ВВЕДЕНИЕ

На протяжении полутора столетий бурение скважин на нефть и газ обеспечивается механическим способом. В этом случае породораз-рушающий инструмент вступает в непосредственный контакт с поверх-ностью забоя скважины.

Углубление скважины обеспечивается постоянным разрушением поверхностного слоя горной породы забоя, изначально находящегося в сложном напряженном состоянии. Действие породоразрушающего инст-румента на забой скважины обеспечивает изменение напряженного состо-яния, определяет эффективность разрушения горной породы и создает предпосылки для реализации эффективного бурения скважины. На про-цесс бурения скважины механическим способом положительное и отрица-тельное влияние оказывают многие факторы. Для понимания процесса бу-рения необходимо детально рассмотреть основные из них.

1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ОКРЕСТНОСТИ СКВАЖИНЫ

1.1. Начальное напряженное состояние массива горных пород

 

В задачах механики обычно начальное напряженное состояние, в котором находится тело перед деформированием, является нулевым. Это означает, что механические напряжения в теле перед его нагружением отсутствуют: все компоненты тензора напряжения равны нулю. Перед бурением скважины ситуация выглядит совершенно по-другому: массив горных пород, через который будет проложена скважина, еще до начала буровых работ находится в ненулевом напряженном состоянии: компоненты тензора напряжения не равны нулю. Это напряженное сос-тояние называется начальным.

Напряжения сжатия в горных породах возникают уже при их формировании: в магматических - при остывании магмы, в осадочных - при гравитационном уплотнении осадков, в метаморфических - при пере-кристаллизации исходных осадочных и магматических горных пород. Современное напряженно-деформируемое состояние, в котором находятся массивы горных пород, обусловлено в значительной степени силой тяжести и тектоническими процессами.

Проведенные измерения напряжений в массивах горных пород лито-сферы показывают, что компоненты тензора напряжений начального напряженного состояния могут достигать значительной величины. Именно по этой причине их необходимо учитывать еще до сооружения скважины.

Напряженное состояние, в котором находится массив горных пород, принято определять тензором напряжения Т_н, состоящим либо из трех нормальных напряжений_x, _y, _z и трех касательных напряжений _xy = _yx _xz = _zx _yz =_zy

,

либо из трех главных нормальных напряжений ₁ > ₂ > ₃:

.

Факторы, влияющие на величину напряжений начального напря-женного состояния, делят обычно на два вида:

1) действующие постоянно и повсеместно (сила тяжести, темпе-ратура, физико-химические свойства пород, рельеф поверхности),

2) действующие временно и локально (деятельность человека, тек-тонические силы).

1.1.1. Геостатическое давление. Рассмотрим модель изотропного линейно-деформируемого массива горных пород. В цилиндрической системе координат ось z направим вниз перпендикулярно поверхности земли. Тензор напряжений в цилиндрической системе координат и при наличии симметрии имеет вид

,

т.е. наблюдается отсутствие зависимости напряжений от полярной коор-динаты (_r = _z = 0). Величина

_z = _пgH,

где H - глубина нахождения рассматриваемой точки в литосфере,  - удельный вес вышележащей горной породы, а _пее плотность, называется геостатическим давлением, _r и _ - горизонтально действующие нормальные напряжения. Распределение напряжений в массивах горных пород может быть очень неоднородным.

Величина механических напряжений в литосфере в значительной степени зависит от удельного веса и глубины нахождения рас-сматриваемой точки массива. При плотности _п горной породы 2,5 г/см³ на глубине 1000 м геостатическое давление достигает 24,5 МПа, а если H = 10000 м, то _z = 245 МПа. Гравитационная сила обеспечивает возникновение напряжений, величину которых следует воспринимать как равновесное значение геостатического давления. В приведенном примере значения геостатического давления 24,5 МПа, 245 МПа определяют величину равновесных напряжений на разных глубинах.

В осадочных горных породах величина геостатического давления линейно растет с глубиной и соответствует равновесному значению нап-ряжений, расчитываемых по данным о величине средней плотности распо-ложенных выше горных пород.

В скальных массивах горных пород под действием тектонических сил могут возникнуть вертикальные напряжения, превышающие ука-занные выше равновесные значения напряжений. Превышение механи-ческими напряжениями равновесных значений дает основание говорить о появлении в литосфере избыточных напряжений. Избыточными напря-жениями может обладать и геостатическое давление и горизонтальные напряжения. Исследователями отмечается, что хотя больших значений чаще достигают горизонтальные избыточные напряжения, но и вер-тикальные избыточные напряжения могут превосходить равновесную величину геостатического давления в несколько раз. Тектонические силы вызывают появление в литосфере напряжений, достигающих предела прочности горных пород и вызывающих землетрясения.

1.1.2. Геостатическое давление в пористых горных породах, эффективное напряжение. Если проницаемость горных пород велика, то давление жидкости Р_п в порах породы литосферы на глубине H равно гидростатическому давлению Р_г, создаваемому столбом жидкости высотой H:

Р_п = Р_г = _жgH, 

где_ж - плотность жидкости (водные растворы). Гидростатическое давление - равновесное давление.

Глубинное бурение показывает, что поровое (пластовое) давление может не только существенно отличаться от равновесного гидроста-тического давления уже на небольших глубинах Р_п  Р_г, но может даже приблизиться к геостатическому: давлению Р_п  _z.

В этом случае давление, действующее между зернами минералов в горной породе, будет понижено: между зернами минералов в пористой горной породе действует не геостатическое, а эффективное напряжение Р_эф , определяемое выражением:

Р_эф = _z - кP_п,

где к - коэффициент, зависящий от геометрии поры, её размера, величины зерен (считается, что к 1).

Появление и увеличение гидростатического порового давления Р_п в породе равносильно действию шарового тензора напряжений

который обеспечивает уменьшение среднего нормального напряжения, действующего между твердой компонентой горной породы, приводит к уменьшению эффективного нормального напряжения Р_эф между зернами минералов, т.е. способствует увеличению объема горной породы (ано-мальное уплотнение).

Так как величина касательных напряжений тензора-девиатора при этом не меняется, то подобная особенность изменения напряжений в горной породе приводит к облегчению разрушения породы сдвигом.

В практике бурения широко используется не абсолютная величина давлений, а относительные давления (индексы давления):

_z / Р_г - относительное геостатическое давление, 

_r / Р_г - относительное боковое давление, 

Р_пл/ Р_г - относительное пластовое давление.

Величину относительного давления важно знать при производстве ремонтных работ в скважине, при зарезке второго ствола, чтобы пра-вильно выбрать плотность промывочной жидкости. Если плотность промывочной жидкости такова, что Р_пл/Р_г<1, то может произойти поглощение раствора пластом вплоть до полной потери циркуляции. Это может вызвать, в свою очередь, сужение диаметра скважины, осыпи горных пород стенки скважины. При Р_пл /Р_г >1 происходит перелив промывочной жидкости из кольцевого пространства на устье скважины. Наиболее благоприятные работы в скважине создаются в тогда, когда выполняется условие Р_пл /Р_г=1.

Если величина относительного пластового давления Р_пл / Р_г превы-шает значение 1,2 (P_пл / P_г > 1.2), то говорят, что имеет место аномально высокое пластовое давление (АВПД). Если же справедливо неравенство P_пл / P_г < 0.8, то говорят об аномально низком пластовом давлении (АНПД).

Аномально высокие поровые давления возникают в глинистых толщах, перекрывающих залежи с аномально высоким пластовым давлением, но могут и не соседствовать с высоконапорной продуктивной залежью, т.е. возникают самостоятельно.

На разрушение горной породы АВПД и АНПД влияют различно: если АВПД стимулирует развитие разрушения сколом, то АНПД затрудняет этот процесс.

Вероятность встречи с АВПД при увеличении глубины бурения скважины возрастает. Это связано с уплотнением горных пород в результате снижения пористости горной породы под действием геостатического давления. Этот процесс при отсутствии дренируемости поровой жидкости сопровождается ростом порового давления. АВПД, снижая вертикальную нагрузку на скелет породы, приводит к ано-мальному уплотнению породы.

Встреча с АВПД может привести к аварийным ситуациям, т.е. к вы-бросам (водопроявления, нефтегазопроявления).

1.1.3. Коэффициент бокового распора. Если бы под действием силы тяжести массив горных пород мог свободно сжиматься, одновременно расширяясь в горизонтальных направлениях, то горизон-тальные нормальные напряжения _r, _ были бы равны нулю. Но этого не происходит из-за того, что расширению массива препятствуют окружа-ющие его горные породы. Отсутствие расширения породы в горизон-тальной плоскости означает, что линейные относительные деформации подчиняются условию

_r = _ = 0.

В этом случае из физических уравнений обобщенного закона Гука возникает следующая связь между геостатическим давлением и горизон-тальными нормальными напряжениями:

_r /_z = _ / _z = / (1‑) = ,

где  - коэффициент бокового распора. Физический смысл коэффициента бокового распора заключается в том, что он определяет величину отно-шения горизонтально действующих нормальных напряжений _r, _ к вер-тикально действующему геостатическому давлению _z.

Компоненты тензора начального напряженного состояния для однородного массива горных пород имеют в цилиндрической системе ко-ординат следующий вид:

_z = ,

_r = _ = [/ (1‑)],

_rz = 0.

Величина коэффициента бокового распора  изменяется в узких пределах 0,2  - 0,9. Это означает, что горизонтальные нормальные нап-ряжения _r и _ (боковое напряжение) определяются геостатическим напряжением и величиной коэффициента бокового распора:

_r = _ = (0,2 - 0,9)_z.

В глинистой горной породе, насыщенной водой, в горных породах, упругость которых незначительна, величина  приближается к единице:  1,0. В жидкой среде, которая вовсе не может выдерживать действие касательных напряжений без возникновения в ней течения, выполняются следующие соотношения:

 = 0.5,   = 1.

Выполнение неравенства  > 1 (_r > _z ; _ > _z) однозначно указывает на присутствие в массиве горных пород сил, природа которых не связана с гравитацией (тектонические силы, например).

Увеличение геостатического и горизонтальных напряжений до значений, сопоставимых с величиной прочности горных пород на сжатие, приводит к тому, что при бурении скважины в тектонически активных регионах может создаться аварийная ситуация вследствие возникновения «стреляния» горной породы, слагающей стенку скважины: куски горной породы отлетают от стенки скважины, падают затем на забой, что и создает аварийную ситуацию (заклинивание инструмента).

Для неоднородного массива горных пород в системе координат XYZ число коэффициентов бокового распора достигает максимального значения:

_x/_z = _x; _y/_z = _y;

_xy/_z = _xy; _xz/_z = _xz; _yx/_z = _yz.

Поле начальных напряжений, в котором выполняется условие

_x = 1, _y = 1, _xy = _xz = _yz = 0,

называется гидростатическим.