Кіріспе

Мұнай және газ операцияларында ұңғымаға сұйықтықтардың енуін болдырмауға қолданылатын техника. Ұңғыманы бақылау – бұрғылау, ұңғыманы күрделі жөндеу және аяқтау сияқты мұнай және газ операцияларында гидростатикалық және қалыптасу қысымдарын сақтап, ұңғымаға қалыптасу сұйықтықтарының енуін болдырмауға арналған техника. Бұл техника қалыптасу сұйықтығының қысымын, жер асты қабаттарының беріктігін бағалауды және осы қысымдарды болжамды түрде теңестіру үшін құбырлар мен саз ерітіндісінің тығыздығын пайдалануды қамтиды. Ұңғыманы бақылауда қысым мен қысым арасындағы байланысты түсіну маңызды. Мұнай операцияларының мақсаты – барлық жұмыстарды қауіпсіз, тиімді және қоршаған ортаға зиян келтірмей орындау. Бұл мақсатқа тек ұңғыманы үнемі бақылау арқылы қол жеткізіледі. Қысым мен қысым арасындағы байланысты түсіну, ұңғыманың соққы беруін анықтай алатын және тиісті, жедел шаралар қолдана алатын тәжірибелі мамандар үшін апаттарды болдырмау үшін маңызды.

Сұйықтық қысымы

Сұйық – ағып жатқан кез келген зат; мысалы, май, су, газ және мұз – сұйықтардың мысалдары. Өте жоғары қысым мен температурада кез келген нәрсе сұйық сияқты әрекет етеді. Сұйықтар қысым түсіреді, және бұл қысым сұйық бағанасының тығыздығы мен биіктігіне байланысты туындайды. Мұнай компаниялары тығыздықты фунтқа шаққанда галлон (ppg) немесе килограммға шаққанда куб метр (кг/м³) өлшемімен, ал қысымды фунтқа шаққанда квадрат дюйм (psi), бар немесе паскаль (Pa) өлшемдерімен өлшейді. Қысым сұйықтың тығыздығы артаған сайын өседі. Белгілі бір тығыздықтағы сұйықтың қысымының бірлік ұзындыққа қаншалықты әсер ететінін анықтау үшін қысым градиенті қолданылады. Қысым градиенті – тығыздығына байланысты тереңдік бірлігіне шаққандағы қысымның өсуі, және ол әдетте фунтқа шаққанда квадрат дюймға метр (psi/ft) немесе барға шаққанда метр (bar/m) өлшемдерімен өлшенеді. Ол математикалық түрде былай көрсетіледі:

Тығыздықты қысымға айналдыру үшін қолданылатын түрлендіру коэффициенті Империялық жүйеде 0,052, ал метрикалық жүйеде 0,0981-ге тең.

Құрылыс қысымы

Құрылыс қысымы – тау жынысының кеуектеріндегі сұйықтықтың қысымы. Бұл қысымға құрылыстың үстіндегі жабын қабаттарының (тас қабаттарының) салмағы әсер етуі мүмкін, ол түйіршіктерге де, кеуектердегі сұйықтықтарға да қысым түсіреді. Түйіршіктер – қатты немесе тау жынысы материалы, ал кеуектер – түйіршіктер арасындағы бос кеңістіктер. Егер кеуектердегі сұйықтықтар еркін қозғалса немесе шығып кетсе, түйіршіктер қолдауын жоғалтып, біріне-бірі жақындайды. Бұл процесс консолидация деп аталады. Кеуек қысымының шамасына қарай ол қалыпты, аномалды немесе төмен қалыпты деп сипатталады.

Қалыпты

Қалыпты тесік қысымы немесе қалыптасу қысымы – қалыптасу сұйығының беттен қарастырылып отырған қалыптасу бетіне дейін созылатын гидростатикалық қысымына тең. Яғни, егер құрылым ашылып, ұзындығы қалыптасу тереңдігіне тең бағананы толтыруға рұқсат етілсе, онда бағананың төменгі жағындағы қысым қалыптасу қысымына ұқсас болады, ал беткі қысым нөлге тең болады. Қалыпты тесік қысымы тұрақты емес. Оның шамасы еріген тұздардың концентрациясына, сұйықтың түріне, құрамындағы газдарға және температура градиентіне байланысты өзгереді. Қалыпты қысымдағы қалыптасу, тесік сұйығының жоғалуына жол бермей, бетке қарай көтерілгенде, қалыпты қысымнан (үлкен тереңдікте) қалыптан тыс қысымға (жер бетіне жақын тереңдікте) ауысады. Мұндай жағдайда, қалыптасуға бұрғылау кезінде бақылауды ұстау үшін 20 ppg (2397 кг/м³) дейін салмағы бар бұрғылау ерітіндісі қажет болуы мүмкін. Осы процесс әлемдегі көптеген қалыптан тыс қысымды аймақтардың пайда болуына себеп болады. Жарылымдар бар жерлерде, тұз қабаттары немесе дөңгелектер болжанып отырса, немесе геотермалық градиенттердің жоғары екені белгілі болса, бұрғылау операциялары қалыптан тыс қысымға тап болуы мүмкін.

Абыройсыз

Аномальды тесік қысымы – тесік кеңістігін толтырып жатқан қабат сұйығының гидростатикалық қысымынан артық кез келген тесік қысымы деп анықталады. Оны кейде артық қысым немесе геоқысым деп те атайды. Аномальды қысымды қабатты ұңғыма тарихы, жер беті геологиясы, ұңғымадағы тіркемелер немесе геофизикалық іздеулер арқылы болжауға болады.

Қалыптан тыс

Төмендетілген порлық қысым – берілген тереңдіктегі сұйықтықтың гидростатикалық қысымынан кем кез келген қабат қысымы деп анықталады. Төмендетілген қысымды қабаттардағы қысым градиенті тұщы судан немесе 0,433 фунт/квадрат дюйм (0,0979 бар/метр) төмен болады. Табиғи түрде төмендетілген қысым қабаттың үстіндегі жүктеме алынғанда, қабатты бетке ашық қалдырғанда пайда болуы мүмкін. Бастапқы порлық сұйықтықтардың булану, капиллярлық әсер және сұйылту арқылы азаюы 0,433 фунт/квадрат дюйм (0,0979 бар/метр) төмен гидростатикалық градиенттерге әкеледі. Төмендетілген қысым қабат сұйықтықтарының азаюы нәтижесінде де пайда болуы мүмкін. Егер қабат қысымы гидростатикалық қысымнан кем болса, онда қабат қысым астында. Егер қабат қысымы гидростатикалық қысымнан артық болса, онда қабат артық қысымды.

Сынған қысым

Сынған қысым – тау жынысы құрылымын тұрақты деформациялауға қажетті қысым мөлшері. Формация қысымын жеңу әдетте жарықтардың пайда болуына жеткіліксіз. Егер сұйықтық еркін жылға алса, формацияға баяу ену жарықтарға себеп болмайды. Егер кеніш суы қозғала алмайтын болса, формацияның жарылуы мен тұрақты деформациясы болуы мүмкін. Сынған қысым градиент (psi/ft), сұйықтық тығыздығының эквиваленті (ppg) немесе формациядағы есептелген жалпы қысым (psi) түрінде көрсетіледі. Сынған градиенттер әдетте тереңдік артқан сайын жүктеме қысымының өсуіне байланысты артады. Терең, тығыз қысылған формацияларға қалыптасу қысымын жеңу және тау жынысы құрылымына қарсы тұру үшін жоғары сынған қысым қажет болуы мүмкін. Теңіз суындағы, мысалы, терең суларда кездесетін бос қысылған формациялар төмен градиенттерде жарылуы мүмкін (бұл жағдай құрлықтағы ұңғымалардағы ауыр тау жыныстарына қарағанда теңіз суының болуынан күшейеді). Кез келген тереңдіктегі сынған қысым аймақтың геологиялық құрылысына байланысты кең ауқымда өзгеруі мүмкін.

Төменгі тесіктің қысымы

Төменгі тесіктің қысымы – бұл тесіктің түбіндегі барлық қысымдардың жиынтығын көрсетеді. Бұл қысым тесік қабырғаларына әсер етеді. Гидростатикалық сұйық бағанасы қысымның басым бөлігін құрайды, бірақ сұйықтықты жылжуға қажетті қысым да қабырғаларға әсер етеді. Үлкен диаметрлерде бұл сақиналық қысым аз болады, көбінесе 200 пси-ден (13,79 бар) аспайды. Ал кіші диаметрлерде ол 400 пси (27,58 бар) немесе одан да жоғары болуы мүмкін. Шекпедегі кері қысым немесе сақталатын қысым төменгі тесіктің қысымын одан әрі арттырады, оны сақиналық (қаптамалық) жақтан немесе оған әсер ететін барлық белгілі қысымдарды қосып есептеуге болады. Төменгі тесіктің қысымын келесі жұмыстар кезінде бағалауға болады.

Статикалық ұңғыма

Егер сұйықтық қозғалмаса, құдық статикалық болады. Төменгі тесіктің қысымы (BHP) сақинадағы гидростатикалық қысымға (HP) тең. Егер соққы болғанда жабылып қалса, төменгі тесіктің қысымы сақинадағы гидростатикалық қысымға және қабырғаның (құдық басының немесе беткі қысымның) қысымына тең болады.

Қалыпты қан айналымы

Айналым барысында, ұңғыма табанының қысымы сақиналық кеңістіктегі гидростатикалық қысымға және сақиналық қысым жоғалтуына (APL) тең болады.

Айналатын бас

Айналатын баспен айналым кезінде ұңғыма табанының қысымы, сақиналық кеңістіктегі гидростатикалық қысымға, сақиналық кеңістіктегі қысым жоғалуына және айналатын бас тудыратын кері қысымға тең болады.

Айналдыруды тежеу

Төменгі тесіктің қысымы сақиналық жақтағы гидростатикалық қысымға, сақиналық қысымның жоғалуына және дроссельдік (қаптамалық) қысымға тең. Теңіз астында болған жағдайда, дроссельдік құбыр желісіндегі қысымның жоғалуын қосу керек.

U-түтік тұжырымдамалары

Көп жағдайда ұңғыманы U пішіндес түтік ретінде көру пайдалы. Түтіктің Y бағаны – жылтыр кеңістік, ал X бағаны – ұңғымадағы құбыр (жіп). U түтігінің төменгі жағы ұңғыманың төменгі жағын көрсетеді. Көбінесе сұйықтықтар құбырдың ішінде де, жылтыр кеңістікте де гидростатикалық қысым тудырады. Атмосфералық қысымды ескермеуге болады, себебі ол екі бағанға да бірдей әсер етеді. Егер құбырдың ішіндегі және жылтыр кеңістіктегі сұйықтықтың тығыздығы бірдей болса, гидростатикалық қысымдар тең болады және сұйықтық түтіктің екі жағында да қозғалмай тұрады. Егер жылтыр кеңістіктегі сұйықтық ауыр болса, ол төменге күштірек қысым жасайды және құбырдың ішіне ағып, құбырдан жеңіл сұйықтықты ығыстырып, жер бетінде ағын тудырады. Сұйықтық деңгейі жылтыр кеңістікте төмендеп, қысымды теңестіреді. Гидростатикалық қысымдардың айырмашылығы болғанда, сұйықтық тепе-теңдік нүктесіне жетуге тырысады. Бұл құбырлы U эффектісі деп аталады және ұңғыма құрастыру кезінде құбырдан ағын болуын түсіндіреді. Бұл әсіресе жылдам бұрғылау кезінде байқалады, өйткені жылтыр кеңістіктегі тиімді тығыздық бұрғы кесегінің әсерінен артады.

Дифференциалдық қысым

Ұңғымаларды басқаруда дифференциалдық қысым – бұл формация қысымы мен ұңғыма табанының гидростатикалық қысымы арасындағы айырмашылық. Олар артық қысымды, кем қысымды немесе теңгерілген деп жіктеледі. Артық қысым – ұңғыма табанына түсетін гидростатикалық қысым формация қысымынан жоғары. Яғни, HP > FP.

Кем қысым – ұңғыма табанына түсетін гидростатикалық қысым формация қысымынан төмен. Яғни, HP < FP.

Теңгерілген – ұңғыма табанына түсетін гидростатикалық қысым формация қысымына тең. Яғни, HP = FP.

Кесінділердің өзгеруі: пішіні, мөлшері, мөлшері, түрі

Қиыршықтар – бұрғылау битінің әрекетінен тау жынысынан қашау, сырып алыну немесе ұсатылу арқылы бөлінген тас сынықтары. Қиыршықтардың мөлшері, пішіні және саны көбінесе тау жынысының түріне, битке түсетін салмаққа, биттің өткірлігіне және қысым айырмасына (тау жынысы мен сұйықтықтың гидростатикалық қысымына) байланысты. Егер битке түсетін салмақ, тау жынысының түрі және қысым айырмасы бұрғылау кезінде өзгермесе, қиыршықтардың мөлшері әдетте кемиді. Дегенмен, егер қысым айырмасы өршесе (тау жынысының қысымы артады), тіпті өткірлігі төмендеген бит те тиімдірек кесілуі мүмкін, соның салдарынан қиыршықтардың мөлшері, пішіні және саны артуы мүмкін.

Тік

Шабу – ұңғымаға қалыптасу сұйығының күтілмеген және қалаусыз ағыны ретінде анықталады. Егер шабуға уақтылы шара қолданылмаса, ол жарылысқа (ұңғымаға қалыптасу сұйығының бақылаусыз ағыны) ұласуы мүмкін. Шабуды бақылаусыз қалдыру операция уақытының ысырабына, ұңғыманың жоғалуына, сондай-ақ, ықтимал түрде, мұнара мен қызметкерлердің өміріне қауіп тудыруы мүмкін.

Топырақ тығыздығы жеткіліксіз

Ұңғымадағы саздың гидростатикалық қысымы, қабаттың кеуекті қысымына тең болуы керек. Егер сұйықтықтың гидростатикалық қысымы қабат қысымынан төмен болса, ұңғымадан ағын болуы мүмкін. Сұйықтың жеткіліксіз тығыздығының ең көп кездесетін себебі – күтпеген, қалыптан тыс қысымды қабаттарға бұрғылау. Мұндай жағдай көбінесе күтпеген геологиялық жағдайлар кездескенде туындайды. Мысалы, бұрғылау кезінде кенеттен бұрғылау қабатын өзгертетін жарылым арқылы өту. Жер бетіндегі сазды дұрыс пайдаланбау, сұйықтың жеткіліксіз салмағына көптеген жағдайларда себеп болады. Мысалы, сорғының сору коллекторындағы қате клапанды ашу және жеңіл сұйықтық резервуарын соруға рұқсат ету; су клапанын ашып, көзделгеннен артық су қосу; шиферлі скриндерді жуу; немесе тазалау жұмыстары. Бұлардың барлығы саздың салмағына әсер етеді.

Суап / толқындар

Суббинг – ұңғымадағы құбырдың жоғары көтерілуі салдарынан төменгі тесіктің қысымын төмендетеді. Кейбір жағдайларда төменгі тесіктің қысымының төмендеуі құдықтың теңгерімсіз күйге түсуіне және қабат сұйықтықтарының ұңғымаға енуіне әкелуі мүмкін. Бастапқы суббинг әрекеті, қабат сұйықтықтарының кіруінен туындаған гидростатикалық қысымның төмендеуімен күшейеді, бұл төменгі тесіктің қысымын айтарлықтай төмендетіп, қабат сұйықтықтарының көп көлемін ұңғымаға енгізеді. Сондықтан, суббингті сапар барысында ерте анықтау, "тебудің" (kick) мөлшерін азайту үшін өте маңызды. Көптеген ұңғыма жағдайлары сапар кезінде суббинг пайда болу мүмкіндігін арттырады. Суббинг (поршеньдік) әрекеті құбырдың тым жылдам көтерілуімен күшейеді. Сұйықтың нашар қасиеттері, мысалы, жоғары тұтқырлық және гельдік беріктік, сондай-ақ ұңғыманы суббингтеу мүмкіндігін арттырады. Бұған қоса, үлкен сыртқы диаметрлі (OD) құралдар (пакеттер, скреперлер, аспаптар және т.б.) поршеньдік эффектіні күшейтеді. Аталған жағдайларды ұңғыманы аяқтау/жөндеу жұмыстары кезінде суббингтің алдын алу үшін анықтау қажет. Бұрын айтқандай, толқу және суббинг қысымын бағалауға мүмкіндік беретін бірнеше компьютерлік және есептеу бағдарламалары бар. Суббингті ұңғыманы толтыру көлемін мұқият бақылау арқылы анықтауға болады. Мысалы, егер ұңғымадан үш бочка болат (құбыр) алынса және тесікті толтыру үшін тек екі бочка сұйықтық жеткілікті болса, онда бір бочка көлеміндегі "тебу" ұңғымаға енген болуы мүмкін. Ұңғыманы толтыру көлеміне ерекше назар аудару керек, себебі статистика көрсеткендей, көптеген "тебулер" сапарлар кезінде болады.

Аномальды қысым

Жабайы немесе барлау ұңғымасын бұрғылау кезінде (көбінесе қабат қысымы дәл белгілі болмайды) бұрғылау қалыбы кенеттен аномальды қысымды қабатқа еніп, саздың гидростатикалық қысымы қабат қысымынан кеміп, соққы тудырады.

Газбен кесілген балшық

Газ жер бетіне жеткенде кеңейеді және гидростатикалық қысымды азайтады, бұл соққыға (kick) мүмкіндік беретіндей деңгейге дейін төмендетеді. Саздың тығыздығы жер бетінде айтарлықтай төмендесе де, газдың кеңейуі жер бетіне жақын болғандықтан, гидростатикалық қысым маңызды түрде азаймайды, емес, шұңқырада (bottom) азаймайды.

Жаман құдықты жоспарлау

Төртінші себеп – нашар жоспарлау. Саз және қаптама бағдарламалары ұңғыманы басқаруға тікелей әсер етеді. Бұл бағдарламалар прогрессивті түрде тереңдейтілген қаптама тізбектерін орнатуға жеткілікті икемді болуы керек; әйтпесе, ақауларды немесе циркуляцияның жоғалуын бақылау мүмкін болмайтын жағдай туындауы мүмкін.