Характеристика осадочных пород

Породы	Прочность	Характеристики
Сланцы	Мягкие (эластичные)	Обычно встречаются на небольших глубинах (< 3000 м); мягкий и гибкий благодаря высокому содержанию воды; давление нагнетания и давление гидроразрыва пласта приблизительно одинаковы; гибкая структура породы позволяет трещинам быстро «заживать»; при бурении в данной породе наблюдаются поршневание, потеря циркуляции, эрозия ствола, закупорка ствола
	Твердые (ломкие)	Обычно встречаются на больших глубинах (3000 м); твердые и ломкие из-за низкого содержания воды; давление гидроразрыва выше, чем давление нагнетания; ломкая структура не дает трещинам «заживать»; при бурении наблюдается закупорка ствола
Песчаник	Неконсоли-дированный	Обычно встречается на небольших глубинах (< 1500 м); обладает высокой пористостью (25 % +); высокопроницаем (2 дарси +); наблюдаются потеря циркуляции, эрозия и закупорка ствола
	Консоли-дированный	Встречается на средних и больших глубинах (1200 и  м); диапазон пористости – 1–25 %; диапазон проницаемости – до 2 дарси; может иметь место дифференциальный прихват, сужение ствола скважины
Известняк-доломит	Мягкий (мел)	Низкий предел прочности при сжатии; высокая пористость (+/ 40%); диапазон проницаемости – до 2 дарси; растворяется в растворах на пресной воде; возможна эрозия ствола, загрязнение раствора
	Твердый (ломкий)	Высокий предел прочности при сжатии, обычно трещиноватый; высокая пористость (20–40%); высокая проницаемость; возможна закупорка ствола, потеря циркуляции, дифференциальный прихват

П ласты с неуплотненной породой. В качестве неуплотненной породы могут выступать песчаник или гравий (обычно при бурении под кондуктор).

Причинами обвалов могут быть:

1. отсутствие или незначительное количество цементирующего материала в матрице породы (рис. 5.7);

2. поглощение БР в связи с недостаточностью глинистой корки;

3. недостаточная плотность БР для уравновешивания нагрузки в приствольной зоне при вскрытии данных пород.

П ризнаками обвалов служат:

• повышение сопротивления, за которым следует остановка вращения;

• скопление частиц горных пород в местах соединений;

• закупорка затрубного пространства;

• противоток в местах соединений;

• сила прихвата ослабляется при циркуляции.

Меры по предупреждению обвалов:

• увеличение по возможности скорости бурения;

• регулирование скорость восходящего потока.

Для ликвидации обвалов необходимо выбить по направлению вверх при низком давлении на выкиде насоса. Использовать крутящий момент, чтобы попытаться восстановить циркуляцию. Когда циркуляция восстановлена необходимо увеличить скорость бурения для отчистки скважины от шламов пород.

Трещиноватые породы (кавернозные доломиты, известняки, песчаники с известковистым цементом) могут расслаиваться (рис. 5.8).

Трещины в них могут раскрываться при большой плотности бурового раствора, высоких давлениях на устье, повышении забойного давления в процессе испытания пластов. Породы этой группы теряют устойчивость, обваливаются, осыпаются, обрушиваются в случае их тектонической нарушенности.

Механизм обвала: когда долото проникает в такие пласты, происходит ослабление напряжения и осколки породы проникают в ствол скважины, блокируя колонну.

Признаки:

• колебания величины крутящего момента;

• резкое увеличение силы трения/сопротивления при движении вверх и вниз;

• повышение мощности на вращение колонны;

• большие осколки породы на вибросите;

• потери бурового раствора;

• циркуляция не помогает преодолеть силу сопротивления/трения.

Предупреждение. Проанализировать возможные интервалы разлома по известной геологической и геофизической информации. Разработать составы высокоструктурированных растворов.

Ликвидация: выбить в противоположном направлении. Применить кислотные ванны.

Слабосцементированные породы. Менее прочные породы (пески, слабосцементированные песчаники, глинистые сланцы, аргиллиты), силы связи между зернами которых не намного выше давления бокового распора, могут разрушаться при циклическом изменении гидродинамического давления при СПО, пуске насосов, восстановлении циркуляции, поглощениях, проявлениях, пакеровках. При поглощении фильтрата раствора сланцами происходит интенсивное обрушение. Проникновение воды в систему микротрещин вызывает расширение, достаточное для того, чтобы заставить массы частиц сланца отделиться от стенок скважины. Неодинаковое разбухание расширяющихся и нерасширяющихся сланцев вынуждает хрупкие слои разрушаться и падать в скважину.

Особенно быстро обваливаются породы, силы связи между зернами которых существенно ослабляются или практически исчезают при воздействии БР или его фильтрата. Поступление фильтрата в породу обусловливается рядом физико-химических факторов: перепадом давления между скважиной и пластом, осмотическим, диффузионным, термодиффузионным проникновением через глинистую корку, капиллярными эффектами.

Характерные признаки обвалов (осыпей)  резкое повышение давления на выкиде буровых насосов, обильный вынос кусков породы, интенсивное кавернообразование и недохождение бурильной колонны до забоя без промывки и проработки, затяжки и прихват бурильной колонны, иногда – выделение газа. Интенсивное кавернообразование существенно затрудняет вынос выбуренной породы на дневную поверхность, так как уменьшается скорость восходящего потока и его подъемная сила, возрастает аварийность с бурильными трубами, особенно при роторном бурении. Из-за опасности поломки бурильных труб приходится уменьшать нагрузку на долото, а это ведет к снижению механической скорости проходки.

Из анализа важнейших причин обвалообразований следует, что они усиливаются по мере увеличения продолжительности бурения и глубины скважин.

В зависимости от стадии развития обвалообразований и их вида меняются определяющие признаки. Так, при проходке малоустойчивых высокопроницаемых легко набухающих пород вначале наблюдаются сужения ствола скважины по кавернограмме, небольшие затяжки бурильной колонны, сальникообразования, повышение давления в нагнетательной линии насосов. В последующем возможно увеличение диаметра ствола и кавернообразование.

При течении пластичных пород и оползнях также отчетливо наблюдается сужение ствола по кавернограмме, однако оно может быть очень длительным или даже непрекращающимся, если не принять специальных мер. Такое сужение сопровождается затяжками и заклиниванием, прихватами бурильной колонны. При длительных остановках затрудняется дохождение до забоя, проработка ствола при спуске колонны почти не отличается от бурения нового ствола. В скважине образуются пробки.

Осыпи проявляются вначале как увеличение выноса шлама и вынос его из ранее пройденных интервалов, накопление осадка на забое. Затем обнаруживаются каверны, ухудшение выноса шлама с забоя вследствие расширения ствола, снижения скорости восходящего потока и накопления разбуриваемой породы в кавернах и на забое. Куски обваливающихся и осыпающихся пород отличаются от шлама разбуриваемых пород не только принадлежностью к другому интервалу и литологией, но и большими размерами и формой.

Основные меры предупреждения и прекращения обвалообразований. Вероятность обвалообразований, сочетание и взаимообусловленность с другими видами осложнений должны учитываться еще в стадии проектирования, при выборе конструкции скважины, диаметров, числа и глубины спуска обсадных колонн, при выборе БР, долот и режимов бурения.

Конкретные меры предупреждения и прекращения развития обвалов зависят от вида обвалообразований, их интенсивности и технических возможностей, имеющихся химических реагентов, диаметров труб и УБТ.

Важнейшее условие предупреждения и прекращения обвалообразований  правильный выбор вида, состава и параметров буровых растворов  и их физико-химической активности.

При обвалообразованиях, обусловленных или усиленных высокой водоотдачей раствора, активным воздействием фильтрата на неустойчивую породу, необходимо добиваться снижения водоотдачи, изменения состава фильтрата путем химической обработки или переходить на промывку другим раствором.

Хорошие результаты дает введение в раствор калийных, полимеркалиевых реагентов, применение пластовых вод и других минерализованных растворов (и их фильтратов), в которых многие глинистые породы и минералы не растворяются, не набухают, не теряют или даже повышают природную прочность и устойчивость. В ряде районов успешно используют полимерхлоркалиевые, известково-калиевые, содержащие кремнийорганические добавки растворы.

Имеется положительный опыт применения силикатных и силикатосолевых растворов со значительной концентрацией жидкого стекла. Чем отрицательнее действуют на породы фильтраты растворов, тем меньшей должна быть и водоотдача. Успешно бурили скважины в толще малоустойчивых пород при промывке пресными глинистыми растворами с использованием растворов на нефтяной основе, прямых и обратных эмульсий, а также эмульсий, приготовленных из предварительно насыщенных нефтью глинопорошков.

Положительные результаты получены при применении алюмокалиевых растворов для вскрытия неустойчивых глинистых отложений в зоне АВПД, а в условиях невысоких пластовых давлений растворов  на основе алюминиевых мыл жирных кислот.

При повышении плотности растворов увеличивается противодавление со стороны скважины, предупреждается обвалообразование при вскрытии водонасыщенных пород, плывунов, вязкопластичных глин и текучих солей. Важный фактор  ускорение проводки всей скважины или хотя бы осложненного интервала для закрепления его обсадной колонной.

Для предупреждения сужений стволов в высокопроницаемых породах необходимо снижать а при возможности и плотность растворов, тем самым улучшать очистку раствора от шлама, сокращать перерывы в промывке, поддерживать достаточно высокую скорость восходящего потока, способствующего размыву рыхлых поверхностных слоев корки и препятствующего налипанию шлама.

Целесообразно снижать колебания бурильной колонны, уменьшать прогиб бурильных труб установкой амортизаторов, центраторов, калибраторов, УБТ квадратного сечения и со спиральными канавками, имеющих при достаточно большом сечении каналов для промывки небольшие зазоры и площадь контакта со стенками.

На возникновение прихватов в значительной степени влияют структурно-механические свойства фильтрационных пород (адгезионная способность, сопротивление сдвигу, прочность), зависящие от содержания твердой фазы в БР и ее состава, вида химической обработки и смазочной способности раствора.

Фрикционные свойства фильтрационных корок снижают применением высококачественных глинопорошков и утяжелителей, улучшением очистки раствора. Фильтрационные корки должны быть тонкими, эластичными, мало- или непроницаемыми, с минимальными силами адгезии и коэффициентом трения.

При практически неизбежных обвалообразованиях в трещиноватых скальных породах целесообразно постепенное вскрытие пласта с периодической заливкой под давлением цементным или полимерцементным (имеющим большую проникающую способность) раствором только что пройденных небольших интервалов (от нескольких метров до десятков), а также предварительное укрепление зоны ниже забоя. Имеется положительный опыт цементирования уже образовавшихся каверн небольшой мощности (1015 м) в аргиллитах.

Заливкой цементным раствором приходится укреплять своды обрушения под башмаками обсадных колонн во избежание ударов и смятия их при подъеме бурильной колонны.

Для обеспечения полной очистки скважины от выбуренной и осыпавшейся породы (шлама) перед подъемом инструмента скважину необходимо промыть до полной очистки с максимально допустимой производительностью буровых насосов, а СПО вести с ограничением скорости. Скорость спуска бурильного инструмента ограничить до 0,5 м/с, а подъем осуществлять на первой скорости.

При появлении осложнений, вызванных интенсивным осыпанием пород (затяжки, проработки, скопление шлама в кавернах и др.), для качественной очистки ствола скважины возможно применение загущенных буровых растворов или ВУРов. В случае использования типового БР необходимо спустить трехшарошечное долото на бурильных трубах (без турбобура и УБТ) и при максимальной производительности насосов промыть скважину до полной ее очистки.

Не оставлять бурильную колонну без движения в открытом стволе скважины более 5 мин. Перед вынужденной остановкой бурильная колонна должна быть поднята в башмак обсадной колонны, а в случае невозможности подъема обеспечить периодичное ее расхаживание.

Запрещается углубление скважины при наличии затяжек, посадок, подклиниваний до полной их ликвидации и выявления причин, вызвавших данные осложнения.

Для размыва скопления шлама в кавернах осуществить специальный спуск переводника с боковыми гидромониторными насадками.

Для предупреждения вибрационного воздействия колонны бурильных труб на стенки скважины в компоновку ее низа целесообразно включать наддолотные амортизаторы в упругие стабилизаторы.

Для предупреждения прихватов в интервалах, где породы (глины, аргиллиты) неустойчивы, выпучиваясь и осыпаясь, прихватывают находящуюся в скважине колонну труб, необходимо осуществлять следующие работы:

• создать условия для бурения неустойчивых интервалов с максимально возможными скоростями, не допуская остановок из-за отсутствия труб, материалов и т. д.;

• применяемый БР должен поддерживать ствол в хорошем состоянии, исключать затяжки, посадки, прихваты и образование больших каверн;

• для предупреждения вибрационного воздействия колонны бурильных труб на стенки скважины в компоновку ее низа рекомендуется включать наддолотные амортизаторы;

• при непрекращающихся явлениях сужения ствола выпучиваемыми породами необходимо утяжелить БР на 1015 % по сравнению с требуемым ГТН или пересмотреть соответствие типа БР геолого-техническим условиям бурения;

• спускать бурильные трубы следует с промежуточными промывками для снижения давления при продавке БР, особенно при больших значениях СНС;

• следует предусматривать периодическую промывку ствола скважины порциями вязкого БР.

Прекрасными противоприхватными свойствами обладают БР на углеводородной основе и обращенные эмульсии. Применение таких растворов благоприятствует улучшению буримости пород. Однако высокая стоимость, сложность регулирования их свойств в условиях высоких температур и давлений при агрессивной среде, дефицитность некоторых компонентов, повышенная пожароопасность и дополнительные затраты, связанные с утилизацией как шлама горных пород, так и самих эмульсий, сдерживают широкое использование этих буровых систем.

Одна из наиболее сложных проблем при бурении – предотвращение коагуляции БР под действием высоких температур, сопровождающейся ростом водоотдачи и интенсивным структурообразованием, что повышает прихватоопасность.

Осложнения в скважинах, вызываемые термоокислительной деструкцией БР и являющиеся потенциально возможными причинами прихватов, удается предотвратить обработкой БР специальными термостойкими защитными реагентами. Считается, что УГЦР и КССБ термостойки при отсутствии солевой агрессии. Крахмал и КМЦ термостойки до температуры соответственно 100 и 120150 °С (КМЦ  в зависимости от степени полимеризации). Акриловые сополимеры термостойки при более высоких температурах, что позволяет иметь низкую водоотдачу солевых растворов при температуре 180200 °С, пресных  до 250 °С (гипан, метас).

Первая мера при прихвате  недопущение его распространения, для чего необходимо расхаживать бурильную колонну с усилием в пределах технически допустимых норм, проворачивать ее ротором, а если вращения нет, то периодически создавать допустимый крутящий момент (отбивка pотором). Если циркуляция восстановлена, то надо продолжать промывку, усиливая ее и улучшая качество раствора введением смазывающих добавок, удалением шлама, облегчением раствора до допустимого значения плотности. При отсутствии промывки возрастает опасность ее полного прекращения вследствие забивания шламом кольцевого сечения, насадок долот и турбобура, обратного клапана, поглощений при восстановлении циркуляции. Циркуляция необходима для установки нефтяных кислотных ванн.