Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

удалось достичь некоторого успеха, но сложно найти подходящие ПАВ для работы в глинистых породах, которые были бы приемлемы с экологической точки зрения.

Жидкость движется через полупроницаемую мембрану под действием осмотического давления в область более высокой концентрации соли.

Можно компенсировать уход жидкости из глинистой породы вследствие осмотических явлений поступлением в пласт фильтрата вследствие репрессии.

Рис. 8-61 Осмотический поток в глинистых породах

Осмотический поток может быть больше потока, вызванного репрессией. Это может привести к дегидратации глинистой породы. Дегидратация ведет фактически к увеличению прочности глинистых пород по тем же причинам, которые вызывают ослабление глинистых пород при проникновении в них фильтрата. Однако в этом случае возникает опасность поглощения или разрушения породы из-за появления растягивающих напряжений.

Если осмотический поток движется в пласт, то расход фильтрата, проникающего в пласт, возрастет. Здесь следует отметить, что L. Bailey et al. из Кембриджского исследовательского института оспаривают роль осмотического переноса.11

Действие капиллярных сил является еще одним фактором, способствующим проникновению фильтрата в пласт. Многие пласты глинистых пород не насыщены смачивающей жидкостью, например водой, даже если эти пласты залегают ниже уровня воды. Когда эти глинистые породы находятся в контакте со смачивающей жидкостью, жидкость будет проникать в поры благодаря действию капиллярных сил. Воздух или газ, запертые в поровом пространстве, будут испытывать поровое давление, возросшее на величину капиллярного давления.9 Чем меньше диаметр устья поры, тем сильнее капиллярное давление. Именно капиллярное давление заставляет очевидно твердые, сухие образцы глинистых пород разрушаться при контакте с водой. Микроскопические и видимые трещины, которые кажутся плотно заполненными цементом, на самом деле проницаемы для жидкости, движущейся под действием капиллярных сил, и их поверхности смачиваются вскоре после контакта с водой. Капиллярное давление заставляет трещины широко раскрываться, и образец разрушается. Фильтрат бурового раствора может просочиться в мелкие трещины во вскрытых пластах, в результате чего гидратационные напряжения будут нарастать быстрее (рис. 8-62).

Рис. 8-62 Действие капиллярных сил

Капиллярное давление зависит от сродства между глинистой породой и смачивающей жидкостью. Обычно чем более полярной является жидкость, тем лучше она смачивает

160

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

глинистые породы. Вода является высокополярной жидкостью, а нефть неполярна. Это объясняет, почему ненарушенные образцы глинистых пород с одинаковой трещиноватостью разрушаются в воде и не разрушаются в нефти.

Глинистые породы не являются однородными. Они имеют поры различного размера и множество плоскостей напластования, они часто перемежаются тонкими прослоями песка. Поэтому их проницаемость изменяется с глубиной. Соответственно изменяется и расход фильтрации. Глинистые породы, залегающие вблизи проницаемых песков, могут принимать фильтрат бурового раствора из песка, так же как из скважины.

Вибрация бурильной колонны (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Вибрация бурильной колонны способствует потере устойчивости стенок скважины в большей степени, чем представляет себе большинство людей. При вибрации бурильной колонны происходят колебания и радиальных, и осевых, и кольцевых напряжений. Эти колебания напряжений вызывают механическую усталость. В особо тяжелых случаях напряжения могут превысить предел

текучести породы всего лишь за один цикл. Ниже рассмотрены различные типы вибрации бурильной колонны и влияние вибрации на устойчивость стенок скважины.

при ударе зависят, главным образом, от скорости перемещения колонны в радиальном направлении. Они зависят также от растяжения и массы бурильной колонны.

Рис. 8-63 Вибрация бурильной колонны

Радиальная скорость колонны зависит от расстояния, на котором ускоряется колонна после отскока от стенки и до следующего соударения. Таким образом, скорость колонны возрастает при увеличении диаметра скважины и/или уменьшении диаметра колонны. Ускорение

161

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

колонны зависит от ее растяжения и частоты вращения. Ускорение возрастает при увеличении натяжения и/или частоты вращения колонны. Вращение с высокой частотой бурильной колонны небольшого диаметра, приподнятой над забоем, в скважине большого диаметра может привести к серьезным проблемам.

Часто совершают ошибку - вращают бурильную колонну, приподнятую над забоем, с высокой частотой для очистки ствола. Иногда это действительно необходимо. Нужно каждый раз оценивать целесообразность вращения колонны, приподнятой над забоем. При этом следует проявлять осторожность и не путать обвалившуюся породу с выбуренным шламом.

Еще один тип вибрации - "стоячая волна". Такая вибрация возникает, когда внезапно прекращается продольное перемещение бурильной колонны. Иногда стоячую волну используют для освобождения застрявшего шланга или шнура удлинителя. Когда движение бурильной колонны вниз резко прекращается торможением лебедки, вниз по колонне распространяется волна. Резкая остановка бурильной колонны на уступе в стенке скважины при подъеме приводит к аналогичному результату, но здесь волна движется в противоположном направлении. Чем сильнее растянута колонна, тем быстрее распространяется стоячая волна, и тем сильнее соударение колонны со стенкой скважины.

При работе бурового насоса возникают пульсации давления, вызывающие вибрацию бурильной колонны, особенно когда тарелки клапанов садятся неправильно. Эта вибрация иногда ощущается в буровом шланге.

Долото также передает колонне осевую вибрацию и крутильные колебания. Шарошечные долота с крупными зубьями обычно создают более сильную вибрацию, чем долота с мелкими поликристаллическими алмазными вставками. Эта вибрация усиливается с увеличением массы и частоты вращения долота. Стабилизация долота с помощью КНБК большого диаметра позволяет свести эту вибрацию к минимуму. Массивная наддолотная компоновка ослабляет вибрацию. Чем массивнее КНБК, тем эффективнее ослабляется вибрация.

Бурильная колонна, испытывающая крутильные колебания, ведет себя подобно винтовой пружине, изменяющей свою длину и диаметр при каждом цикле вибрации. В результате этого на стенках скважины возникают радиальные и осевые напряжения. Кроме того, крутильные колебания могут создавать кольцевые напряжения вследствие трения между колонной и стенками скважины.

Кольцевые напряжения создаются тангенциальной компонентой действующей силы вследствие трения между колонной и стенками скважины. Трение между колонной и стенками может быть двух типов, трение покоя и трение движения. Чтобы сдвинуть неподвижную бурильную колонну, нужно преодолеть трение покоя. Когда колонна находится в движении, между ней и стенками возникает трение движения. Силу трения обоих типов определяют по следующей формуле:

Где

F - сила трения

μ - коэффициент трения, и

N - радиальная сила, прижимающая колонну к стенкам скважины.

Коэффициент трения движения меньше, чем коэффициент трения покоя. Если вследствие крутильных колебаний частота вращения участка колонны уменьшается до нуля, для возобновления движения колонны нужно преодолеть трение покоя. Это трение влияет на кольцевые напряжения больше, чем трение движения.

162

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

При очень медленном вращении колонны многие ее участки бывают временно неподвижны. Ротор может вращать колонну равномерно, но долото периодически останавливается, а затем снова поворачивается. Винтовая пружина закручивается и раскручивается, и осевая нагрузка на долото колеблется. Если построить зависимость между крутящим моментом и частотой вращения, то можно обнаружить существование "пороговой" частоты вращения, до которой крутящий момент не проявляется. При этой частоте вращения развивается достаточный крутящий момент, чтобы преодолеть трение, из-за которого некоторые участки бурильной колонны временно неподвижны. Когда трение покоя преодолено, действует только сила трения движения, и крутящий момент уменьшается. При увеличении частоты вращения вибрация усиливается, и крутящий момент возрастает.

В общем случае, чем больше частота вращения, тем разрушительнее вибрация. При бурении некоторых вертикальных скважин может существовать критическая частота вращения, которая вызывает резонанс в бурильной колонне. При этом возникают сильнейшие вибрации, чрезвычайно опасные и для колонны, и для скважины. Вопреки расхожему мнению, в

большинстве скважин обычно не существует критической частоты вращения.12 Здесь слишком сильно варьируют геометрия ствола, параметры вибрации и ослабляющие факторы, чтобы возникал резонанс. Наиболее высока вероятность существования критической частоты вращения в вертикальных скважинах с номинальным диаметром ствола. Для точного расчета критической частоты вращения нужны идеальные условия.

Перекатывающаяся колонна никогда не отходит от стенок скважины. Перекатываться по стенкам скважины колонну вынуждает центробежная сила. При этом трение влияет на кольцевые напряжения, а поперечная нагрузка, прижимающая бурильную колонну к стенкам скважины, влияет на радиальные напряжения. Если имеют место крутильные колебания, то изменяются и осевые напряжения на стенках скважины.

Как мы помним, радиальные и осевые напряжения влияют на кольцевые напряжения. Все напряжения, обусловленные взаимодействием колонны со стенками скважины, являются циклическими, поэтому на стенках скважины происходят усталостные разрушения. Часто говорят о том, как поршневание при спуске и подъеме инструмента приводит к усталостному разрушению стенок скважины, но при этом происходит намного меньше циклов изменения давления, чем при вращении бурильной колонны.

Геометрия ствола (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Форма ствола напрямую влияет на устойчивость стенок скважины. Большие поперечные нагрузки, создаваемые колонной в месте резкого искривления ствола, создают высокие напряжения на стенках скважины. Желоба, выработанные в стенках, изменяют распределение напряжений. В местах расширения ствола возрастают нагрузки, обусловленные вибрацией колонны (рис. 8-27).

163

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Типы обрушения

Обрушение глинистых пород в скважину может происходить по двум основным причинам - вследствие разрушения из-за чрезмерных напряжений и вследствие ползучести или текучести. Разрушение из-за чрезмерных напряжений происходит, когда нагрузка превышает прочность породы. Ползучестью называют непрерывную пластическую деформацию под неизменной нагрузкой. Когда такие породы как соль и набухающие глины выдавливаются в скважину, происходит их обрушение вследствие ползучести. Напряжения, вызывающие ползучесть, могут иметь механическую или химическую природу.

Разрушение из-за чрезмерных напряжений

Есть шесть типов разрушения горных пород из-за чрезмерных напряжений. Четыре из них относятся к разрушению при сдвиге, и два - к разрушению при растяжении. Напряжения, вызывающие эти разрушения, могут иметь механическую или химическую природу.

Большая часть обрушений происходит вследствие разрушения при сдвиге. Как мы помним из материалов о кругах напряжений, величина максимального касательного напряжения равна половине разности между наибольшим и наименьшим главными напряжениями. Главными напряжениями, действующими на стенках скважины, обычно являются кольцевые напряжения σθ, осевые напряжения σz и радиальные напряжения σr. (рис. 8-33).

Четыре типа разрушения при сдвиге: (рис. 8-64)8

•В результате поперечного сдвига при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений

•В результате продольного сдвига при преобладающем действии осевых и кольцевых напряжений

•В результате косого сдвига при преобладающем действии осевых и радиальных напряжений

•В результате поперечного сдвига при преобладающем действии радиальных и кольцевых напряжений

Вкаждом случае разрушение происходит по полосам сдвига, где инициируется и продолжается скольжение до отделения обломка породы от стенки скважины.

Поперечный сдвиг при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений

происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют кольцевые напряжения, а наименьшее -радиальные напряжения: σθ > σz > σr. Такой сдвиг обусловлен разностью между кольцевыми и радиальными напряжениями (это наиболее часто встречающийся тип сдвига).

Продольный сдвиг при преобладающем действии осевых и кольцевых напряжений

происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют осевые напряжения, а наименьшее - радиальные напряжения: σz > σθ > σr (этот сдвиг может быть вызван трением бурильной колонны о стенки скважины при спуске).

Как поперечный сдвиг при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений, так и продольный сдвиг при преобладающем действии осевых и кольцевых напряжений происходят в вертикальных скважинах в направлении σh вследствие недостаточной плотности бурового раствора или эффекта поршневания при подъеме инструмента.

164

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Косой сдвиг при преобладающем действии осевых и радиальных напряжений

происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют осевые напряжения, а наименьшее - кольцевые напряжения: σz > σr > σθ.

Поперечный сдвиг при преобладающем действии радиальных и кольцевых напряжений

происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют радиальные напряжения, а наименьшее - либо кольцевые, либо осевые напряжения: σr > σz > σθ или σr > σθ > σz.

Как косой сдвиг при преобладающем действии осевых и радиальных напряжений, так и поперечный сдвиг при преобладающем действии радиальных и кольцевых напряжений происходят в направлении σH вследствие чрезмерной плотности бурового раствора или эффекта поршневания при спуске инструмента.

165

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 8-64 Типы разрушений при сдвиге и растяжении

Два типа разрушения при растяжении - гидроразрыв и отслаивание (рис. 8-64).

Гидроразрыв и обратимое поглощение обусловлены чрезмерно высокой плотностью бурового раствора (см. Радиальные напряжения и рис. 8-30).

Обратимое поглощение - поглощение, при котором буровой раствор медленно уходит в пласт при циркуляции, но возвращается в скважину при прекращении циркуляции. Это происходит, когда гидростатическое давление приближается к давлению гидроразрыва пласта. Гидравлические потери в кольцевом пространстве при циркуляции достаточно высоки, чтобы раскрылись трещины, образовавшиеся вследствие эффекта поршневания при спуске инструмента. После прекращения циркуляции трещины смыкаются, и буровой раствор выдавливается обратно в скважину.

166

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Отслаивание вследствие растяжения обусловлено недостаточной плотностью бурового раствора. Этот тип разрушения встречается обычно в шахтных стволах и в скважинах, бурящихся на депрессии Силовые линии поля напряжений на рис. 8-27А показывают развитие растягивающих напряжений в отсутствие радиальных напряжений, создаваемых давлением бурового раствора.

Ползучесть

Под действием касательных напряжений хрупкие породы разрушаются. Чем больше хрупкость, тем серьезнее разрушение. Пластичные породы, такие как соль и гипс, под нагрузкой не разрушаются, а текут, уменьшая сечение скважины.

Сначала наивысшие кольцевые напряжения действуют непосредственно на стенках скважины. Когда начнется пластическая деформация

породы на стенке, она уже не выдерживает полностью кольцевых напряжений, поэтому кольцевые напряжения распространяются в приствольную зону пласта. Таким образом, порода деформируется сначала на стенках скважины, а затем на все большем расстоянии от скважины. Зона деформации распространяется от стенки скважины в пласт на расстояние до трех радиусов (рис. 8-66).

Чтобы избежать прихватов, нужно проработать ствол и удалить попавший в него материал. Этот материал все еще воспринимает какую-то нагрузку, поэтому после проработки ствола процесс продолжится, и максимум кольцевых напряжений переместится дальше в пласт. Со временем в зоне, определяемой максимумом кольцевых напряжений, окажется достаточно материала, воспринимающего нагрузку, и деформация прекратится.

167

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Наибольшей ползучестью или текучестью характеризуются соль и гипс. Велика ползучесть глинистых пород и песчаников. Песчаники склонны к ползучести на большой глубине или под действием высоких тектонических напряжений. Молодые глинистые породы с тонкими плоскостями напластования более склонны к ползучести, чем более древние породы. Склонность к ползучести возрастает, когда скважина пересекает плоскости напластования под большими углами.

Обрушение, оползание и отслаивание

Говоря о потере устойчивости глинистых пород, часто употребляют термины обрушение, оползание и отслаивание 13. К сожалению, по этим терминам специалисты не пришли к единому мнению.

Чаще всего обрушивающимися глинистыми породами называют глинистые породы,

которые обваливаются в скважину при недостаточно высокой плотности бурового раствора. Используя этот термин, специалисты имеют в виду один из типов разрушения - поперечный сдвиг при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений. Можно также сказать, что глинистые породы этого типа обрушиваются на забой сразу же после вступления в контакт с буровым раствором.

Оползающие глинистые породы. Обычно считается, что оползающие глинистые породы обваливаются из-за проникновения в них фильтрата бурового раствора и из-за химических реакций с водой. Такие обвалы чаще всего происходят по истечении некоторого времени, на протяжении которого глина находилась в контакте с водой. Многие специалисты в отрасли считают, что эти термины отличаются по типу обрушения. Мне не удалось найти в технической литературе ничего, что однозначно отличало бы эти термины друг от друга.

Термин "отслаивание" не очень широко распространен вне горнодобывающей отрасли. Обычно под отслаиванием понимают отделение породы от стенок скважины вогнутыми концентрическими кусками.

Это неспециальные термины, которые недостаточно полно описывают типы обрушения. Тем не менее, они дают возможность различать напряженные состояния, обусловленные механическим воздействием, и напряженные состояния, обусловленные химическим воздействием. Это по меньшей мере дает буровой бригаде исходную информацию для ликвидации осложнений.

168

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Определение напряжений

Напряжения от веса вышележащих пород обычно составляют один фунт на квадратный дюйм на каждый фут глубины (1 фунт/дюйм2/фут). Более точно определить плотность породы можно по данным акустического каротажа и сейсмических исследований.

Наименьшие горизонтальные напряжения определяют по результатам испытаний пласта на утечку. Направление наибольших и наименьших напряжений определяется по ориентации поперечного сдвига при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений.

Наибольшие горизонтальные напряжения можно оценить, используя коэффициент Пуассона, напряжение от веса вышележащих пород, наименьшие горизонтальные напряжения и уравнения Кирша.14 David Woodland из Shell Canada привел пример, как рассчитывались напряжения в естественных условиях залегания в канадском поясе надвигов.15

На практике напряжения оценивают с использованием математических моделей и всей доступной информации. Затем эти модели корректируют до совпадения спрогнозированного расширения ствола с наблюденным расширением в пробуренной скважине.

Набухание и диспергирование

Катионный обмен

Прежде чем говорить о механизмах набухания глины, нужно уяснить химизм глин. Предпосылкой для глубокого понимания состава и поведения глин является инженерное образование. К счастью, для большинства работников буровой отрасли глубокое понимание не требуется, хотя определенные знания нужны. Чем больше мы понимаем, тем лучше. Автор отсылает заинтересованных читателей к работе Gray et al.1 и к отраслевым руководствам по буровым растворам, которые помогут хорошо узнать минеральный состав и химические аспекты работы с буровыми растворами.

Кристаллы глинистых минералов несут поверхностные заряды, компенсируемые адсорбцией обменных катионов. Катион - это положительно заряженный ион. Он притягивается к отрицательному заряду на поверхности кристалла глинистого минерала и удерживается на поверхности кристалла, как магнит на холодильнике. Адсорбированные катионы изменяют физические свойства глины. Специфические свойства глины зависят от типа адсорбированного иона.

Обменным катионом называют ион, который может быть заменен другими ионами в присутствии воды. То волшебство, которое демонстрируют инженеры по буровым растворам, обрабатывая набухающие глины, основано на обмене ионов, содержащихся в глине, на ионы, помогающие удерживать вместе пластинчатые глинистые частицы. Это возможно потому, что один ион может заменить другой, если его валентность выше. Способность ионов адсорбироваться обычно соответствует следующему лиотропному ряду:

Н+ > Ва++ > Sr++ > Са++ > Cs+ > Rb+ > К+ > Na+ > Li+

Как можно видеть, водород Н+ адсорбируется очень легко. Это объясняет сильное влияние показателя рН на основные реакции обмена.

169

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