Вскрытие продуктивных песчаников в нефтяных и газовых скважинах на юге Сибирской платформы


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ


ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ «ИНСТИТУТ ЗЕМНОЙ КОРЫ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК»









            ВСКРЫТИЕ ПРОДУКТИВНЫХ ПЕСЧАНИКОВ В НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ НА ЮГЕ СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ




Монография





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.24 ББК33.131
    В85

                             Рекомендовано к печати ученым советом Института земной коры СО РАН



Авторы:
О. А. Брагина, А. Г. Вахромеев, С. А. Сверкунов, И. Д. Ташкевич


Рецензенты:
директор федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земной коры Сибирского отделения РАН, член-корреспондент РАН, профессор РАНД. П. Гладкочуб;
заведующий кафедрой технологии и техники разведки месторождений полезных ископаемых Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета (г. Красноярск) доктор технических наук, профессор В. В. Нескоромных




        В85 Вскрытие продуктивных песчаников в нефтяных и газовых скважинах на юге Сибирской платформы : монография / [Брагина О. А.

     и др.]; ИЗК СО РАН. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -280 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0870-7

     Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в призабойной зоне в цикле первичного вскрытия бурением продуктивного пласта песчаников венда на месторождениях нефти и газа юга Сибирской платформы, предложены и апробированы составы буровых растворов и реагенты, минимизирующие воздействие на коллектор.
     Для инженеров по бурению нефтяных и газовых скважин, геологов, геофизиков. Может быть полезно студентам, магистрантам и аспирантам нефтегазовых специальностей. В работе задействовалось оборудование ЦКП «Геодинамика и геохронология» Института земной коры СО РАН в рамках гранта№ 075-15-2021-682.

УДК 622.24
ББК33.131



                            © ИЗК СО РАН, 2022
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022



ISBN 978-5-9729-0870-7

RUSSIAN FEDERATION MINISTRY OF EDUCATION AND SCIENCE


FEDERAL BUDGETARY STATE INSTITUTION OF SCIENCE EARTH CRUST «INSTITUTE OF THE EARTH'S CRUST OF THE SIBERIAN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES»








            OPENING OF PRODUCTIVE SANDSTONES IN OIL AND GAS WELLS IN THE SOUTH OF THE SIBERIAN PLATFORM




Monograph



























Moscow Vologda «Infra-Ingeneria» 2022

UDC 622.24




Authors:
O. A. Bragina, A. G. Vakhromeev, S. A. Sverkunov, I. D. Tashkevich


Reviewers:
director of the federal state budgetary institution of science of the Institute of the earth's crust of the Siberian branch of the Russian Academy of Sciences, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, professor of the Russian Academy of Sciences D. P. Gladkochub;
head of the department of technology and technique of exploration of mineral deposits of the Institute of mining, geology and geotechnologies Siberian federal university (Krasnoyarsk) doctor of technical sciences, professor V. V. Neskoromnykh




      Opening of productive sandstones in oil and gas wells in the south of the Siberian platform : monograph / [Bragina O. A. and others]; IEC SB RAS. -Moscow ; Vologda : Infra-Ingeneria, 2022. - 280 p. : il., tabl.
      ISBN 978-5-9729-0870-7

      The physicochemical processes occurring in the bottom-hole zone in the cycle of primary drilling of the productive formation of Vend sandstones in the oil and gas fields of the south of the Siberian platform are considered, the compositions of drilling fluids and reagents that minimize the impact on the reservoir are proposed and tested.
      The monograph is intended for engineers in drilling oil and gas wells, geologists, geophysicists. Materials monograph can be used in the training of students, undergraduates and graduate students on specialties «Geology of oil and gas», «Drilling oil and gas wells», «Complications and accidents while drilling». This work involved the Centre of Geodynamics and Geochronology equipment at the Institute of the Earth's Crust, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (grant№ 075-15-2021-682).

UDC 622.24




                                                                       © IEC SB RAS, 2022
                                                                       © Infra-Ingeneria, 2022

ISBN 978-5-9729-0870-7

            АННОТАЦИЯ



      Вскрытие продуктивных пластов бурением и заканчивание скважин являются главными, лимитирующими стадиями во всем цикле строительства глубоких скважин, нацеленных на поиск, разведку и промышленную добычу углеводородного сырья. От их качества зависит конечный результат, эффект от всех произведенных затрат на строительство скважины.
      В книге представлен обзор исследований, выполненных на этапе подготовки материально-сырьевой базы углеводородного сырья на юге Лено-Тунгусской НГП, применительно к крайне сложным горно-геологическим условиям разведки и освоения месторождений нефти и газа региона Восточной Сибири. Исследования выполнены в лаборатории технологии вскрытия продуктивных отложений ВостСибНИИГГиМС, и продолженны в лаборатории геологии нефти и газа ИЗК СО РАН.
      Ключевые слова: бурение, вскрытие, заканчивание, газ, глушение, нефть, перфорация, продуктивный пласт, промывка, скважина.

      Hydrocarbon reservoir penetration and well completion are delimiting phases in construction of deep prospecting, exploration, and commercial wells. Quality of the works influences the final outcome of all expenditures for construction of a well.
      This book presents an overview of works performed at the reservoir penetration laboratory of the East Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Minerals that were dedicated to solution of the above problem for specific conditions of East Siberian oil and gas fields.


5

Предисловие


     В монографии «Вскрытие продуктивных песчаников и заканчивание нефтяных и газовых скважин на месторождениях юга Сибирской платформы» представлены результаты многолетних лабораторных и полевых исследований сотрудников лаборатории «Технология вскрытия продуктивных отложений и закачивания нефтяных и газовых скважин» Восточно-Сибирского научноисследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья, созданной (организованной) к. т. н. Вальтером Викторовичем Казанским и руководимой им на протяжении более чем 20 лет. Позже отдельные направления исследований продолжены в лаборатории геологии нефти и газа ИЗК СО РАН.
     В Восточной Сибири буквально в течение этого десятилетия произошло кардинальное обновление, перевооружение бурового направления нефтегазовой отрасли, которое коснулось как оборудования, так и технологичекских приемов в бурении и заканчивании. Обычным стало бурение многозабойных горизонтальных скважин, внедрены оборудование для бурения на депрессии, системы верхнего привода, роторные управляемые системы в КНБК, разработана совершенно новая линейка породоразрушающего инструмента и многие другие инновационные решения. Достигнуты не бывалые (до нескольких десятков метров в час) скорости горизонтального направленного бурения по плотным песчаникам, окремнелым доломитам в сложных коллекторах рифея и венда Сибирской платформы. Однако вопросы физико-химического взаимодействия буровых растворов и продуктивных пластов были и остаются краеугольным камнем в технологии заканчивания скважин на нефть и газ всех назначений.
     При составлении данного обзора использованы любезно представленные результаты исследований, содержащихся в диссертационных работах: ст. научного сотрудника ВостСибНИИГГиМС Низовцева Виктора Петровича; зав. кафедрой Ангарской технологической Академии, доцента, к. х. н. Щербина Сергея Анатольевича; доцента кафедры нефти и газа Краснодарского университета, к. х. н. Нисковской Марины Юрьевны, за что авторы выражают Им глубокую благодарность.
     Посвящается светлой памяти ушедших от нас Казанского Вальтера Викторовича, Богданова Вячеслава Степановича, Сукманского Олега Борисовича, Воробьева Валентина Николаевича, Абрамаса Лейла Абовича, принимавших большое участие в ниже освещенных исследованиях.
     Сегодня, оглядываясь назад, нам хотелось бы подчеркнуть тот колоссальный вклад, который внесли иркутские геологи, геофизики и буровики в организацию и проведение геологоразведочных работ на нефть и газ на юге Сибирской платформы. Их самоотверженным трудом открыты первые проявления и месторождения нефти и газа на юге, в Иркутском амфитеатре - Атовское,

6

Бильчирское, Парфеновское, Балыхтинское, Марковское, изучены Ангаро-Ленская, Непско-Ботуобинская нефтегазоносные области (НГО), и в итоге подготовлена к освоению значительная по территории и по ресурсам УВ часть Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции (НГП).
     Особо хотелось бы отметить крайне сложный разворот ГРР Ковыктинской поисково-разведочной площади, как стало ясно через много лет - на будущем уникальном газоконденсатном месторождении-гиганте. Именно Сергей Сергеевич Перов, Борис Леонидович Рыбьяков и Марк Миронович Мандельбаум, активно поддержав Геннадия Яковлевича Шутова в обосновании перспектив нефтегазоносности крупного Верхнеленского поднятия, вопреки мнению многих специалистов-скептиков смогли реализовать решение о проведении сейсморазведочных работ и пионерного бурения.
     Организация бурения первых скважин (1, 134 Грузновских, 270 и 281 Ковыктинских) была выполнена под руководством начальника Криволукской нефтегазоразведочной экспедиции Павла Андреевича Оскорбина, главного инженера Геннадия Петровича Черенцова, главного геолога Александра Михайловича Панькова. Именно они вместе с большим производственным коллективом «подняли» невероятно тяжелый стартовый этап буровых работ на месторождении. Десятилетия геологоразведочных работ ушли на доказательство промышленной значимости и масштабности этого уникального геологического объекта.
     Большая роль в продолжении ГРР и наращивании ресурсной базы Ковыктинского месторождения по праву принадлежит Льву Анатольевичу Платонову, который в непростое время 90-х возглавил предприятие «РУСИА-Петролеум» с твердым убеждением, что это месторождение обеспечит высокотехнологичным УВ сырьем промышленно развитый юг Иркутской области, основные предприятия - АНХК, Саянскхимласт. Будут переведены на природный газ котельные в 14 южных районах области, что кардинально улучшить экологическую обстановку в акватории оз. Байкал.

7

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ...................................................8

ГЛАВА 1. ГЕОЛОГИЯ, ГОРНО-ПРОМЫСЛОВЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ВСКРЫТИЯ БУРЕНИЕМ
УГЛЕВОДОРОДОНАСЫЩЕННЫХОБЪЕКТОВ
НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЮГА СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ.................12
    1.1. Геологическое строение и нефтегазоносность юга Сибирской платформы. Месторождения нефти и газа.................13
      1.1.1. Месторождения УВ Ангаро-Ленской ступени......16
      1.1.2. Месторождения УВ Непско-Ботуобинской антеклизы/НГО.34
    1.2. Горно-промысловые характеристики и условия вскрытия бурением углеводородонасыщенных объектов на месторождениях юга Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции.............................................53
    1.3. Обзор современных систем промывочных жидкостей, предназначенных для первичного вскрытия пластов-коллекторов.... 54
    1.4. Буровые растворы - источники загрязнения порового пространства терригенных пород продуктивного пласта....60

ГЛАВА 2. ПЕРВИЧНОЕ ВСКРЫТИЕ ПОДСОЛЕВЫХ ПРОДУКТИВНЫХ ТЕРРИГЕННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВЕНДА..................66
    2.1. Вскрытие песчаников с кварцевым типом цемента....71
    2.2. Вскрытие песчаников с преимущественно галитовым типом цементации.............................................79
    2.3. Вскрытие глинистых песчаников в песчано-глинистом разрезе венд-кембрия...........................................88
    2.4. Загустители и дисперсная фаза буровых растворов для вскрытия слабопроницаемых продуктивных терригенных отложений....108

ГЛАВА 3. ЗАКАНЧИВАНИЕ, ГЛУШЕНИЕ И КОНСЕРВАЦИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН...............................126
    3.1. Вторичное вскрытие продуктивных терригенных отложений..126
    3.2. Интенсификация притокауглеводородного флюида из пласта в скважину.................................127
      3.2.1. Оксидантная деструкция молекул водорастворимых эфиров целлюлозы, внедрившихся в поры песчаника.............128
      3.2.2. Технология осушки фильтрационных каналов призабойной зоны продуктивного пласта............................131


8

      3.2.3. Технология выщелачивания галита из фильтрационных каналов околоскважинной зоны продуктивного пласта (на примере песчаников верхнечонского и ярактинского горизонтов)...........................................134
    3.3. Глушение и консервация нефтяных и газовых скважин..140
      3.3.1. Жидкости глушения и консервации скважин науглеводородной основе...............................141
      3.3.2. Жидкости глушения и консервации скважин на водной основе................................................153

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНО-СЕЛЕКТИВНЫЕ БУРОВЫЕ РЕАГЕНТЫ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ (ПРОИЗВОДСТВА).......................168
    4.1. Пути синтезаэфиров целлюлозы.......................168
      4.1.1. Получеие калиевой соли крбоксиметилцеллюлозы...168
      4.1.2. Получение гидроксиизопропилкарбоксиметилцеллюлозы.171
      4.1.3. Полимерный загуститель буровых растворов - калиевая соль метилкарбоксиметилцеллюлозы......................175
    4.2. Поверхностно-активный реагент - «Смазочная добавка»...182
    4.3. Многокомпонентный минерализатор буровых растворов и способы его получения..................................187
      4.3.1. Способ получения неорганического бурового реагента и установка для его осуществления.....................192
      4.3.2. Способ распылительной сушки для получения неорганического бурового реагента и установка для его осуществления.................................195
      4.3.3. Использование технической соли, получаемой из рапы Знаменского участка Верхнеленского месторождения промышленных рассолов для минерализации буровых растворов.............................................197
      4.3.4. Бромистый кальций, получаемый из рапы Знаменского участка Верхнеленского месторождения промышленных рассолов - потенциальный утяжелитель буровых растворов.... 205
      4.3.5. Буровой раствор на основе природного рассола (рапы) и эфира целлюлозы ГИПКМЦ...............................210
    4.4. Алюмодиспергированный асбест - структуро-и коркообразователь буровых растворов....................213
      4.4.1. Полимерный алюмокалиевый буровой раствор с малым содержанием механохимически диспергированной волокнистой твердой фазы..............................220
    4.5. Лигноцел - эффективный загуститель и коркообразователь буровых растворов........................................242

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................252
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...........................................254
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................255


9

            ВВЕДЕНИЕ



     Современный период развития нефтегазовой промышленности характеризуется возрастанием доли трудноизвлекаемых запасов нефти и газа, причем, в районах со сложными горно-геологическими условиями.
     Восточная Сибирь стала регионом буровой активности благодаря открытию месторождений углеводородов на юге Сибирской платформы. В первую очередь, это касается уникального Ковыктинского газоконденсатного месторождения (ГКМ) в Иркутской области с запасами газа 2,5 трлн м³ и конденсата 80 млн т, группы нефтегазовых месторождений Непско-Ботуобинской НГО, а также Юрубчено-Тохомской зоны (ЮТЗ) в Эвенкии, где из разведочных, а позже из эксплуатационных скважин получены нефтяные фонтаны мощностью до 500 т/сутки. На начало 21 века на долю двух НГО - Непско-Ботуобинской и Ангаро-Ленской приходилось более 60 % открытых месторождений нефти и газа Лено-Тунгусской НГП [Дробот и др., 2004]. К 2020 только в Иркутской области разведано, и поставлено на баланс 42 месторождения нефти, газа и газового конденсата (рис. 1). По Эдеру, (2015) «Повышение надежности сырьевой базы возможно только путем увеличения объема геологоразведочных работ, прежде всего глубокого бурения».
     Отличительными особенностями продуктивных залежей в Восточной Сибири [Лопатин, 2000] являются:
    -  низкая буримость пород, обусловленная литификацией, их геологическим возрастом (рифей, венд и кембрий, ордовик, силур), а также наличие в разрезе траппов, представленных крепкими долеритами, и многолетнемерзлых пород;
    -  повышенная заглинизованность разрезов - детальный микроскопический анализ шлифов кернового материала парфеновского горизонта Шамановского, Братского, Ковыктинского месторождений свидетельствует о том, что парфеновские песчаники в соответствии существующей классификацией, относятся к III типу продуктивных отложений, то есть к глинисто-песчаниковым коллекторам;
    -  присутствие в разрезе галогенно-карбонатного комплекса, толщина которого превышает 60 % глубины скважины;
    -  наличие пластовых вод, насыщенных солями щелочноземельных металлов, в основном, хлоридами кальция);
    -  умеренно повышенные температуры продуктивных пластов (до 5070 °С).
     Эффективность и безаварийность буровых работ в осложненных условиях определяется выбором и организацией соответствующей технологии вскрытия

10

продуктивных отложений. При этом важнейшую роль играет правильный выбор типа бурового раствора. Для качественного вскрытия пластов нефтегазовых месторождений Восточной Сибири необходимо использовать буровые растворы, способные оказывать ингибирующее действие на глинистые минералы коллектора, выдерживать действие повышенных температур и обладающие устойчивостью к коагулирующему воздействию ионов кальция.
     Кроме специфических свойств буровые растворы должны обладать регулируемыми пристеннокольматирующими и противофильтрационными характеристиками, иметь хорошие смазочные и противоприхватные свойства, сохранять естественную проницаемость продуктивных пластов, характеризоваться оптимальным соотношением структурных и реологических свойств, а также быть безвредными по отношению к окружающей среде.
     Одним из направлений по созданию буровых растворов с улучшенными свойствами является разработка комплексных многофункциональных композиционных систем, придающих промывочным жидкостям на их основе требу-емыее эксплуатационные характеристики.
     Подготовка настоящего монографического обобщения в большей части выполнена с. н. с., к. х. н. Брагиной О. А. В разработке изложенных подходов и технологических решений принимали активное участие сотрудники отделов методики разведки и технологии глубокого бурения ВостСибНИИГГиМСа: зав. отделом методики разведки, к. т. н. Богдановым В. С., инженером-химиком Яковлевой Н. Т., инженером Гречка О. И., слесарем-оператором Кошкаревым Ю. И., под руководством зам. директора института, д. г.-м. н. Воробьева В. Н. Кинетику метанольной осушки модели терригенного пласта методом ЯМР-спектрометрии исследовал с. н. с. ИГУ, к. х. н. Рохин А. В.; съемку и интерпретацию ИК-спектров провела доцент ИГУ, к. ф.-м. н. ДороховаВ. В. Ремонт и наладку лабораторного оборудования осуществлял инженер Погодаев А. О. Патентный поиск и отчет выполнены старшим патентоведом ИГУ Поповой М. Н. Разработка инновационных решений в области применения концентрированных природных рассолов в качестве солевой основы буровых растворов выполнена с участием сотрудников ООО «Брайнсиб» к. т. н Зверева Г. В., д. г. м. н. Вахромеева А. Г., к. т. н. Сукманского О. Б., к. х. н. Абрама-са Л. А., в области инновационных решений при бурении высоконапорных пластов, насыщенных крепкими хлоридно-кальциевыми рассолами аспирантом Ташкевич И. Д., к. т. н. Сверкуновым С. А.

11

ГЛАВА 1. ГЕОЛОГИЯ, ГОРНО-ПРОМЫСЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ВСКРЫТИЯ БУРЕНИЕМ УГЛЕВОДОРОДОНАСЫЩЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЮГА СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЫ


    В связи с освоенностью и истощением нефтегазоконденсатных месторождений Западной Сибири, значительное внимание в настоящее время уделяется ускоренной подготовке и освоению месторождений нефти и газа Восточной Сибири. При этом одним из наиболее весомых факторов, (см. рис. 6.1), является необходимость заполнения магистральных нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан» и газопровода «Сила Сибири», имеющих стратегическое значение для России.
    По Эдеру (2015) «... в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке сосредоточено более 16млрдт начальных суммарных ресурсов (НСР) нефти, или около 20 % начальных суммарных ресурсов (НСР) нефти, России. Разведанные и предварительно оцененные запасы нефти в регионе превышают 3,6 млрд т, степень разведанности — 11,8 %, в то время как в целом по стране — 44 %. Доля неоткрытых ресурсов составляет 76 % — это потенциал прироста будущих запасов нефти. В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке сосредоточено более 59 трлн м³, или около 23 %, НСР газа в стране. Разведанные и предварительно оцененные запасы природного газа в регионе превышают 9,6трлнм³, или 13,8 % общих запасов России, степень разведанности — 9 %, в то время как аналогичный показатель по России в целом составляет 25 %». Основные перспективы нефтегазоносности в пределах Сибирской платформы связаны с отложениями рифея, венда и нижнего кембрия. По оценкам СНИИ-ГГиМС, 2014, чехол Сибирской платформы содержит около 100 млрд т УУВ, из которых может быть извлечено более 45 трлн м³ газа и около 12 млрд т нефти. Среди открытых (около 70) нефтегазовых месторождений у 16-ти извлекаемые запасы превышают 100 млн т, у 4-х из них - 1 млрд т УУВ. Огромные объемы ресурсов УВ неравномерно рассредоточены на значительной территории в стратиграфическом диапазоне от рифея до мела включительно на глубинах 1,5-5,0 км. По оценкам специалистов ИНГГ СО РАН, «целенаправленное проведение геолого-разведочных работ в этом относительно слабо-изученном регионе позволит существенно нарастить минерально-сырьевую базу России и уже в 20-30-х годах текущего столетия довести годовую добычу нефти и газа соответственно до 10 млн т и 30-40 млрд м³».
    Нефти Восточной Сибири отличаются высоким качеством, и пригодны для переработки на действующих нефтеперерабатывающих заводах. Природные газы бессернистые, преимущественно этаносодержащие (этан 3,4-6,1 %, пропан 1,1-1,7 %, бутан 0,4-1,1 %), содержат в промышленных концентрациях

12