Повышенное давление в пласту

Аномальные давления бывают вызваны геологическими процессами, происходящими в определенной геологической зоне; они обусловлены как физическими, так и химическими изменениями в породах. Низкие пластовые давления могут отрицательно сказаться на процессе бурения; аномально высокие давления, встречающиеся достаточно часто, приводят к серьезным осложнениям при бурении. Возникновение аномально высоких давлений всегда связано с тем, что отдельная зона внутри толщи пород закупоривается или изолируется от остальных пород.

Изолированные зоны представляют собой непроницаемые пропластки или пограничные структуры, препятствующие снижению давления за счет миграции жидкостей и газов в верхние слои, и, следовательно, на поверхность. Эти изолированные зоны могут  быть представлены различными породами — плотными глинистыми сланцами, известняковыми глинами, консолидированными известняками, сцементированным известковым песчаником, затвердевшим вулканическим пеплом (туфом), ангидридом и/или др.

Важно понимать основы процесса осадконакопления, в результате которого образуются нефтеносные коллекторы. Формирование осадочных бассейнов происходит в результате переноса обломков пород (булыжника, гравия, песка и ила) с поверхности суши/ континентального массива в океан. Вода и ветер являются «средствами транспортировки». Бассейны осадконакопления заполняются следующим образом:
1) в результате эрозии обломочных материалов в источнике сноса;
2) путем переноса в бассейн преимущественно водой;
3) в результате осадконакопления в седиментационном бассейне.

Размер зерен, составляющих осадочные отложения, зависит от скорости потока воды в месте осадконакопления. Пески осаждаются в руслах рек и ручьев и вдоль пляжей, где поток воды отделяет частицы глин и ила от частиц песка. Глины и ил осаждаются на участках с более спокойным течением, в заливах или на удалении от берега. Большинство отложений, составляющих осадочные бассейны, состоят из глин и ила. С течением времени русла рек и ручьев перемещаются и часто образуют песчаные пласты, покрывающие большую территорию. Осадочный бассейн заполняется песком, обычно проницаемым, и глинистыми породами, относительно непроницаемыми. Многие бассейны состоят из перемежающихся слоев песка и глинистых пород (см. Рис 2).

Рис. 2. Процесс переноса и перемежающиеся слои песка и глинисты х пород.

Низкое пластовое давление

Низкие пластовые давления встречаются в зонах, где поровое давление ниже нормального гидростатического давления. В этих зонах при использовании во время бурения промывочных жидкостей, создающих нормальное гидростатическое давление, могут произойти интенсивные поглощения. Условия формирования низких пластовых давлений часто возникают в результате того, что высота устья скважины намного превышает уровень грунтовых вод или уровень моря. Наиболее типичным примером является бурение в холмистой или гористой местности. Другой пример — засушливые площади Техаса, где уровень грунтовых вод может находиться на глубине более 1000 футов (305 м). В этом случае гидростатическое давление бурового раствора превышает поровое давление в неглубоко залегающих пластах. Буровые растворы при этом проникают в проницаемые пласты, в результате чего происходит поглощение (см. Рис 3).

Рис. 3. Аномально низкое пластовое давление

Аномально низкие давления встречаются также в истощенных песчаниках. Это песчаные пласты, первоначальное давление в которых снижено в результате эксплуатации. Истощенные песчаники чаще всего встречаются в продуктивных коллекторах, такое явление характерно для так называемых «зрелых» (старых) нефтяных и газовых месторождений.

Высокие пластовые давления

Высокие пластовые давления возникают в зонах, поровое давление в которых выше нормального гидростатического давления порового флюида. Величина развивающегося аномально высокого давления зависит от структуры и геологических условий осадконакопления. Обычно за верхний предел АВПД принимают градиент гидроразрыва или минимальное горизонтальное напряжение, равнозначное горному давлению.

Аномально высокие пластовые давления возникают в результате физических и/или химических процессов. Сложные химические реакции, происходящие под воздействием давлений и температур, встречающихся на большой глубине, могут привести к АВПД. Основными факторами, от которых зависит величина АВПД, является относительная толщина и другие свойства изолированного участка, в котором возникают повышенные давления. Наиболее высокие давления развиваются в массивных пластах, содержащих такие участки. Однако ни один из таких слоев не может быть полностью непроницаемым. Повышенные пластовые давления в ходе геологического развития постепенно снижаются до нормального уровня; это происходит в результате трещино-, сбросообразования и миграции флюидов.

Горные давления возникают в результате ряда условий:

Разуплотнение: Наиболее вероятный сценарий — прочная покрышка запечатывает пласт, создавая ловушку для поровой жидкости, в результате чего порода не уплотняется достаточно прочно (за счет роста горного давления с увеличением глубины), как в обычных условиях. При отсутствии контакта «зерно к зерну», горное давление частично компенсируется поровым давлением, что и обуславливает наличие АВПД (см. Рис.4).

Рис. 4. Типичный профиль АВПД

Подъем: Одной из причин возникновения аномально высокого давления является перемещения пластов с подъемом. В этом случае происходит физический перенос пласта, находящегося под высоким давлением, с большей глубины на меньшую. Когда зона с изначально нормальным давлением, находящаяся на большой глубине, перемещается под воздействием тектонических сил на более высокую отметку, и при этом пропласток, изолированный внутри породы, остается нетронутым, градиент образовавшегося пластового давления будет аномально высоким для данной глубины.

Рассмотрим пример: пористый песчаник с высоким содержанием воды залегает на исходной глубине 10000 футов (3048 м), выше находится непроницаемый пропласток глинистой породы. Нормальное давление в данной зоне ~ 4650 фунтов/кв.дюйм (0,465 фунта/кв.дюйм /фут). В результате быстрого подъема — вызванного, например, интрузией (или выпучиванием) массивного соляного пласта — песчаный пласт вместе с залегающим выше пропластком глинистой породы переместится на глубину всего 5000 футов (1524 м); градиент гидростатического давления при этом на глубине 5000 футов (1524 м) будет аномально высоким (4650 фунтов/кв.дюйм ÷ 5000 футов = 0,93 фунта/кв.дюйм /фут), как показано на Рис. 5.

Рис. 5. Вертикальное перемещение, ведущее к образованию АВПД (п о Трекману)

Становится очевидным, что для предотвращения выброса при бурении в данной зоне, плотность бурового раствора необходимо повысить до 17,9 фунта/галлон (0,93 фунта/кв.дюйм /фут ÷ 0,052).

Водоносный пласт. Артезианская система является классическим примером формирования высоких давлений физическим способом. В подобной ситуации высота устья скважины находится ниже уровня моря или грунтовых вод (см. Рис 6). Наиболее наглядно это может быть продемонстрировано при бурении в долине или бассейне, окруженном холмами или горами — местности, где поверхность грунтовых вод образуется за счет заполнения водой с более высоких точек. Хотя это несколько хлопотная процедура, все же приток воды в подобных случаях довольно легко сбалансировать путем повышения плотности бурового раствора и перекрытия трубами.

Рис. 6. Высокие давления, образованные артезианской системой

Этот же принцип действует в ситуациях, обусловленных структурными особенностями геологического строения, когда при наличии проницаемых пластов (или плоскостей сброса) с высоким углом падения (жидкость под давлением) давление перемещается из нижележащих в вышележащие зоны. На Рис. 7 изображены изолированные песчаные пропластки. АВПД, образующиеся в силу структурных особенностей строения, обычно возникают в зонах, прилегающих к соляным куполам. При этом мигрирующая соль поднимает окружающие пласты, угол их падения увеличивается, в результате происходит запечатывание проницаемых пластов.

Рис. 7. АВПД, вызванные воздействием структурных особенностей на градиенты давления (по Дикинсону).

Газоносные песчаники. Повышенные давления могут  возникать в неглубоко залегающих песках, если их заполняют находящиеся под давлением флюиды, поступая из нижележащих пород. Флюиды, находящиеся под давлением, перемещаются вдоль сбросов или через сеть микротрещин в изолированных непроницаемых пропластках. Кроме того, повышенные давления в вышележащих песчаных пластах могут образовываться под воздействием изменений, вызванных бурением.

Некачественное цементирование, поглощение бурового раствора, гидроразрыв, подземный выброс, все это может спровоцировать возникновение аномально высоких давлений в неглубокозалегающих песчаных пластах.

Биохимические процессы. Появление зон с аномально высоким давлением может быть вызвано химическими процессами. Простейший пример, который можно привести в этой связи — это образование метана или болотного газа. Данное явление встречается повсеместно, там, где присутствуют современные отложения третичного периода. Происходит следующее — массивные отложения органического материала (растительные и животные остатки из древесного ископаемого слоя) изолируются или запечатываются субсеквентными непроницаемыми зонами (обычно глинистыми породами). С течением времени и под воздействием высоких температур, органические вещества подвергаются химической реакции, в результате которой образуется метан или другие углеводороды, находящиеся под высоким давлением (см. Рис. 8).

Рис. 8. Образование приповерхностных «болотных» газов, находящихся под высоким давлением в результате изолирования органического материала

Сульфатная вода. При переходе гипса (CaSO4 • 2H2O) в ангидрит (CaSO4) с увеличением глубины (и возрастанием давления и температуры) вода вытесняется, и возникают зоны с аномально высоким давлением. И наоборот, превращение находящегося в контакте с водой ангидрита в гипс, обусловленное физико- химическими связями, может привести почти к 40%-ному увеличению объема (ангидритовой породы). Если ангидрит присутствует в виде отдельного изолированного пропластка, находящегося в контакте с проницаемой водоносной зоной, он может оказаться под высоким давлением, возникшим в
результате адсорбирования ангидритом воды и превращения его в гипс.

Массивные отложения глинистых пород. Массивные участки глинистых пород (толщиной до нескольких тысяч футов) имеют тенденцию образовывать собственные изолированные зоны и пропластки, в которых высокое давление возникает в силу химических причин. Большое количество относительно небольших изолированных зон и проходящие во всем участке химические воздействия не позволяют точно разграничить отдельные зоны. Низкая проницаемость не позволяет произвести четкие замеры пластового давления. Это не спровоцирует выброс, но серьезные осложнения при бурении могут привести к осыпанию глин, что, в свою очередь, вызовет прихват инструмента. Стабилизировать ствол при бурении массивных отложений, находящихся под напряжением, можно только путем повышения плотности бурового раствора. К тому же, высокие давления могут возникать в песчаных линзах, находящихся в участках с большим содержанием сланцевых глин (см. главу «Устойчивость ствола скважины»).

Принято считать, что верхний предел АВПД приблизительно равен величине горного давление, или около 1,0 фунта/кв.дюйм / фут. Однако высокие давления в некоторых случаях превышают данный показатель, и ограничиваются только свойствами (прочностью и проницаемостью) изолированного участка, находящегося под давлением.