4.2. Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении

4.2.1. Влияние гидродинамического давления. Гидродинамическое давление жидкости на забой скважины P_з определяется суммарным действием гидростатического давления P_г = _жgH и потерями давления в кольцевом пространстве P_кп, возникающими при циркуляции промывоч-ной жидкости в скважине:

P_з = _жgH +P_кп.

Давление P_з препятствует развитию магистральной трещины, т.к. прижимает консоль к забою. Разделив левую и правую части записанного выражения на величину gH , формуле можно придать иной вид:

_экв = _ж +P_кп / gH.

Эта формула показывает, что увеличение гидравлических сопротив-лений в кольцевом пространстве эквивалентно возрастанию плотности промывочной жидкости. Такое возрастание плотности может произойти с увеличением производительности циркуляции (интенсивности промывки). Особенно это заметно при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному. Величина P_кп может измениться при этом на 2 МПа и даже более. Это давление мало по сравнению с величиной гидроста-тического давления столба промывочной жидкости, но оно может оказать решающее влияние на снижение механической скорости бурения, когда гидростатическое и пластовое давления близки по величине. Этого может оказаться достаточно для того, чтобы механическая скорость бурения уменьшилась на 50 – 100 %. Таким образом, плотность промывочной жид-кости не является единственным параметром, изменение которого может привести к существенному изменению гидростатического давления P_г и давления жидкости на забой P_з.

Имеющиеся данные однозначно свидетельствуют о том, что рост дав-ления жидкости на забой приводит к уменьшению механической скорости бурения, если остальные условия сохраняются неизменными. Снижение гидростатического давления обеспечивается использованием аэрирован-ных (газированных) жидкостей, воздуха, дискретным или плавным изменением плотности промывочной жидкости. Однако следует помнить, что достижение максимальной механической скорости бурения не является целью бурения. Наблюдающееся увеличение или уменьшение механи-ческой скорости бурения, происходящее при изменении плотности промы-вочной жидкости, чаще всего является сопутствующим результатом, главной же целью введения химреагентов в буровой раствор, изменяющих плотность раствора, является предупреждение аварий.

4.2.2. Влияние дифференциального давления. При разбуривании проницаемых горных пород необходимо учитывать влияние дифференци-ального давления Р_диф на разрушение

Р_диф = P_з - P_пл,

где P_з - давление жидкости на забой, P_пл - пластовое (поровое) давление.

Формула показывает, что на процесс отламывания консоли влияет перепад давления между скважиной и пластом. Величина дифферен-циального давления на забое скважины определяется плотностью промы-вочной жидкости и гидравлическими сопротивлениями в кольцевом пространстве: чем ниже эти величины, тем меньше дифференциальное давление.

Процесс углубления забоя скважины может происходить при положительном дифференциальном давлении Р = P_з - P_пл  0 (репрессия), при равновесном давлении Р = 0 или P_з = P_пл и при несбалансированном давлении на забое P_з < P_пл (депрессия). В последнем случае дифферен-циальное давление называют отрицательным.

При разрушении проницаемых горных пород фильтрат бурового раствора проникает в горную породу забоя и изменяет величину давления в порах. В этом случае выражение для дифференциального давления принимает вид Р_диф = P_з - P_р, где P_р - давление жидкости на глубине разрушения. По этой причине для улучшения разрушения горной породы долотом необходимо стремиться к увеличению показателя фильтрации промывочной жидкости и к уменьшению толщины фильтрационной корки. Такое требование выполняется при бурении непроницаемых пород: в этом случае фильтрат бурового раствора не в состоянии изменить величину давления поровой жидкости. Это объясняет тот факт, что именно при разбуривании проницаемых горных пород дифференциальное давление имеет более выраженное влияние на разрушение.

Влияние дифференциального давления на разрушение породы на забое проявляется в следующем:

▪ при положительном дифференциальном давлении в результате прижатия частиц разрушенной горной породы к забою скважины за-трудняется промывка забоя. Это приводит к неоднократному перемалы-ванию уже разбуренной породы;

▪ при отрицательном дифференциальном давлении задача отрыва частиц шлама от поверхности забоя решена: забой очищает себя само-стоятельно;

▪ положительное дифференциальное давление способно существенно упрочнить горные породы, слагающие поверхность забоя, вследствие того, что разность давлений (P_з - P_пл) приводит к появлению сжимающих напряжений. Для разрушения горной породы при положительном дифференциальном давлении необходимо увеличивать контактное давление Р_к = F/S. Практика бурения показывает, что чем меньше вязкость и больше показатель фильтрации промывочной жидкости, тем скорее вы-равнивается давление в зоне разрушения и меньше сказывается негативное влияние положительного дифференциального давления на разрушение горных пород;

▪ отрицательное дифференциальное давление, наоборот, разупрочняет горную породу забоя: разность давлений (P_з -P_пл) приводит к появлению растягивающих напряжений в скелете горной породы. При бурении с отрицательным дифференциальным давлением лучше использовать растворы с нулевой фильтрацией, образующие непроницаемый кольмата-ционный слой на стенке скважины.

Эмпирическое уравнение, связывающее величину механической скорости с дифференциальным давлением, имеет вид

V_мех = V_оe^{-k(Pз - Pпл)},

где V_о = V_мех при P_з = P_пл, k - экспериментальная постоянная. Если разницу (P_з - P_пл) поддерживать постоянной, то механическая скорость не будет меняться. Согласно промысловым данным, увеличение дифференциаль-ного давления от 0 до 7,0 МПа во многих случаях сопровождалось снижением механической скорости на 24 – 73 %. Причем вид этой зави-симости может быть как прямолинейным, так и криволинейным.

Имеются данные, свидетельствующие о том, что степень влияния дифференциального давления на механическую скорость проходки зависит от осевой нагрузки на долото: с увеличением осевого усилия зависимость механической скорости от дифференциального давления становится более существенной. Это связано с большим повреждением горной породы забоя при внедрении в него породоразрушающих элементов вооружения долота под действием большего усилия.

Дифференциальное давление может резко измениться при проводке скважин через зоны с аномально высоким и аномально низким пластовым давлением: в первом случае произойдет увеличение механической скорости бурения, а во втором - уменьшение V_мех. Подчеркнем, что при разбуривании горных пород в зонах с АВПД возможно достижение больших механических скоростей бурения и при использовании утяже-ленных буровых растворов.

При бурении скважин встреча с аномально высоким пластовыми дав-лением может быть устанавлена, в частности, по следующим признакам:

1.Самопроизвольное постоянное увеличение механической скорости бурения.

Когда скважина входит в область залегания горных пород с аномально высоким пластовым давлением, то при постоянной плотности бурового раствора силы, удерживающие частицы шлама на забое снижаются по мере роста порового давления. В этих условиях возникает самопроизвольное постоянное увеличение механической скорости бурения, что является признаком внедрения скважины в зону АВПД с постоянным возрастанием порового давления. При быстром росте ано-мальности давления возможно и резкое увеличение механической ско-рости: “скачок проходки”. “Скачок проходки” следует рассматривать как признак возможного проявления (при возрастании механической скорости более чем в два раза).

Существенное увеличение механической скорости бурения вследствие улучшения условий очистки забоя от шлама наблюдается после того, как перепад давления между скважиной и пластом становится меньше 3,5 МПа. Когда давление в скважине превышает поровое более, чем на 3,5 МПА, то признаки АВПД подавляются и механическая скорость бурения уже не может служить индикатором высокого порового давления, особен-но в условиях небольшой аномальности давления и высоких значений плотности раствора.

2. Изменение вращающего момента долота и нагрузки на крюке.

Если перепад давления направлен в сторону скважины , то глинистая горная порода будет выдавливаться в ствол. Уменьшение диаметра сква-жины, происходящее при неизменных частоте вращения и осевого усилия контролируется увеличением вращающего момента и нагрузки на крюке. Отмечается, что увеличение вращающего момента становится заметно при перепаде давления, равном 0,12 г/см³ эквивалентной плотности бурового раствора, увеличение нагрузки до 150 кН является признаком значитель-ного превышения порового давления над забойным.

2. Увеличение количества шлама на вибросите.

При вхождении скважины в область аномального порового давления улучшается отделение частиц шлама от поверхности забоя. Это способс-твует тому, что не просходит вторичного разрушения частиц шлама. По этой причине на вибросите появляется не только увеличенное количество шлама , но и размер частиц шлама больший.

По сложившейся практике бурение рекомендуется вести при положительном дифференциальном давлении с разницей P_з - P_пл = (11,5)· 10^-1 МПа. Новые технологии бурения позволяют вести бурение при отрицательном дифференциальном давлении. Бурение в таких условиях требует от буровиков четкого представления о том, что происходит на забое. Первым условием, которое необходимо выполнить при бурении скважин с отрицательным дифференциальным давлением, является качест-венное разобщение скважины и пласта. Это достигается управляемой кольматацией - искусственным разделением скважины и пересекающих ее пластов горных пород.

Достижение условия P_з < P_пл обеспечивается постепенным снижением плотности циркулирующей промывочной жидкости _экв .

4.2.3. Влияние угнетающего давления. Заключительная стадия разрушения горной породы вдавливанием индентора связана с развитием магистральной трещины. В момент возникновения этой трещины давление в её полости равно нулю, т.е. Р_пол = 0. Это означает, что между давлением промывочной жидкости на забое скважины Р_з и давлением в полости магистральной трещины возникает перепад давления (Р_з - P_пол). Этот перепад давления

Р_у = Р_з - Р_пол

называется угнетающим давлением. Выбор данного названия связан с тем, что давление Р_у прижимает (угнетает) консоль к поверхности нераз-рушенной породы забоя и препятствует отлому консоли.

Угнетающее давление может достигать десятков МПа. По этой причине оно существенно затрудняет развитие разрушения породы. Снижение угнетающего давления связано с проникновением промывочной жидкости в полость магистральной трещины. Для заполнения полости магистральной трещины промывочной жидкостью и увеличения в ней давления необходим промежуток времени (t_з + t_у), где t_з - время заполнения полости трещины жидкостью, t_у - время восстановления давления в полости.

Для облегчения разрушения породы на забое необходимо, чтобы фильтрат промывочной жидкости обладал малой вязкостью и проникал в полость магистральной трещины с большей скоростью. В зависимости от времени контакта зуба долота с горной породой τ_к = 60/(z), где  - частота вращения долота, z - число зубьев в венце шарошки, значения Р_пол и Р_у будут различными:

▪ если τ_к < (t_з + t_у), то Р_пол = 0 и угнетающее давление достигает максимальной величины Р_у = Р_з; в этом случае происходит сдерживание развития магистральной трещины;

▪ если время контакта больше времени заполнения фильтратом промывочной жидкости полости магистральной трещины, т.е. τ_к > (t_з + t_у), то Р_пол = Р_пл. В этом случае угнетающее давление достигает минимального значения Р_у = Р_з - P_р и способствует улучшению разрушения горной породы.

В общем случае будет справедливо следующее неравенство

(Р_з - P_р)  Р_у  Р_з,

т.е. в зависимости от условий разрушения проницаемых горных пород, угнетающее давление может измениться от дифференциального давления до давления, оказываемого промывочной жидкостью на забой скважины.

При бурении скважин величина возникающего угнетающего давления регулируется не только изменением физических свойств промывочной жидкости, но и частотой вращения породоразрушающего инструмента.