Неустойчивость и напряжения

На рис. 1-12 отражен традиционный взгляд на устойчивость бурового ствола, при этом градиент давления гидроразрыва пласта для горизонтального участка принимается постоянным. Предлагаемое решение более сложно.

Рисунок 1-12 Совмещенный график давлений.

Чтобы показать сравнительную устойчивость разных буровых скважин, сущест­вуют простые уравнения для расчета напряжений вокруг скважины. Они отражают влия­ние искривления скважины, ориентации, а также пластового давления на неустойчивость ствола.

Эти уравнения составлены на основе линейной теории упругости» напряжений во­круг скважины. Эти решения не количественные них не следует применять для расчета утяжеления бурового раствора. «Большинство пород перед тем, как разрушиться, прояв­ляют некоторую пластическую деформацию. Следовательно, решения на основе линейной теории упругости имею/т) тенденцию преуменьшать прочность пород.»

Действующие на земле вращение и концентрация этих «дальних полевых напряже­ний» порождают напряжения вокруг скважины. Такие дальние полевые напряжения дейст­вуют в трех измерениях, т.е. имеются два горизонтальных и одно вертикальное напряже­ние. Движения плит вызывают горизонтальные напряжения. Осадочные породы (или на­носы) вызывают вертикальное напряжение.

Максимальное вертикальное напряжение направлено вертикально в геологически спокойных или пассивных осадочных синклиналях (например. Северное море) из-за нано­сов. В геологически активных регионах это максимальное напряжение может быть на­правлено горизонтально (например, Папул Новая Гвинея). Хотя ряд месторождений в Ве­ликобритании геологически пассивен, максимальное напряжение там также горизонталь­ное. В основном это касается углесодержащих геотермалей.

Рисунок 1-13 Критические напряжения и устойчивость буровой скважины.

При рассмотрении устойчивости ствола критические напряжения существуют в по­перечном сечении скважины (рис. 1-13). Напряжение, направленное по оси ствола, здесь не рассматривается. Su - тангенциальное (кольцевое) напряжение. Sr - радиальное напряжение. Sasb - напряжения в земной коре. Pw - давление в скважине. Р - поровое давление. Sa - вертикальное напряжение. Sb - горизонтальное напряжение. Тангенциальное (u), или обручевое, напряжение ведет как к разрушению при сжа­тии, так и к разрушению при растяжении. Как и следует из его названия, это напряжение действует по периметру ствола.

Плотности буровых растворов для бурения искривленных скважин через покрывающую породу

Напряжения вокруг искривленной буровой скважины могут быть больше, чем в случае вертикального бурового ствола, приводя к более нестабильной скважине. Другие факторы относятся к сравнительно низкой устойчивости сланцевых глин в искривленных скважинах. Когда напряжение направлено под углом к залеганию, сланцевые глины имеют тенденцию ослабевать по сравнению со случаем, когда напряжения действуют парал­лельно или перпендикулярно залеганию. Такие ситуации создаются в искривленных сква­жинах.

Повсеместно на месторождениях при бурении скважин с помощью буровых рас­творов на нефтяной основе показано, что для поддержания устойчивости искривленных скважин необходимо повышение плотности бурового раствора на 0,06/30⁰ (0,5фунт/галл./30⁰) наклона по сравнению с плотностями буровых растворов для верти­кальных скважин.

Например, если плотность бурового раствора 1,38 (11,0 фунт/галл.) позволяет про­бурить неразмытую вертикальную скважину нормальных размеров, то для бурения сква­жин нормальных размеров, искривленных под углами 30⁰ и 60⁰ потребуются буровые рас­творы с плотностями, соответственно равными 1,38 (11,5 фунт/галл.) и 1,44 (12,0 фунт/галл.).

Примечание: Этим «правилом большого пальца» стоит пользоваться лишь при отсут­ствии доступных данных по искривленной скважине. Необходимые для устойчивости плотности буровых растворов следует брать из данных по уже пробуренным искривлен­ным скважинам. Это «правило большого пальца» и плотности буровых растворов для вертикальных скважин можно использовать как дополнительные данные.

Где это возможно, сланцевые глины должны быть изолированы от горизонтального участка, из-за:

• проблем, связанных с бурением скважин под большими углами через сланцевогли­нистые участки

• временной зависимости процессов разрушения и обрушивания сланцевых глин

Если это возможно, обсадные трубы следует посадить на кровле участка продуктивного пласта или у основания сланцевоглинистой покрывающей породы. Количество сланцевой глины, остающееся без обсадки при бурении горизонтального участка, можно свести к ми­нимуму, если пробурить пилотную скважину небольшого диаметра для определения кровли продуктивного пласта и глубины установки башмака обсадной колонны.

Необходимую для стабильности плотность бурового раствора следует определять для каждого участка скважины или литологической группы покрывающих пород. Такие плотности буровых растворов берут из, данных для соседней скважины и экстраполируют с учетом искривления и ориентации ствола.

Типы буровых растворов с соседних скважин также подлежат сравнению с учетом фильтрационной потери жидкости и вязкости бурового раствора.

Если соседних искривленных скважин не существует, плотности буровых раство­ров для искривленных скважин можно оценить с помощью «правила большого пальца»: 0,06⁰/30⁰ (0,5 фунт/галл./30⁰).

Примечание: Возможное влияние ориентации бурящейся скважины на ее устойчивость не рассмотрено.

Если для стабилизации наклонных или горизонтальных скважин требуются буро­вые растворы повышенной плотности, обращайте пристальное внимание на возможное растрескивание песчаниковых и меловых литологий в покрывающих породах.

В районах, для которых проходит обсуждение программа горизонтального бурения, перед тем, как покинуть уже оцененную скважину, рассмотрите образование мелких тре­щин. Это позволит на месте оценить минимальное горизонтальное, напряжение и плот­ность бурового раствора, превышение которой приведет к существенным потерям.

Программа изменения плотности бурового раствора должна пересматриваться по­сле бурения каждых 2-3 скважин. Это позволит оптимизировать принимаемые решения с учетом ранее недоступных данных. Это также важно для установления плотностей буро­вых растворов, используемых в искривленных скважинах и оценки влияния ориентации скважины.