Технология бурения скважин

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

81

Огибающая предельных кругов напряжений помогает понять, как изменение параметров бурового раствора, таких как его плотность и температура, влияет на устойчивость стенок скважины. Но сначала посмотрим, какие факторы влияют на устойчивость стенок.

Огибающая предельных кругов напряжений помогает понять, как изменение параметров бурового раствора, таких как его плотность и температура, влияет на устойчивость стенок

Факторы, влиящие на устойчивость стенок скважины

На устойчивость стенок скважины влияют несколько факторов:

•Плотность бурового раствора

•Прочность породы

•Колебания температуры

•Анизотропия напряжений и прочности

•Ориентация и наклон траектории скважины

•Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора

•Вибрация бурильной колонны

•Геометрия ствола скважины

Плотность бурового раствора

Давление столба бурового раствора создает радиальное напряжение, действующее на стенки скважины. Вспомним, что говорилось в разделе "Механика горных пород" о влиянии радиальных напряжений на устойчивость стенок скважины.

Напряжение в материале, удаленном при бурении, должно быть восполнено комбинацией кольцевого и радиального напряжений. Как показывает уравнение: Перераспределение полного напряжения = радиальные напряжения + кольцевые напряжения чем выше плотность бурового раствора, тем ниже кольцевые напряжения.

Плотность бурового раствора не только уменьшает кольцевые напряжения, но также создает боковое давление, увеличивающее кажущуюся прочность породы.

Способность уменьшать кольцевые напряжения и одновременно увеличивать кажущуюся прочность породы делает плотность бурового раствора мощным инструментом для борьбы с потерей устойчивости стенок скважин.

Можно увеличить плотность бурового раствора до такого значения, при котором кольцевые напряжения уменьшатся до нуля. Если увеличить плотность бурового раствора слишком сильно, то кольцевые напряжения станут растягивающими, и порода может разрушиться из-за чрезмерного растяжения . Именно это и происходит при гидроразрыве пласта.

Влияние плотности бурового раствора можно проиллюстрировать графически с помощью огибающей предельных кругов напряжений для различных значений плотности бурового раствора (рис. 49).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

82

Увеличение плотности бурового раствора приводит к возрастанию радиальных напряжений и уменьшению кольцевых напряжений. При чрезмерном увеличении сжимающие напряжения могут уменьшиться до нуля и превратиться в растягивающие. Уменьшение плотности бурового раствора приводит к возрастанию касательных напряжений, поскольку оно сопровождается уменьшением радиальных напряжений и возрастанием кольцевых напряжений. Если круг напряжений выходит за огибающую, стенки скважины становятся неустойчивыми.

Рис. 49 Круги напряжений для различных значений плотности бурового раствора

Известны различные подходы к оптимизации плотности бурового раствора. Один из них предусматривает изменение плотности таким образом, чтобы кольцевые напряжения уменьшились до нуля. Он известен как метод средней линии, предложенный Аас1поу. Метод средней линии основан на предположении, что для уменьшения кольцевых напряжений до нуля нужно изменить плотность бурового раствора до среднего между численными значениями градиента порового давления и градиента давления гидроразрыва пласта. На рис. 50 дана графическая иллюстрация этого подхода.

Может появиться искушение держать плотность бурового раствора на как можно более низком уровне, чтобы до максимума увеличить скорость проходки. К сожалению это часто приводит к увеличению диаметра ствола и потерям времени из-за сужения ствола. Метод средней линии дает возможность свести к минимуму проблемы в скважине за счет некоторого уменьшения скорости проходки на небольших глубинах. Аас1поу приводит перечень скважин, пробуренных с использованием метода средней линии.

Интервал допустимых значений плотности бурового раствора

Используя такой подход, как метод средней линии, можно оптимизировать плотность бурового раствора только для определенной глубины. Плотность бурового раствора, оптимальная для одной глубины, будет слишком высокой для работы на меньших глубинах и слишком низкой для работы на больших глубинах. Это означает, что плотность бурового раствора будет оптимальной только для небольшого участка ствола. Лучшая стратегия заключается в том, чтобы поддерживать плотность бурового раствора на оптимальном уровне для глубины бурения, и постепенно увеличивать ее по необходимости, никогда не уменьшая.

Мы получили то, что называется "интервалом допустимых значений плотности бурового раствора" в открытом стволе скважины (затемненная область на рис. 6.41). Минимальная допустимая плотность бурового раствора обеспечивает отсутствие притока в скважину

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

83

пластовых флюидов и сохранение устойчивости стенок ствола в нижней части скважины, а максимальная допустимая плотность бурового раствора обеспечивает отсутствие поглощений в верхней части скважины. Этот интервал допустимых значений плотности бурового раствора зависит от напряжений в пласте в естественных условиях залегания. Он будет подробно рассмотрен ниже.

Рис. 50 Поглощение бурового раствора и обрушение породы (Метод средней линии предполагает снижение кольцевых напряжений до минимума путем изменения плотности бурового раствора. Плотность бурового раствора должна поддерживаться в интервале между численными значениями градиента порового давления и градиента давления гидроразрыва пласта).

Глубина - не единственный фактор, который следует принимать во внимание. При значительной разности между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями возможна такая ситуация, когда при определенной плотности бурового раствора

происходит поглощение в направлении, перпендикулярном направлению действия наименьших горизонтальных напряжений, и одновременно обрушение породы в направлении, перпендикулярном направлению действия наибольших горизонтальных

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

84

напряжений (рис. 51). В таком случае интервал допустимых значений плотности бурового раствора слишком мал для всего открытого ствола. Поэтому нужно уменьшить открытый участок ствола, спустить большее число обсадных колонн или изменить ориентацию ствола.

Рис. 51 Поглощение бурового раствора и обрушение породы

Прочность породы

Очевидно, что чем прочнее порода, тем большее напряжение она может выдержать. Как мы уже установили, прочность породы зависит главным образом от прочности цемента и от трения между отдельными зернами, составляющими скелет породы. Прочность на сжатие и упругость отдельных зерен также определяют прочность породы. Посмотрим на скелет горной породы, показанный на рис.52. Чтобы порода разрушилась по поверхности скольжения, нагрузка должна превысить сопротивление цемента и трение между зернами, находящимися в контакте друг с другом на этой поверхности.

Если число точек контакта невелико, фактические напряжения в этих точках будут очень высоки. Таким образом, прочность породы возрастает при увеличении точек контакта в скелете породы.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

85

Рис.52 Прочность породы (Некоторые зерна должны деформироваться или разрушиться, чтобы иметь возможность переместиться относительно других зерен).

Прочность породы зависит и от прочности отдельных зерен, составляющих ее минеральный скелет. Некоторые из этих зерен расположены непосредственно на поверхности скольжения, и они должны деформироваться или разрушиться, чтобы иметь возможность переместиться относительно других зерен (рис.52).

Чем прочнее эти зерна, тем труднее их разрушить. Для разрушения породы требуется либо отклонение поверхности скольжения от своего пути, либо увеличение действующего напряжения.

Более слабые породы разбуриваются быстрее и, вероятно, разрушаются раньше более прочных. Можно построить график изменения скорости проходки по глубине и использовать его для прогнозирования расширений ствола. Вероятность того, что диаметр скважины останется номинальным, выше там, где скорость проходки ниже (рис.53), т.е. в интервалах более прочных пород. Эта информация становится еще более ценной, когда рядом построена литологическая колонка. Большая часть станций ГТИ может распечатывать такие графики для буровой бригады еще до подъема инструмента из скважины.

Рис.53 График изменения скорости проходки по глубине

Температура

Центральная часть Земли имеет достаточно высокую температуру, чтобы породы находились под земной корой в расплавленном состоянии. Эта теплота медленно уходит через кору, так же как уходит теплота с поверхности большого слитка горячей стали. При погружении в земную кору температура обычно возрастает с глубиной. Средний температурный градиент равен примерно 1°F/100 фут глубины.

При циркуляции бурового раствора в скважине изменяется температура пород, находящихся с ним контакте. Холодный буровой раствор охлаждает породы в нижней части скважины; горячий буровой раствор нагревает породы в верхней части скважины. Эти изменения температуры могут оказать негативное влияние на устойчивость стенок

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

86

ствола. Наиболее заметны изменения температуры, когда восстанавливают циркуляцию после продолжительного периода отсутствия циркуляции.

Влияние возрастания температуры на устойчивость стенок ствола проявляется через несколько механизмов. Оно может привести к увеличению кольцевых напряжений на стенках скважины из-за уменьшения радиальных нагрузок, обусловленных давлением столба бурового раствора. Кроме того, оно приводит к ослаблению породы из-за уменьшения трения между зернами. Коэффициент расширения воды больше, чем у горных пород. При повышении температуры жидкость в порах будет расширяться быстрее, чем скелет породы. В результате возрастает поровое давление и уменьшается эффективное напряжение в скелете. Увеличение порового давления приводит также к уменьшению разности давлений на стенке ствола и, соответственно, уменьшению радиальных напряжений. В результате возрастают сжимающие кольцевые напряжения

(рис. 54).

Рис. 54 Круги напряжений при изменениях температуры

Увеличение порового давления вынуждает также разойтись дальше отдельные зерна в скелете породы. В результате этого уменьшается сила трения между зернами, и прочность породы понижается. Объем жидкости в поровом пространстве увеличивается, улучшается смазка и происходит разрушение цемента. Увеличение температуры приводит и к небольшому расширению скелета породы. Некоторые минералы в породе расширяются больше других, в результате чего сдвигается и разрушается цемент. Снижение температуры вызывает обратный эффект. Жидкость в порах сжимается быстрее, чем

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

87

скелет породы. В результате возрастает эффективное напряжение в скелете и разность давлений на стенках скважины. Прочность породы увеличивается, но из-за возрастания разности давлений в некоторых случаях возможны поглощения.

При выполнении СПО температура пласта изменяется. При подъеме инструмента порода около стенок скважины нагревается или охлаждается до своей первоначальной температуры (в результате циркуляции обычно охлаждается нижняя часть скважины и может нагреваться верхняя часть скважины). После восстановления циркуляции по бурильной колонне движется холодный буровой раствор, охлаждающий нижнюю часть скважины, а по кольцевому пространству поднимается теплый буровой раствор, нагревающий верхнюю часть скважины.

Частые спуски и подъемы инструмента могут привести к разрушению пород и вызвать обрушение, даже если напряжения не выходят за огибающую предельных кругов напряжений.

Одна из проблем, связанных с бурением глубоких высокотемпературных скважин, заключается в том, что при вымывании из скважины газа циркуляцией может произойти поглощение около забоя, когда к долоту подойдет холодный буровой раствор. Вполне вероятно также, что расширение газа и снижение забойного давления не будут замечены, пока газ не подойдет совсем близко к поверхности. В это время может произойти приток в скважину пластовых флюидов с последующим ощутимым интенсивным проявлением.

Если при бурении высокотемпературной скважины возникнет проблема, связанная с контролем над ней, то при прекращении циркуляции порода около стенки ствола обычно нагревается, и активный объем остывает не сразу. Стенки скважины остаются нагретыми и при низком расходе циркуляции. После продолжительного периода отсутствия циркуляции или циркуляции с низким расходом стенки скважины могут потерять устойчивость.

Поскольку при повышении температуры жидкость в порах будет расширяться быстрее, чем скелет породы, изменения температуры влияют на радиальные напряжения. Изменения радиальных напряжений приводят к изменениям кольцевых напряжений. Увеличение температуры влечет за собой уменьшение радиальных напряжений и увеличение кольцевых напряжений. В результате устойчивость стенок скважины уменьшается. Небольшое уменьшение температуры может привести к повышению устойчивости стенок скважины. Чрезмерное уменьшение температуры может привести к поглощению.

Фильтрат бурового раствора

Бурение на репрессии

Мы уже говорили о влиянии плотности бурового раствора на устойчивость стенок скважины, на радиальные напряжения и на круги напряжений. Однако следует различать "репрессию" и радиальные напряжения, обусловленные ею. Репрессией называется превышение гидростатического давления над поровым давлением. Это не есть радиальная сила, обусловленная репрессией.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

88

Давление жидкости на стенки скважин создает радиальные напряжения, способствующие повышению устойчивости стенок. Радиальные напряжения приводят к снижению кольцевых напряжений и создают боковое давление на элементы породы по стволу скважины. Это боковое давление способствует увеличению кажущейся прочности породы. Радиальные напряжения возникают из-за действия дифференциального давления на стенках скважины. Это дифференциальное давление обусловлено превышением давления в скважине над пластовым давлением. Однако дифференциальное не равно репрессии! Глинистые породы проницаемы. Некоторая часть фильтрата бурового раствора проникает в поры глинистой породы, в результате чего возрастает поровое давление в приствольной зоне (рис.55). По мере проникновения фильтрата в поры глинистой породы дифференциальное давление на стенке скважины уменьшается. Этот процесс происходит постепенно.

Рис.55 Зависимость порового давления от времени

Под дифференциальным давлением понимают разность давлений относительно поверхности стенок скважины. Проникновение фильтрата в приствольную зону пласта приводит к возрастанию порового давления и уменьшению дифференциального давления.

Чтобы лучше представить себе изменение пластового давления в приствольной зоне из-за проникновения в нее фильтрата бурового раствора, можно сравнить депрессионные кривые при проникновении в пласт фильтрата с депрессионными кривыми при отборе и нагнетании воды в оросительных скважинах, показанными на рис. 56 и 57.

Чтобы снять депрессионную кривую при отборе воды в оросительных скважинах большого диаметра используют несколько наблюдательных скважин, пробуренных на различных расстояниях от добывающей скважины. Замечено, что при откачке воды уровень снижается как в добывающей скважине, так и в наблюдательных скважинах. Для построения депрессионной кривой при отборе на график наносят величины уровня воды в

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

89

наблюдательных скважинах и расстояния до этих скважин от добывающей скважины

(рис.56).

Когда производится закачка воды в нагнетательную скважину, как показано на рис.57, то уровень в близлежащих наблюдательных скважинах повышается. Если нанести на график величины уровня в наблюдательных скважинах и расстояния до соответствующих наблюдательных скважин, то по этим точкам можно построить депрессионную кривую при нагнетании.

Уровень воды в наблюдательных скважинах характеризует пластовое давление на соответствующем расстоянии от нагнетательной скважины. Кривые, показанные на рис.55., представляют собой депрессионные кривые при проникновении в пласт фильтрата бурового раствора.

Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора

Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора является главной причиной потери устойчивости стенок ствола. Проникновение фильтрата ослабляет породу и изменяет распределение напряжений в породе. Глинистые минералы в составе глинистых пород могут вступать в химические реакции с водой, что приводит к дальнейшему ослаблению породы. В этом процессе участвуют несколько различных механизмов.

Снижение радиальных напряжений вследствие проникновения в пласт фильтрата бурового раствора приводит к уменьшению кажущейся прочности породы и к возрастанию кольцевых напряжений. Когда фильтрат проникает в поры, поровое давление возрастает. В результате уменьшается эффективное напряжение (полное напряжение = поровое давление + эффективное напряжение). Жидкость нарушает контакты между зернами, в результате чего разрушается цемент и уменьшается трение между зернами. Фильтрат действует как смазочный материал, который в еще большей степени уменьшает внутреннее трение. И вдобавок ко всему фильтрат вступает в химическое и механическое взаимодействие с глинистыми частицами, что приводит к набуханию и диспергированию глины. Адсорбция воды на поверхности глинистых частиц вызывает появление

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

90

гидратационных напряжений, в результате чего возрастают кольцевые напряжения и происходит ослабление породы в направлении, параллельном плоскостям напластования.

Когда фильтрат проникает в поры, некоторые глины диспергируются в результате кристаллизационного (адсорбционного) и осмотического набухания (см. Механизмы набухания). Вследствие этого увеличивается проницаемость глинистой породы и возрастает скорость проникновения фильтрата в пласт. Степень набухания и диспергирования зависит от минерального состава глины. Следует заметить, однако, что кристаллизационному набуханию подвержены все глины. Набухание или диспергирование таких "ненабухающих" глин, как иллитовые, не очень заметно, но кристаллизационное набухание влечет за собой проявление гидратационных напряжений и уменьшение прочности породы. Со временем все глинистые породы, находящиеся в контакте с водой, ослабевают вследствие проникновения фильтрата и проявления гидратационных напряжений, обусловленных кристаллизационным набуханием.

Возрастание порового давления вследствие проникновения в пласт фильтрата бурового раствора приводит к уменьшению действующего радиального напряжения. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию кольцевых напряжений (рис.58).

Рис.58 Круги напряжений, иллюстрирующие эффект проникновения фильтрата бурового раствора в пласт

Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора и огибающая предельных кругов напряжений

Проникновение в пласт фильтрата бурового со временем приводит к потере устойчивости. При поступлении фильтрата в пласт возрастают касательные напряжения и уменьшается кажущая прочность породы. Некоторые глинистые породы при контакте с водой заметно набухают и диспергируются. Сильно диспергированные глинистые породы могут подвергнуться эрозии от воздействия турбулентного потока и пульсаций давления. Глинистые породы с высоким содержанием смектита в наибольшей степени степени подвержены диспергированию и эрозии.

Фильтрат проникает в пласт постепенно (рис.55, 59). Чем выше проницаемость глинистой породы, и чем больше репрессия, тем быстрее фильтрат проникает в пласт. В процессе