18.2. Влияние дифференциального и угнетающего давлений на разрушение горных пород

На долю шарошечных долот приходится бо­лее 90 % всей проходки. Однако с ростом глубины бурения показатели работы этих долот значительно ухудшаются, что, по мнению большинства исследователей, обусловливается в основном ухудшением буримости горных пород и условий очистки забоя из-за возникновения в зоне разрушения высо­кого дифференциального и угнетающего давлений. В резуль­тате при строительстве скважин, как правило, не использу­ются такие значительные резервы повышения технико-экономических показателей бурения, как снижение давления бурового раствора на забой; регулирование его плотности и концентрации твердой фазы непосредственно в процессе бу­рения; регулирование частоты вращения долота в целях до­стижения минимального дифференциального и угнетающего давлений и т.д.

Гидродинамические процессы в зоне разрушения горных пород на забое скважины. При углублении скважин, пробу­ренных в различных районах, от 1000 до 5000 м механичес­кая скорость проходки v_м иногда снижается в 25 раз. Основной причиной резкого ухудшения технико-экономи­ческих показателей бурения с ростом глубины, по мнению большинства отечественных и зарубежных исследователей, является изменение забойных условий разрушения горных пород. При этом подразумевается влияние таких факторов, как наличие давлений порового р_п, пластового р_пл, диффе­ренциального Δр_р (Δр), угнетающего р_у и суммарного на забое скважины р_с (гидростатического); качество бурового раство­ра; частота вращения долота и динамика его работы.

На основе многочисленных работ сделаны следующие вы­воды.

1. Интенсивное снижение механической скорости проход­ки происходит в начальный момент роста дифференциально­го давления до 1,4 - 5,6 МПа. Дальнейшее повышение Δр со­провождается стабилизацией v_м.

2. С увеличением отрицательного дифференциального дав­ления v_m возрастает.

3. С ростом осевой нагрузки на долото G_д повышается чувствительность v_м к изменению дифференциального давле­ния.

Таким образом, в настоящее время считается, что при су­ществующих режимах бурения дифференциальное давление, как правило, является значимым фактором, определяющим технико-экономические показатели бурения. При увеличении Δр до 1,4 - 7 МПа в зависимости от условий бурения v_м мо­жет уменьшаться в 2 - 5 раз.

В процессе бурения в проницаемых горных породах под действием положительного перепада давления (р_с > р_пл) в сис­теме «скважина – пласт» фильтрат бурового раствора прони­кает в породу. При фильтровании дисперсная фаза раствора, частично кольматируя слой породы, отлагается на ее поверх­ности в виде слоя осадка, образуя фильтрационную корку, которая совместно с породой оказывает дополнительное со­противление движению фильтрата. Последний, проникая в породу, вызывает перераспределение давления на глубине за­рождения трещин (условно названных магистральными), формирующих лунку выкола. В дальнейшем изложении она именуется глубиной разрушения δ₀. В результате по трассе магистральной трещины будет действовать не пластовое, а иное давление, равное давлению на глубине разрушения, - р_р. Поскольку р_с > р_р, возникает дифференциальное давле­ние, которое определяется из выражения

18.7.

При разрушении непроницаемых горных пород давление на глубине разрушения р_р будет равно поровому р_р = р_п, и выражение (18.7) преобразуется в:

18.8.

т.е. является частным случаем и правомерно только при определении Δр для непроницаемых горных пород.

В процессе развития магистральной трещины первона­чальное давление в ее полости р_т практически равно нулю. Так как р_с > р_т, то над частицей по длине l возникает дина­мический перепад давления, который прижимает частицу к массиву породы, т.е. угнетает ее. Во избежание путаницы в отличие от дифференциального давления этот перепад давле­ния предложено именовать угнетающим давлением р_у. В об­щем случае под угнетающим давлением р_у в отличие от пред­ставлений о динамическом перепаде давления понимается разность между суммарным давлением на забое р_с и давлени­ем в трещине:

p = p_с – p_т = p_с – θ,

18.9

где: θ = р_т/р_р - коэффициент восстановления давления в полости трещины.

Для заполнения полости трещины жидкостью и восстанов­ления давления в ней нужно определенное время, поэтому в зависимости от времени контакта зуба долота с породой τ_к значения р_т и, следовательно, р_у будут различными. Если τ_к меньше времени заполнения t_з объема трещины флюидом, то р_т → 0 и в соответствии с выражением (18.8) получим р_у ≈ р_с. При τ_к больше суммы времени t_c = t_з + t_в, где t_в - время восстановления давления в трещине до уровня давления жид­кости на глубину разрушения р_р, давление в трещине р_т ≈ р_р, а p_у ≈ p_с - p_Р. т.е. р_у будет равно дифференциальному давле­нию.

Следовательно, угнетающее давление в зависимости от ус­ловий разрушения проницаемых пород может изменяться в диапазоне значений от дифференциального давления Δр_р до дав­ления на забое скважины р_с. При разрушении непроницаемых горных пород диапазон изменения р_у несколько мень­ше.

Способы регулирования давления в зоне разрушения.

Анализируя различные способы регулирования давления в зоне разрушения при бурении глубоких скважин, можно вы­делить следующие:

1) регулирование общего давления на за­бое скважин р_с в процессе бурения;

2) местное регулирование давления в зоне разрушения породы при поддержании необ­ходимого значения р_с;

3) комбинированный способ регулиро­вания при одновременном изменении р_с и давления в зоне разрушения;

4) регулирование фильтрационных свойств гор­ной породы в зоне разрушения.

Давление рабочего агента по всему стволу скважины регу­лируют путем изменения его плотности ρ. Как правило, дав­ление р_с регулируют путем дискретного снижения р или за счет аэрации бурового раствора. В последнем случае необхо­димы специальная обвязка оборудования и компрессоры.

Разработан и опробован способ плавного регулирования р_с непосредственно в процессе бурения.

В настоящее время плотность бурового раствора выбира­ют из расчета поддержания должного противодавления на стенки скважин р_ст в статических условиях. Естественно, чем меньше будет ρ, тем меньше р_ст и, следовательно, Δр_р и р_у. Однако даже в этом случае при циркуляции бурового раство­ра давление в скважине р_ц возрастает по сравнению со статическими условиями, как минимум на значение гидравличес­ких сопротивлений в кольцевом пространстве р_к.п, которое может достигать 1-2 МПа. Указанное противодавление мо­жет оказаться достаточным, чтобы значение v_m снизилось на 50-100 %, поэтому в процессе бурения необходимо сохра­нять условие р_ц = р_ст, для чего необходимо снижать ρ на значение Δр = р_к.п /gН.

Со снижением ρ уменьшается концентрация твердой фазы х₀ и изменяется удельное объемное сопротивление фильтрационной корки r₀. В итоге интенсивность воздействия на гидродинамические процессы в зоне разрушения возрас­тает.

Преимущество разработанного способа регулирования р_с состоит также в возможности для каждого конкретного слу­чая бурения оперативно, без остановок основного процесса, выбирать минимально допустимые значения Δр.

Однако геологические условия проводки скважин ограни­чивают нижние пределы изменения плотности бурового рас­твора. Поэтому при достижении минимально допустимых значений р_с в дальнейшем становится возможным только ме­стное регулирование давления в зоне разрушения, что чаще всего осуществляется:

а) за счет реализации эффекта Томса;

б) гидромеханическими способами - использованием забой­ных сепараторов ЗС, эжекторных насадок и т.д.;

в) регули­рованием частоты вращения долота;

г) подбором утяжелителя определенного качества.

ЛЕКЦИЯ 19