и образуют каверну в призабойной зоне.

В слабосцементированном пласте вследствие выноса песка образуются каналы различных диаметров и длины. Формирование каналов происходит из-за сгущения линии потоков жидкости в породе в определенных направлениях, обусловленных неравномерной проницаемостью последней. Фильтрационные каналы являются начальными элементами деформации пород, с развитием которых порода полностью разрушается, переходит в плывун, распространяющийся до определнного радиуса.

В результате разрушения призабойной зоны в ней образуется воронка (конус обрушения), а над нею – расширяющийся свод, удерживающий породы от дальнейшего сползания.

Установлено, что вокруг ствола скважины в призабойной зоне слабосцементированного ефтеносного пласта образуется каверна, которая при пологих пластах будет иметь воронкообразную форму, а с увеличением угла падения пласта будет вытянута вверх по восстанию пласта. При рыхлых несцементированных породах и крутопадающих пластах возможно, что вся область вокруг скважины буде заполнена песком, а пространства, свободные от песка, переместятся на какое-то расстояние от скважины вверх по восстанию пласта.

Многие ислледователи полагают, что при выносе песка из призабойной зоны в процессе эксплуатации скважины вокруг фильтра образуется кавена, в объеме которой твердая фаза частично замещается флюидом. Со временем объем каверны увеличивается и происходит обрушение обрушение кровли пласта в виде усеченногго конуса. Этот процесс может продолжаться до полного перекрытия фильтровой части обрушившейся породой и сопровождаться изгибом, смятием и сломом обсадных колонн. Помимо деформации колоны описанное выше явление может привести к разобщению продукивного пласта от скважины, к сообщению между собой горизонтов, прорыву вышележащих вод, нарушению герметичности колоныи т.д.

Вывод: проведенные исследования позволили выявить, что разрушение пласта происходит в несколько этапов – вынос породы с образованием хорошо проницаемых волнообразных каналов, соединение этих каналов у стенки перфорированной эксплуатационной колонны с последующим образованием общей кавены и обрушение вышележащего пласта в образовавшую каверну. Таким образом, разрушение призабойной зоны газовых скважин происходит по аналогии с нефтяными, вызывая нежелательные последствия (образование каверн, обрушение кровли, нарушение колонн и т.д.).

Список литературы:

1. Ратов Б.Т., Кожевников А.А., Отебаев М., Судаков А.К., Гравийные фильтры буровых скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые (Учебное пособие), КазНТУ имен К.И.Сатпаева,ул.Сатпаева, 22, 346 с, 2015;

2. Мусанов А., Технология бурения нефтяных и газовых скважин, (Учебное пособие), КазНТУ имени К.И.Сатпаева, Алматы, ул.Сатпаева, 22, УИЦ КазНТУ, 325 с., 2015;

3. Федоров Б.В. Бурение скважин: Учебник – Алматы: КазНТУ, 2002, – 284 с.;

4. Аманқұл Ә.С. Ұңғыларды аяқтау: Оқулық – Алматы: 1997–160 бет.;

5. Федоров Б.В. Бурение и оборудование гидрогеологических скважин / Учебное пособие. Алма-Ата, КазПТИ, 1989;

6. Ратов Б.Т. Гидровибрационное освоение флюидосодержащих пластов при строительстве скважин / Издание КазНТУ им.К.И.Сатпаева. г.Алматы, ул.Сатпаева, 22, 2015г. С-124.

7. Ракишев Б.Р., Федоров Б.В. Техника и технология сооружения геотехнологических скважин (монография) / ИИЦ КазНТУ им.К.И.Сатпаева. г.Алматы, ул.Сатпаева, 22, 2013г. С-356;

8. Володько И.Ф. Гравийные фильтры буровых скважин. //М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. 127с.