СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ АВАРИЙНОСТИ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН
PREVENTION OF ACCIDENTS AT OIL-AND-GAS-PRODUCTION WELLS

Предлагаемое изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к бурению скважин.
Известен способ прогнозирования неоднородностей, приводящих к аварийным ситуациям при строительстве нефтегазодобывающих скважин. Он основан на отборе материала из скважины с последующим рентгеноструктурным определением состава глинистых минералов, по которому можно судить об интенсивности тектонических нарушений вызывающих аварийные ситуации (см. Сахибгареев Р.С., Галикеев К.Х. Влияние разрывных нарушений на эпигенез глинистых минералов в нефтеносных отложениях неокома Западно-Сибирской низменности (Литология и полезные ископаемые. 1971 г.№5, стр.108-119).
Недостатком способа является длительность анализа и его высокая стоимость.
В качестве прототипа принят способ прогнозирования аварийных ситуаций при бурении по пат. РФ №2352966. «Способ прогнозирования аварийных ситуаций при строительстве нефтегазодобывающих скважин». МПК G01V 9/00, Е21B 49/00, E21C 39/00, опубл. 20.04.2009 г.
Он заключается в том, что при бурении нефтегазодобывающих скважин в процессе бурения отбирают образцы породы (керн) и анализируют их. Согласно изобретению отбирают образцы терригенных пород с нефтегазоносных площадей осадочного чехла, соседствующих или находящихся непосредственно над погребенным континентальным рифтом, обрабатывают их соляной кислотой, по продуктам реакции судят о наличии скрытых на большой глубине разломов, выявляют зоны развития ломонтита (цеолита) в терригенных толщах чехла по появлению студенистой массы кремнезема (продукта взаимодействия HCl и ломонтита), по которой судят о наличии скрытых на глубине разломов.  Способ включает бурение газонефтяной скважины, отбор в процессе бурения скважины кернов, их анализ и проведение соответствующих мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций.
Недостатком прототипа является сложность, длительность и высокая стоимость анализа кернов, что снижает эффективность способа прогнозирования аварийных ситуаций при бурении скважин.
Известно, что газонефтенесущие пласты (коллекторы) нефтегазовых месторождений характеризуются специфическими особенностями. Они обнаруживают значительный разброс свойств и подвержены различным преобразованиям. Их коллекторские свойства ослабляются или усиливаются в зависимости от направления физико-химических процессов, происходящих в природном резервуаре. В результате образуются прослои сильно сцементированных плотных пород, а также контрастные к ним интервалы рыхлых, слабосвязанных пород с резко отличающимися от основной массы пород свойствами. Эти разуплотненные зоны мощностью 1-5 м именуются суперколлекторами. При прохождении прослоев суперколлекторов бурением механическая скорость проходки увеличивается в 3-4 раза. Нижняя граница зоны залегания суперколлектора подчеркнута очень твердым и прочным прослоем, в котором сосредоточены соединения тяжелых металлов, концентрация которых увеличена по сравнению с предыдущими слоями горных пород. При бурении на высоких скоростях, ввиду скачкообразного изменения механических свойств пород, происходит резкий удар о пласт с повышенной прочностью, буровой инструмент выходит из строя и возникает аварийная ситуация. Интервалы залегания суперколлекторов приурочены к зонам древних водонефтяных контактов (ДВНК), которые являются реакционными зонами интенсивного преобразования пород и углеводородов в залежи. Любые осадочные породы содержат ряд металлических микроэлементов, распределяющихся согласно известным закономерностям, существенно отличающихся для различных отложений. В залежи углеводородов мобильные формы металлов ассоциируют с подвижными фазами флюидов - газом, легкой нефтью и водой. Малоподвижные формы металлов обогащают малоподвижные флюиды - смолы, асфальтены и твердые битумы. Разные металлы образуют различные ассоциации в миграционных потоках в залежи. Максимальные концентрации металлов отмечаются в битумных подзонах древних водонефтяных контактов. Наиболее восстановленные (чистые) формы металлов обнаруживаются в газовом ядре залежи. Границы суперколлекторов отмечены прослойками осадочных пород с максимальными концентрациями соединений ряда металлических микроэлементов.
Задачей изобретения является повышение эффективности способа предупреждения аварийных ситуаций при бурении нефтегазодобывающих скважин.
Для предотвращения аварийных ситуаций необходимо выявление прослоев суперколлекторов, их идентификация и определение свойств породы. Для этого производится исследование породы на наличие в пограничных зонах водомаслонерастворимых соединений тяжелых металлов, таких как Cu, Mn, Sr, Pb, V, Co, Bi, Ti, Ni, Ga. Соединения этих металлов переносятся миграционными потоками углеводородов. Прослеживается четкая связь между местами их осаждения с образованием пограничных зон прослоев. Как показали проведенные нами исследования (фиг.1), по разрезу залежи углеводородов отмечается перераспределение этих соединений в процессе формирования залежи и скопление их на нижних границах прослоев суперколлекторов, что приводит к увеличению прочностных характеристик пород в этих зонах. При достижении этих зон буровым устройством, при условии неизменности скорости бурения, возникает аварийная ситуация, т.е. поломка бурового инструмента. Для их предотвращения и необходимо определить местонахождение этих границ по глубине скважины.
Технический результат заключается в упрощении анализа керна, т.к. рекомендуемый спектральный метод изучения породы характеризуется универсальностью, простотой, доступностью и не требует больших масс анализируемых образцов керна, а также бурения скважин большого диаметра для отбора проб (Русанов А.К. Основы количественного спектрального анализа руд и минералов. -М., 1971). Спектральный анализ относится к высокоточным, чувствительным и информативным методам и позволяет провести качественную и количественную оценку состава керна на наличие тяжелых металлических элементов, присутствующих даже в минимальных количествах, что приводит к значительному повышению эффективности снижения аварийных ситуаций на буровом инструменте; сокращении времени бурения за счет исключения аварийных простоев.
Поставленная задача решается тем, что при бурении скважины производят отбор керна, исследуют пробы спектральным анализом на наличие в породе керна масловодонерастворимых примесей, а именно соединений тяжелых металлов. При этом фиксируют глубину, на которой отмечается резкое увеличение их концентраций, многократно превышающих фоновые значениях. По увеличенной концентрации примесей в керне судят о повышении твердости и буримости породы и, соответственно, проводят мероприятие по предотвращению аварии, уменьшая механическую скорость бурения скважины.
На графиках (Фиг.1) приведены результаты спектрального исследования породы кернов из скважин №2 и №10 Карачаганакского ГКМ, а именно изменение концентраций таких металлов, как Cu, Mn, Sr, Pb, Bi, Ti, Ni по глубине скважины и выделены глубины, на которых их концентрации достигают максимальных значений и буримость породы ухудшается.
Пример 1.
В процессе испытания способа, основываясь на данных соседних скважин, для скважины №10 Карачаганакского месторождения были выявлены зоны возможных аварий. На глубине 3515 м началось увеличение скорости проходки долотом марки СТ при осевой нагрузке 100 кН до 28 м/ч. Начиная с 3579 м скорость проходки была снижена до 8 м/ч. На глубине 3825 м механическая скорость бурения резко снизилась до 1 м/ч. После изучения керна с глубины 3515-3825 м спектральным анализом отмечено содержание Mn в количестве 0,26% мас. После проведения физико-химических исследований данный интервал интерпретирован как зона расположения легко бурящейся породы-суперколлектора. Начиная с глубины 3820 м началось увеличение скорости проходки долотом марки CT до 34 м/ч. При достижении глубины 3823 м скорость бурения была снижена до 6 м/ч. На глубине 3825 м был встречен очень плотный прослой пород с высокими прочностными свойствами, аварийного выхода из строя долота не произошло. Исследования поднятого керна показали повышенное содержание N1 в количестве 0,26% мас. на глубине 3825 м. После проведения физико-химических исследований интервал 3820-3825 м был проинтерпретирован как зона расположения суперколлектора, обладающего хорошей буримостью и слабыми прочностными свойствами. Снизив механическую скорость бурения при подходе к глубине 3825 м, аварии удалось избежать.
При проведении испытаний способа на Карачаганакском и Оренбургском месторождениях были пробурены исследовательские скважины и извлечены керны, проведены спектральные исследования пород кернов на наличие в них примесей тяжелых металлов. Построены наглядные диаграммы изменения концентраций таких металлов, как Cu, Mn, Sr, Pb, Bi, Ti, Ni по глубине скважины. Эти испытания позволили определить границы прослоев с повышенной твердостью, поскольку были зафиксированы глубины залегания пород, сожержащих высокие концентрации примесей, и выделены аварийноопасные глубины залегания пород, на которых породы, бурящиеся на высоких скоростях, заканчиваются, а из-за большого количества осажденных на этой глубине водомаслонерастворимых соединений металлов породы получают свойства упрочнения и сопротивляются разрушению их долотом. Во избежание поломки бурового инструмента в местах расположения этих прослоев было предусмотрено уменьшение скорости бурения при подходе к ним бурового инструмента. Причем после прохождения этих зон скорость бурения возвращали. Т.о. предотвращались аварии бурового инструмента и снижалось общее время аварийных простоев при бурении скважин, а также снижалась стоимость бурения.