Технология бурения скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

31

1)поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны бурильных труб (эта нагрузка называется осевой нагрузкой);

2)вращательного, осуществляемого гидравлическим забойным двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб.

Рис. 10 Схемы разрушения горной породы на забое: а – резание; б – дробление; в – микрорезание (истирание)

Горная порода разрушается долотом посредством резания, скалывания или дробления (рис.10). При резании осевая нагрузка действует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания.

Наибольшее распространение получили шарошечные долота, которые используют при бурении пород различной твердости (от мягких до самых крепких).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

32

Рассмотрим процесс разрушения забоя скважины шарошечным долотом. Работа долот протекает в растворе или газе (в том случае, если в качестве бурового раствора применяется воздух или природный газ), содержащих обломки выбуренной породы. Шарошки долот вращаются вокруг своей оси и вокруг оси вращения бурильных труб (при роторном бурении) или вала гидравлического забойного двигателя (электробура). Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно упираются в забой то одним, то двумя зубьями (рис. 11). Иначе говоря, шарошка при своем вращении то поднимается, то опускается, производя при этом частые удары по забою.

Благодаря такому характеру перемещения зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие. В зависимости от формы шарошек и положения их осей относительно оси долота происходит или чистое дробление, или дробление со скалыванием.

Рис. 11 Положение шарошек на забое

Интенсивность проскальзывания зубьев для данного шарошечного долота оценивают коэффициентом скольжения, который равен отношению суммы площадей, описываемых за один оборот долота кромками зубьев, скользящих по породе, к площади забоя скважины.

В том случае, когда образующие конуса шарошки будут лежать на мгновенной оси вращения и, следовательно, пересекаться на оси долота, коэффициент скольжения равен нулю.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

33

Буровой раствор, подаваемый на забой скважины через отверстия в долоте, должен обеспечить очистку шарошек долота, вынос разбуренной породы, охлаждение долота и очистку забоя, исключающую вторичное дробление породы долотом.

Увеличение гидравлической мощности, превращаемой в промывочных отверстиях долота в кинематическую энергию струи жидкости, ведет к увеличению проходки на долото и механической скорости бурения.

Гидростатическое давление столба бурового раствора уменьшает механическую скорость бурения, так как оно стремится удерживать частицы породы на первоначальном месте и тем самым помогает породе сопротивляться разрушению.

2.2 Механика устойчивости ствола скважины ( Грей Дж.Р, Дарли Г.С.Г,

Митчел Джон, материалы компании Schlumberger ( M-I SWACO).

Поддержание устойчивости стенок скважины является одной из основных задач, которые приходится решать при бурении нефтяных скважин. Если вести бурение в необсаженном стволе невозможно, то спускают обсадную колонну; причем совершенно ясно, что число обсадных колонн, которое может быть спущено в скважину, ограничено.

Неустойчивость ствола скважины может проявляться по-разному: мягкие пластичные породы выдавливаются в ствол скважины; твердые хрупкие породы разрушаются под действием нагрузок, а глинистые сланцы осыпаются и обваливаются (последнее происходит наиболее часто). Все это приводит к увеличению поперечного размера ствола, образованию пробок из обвалившейся породы и заполнению отдельных интервалов ствола породой во время спускоподъемных операций. Эти осложнения сильно влияют на продолжительность и стоимость бурения, они могут вызвать прихват бурильной колонны и необходимость зарезания в скважине нового бокового ствола.

В этом разделе будут рассмотрены два основных аспекта устойчивости ствола скважины. Во-первых, механическая устойчивость, зависящая от усилий и давлений, действующих на стенки ствола, и способность пород сопротивляться этим нагрузкам и, во-вторых, неустойчивость, являющаяся следствием физико-химических взаимодействии бурового раствора с глинистым сланцем, вскрытым в скважине.

2.2.1 Геологические и геофизические особенности осадочных бассейнов

Осадочные бассейны, в которых обнаружено подавляющее большинство коллекторов нефти, образованы в результате отложения речных осадков. Пески осаждаются близ морского побережья, илы — на более удаленных от берега участках дна, а глины — в глубоководных морских районах. Первоначально осадки мягки и характеризуются значительным содержанием воды. По мере накопления осадков из нижних слоев за счет их уплотнения вода выжимается. На небольших глубинах уплотнение оказывает прямо противоположное действие — керны и буровой шлам, поступающие на поверхность, могут довольно легко диспергироваться на отдельные зерна. Такие осадки называют нелитифицированными. На больших глубинах осадки постепенно становятся литифицированными в результате уплотнения и диагенеза. (Под диагенезом понимаются минералогические и химические изменения, которые происходят вследствие воздействия

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

34

подземных температур и давлений, а также электрохимического воздействия окружающей среды). В конце концов зерна цементируются друг с другом благодаря заполнению пустот минералами из силикатных и известковистых пластовых вод с образованием песчаников, отвердевших глинистых сланцев и аргиллитов. Если в результате этих процессов осадки окажутся полностью литифицированными, образовавшиеся горные породы невозможно диспергировать никаким другим способом, кроме прямого механического воздействия, например размалывания. Породы, состоящие главным образом из песков и илов, называют песчанистыми, а породы, в которые преимущественно входят глины и смеси глин и илов, называют глинистыми. Быстрое отложение осадков характерно для геосинклинальных условий, т. е. районов, где происходит медленное погружение земной поверхности (в настоящее время это отмечается в районе северного побережья Мексиканского залива). В результате проявления в земной коре тектонических сил поверхность может циклически подниматься и опускаться. Поэтому одни старые осадочные бассейны могут оказаться над уровнем моря, а другие перекрываться или переслаиваться осадками иных типов, такими как карбонаты, сульфаты и каменная соль которые отлагаются в результате испарения насыщенных растворов в лагунах и внутренних водоемах.

2.2.1.1 Градиент горного давления

Осадочная порода, находящаяся на определенной глубине, должна выдерживать вес формаций, залегающих над ней. Общее напряжение S, создаваемое перекрывающими породами (твердые вещества и вода), называется геостатическим (либо литостатическим) или горным давлением и определяется по уравнению

S = ρвgН,

где ρв — объемная плотность осадочных пород; g—ускорение свободного падения; Н — глубина.

Значение ρв обычно принимается 2,3 г/см3, поэтому градиент геостатического давления S/H = 22,6 кПа/м. Однако в осадочных бассейнах, образовавшихся сравнительно недавно, объемная плотность пород у поверхности мала и увеличивается с глубиной. На рис. 12 показана зависимость среднего градиента горного давления от глубины для северного побережья Мексиканского залива.

2.2.1.2 Геостатическое давление

Находящаяся на некоторой глубине порода должна выдерживать вес вышележащих пород и пластовых флюидов. Общее напряжение, создаваемое перекрывающими породами, называется геостатическим (либо литостатическим) или давлением горных пород (Р0) и рассчитывается по уравнению:

Р0 = ρВ x TVD,

где ρВ – объемная плотность осадочных отложений; TVD – глубина по вертикали

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

35

Геостатическое давление (Pо) равно общему давлению, возникающему под действием веса осадочных отложений (Ps) плюс давление, оказываемое весом пластовых флюидов (Pf), которое должны выдерживаться пластом или P0 = PS + Pf.

Рис.12 Распределение градиента горного давления с глубиной для всех нормально уплотненных горных пород в районе северного побережья Мексиканского залива

Геостатическое давление (Pо) равно общему давлению, возникающему под действием веса осадочных отложений (Ps) плюс давление, оказываемое весом пластовых флюидов (Pf), которое должны выдерживаться пластом или P0 = PS + Pf.

Принимая английскую систему мер, геостатическое давление рассчитывается по следующему уравнению: P0 (фунты/кв.дюйм) = 0,052 x ρB (фунты/галлон) x TVD (футы), где переводной коэффициент 0,052 — это 12 дюймов/фут ÷ 231 куб.дюйм/галлон.

Взаимозависимость давления/ глубины обычно выражается в понятии «градиента». Это величина представляет собой частное давления и глубины. Градиент геостатического давления (POG) рассчитывается следующим образом: POG (фунты/кв.дюйм /фут) = 0,052 x ρB (фунты/галлон)/

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

37

Также как градиенты объемной плотности изменяются в зависимости от уплотненности пород, градиенты нормального пластового давления варьируются в зависимости от степени минерализации пластовых вод. При известной степени минерализации и плотности (см. табл. 6.4), градиент нормального пластового давления рассчитывается по следующей формуле: PР (фунты/кв.дюйм) = 0,052 x плотность флюида (фунты/ галлон) x глубину по вертикали (футы).

Таблица 1 Градиенты пластового давления в различных районах

Обычно за градиент нормального пластового давления принимают 0,465 фунта/кв.дюйм/фут. В тех случаях, когда поровое давление превышает теоретическое значение гидростатического давления для известной глубины залегания пород, возникают аномально высокие давления. Данные условия создаются в результате образования ловушек, которые, по мере уплотнения вышележащих горных пород, препятствуют просачиванию скопившихся в них флюидов и газов в неглубокие зоны. Данные условия могут быть созданы в плотных сланцеватых глинах, солях или других непроницаемых отложениях. Для лучшего понимания того, что собой представляют три типа давления — горное, межзерновое и пластовое — проведем аналогию с водонапорной башней. Горное давление в этом случае можно представить в виде веса, действующего на основание башни, включающего вес воды и вес самой башни. Межзерновое давление будет аналогично весу самой башни, воздействующей через каркас структуры на основание. Пластовое давление можно сравнить с гидростатическим давлением воды.

2.2.1.4 Поле напряжения горных пород

Горная порода находится под вертикальным напряжением, создаваемым вышележащей толщей. Вертикальные напряжения порождают горизонтальные составляющие, зависящие от механических свойств породы. Напряжения в горных породах распределяются в трехмерном пространстве в направлении трех основных плоскостей напряжения, которые находятся по отношению друг к другу под прямым углом (см. рис. 14). Это (1) максимальное основное (осевое) напряжение (σmax), (2) промежуточное основное напряжение (σint) и (3) минимальное основное напряжение (σmin). Градиент гидроразрыва пласта равен минимальному основному напряжению. В тех районах, где напряжения вызваны не тектоническими силами, максимальное основное напряжение направлено вертикально (σz), за счет давления горных пород, в то время как промежуточное и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

38

минимальное основные напряжения (σx и σy) действуют в горизонтальном направлении, и равны по значению. Если ствол скважины отклонен по вертикали, устойчивость ствола под действием напряжений снижается; для сохранения устойчивости ствола, в зависимости от прочности породы, обычно возникает необходимость увеличения плотности бурового раствора. Наиболее удобный способ определения напряжений в стволе с отклонением по вертикали — распределить основные напряжения по направлению относительно профиля скважины так, чтобы получить радиальное (σR), тангенциальное (касательное) (σT) и аксиальное (осевое) (σA) напряжения (см. рис.15). Используя данные значения, с помощью программного обеспечения компании M-I SWACO по напряжениям можно рассчитать механическую устойчивость пласта для данного набора условий. Как показано на рис. 16, можно построить график зависимости общего дифференциального напряжения в породе (тангенциальное минус радиальное) от гидростатического давления.

Рис.14 Основные напряжения. Рис.15 Проявление напряжений в скважине, отклоненной по вертикали

Рис.16 Дифференциальное напряжение в наклонной скважине

Различные радиальные углы вокруг ствола скважины показаны с одной стороны (при 0°) до забоя (при 90°) и далее на другой стороне (180°). Если дифференциальное напряжение

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

39

ниже предела прочности породы на растяжение (выраженный отрицательным значением), образуются трещины или происходит разрыв. Если плотность бурового раствора ниже градиента гидроразрыва, вероятность разлома или разрушения в околоствольной зоне постепенно исчезнет. Превышение плотности раствора над градиентом гидроразрыва может привести к потере циркуляции. В случае же, если дифференциальное напряжение будет превышать предел прочности породы на сжатие, может произойти отслаивание, обрушение ствола скважины или пластическая деформация (соли). После проведения анализа можно рассчитать безопасный диапазон плотностей раствора при бурении скважин с различными углами наклона, учитывая при этом также величину порового давления. Полученный рабочий диапазон плотностей бурового раствора будет гораздо меньше по сравнению с вертикальными скважинами (см. рис.17).

Рис.17 Плотность бурового раствора для поддержания устойчивости ствола

2.2.1.5 Тектонические силы

Тектонические напряжения — это напряжения, ведущие к изменению структуры горных пород. Такие напряжения бывают вызваны региональными контактами и передвижениями плит земной коры, а также другими геологическими явлениями. Различие значений двух горизонтальных напряжений также обусловлено действием тектонических сил. В результате действия тектонических напряжений образуются сбросы и складки. Сжимающие тектонические напряжения приводят к тому, что, при уплотнении, хрупкие породы могут отслаиваться и обрушаться в ствол скважины, тогда как пластические породы, такие, как соли, выдавливаются в ствол скважины, что может привести к полному его перекрытию/сжатию. Под действием пространственных тектонических напряжений происходит разрыв пластов, что приводит к поглощению бурового раствора.

Складчатые пояса горных районов формируются в результате действия региональных сжимающих тектонических напряжений. Складчатый пояс состоит из антиклинальных и синклинальных складок, сформированных тектоническим сжатием (максимальным напряжением) действующим перпендикулярно осям складки (или перекрывающим

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

40

плитам земной коры). Как максимальное, так и минимальное напряжение действует обычно в горизонтальном направлении, тогда как промежуточное напряжение в большинстве случаев действует вертикально. Сбросы в горных районах со сбросовоглыбовой структурой происходят под действием пространственных тектонических напряжений. Минимальное горизонтальное напряжение направлено перпендикулярно сбросовым линиям (или отступающим плитам земной коры), промежуточное осевое напряжение действует параллельно сбросовым линиям, а максимальное осевое напряжением — в вертикальном направлении. В районах, близких к залеганию солянокупольных структур и плоских соляных залежей, напряжения изменяются в результате направленного вверх проникновения и миграции солей по горной породе. Трудно оценить, какое воздействие соляные отложения оказывают на поле напряжений, находящиеся в данной точке. Для повышения устойчивости ствола скважины чаще всего необходимо поддерживать высокие значения плотности бурового раствора. В таких районах часто возникают проблемы, ведущие к поглощению раствора и потере устойчивости ствола, так как данные структуры обладают крайне низким сопротивлением разрыву.

2.2.1.6 Разрушения под действием механических напряжений

Разрушение ствола под действием механических напряжений чаще всего бывает вызвано двумя причинами. Если плотность раствора слишком высока, это может привести к разрыву (порода в состоянии растяжения), и, в свою очередь, к уходу раствора в пласт. Если плотность раствора слишком мала, происходят осыпи (отслаивания) или обвалы породы (порода в состоянии сжатия) как показано на рис18. Механическое трение и воздействие, оказываемое бурильной колонной, также могут являться причиной расширения ствола и привести к неустойчивости ствола скважины, пробуренного в хрупких породах. Разрыв под действием растягивающего напряжения Горные породы имеют низкий предел прочности при растяжении. В действительности, предел прочности на растяжение неконсолидированных песков или трещиноватых пластов равен нулю. Песчаники обычно имеют более низкий предел прочности при растяжении, чем глинистые сланцы. Твердые породы могут иметь предел прочности при растяжении, равный от 300 до 600 фунтов/кв.дюйм (от 20,7 до 41,4 бар). Для регулирования притока газа и жидкости в скважину, плотность бурового раствора обычно увеличивают, поддерживая гидростатическое давление на уровне, несколько превышающем пластовое. Если давление бурового раствора выше градиента гидроразрыва пласта, в породе появляются трещины и происходит поглощение раствора. Трещина образуется в плоскости, параллельной направлению максимального осевого напряжения и перпендикулярной минимальному осевому напряжению. Вертикальная трещина будет раскрываться в направлении минимального осевого напряжения. Трещинообразование и потеря циркуляции будет отрицательно сказываться на целостности и устойчивости ствола скважины, в особенности в породах со средней и высокой твердостью.

Существует учение о том, что «мягкие» сланцевые глины и гумбо с высоким содержанием воды подвергаются пластической деформации, что приводит к увеличению размера и объема ствола (т.н. эффект «раздувания»).