Давления в скважине

Гидродинамические давления при проведении различных технологических операций:

1. Нет циркуляции, нет движения инструмента:

Р_СКВ = Р_ГС

2. Циркуляция:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП

3. Движение инструмента вниз:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_ПОРШ.

4. Движение инструмента вверх:

Р_СКВ = Р_ГС - ΔР_СВАБ. (Р_СКВ - min)

5. Движение вниз с циркуляцией:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП + ΔР_ПОРШ. ( Р_СКВ - max)

6. Движение вверх с циркуляцией:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП - ΔР_СВАБ.

7. Проработка:

Р_СКВ = Р_ГС + ΔР_КП + ΔР_ПОРШ. (V_СПО = V_ПРОРАБ)

где Р_СКВ - давление в скважине;

Р_ГС - гидростатическое давление: Р_ГС = ρН/10

ΔР_КП - потери давления в кольцевом пространстве; ΔР_КП = f (Q², S_КП, ρ ,t_0, h )

ΔР_ПОРШ - давление поршневания; ΔР_ПОРШ, ΔР_{СВАБ. =} f (V_СПО, S_КП, ρ ,q_, h )

ΔР_СВАБ. - давление свабирования;

V_СПО - скорость спуско-подъемных операций; V_ПРОРАБ - скорость проработки.

АВПД

3.6.1. Понятия о давлениях - горное, скелетное, пластовое. Нормальные и аномальные давления. Изменение пористости и плотности пород с глубиной. Нормальное уплотнение пород

Объёмная и минералогическая плотность

Плотность горных пород является основным физическим параметром, который наряду с пористостью широко используется для выделения зон аномально-высоких поровых давлений (АВПоД) и пород-коллекторов.

Плотностью горной породы (ρ) называют массу, приходящуюся на единицу объёма, т.е.

ρ=m/V

Масса образца породы (m_п) состоит из массы твёрдой фазы (m_т), жидкости (m_ж) и газа (m_г). Объём образца складывается также из объёма твёрдой фазы (V_т), жидкой (V_ж) и газовой (V_г).

Следовательно:

ρ= m_т+ m_ж+ m_г/ V_т+ V_ж+ V_г

Отношение массы твёрдой фазы породы к занимаемому её объёму называют минералогической плотностью:

ρ_м=m_т/V_т

При проведении ГТИ определяется обычно объёмная плотность в г/см³,

ρ=m_в*ρ_ж/V

где т_в – масса влажного образца, г;

V – объём образца, см³;

ρ_ж – плотность насыщающей образец жидкости, г/см³ (обычно принимают

ρ_ж=1 г/см³)

и минералогическая плотность

ρ_м=m_с/V_с

где V_c – объём сухого образца, см³

V_c=V-(m_в-т_с)/ρ_в,

где т_с-масса сухого образца, г.

Величина плотности горных пород изменяется в широких пределах для различных типов горных пород и зависит от минерального состава, плотности слагающих породу минералов, пористости породообразующих минералов, плотности жидкости и газов заполняющих её поровое пространство, структурно-текстурных особенностей породы и др. Значения плотности основных осадочных пород приведены в табл. 4.

С глубиной плотность горных пород возрастает, так как она обусловлена, главным образом, пористостью. Такая закономерность наиболее характерна для глинистых пород. При отсутствии зон АВПоД плотность глин закономерно возрастает с глубиной, а при их наличии эта закономерность нарушается за счёт зон разуплотнённых глин.

Общая, открытая и эффективная пористость

Пористость горных пород, слагающих коллектор, представляет собой совокупность пространств, заключённых между частицами твёрдой фазы, формирующей породу. По условиям образования пористость подразделяют на первичную и вторичную. Первичная пористость образуется в процессе отложений материала, вторичная – возникает при некоторых геологических процессах, следующих за процессом осадконакопления. Первичная пористость может быть межзерновой, характерной для терригенных пород, и межкристаллической, присущей карбонатным породам. Вторичная пористость образуется за счёт растрескивания, процессов растворения и выщелачивания, характерных для карбонатных пород. Пористость зависит не только от укладки зёрен породы, но и от их формы, распределения по размерам, наличия глинистого и цементирующего материала.

Различают общую, открытую, закрытую и эффективную пористость. Иногда оперируют трещинной и кавернозной пористостью.

Общая пористость включает в себя открытую и закрытую пористости и определяется совокупностью всех пустот в минеральном скелете породы и представляет собой отношение объёма пор в образце (V_п) к объёму образца (V), т.е. коэффициент открытой пористости будет

K_n=V_п/V

Коэффициент открытой пористости определяется как отношение объёма открытых пор в образце породы (V_n.o.) к объёму образца, т.е.

K_n.o.=V_п.o./V

Закрытая пористость определяется объёмом изолированных пустот в образце породы.

Пористость горных пород – это совокупность пор, каверн и трещин, заключённых между частицами твёрдой (скелетной) части породы.

В зависимости от размера пор различают мегапоры (>10 мм), сверхкапиллярные (0,1-10 мм), капиллярные (0,001-0,1 мм) и субкапиллярные (<0.001 мм). Подавляющая часть субкапиллярных пор не пропускает жидкость при градиентах давлений, наблюдаемых в природе.

Конфигурация пор крайне разнообразна.

Эффективная пористость определяется объёмом порового пространства (V_п.д), по которому может происходить передвижение пластового флюида при перепадах давления встречающихся в природе.

Коэффициент эффективной пористости рассчитывается по формуле

K_эф=V_п.д/V

Пористость пород-коллекторов с глубиной залегания пласта уменьшается, вследствие уплотнения породы под действием давления вышележащих слоёв, а также геотектонических сил. Влияние давления и температуры неодинаково на породы с различным литологическим составом, плотностью, минеральным составом, насыщенностью пластовыми водами, степенью цементизации зёрен и т.д.

При выносе керна на поверхность, когда происходит снижение пластового давления до атмосферного, а пластовой температуры до температуры окружающей среды, коэффициент пористости увеличивается, что необходимо учитывать.

Величина пористости горных пород изменяется в широком диапазоне: от долей процента (магматические породы) до 40% (глины в зонах АВПоД, газоносные песчаники). Наиболее распространённое значение пористости песчаников Русской платформы 17-24%.

Пористость горных пород терригенного типа с увеличением глубины залегания снижается почти по линейной зависимости. И на глубине 5-6 км редко превышает 3-4%. Пористость карбонатных пород с глубиной также уменьшается но нелинейно и величина пористости, на больших глубинах, может достигать 8-10% и более за счёт возрастания доли вторичной пористости, трещин и каверн (месторождения Прикаспийской впадины и Северного Кавказа).

Изучение коллекторских свойств горных пород на больших глубинах, показывает наличие мощных зон (до 500-800 м) вторичной пористости, обусловленных выщелачиванием карбонатных минералов под агрессивным воздействием углекислого газа и углеводородных газов в водорастворимой фазе, мигрировавших по разломам и трещинам в глубокопогружённые зоны низкопористых коллекторов с нарушенной стабильностью термодинамического равновесия (температура 150-200⁰С и давление 60-70 МПА). В этих природных условиях карбонатные минералы легко переходят в пластическое состояние и быстро растворяются. В формировании вторичной пористости участвуют также каолинизация глинистых материалов, микротрещинноватость, доломитизация и другие факторы.

С увеличением глубины залегания пород-коллекторов их промышленная значимость во многом зависит не только от величины общей пористости пород, а также от степени их трещиноватости и проницаемости.

3.6.2. Происхождение АВПД

Основные причины образования АВПД - естественные причины, скорость и условия осадконакопления, тектоника (палеодаления, разломы, надвиги, складки, диапиризм и др.), тепловое расширение, преобразования минералов, диагенез глин, органические преобразования.

3.6.3. Признаки АВПД

Признаки приближения и вхождения в зону АВПД

Примечание – изменение параметров относительно нормального изменения с глубиной:

0 - параметр не меняется, - - уменьшение параметра;

+ - увеличение параметра; ( ) - возможное изменение параметра.

3.6.4. Методы определения АВПД

3.6.4.1. Прямой метод – испытание пласта.

3.6.4.2. Оценочные методы – 1) по величине избыточного давления на устье закрытой скважины (+ гидростатическое давление); 2) по величине давления начала поглощения (теоретическая верхняя граница пластового давления); 3) по эквивалентной плотности бурового раствора (с учетом гидродинамических давлений) на момент поступления газа из пласта в скважину.

3.6.4.3. Косвенные методы (методы в процессе бурения)

Физическая основа методов – рост скорости разбуривания зон с аномально-высокми пластовыми и поровыми давлениями за счет снижения прочности породы (низкая плотность, высокая пористость) и снижения дифференциального давления в системе скважина-пласт.

При оценке скорости проходки следует учитывать:

· Изменение режима бурения,

· влияние износа долота

· влияние плотности раствора

· влияние литологии и прочих характеристик пород.

Все влияния учитываются в различных моделях бурения. Наиболее распространенный способ – d-экспонента.

3.6.5. Методы определения давления гидроразрыва пород

3.6.5.1. Прямой метод – тест на утечку – закачка в закрытую скважину раствора на малом расходе с контролем и регистрацией объема закачки и давления в скважине. Испытание проводится для первого вскрытого пласта ниже башмака обсадной колонны.

3.6.5.2. Косвенные методы определения градиента разрыва

· Метод Хабберта и Уиллиса

grad Pгр = К* (grad Pгор - grad Pпл ) + grad Pпл; К= 1/3 или К=1/2 –1/4

Недостаток – возможное занижение градиента в зонах АНПД и завышение в зонах АВПД

· Метод Мэтьюза и Келли

grad Pгр = К* (grad Pгор - grad Pпл). + grad Pпл; К – коэффициент эффективного напряжения, определяется методом эквивалентных глубин для разуплотненных зон по эмпирической зависимости К от глубины для данного региона.

· Метод Итона

grad Pгр = К* (grad Pгор - grad Pпл ) + grad Pпл; К=m / (1-m), m - коэффициент Пуассона для горных пород, m = 0,2-0,45. Требуется знание регионального коэффициента Пуассона. Определяется на базе фактических данных о гидроразрывах.

· Метод Кристмана (модификация метода Итона для морских месторождений)

grad Pгор = (ρводы* hводы + ρпор*Нскв)/ hводы + Нскв;

ρводы и hводы – плотность и высота столба морской воды.

ρпор – средневзвешенная плотность пород в скважине

· Метод Чезароне – учитывает влияние механического поведения пород на гидроразрыв.

1. для высокопластичных пород (глины, соли, мергели)

grad Pгр =grad Pгор;

2. для низкопроницаемых песков и песчаников

grad Pгр = 2m / (1-m) * grad Pгор + grad Pпл;

3. для высокопроницаемых упругих пород с глубоким проникновением фильтрата

grad Pгр = 2m * grad Pгор + grad Pпл;

m = 0,25 – чистые пески, нетрещиноватые известняки на небольших глубинах

m = 0,28 – глинистые песчаники на больших глубинах.