|
УДК 622.24.004.6:553.634 |
Деформация скважин гидратирующимися ангидритами
О.Ф. РЯБЫХ (УкрНИИгаз)
На газовых месторождениях ДДВ при проводке и освоении скважин неоднократно наблюдались случаи выброса разобщенного песчаного материала на поверхность, прихваты бурового инструмента и много других нежелательных явлений, связанных с разрушением песчаных коллекторов пластовым флюидом, пластическим течением глин, а также каменных, калийных и магнезиальных солей.
Принципиально иной оказалась причина деформаций на уровне залегания ангидритов пермской галогенной толщи, проявившихся в смятии колонн трех скважин на одном из газовых месторождений. Выявленные деформации сопряжены с ангидритами святогорской пачки никитовской свиты, в том числе с самым первым снизу пластом, которым начинается разрез пермской галогенной толщи. Проведенный анализ показал, что действующим фактором в данном случае служат напряжения, связанные с гидратацией безводного сульфата кальция при переходе ангидрита в гипс, сопровождающейся увеличением объема породы до 30 % относительно первоначального.
При наличии воды в процессе гидратации ангидриты создают значительное давление на ствол скважины, что и приводит к деформациям обсадных колонн. На больших глубинах гидратация ангидритов возможна только в зоне разгрузки, образуемой стволом скважины. При распространении ангидритов в галогенной толще перми случаи деформаций скважин на уровнях залегания этих пород наблюдаются значительно реже по сравнению с аналогичными явлениями, связанными с пластическим течением каменных солей и глин.
Условия образования и взаимопереходов гипса и ангидрита до последнего времени продолжают уточняться. Общепринято, что при насыщении бассейновых вод хлористым натрием гипс выпадает до 30 °С, а ангидрит - выше этой температуры. По мнению П.М. Мурзаева, сульфатообразование прошлых геологических эпох ограничивалось накоплением гипсов, преобразованных в ангидриты. Дегидратация первично, отложенных гипсов увязывается с глубинами, превышающими 100 м. По другим данным, область дегидратации гипсов превышает 200 м [1].
В пермских ангидритах ДДВ примесь гипса устанавливается по наличию кристаллизационной воды на глубинах более 1000 м. Содержание водного сульфата кальция в безводном колеблется здесь от 0,04 до 2,15 %. На указанных глубинах такие количества, очевидно, характеризуют остаточное содержание гипса при переходе его в ангидрит путем дегидратации. Величина горного давления, рассчитанная по шкале плотности пород [2], в интервале глубин 1000-1500 м составляет 21-33 МП а.
На дневной поверхности или вблизи от нее, гидратируясь подземными водами, ангидриты снова переходят в гипсы. Широко известны гипсы на бортах Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловин Донбасса. Распространены они здесь только в приповерхностной зоне на глубинах до 40 м. В интервале 40-50 м обычно залегают переходные гипсо-ангидритовые породы.
В их составе преобладает либо ангидрит - до 79,66 % при содержании гипса 15,24 %, либо гипс - до 96,56 % при количестве ангидрита 2,21 %. Содержания кремнезема и окисного железа составляют 0,1-0,16 и 0,01-0,04 % соответственно; в двух пробах из трех установлен кальцит в количестве 0,95- 3,91 %, в одной - доломит (0,14 %). В образцах с более высоким содержанием ангидрита присутствует водный сульфат магния - кизерит (0,48-1,37 %).
Гипсы и сменяющие их по простиранию ангидриты залегают в данном районе между глинами пермской галогенной толщи. Гидратация приповерхностной части пластов осуществляется здесь, по-видимому, только в трещиноватой зоне, доступной поверхностным водам. Вторичный характер гипсов Донбасса неоднократно подчеркивался и ранее [3].
Примерно в 60 м от поверхности сульфатные породы почти повсеместно представлены ангидритами. В соответствии с плотностями вмещающих глинистых пород, изученными по разрезам ДДВ, значение горного давления в зоне распространения гипсов составляет 0,8 МПа, гипсо-ангидритовых пород - 0,8-1 МПа и ангидритов - более 1,2 МПа.
На гораздо большей глубине вторичные гипсы залегают на площади Спиваковской брахиантиклинали в области мелкоформной складчатости северо-западной окраины Донбасса. Кровля пермской галогенной толщи располагается здесь на глубинах 350 м и более. Пласты гипса, пелито- и доломито-гипса мощностью до 1,5 м установлены на глубинах 370-520 м. Величина горного давления в интервале залегания гипсов, рассчитанная по шкале плотности пород, равна 7-10 МПа.
Гипсовые породы залегают обычно между глиной - в кровле или подошве - и ангидритом, в который постепенно они переходят. Среди гипсо-ангидритовых пород встречаются разности глазковой текстуры (по терминологии М.Ф. Викуловой). Ангидритовая составляющая их светло-серая и серая, внешне однородная, с микрозернистой структурой. Гипс распределен в виде крупных вкрапленников-«глазков» величиной от 0,5 до 4 см. Вкрапленники сложены агрегатами пластинчатых кристаллов гипса бутылочно-зеленого цвета.
Окраска гипсов красно-бурая, реже молочно-белая, розовая или серая, некоторые разности пятнистые. Среди них имеются мономинеральные разности, чаще встречаются ангидрито-гипсы, пелито-гипсы и гипсы с песчано-алевритовой примесью. Текстура гипсов массивная, структура крупнокристаллическая, неравномерно кристаллически-зернистая, порфиробластовая, листовато-чешуйчатая и волокнистая. Последняя присуща переотложенным разностям, для которых характерны параллельно- и спутанноволокнистые, а также короткостолбчатые структуры.
Минеральный состав гипсов характеризуется преобладанием породообразующего гипса, при значительном иногда содержании ангидрита, карбонатов кальция и магния, песчано-алевритовой примеси и окислов железа. Кластический материал концентрируется обычно в отдельных участках породы, где Он цементируется карбонатами. Зерна кварца, в том числе агрегатного, а также полевых шпатов и обломков кремнистых пород встречаются и внутри кристаллов гипса. Из рудных установлены гематит и магнетит, распространены аморфные окислы железа.
На Спиваковской складке заключающие разрез галогенной толщи ангидриты отделяются от хорошо фильтрующих верхнепермских пестроцветов 50-метровой толщей древнекарстовых брекчий. Эта толща обладает газо- и водоупорными свойствами. Ею экранирована массивно-пластовая газовая залежь с промышленными запасами. В отличие от районов Донбасса здесь спиваковские ангидриты не имеют прямого контакта с поверхностными водами.
В пермской галогенной толще локально распространены воды, не связанные с поверхностными. Притоки их небольшие - 0,1-1 м3/сут, минерализация высокая - около 214 кг/м3. Гидратация ангидритов подземными водами, вплоть до полного преобразования их в гипсы, осуществляется на Спиваковской брахиантиклинали при весьма значительном горном давлении.
Ангидритовые породы обычно массивного сложения, светло-серые, иногда молочно-белые, желтоватые и бурые до черных. По составу различаются однородные ангидриты, доломито-ангидриты, пелито-ангидриты, галито-ангидриты и гипсо-ангидриты. Текстуры этих пород горизонтально- и волнисто-слоистые, сетчатые, пятнистые и брекчиевидные, структуры - изометрично-зернистые, гетеробластовые, порфировидные, микросетчатые и микропятнистые. Для пород гетеробластовой структуры характерно наличие шестовато-волокнистых агрегатов радиальнолучистой, веерообразной, сноповидной, параллельно- и спутанноволокнистой формы.
Минеральный состав ангидритовых пород, по результатам петрографических и химических исследований, характеризуется преобладанием породообразующего ангидрита, содержание которого по одному из разрезов ДДВ колеблется от 90,6 до 96,5 % (рис. 1). Постоянна терригенная, преимущественно глинистая примесь; в анализировавшихся пробах она составляет 0,5-4,2 %. Почти во всех образцах, но в разном количестве присутствует галит - от 0,04 до 3,04 %. Из карбонатов кальция и магния в трех пробах из восьми обнаружен кальцит, в шести - доломит. В двух образцах при наличии кальцита доломит отсутствует; в одном установлены кальцит и доломит. Содержание карбонатов кальция и магния небольшое, кальцита 1,1-1,9%, доломита 0,9-3,6%.
Среди сульфатных пород ангидриты отличаются наибольшим количеством аутигенных минералов, благодаря наличию в их составе галита и магнезита, не встреченных ни в породах переходных типов, ни в гипсах. Кизерит отмечен в ангидритах и в ангидрито-гипсовых породах. В гипсах кизерит не определен. Наличие бочонковидных кристаллов магнезита в ангидритах установлено микроскопическим путем на большом фактическом материале. При более тщательном анализе этот труднорастворимый компонент может быть обнаружен и в тех типах сульфатных пород, где он пока не констатируется.
Отсутствие галита в ангидрито-гипсовых породах и гипсах, а кизерита в гипсах, очевидно, связано с их высокой растворимостью. В процессе гидратации сульфата кальция они, видимо, растворяются и выносятся подземными водами. Общими для ангидритовых, ангидрито-гипсовых и гипсовых пород являются такие минералы, как ангидрит, гипс, кальцит, доломит, окислы железа и терригенный песчано-глинистый материал.
При близком качественном составе сульфатные породы резко различаются количественными соотношениями породообразующих минеральных компонентов. В ангидритовых породах, естественно, превалирует ангидрит, в гипсовых - гипс; в менее гидратированных породах переходных типов - ангидрит, в более гидратированных – гипс.
Содержание легкорастворимых солей в ангидритах северо-западной окраины Донбасса, по аналитическим данным, колеблется от 0,03 до 12,96 %. Имеются здесь породы и с более высоким содержанием солей-примесей.
Ангидриты ДДВ включают легкорастворимые соли в большем количестве - от 0,02 до 44,9 %. Верхние пределы содержания легкорастворимых солей сокращаются от нижнесвятогорской пачки никитовской свиты (44,9 %) к верхнесвятогорской (33,6 %), нижне-(32,8 %) и верхнеторской (3,04 %). Ангидриты славянской свиты включают соли-примеси до 5,04 % в верхнем пределе.
Тенденция к сокращению прослеживается в разрезе снизу вверх и по усредненным содержаниям солей-примесей: от 17,08 % в нижнесвятогорской пачке до 15,21 и 15,77 % в верхнесвятогорской и нижнеторской пачках, 3,04 % - в верхнеторской пачке (по единичному определению) и 0.62 % - в славянской свите. В верхних горизонтах пермской галогенной толщи ангидриты более однородные по сравнению с нижними и по визуальным наблюдениям.
Наряду с породами других типов состав легкорастворимых солей ангидритов приведен на графике, построенном в масштабе арифметической прогрессии (рис. 2, анализы 3, 8, 13). Содержание нерастворимого в воде остатка в доломито-ангидритах составляет 90-90,8 %, в галито-ангидрите - 66,4 %. В ходе анализа перешла в раствор некоторая часть породообразующих компонентов - кальцита, доломита и ангидрита. Карбонаты кальция и магния составили 3,67-8,12 %, сульфата кальция - 4,89-8,70 %.
Характерную часть водной вытяжки представляют хлориды натрия и сульфаты магния, которые свидетельствуют о наличии в исходных породах галита и кизерита. В доломито-ангидритах хлористого натрия 0,82-1,55 %, сульфата магния 0,2-0,25 %. В анализировавшемся образце галито-ангидрита хлористого натрия 19,8 %. По приведенным выше количественным и другим данным в галогенной толще перми имеется непрерывный ряд переходных ангидрито-галитовых пород - от лишенных галитовой примеси однородных ангидритов до бессульфатных каменных солей. При этом в разрезах гораздо чаще встречаются галито-ангидритовые породы, у которых ангидритовая составляющая преобладает над галитовой. Породы с обратным соотношением породообразующих компонентов более редки.
Ангидриты, засолоненные галитом, в извлеченном на поверхность керне энергично гидратируются, адсорбируя влагу из воздуха. Незасолоненные разности при тех же условиях и в те же отрезки времени остаются неизмененными. В совокупности это свидетельствует о том, что в пластовых условиях засолоненные ангидриты гидратируются скорее и в больших масштабах, чем лишенные примеси гигроскопичного галита. Именно с засолоненными породами связана деформация колонн эксплуатационных скважин.
Наличие галито-ангидритов в разрезах вследствие их способности к интенсивной гидратации неблагоприятно. Преимущественной приуроченностью засолоненных ангидритов к определенным частям разреза определяется вероятность возможных деформаций обсадных колонн ангидритами. В дальнейшем такая вероятность больше на уровне нижних горизонтов пермской галогенной толщи и меньше - на уровне верхних.
Практика показывает, что в большинстве зафиксированных случаев на различных уровнях залегания пород деформированы скважины одноколонной конструкции. Только в четырех случаях двухколонные скважины смяты. Очевидна также преимущественная приуроченность деформаций колонн к уровню залегания пермской галогенной толщи. Следовательно, двухколонные, а в отдельных случаях и более тяжелые конструкции скважин позволяют избежать возможных деформаций колонн горными породами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Логвиненко Н.В. Петрография осадочных пород (с основами методики исследования). 2-е изд. М., Высшая школа, 1974.
2. Мухаринская И.А., Прийменко А.Ф., Калашник Л.Е. Шкала плотности горных пород юго-восточной части Днепровско-Донецкой впадины.- В кн.: Нефтяная и газовая промышленность. Киев, 1960, с 19-20.
3. Нестеренко Л.П. Стратиграфия нижнепермских отложений Донецкого бассейна.- В кн.: Очерки по геологии Кузнецкого и Донецкого бассейнов. Л., 1970, с. 303-304.
Рис. 1. Минеральный состав пермских ангидритов юго-восточной части ДДВ (а) и северо-западной окраины Донбасса (б).
1 - терригенный материал; 2 - кальцит; 3 - доломит; 4 - гипс; 5 - ангидрит; 6 - галит. Свиты нижней Перми: P1nik - никитовская, P1sl - славянская
Рис. 2. Минеральные и групповые компоненты водорастворимых солей из пород нижнепермской галогенной толщи ДДВ (по результатам химического анализа).
1 - минеральный нерастворимый остаток и окислы железа; 2 - галит; 3 - ангидрит; 4 - доломит; 5 - кальцит; 6 - сульфат магния; 7 - хлористый калий; 8 - хлористый кальций; 9 - хлористый магний. Пачки нижней перми никитовской свиты: P1svt1 и P1svt2- нижне- и верхнесвятогорская, P1tr1 и P1tr2- нижне- и верхнеторская; Р1рbr - подбрянцевская пачка славянской свиты