книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

но изложены в работах В. Мори, Д. Фурментро, А. Гено, Ф.Ж. Сантарелли, И. Вурдалакиса, Ж. Сюлема и ряда других исследовате­ лей и представлены в трудах европейских конгрессов [34, 35].

Разрушение типа А проявляется в виде классических поверх­ ностей сдвига, ориентированных под углом п/4-р/2 к направле­ нию наибольшего главного напряжения (р - угол внутреннего трения породы) и пересекающихся в плоскостях, параллельных осевому напряжению. При анизотропных действиях нагрузок сечение скважины приобретает овальную форму.

Разрушение типа В проявляется в виде поверхностей сдвига, пересекающихся в плоскостях, параллельных касательному на­ пряжению. Обломки пород при анизотропных действиях нагру­ зок приобретают тороидальную форму.

Разрушение типа С проявляется в виде образования на стен­ ке скважины многочисленных поверхностей разрушения, пересе­ кающихся в плоскостях, параллельных радиальному напряже­ нию.

Разрушение типа Д образуется при высоком внутреннем дав­ лении и проявляется в форме гидроразрыва.

Наиболее интересный результат исследований заключается в понимании того, что концентрация касательных напряжений мо­ жет иметь место внутри боковой стенки скважины на расстоянии порядка нескольких процентов от размера радиуса отверстия, а не на стенке. Как следствие, в глубине массива зарождаются ма­ гистральные трещины, выходящие на выработанное пространство (стенку скважины) и приводящие к разрушению материала. Од­ нако если траектория линий разрушения четко определяется со­ стоянием распределения напряжений на стенке скважины и сво­ им положением относительно классических критериев КулонаМора, то исследования показывают, что такая ситуация может привести к трем видам разрушения в форме сдвигов, появляю­ щихся до того, как будет достигнут режим трещинообразования при растяжении (случай гидроразрыва). При этом различные виды разрушения определяются соотношением внутреннего давлец^я (бурового раствора) и составляющих параметров горно­ го давления [26]. На рис. 5.1.1 представлены схемы основных типов разрушения вокруг скважины (данные из работы В. Мори [26]). F

Следует отметить, что А. Гено и Ф.Ж. Сантарелли [26, 34] разработали стандартные номограммы для расчета условий ус­ тойчивости вертикальной скважины, в которых учитывается как Давление бурового раствора, так и соотношение компонент горног° Давления. Использование этих номограмм позволяет пред­ сказывать тип разрушения в зависимости от плотности раствора,

Промежуточное

напряжение

D

Разрушение при растяжении типа D

Рис. 5.1.1. Основные типы разрушения горных пород вокруг скважины (по А. Гено и Ф.Ж . Сантарелли [26, 33])

физико-механических свойств и напряженного состояния горного массива.

Необходимо учитывать, что если горная порода насыщена флюидом, то на устойчивость скважин также влияет поровое давление. Известно, что поровое давление негативно сказывается

на устойчивости пород. Рассмотрим это на простом примере го­ ризонтальной скважины во флюидонасыщенной породе. Пусть горизонтальная скважина на глубине Я заполнена буровым рас­ твором под давлением рт} равным исходному пластовому давле­ нию р0. В данных условиях фильтрации флюида не происходит и полные напряжения можно найти по формулам 5.1.1 (с учетом давления бурового раствора). Если обозначить сн = уЯ, а* = ХуЯ, то выражение для напряжений в наиболее нагруженной горизон­ тальной плоскости запишется в следующем виде:

Анализ этих формул показывает, что после образования гори­ зонтальной скважины среднее главное напряжение изменяется относительно исходного состояния массива. Поскольку фильтра­ ции флюида не происходит, то это означает возникновение избы­ точного порового давления. В рассматриваемом горизонтальном сечении распределение порового давления выражается зависи­ мостью

где В - коэффициент Скемптона [33].

С помощью соотношений 5.1.5 и 5.1.6 можно произвести оценку устойчивости ствола скважины в анизотропном поле на­ пряжений. Критерий разрушения Кулона-Мора для насыщенной среды записывается в виде:

F = (oj - ар) - стсж - (сг3 - ар)р,

где р = (1 + sincp)/(l ~ sincp).

Ha рис. 5.1.2 показан расчетный критерий разрушения для су­ хой и насыщенной породы. Результаты показывают важность учета особенностей пористых насыщенных сред, так как при со­ ответствующих условиях традиционное решение для обычных пород приводит к переоценке устойчивости скважины.

Для рассмотренной простой задачи имеется аналитическое решение. В более сложных случаях целесообразнее всего исполь­ зовать численные методы, например модель фильтрационной консолидации (см. раздел 2.7). В качестве примера приведем оценку устойчивости открытого ствола скважины при проведе­ нии щелевой перфорации. Задача решалась для условий турней-

фаменского объекта Сибирского нефтяного месторождения в Пермской области. Расчетная схема задачи показана на рис. 5.1.3. В скважине радиусом 0,108 м создаются 4 щели длиной 0,25 м и шириной 0,04 м. Основной целью расчетов являлось исследова­ ние влияния физико-механических свойств горных пород, а так­ же создаваемой депрессии на работу щелей. Как известно, основ­ ное назначение щелевой перфорации состоит в интенсификации притоков за счет увеличения эффективного радиуса скважины. Это достигается с одной стороны, за счет разгрузки массива в непосредственной близости от щелей, а с другой стороны - за счет разрушения и разуплотнения пород в зонах концентрации напряжений. Расчеты показали, что при заданной прочности по­ род зоны разрушения увеличиваются с ростом депрессии. На рис. 5.1.3 показаны условные зоны неупругих деформаций (по критерию Кулона-Мора) при депрессии 6 МПа и 12 МПа. Пер­ воначально при небольших величинах депрессии разрушение по­ род происходит в зонах концентрации напряжений на концах щелей. Непосредственно на стенках скважины и стенках щелей возникают растягивающие напряжения, что может приводить к появлению зон разрушения от растяжения (выделены черным цветом на рис. 5.1.3). В приведенном примере была задана до­ вольно низкая прочность на растяжение - 2,5 МПа, что привело к появлению заметных зон разрушения от растяжения. В то же время при ар = 5 МПа этих зон уже не возникает.

При росте депрессии зоны неупругих деформаций начинают увеличиваться, и в определенный момент образуются сплошные

кольцевые зоны, увеличивающие ее эффективный радиус и ин­ тенсификацию притоков нефти.

Рассмотренные примеры показывают важность геомеханического обоснования параметров щелевой перфорации с учетом физико-механических свойств коллекторов и других промысло­ вых условий.

5.2. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН, СТРОЯЩИХСЯ НА ТЕРРИТОРИИ ВКМКС

И НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Главным принципом, определяющим выбор оптимальной кон­ струкции скважины, является разбивка интервала бурения на зоны гидродинамической несовместимости и их разобщение. В связи с этим существует большое число конструкций нефтяных и газовых скважин. Рассмотрим типовые конструкции нефтяных скважин, применяемых на территории ВКМКС и в Западной Сибири.

В условиях территории ВКМКС конструкция нефтяных скважин должна выполнять важнейшую функцию - надежно защищать продуктивную толщу калийного месторождения от проникновения над- и подсолевых флюидов в течение всего сро­ ка эксплуатации скважин и после их ликвидации. Актуальность данной проблемы неизмеримо вырастает при отработке калийно­ го месторождения вблизи скважины. Возникающие при этом до­ полнительные деформации и напряжения могут привести к ее полному нарушению и, как следствие, к нарушению сохранности водозащитной толщи. Важнейшим условием при этом является сохранность цементного камня при воздействии на него как внешнего (горного с учетом тектонической и дополнительной составляющей), так и внутреннего давлений, так как именно це­ ментный камень - тот несущий элемент, который предотвращает перетоки флюидов. Для территории ВКМКС соответствующей инструкцией [28] устанавливается особая, утяжеленная конст­ рукция скважин, бурящихся на подсолевые нефтегазоносные комплексы (рис. 5.2.1):

первое направление длиной Ю м спускается для предотвра­ щения размыва устья скважины и цементируется до устья;

второе направление спускается для перекрытия неустойчивых четвертичных отложений на глубину 40-50 м и цементируется до устья;

кондуктор спускается для перекрытия надсолевого водоносно­ го комплекса с установкой башмака в первом пласте каменной