5. Осложнения в скважинах

Целостность (устойчивость) стенок скважины зависит от следующих факторов:

Г е о л о г и ч е с к и х:

• напряженного состояния пород в нетронутом массиве;

- строения, структурных связей и литофациальных особенностей горных пород;

- физико-механических свойств, в том числе пористости, проницаемости, влажности, прочностных и пластических характеристик горных пород;

- содержания флюида (пластовых вод, газа, нефти);

- характера и условий залегания пород (угла напластования, степени дефектности, неоднородности, трещиноватости, слоистости, перемятости);

- наличия других геологических факторов (тектонических сил; нарушений; аномально высоких пластовых давлений, приводящих к выбросам и горным ударам).

Т е х н и к о- т е х н о л о г и ч е с к и х:

- параметров промывочной жидкости и ее физико-химической активности по отношению к горным породам, в том числе: плотности, от которой зависит противодавление на стенки скважины; вязкости и водоотдачи, от которых зависят гидроразрыв и удерживающее усилие; фильтрации; коркообразования; набу-хаемости и размокания пород;

• темпа и качества регулирования свойств промывочной жидкостей;

- скорости циркуляции промывочных жидкостей и числа интенсивных длительных промывок, ускоряющих эрозионный процесс разрушения горных пород;

- гидродинамического и температурного режимов, в частности – амплитуды и частоты колебаний гидродинамического давления и изменений температуры на стенках скважины;

- механических воздействий режущих и изогнутых частей бурового снаряда при спуско-подъемных операциях и бурении;

• проработки ствола;

- способа бурения; компоновки инструмента; типа породоразрушающего инструмента, от которого зависит эффект поршневания при спуско-подъемных операциях;

- расположения ствола относительного разбуриваемого массива;

- продолжительности бурения, в частности – времени нахождения пород в незакрепленном состоянии.

О р г а н и з а ц и о н н ы х:

- технической оснащенности; культуры на буровой; инженерно-технической подготовленности бурового мастера и бригады; правильного выбора профилактических мероприятий и способа ликвидации начавшихся осложнений;

- состояния контроля за технологическим процессом бурения скважины;

- климатических условий.

Одновременное действие всей совокупности факторов, определяющих устойчивость стенок бурящейся скважины, маловероятно. В каждом конкретном случае для определения наиболее правильных мер и форм борьбы с потерей устойчивости ствола необходимо установить вид, число и первостепенность воздействия этих факторов.

Из практики известны т р и о с н о в н ы е к а т е г о р и и н а р у ш е н и я целостности ствола в процессе бурения скважины:

 образование и развитие трещин различных размеров, различной ориентации и протяженности, вследствие колебаний напряженного состояния в нарушенном массиве;

 образование каверн вследствие нарушения связности пород в приствольной зоне;

 образование сужений деформационного и коркообразующего характера вследствие увеличения объема породы (набухания), вязкопластичной деформации и высоких фильтрационных качеств породы, ведущих к образованию утолщенных глинистых корок на стенках скважины.

Деформацию горных пород стенок скважины (независимо от глубины их залегания) делят на упругую, структурно-обратимую, структурно-необратимую, вязкопластическую деформацию и хрупкое разрушение. Характер протекания и продолжительность отдельных видов деформаций могут быть различными, так как зависят от горно-геологических условий и сочетания воздействующих факторов.

Горные породы являются упруго-вязкопластичными материалами. С ростом силового воздействия все породы последовательно испытывают дилатацию (изменение объема тела за счет уплотнения и сокращения пор) и деформацию. С прекращением дилатации породы переходят в деформирование с тремя его стадиями: упругое; вязкопластическое; разрушение. Отсюда каждая горная порода в зависимости от усилий, в которых происходит ее деформация, проявляет себя либо как упругий, либо хрупкий, либо как вязкопластичный материал.

Механизм вязкопластической деформации выражается тремя группами подвижек: межзерновым скольжением, трансляцией и перекристаллизацией. Под межзерновым скольжением понимают смещение отдельных зерен и частиц горной породы относительно друг друга; под трансляцией понимают скольжение одного слоя кристаллической решетки минерала относительно другого; под перекристаллизацией понимают искажение и изменения кристаллической решетки.

Дальнейший рост силового воздействия приводит к полному разрушению горной породы; при этом хрупкое разрушение обычно проявляется в трех видах: отрыве, складывании и срезе.

Установлено, что горные породы, как и другие материалы, могут изменять форму и деформироваться – «течь» при сравнительно малых напряжениях в случае длительно действующих переменных или постоянных нагрузок. Такое явление получило название ползучести. Полная деформация горных пород состоит из следующих компонентов (рис. ):

 = ₁ + ₂ + ₃ + ₄ + ₅,

где ₁ – уплотнение и сокращение пор;

₂ – упругие деформации;

₃ – ползучесть (вязкопластические деформации первого рода);

₄ – пластические деформации второго рода;

₅ – псевдопластические деформации и хрупкое разрушение.

Перечисленные типы деформаций в условиях бурения геологоразведочных скважин, как показывает практика, проявляются в следующих видах:

- набухание и увеличение объема горных пород, как результат упругих деформаций;

- вытекание, как результат ползучести и вязкопластических деформаций;

- осыпи, обвалы и обрушения, как результат хрупких, мгновенных разрушений в стволе;

- образование и распространение глубоких пространственных трещин, как результат мгновенного и усталостного гидроразрыва пласта (также относящегося к хрупким разрушениям горных пород с нарушением сплошности всего близлежащего массива).

При бурении скважин важно строго расчленять все деформационные проявления, так как большая их часть характеризуется рядом сходных признаков и последствий. Например, такие деформационные проявления, как набухания, сужения, вытекания, осыпи и обвалы, вызывают аварии в виде затяжки и прихвата бурового снаряда, потери циркуляции; те же деформационные проявления приводят и к прихвату обсадных труб в скважине. От точного определения вида осложнения и его причин зависит правильный выбор наиболее рационального и эффективного мероприятия, а следовательно, и успешность дальнейшего бурения скважин.

В табл. дана классификация видов осложнений, указаны их характерные признаки, причины и последствия, а также меры по предупреждению и ликвидации. Классификацию рекомендуется использовать для уточнения вида осложнений и выбора методов борьбы с ними.

Р а с к р ы т и е е с т е с т в е н н ы х и л и о б р а з о в а н и е н о в ы х

т р е щ и н происходят в основном при бурении в трещиноватых зонах, возникших вследствие тектонических нарушений, или в любых породах при критических значениях горного давления в скважине. В зависимости от условий залегания пород растрескивание может происходить при различных значениях давления жидкости в скважине.

Таблица Классификация осложнений в скважинах, способы их предупреждения

и ликвидации

Вид нарушения целостности стенок скважины	Условия возникновения		Последствия		Мероприятия по предупреждению и ликвидации осложнений
1	2		3		4
Раскрытие естественных и образование новых трещин	Бурение пород с естественной трещиноватостью, а также пород любой разновидности при критических значениях гидродинамического давления в скважине		Поглощение, потеря циркуляции жидкости, нарушение устойчи-вости стенок скважин; осыпи и обвалы при сопутствующих условиях		Тампонирование и цементирование ствола скважины с задавливанием цемента или тампо-нажной смеси
Образование каверн	Бурение рыхлых слабосвязанных пород, подверженных эрозионному размыву и поверхностному осыпанию ввиду незначительных сил сцепления между частицами и физико-химических процессов, происходящих в условиях контакта ствола с промывочной жидкостью		Снижение скорости движения промы-вочной жидкости, образование застойных зон и скопление шлама в зоне каверн, потеря ствола; некачественность цементирования обсадных колонн и большой расход цемента		Выбор рациональной технологии бурения и крепления стенок скважины; своевременная кор-ректировка технологии по результатам кавернометрии
Образование желобов	Бурение пород любой разновидности в условиях наклонных скважин, искривления ствола и длительного воздействия буриль-ных труб на стенки скважины при бурении или спуско-подъемных операциях, приводя-щих к увеличению диаметра ствола в одном определенном продольном направлении		Прихваты вследствие заклинивания бурового снаряда, неполная посадка обсадных колонн		Предупреждение образования резких перегибов ствола скважины; введение в промывочную жидкость смазы-вающих добавок; смазка бурового снаряда для уменьшения его трения о породу; применение центраторов.
Продолжение табл.
1	2		3		4
Набухание пород	Бурение пород, содержащих монтмо-риллонит и ему по-добные минералы, вступающие в физико-химическое взаи-модействие с промы-вочной жидкостью на водной основе		Уменьшение диаметра ствола; заклинивание инструмента; невозможность спуска обсадных колонн		Применение промывочных жидкостей, инертных по отношению к гор-ным породам, с пониженной водоотдачей и рациональной плотностью; расхаживание снаряда при интенсивности промывки
Сужение ствола (коркообразо-вание на стенках скважины)	Бурение высокопро-нициемых пород, спо-собствующих интен-сивной и глубокой фильтрации жидкой фазы раствора, при-водящей к нараста-нию глинистой корки большой толщины	Уменьшение диаметра ствола, затяжки и посадки бурового снаряда, заклинивание его и обсадных колонн; прихват бурильных труб		Рациональный подбор промывочной жидкости по виду и параметрам; обеспечение большой скорости восходящего потока жидкости в кольцевом пространстве; бурение без длительных остановок
Вытекание пород	Бурение высокопластичных пород, склонных деформироваться со временем, т.е. ползти и выпучиваться в ствол скважины	Уменьшение диаметра ствола; заклинивание инструмента; нево- зможность посадки обсадных колонн; осложнения в техно-логии бурения; возникновение обвалов и обруше-ний, образование в стволе скважины сплошной пробки, поднимающейся в некоторых случаях выше зоны вытекания		Поддержание заданных значений параметров промывочной жидкости; проработка ствола скважины
Продолжение табл.
1	2	3		4
Осыпание пород	Бурение слабосвязан-ных и агрегатиро-ванных пород, разрушающихся и выпадающих в скважину в условиях их физико-химического взаимодействия; колебания про-тиводавления и перепада темпера-туры; газопроявления; поглощения; воздействие режущих и изогнутых частей бурового снаряда	Прихваты бурильных труб, обсадных колонн и спускаемых в сква-жину приборов и устройств; невозможность постановки бурового снаряда на забой; коронка достигает забоя частично изношенной; рост каверн; увеличение непроизводствен-ных затрат и снижение скорости бурения		Своевременное проведение кавер-нометрии и крепления ствола скважины
Обваливание пород	Бурение перемятых, в сильной степени трещ-новатых пород, в осо-бенности с крутым углом залегания в условиях, способствующих осыпанию	Пробкообразование и потеря циркуляции про-мывочной жидкости (прихваты носят тяжелый характер); образование опасных сводов и зависаний породы; потеря и откло-нение ствола		Предупреждение катастрофических уходов промывоч-ной жидкости (т.е. резкого снижения противо-давления на стенки скважины); своевременное кре-пление ствола скважины
Обрушение пород	Бурение пород любой разновидности, за ис-ключением очень твер-дых и монолитных, в условиях образования глубоких каверн и опа-сных сводов с крутыми углами залегания пород (до 75-90), при непрекращающихся осыпях, обвалах, газо-проявлениях, миграций пластовых вод, при катастро-фических поглощениях промывочной жидкости под дей-ствием тектонических сил, при аномально высоких давлениях флюида, при горных ударах	То же		То же

Важное значение в росте сил, проводящих к растрескиванию, имеет характер этих сил, а также ориентировка уже существующих трещин, которые могут раскрываться, если они расположены под углом 45 или менее к вертикали; в противном случае возникают либо расслоение, либо новые трещины; развитие новых трещин происходит при условии ₂  ₁ + _рас, где ₁ – горное давление; ₂ – гидростатическое давление в скважине; _рас – длительная прочность (предел долговременного сопротивления) породы на растяжение. Под последней понимают ее прочность, отнесенную к тому или иному промежутку времени действия нагрузок; она зависит от многих геологических факторов и меняется в широких пределах.

О б р а з о в а н и е к а в е р н – разновидность нарушений целостности стенок скважин. Этот вид нарушений приводит к резкому изменению конфигурации ствола и является одной из первостепенных причин осложненности бурения, так как влияет на весь дальнейший ход буровых работ.

О б р а з о в а н и е ж е л о б о в также относится к одной из разновидностей нарушения целостности ствола. Желобообразование создает предпосылки для заклинивания бурильных и обсадных труб. Образование желобов происходит не сразу, а постепенно с ростом числа рейсов бурового снаряда; опасные по своим последствиям желоба могут образоваться только после достаточно большого пути пробега бурового снаряда. Для предупреждения прихвата бурильных труб или заклинивания коронки при наличии желоба в скважине следует применять одну и ту же компоновку бурового снаряда.

Н а б у х а н и е - упругое структурно-адсорбционное расширение пород стенок скважины, обусловленное их анизотропией, повышенной фильтрационной способностью, всасыванием свободной воды и физико-механическим воздействием ее с частицами породы; набухание пород приводит к снижению прочности стенок скважины и уменьшениям диаметра ствола вследствие объемного расширения породы. Дополнительным характерным признаком, кроме указанных в табл. , являются затяжки и прихваты бурового снаряда; в этом случае необходима проработка ствола при сравнительно большой скорости подачи бурового снаряда. Набухание без применения мер по его устранению обычно приводит к появлению вытеканий, осыпей, обвалов и к другим осложнениям.

С у ж е н и я с т в о л а скважины происходят в результате образования толстых корок. Такие сужения в основном приурочены к разрезам высокопроницаемых пород, интенсивно поглощающих жидкую фазу раствора, вследствие чего и происходит отложение твердой фазы раствора на стенки скважин.

В ы т е к а н и е - один из видов пластической деформации стенок скважин, возникающий вследствие значительного повышения пластичности, снижения прочности пород, увлажнения термомеханического воздействия (колебаний противодавления и температуры массива). В первоначальный момент скорость вытекания нарастает медленно, но с увеличением времени нахождения ствола в незакрепленном состоянии скорость возрастает. Проработка ствола при вытекании трудоемка и длительна; скорость проработки непостоянна и может меняться в широких пределах в зависимости от интенсивности вытекания и размеров сужения. Глубину залегания пород Z_кр в скважине, при которой возникает пластическое течение горных пород приствольной зоны, радиус пластической зоны _пл и минимально допустимые удельный вес жидкости  можно определить по формулам

Z_кр = _s /  3  (_п - );

 = _п - _s / (z_скв 3);

_пл = ₀ 3 (_п - ) Z_скв / _s ,

где _s – предел текучести при вдавливании; ₀ – радиус скважины; _п – удельный вес горных пород.

О с ы п а н и е - процесс хрупкого разрушения горных пород в скважине, характеризующийся увеличением количества шлама, выносимого из скважины. При отсутствии активных мер борьбы осыпания происходят на протяжении всего периода бурения в необсаженном стволе в результате постоянного или периодического отваливания отдельных кусков породы. Осыпи приводят к образованию зазубренностей и каверн, к обвалам, обрушениям и другим осложнениям. Слабые осыпи трудно зафиксировать визуально; в этом случае на их наличие может указать кавернометрическое исследование ствола, в связи с чем снятие кавернограм приобретает важное значение. Сильные осыпи регистрируются как визуально, так и приборами; в частности, об их наличии свидетельствуют: интенсивный рост вязкости промывочной жидкости и содержания в ней шлама; пробкообразования; образование сальников на колонковом наборе и коронке; поршневой эффект и перелив жидкости при подъеме снаряда; необходимость частных промывок и проработок скважины; повышение давления на буровом насосе против обычного.

О б в а л и в а н и е - объемный, в основном скоротечный, процесс хрупкого разрушения, протекающий в более крупных масштабах, чем осыпание. При обвалах происходит обильный вынос шлама в виде осколков, большего по объему, чем объем пробуренного интервала. Обвалу способствует ползучесть горных пород и предварительное поверхностное осыпание. Обвалы могут иметь как единичный внезапный, так и непрерывный характер в зависимости от структуры, физико-химических и механических свойств пород. В отличие от осыпей, которые имеют местный (поверхностный) характер разрушения, обвалам присущи глубокие объемные разрушения ствола. Характерные признаки обвалов: резкое повышение давления на буровых насосах и потеря циркуляции; небольшая скорость проработки ствола; неожиданный и тяжелый прихват бурильных и обсадных труб.

О б р у ш е н и е - объемный скоротечный процесс хрупкого разрушения пород стенок скважин единичного характера с вывалами из массива большого объема пород, в том числе устойчивых и достаточно прочных при нормальных условиях бурения. Обрушение может происходить также помимо причин, указанных в табл. , под действием собственного веса пород. Основные признаки обрушений: внезапность и скоротечность развития; мгновенное резкое повышение давления на буровом насосе и, как правило, полная потеря циркуляции в сочетании с мгновенным прихватом бурового снаряда; потеря ствола скважины до зоны обрушения; не отличающаяся по скорости от бурения проработка ствола; недохождение снаряда до забоя после бурения очередного рейса или при наращивании.

Перечисленные виды осложнений деформационного типа тесно связаны между собой и часто один вид вызывает другой и наоборот. При этом важную роль в появлении тех или иных деформаций играют временной фактор, геологические особенности разбуриваемых пород и технологические приемы бурения.

Для сохранения в скважине целостности пластов, с одной стороны, и обеспечения устойчивости пород приствольной зоны, с другой, - рекомендуется выполнять следующие условия сохранения целостности и устойчивости ствола:

_n

Р_пл  _Zскв   +  р_i  Р_рас ,

^I=1

_n

где  р_i – суммарная потеря давления в кольцевом пространстве; р_рас – длительная

^I=1

прочность ствола скважины (см. выше); р_пл – пластовое давление; Z_скв – глубина скважины;  - удельный вес жидкости.