CC BY
39
Механизмы разрушения горных пород
УДК 622.248
В.Д. Евсеев, М.А. Самохвалов
ЕВСЕЕВ ВИКТОР ДМИТРИЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры бурения скважин (Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск). Просп. Ленина, 30, Томск, 634034. E-mail: [email protected]
САМОХВАЛОВ МИХАИЛ АНДРЕЕВИЧ - доцент кафедры бурения скважин (Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск). Просп. Ленина, 30, Томск, 634034. E-mail: [email protected]
Возможности раннего выявления нефтепроявлений при бурении нефтяных и газовых скважин
Рассмотрена возможность использования электромагнитных предвестников интенсивного разрушения горной породы на забое нефтяной скважины при воздействии на нее дополнительных фильтрационных нагрузок при проявлении нефтесодержащего пласта в бурящуюся скважину. Возникновение электромагнитных предвестников связано с появлением свободных электрических зарядов на стенках растущих трещин нормального отрыва при разрушении диэлектрических минералов. В процессе бурения скважины из возможного перечня электромагнитных предвестников удается наблюдать только электрические токи, которые замыкают забойный источник электрических зарядов на дневную поверхность. Электромагнитные поля, которые сопровождают генерацию свободных электрических зарядов в растущих трещинах, экранируются высокопроводящими буровыми растворами. Протекающий через бурильную и обсадную колонны электрических ток фиксируется как падение напряжения. Предвестниками готовящегося нефтепроявления являются характерные вариации электрического тока. Они могут быть как в виде изменения абсолютного значения тока, так и в виде смены направления тока. Наблюдаемые вариации связаны с изменением природы и электрохимических свойств промывочной жидкости в результате поступления нефти в скважину при нефтепроявлении продуктивного пласта. Появляется новый информационный канал связи с забоем бурящейся скважины, который даст возможность получить ранее предупреждение о начале проявления. Регистрация электрического тока также позволяет повысить точность определения момента входа скважины в продуктивный пласт.
Ключевые слова: проявления пласта, бурение, электромагнитные предвестники, электрический ток, вариации, контроль.
При бурении нефтяных и газовых скважин одними из наиболее распространенных и наиболее опасных осложнений являются газонефтеводопроявления (ГНВП): от переливов до внезапных выбросов из скважины воды, нефти и газа. Чаще всего предпосылки к возникновению таких событий появляются при входе скважины в зону аномально высоких пластовых давлений. В настоящее время к основным признакам ГНВП относятся: 1) рост объема бурового раствора в приемной емкости при бурении, 2) увеличение скорости потока раствора из скважины при неизменной подаче бурового насоса, 3) перелив раствора из скважины при остановках работы, 4) снижение объема доливаемого в скважину раствора при подъеме труб по сравнению с расчетной
© Евсеев В.Д., Самохвалов М.А., 2015
величиной, 5) рост объема раствора приемной емкости при спуске труб по сравнению с расчетным объемом, 6) рост газосодержания в буровом растворе, 7) снижение плотности раствора при промывке скважины [5]. Все приведенные признаки раннего обнаружения ГНВП связаны с поведением и со свойствами бурового раствора. К недостатку всех перечисленных признаков следует отнести то, что факт опасного проявления фиксируется на устье скважины с временной задержкой от момента его начала на забое скважин.
В данной работе предлагается использовать для раннего предупреждения нефтепроявлений, возникающих при бурении нефтяных скважин, физические особенности разрушения горных пород на забое бурящейся скважины.
В результате механического воздействия породоразрушающего инструмента (бурового долота) на горную породу при бурении скважин происходит развитие адгезионных и когезионных трещин нормального отрыва как под пятном контакта при вдавливании породоразрушающих элементов вооружения шарошечных долот, так и перед передней гранью лопастного долота, срезающего слой горной породы.
Известно, что развитие трещин нормального отрыва при разрушении неорганических
диэлектриков, какими являются основные породообразующие минералы, сопровождается
пространственным разделением противоположных по знаку электрических зарядов: на
свежеобразованной диэлектрической поверхности возникает свободный электрический заряд
плотностью q [2]. Появление разноименных электрических зарядов на противоположных
поверхностях растущих трещин вызывает возникновение сильных электрических полей в полости 8 „ и трещин (до 10 В/м), эмиссию электронов высоких энергий с заряженной поверхности (энергия
электронов достигает 105 эВ и выше) и электромагнитную эмиссию [2].
Электромагнитную эмиссию, сопровождающую разрушение диэлектрических минералов и горных пород, в Томском политехническом университете изучают с 1970 года. Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении были инициированы профессором А.А. Воробьёвым. Результаты исследований позволили выйти на различные направления практического использования данного явления. Были разработаны методики контроля напряженного состояния диэлектрических твердых тел и прогноза рисков их разрушения. Значительная часть исследований была посвящена изучению этого явления в минералах и горных породах, прежде всего в связи с необходимостью контроля напряженного состояния массивов горных пород для прогноза горных ударов и землетрясений. Информацию о зарождении трещин в диэлектрических образцах минералов и образцах горных пород получали путем регистрации электромагнитного поля, контролируемого за пределами нагружаемого образца. Для регистрации электромагнитного поля использовали бесконтактные датчики, которые реагируют на электрическую или магнитную составляющие поля. Оказалось, что напряженность электромагнитного поля сигналов из испытуемого образца горной породы или диэлектрического минерала зависит не только от величины созданного механического напряжения, но и от электрических свойств исследуемого образца. С ростом электрической проводимости горной породы, которая определяется не только минеральным каркасом, но и содержанием и природой насыщающего ее флюида, измеряемое электромагнитное поле уменьшается [1, 4].
Использовать накопленный опыт для решения задачи контроля и предсказания наступления нефтегазоводопроявлений при бурении нефтяных и газовых скважин не представляется возможным, так как промывочная жидкость, в качестве которой чаще используется вода, полностью экранирует электромагнитные поля растущих трещин. Для решения проблемы экранирующего действия промывочной жидкости на электромагнитные сигналы, генерируемые разрушаемыми образцами горной породы, на кафедре бурения скважин Томского политехнического университета была сформулирована идея перехода от бесконтактной регистрации электромагнитных полей к измерению токов, возникающих при разрушении горных пород на забое бурящейся скважины [3].
Проблема регистрации электрических токов, возникающих при разрушении горных пород бурением с промывкой электропроводящими буровыми растворами на водной основе, была решена нами путем использования замкнутого электрического контура «образец горной породы-
буровое долото-буровой станок-образец горной породы» [6]. Электрическое напряжение, которое возникает у границы раздела «горная порода-долото» за счет разделения зарядов, эмиссии электронов и релаксации этих зарядов при бурении образца горной породы, а также иных возможных механизмов, в этом замкнутом контуре создает электрический ток. Электрический ток в контуре фиксируется двумя возможными способами - прямым измерением падения напряжения на элементах контура или с использованием трансформатора тока, охватывающего элемент контура. В первом случае удается наблюдать и постоянную составляющую тока в контуре.
На основе этих разработок были выполнены лабораторные измерения токов и напряжений на контакте «долото-горная порода», возникающих при бурении и резании разных горных пород с промывкой различными растворами. Были проведены и полевые скважинные широкодиапазонные измерения электрического тока, протекающего через бурильную колонну при бурении трех нефтяных скважин на Игольско-Таловом месторождении Томской области. Скважинные измерения выявили не только импульсную составляющую электрического тока в широком диапазоне частот, но и постоянную составляющую, которая реагировала на поступление нефти из пласта в скважину. Менялась как величина тока, так и, в некоторых случаях, направление тока, причем эти изменения фиксировались на дневной поверхности задолго до выхода нефти на устье скважины. Мы интерпретировали это явление, как изменение электрохимического потенциала бурильной колонны при поступлении нефти из пласта в скважину.
Для анализа связи фиксируемых электрических токов с процессом разрушения горных пород на забое проводилось сравнение текущей механической скорости бурения с изменением токов. Система контроля бурения КУБ-01 рассчитывает диаграмму детального механического каротажа (ДМК), которая представляет собой график изменения времени бурения интервала длиной 0,4 м с глубиной. Нами были сопоставлены кривые изменения текущей механической скорости, рассчитанной по данным ДМК, и низкочастотных токов, текущих через бурильную колонну. Была установлена корреляция этих параметров, которая иллюстрируется рис. 1.
Возникновение на забое депрессии при входе забоя скважины в зону аномальных пластовых давлений приводит к повышению интенсивности разрушения горной породы при неизменных параметрах режима бурения, к росту механической скорости бурения. Однозначным итогом этого ожидается увеличение импульсной составляющей тока, текущего по бурильной колонне.
Рассчитанные для десяти различных интервалов бурения коэффициенты корреляции между текущей механической скоростью бурения и величиной низкочастотного тока варьировали от 0,89 до 0,96, что указывает на статистически значимую связь между этими параметрами.
Нередко ДМК пытаются применять для расчленения разреза в процессе бурения скважины. Однако на кривой механической скорости бурения момент входа скважины в продуктивный пласт не фиксируется, тогда как на кривой изменения низкочастотного тока наблюдается резкий рост отрицательных значений тока при входе в продуктивный пласт на скважине № 54-2203, который виден на рис. 1 и в более мелких деталях на рис. 2.
Рис. 1. Кривые изменения механической скорости и тока при бурении скважины № 54-2203 на Игольско-Таловом месторождении. 1 - нефтенасыщенный участок коллектора, 2 - водонасыщенный участок коллектора
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2015. № 1 (22)
s
а юо
Рис. 2. Изменения тока в период вскрытия продуктивного пласта: 1 - аргиллиты, 2 - глина, 3 - нефтенасыщенный участок коллектора, 4 - водонасыщенный участок коллектора
Проведенные исследования дают основание считать измерение тока, протекающего через бурильную колонну при бурении скважины, новым каналом информации для раннего обнаружения поступления пластового флюида в скважину.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гордеев В.Ф., Евсеев В.Д. Особенности генерирования электромагнитной эмиссии, сопровождающей вдавливание штампа в образцы горной породы // Инженер-нефтяник. 2013. № 4. С. 21-24.
2. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973. 279 с.
3. Евсеев В.Д., Епихин А.В., Самохвалов М.А. Новые возможности контроля процесса бурения скважин // Бурение и нефть. 2010. № 10. С. 28-30.
4. Закономерности генерирования электромагнитного сигнала твердыми телами при механическом воздействии / Ю.П. Малышков, В.Ф. Гордеев, В.П. Дмитриев и др. // ЖТФ. 1984. Т. 54, № 2. С. 336-341.
5. Предупреждение, обнаружение и ликвидация газонефтеводопроявлений: курс лекций: в 3 т. / под ред. А.Г. Аветисова [и др.]. Краснодар: Просвещение-Юг, 2003. Т. 1. 280 с.
6. Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при разрушении горных пород бурением, и способ его применения: пат. 2494367 Российская Федерация: МПК G01N 3/00, G 01 N 27/00 /А.В. Епихин, В.Д. Евсеев, М.А. Самохвалов; Томск. НИ ТПУ. № 2011100192/28; заявл. 11.01.2011; опубл. 27.09.2013. Бюл. № 27. 12 с.
IпуЬин« эяПоп м Вримп ч»»г мин
2077.0 2000 2 2882 8 200G 2091 28£М А
21 20 21 30 21 40 21 58 22 08 22 18
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Rock Failure Mechanism
Evseev V.D. Samochvalov M.A.
VICTOR D. EVSEEV, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Drilling, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk. 30 Lenina Ave, Tomsk, Russia, 634034, e-mail: [email protected]
MICHAEL A. SAMOCHVALOV, Associate Professor, Department of Drilling, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk. 30 Lenina Ave, Tomsk, Russia, 634034, e-mail: [email protected]
The possibilities of early detections of oil show in the course of oil and gas drilling
The paper deals with the possibility of using electromagnetic precursors of intensive rock failure in the bottom hole under the action of additional filtration loading when an oil-bearing formation shows itself in the well being drilled. The electromagnetic precursors occur when free electricity is generated on the walls of the growing cracks of normal fracture caused by the failure of dielectric minerals. The only electromagnetic precursors observed in well drilling are the electric currents flowing from the source of electric charges in the bottom hole to the surface. The electromagnetic fields that accompany the generation of free electric charges in growing cracks are screened by highly conductive drilling fluids. The electric current flowing through the drill pipe string and the casing string is registered as voltage drop. The specific electric current variations are precursors of the oncoming oil show. They may manifest themselves both in the alteration of the absolute current value and in current reversals. The observed variations are due to the changes in the nature and electrochemical properties of drilling fluid resulting from the oil inflow into the well being drilled. This provides a new communication channel with the borehole bottom which sends an early warning about the beginning oil show.
The registration of the electric current increases also the accuracy of determining the time when the borehole penetrates the producing formation.
Key words: oil inflow, drilling, electromagnetic precursors, electric current, variation, control.
REFERENCES
1. Gordeev V.F., Evseev V.D. Features of Electromagnetic Emission Generation Induced by Pressing an Indenter into Rock Samples. Oil Engineer. 2013;4:21-24. (in Russ.). [Gordeev V.F., Evseev V.D. Osobennosti generirovanija jelektromagnitnoj jemissii, soprovozhdajushhej vdavlivanie shtampa v obrazcy gornoj porody // Inzhener-neftjanik. 2013. № 4. S. 21-24].
2. Deryagin B.V., Krotova N.A., Smilga, V P. Adhesion of Solids. M., Nauka, 1973, 279 p. (in Russ.). [Derjagin B.V., Krotova N.A., Smilga V P. Adgezija tverdyh tel. M.: Nauka, 1973. 279 s.].
3. Evseev V.D., Epikhin A.V., Samokhvalov M.A. New possibilities for control of drilling. Drilling and Oil. 2010;10:28-30. (in Russ.). [Evseev V.D., Epihin A.V., Samohvalov M.A. Novye vozmozhnosti kontrolja processa burenija skvazhin // Burenie i neft'. 2010. № 10. S. 28-30].
4. Malyshkov Yu.P., Gordeev V.F., Dmitriev V.P. et al. Mechanisms of Electromagnetic Signal Generation by Solids under Mechanical Loading. ZhTF. 1984(54)2:336-341. (in Russ.). [Zakonomernosti generirovanija jelektromagnitnogo signala tverdymi telami pri mehanicheskom vozdejstvii / Ju.P. Malyshkov, V.F. Gordeev, V.P. Dmitriev i dr. // ZhTF. 1984. T. 54, N 2. S. 336-341].
5. Prevention, Detection and Elimination of Gas, Oil and Water Inflows: A Course of Lectures, in 3 vol., eds. Avetisov A.G. et al. Krasnodar, Prosveschenie-Yug, 2003, Vol. 1. 280 p. (in Russ.). [ Preduprezhdenie, obnaruzhenie i likvidacija gazoneftevodoprojavlenij: kurs lekcij: v 3 t. / pod red. A.G. Avetisova. Krasnodar: Prosveshhenie-Jug, 2003. T. 1. 280 s.].
6. Device for registration of electromagnetic emission in rock failure during drilling and application thereof, Patent No. 2494367 Russian Federation: MPK G01N 3/00, G 01 N 27/00 / Epikhin A.V., Evseev V.D. and Samokhvalov M.A., Tomsk: NI TPU No. 2011100192/28; Bulletin No. 27. (in Russ.). [Ustrojstvo dlja registracii jelektromagnitnogo izluchenija, voznikajushhego pri razrushenii gornyh porod bureniem, i sposob ego primenenija: pat. 2494367 Rossijskaja Federacija: MPK G01N 3/00, G 01 N 27/00 / A.V. Epihin, V.D. Evseev, M.A. Samohvalov; Tomsk. NI TPU. № 2011100192/28; zajavl. 11.01.2011; opubl. 27.09.2013. Bjul. № 27. 12 s.].
