vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

101

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.

Гидроразрыв и обратимое поглощение обусловлены чрезмерно высокой плотностью бурового раствора.

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.

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. 6.32 А 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. Когда порода разрушается, она теряет свою прочность. При пластической деформации породы прочность теряется лишь частично. Чем выше упруго-пластические свойства породы, тем в большей степени сохраняется ее прочность при деформировании. Некоторые горные породы в реальных условиях заметно проявляют свойство, известное как "ползучесть" или текучесть. На рис.66 показаны зависимости между напряжением и деформацией для хрупких и пластичных материалов.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

102

Рис. 66 Пластическая деформация и ползучесть (Хрупкие породы разрушаются и теряют прочность Пластичные породы деформируются, но все же сохраняют прочность).

Ползучесть проявляется после начала бурения скважины. Напряжения в материале, удаленном долотом, должны быть восполнены кольцевыми напряжениями и радиальными напряжениями, обусловленными давлением столба бурового раствора. Если кольцевые напряжения слишком высоки, начнется пластическая деформация породы и выдавливание ее в скважину.

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.67).

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.

Если кольцевые напряжения слишком высоки, начнется пластическая деформация пород и выдавливание породы в скважину. Выдавленная порода все еще воспринимает определенную нагрузку, поэтому после проработки ствола процесс продолжится, и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

103

максимум кольцевых напряжений переместится дальше в пласт. Со временем установится равновесное состояние, и выдавливание прекратится.

Рис. 67 Распределение напряжений в пластичных породах

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. 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.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

104

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.

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. David Woodland из Shell Canada привел пример, как рассчитывались напряжения в естественных условиях залегания в канадском поясе надвигов.

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

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.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

105

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. Следует отметить, что монтмориллонит обладает более высокой селективностью по отношению к ионам калия (К+), чем к ионам кальция (Са++) и натрия (Na+). Это обусловлено "негидратируемым" размером катиона. Ион К+ имеет как раз такой размер, какой нужен для встраивания в гексагональную "дырку" в кристаллической решетке (атомной структуре) монтмориллонита. Другие ионы имеют меньший размер в свободном состоянии, но при гидратации они фактически становятся больше ионов калия.

Механизмы набухания

Есть два механизма набухания глин - кристаллизационное (адсорбционное) набухание и осмотическое набухание. Поверхностная гидратация или кристаллизационное набухание - адсорбция слоев молекул воды на поверхности глинистых частиц и в межслоевом пространстве кристаллической решетки глинистых минералов. Этот процесс называют кристаллизационным набуханием, вероятно, потому что вода настолько прочно удерживается на поверхности водородными связями, что становится квазикристаллической. Эта вода принимает такую же гексагональную координацию, которая характерна для гидроксидов в атомной структуре глины. Вода так прочно связана, что имеет более высокую вязкость и примерно на 3 % меньший объем, чем свободная вода у поверхности кристалла.

На поверхности смектитов адсорбируется несколько слоев молекул. Водород в воде первого слоя связывается с кислородом в глине. Водород связывается так прочно, что полярность молекул воды сильно возрастает (рис.68).

Рис. 68 Кристаллизационное набухание

(Положительный заряд в полярной молекуле воды притягивается к отрицательному заряду на поверхности глинистой породы. Вода связывается с глиной, и ее полярность возрастает. К слою воды, связанному с поверхностью глинистой породы, присоединяются дополнительные слои молекул воды. Вода "прилипает" к поверхности глинистой породы,

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

106

приобретая квазикристаллическую структуру, и ее очень трудно удалить.). В межслоевое пространство глинистых минералов могут втянуться только четыре слоя воды, поэтому большого набухания не происходит. Однако гидратационные напряжения будут очень высоки.

Атомы кислорода, содержащиеся в первом слое воды, притягивают атомы водорода из других молекул воды, таким образом к первому слою воды притягивается второй слой. Притягиваются также третий и четвертый слой воды. Четвертый слой связан не так прочно, как третий, второй или первый слой. Первый слой связан так прочно, что для выдавливания этой воды из глины требуется давление 80 тыс. фунт/дюйм2. Для удаления второго слоя требуется уже 40 тыс. фунт/дюйм2, для удаления третьего слоя - 20 тыс. фунт/дюйм2, и для удаления четвертого слоя - всего лишь 10 тыс. фунт/дюйм2. В процессе адсорбции эти слои кристаллической воды создают гидратационные напряжения, равные указанным значениям давления.

В результате кристаллизационного набухания объем смектитовых глин может увеличиться вдвое. Кристаллизационное набухание характерно также для филлитовых и других глин, но в меньшей степени. Вода не проникает между слоями жесткой кристаллической решетки иллита и каолинита. Тем не менее, вода адсорбируется на краях и вызывает некоторое гидратационное напряжение.

Осмотическое набухание

Для смектитов характерен еще один типа набухания, известный как осмотическое набухание. Вода втягивается в пространство между глинистыми частицами, поскольку концентрация катионов в этом пространстве выше, чем в буровом растворе (рис. 69).

Рис. 69 Осмотическое набухание (В результате кристаллического набухания бентонитовые глины могут набухать с увеличением объема вдвое. При этом на поверхности каждой пластинчатой глинистой частицы адсорбируется четыре слоя молекул воды. При осмотическом набухании в пространство между слоями пластинчатых глинистых частиц втягивается большое количество воды благодаря притягиванию молекул воды катионами. В результате этого глинистые частицы значительно раздвигаются, и глина увеличивается в объеме в 14 - 20 раз, и даже может полностью диспергироваться).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

107

В процессе осмотического набухания в пространство между глинистыми частицами проникает намного больше воды, чем при кристаллизационном набухании. В результате осмотического набухания натриевый монтмориллонит увеличивается в объеме в 14 - 20 раз и полностью диспергируется на частицы коллоидного размера. Однако гидратационные напряжения при этом меньше, всего лишь порядка 2 тыс. фунт/дюйм2. Это объясняется тем, что при осмотическом набухании молекулы воды не так прочно удерживаются глиной, как при кристаллизационном набухании. Полярные молекулы воды притягиваются к катионам, которые, в свою очередь, немного уменьшают их полярность. Затем к этим молекулам притягиваются другие полярные молекулы воды, и так далее.

Молекулы воды, участвующие в процессе осмотического набухания, не обязательно связываются глиной, как при кристаллизационном набухании. Они перемещаются в пространстве вокруг катионов и часто меняются местами с другими молекулами воды. При кристаллизационном набухании вода связывается глиной, и молекулы воды не меняются местами с другими молекулами. Кристаллизационное набухание и осмотическое набухание происходят одновременно.

Вес вышележащих пород выдавливает воду из глины. Сначала вытесняется вода, проникшая вследствие осмотического набухания, а затем, если вес вышележащих пород достаточно велик, вытесняются по очереди слои воды, адсорбированной в процессе кристаллизационного набухания.

Когда впоследствии в ходе бурения глина входит в контакт с водой, вода реадсорбируется, и глина испытывает гидратационные напряжения. Смектитовые глины адсорбируют большое количество воды, в результате чего они ведут себя как пластичные тела. Эти набухающие глины выдавливаются в скважину, уменьшая ее диаметр, а затем диспергируются. В результате происходит расширение ствола из-за воздействия потока жидкости и механической эрозии. При использовании ингибированных буровых растворов какое-то набухание происходит, но глинистые породы уже не могут стать такими пластичными. Процесс гидратации приводит к уменьшению кажущейся прочности породы при увеличении кольцевых напряжений. Глинистые породы могут деформироваться в результате действия касательных напряжений. При этом обваливаются большие куски породы, и диаметр ствола увеличивается. Эти большие куски продолжают адсорбировать воду. На подходе к виброситам они могут стать пластичными и липкими.

Фильтрат бурового раствора проникает в глинистую породу постепенно (см. Фильтрат бурового раствора). Поэтому набухание и обрушение породы происходят не сразу. Обычно разбуривание глинистых пород происходит без осложнений, но немного спустя (от двух до двенадцати часов) могут возникнуть серьезные проблемы. В некоторых случаях проблемы могут не появляться в течение нескольких дней. Чем выше содержание смектита, и чем больше проницаемость породы, тем скорее следует ожидать осложнений. Молодые слабоконсолидированные глинистые породы, залегающие у поверхности, обычно имеют высокую проницаемость (для глинистых пород) и высокое содержание бентонита. Отсутствие бокового давления около поверхности также способствует регидратации.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

108

Глубокозалегающие глинистые породы с невысоким содержанием смектитов могут испытывать гидратационные напряжения, если в них развита трещиноватость. На поверхностях трещин будет происходит кристаллизационное набухание, в результате чего довольно быстро возрастают кольцевые напряжения и уменьшается прочность породы.

2.4 Механизмы прихватов

Определение прихвата

Первым шагом в процессе решения проблемы является определение этой проблемы. Если проблема правильно не определена, то ее трудно решить. Приступая к ликвидации прихвата мы должны установить когда и как он возник.

Бурильная колонна считается прихваченной, когда приходится приостанавливать работу из-за того, что колонну нельзя поднять из скважины. Возможно, удастся доспустить колонну ниже места прихвата с вращением и циркуляцией, как это часто бывает при прохождении искривлений и поврежденных участков обсадной колонны. Но если мы не можем поднять инструмент из скважины, то налицо прихват.

Следующим шагом является определение того, как возник прихват. Другими словами, нужно установить тип или механизм прихвата.

Категории прихватов

Исторически принято разделять прихваты на обусловленные механическим взаимодействием и дифференциальные. Согласно современной терминологии

прихваты, обусловленные механическим взаимодействием, разделяются на две отдельные категории, а именно прихваты шламом или обвалившейся породой и заклинивание на участках со сложной геометрией ствола.

Это вызвано тем, что механизмы прихватов шламом или обвалившейся породой и заклинивания на участках со сложной геометрией ствола четко отличаются. Этим трем категориям ставятся в соответствие механизмы прихвата. Механизм определяется как действующая в скважине сила, препятствующая подъему колонны.

Почти в каждом регионе мира 80 % расходов, связанных с прихватами, приходятся на менее чем 20 % прихватов. Следует определить механизмы этих прихватов на каждом участке, где производится бурение, и сосредоточить свое внимание на них.

Прихват шламом или обвалившейся породой

Прихваты этой категории возникают, когда в скважине присутствуют твердые частицы, попадающие в кольцевое пространство между бурильной колонной и стенкой ствола и заклинивающиеся там. Обычно это шлам, куски обвалившейся породы или упавший в скважину металл. Крупные обломки легко перекрывают сечение кольцевого пространства и могут стать причиной прихвата, даже если они не мешают продолжать циркуляцию с полным расходом. Мелкие обломки, даже если они меньше зазора между бурильной колонной и стенкой ствола, также могут перекрыть кольцевое пространство и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

109

воспрепятствовать перемещению колонны. Шлам и куски обвалившейся породы могут упаковаться в кольцевом пространстве так плотно, что циркуляция станет невозможной. Таким образом возникает пробка.

Прихваты шламом или обвалившейся породой происходят наиболее часто. Обычно они возникают при подъеме инструмента, однако при продолжительном прекращении циркуляции может быть прихвачена и неподвижная колонна. Иногда такие прихваты возникают при спуске инструмента в скважину.

Прихваты шламом или обвалившейся породой создают наибольшую угрозу. Как правило, освободить колонну, прихваченную шламом или обвалившейся породой, труднее, чем колонну, заклинившуюся на участке со сложной геометрией ствола или колонну, прихваченную под действием дифференциального давления. При ликвидации таких прихватов теряется больше оборудования, и чаще приходится забуривать боковой ствол. Большая часть прихватов шламом или обвалившейся породой возникает при подъеме инструмента. Причиной прихватов шламом или обвалившейся породой является некачественная очистка или слабая устойчивость стенок скважины.

Дифференциальный прихват

Дифференциальный прихват возникает, когда под действием разности давлений в скважине и в проницаемом пласте неподвижная бурильная колонна вдавливается в фильтрационную глинистую корку, образовавшуюся на открытой поверхности этого пласта. Трение между бурильной колонной и породой пласта возрастает настолько, что сдвинуть колонну с места становится невозможно. Во всем мире дифференциальные прихваты являются вторыми по частоте возникновения. Они возникают намного чаще в скважинах, пересекающих истощенные продуктивные пласты.

Если бурильная колонна долго остается неподвижной, почти всегда возникает дифференциальный прихват.

Это явление впервые было идентифицировано Хейуордом в 1937 г., а его механизм был выявлен Хелмиком и Лонгли в лабораторных условиях в 1957 г.

В скважине часть бурильной колонны касается нижней стороны стенки искривленного ствола. Пока колонна вращается, она смазывается тонким слоем бурового раствора и давление, действующее на трубы, со всех сторон одинаково. Однако когда вращение прекращается, часть колонны, контактирующая с глинистой коркой, изолируется от действия столба бурового раствора; перепад давления по обе стороны колонны вызывает затяжки при попытке поднять колонну. Если сопротивление перемещению колонны при подъеме из скважины превышает усилие, которое может развить буровая установка, происходит прихват колонны. Таким образом, увеличение сопротивления при подъеме колонны свидетельствует о возросшей опасности прихвата из-за перепада давления.

Аутмэнз провел тщательный анализ механизма прихвата из-за перепада давления, результаты которого можно в целом описать следующим образом.

Вес в бурильной колонне распределяется так, что утяжеленные бурильные трубы всегда лежат на нижней стороне стенки ствола, поэтому прихват из-за перепада давления всегда

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

110

происходит в интервале ствола, в котором находится тяжелый низ. Когда колонна вращается, УБТ опираются на нижнюю сторону стенки ствола, создавая на нее нагрузку, равную нормальной составляющей веса УБТ по отношению к стволу. Таким образом глубина внедрения УБТ в глинистую корку зависит от искривления ствола и от отношения скорости механической эрозии под УБТ к скорости гидродинамической эрозии, создаваемой потоком бурового раствора в остальной части ствола. Если искривление ствола мало или скорость вращения не очень высока, УБТ будут внедряться в глинистую корку незначительно, как показано на рис.70 , А.

Рис.70 Механизм прихвата из-за перепада давления

А — колонна вращается, УБТ внедряется в глинистую корку лишь на небольшую глубину; Б — колонна неподвижна, УБТ вдавливается в глинистую корку под действием перепада давления; В — ствол сильно искривлен, колонна неподвижна, давление между глинистой коркой и УБТ изменяется от 0 до ∆р; 1 — глинистая корка, образующаяся в динамических условиях; 2 — утяжеленная бурильная труба; 3— смазывающая пленка бурового раствора; 4 — проницаемый пласт; 5 —угол контакта; 6 — глинистая корка, образующаяся в статических условиях; 7 — межзерновое напряжение в глинистой корке, равно ∆ р: 8 –УБТ прижата к пласту; 9 — межзерновое напряжение в глинистой корке равно 0

Когда вращение прекращается, под действием веса колонны изолированная зона глинистой корки уплотняется, а вода, содержавшаяся в ее порах, выдавливается в породу. Эффективное напряжение в глинистой корке увеличивается по мере вытеснения из нее поровой воды, поэтому высокое трение между трубой и глинистой коркой является основной причиной прихвата из-за перепада давления. После очень длительных периодов неподвижности колонны поровое давление в корке становится равным пластовому давлению, а эффективное напряжение при этом определяется разностью между гидростатическим давлением бурового раствора в стволе и пластовым давлением, т. е. ((р т —рf).). Тогда усилие, необходимое для подъема колонны, определится как