ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Глубокое роторное бурение СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Имеется лишь несколько скважин, пробуренных на глубину более 7,5 км. Из-за технологических и геологических трудностей, стоимость бурения возрастает экспоненциально с ростом глубины. Поэтому воп­рос о целесообразности использования роторного бурения для созда­ния глубоких геотермальных скважин не имеет однозначного ответа. Все проблемы и ограничения, касающиеся глубокбго бурения, рас­сматриваются в разделе Технологические трудности и ограничения. Здесь описываются общее состояние вопроса и основные технические проблемы и ограничения, присущие современным методам сооруже­ния скважин, их испытания, завершения и каротажа, а также подроб­но рассматривается оборудование, используемое при глубоком буре­нии на нефтяных и газовых месторождениях. Приводятся также дан­ные о многих скважинах в различных геологических условиях: в шта­тах Калифорния и Оклахома, на юге штатов Луизиана и Техас, в шта­тах Западная Виргиния и Вайоминг.

Условия на глубине при глубоком бурении часто мало известны. Сейсмические записи о породах на глубинах более 7,5 км более сла­бые и менее четкие, чем на меньших глубинах. Сверхглубокое бурение в настоящее время проводится в основном в осадочных образованиях, основные структурные характеристики которых заранее могут быть предсказаны и определены.

При бурении глубоких скважин для нефти или газа скважина по всей глубине должна иметь достаточно большой диаметр, позволяю­щий установить колонну обсадных труб. Обычно для таких скважин требуется несколько последовательно расположенных колонн обсад­ных труб, которые в некоторых случаях могут настолько уменьшить диаметр скважины, что ее использование станет нецелесообразным. Эти и другие ограничения и трудности могут быть проиллюстрирова­ны на следующих примерах.

Скважина 31-10Х глубиной 6600 м, Теннеко (шт. Калифорния). Фирма "Грейт бэзинс петролеум", выполняющая работы по заказу ряда других фирм, пробурила эту самую глубокую скважину в шт. Ка­лифорния. В 1973 г. проводилось бурение еще двух глубоких сква­жин, глубина которых также должна была превысить 6,6 км. Все три

Скважины расположены в области Бейкерсфилд (в южной части доли­ны реки Сан-Хуакин). Недра здесь слагают осадочные образования, которые испытывают высокие давления и содержат непрочные породы, требующие установки колонн обсадных труб. Осадочные породы со­стоят обычно из слоев песчаника, аргиллита, известняка и их сочета­ний. Поры, образовавшиеся в этих породах, могут занимать 10-30 объемн.%. Жидкость в порах находится под давлением, а так как поры соединены друг с другом, то жидкость под действием дав­ления может перемещаться. При обычных условиях жидкость в порах находится под давлением, равным давлению столба пресной или соле­ной воды на такой же глубине.

Например, на глубине л/3 км нормальные давления пресной и со­леной воды составляют соответственно 29,9 и 32,1 МПа. Известно, од­нако, что некоторые формации имеют аномальные градиенты давле­ния по глубине, составляющие^27 кПа/м, что соответствует давле­нию 166 МПа на глубине 6,1 км. На нефтяных месторождениях давле­ния обычно выражаются эквивалентным напором столба бурового раствора с определенной плотностью, выраженной в кг/л. Так, на глубине 9,15 км, где жидкость в порах находится под давлением 172 МПа, потребуется столб бурового раствора плотностью 1,92 кг/л высотой 9,15 км, чтобы компенсировать это давление. Скважины в породах, испытывающих столь мощные давления, следует закреплять обсадными трубами и цементировать, прежде чем продолжать бурение.

Другим фактором, заставляющим закреплять скважины обсадны­ми трубами, является образование в породах трещин. Если плотность бурового раствора очень велика, то в некоторых породах с низким поровым давлением вокруг скважины начинают возникать трещины. При этом буровой раствор затекает в трещины и его циркуляция на­рушается. В зонах с прекратившейся циркуляцией необходимы обсад­ка и цементирование.

Суть рассмотренных вопросов поясняется на примере самой глу­бокой скважины, пробуренной в шт. Калифорния (фиг. 2.1). На графи­ке приведены условия, имевшие место во время бурения скважины. Левая кривая характеризует изменения по глубине пластового давле­ния, выраженного в эквивалентных плотностях бурового раствора. Фактическая плотность использованного бурового раствора представ­лена средней кривой. Кривая плотности раствора всегда выше кри­вой пластового давления на той же глубине. В противном случае скважина может выйти из-под контроля и начнется выброс. На фигу­ре также представлена кривая давления, вызывающего гидроразрыв

В породах формации. Если на какой-то глубине напор бурового раство­ра превысит величину давления гидроразрыва, то произойдет образо­вание трещин и циркуляция нарушится.

В рассматриваемой скважине были установлены колонны обсад­ных труб и проведено цементирование. Первоначально предполагалось, что скважина будет глубиной 3,66-4,27 км. При глубине 3,66 км бы­ла произведена обсадка трубами диаметром 244 мм, что было связа­но с нестабильными условиями в скважине, при которых бурильные трубы почти заклинились. После обсадки трубами с таким диаметром бурение было продолжено на большую глубину. На глубине 5,18 км вес бурового раствора, необходимый для предотвращения выброса из скважины, стал столь большим, что в скважине прекратилась цирку­ляция и произошел прихват бурильной трубы. Указанные трудности были разрешены путем обсадки скважины трубами диаметром 178 мм, после чего бурение было продолжено. До глубины 6,6 км скважина бурилась без обсадки. Затем скважина была обсажена колонной труб диаметром 114 мм. В конце концов обсадка настолько уменьшила диа­метр скважины, что бурение на большую глубину стало невозможным.

Еще одной проблемой, возникающей при таких мощных давлени­ях, является смятие обсадной колонны в отсутствие бурового раство­ра. Из фиг. 2.1 видно, что давление на полной глубине эквивалент­но напору 6,6 км бурового раствора плотностью 2,21 кг/л или равно примерно 142 МПа. Если при диаметре труб 114 мм скважина не бу­дет заполнена раствором, на трубы снаружи будет действовать дав­ление 137 МПа, достаточное для смятия всех известных обсадных труб такого диаметра. Лишь при меньших внутренних диаметрах об­садных труб смятия можно избежать.

Высокие температуры на больших глубинах могут вызвать трудности при использовании буровых растворов и цементов и вьполнении каротажа скважины. На фиг. 2.2 показано изменение температуры по глубине рассмат­риваемой скважины. Температуры пород обычно представляют градиентами температуры в градусах Цельсия на 100 м глубины. На фиг. 2.2 градиент температуры на глубине 0 - 4,27 км составляет 2,4°С/100 м, а на глубине 4,27 — 6,6 км - 3,8°С/100 м глубины. Ее, ли продлить график на глубины бо­лее 15 ООО м, то можно ожидать достижения температур более 535°С. Есте­ственно, что применение существующих бурильных растворов, цементов и ин­струмента для каротажа при таких температурах невозможно.

Скважина X 1 глубиной 8400 м, Исли (шт. Оклахома). 'Эта сква­жина была пробурена фирмой "Эль-пазо нейчрел гэз" и расположена в нескольких километрах от самой глубокой скважины мира. Данные

По геологии, давлению и температуре для обеих скважин совпада­ют (фиг. 2.3).

Кровли важнейших напластований указаны в левой части графика. Поровые давления представлены левой кривой, следующие две кривые показывают пределы давлений, приводящих к образованию трещин гидроразрыва. Как и в случае фиг. 2.1, кривая изменения плотности

Бурового раствора должна быть всегда несколько выше кривой поро - вого давления, но меньше давлений, приводящих к образованию тре­щин гидроразрыва. Поэтому потребовались псе колонны обсадных труб, показанные на фиг. 2.3. На глубине 1,22 км была также уста­новлена колонна обсадных труб диаметром 406 мм.

Недалеко от рассмотренной скважины в Гловер-Хефнер-Кеннеди - Грин ранее была пробурена скважина 1-1. На фиг. 2.4 приведены дан­ные по весу бурового раствора, использованного в этой скважине. Величина порового давления проверена по кратковременным выбро­сам бурового раствора на глубине чуть ниже 6,4 км.

Градиенты температуры в этом районе не очень высоки. Тем не менее температура в скважине № 1 в Бадене на глубине 9,14 км со­
ставила 260°С. Скважина была пробурена фирмой "Лоун стар гэз продьюсинг". Фирма оказалась не в состоянии провести измерения по всему разрезу скважины ниже 9,14 км из-за высоких температур на этой глубине.

Скважина Феликс-Бак М 1 глубиной 5340 м, Лафайет-Парис (шт. Луизиана). Скважина пробурена фирмой "Доу кемикл". Глубокое бурение в этом районе имеет, помимо общих, еще ряд дополнительных трудностей, поскольку отложения здесь сравнительно молодые и с увеличением глубины становятся очень пластичными и ползучими. Разрыв породы связан именно с пластической или вязкой ее структу­рой, а не с хрупкостью, как в случае твердой породы.

Поровое давление становится здесь иногда столь же высоким, как и литостэтическое давление, которое создается весом всех по­крывающих отложений и весом содержащихся в этих отложениях флю­идов. Например, вблизи поверхности плотность отложений составля­ет л/2 г/см3, а на глубине 6,1 км возрастает до 2,6 г/см3. При та­ких условиях литостатическое давление на глубинё 5,34 км равно ~ 119 МПа. Поровое давление эквивалентно весу столба бурового раст­вора с плотностью 2,22 кг/л (фиг. 2.5). Таким образом, поровое дав­ление на глубине 5,34 км составляет —'116 МПа и лишь на 3 МПа мень­ше литостатического давления на той же глубине. А давление, приво­дящее к образованию трещин на этой глубине, равно ~419 МПа, т. е. равно литостатическому давлению. Основная проблема, которую не­обходимо решать при таких давлениях, уже рассмотрена выше и за­ключается ^обеспечении такой плотности бурового раствора, кото­рая была бы лишь немного большей порового давления, эквивалент­ного плотности бурового раствора 2,22 кг/л, чтобы исключить воз­можность выброса из скважины. Однако в тех случаях, когда насосы для бурового раствора включаются во время бурения, давление цир­кулирующей жидкости на забое скважины может стать существенно большим, чем давление гидроразрыва. В этом случае мо­гут образоваться трещины, нарушится циркуляция и произой­дет выброс.

Чтобы исключить такую ситуацию, требуется несколько колонн обсадных труб (фиг. 2.5). Например, плотность столба бурового раст­вора на глубине 5,07 км составляет 2,19 кг/л. А давление в порах при диаметре обсадной трубы 244 мм эквивалентно плотности 2,26 кг/л. Поэтому, когда буровой раствор с плотностью 2,22 кг/л циркулирует вверх по обсадной трубе диаметром 244 мм, давление,

"Фиг. 2.5. Изменение давления по глубине скважины в Южной Луизиане[1]. 1 — регистрируемая плотность бурового раствора; 2 — давление, вызываю­щее гидроразрыв; 3 — расчетное поровое давление.

Создаваемое этим раствором, близко к давлению гидроразрыва на этой глубине. Если обсадная труба диаметром 244 мм не была бы ус­тановлена и зацементирована, то где-то на глубине этой обсадки об­разовались бы трещины и произошло нарушение циркуляции. По той же самой причине необходима установка колонн обсадных труб на большие глубины.

Бурение на глубины более 5,5-6,1 км в рассматриваемом райо­не обычными методами становится невозможным. Поровое давление и литостатическое давление становятся одинаковыми; Осббое внима­ние при этом следует уделять плотности бурового раствора. Во мно­гих случаях плотность бурового раствора становится настолько кри­тической, что при остановке насосов возникает опасность выброса, а при включении насосов и использовании того же раствора происхо­дит нарушение циркуляции.

Температуры в исследуемом районе достаточно высоки, но по­скольку бурение на глубины порядка 9 км здесь не проводилось, то очень высокие температуры пока не зарегистрированы. Тем не менее давления и температуры здесь таковы, что породы становятся очень пластичными, и если в скважине или в обсадной трубе отсутствует буровой раствор, то породы стремятся заполнить незакрепленную от­крытую часть ствола скважины или разорвать обсадку там, где она установлена.

Скважина глубиной 6710 м, графство Уэбб (шт. Техас). Скважи­на пробурена фирмой "Шелл ойл", но никакой информации о ней нет. Известно лишь, что она находится в районе с очень высокими давле­ниями на глубине, и поэтому проблемы здесь аналогичны только что рассмотренным для скважины в Луизиане. Аномально высокие плас­товые давления начинают проявляться на сравнительно небольших глубинах и становятся больше эквивалентной плотности бурового раствора в 2,16 кг/л. Можно полагать, что профиль давления по глу­бине, кривая изменения плотности бурового раствора, кривая гради­ента давления, приводящего к гидроразрыву, и система обсадки ана­логичны только что приведенным для скважины в Луизиане.

Однако здесь имеется дополнительная сложность, связанная со значительной разностью давлений в различных слоях песчаника. На­пример, предположим, что песчаник залегает на глубине 3,66 км и имеет пластовое давление, эквивалентное напору бурового раство­ра плотностью 1,44 кг/л (51,7 МПа). В процессе бурения в этом пес­чанике при смене буровых головок потребуется плотность бу­рового раствора 1,48-1,5 кг/л, чтобы уравновесить это давление.

По мере достижения больших глубин в песчаных и сланцевых породах потребуется довести плотность раствора до 2,16 кг/л.

При рассмотренных условиях возникает еще одна проблема. На глубине 3,66 км песчаник должен выдерживать напор раствора с цлот - ностью 2,16 кг/л. Статическое давление этого столба составляет 77,5 МПа, в то время как пластовое давление на этой глубине равно 51,7 МПа. Разность давлений в 25,8 МПа действует непосредственно на стенки скважины, вызывая проникновение бурового раствора в песчаник. Когда буровая труба неподвижна (например, во время соеди­нения с другой трубой), то под действием указанной разности давле­ний бурильная труба начнет заклиниваться в скважине. Данная проб­лема очень серьезна, и многие скважины были заброшены именно по этой причине.

На юге шт. Техас также очень сложны температурные условия. На глубинах 5,5-6,1 км температуры превышают 260°С, а градиент в среднем составляет^,6°С/100 м глубины. Если считать, что этот градиент существует и на больших глубинах, то на глубине~12 км можно ожидать температуру выше 530° С. Столь высокие давления и температуры приводят к пластической деформации породы, что может вызвать прихват буровой трубы в скважине.

Скважина 9674Т № 1 глубиной 5980 м, графство Минго, (шт. За­падная Виргиния). Эта скважина при проектной глубине 6100 м была пробурена фирмой "Колумбия гэз трансмишн" и является самой глу­бокой скважиной в восточной части США. Во время бурения скважины возникли четыре основные проблемы: искривление скважины, высокие поровые давления, высокая твердость пород, низкая скорость буре­ния и условия, близкие к выбросу из скважины. Бурение скважины проводилось при следующих диаметрах и длинах колонн обсадных труб.

Диаметр, мм Длина, мм

TOC o "1-3" h z Направляющая колонна обсадных труб 660 16,5

Верхняя колонна 508 500

Первая промежуточная колонна 340 1835

Вторая промежуточная колонна 273 3076

Третья промежуточная колонна 178 4980

На глубинах до^4 км вместо буровой жидкости использовались воздух или природный газ. Однако при большом притоке воды в сква­жину применение воздуха нежелательно. Поэтому при неглубоком рас­положении водоносных слоев скважина должна была иметь обсадку. В то же время при использовании воздуха или природного газа бур

Продвигается в глубину значительно быстрее, чем при использовании воды или бурового раствора. Однако при этом не обеспечивается дос­таточное статическое давление на проходимые породы. Именно по­этому на глубине^ 4 км в рассматриваемой скважине наблюдалась тенденция к выбросу.

К счастью, обсадная колонна труб диаметром 273 мм была уста­новлена достаточно глубоко, что обеспечило необходимое давление, не превышающее давление гидроразрыва, и тем самым создало усло­вия для нормальной работы скважины. При таком диаметре было так­же обеспечено достаточное сопротивление выбросу на поверхность, что исключало его возникновение. Для поддержания потока газа потребовался буровой раствор с плотностью 2,18 кг/л.

Поровое давление на глубинах ниже 4 км в рассматриваемом районе является нормальным, но затем оно почти сразу становится эквивалентным плотности бурового раствора в 2,16 кг/л, а на глуби­нах до 6,1 км и далее почти не изменяется и соответствует плотнос­ти 1,92-2,16 кг/л.

Из-за требуемого большого веса бурового раствора и высокой твердости пород, скорости бурения здесь оказались низкими. В табл. 2.1 приведены данные по скорости бурения и сроку службы раз­личных буровых головок. Видно, что скорости очень низки, и что ал­мазные головки обеспечивают большую скорость бурения, чем трех - шарошечные твердосцлавные головки.

На фиг. 2.6 указаны породы, которые встретились при бурении этой скважины, и соответствующие интервалы глубин. Из-за твер­дости пород потребовались головки значительного веса, что привело

Таблица 2.1

Данные по скорости бурения и сроку службы буровых головок [1]

Буровая головка

Интервал глубин, М

Скорость, м/ч

88 TOC o "1-3" h z 165 Алмазная 5786-5876 149 90 0,58

89 165 Твердосплав - 5876-5905 79 33 0,41

, ная

90 165 Алмазная 5905-5964 9 2 55 0,6

91 165 Твердосллав - 5964-5972 21,25 8 0,4

Ная

При первом бурении к искривлению скважины. Искривление было столь значительным, что потребовалось заполнение ствола цемен­том и повторное медленное вертикальное бурение. (Следует отме­тить, что сверхглубокие скважины должны быть вертикальными или почти вертикальными для исключения сильного износа бурильных труб.)

Геотермический градиент в толще пород этого района очень ни­зок. На фиг. 2.7 показано изменение температуры по глубине рас­сматриваемой скважины. Действительные температуры пород обыч­но несколько выше измеренных из-за влияния циркуляции бурового раствора.

Скважина Уэген-Уилл М 1 глубиной 7000 м, графство Саблетт (шт. Вайоминг). Скважина пробурена фирмой "Эль-пазо нейчрел гэз". При бурении возникло сравнительно мало трудностей. Временами на­рушалась циркуляция раствора, что было вызвано слишком быстрым движением в скважине колонкового бура. Кроме этого, произошел прихват бурильных труб вместе с переходными муфтами на глубине 1,95 км во время попыток восстановить циркуляцию. Основная зона нарушения циркуляции находилась на глубине 1,83-2 км. Скважина пробурена строго вертикальной легкими буровыми головками. В свя­зи с этим скорости бурения были очень низки, и это потребовало до­полнительных затрат времени. После бурения проведено измерение параметров по разрезу скважины, а затем скважина была разбурена до диаметра 375 мм перед спуском промежуточной колонны труб. Это также потребовало значительного дополнительного времени. Единст­венными трудностями при бурении под промежуточную колонну были пульсации плотности бурового раствора. Данные акустических изме­рений были расшифрованы и результаты представлены на фиг. 2.8. По этим данным были определены перепады порового давления, при­веденные на фиг. 2,9. На этом графике представлена также кривая фактической плотности бурового раствора во время бурения скважи­ны меньшего диаметра.

Следует отметить, что бурение скважины все время проходило в условиях "недосбалансированных" или "почти сбалансированных" давлений и что измерения давления в буровой колонне согласовались с результатами акустической диагностики. Пульсации плотности бу­рового раствора на определенной глубине составляли М),36 кг/л и даже более. Так, на глубине 3,1 км плотность бурового раствора за очень короткий период изменилась от 1,26 до 1,67 кг/л и выбросы раствора прекратились.

Такие большие изменения плотности бурового раствора могли происходить из-за: а) воды, поступающей в скважину, и б) воды, по­ступающей в буровой раствор через систему охлаждения и смазки на­сосов. Но так как напор раствора превышал пластовые давления, то весьма сомнительно, чтобы вода могла поступить в скважину выше глубины 3,3 км, где наблюдались колебания плотности раствора.

Следовательно, разжижение раствора могло происходить лишь через насосы. Глинистые сланцы были в значительной степени размыты и потребовалось дополнительное цементирование. Однако размывание не было основной причиной неудачной цементации промежуточной ко­лонны обсадных труб диаметром 273 мм - первой неудачи при буре­нии этой скважины. Работу пришлось вести в три стадии, поскольку нарушение циркуляции происходило вначале на глубинах 1,83-2,14 км а затем при установке в скважине обсадных труб, когда башмак обсадной

1 — прихавт бурипьных труб и переходных муфт; 2 — опробыватепь плас­тов №> 2; 3 — нарушение циркуляции; 4 — опробыватепь ппастов №4; 5 — на­рушение циркуляции; 6 — аыброс из скважины; 7 — перепад порового давле­ния, определенный с помощью акустической диагностики.

Колонны находился на глубине 2,07 - 2,53 км. При обсадке ис­пользовалось такое оборудование, как направляющий башмак, муфта обсадной трубы с обратным клапаном, центраторы, а также заливоч­ные манжеты для цементирования и др.

Цементирование затрубного пространства обсадных колонн диа­метром 273 и 194 мм, проведенное в апреле 1970 г., оказалось неудач­ным в первом случае из-за искривления колонны, а во втором — из-за преждевременного затвердевания бурового раствора..

На фиг. 2.10 и 2.11 приведены все данные, использованные при проектировании такой скважины общей глубиной^ 7000 м. Отметим, что целью было достижение на полной глубине скважины диаметра 165 мм и возможности установки обсадных труб диаметром 127 мм. Температуры на глубине 6-7 км составляли 218-232°С, т. е. были не очень высокими. Следовательно, как указывалось выше, основны­ми проблемами при бурении этой скважины были трудности цементи­рования, неисправности обсадки и аномально высокие давления.

Итак, как показывают приведенные примеры, основным подходом к глубокому бурению в осадочных породах является использование стандартных методов бурения. Однако установка колонн обсадных труб, очень высокие давления и температуры и их влияние на элемен­ты всей системы на больших глубинах создают серьезные проблемы. Существуют и другие методы создания глубоких выработок большого диаметра, не сужающихся с глубиной. Эти методы включают бурение скважин большого диаметра, как это делается при бурении вулкани­ческих пород на полигоне Комиссии по атомной энергии США в шт. Невада, а также бурение обычных скважин с помощью управляемых человеком или полуавтоматических, или полностью автоматизирован­ных систем. Эти методы разрабатываются и представляются перспек­тивными для создания глубоких скважин. Но для этого требуются значительные расходы.