До настоящего времени под временно-пространственной дифференциацией СДЗК обычно подразумевалась лишь площадная, поскольку отсутствовала какая-либо информация о глубинной зональности их распространения. Однако установление характера глубинного распределения случаев слома обсадных колонн в зависимости от углов отклонения пластов позволило выявить и еще одно свойство СДЗК – вертикальную зональность распространения их по степени интенсивности проявления. Разберем эти вопросы на примерах ряда нефтегазовых месторождений геосинклинальных и платформенных областей.

На Бузовны-Маштагинском месторождении за период с 1945 по 1988 гг. было зафиксировано 2958 случаев слома обсадных колонн. Разрез месторождения представлен чередующимися песками и глинами. Небезынтересно то обстоятельство, что все случаи слома колонн обнаружены здесь лишь ниже кровли НКГ, т. е. начиная с глубины 1500 м и более, где пласты залегают под углами 16–18° в отличие от вышележащих (4–6°). Причина подобного глубинного распределения случаев слома колонн объясняется главным образом вертикальной зональностью СДЗК, унаследованной от неотектонических движений. Отсюда следует, что в истории геологического развития Бузовны-Маштагинского месторождения в неогене были отдельные этапы нарастания и спада неотектонических движений, которые обусловили формирование структуры. В результате сломы колонн сказались приуроченными исключительно к нижнему отделу ПТ, где деформационно-сдвиговые процессы шли более активно на фоне интенсивного проявления неотектонических движений.

Несколько иначе обстоит дело на Самотлорском месторождении, относящемся к структурам платформенного типа, где пласты залегают почти полого. Здесь по состоянию на 1.01. 1990 г. выявлено 595 случаев слома колонн различных марок. Анализ показал, что наибольшее число дефектов (178 случаев) обнаружено в колоннах марки Д с диаметрами 101,6 и 152,4 мм, из которых 160 не отработали срок службы. Используемые в настоящее время одно-, а в редких случаях и двухколонные конструкции скважин устойчивы лишь на наружное критическое давление (Рн.к), равное 29,9 МПа, и они оказались ненадежными в геологических условиях месторождения. Однако из 595 случаев слома лишь по 238 имеется достаточная информация для их всестороннего анализа и обобщения. Важное значение для решения практических задач имеют данные о глубинном распределении случаев слома колонн.

Распределение случаев слома обсадных колонн на Самотлорском месторождении по глубинам за период с 1969 по 1.01.1990 г. следующее: до 400 м – 16, 401–500 м–64, 501–600 м – 53, 601– 700 м–63, 701–800 м–8, 801–900 м – 15, 901–1000 м – 9, более 1000 м – 10. Из общего числа проанализированных случаев 86,6 % зафиксированы в интервалах глубин 401–700 м.

Как же происходит слом колонн на Самотлорском месторождении в условиях чрезмерно слабого проявления тангенциальных движений и пологого залегания пластов? Проведенные исследования показывают, что слом обсадных колонн возникает при активном действии плывунов, образовавшихся в силу особых литолого-минералогических особенностей верхних слоев мезозоя (турон-коньякский стратиграфический интервал) и кайнозоя, которые представлены песками и глинами в различных соотношениях (рис. 1).

В сводном разрезе месторождения можно наблюдать литолого-фациальную изменчивость с глубиной. Так, если до глубины 270 м отмечается преобладание песков, то в интервале 271–400 м происходит равномерное переслаивание песков с глинами, однако в интервале 401–700 м отмечены в основном глины. Далее происходит постепенное уменьшение мощности глинистых пропластков и продолжается это до глубины 1000 м, а затем глины замещаются аргиллитами.

При изучении минерального состава глин установлено, что в них содержится до 80 % монтмориллонито-гидрослюдистых минералов с высокой удельной поверхностью, малыми прочностью и гидрофильностью. Под действием пластовых вод происходят пептизация и набухание глинистых отложений с увеличением объема на 1,5–2 %; Вполне естественно, что при уменьшении объема набухающие глины оказывают давление на граничащие поверхности.

Не менее интересен и другой факт, касающийся верхнего предела глубины слома колонн. Такой предел лимитируется нижней границей зоны многолетнемерзлых пород. Эта зона обладает достаточной прочностью пород. Однако выявление различных глубин указанных пределов свидетельствует об изменчивости мощности зоны многолетней мерзлоты на отдельных участках месторождения. Лишь в четырех скважинах (217, 855, 5586 и 14268) случаи слома колонн обнаружены на глубинах 140– 210 м. Кроме того, в скв.,4264, 14163, 2984, 27471, 16384, 5262, 5260, 4066, 10983 сломы колонн установлены в интервале 1300–1900 м, которые связаны с зонами прохождения разрывных нарушений, более уязвимыми и податливыми к приложению внешней силы.

Выявление плывунов позволило ввести поправочный коэффициент f в знаменатель уравнения

где t* – срок образования слома колонн, [s] – допускаемое напряжение для материала труб [s] = s/[S], [S] –запас прочности, р–горное давление, R – радиус трубы, m – коэффициент бокового распора, d – толщина стенки трубы, а – мощность пласта, Е – модуль упругости материала трубы, v – скорость СДЗК, b – угол отклонения пласта от вертикали.

На основе проведенных расчетов и решения обратной геологической задачи составлена прогностическая карта слома обсадных колонн Самотлорского месторождения с выделением пяти геодинамических зон (рис. 2) и предложены более устойчивые конструкции скважин, которые приведены в таблице.

Распределение случаев слома колонн несколько иное на Сураханском месторождении. Складка имеет асимметричное строение со сравнительно пологим западным крылом (10–12°) и крутым восточным (20–30°). С глубиной наблюдается неравномерное нарастание углов падения пластов. За период с 1945 по 1988 гг. на месторождении зафиксировано 2711 случаев слома колонн, которые распределены по глубинам следующим образом: до 500 м–308, 501–1000 м–1483, 1001– 1500 м – 240, 1501 м и более – 680.

1. Неравномерное глубинное распределение случаев слома обсадных колонн нефтегазовых скважин свидетельствует о вертикальной зональности распространения СДЗК по интенсивности проявления.
2. Впервые выявлено отрицательное действие плывунов на устойчивость обсадных колонн и введена поправка к известной формуле по прогностической оценке слома колонн.
3. Составление прогностической карты слома обсадных колонн – необходимое условие при проектировании разработки нефтегазовых залежей и выборе конструкций скважин.

Causes of casing integrity damage at the fields of folded and platform types are investigated with special reference to the Buzovny-Mashtaginskoye field, Azerbaydzhan, and the Samatlor field, western Siberia. Based on the analysis of the great amount of actual data, a relationship is developed between the uneven distribution of cases of casing damage with the vertical zonation of the distribution of the earth's crust recent movements (ECRM) regarding the intensity of their manifestation. For the first time, the negative effect of drift sands on casing stability is revealed and a correction is introduced for the known formula which establishes the dependence of the time of casing damage formation on the strength characteristics of the material and parameters of the casing, overburden pressure, thickness and angle of dip, and on the rate of the distribution of ECRM. The prognostic map of casing damage is compiled for the Samotlor field and stable constructions of wells are proposed.

1 – глина, аргиллит; 2 – песчаник; 3 – алевролит

Выделение геодинамических зон при эксплуатации обсадных колонн за время (лет): 1 – до 3, 2 – 4–5, 3 – 6–7, 4 – 8–10, 5–11– 15; 6 – разрывы; 7 – границы геодинамических зон; 8 – линия повторного нивелирования; 9 – скважины