Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Можно увеличить плотность бурового раствора до такого значения, при котором кольцевые напряжения уменьшатся до нуля. Если увеличить плотность бурового раствора слишком сильно, то кольцевые напряжения станут растягивающими, и порода может разрушиться из-за чрезмерного растяжения (рис. 8-38). Именно это и происходит при гидроразрыве пласта.

Влияние плотности бурового раствора можно проиллюстрировать графически с помощью огибающей предельных кругов напряжений для различных значений плотности бурового раствора (рис. 8-39).

Увеличение плотности бурового раствора приводит к возрастанию радиальных напряжений и уменьшению кольцевых напряжений. При чрезмерном увеличении сжимающие напряжения могут уменьшиться до нуля и превратиться в растягивающие. Уменьшение плотности бурового раствора приводит к возрастанию касательных напряжений, поскольку оно сопровождается уменьшением радиальных напряжений и возрастанием кольцевых напряжений. Если круг напряжений выходит за огибающую, стенки скважины становятся неустойчивыми.

Рис. 8-39 Круги напряжений для различных значений плотности бурового раствора

Известны различные подходы к оптимизации плотности бурового раствора. Один из них предусматривает изменение плотности таким образом, чтобы кольцевые напряжения уменьшились до нуля. Он известен как метод средней линии, предложенный Аас1поу.4 Метод средней линии основан на предположении, что для уменьшения кольцевых напряжений до нуля нужно изменить плотность бурового раствора до среднего между численными значениями градиента порового давления и градиента давления гидроразрыва пласта. На рис. 8-40 дана графическая иллюстрация этого похода.

Может появиться искушение держать плотность бурового раствора на как можно более низком уровне, чтобы до максимума увеличить скорость проходки. К сожалению это часто приводит к увеличению диаметра ствола и потерям времени из-за сужения ствола. Метод средней линии дает возможность свести к минимуму проблемы в скважине за счет некоторого уменьшения скорости проходки на небольших глубинах. Аас1поу приводит перечень скважин, пробуренных с использованием метода средней линии.4

140

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Интервал допустимых значений плотности бурового раствора

Используя такой подход, как метод средней линии, можно оптимизировать плотность бурового раствора только для определенной глубины. Плотность бурового раствора, оптимальная для одной глубины, будет слишком высокой для работы на меньших глубинах и слишком низкой для работы на больших глубинах. Это означает, что плотность бурового раствора будет оптимальной только для небольшого участка ствола. Лучшая стратегия заключается в том, чтобы поддерживать плотность бурового раствора на оптимальном уровне для глубины бурения, и постепенно увеличивать ее

по необходимости, никогда не уменьшая, (см. Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора).

Мы получили то, что называется "интервалом допустимых значений плотности бурового раствора" в открытом стволе скважины (затемненная область на рис. 8-40). Минимальная допустимая плотность бурового раствора обеспечивает отсутствие притока в скважину пластовых флюидов и сохранение устойчивости стенок ствола в нижней части скважины, а максимальная допустимая плотность бурового раствора обеспечивает отсутствие поглощений в верхней части скважины. Этот интервал допустимых значений плотности бурового раствора зависит от напряжений в пласте в естественных условиях залегания. Он будет подробно рассмотрен ниже.

Рис. 8-41 Поглощение бурового

раствора и обрушение породы

141

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Прочность породы (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Очевидно, что чем прочнее порода, тем большее напряжение она может выдержать. Как мы уже установили, прочность породы зависит главным образом от прочности цемента и от трения между отдельными зернами, составляющими скелет породы. Прочность на сжатие и упругость отдельных зерен также определяют прочность породы.

Посмотрим на скелет горной породы, показанный на рис. 8-42. Чтобы порода разрушилась по поверхности скольжения, нагрузка должна превысить сопротивление цемента и трение между зернами, находящимися в контакте друг с другом на этой поверхности.

Прочность породы зависит и от прочности отдельных переместиться относительно других зерен, составляющих ее минеральный скелет. зерен.

должны деформироваться или разрушиться, чтобы иметь возможность переместиться относительно других зерен (рис. 8-42).

Чем прочнее эти зерна, тем труднее их разрушить. Для разрушения породы требуется либо отклонение поверхности скольжения от своего пути, либо увеличение действующего напряжения.

еще до подъема инструмента из скважины (см. рис. 13-1).

142

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Температура (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Центральная часть Земли имеет достаточно высокую температуру, чтобы породы находились под земной корой в расплавленном состоянии. Эта теплота медленно уходит через кору, так же как уходит теплота с поверхности большого слитка горячей стали (рис. 8-44). При погружении в земную кору температура обычно возрастает с глубиной. Средний температурный градиент равен примерно 1°F/100 фут глубины.

уменьшения трения между зернами. Коэффициент расширения воды больше, чем у горных пород. При повышении температуры жидкость в

порах будет расширяться быстрее, чем скелет породы. В результате возрастает поровое давление и уменьшается эффективное напряжение в скелете. Увеличение порового давления приводит также к уменьшению разности давлений на стенке ствола и, соответственно, уменьшению радиальных напряжений. В результате возрастают сжимающие кольцевые напряжения (рис. 8-45).

Увеличение порового давления вынуждает также разойтись дальше отдельные зерна в скелете породы. В результате этого уменьшается сила трения между зернами, и прочность породы понижается. Объем жидкости в поровом пространстве увеличивается, улучшается смазка и происходит разрушение цемента.

Увеличение температуры приводит и к небольшому расширению скелета породы. Некоторые минералы в породе расширяются больше других, в результате чего сдвигается и разрушается цемент.

Снижение температуры вызывает обратный эффект. Жидкость в порах сжимается быстрее, чем скелет породы. В результате возрастает эффективное напряжение в скелете и разность давлений на стенках скважины. Прочность породы увеличивается, но из-за возрастания разности давлений в некоторых случаях возможны поглощения (рис. 8-45).

При выполнении СПО температура пласта изменяется. При подъеме инструмента порода около стенок скважины нагревается или охлаждается до своей первоначальной температуры (в результате циркуляции обычно охлаждается нижняя часть скважины и может нагреваться верхняя часть скважины). После восстановления циркуляции по бурильной колонне движется холодный буровой раствор, охлаждающий нижнюю часть скважины, а по кольцевому пространству поднимается теплый буровой раствор, нагревающий верхнюю часть скважины.

143

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Частые спуски и подъемы инструмента могут привести к разрушению пород и вызвать обрушение, даже если напряжения не выходят за огибающую предельных кругов напряжений. Одна из проблем, связанных с бурением глубоких высокотемпературных скважин, заключается в том, что при вымывании из скважины газа циркуляцией может произойти поглощение около забоя, когда к долоту подойдет холодный буровой раствор. Вполне вероятно также, что расширение газа и снижение забойного давления не будут замечены, пока газ не подойдет совсем близко к поверхности. В это время может произойти приток в скважину пластовых флюидов с последующим ощутимым интенсивным проявлением.

Если при бурении высокотемпературной скважины возникнет проблема, связанная с контролем над ней, то при прекращении циркуляции порода около стенки ствола обычно нагревается, и активный объем остывает не сразу. Стенки скважины остаются нагретыми и при низком расходе циркуляции. После продолжительного периода отсутствия циркуляции или циркуляции с низким расходом стенки скважины могут потерять устойчивость.

144

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Поскольку при повышении температуры жидкость в порах будет расширяться быстрее, чем скелет породы, изменения температуры влияют на радиальные напряжения. Изменения радиальных напряжений приводят к изменениям кольцевых напряжений. Увеличение температуры влечет за собой уменьшение радиальных напряжений и увеличение кольцевых напряжений. В результате устойчивость стенок скважины уменьшается. Небольшое уменьшение температуры может привести к повышению устойчивости стенок скважины. Чрезмерное уменьшение температуры может привести к поглощению.

Рис. 8-45 Круги напряжений при изменениях температуры

Напряженные состояния в естественных условиях залегания и анизотропия напряжений (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Напряженное состояние горных пород в естественных условиях залегания определяется региональным полем напряжений, существующим в районе бурения. Напряженное состояние возникает в результате действия тектонических сил в земной коре. Различают три основных типа напряженных состояний, которые показаны на рис. 8-46.2 Типы напряженных состояний, обусловленных тектоническими процессами, определяются относительной величиной главных напряжений.

145

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Почему нас интересует напряженное состояние пород при бурении скважины? Когда существует большое различие между горизонтальными напряжениями, интервал допустимых значений плотности бурового раствора сужается.

Как мы помним, порода часто теряет устойчивость из-за действия касательных напряжений, а касательные напряжения обусловлены различием между взаимно ортогональными напряжениями (в круге напряжений видно, что максимальное касательное напряжение составляет половину разности между наибольшим и наименьшим главными напряжениями).

Неодинаковость напряжений, действующих в разных направлениях, называют анизотропией напряжений (рис. 47). Анизотропия напряжений характеризуется разностью между величинами горизонтальных напряжений он и ov Чтобы в максимальной степени увеличить устойчивость стенок ствола нужно свести к минимуму анизотропию напряжений, изменяя направление и наклон траектории скважины. Shaohua Zhou, Richard Hill и Mike Sandiford из университета

Аделаиды, Австралия, представили статью, посвященную выбору траектории скважины с целью минимизации расчетной анизотропии напряжений для различных типов напряженных состояний.2 Их рекомендации суммированы на следующих трех страницах (рис. 8-49 - 8-51).

При рассмотрении графиков на рис. 8-49 - 8-51 следует иметь в виду, что целью является выравнивание кольцевых напряжений по окружности сечения ствола. Если удается это сделать, то можно увеличивать плотность бурового раствора для сохранения устойчивости стенок ствола с меньшей вероятностью поглощения (рис. 48).

146

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Плотность бурового раствора в скважине (рисунок слева) находится за пределами интервала допустимых плотностей. Здесь плотность бурового раствора недостаточно велика, чтобы предотвратить обрушение, но в то же время достаточно велика, чтобы вызвать поглощение. Выравнивая кольцевые напряжения по окружности сечения ствола путем увеличения плотности бурового раствора (рисунок справа) можно обеспечить устойчивость стенок скважины.

Рис. 8-48 Анизотропия напряжений

147

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

При напряженном состоянии, благоприятном для образования сброса, σv>σH>σh:

•Наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении по азимуту σh.

•При увеличении разности между σH и σh зенитный угол должен возрастать.

•Если горизонтальные напряжения равны (σH = σh), то зенитный угол должен быть равен нулю (θ = 0°).

•Если наибольшее горизонтальное напряжение равно вертикальному напряжению (σH = σv), то нужно бурить горизонтально (θ = 90°).

•Оптимальные зенитные углы для различных отношений горизонтальных напряжений показаны на рис. 8-49.

Когда существует напряженное состояние, благоприятное для образования сброса, наибольшая устойчивость обеспечивается при бурении по направлению действия наименьших горизонтальных напряжений σh.

При увеличении разности между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями зенитный угол θ должен возрастать. В приведенном выше примере отношение σH к σv равно 0,8, а отношение σh к σv равно 0,3. Согласно графику, построенному Zhou et аl., наилучшее значение зенитного угла для проходки проблемных глинистых пород при таких условиях равно 45°.

При бурении в направлении σh с некоторым зенитным углом, компоненты σh и σv действуют совместно, создавая напряжение, которое становится ближе к σH. Распределение радиальных напряжений по окружности ствола становится более равномерным.

Теперь можно увеличить плотность бурового раствора для уменьшения разности радиальных напряжений и максимальных кольцевых напряжений без риска вызвать поглощение. Из работы Zhou, Hill и Sandiford2.

Рис. 8-49 Напряженное состояние, благоприятное для образования сброса

148

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

При напряженном состоянии, благоприятном для образования сдвига, σH>σv>σh:

•Наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет на горизонтальном участке (θ = 90°).

•Наиболее устойчивое состояние стенок ствола при бурении зависит от отношения главных горизонтальных напряжений к вертикальному напряжению. Обычно при увеличении разности между горизонтальными напряжениями направление бурения должно приближаться к направлению действия наибольшего напряжения σH.

•При увеличении разности между наибольшим горизонтальным напряжением и вертикальным напряжением наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении в направлении, приближающемся к направлению действия наибольшего напряжения σH.

•Когда наименьшее горизонтальное напряжение равно вертикальному напряжению (σh = σv), наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении по азимуту σH.

Рис. 8-50 Напряженное состояние, благоприятное для

образования сдвига

Как видно на вышеприведенном графике, при приближении направления бурения к направлению σH, вклад в σr радиальной компоненты σH уменьшается, а вклад в σr радиальной компоненты σh возрастает. В результате уменьшается анизотропия напряжений при напряженном состоянии, благоприятном для образования сдвига.

149

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts