Исследование проницаемых пластов

Исследования проводят для определения параметров и характеристик поглощающих объектов:

1) границы (толщины) зоны поглощения;

2) пластовое давление;

3) интенсивность поглощения;

4) взаимодействие пластов, направление внутрискважинных перетоков;

5) типы коллектора, размеры и форма каналов;

6) местоположение и размеры сужений и каверн в скважине;

7) возможность других осложнений и их интервалов (обвалы, проявления);

8) прочность и давление гидроразрыва пород;

9) подготовленность ствола скважины к переходу на промывку другим раствором и к цементированию колонн.

Данные исследований используют для выбора методов и средств борьбы с поглощениями, расчета режимов прмывки и крепления при наличии в разрезе отложений, склонных к поглощениям.

Для исследования поглощений применяют различные методы: наблюдение за состоянием циркуляции БР, изучение изменения механической скорости бурения во времени (механический каротаж), отбор и анализ керна и шлама, фотографирование стенок скважин, наблюдение за стенками скважин с помощью скважинной телеметрии, промыслово-геофизические и гидродинамические исследования. С целью детального изучения поглощающих пластов проводят комплексные исследования.

Методами наблюденияза характером изменения механической скорости, работой бурильной колонны (провалы, и посадки, затяжки), расходом раствора на входе в скважину и выходе из нее, уровнем жидкости в приемных емкостях и ее параметрами, характером выноса шлама можно ориентировочно определить положение зоны поглощения и оценить интенсивность поглощения. Изучение шлама и керна позволяет охарактеризовать размеры и форму каналов поглощения. По величине статического уровня жидкости в скважине можно оценить пластовое давление.

При бурении в трещиноватых породах, т. е. там, где возможны поглощения или проявления, механическая скорость возрастает, причем по величине этого возрастания можно судить о величине раскрытия трещин. Так, например, при размерах трещин около 5 мм механическая скорость возрастает вдвое, а при раскрытии трещин 10 мм наблюдаются провалы инструмента.

Методы наблюдения просты, не требуют остановки бурения, доступны для выполнения членами буровой бригады, оперативны. Некоторые из них могут осуществляться непрерывно, записываться в процессе бурения и переводиться на предупреждающую световую и звуковую сигнализацию. В то же время эти методы недостаточно точны и не всегда дают однозначную информацию.

Отбор керна и шлама. Регулярные отбор и анализ керна и шлама позволяют полнее изучить литологию разреза, свойства пород, слагающих поглощающий пласт, поровое давление и величину раскрытия каналов поглощения.

Размер раскрытия каналов ухода раствора в 2–3 раза больше диаметра частиц шлама, проникающих в них. Пробы шлама отбирают в желобах перед вскрытием зоны поглощения, в процессе бурения в поглощающих горизонтах и после проведения изоляционных работ. Отобранные пробы подвергают ситевому анализу.

Каждую пробу просеивают через набор сит с размерами отверстий 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5; 0,25 мм. Результаты анализа на сите сводят в таблицу по размерам частиц фракций и их содержанию, выраженному в процентах. Затем по данным таблицы строят гистограмму (рис. 3.1а) и суммарную (кумулятивную) кривую (рис. 3.1б).

По характеру кривых, построенных по данным анализа проб шлама до и после поглощений, определяют величину раскрытия каналов ухода БР в пласт.

Экспериментально доказано, что размер поглощающих каналов должен быть в 2-3 раза больше диаметра проникающих в них частиц. На рис. 3.1а видно, что в зоне поглощения значительно уменьшилось количество шлама с размером частиц 2-3 мм, значит раскрытие трещин поглощающего горизонта составляет 5-7 мм. Это подтверждает и увеличение в пробе из зоны поглощения крупного шлама.

В случае бурения скважины с полным поглощением в отсутствии шламовой пробки на забое размеры каналов поглощения пласта оценивают по пробам, отобранным в желобах до вскрытия интервала поглощения. При этом характерным размером шлама следует считать размер отверстия сита, через которое проходит 90 % всей пробы. Его определяют по кривой суммарного содержания фракций шлама.

По изменению положения суммарной кривой на графике судят о том, какие фракции шлама преобладают в пробе. Кривая с большим содержанием малых частиц расположена ближе к оси ординат (рис. 3.1б).

В случае скопления шлама на забое в качестве критерия следует использовать средний диаметр частиц в пробе. Раскрытие каналов можно определять также путем намыва в пласт наполнителя.

Гидравлические исследования в процессе бурения осуществляются с помощью индикатора зон поглощения. Индикатор содержит два пакера, соединенных между собой заглушенной снизу трубой. На боковой поверхности трубы между пакерами имеется отверстие. Индикатор опускается в скважину на колонне бурильных труб. При закачивании БР пакеры раскрываются, а раствор через отверстие выходит в затрубное пространство. В зоне поглощения давление нагнетания раствора остается низким, а выше и ниже этой зоны - существенно увеличивается.

С помощью специальной печати можно установить мощность поглощающего пласта, форму каналов ухода раствора, площадь, размер и величину раскрытия трещин, эффективную пористость поглощающего пласта.

Специальная печать состоит из корпуса (перфорированной трубы), на котором размещена индикаторная оболочка (проницаемая ткань, например льняное полотно). Печать опускают в скважину на бурильных трубах и устанавливают напротив поглощающих горизонтов. Затем в бурильные трубы закачивают индикаторную жидкость, например краситель. Жидкость, вытесняемая из трубы в скважину через отверстия в корпусе индикаторной печати, сначала раздувает индикаторную оболочку до полного прилегания ее к стенкам скважины, а затем фильтрируется в пласт, где и перекрывает поглощающие каналы. В местах фильтрации жидкости в пласт на индикаторной оболочке остаются отпечатки поглощающих каналов.

Геофизические методыисследования проницаемых пластов связаны с остановкой бурения и спуском в скважину на специальном кабеле геофизических приборов, показания которых регистрируются на поверхности. К этим методам относятся кавернометрия ствола скважины, радиоактивный каротаж, акустический каротаж, микрокаротаж (каротаж пористости),электрический каротаж, термометрия и резистивиметрия, глубинное фотографирование и телеметрирование.

Каверномером и профилемером определяют форму и размеры поперечного сечения ствола скважины. По кавернограмме можно определить степень разрушения поглощающего пласта. Однако поглощения не всегда приурочены к расширенным участкам ствола скважины. Если полное поглощение БР сопровождается провалом инструмента, то по кавернограмме можно оценить сложность проведения изоляционных работ.

Радиоактивный каротаж позволяет уточнить местоположение поглощающего горизонта, который характеризуется низкой естественной гамма-активностью. При акустическом каротаже регистрируются скорости распространения и затихания упругих волн в горной породе, оцениваются ее плотность и трещиноватость.

При электрическом каротаже регистрируются кажущееся удельное сопротивление пород и потенциал самопроизвольно возникающего в скважине электрического поля.

Термометрия и резистивиметрия основаны на измерении распределения по стволу скважины температуры и электрического сопротивления БР. Измерение производится в два этапа. Вначале скважина на некоторое время оставляется в покое, с тем чтобы температура жидкости в ней стала близкой к температуре окружающих пород. После этого делается первое измерение. Затем в скважину доливают БР с более низкой температурой или большим электрическим сопротивлением и вытесняют прежний раствор в зону поглощения, а ниже зоны поглощения остается первоначальный БР. Измерение повторяют. Диаграммы первого и второго измерений совмещают, и подошва зоны поглощения выделяется по границе изменения температуры или электросопротивления раствора.

При резистивимерии в скважину нагнетается соленая вода, которая доходит только до зоны поглощения. Электросопротивление соленой воды ниже, чем у жидкости, находящейся в скважине, что и фиксируется резистивиметром.

Сведения о форме, простирании и размерах раскрытия каналов ухода раствора в пласт можно получить с помощью фотографирования стенок скважины фотоаппаратом, исследования скважинным акустическим телевизором. С его помощью получают фотографии развертки стенки скважины методом ультразвуковой эхолокации.

Недостатком названных методов является трудоемкость исполнения и невозможность достаточно точно отбить кровлю зоны поглощения.

Гидродинамические методы выполняются с остановкой бурения и основаны на измерении расхода раствора, перепада давления в системе «скважина-пласт» при доливе, нагнетании раствора в скважину (пласт) или отборе его из пласта. К гидродинамическим методам относятся опрессовка ствола скважины или отдельных интервалов, расходометрия, исследование при кратковременных остановившихся отборах или нагнетаниях, прослеживание за изменением положения уровня жидкости в скважине.

Расходометрияосуществляется с помощью специальных скважинных приборов - расходомеров и позволяет выделить границы зон поглощения и водопроявления, наличие и направление внутрискважинных перетоков и оценить интенсивность поглощения (расход жидкости в зону поглощения на единицу перепада давления).

Скорость потока жидкости по стволу скважины пропорциональна частоте вращения крыльчатки и регистрируется на поверхности.

Метод поинтервальной опрессовки используется для установления границ зоны поглощения. Опрессовка выполняется периодически с устья по мере вскрытия новых проницаемых участков или установкой пакера (перекрывающее и разобщающее устройство). При опрессовке устье скважины герметизируется специальным устройством, устанавливаемым на кондукторе (рис. 3.2). Жидкость нагнетается в скважину насосом цементировочного агрегата через ведущую трубу, соединенную с герметизирующим устройством.

Пакером 3 на бурильных трубах 2 последовательно разделяется ствол на два участка с целью предупреждения их гидродинамического взаимодействия при опрессовке.

При исследовании с одним пакером опрессовывается весь интервал ствола, расположенный ниже пакера. Если необходимо опрессовать какой-либо участок ствола отдельно, то операция выполняется с двумя пакерами, устанавливаемыми в кровле и подошве выделенного участка. Жидкость нагнетается в пространство, ограниченное пакерами.

Пакер на бурильных трубах последовательно устанавливают выше кровли всех выделенных интервалов, и в каждом случае жидкость в подпакерное устройство нагнетают с одной и той же подачей насоса. Давление при нагнетании регистрируется устьевым 1 и глубинным 4 манометрами, по показаниям которых определяют перепад давления , обусловленный гидравлическими сопротивлениями пласта (пластов) при нагнетании жидкости с расходом .

Глубина кровли зоны поглощения устанавливается по повышению давления опрессовки при нагнетании жидкости в затрубное пространство или подъему статистического уровня раствора на устье скважины.

По результатам исследований строят индикаторною диаграмму. Применив метод наименьших квадратов, можно получить такую зависимость:

Q = CDpm,

где - коэффициент приемистости; m может меняться от 1/2 до 2.

Показатель степени m до определенных значений зависит от типа пористой среды. Коэффициент приемистости зависит от раскрытости поглощающих каналов и их числа. Поскольку число и раскрытость каналов определить трудно, иногда рассчитывают коэффициент удельной приемистости, т. е. коэффициент приемистости, относящейся к поверхности вскрытой части поглощающего интервала (рис. 3.3).

Коэффициент удельной приемистости поглощающих пород рассчитывается по формуле

где - эффективная (фильтрующая жидкость) толщина поглощающих пород.

Этот показатель более полно отражает фильтрационную характеристику прискважинной зоны поглощающих пластов, а в сочетании с другими фильтрационными параметрами позволяет повысить точность расчетов при определении типа, свойств и объемов применяемых тампонажных смесей.

Средняя раскрытость каналов фильтрации проницаемых пород оценивается уравнением

где а - коэффициент пропорциональности, равный 0,06∙10³;

К -коэффициент приемистости проницаемых пород, м³ МПа;

- предельное напряжение сдвига промывочной жидкости, МПа;

-время нагнетания жидкости на соответствующем режиме исследования, с.

Основным назначением этого параметра является обоснование реологических свойств и объема тампонажной смеси и предварительная оценка типа и размера закупоривающих наполнителей при производстве изоляционных операций.

Градиент давления начала фильтрации жидкости в каналы с изменяемой геометрией рассчитывается по формуле

,

где P_ст -гидростатическое давление жидкости на кровлю проницаемых пород;

P_у -давление на устье, при котором начинается фильтрация жидкости в раскрывшиеся каналы проницаемых пород;

H -глубина кровли проницаемых пород.

Величина давления начала фильтрации жидкости в проницаемые каналы определяется по данным опрессовки ствола скважины на герметичность и прочность стенок. После заполнения манифольда буровой жидкостью в подпакерную зону продолжают закачивать жидкость, одновременно ведется наблюдение за ростом давления по манометру. Продолжается это до момента начала стабилизации перепада давления при постоянной подаче насоса, после чего нагнетание жидкости прекращается и по манометру фиксируется величина снижения давления.

Зависимость количества поглощаемой жидкости от перепада давления может быть одно-, двух- и трехчленной.

Для ламинарного режима плоскорадиальной фильтрации вязкой жидкости в пласт пользуются формулой Дюпюи:

,

где - вязкость раствора, поглощаемого пластом;

- мощность пласта;

- коэффициент проницаемости;

- радиус контура питания, на котором еще отмечается изменение давления при поглощении (притока из пласта);

- приведенный радиус скважины, учитывающий изменение проницаемости пристенной зоны пласта, наличие каверн, глинистой корки.

При наличии трещин, больших количествах поглощаемого раствора возникает турбулентный режим, при котором

,

где - коэффициент проницаемости при турбулентном режиме.

Фильтрация жидкости в пласт происходит по разным законам в зависимости от строения пласта. В трещиноватой и кавернозной среде соблюдается закон Краснопольского-Шези:

.

В среднепористой среде - закон Дарси:

.

В мелкопористой среде – ,

где К₁, К₂, К₃ - коэффициенты приемистости.

В общем случае

Большинство исследователей считает, что в реальной практике чаще всего соблюдается закон Краснопольского-Шези.

По построенным индикаторным кривым с помощью различных математических методов определяются коэффициенты приемистости К₁, К₂, К₃. Если какой-либо из них получается отрицательным или равным нулю, то это свидетельствует о том, что этот закон фильтрации в скважине не соблюдается.

Так, например, если после расчетов получено уравнение , то поглощающий горизонт представлен трещиноватыми породами, а коэффициент приемистости равен 8, т. е. при перепаде давления в одну атмосферу скважина поглощает 8 м³ раствора в сутки.

По величине коэффициента К выделяется шесть категорий зон поглощения: 1 - К<1; 2 - К=1-3; 3 - К=3-5; 4 - К=5-15; 5 - К=15-25; 6 - К >25.

Для каждой из этих категорий имеются определенные рекомендации по ликвидации поглощений БР. Так, в зонах поглощения 1-й категории достаточно применение качественного раствора, а в зонах 6-й категории борьба с поглощением практически бессмысленна. В этом случае бурение ведется без циркуляции БР с последующим спуском колонны обсадных труб.

Исследование поглощающих горизонтов методом установившихся нагнетаний. Кратковременные нагнетания промывочной жидкости при относительно установившихся режимах проводятся с применением двух схем: через герметизированное устье скважины или с помощью пакера. Нагнетание жидкости на каждом режиме производится в течение времени, достаточном для стабилизации перепада давления, контролируемого по чувствительному манометру на устье скважины или цементировочном агрегате. После этого переходят на другой режим, изменяя расход закачиваемой жидкости. Результаты показаний манометра и соответствующие расходы заносят в таблицу (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Режимы нагнетания жидкости

№ режима	Объем закачиваемой жидкости, м3	Время закачки, ч	Производи-тельность Q, м3/ч	Избыточное давление на устье ΔР, МПа	Избыточное давление на кровлю поглощающего пласта (0,01 х γж + ΔРу)

По результатам расчета параметров строится индикаторная кривая в координатах Q - ΔР (рис. 3.4).

Индикаторная диаграмма вогнутая (1) - пласт или пористо-кавернозный, или гранулярный, или раздробленный многочисленными трещинами хаотичной направленности.

Индикаторная диаграмма прямолинейная (2) - пласт смешанный, одинаковый по значению приемистости, представлен тектонической трещиной и пористо-кавернозной матрицей.

Индикаторная диаграмма выпуклая (3) - пласт в пределах скважины рассекается 1-2 тектоническими трещинами, которые, как правило, вертикальны или субвертикальны; приемистость пласта обусловлена преимущественно этой трещиной.

Обработке подлежит прямолинейный участок индикаторной диаграммы, для которой справедливо выражение

,

где k - коэффициент проницаемости пород;

h - толщина поглощающего пласта, м;

Р_з - забойное давление, МПа;

Р_пл - пластовое давление, МПа;

η - структурная вязкость жидкости исследования (спз);

R_к - радиус контура питания (принимаем равным 10 м);

R_ск - радиус скважины, м.

; принимая , имеем .

Значение α можно принимать из табл. 3.3.

Таблица 3.3

η, спз	Значение α при диаметре скважины, мм
190,5	215,9

После определения коэффициента проницаемости находят раскрытость трещин по эмпирической формуле , (микрон).

Исследование поглощающих горизонтов методом прослеживания снижения динамического уровня при установившихся кратковременных нагнетаниях. Применяется в условиях полного поглощения БР при невозможности восстановить циркуляцию при данных технических и организационных возможностях. Метод заключается в том, что с постоянным расходом закачивается жидкость в скважину до стабилизации динамического уровня. При использовании глубинного манометра на каротажном кабеле задача в регистрации установившихся динамических уровней облегчается. Глубина положения динамического уровня и соответствующий ей объем закачанной жидкости и время закачки заносятся в таблицу.

По полученным данным строится индикаторная диаграмма Q=f(ΔР). По ранее изложенной методике определяется коэффициент проницаемости и раскрытости трещин.

МПа,

гдеQ_i -производительность закачки промывочной жидкости на i-ом режиме, м³/ч;

h_i -соответствующий динамический уровень, м.

Исследование поглощающих горизонтов методом прослеживания снижения динамического уровня. При невозможности получения индикаторной диаграммы по установившимся режимам фильтрации необходимо проводить гидродинамические исследования методом прослеживания снижения динамического уровня в скважине, при этом промывочная жидкость должна иметь статическое напряжение сдвига, близкое к нулевому значению. Количество измерений уровня промывочной жидкости должно быть не менее 5. Результаты измерений заносят в таблицу (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Данные замеров

№	Падение уровня	Падение давления	ΔРnср, МПа	Тn, оС	Qn, м3/ч
от Нn-1	до Нn+1	Нn	от Рn-1	до Рn+1	Рn

Расход жидкости для каждого участка падения уровня определяется по формуле ,

где d_скв -диаметр скважины на участке измерения, м;

Т_п -время между двумя последовательными замерами, ч;

H_п - статический уровень, м.

Н_п=(H_п-1-H_п+1)/2.

Перепад давления для соответствующего расхода, Q_п , определяется по формуле ,

где ΔР_п-1 и ΔР_п+1 -перепады давления в соседних точках замера, создаваемые столбом промывочной жидкости, превышающим статический уровень.

По результатам прослеживания уровня и расчетов строится индикаторная диаграмма зависимости: Р=f(ΔQ).

Кроме определения δ по приведенным методикам с построением индикаторных диаграмм, среднюю эквивалентную раскрытость каналов трещинных пород можно оценить из выражения

,

здесь Q - расход нагнетания жидкости при максимальном давлении в процессе гидродинамических исследований, м³/ч;

Т_п - время нагнетания жидкости при максимальном расходе, с;

ΔР_п - перепад давления нагнетания, соответствующий максимальному расходу жидкости, Па;

τ₀ - предельное напряжение сдвига жидкости нагнетания, Па. τ₀=0,15[φ600-1,5(φ600-φ200)], Па,

где φ600, φ200 - показания ротационного вискозиметра ВСН-3 при соответствующих частотах вращения.

Следует заметить, что величину раскрытости трещин можно определить наравне с методами гидродинамических исследований по результатам закачки паст с наполнителями в поглощающий пласт, по фракционному составу шлама (отсутствие фракций шлама до определенного размера).

Оценка сложности предстоящих работ. Степень сложности предстоящих изоляционных работ может быть предварительно оценена по характеру индикаторной кривой и области ее расположения относительно граничных индикаторных зависимостей приемистости поглощающего пласта (рис. 3.5).

Категории сложности работ определяют по табл. 3.5, причем сложность работ определяется по худшему классифицирующему признаку.

Метод установившихся отборов (при переливе жидкости из скважины). Устье скважины герметизируется и определяется давление, под действием которого жидкость переливается из скважины. Затем жидкость отбирают из скважины при различных установившихся давлениях.

Для каждого режима жидкость закачивается с постоянной производительностью. Закачка или отбор производится до получения постоянных значений перепада давления в скважине. При этом плотности закачиваемой и находящейся в скважине жидкости должны быть одинаковыми.

По полученной индикаторной линии (р – Q) определяют интенсивность поглощения и коэффициент приемистости поглощающего пласта.

В скважинах, где возможен недоподъем цементного раствора за обсадной колонной из-за поглощения его в процессе цементирования, необходимо перед спуском обсадной колонны произвести исследование всех поглощающих пластов с помощью пакера на давление, которое ожидается на эти пласты при цементировании. По результатам исследования определяется необходимость проведения изоляционных работ перед спуском обсадной колонны.

Таблица 3.5

Категории сложности работ

Характер поглощения	Гидродинамическое состояние скважины
Коэффициент приемистости, 102 м3/сМПа	Интенсивность поглощения, м3/ч	Индикаторная зависимость	Категория сложности	Положения уровня относительно Hдин	Давление на кровлю поглоща-ющего пласта
Область расположения	Характер зависи-мости
0,2–0,4	6–10	А	Прямоли-нейная, выпуклая		Hдин = hкр	Статическая репрессия
0,4–0,6	10–12	В	Прямолинейная, выпуклая		Hдин > hкр	Динамическая репрессия
0,6–0,8	15–40	С	Прямолинейная, вогнутая		Hдин < hкр	Динамическая репрессия
>0,8	>40

Здесь величина h_кр = H_кровли - Р_пл / (0,1γб.р.),

где Н_кровли - глубина кровли поглощающего (продуктивного) пласта, м;

б.р. - плотность бурового раствора, г/см³;

Р_пл - пластовое давление в кровле поглощающего (продуктивного) пласта.

Прослеживание за снижением уровня (давления) жидкости в скважине. Скважина заполняется жидкостью до устья, затем долив жидкости прекращается и замеряется время падения уровня через каждые 5 или 10 м. Измерения продолжаются до наступления равновесия в скважине, т. е. до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет статического положения.

Прослеживание за подъемом уровня в бурильных трубах после мгновенного его снижения Н_СТ < 30 м. Мгновенное снижение уровня в скважине достигается за счет спуска в скважину бурильных труб с заглушкой-диафрагмой и последующего его разрушения, после которого жидкость из затрубного пространства устремляется в бурильные трубы. В результате этого происходит быстрое выравнивание жидкости в трубах и затрубном пространстве, и в целом уровень жидкости в скважине понижается на значение, соответствующее объему жидкости, вытесняемой бурильными трубами с закрытым концом (неустановившийся режим). Поскольку повышение уровня жидкости в трубах может быть прослежено только до устья, то начальный участок индикаторной линии получают путем экстраполяции.

Пластовое давление и температура необходимы для расчета технологически требуемого перепада давления нагнетания тампонажных смесей:

p_пл = ρ∙g∙h_ст ,

где ρ -плотность промывочной жидкости;

h _ст - высота статического столба жидкости над кровлей поглощающего пласта.