Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

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

•Наиболее устойчивое состояние стенок скважины будет при бурении по азимуту σH

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

•Если горизонтальные напряжения равны (σH = σh), то нужно бурить вертикально.

•Если (σh = σv), то нужно бурить горизонтально (θ = 90°).

При напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, наибольшая устойчивость обеспечивается при бурении по направлению действия наибольшего горизонтального напряжения σH. При увеличении разности между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями зенитный угол θ должен возрастать. Нужно обеспечить, чтобы сумма радиальных компонент напряжения от веса вышележащих пород и наибольшего горизонтального напряжения равнялась наименьшему горизонтальному напряжению. При увеличении зенитного угла вклад наибольшего горизонтального напряжения уменьшается, а вклад напряжения от веса вышележащих пород возрастает. Радиальная компонента наименьших горизонтальных напряжений остается неизменной при любом значении зенитного угла, пока направление бурения совпадает с направлением действия наибольшего горизонтального напряжения σH.

Рис. 8-51 Напряженное состояние, благоприятное для образования надвига

Как видно на вышеприведенном графике, при увеличении зенитного угла вклад σH уменьшается, а вклад σv увеличивается.

Анизотропия напряжений влияет на величину интервала допустимых значений плотности бурового раствора. Как мы помним, этот интервал ограничен минимальной допустимой плотностью бурового раствора, обеспечивающей отсутствие притока в скважину пластовых флюидов, и максимальной допустимой плотностью бурового раствора, обеспечивающей

150

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

отсутствие поглощений. При высокой анизотропии интервал допустимых плотностей бурового раствора будет меньше. Как видно из примеров на рис. 8-49 - 8-51, мы можем уменьшить анизотропию, изменив наклон и направление траектории скважины. Теперь больше возможностей сохранения устойчивости стенок скважины регулированием плотности бурового раствора.

Горные породы не могут долго выдерживать касательные напряжения, особенно на большой глубине. Это обстоятельство часто называют правилом Гейма3. Пластичность пород возрастает с возрастанием бокового давления, которое имеет место на глубине. Порода постепенно деформируется до исчезновения анизотропии напряжений. Вот почему анизотропия напряжений имеет наибольшую величину около поверхности. На большой глубине породы испытывают почти равные горизонтальные напряжения.

Плоскости напластования (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Слоистые глинистые породы (глинистые сланцы, уплотненные глины и аргиллиты) имеют плоскости напластования, которые создают в них слабые места. Материал глинистых горных пород содержит микроскопические плоскости напластования. Сезонные изменения скорости осадконакопления приводят к образованию слоев различной прочности. Рассматривая образец слоистой глинистой породы можно увидеть сотни тысяч мелких плоскостей напластования на нескольких линейных футах разреза. Эти плоскости напластования обычно представляют собой поверхности ослабления, по которым может проникнуть вода и раздвинуть слои. Это характерное свойство слоистых глинистых пород называется анизотропией прочности. Анизотропия прочности7 означает, что порода является более прочной в одном направлении, чем в перпендикулярном ему. Величина анизотропии прочности изменяется в зависимости от типа и количества цемента в пространстве между слоями и от прочности породы. Чем выше отношение прочности слоистой породы в направлении, перпендикулярном плоскостям напластовании, к ее прочности в направлении, параллельном плоскостям напластования, тем больше анизотропия прочности.

Пластинчатые глинистые частицы, из которых состоят глинистые породы, ориентированы параллельно плоскостям напластования. При контакте с водой глинистая порода набухает, в результате чего появляются гидратационные напряжения, действующие перпендикулярно плоскостям напластования (рис. 8-52). Если скважина вскрыла глинистую породу под углом к плоскостям напластования, то гидратационные напряжения вызывают анизотропию напряжений. Обычно набухающие глинистые породы выдавливаются и обрушиваются в скважину тем больше, чем больше угол между направлением действия напряжений и плоскостями напластования. Прочность глинистых пород на сжатие максимальна, когда сжимающие напряжения действуют перпендикулярно плоскостям напластования.

Влияние этих плоскостей напластования на устойчивость стенок скважины зависит от напряженного состояния в естественных условиях залегания, а также от направления и наклона траектории скважины.

151

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Если скважина вскрыла глинистую породу в направлении, перпендикулярном плоскостям напластования, то вследствие набухания возрастают осевые напряжения на стенках скважины. По мере увеличения угла относительно плоскостей напластования набухание приводит к возрастанию кольцевых напряжений на одном участке стенки скважины, но не на ортогональном участке. По определению, это анизотропия напряжений.

Рис. 8-52 Гидратационные напряжения при наличии плоскостей напластования

Влияние траектории скважины и плоскостей напластования для трех типов напряженного состояния в естественных условиях залегания

Chen, Tan и Haberfield из Австралии представили в нескольких статьях Общества инженеровнефтяников (SPE) рекомендации по расчету анизотропии прочности и напряжений и проектированию профиля скважины.8

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Вспомним, что кажущаяся прочность породы зависит от трения, обусловленного действием бокового давления. Чем сильнее прижаты друг к другу слои по плоскостям напластования, тем больше прочность породы (рис. 8-53). Поэтому слоистая глинистая порода будет прочнее, если ее плоскости напластования ориентированы перпендикулярно направлению действия наибольших напряжений. Если бурить перпендикулярно плоскостям напластования, то вероятность возникновения осложнений будет меньше.

Вот какие рекомендации дают Chen и его соавторы в отношении анизотропии прочности и профиля скважины:

Напряженное состояние, благоприятное для образования сброса: в породе с высокой анизотропией прочности плоскости напластования оказывают значительное влияние на устойчивость стенок скважины. Это влияние возрастает при приближении траектории скважины к направлению действия σh. Это означает, что чем больше анизотропия прочности, и чем ближе траектория скважины к направлению σh, тем большей неустойчивости стенок ствола можно ожидать.

Напряженное состояние, благоприятное для образования сдвига: существует значительное влияние даже при небольшой анизотропии прочности. Влияние возрастает при приближении траектории скважины к направлению действия σh. Чем ближе траектория скважины к направлению действия наименьших напряжений, тем большей неустойчивости можно ожидать, даже когда прочность в направлении, параллельном плоскостям напластования, почти такая же, как и в толще породы.

Напряженное состояние, благоприятное для образования надвига: существует значительное влияние даже при небольшой анизотропии прочности. Влияние возрастает при приближении траектории скважины к направлению действия σH. При таком напряженном состоянии плоскости напластования оказывают значительное влияние на гидроразрыв пласта, особенно в сильнонаклонных скважинах.

Анизотропия прочности играет более важную роль при напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, чем при напряженном состоянии, благоприятном для образования сброса. Поэтому вероятность разрушения породы, связанного с наличием плоскостей напластования, выше при напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, чем при напряженном состоянии, благоприятном для образования сброса.

Влияние анизотропии прочности возрастает в следующем порядке: надвиг > сдвиг > сброс.

По возможности нужно бурить перпендикулярно плоскостям напластования и ориентировать траекторию скважины таким образом, чтобы свести к минимуму анизотропию напряжений. Возможно, не удастся полностью выполнить оба условия. Тогда нужно найти компромиссное решение, чтобы выполнить оба условия в максимально возможной степени.

По мере увеличения прочности глинистых пород анизотропия прочности обычно также увеличивается, и создается напряженное состояние, при котором более вероятно разрушение по плоскостям напластования. При разрушении из-за слабости породы в направлении, параллельном плоскостям напластования, образуются обломки, имеющие угловатую форму, с параллельными поверхностями. Если же разрушение происходит из-за чрезмерных касательных напряжений, обломки имеют криволинейные поверхности. Наблюдения на буровой могут изменить наши предварительные оценки оптимальной траектории скважины.

153

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Фильтрат бурового раствора (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Бурение на репрессии

Мы уже говорили о влиянии плотности бурового раствора на устойчивость стенок скважины, на радиальные напряжения и на круги напряжений. Однако следует различать "репрессию" и радиальные напряжения, обусловленные ею. Репрессией называется превышение гидростатического давления над поровым давлением. Это не есть радиальная сила, обусловленная репрессией.

Давление жидкости на стенки скважин создает радиальные напряжения, способствующие повышению устойчивости стенок. Радиальные напряжения приводят к снижению кольцевых напряжений и создают боковое давление на элементы породы по стволу скважины. Это боковое давление способствует увеличению кажущейся прочности породы. Радиальные напряжения возникают из-за действия дифференциального давления на стенках скважины. Это дифференциальное давление обусловлено превышением давления в скважине над пластовым давлением. Однако дифференциальное не равно репрессии! Глинистые породы проницаемы. Некоторая часть фильтрата бурового раствора проникает в поры глинистой породы, в результате чего возрастает поровое давление в приствольной зоне (рис. 8-54). По мере проникновения фильтрата в поры глинистой породы дифференциальное давление на стенке скважины уменьшается. Этот процесс происходит постепенно.

Под дифференциальным давлением понимают разность давлений относительно поверхности стенок скважины. Проникновение фильтрата в приствольную зону пласта приводит к возрастанию порового давления и уменьшению дифференциального давления.

Рис. 8-54 Зависимость порового давления от времени

154

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Чтобы лучше представить себе изменение пластового давления в приствольной зоне из-за проникновения в нее фильтрата бурового раствора, можно сравнить депрессионные кривые при проникновении в пласт фильтрата с депрессионными кривыми при отборе и нагнетании воды в оросительных скважинах, показанными на рис. 8-55 и 8-56.

Рис. 8-55 Депрессионная кривая при отборе Рис. 8-56 Депрессионная кривая при нагнетании

Чтобы снять депрессионную кривую при отборе воды в оросительных скважинах большого диаметра используют несколько наблюдательных скважин, пробуренных на различных расстояниях от добывающей скважины. Замечено, что при откачке воды уровень снижается как в добывающей скважине, так и в наблюдательных скважинах. Для построения депрессионной кривой при отборе на график наносят величины уровня воды в наблюдательных скважинах и расстояния до этих скважин от добывающей скважины (рис. 8- 55).

Когда производится закачка воды в нагнетательную скважину, как показано на рис. 8-56, то уровень в близлежащих наблюдательных скважинах повышается. Если нанести на график величины уровня в наблюдательных скважинах и расстояния до соответствующих наблюдательных скважин, то по этим точкам можно построить депрессионную кривую при нагнетании.

Уровень воды в наблюдательных скважинах характеризует пластовое давление на соответствующем расстоянии от нагнетательной скважины. Кривые, показанные на рис. 8-54, представляют собой депрессионные кривые при проникновении в пласт фильтрата бурового раствора.

Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора

Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора является главной причиной потери устойчивости стенок ствола. Проникновение фильтрата ослабляет породу и изменяет распределение напряжений в породе. Глинистые минералы в составе глинистых пород могут вступать в химические реакции с водой, что приводит к дальнейшему ослаблению породы. В этом процессе участвуют несколько различных механизмов.

Снижение радиальных напряжений вследствие проникновения в пласт фильтрата бурового раствора приводит к уменьшению кажущейся прочности породы и к возрастанию кольцевых напряжений. Когда фильтрат проникает в поры, поровое давление возрастает. В результате уменьшается эффективное напряжение (полное напряжение = поровое давление + эффективное напряжение). Жидкость нарушает контакты между зернами, в результате чего

155

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

разрушается цемент и уменьшается трение между зернами. Фильтрат действует как смазочный материал, который в еще большей степени уменьшает внутреннее трение. И вдобавок ко всему фильтрат вступает в химическое и механическое взаимодействие с глинистыми частицами, что приводит к набуханию и диспергированию глины. Адсорбция воды на поверхности глинистых частиц вызывает появление гидратационных напряжений, в результате чего возрастают кольцевые напряжения и происходит ослабление породы в направлении, параллельном плоскостям напластования.

Когда фильтрат проникает в поры, некоторые глины диспергируются в результате кристаллизационного (адсорбционного) и осмотического набухания (см. Механизмы набухания). Вследствие этого увеличивается проницаемость глинистой породы и возрастает скорость проникновения фильтрата в пласт. Степень набухания и диспергирования зависит от минерального состава глины. Следует заметить, однако, что кристаллизационному набуханию подвержены все глины. Набухание или диспергирование таких "ненабухающих" глин, как иллитовые, не очень заметно, но кристаллизационное набухание влечет за собой проявление гидратационных напряжений и уменьшение прочности породы. Со временем все глинистые породы, находящиеся в контакте с водой, ослабевают вследствие проникновения фильтрата и проявления гидратационных напряжений, обусловленных кристаллизационным набуханием.

Возрастание порового давления вследствие проникновения в пласт фильтрата бурового раствора приводит к уменьшению действующего радиального напряжения. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию кольцевых напряжений (рис. 8-57)

Проникновение в пласт фильтрата бурового со временем приводит к потере устойчивости.

При поступлении фильтрата в пласт возрастают касательные напряжения и уменьшается кажущая прочность породы. Некоторые глинистые породы при контакте с водой заметно набухают и диспергируются. Сильно диспергированные глинистые породы могут подвергнуться эрозии от воздействия турбулентного потока и пульсаций давления. Глинистые породы с высоким содержанием смектита в наибольшей степени подвержены диспергированию и эрозии.

156

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Проникновение фильтрата в пласт происходит под действием трех факторов:

•Репрессия

•Активность воды

•Действие капиллярных сил

Репрессия является доминирующим фактором в молодых, слабо консолидированных глинистых породах. Репрессия является также основным фактором в более древних, лучше консолидированных глинистых породах, но в здесь все более важную роль играет активность воды, поскольку уменьшаются размеры устьев пор (под активностью воды понимается действие сил притяжения и отталкивания, обусловленных наличием электрических зарядов на поверхности контакта воды и глинистой породы). Капиллярные силы играют важную роль в зонах трещиноватости, особенно когда глинистая порода не полностью насыщена.9

Очевидно, что проникновение в пласт фильтрата бурового раствора является неблагоприятным фактором. Оно приводит к потере устойчивости стенок скважины. Одной из целей специалистов по проектированию скважин и по буровым растворам является снижение скорости движения фильтрата в пласт. К сожалению, этого нельзя достичь используя глинистую корку и реагенты-понизители водоотдачи, действующие в корке.

В высокопроницаемых породах, таких как песчаники, на стенках скважины образуется фильтрационная глинистая корка, препятствующая утечке бурового раствора в пласт (см. материалы по глинистой корке). Даже при наличии хорошей фильтрационной корки определенная часть фильтрата постоянно проходит через нее и проникает в пласт. Если пласт имеет достаточную проницаемость, чтобы образовалась фильтрационная корка, то он имеет достаточную проницаемость, чтобы фильтрат проник глубоко в пласт. Чтобы удержать фильтрационную корку на месте, нужно поддерживать дифференциальное давление.

Однако глинистые породы недостаточно проницаемы, чтобы на их поверхности формировалась устойчивая фильтрационная корка. Проницаемость фильтрационной корки на поверхности песчаников обычно на несколько порядков превышает проницаемость большинства глинистых пород. Поры в глинистых породах настолько малы, что попасть в них могут лишь немногие, если вообще какие-либо, твердые частицы. Твердые частицы задерживаются на стенках скважины, как на фильтре, и проникнуть в глинистую породу может лишь фильтрат, не содержащий твердой фазы. Поток фильтрата в глинистой породе

157

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

недостаточно велик для того, возникающее дифференциальное давление сильно прижимало твердые частицы к стенке ствола. Действие потока бурового раствора и механическая эрозия вследствие взаимодействия с бурильной колонной удаляют глинистую корку со стенок скважины (рис. 8-59).

Глинистые породы недостаточно проницаемы, чтобы на их поверхности формировалась фильтрационная корка. Все твердые частицы задерживаются на стенках скважины, как на фильтре, но они не прижимаются к стенке скважины дифференциальным давлением настолько сильно, чтобы не быть сорванными потоком

Рис. 8-59 Фильтрационная корка на поверхности глинистой породы

Утверждать, что на поверхности глинистых пород фильтрационная корка вообще не образуется, не совсем правильно. Когда колона неподвижна и нет циркуляции, на стенке может образоваться неустойчивая глинистая корка, но при восстановлении циркуляции она не удержится на стенке и будет удалена. В крупных порах или трещинах, где образуются мосты из твердых частиц, может существовать внутренняя фильтрационная корка. Однако на большей части поверхности глинистой породы, находящейся в контакте с буровым раствором, устойчивая глинистая корка, которая не будет удалена потоком циркулирующего бурового раствора, отложиться не может. Даже если это произойдет, расход фильтрации через глинистую породу будет меньше расхода через фильтрационную корку.

Есть несколько способов, позволяющих свести к минимуму или предотвратить проникновение в пласт фильтрата. К ним относятся:

•Уменьшение репрессии,

•Уменьшение проницаемости глинистых пород,

•Увеличение вязкости фильтрата бурового раствора, и

•Создание полупроницаемой мембраны для уравновешивания дифференциального давления осмотическим давлением.

Уменьшение репрессии, прежде всего, противоречит задаче поддержания репрессии. Некоторая репрессия необходима для создания радиальных напряжений на стенке скважины. Однако чрезмерная репрессия может быть вредной, даже если она недостаточно велика, чтобы привести к поглощению. Должна поддерживаться оптимальная репрессия, при которой действуют достаточные радиальные напряжения, но утечки фильтрата минимальны. Один из путей определения такой репрессии - метод средней линии, предложенный Аadпоy.4

Уменьшение заданной репрессии может иметь очень серьезные последствия. Проникновение в пласт фильтрата вследствие существовавшей ранее репрессии приведет к повышению

158

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

порового давления до значения, которое может превышать новое давление в скважине. Это вызовет уменьшение или даже перемену знака радиальных напряжений, что сильно отразится на устойчивости стенок скважины. Поэтому эффект поршневания при подъеме инструмента, очевидно, отрицательно сказываются на устойчивости стенок скважины.

Уменьшение проницаемости глинистых пород достигается благодаря химическим реакциям между фильтратом бурового раствора и глинистой породой или чрезвычайно мелким частицам, образующим материал глинистой корки. Следует отметить, что многие пласты, сложенные глинистыми породами, характеризуются наличием большого количества трещин, как естественных, так и образовавшихся в процессе бурения. Фильтрат бурового раствора проникает в пласт, главным образом, по этим трещинам. В таких случаях эффективен гильсонит и другие добавки, способствующие образованию глинистой корки (рис. 8-60). Для повышения вязкости фильтрата бурового раствора используются такие добавки, как гликоль, глицерин, сахара и силикаты. Эти добавки воздействуют на псевдокристаллическую структуру воды, связанной с поверхностью глины.

Проницаемость глинистых пород уменьшается, когда фильтрат связывается с поверхностью породы. При этом уменьшается ее эффективная пористость.

Рис. 8-60 Проницаемость глинистых пород

Достичь баланса между осмотическим давлением и дифференциальным давлением

проще при бурении на РУО, чем на РВО. При использовании РУО этого можно достичь, добавляя ПАВ и соли. ПАВ нужны для создания на стенках скважины полупроницаемой мембраны. Соли применяются для обеспечения требуемой солености эмульгированной водной фазы РУО. Создать полупроницаемую мембрану при использовании РВО труднее. Тем не менее, достичь баланса между осмотическим давлением и дифференциальным давлением при использовании РВО возможно, хотя и менее вероятно.

Осмотический поток воды в массив глинистой породы и из него обусловлен разностью концентраций солей в фильтрате бурового раствора и в жидкости, заполняющей поры. При очень высокой концентрации солей в буровом растворе вода вытесняется из глинистой породы (рис. 8-61). При очень низкой концентрации солей в буровом растворе вода втягивается в глинистую породу. При наличии репрессии вода также проникает в глинистую породу. Можно установить баланс между потоком, обусловленным дифференциальным давлением, и осмотическим потоком из глинистой породы, так чтобы в итоге поровое давление оставалось неизменным.1

Для осмотического потока требуется идеальная полупроницаемая мембрана. Глинистые породы не обеспечивают идеальную мембрану, поскольку размер их пор изменяется в широком диапазоне. Некоторые ионы могут "перетекать" через мембрану с фильтратом. Когда фильтрат, содержащий ионы, смешивается с жидкостью, первоначально заполнявшей поры, возможные различия между буровым раствором и жидкостью, первоначально заполнявшей поры, уменьшаются. В результате осмотический поток ослабевает. Успешность использования осмотического потока для минимизации проникновения в пласт фильтрата бурового раствора в значительной степени зависит от качества "мембраны", образовавшейся на стенках скважины. Качество мембраны определяют ПАВ и качество глинистой породы. Многие из этих ПАВ вредны для окружающей среды, как и многие нефти, поэтому от использования РУО часто отказываются, несмотря на их превосходные качества. С РВО

159

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