НАУКА

Толкачев Г. М., профессор кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ПГТУ, Козлов А. С., научный сотрудник кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ПГТУ

Обеспечение надежности и долговечности крепи нефтяных и газовых скважин в разрезах, осложненных отложениями водорастворимых коррозионно-активных солевых пород различного состава и наличием пластовых вод высокой степени минерализации, является решающим условием дальнейшего развития нефтегазодобывающей отрасли в перспективных регионах России.

К таким регионам относятся Западный Урал, Красноярский край, Иркутская область, Республика Саха (Якутия) и др., где в подсолевых отложениях высокими темпами открываются и осваиваются новые месторождения углеводородного сырья [1].

Объективная информация о состоянии крепи в каждой нефтяной и газовой скважине, вскрывшей отложения каменной и калийно-магниевых солей, позволяет не только охарактеризовать уровень ее промышленной и экологической безопасности, но и выполнить прогнозную оценку состояния крепи скважины в солесодержащей части разреза на весь срок ее функционирования и после физической ликвидации [2]. При этом особое внимание следует обращать на изменение во времени состояния отдельных составляющих крепи: обсадных труб, тампонажного камня, характера связи последнего с трубами и горными породами (солями) в стенках скважины.

При планировании работ по оценке промышленной и экологической безопасности крепи скважин на нефтяных и газовых месторождениях может быть использован опыт выполнения таких работ при бурении и эксплуатации нефтяных скважин на площадях, территориально совпадающих с отложениями каменной и калийно-магниевых солей Верхнекамского месторождения (Западный Урал, Пермский край).

Строительство нефтяных скважин на территории Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) осуществляется с 1976 года с использованием специальных моно- и полисолевых технологических жидкостей:

- хлормагниево-фосфатный бу-овой раствор (ХМФБР);

- полисолевой буровой раствор (ПСБР);

- расширяющийся магнезиально-фосфатный тампонажный материал (раствор-камень РМФТМ) для цементирования обсадных колонн, перекрывающих солесодержащую часть вскрываемого разреза;

- расширяющийся магнезиально-фосфатный тампонажный материал (раствор-камень РМФТМ-МКП) для цементирования межколонного пространства (МКП) между технической и эксплуатационной колоннами.

Строительство всех без исключения скважин сопровождается систематическими исследованиями технического состояния их крепи косвенными геофизическими методами [3, 4].

С 1984 года по инициативе научных сотрудников Пермского государственного технического университета (ПГТУ) список косвенных методов контроля состояния крепи скважин во времени был дополнен более информативным прямым методом. Метод заключается в отборе сверлящим керноотборником [5] и последующем исследовании образцов крепи в солесодержащей части разреза, перекрытого в скважине технической колонной. Существенным преимуществом этого метода, по сравнению с методами ГИС, является не только возможность визуально оценить состояние и характер связи между отдельными элементами крепи скважины (обсадная труба – цементный камень – порода), но и получить материал для исследования вещественного и элементного составов сформированного за обсадной колонной цементного камня, оценить степень сохранности обсадной трубы, вещественного и элементного составов тампонажного (цементного) камня в реальных скважинных условиях в реальном времени.

В 1984-1989 гг. были выполнены работы по отбору образцов крепи в 7 скважинах, пробуренных на территории ВКМКС в 1978-1985 гг. (табл. 1). В октябре-декабре 2000 г. работы по отбору образцов крепи были продолжены (табл. 2) в скважине № 29-ОГН (Уньвинское нефтяное месторождение). Цели работ этого этапа:

– определить качественное состояние элементов крепи скважины (обсадная труба, цементный камень) в солесодержащей части разреза;

– охарактеризовать сохранность ее во времени с момента первого отбора образцов крепи (1986);

– оценить текущее состояние крепи с позиций обеспечения надежности и долговечности защиты соляной толщи от негативного воздействия вод над- и подсолевого водоносных комплексов, а обсадных труб и цементного камня – от коррозионного разрушения в соляном массиве;

– дать прогнозную оценку защищенности во времени соляного массива и крепи скважины в околоскважинном пространстве.

Опытная глубокая нефтяная скважина № 29-ОГН, расположенная на Тунеговском профиле, начата бурением 10.11.1977. Кондуктор спущен на глубину 250 метров и зацементирован 15.11.1977 с использованием засолоненного тампонажного раствора на основе портландцемента. Бурение интервала под техническую колонну осуществлено с использованием в качестве промывочной жидкости ХМФБР.

Техническая колонна, перекрывающая солесодержащую часть разреза, спущена на глубину 1028 м и 27 декабря 1977 г. зацементирована с использованием РМФТМ. Скважиной в интервале 250-628 м вскрыты отложения солей, представленные покровной каменной солью (250-282 м), карналлито-сильвинитовой толщей (282-319 м) и подстилающей каменной солью (319-628 м). Эксплуатационная колонна в скважину не спускалась. В апреле 1978 г. скважина была переведена в разряд опытных с целью изучения в ней методами ГИС динамики состояния контакта цементного камня с породой и технической колонной в интервале спуска последней.

За период с 7.01.1978 по 1.08.1986 в скважине было выполнено 15 исследований методом акустической цементометрии (АКЦ с БФК), которыми неизменно устанавливалось наличие плотного контакта цементного камня магнезиально-фосфатного тампонажного материала с обсадной колонной и породой (в том числе и с солями). За период с 1986 по 1989 г. сверлящим керноотборником СКМ-8-9 в этой скважине был отобран 61 образец крепи. С сентября 1989 до ноября 2000 г. скважина № 29-ОГН находилась в консервации и была заполнена хлормагниево-фосфатным буровым раствором (ХМФБР) с парамекамня, один образец – цилиндром металла обсадной трубы и кусочками соли, а 10 образцов представлены только цилиндрами металла обсадной трубы.

Визуальная оценка состояния отобранных образцов и их отдельных фрагментов позволяет сделать вывод, что в исследованном интервале солесодержащего разреза высокое качество крепления скважины технической обсадной колонной сохранялось на этом уровне в течение всех 23 лет с момента ее цементирования (27 декабря 1977 г.). За обсадной колонной в кольцевом пространстве размещен высокопрочный, непроницаемый цементный камень магнезиально-фосфатного тампонажного материала, обеспечивший сохранность стальной трубы от корродирующего воздействия солей за счет формирования на ее наружной поверхности эпитаксиальной фосфатной пленки [8]. Визуальным подтверждением наличия этой пленки, связывающей в моносросток цементный камень и стальную обсадную трубу, являются следы ее как на всех без исключения торцах керна цементного камня со стороны трубы (например, рис. 3), так и на поверхности торцов всех цилиндров металла со стороны цементного камня.

Тот факт, что при отборе образцов крепи кристаллохимическая связь между стальной трубой и цементным камнем в большинстве из них оказалась нарушенной, объясняется существенно меньшей прочностью вивианита [Fe3(PO4)2•8H2O] – основы фосфатной пленки, чем индивидуальная прочность цементного камня и металла, связанных ею в моносросток. В разрушении этой связи не последнюю роль играют и конструктивные особенности сверлящего керноотборного устройства, состояние и конструктивные особенности коронок для выбуривания образцов и др. В результате действия всех этих факторов и происходит разрушение моносростка. Значимой причиной разрушения моносростка является и то, что при установке в скважине керноотборного устройства последний обычно размещается в трубе с некоторым перекосом. В результате этого коронка при забуривании входит в обсадную трубу не строго под углом 90o к ее образующей, что хорошо видно на образцах «г» и «д» (рис. 1). Это приводит к последующему неравномерному выходу резцов коронки из металла и входу ее в сопряженный с наружной поверхностью трубы цементный камень. Действующие при этом вибрационные нагрузки и изгибающий момент вызывают возникновение в зоне контакта «труба – цементный камень» напряжений, превышающих предел прочности эпитаксиальной фосфатной пленки, и она разрушается.

В целом, на основе визуального изучения состояния всех отобранных в скважине № 29-ОГН образцов крепи можно сделать следующие выводы:

1. Все образцы металла обсадных труб имеют исходную толщину, не несут следов коррозии или каких-либо других признаков их разрушения. Наружная (со стороны цементного камня) и внутренняя поверхности покрыты плотной пленкой черного цвета с коричневатым оттенком – фосфатной пленкой.

2. Цементный камень в отобранных образцах – плотный, прочный, без видимых следов коррозионного разрушения.

3. Между цементным камнем и солью отмечается прочная связь, а в ряде случаев не представляется возможным визуально точно установить положение границы между солью и цементным камнем (например, рис. 3).

4. Состояние крепи по исследованным образцам свидетельствует о достигнутом и сохранившемся в течение 23 лет высоком качестве восстановления сплошности затрубного кольцевого пространства за технической колонной за счет формирования при ее цементировании непрерывной связки «обсадная труба + фосфатная пленка + цементный камень РМФТМ + оксихлоридно-фосфатная пленка + соль».

Положения последнего пункта выводов подкреплены результатами инструментальных исследований отдельных фрагментов образцов крепи, выполненных с нашим участием в Санкт-Петербургском ГУ.

С целью получения объективной информации о структуре, элементном и фазовом составах цементного камня образцов крепи скважины 29-ОГН, характере и состоянии связи цементного камня в этих образцах с породами, слагающими стенки скважины (солями), и трубами обсадной колонны, был выполнен комплекс инструментальных исследований образцов, включающий электронно-микроскопическую съемку, спектроскопию (микрозондирование), рентгено-фазовый анализ.

В качестве образца, который был принят за эталонный при анализе результатов инструментальных исследований, взят образец крепи, полученный с глубины 331 м при отборе образцов крепи в этой же скважине в августе 1986 г. и хранившийся в изолированных от внешней среды условиях до декабря 2000 г. в ПГТУ. Этот образец вместе с образцами крепи, отобранными в декабре 2000 г., был исследован перечисленными методами. Таким образом, представилось возможным выполнить объективную сравнительную оценку динамики состояния элементов крепи во времени (через 14 лет и 4 месяца с момента отбора эталонного образца) и получить базовую информацию для прогноза состояния крепи в этой скважине на дальнюю перспективу.

Результаты рентгенографических исследований (РФА) и спектрометрии (микрозондирования) цементного камня образцов крепи отражены на рис. 4а и 4б. Из приведенных результатов следует, что во всех образцах основной фазой цементного камня является метастабильный пентаоксихлорид магния 5Mg(OH)₂• MgCl₂•8H₂O, cодержание которого составляет от 81 до 88%. Меньшая доля (от 6 до 11%) приходится на стабильный триоксихлорид магния 3Mg(OH)₂•MgCl•8H₂О, который является продуктом перекристаллизации пентаоксихлорида магния вследствие усвоения им насыщенного водного раствора MgCl₂ из микрокаверн и микротрещин в породах, слагающих стенки скважины в зацементированном интервале. Характерным в этом отношении является фазовый состав цементного камня в образце № 305-1 (глубина 281 м), на контакте его с карналлитом – в этом образце установлено повышенное содержание триоксихлорида магния. Небольшое содержание оксида магния в цементном камне является обычным для магнезиальных цементов и свидетельствует лишь о наличии в исходном порошке ПМК практически инертного высокой степени обжига периклаза (MgO), который на протяжении 23 лет сохранился в цементном камне в неизменном состоянии.

Свидетельством высокой степени сохранности во времени цементного камня магнезиально-фосфатного материала за технической колонной является и практическая тождественность его состава как в эталонном образце, отобранном в 1986 г. (обр. № 301-1), так и в образцах, отобранных через 14 лет в 2000 г. (обр. №№ 301-2 – 301-10).

Электронно-микроскопическая съемка и микрозондирование отдельных фрагментов образцов крепи (рис. 5) подтверждают наличие фосфатной пленки на поверхности цементного камня со стороны обсадной колонны. Это является прямым свидетельством того, что на участках, где геофизическими методами отмечается наличие плотного (сплошного) контакта цементного камня с обсадной колонной, кристаллохимическая связь между ними сформирована фосфатной пленкой, которая одновременно выполняет функцию защитного покрытия обсадной трубы от коррозирующего воздействия солей разреза.

Электронно-микроскопические исследования структуры цементного камня образцов крепи (рис. 3, 4) свидетельствуют о его высокой плотности, отсутствии в нем пор и каналов, по которым могли бы мигрировать флюиды над- и подсолевой частей разреза, вскрытого скважиной.

Приведенные на рис. 3 и 4 снимки зон контакта цементного камня с солями (сильвинит, каменная соль) свидетельствуют о наличии кристаллохимической связи между цементным камнем и солями через оксихлоридно-фосфатную пленку.

Исследованиями состояния элементов крепи скважины № 29-ОГН косвенным (ГИС) и прямым (отбор и изучение образцов крепи из скважины) методами получены убедительные свидетельства того, что при ее креплении с использованием магнезиально-фосфатного тампонажного материала в солесодержащей части разреза обеспечено высокое качество восстановления нарушенной этой скважиной сплошности соляного массива.

Отсутствие каких-либо признаков коррозионного разрушения обсадных труб, сохранность во времени элементного и вещественного составов цементного камня в заколонном пространстве, сохранность на протяжении 23 лет кристаллохимической связи между отдельными элементами крепи в исследованном интервале, где методом акустической цементометрии установлен плотный контакт цементного камня с колонной и породой, – все это аргументы, позволяющие с высокой степенью вероятности утверждать об аналогичной сохранности элементов крепи на протяжении всей длины технической колонны.

Установленное выполненными исследованиями состояние крепи в соляной части разреза, сформированной с использованием расширяющегося магнезиально-фосфатного тампонажного материала, является убедительным доказательством правомочности прогнозирования сохранности крепи более 970 нефтяных скважин в солесодержащей части разреза ВКМКС на длительную перспективу – на многие десятки лет.

Работы по оценке фактически достигнутого уровня восстановления нарушенной геологоразведочными скважинами сплошности соляного массива, содержащего каменную соль, карналлит и сильвинит, методом отбора и анализа состояния контакта цементного камня магнезиального тампонажного материала с водорастворимыми солями выполнялись в 1978-1991 гг. при разведке Непского месторождения калийных солей (Иркутская обл.).Установленное при этом высокое качество ликвидационного тампонирования скважин в отложениях солей с использованием технологических жидкостей на основе хлормагниево-фосфатных систем подтвердило факт разведки и подготовки промышленных запасов калийных руд Непского месторождения на качественно новом уровне. Принципиально обеспечена разработка в будущем этого месторождения с более высоким коэффициентом извлечения полезного ископаемого за счет сокращения размеров предохранительных целиков около геологоразведочных скважин или даже полного отказа от них.

Реализованная при разведке и разработке нефтяных месторождений в Пермском крае и Непского месторождения калийных солей в Иркутской области методика оценки промышленной и экологической безопасности крепи скважин различного назначения в интервалах залегания водорастворимых солей подтвердила свою эффективность, отражена в положениях Федеральных правил промышленной безопасности [9], в соответствующих регламентах, согласованных с Ростехнадзором [10], и рекомендуется к широкому использованию в практике освоения нефтяных и газовых месторождений в подсолевых отложениях.

Список использованных источников:

1. Коржубаев А., Филимонова И., Эдер Л. Движение на Восток продолжается. – Нефть России, 2010, № 2, с. 60-67.

2. Толкачев Г. М. Некоторые направления научных исследований в связи с комплексным освоением недр Березниковско-Соликамского промышленного района Пермской области // Бурение и эксплуатация нефтяных и газовых скважин: Межвуз. сб. науч. тр. № 181. Изд. Пермского ун-та, 1976. С. 3-11.

3. Технологическая схема геофизических исследований в глубоких скважинах на территории Верхнекамского месторождения калийных солей. – Пермь, 1995.

4. Состав обязательного комплекса и порядок проведения промыслово-геофизических исследований в глубоких скважинах на территории Верхнекамского месторождения калийных солей. – Пермь, 1999.

5. Отбор керна из стенок скважины / Молчанов А. А., Мавлютов М. Р., Филиди Г. Н., Малинин В. Ф. – М.: Недра, 1984. – 152 с.

6. Толкачев Г. М., Шилов А. М., Жилкин М. Г., Печкин А. Г. Ликвидационное тампонирование поисковых скважин. – Разведка и охрана недр, 1983, № 9, с. 35-37.

7. Хаин И. И. Теория и практика фосфатирования металлов. Изд. «Химия», Л., 1973. – 312 с.

8. Правила промышленной безопасности при освоении месторождений нефти на площадях залегания калийных солей. ПБ 07-436-02. Утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 04.02.2002 № 8.

9. Сборник нормативных документов, регламентирующих порядок строительства глубоких скважин при освоении нефтяных месторождений на площади залегания калийных солей Верхнекамского месторождения (Пермский край). – ПГТУ, ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», Пермь, 2006.