Бурение

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При напряженном состоянии, благоприятном для образования сдвига, σH>σv>σh:

•Наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет на горизонтальном участке (θ = 90°).

•Наиболее устойчивое состояние стенок ствола при бурении зависит от отношения главных горизонтальных напряжений к вертикальному напряжению. Обычно при увеличении разности между горизонтальными напряжениями направление бурения должно приближаться к направлению действия наибольшего напряжения σH.

•При увеличении разности между наибольшим горизонтальным напряжением и вертикальным напряжением наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении в направлении, приближающемся к направлению действия наибольшего напряжения σH.

•Когда наименьшее горизонтальное напряжение равно вертикальному напряжению (σh = σv), наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении по азимуту σH.

Рис. 8-50 Напряженное состояние, благоприятное для

образования сдвига

Как видно на вышеприведенном графике, при приближении направления бурения к направлению σH, вклад в σr радиальной компоненты σH уменьшается, а вклад в σr радиальной компоненты σh возрастает. В результате уменьшается анизотропия напряжений при напряженном состоянии, благоприятном для образования сдвига.

149

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, σH>σh>σv:

•Наиболее устойчивое состояние стенок скважины будет при бурении по азимуту σH

•При увеличении разности между σH и σh зенитный угол должен возрастать.

•Если горизонтальные напряжения равны (σH = σh), то нужно бурить вертикально.

•Если (σh = σv), то нужно бурить горизонтально (θ = 90°).

При напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, наибольшая устойчивость обеспечивается при бурении по направлению действия наибольшего горизонтального напряжения σH. При увеличении разности между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями зенитный угол θ должен возрастать. Нужно обеспечить, чтобы сумма радиальных компонент напряжения от веса вышележащих пород и наибольшего горизонтального напряжения равнялась наименьшему горизонтальному напряжению. При увеличении зенитного угла вклад наибольшего горизонтального напряжения уменьшается, а вклад напряжения от веса вышележащих пород возрастает. Радиальная компонента наименьших горизонтальных напряжений остается неизменной при любом значении зенитного угла, пока направление бурения совпадает с направлением действия наибольшего горизонтального напряжения σH.

Рис. 8-51 Напряженное состояние, благоприятное для образования надвига

Как видно на вышеприведенном графике, при увеличении зенитного угла вклад σH уменьшается, а вклад σv увеличивается.

Анизотропия напряжений влияет на величину интервала допустимых значений плотности бурового раствора. Как мы помним, этот интервал ограничен минимальной допустимой плотностью бурового раствора, обеспечивающей отсутствие притока в скважину пластовых флюидов, и максимальной допустимой плотностью бурового раствора, обеспечивающей

150

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

отсутствие поглощений. При высокой анизотропии интервал допустимых плотностей бурового раствора будет меньше. Как видно из примеров на рис. 8-49 - 8-51, мы можем уменьшить анизотропию, изменив наклон и направление траектории скважины. Теперь больше возможностей сохранения устойчивости стенок скважины регулированием плотности бурового раствора.

Горные породы не могут долго выдерживать касательные напряжения, особенно на большой глубине. Это обстоятельство часто называют правилом Гейма3. Пластичность пород возрастает с возрастанием бокового давления, которое имеет место на глубине. Порода постепенно деформируется до исчезновения анизотропии напряжений. Вот почему анизотропия напряжений имеет наибольшую величину около поверхности. На большой глубине породы испытывают почти равные горизонтальные напряжения.

Плоскости напластования (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Слоистые глинистые породы (глинистые сланцы, уплотненные глины и аргиллиты) имеют плоскости напластования, которые создают в них слабые места. Материал глинистых горных пород содержит микроскопические плоскости напластования. Сезонные изменения скорости осадконакопления приводят к образованию слоев различной прочности. Рассматривая образец слоистой глинистой породы можно увидеть сотни тысяч мелких плоскостей напластования на нескольких линейных футах разреза. Эти плоскости напластования обычно представляют собой поверхности ослабления, по которым может проникнуть вода и раздвинуть слои. Это характерное свойство слоистых глинистых пород называется анизотропией прочности. Анизотропия прочности7 означает, что порода является более прочной в одном направлении, чем в перпендикулярном ему. Величина анизотропии прочности изменяется в зависимости от типа и количества цемента в пространстве между слоями и от прочности породы. Чем выше отношение прочности слоистой породы в направлении, перпендикулярном плоскостям напластовании, к ее прочности в направлении, параллельном плоскостям напластования, тем больше анизотропия прочности.

Пластинчатые глинистые частицы, из которых состоят глинистые породы, ориентированы параллельно плоскостям напластования. При контакте с водой глинистая порода набухает, в результате чего появляются гидратационные напряжения, действующие перпендикулярно плоскостям напластования (рис. 8-52). Если скважина вскрыла глинистую породу под углом к плоскостям напластования, то гидратационные напряжения вызывают анизотропию напряжений. Обычно набухающие глинистые породы выдавливаются и обрушиваются в скважину тем больше, чем больше угол между направлением действия напряжений и плоскостями напластования. Прочность глинистых пород на сжатие максимальна, когда сжимающие напряжения действуют перпендикулярно плоскостям напластования.

Влияние этих плоскостей напластования на устойчивость стенок скважины зависит от напряженного состояния в естественных условиях залегания, а также от направления и наклона траектории скважины.

151

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Если скважина вскрыла глинистую породу в направлении, перпендикулярном плоскостям напластования, то вследствие набухания возрастают осевые напряжения на стенках скважины. По мере увеличения угла относительно плоскостей напластования набухание приводит к возрастанию кольцевых напряжений на одном участке стенки скважины, но не на ортогональном участке. По определению, это анизотропия напряжений.

Рис. 8-52 Гидратационные напряжения при наличии плоскостей напластования

Влияние траектории скважины и плоскостей напластования для трех типов напряженного состояния в естественных условиях залегания

Chen, Tan и Haberfield из Австралии представили в нескольких статьях Общества инженеровнефтяников (SPE) рекомендации по расчету анизотропии прочности и напряжений и проектированию профиля скважины.8

Нижеследующее обсуждение, по-видимому, покажется прямой противоположностью тому, что рекомендовали Shaohua Zhou, Richard Hill и Mike Sandiford из университета Аделаиды, Австралия, в предыдущем материале." Причина заключается в том, что Zhou et al обсуждали минимизацию расчетной анизотропии напряжений; Chen et al обсуждают слабость пород в направлении, параллельном плоскостям напластования.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Вспомним, что кажущаяся прочность породы зависит от трения, обусловленного действием бокового давления. Чем сильнее прижаты друг к другу слои по плоскостям напластования, тем больше прочность породы (рис. 8-53). Поэтому слоистая глинистая порода будет прочнее, если ее плоскости напластования ориентированы перпендикулярно направлению действия наибольших напряжений. Если бурить перпендикулярно плоскостям напластования, то вероятность возникновения осложнений будет меньше.

Вот какие рекомендации дают Chen и его соавторы в отношении анизотропии прочности и профиля скважины:

Напряженное состояние, благоприятное для образования сброса: в породе с высокой анизотропией прочности плоскости напластования оказывают значительное влияние на устойчивость стенок скважины. Это влияние возрастает при приближении траектории скважины к направлению действия σh. Это означает, что чем больше анизотропия прочности, и чем ближе траектория скважины к направлению σh, тем большей неустойчивости стенок ствола можно ожидать.

Напряженное состояние, благоприятное для образования сдвига: существует значительное влияние даже при небольшой анизотропии прочности. Влияние возрастает при приближении траектории скважины к направлению действия σh. Чем ближе траектория скважины к направлению действия наименьших напряжений, тем большей неустойчивости можно ожидать, даже когда прочность в направлении, параллельном плоскостям напластования, почти такая же, как и в толще породы.

Напряженное состояние, благоприятное для образования надвига: существует значительное влияние даже при небольшой анизотропии прочности. Влияние возрастает при приближении траектории скважины к направлению действия σH. При таком напряженном состоянии плоскости напластования оказывают значительное влияние на гидроразрыв пласта, особенно в сильнонаклонных скважинах.

Анизотропия прочности играет более важную роль при напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, чем при напряженном состоянии, благоприятном для образования сброса. Поэтому вероятность разрушения породы, связанного с наличием плоскостей напластования, выше при напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, чем при напряженном состоянии, благоприятном для образования сброса.

Влияние анизотропии прочности возрастает в следующем порядке: надвиг > сдвиг > сброс.

По возможности нужно бурить перпендикулярно плоскостям напластования и ориентировать траекторию скважины таким образом, чтобы свести к минимуму анизотропию напряжений. Возможно, не удастся полностью выполнить оба условия. Тогда нужно найти компромиссное решение, чтобы выполнить оба условия в максимально возможной степени.

По мере увеличения прочности глинистых пород анизотропия прочности обычно также увеличивается, и создается напряженное состояние, при котором более вероятно разрушение по плоскостям напластования. При разрушении из-за слабости породы в направлении, параллельном плоскостям напластования, образуются обломки, имеющие угловатую форму, с параллельными поверхностями. Если же разрушение происходит из-за чрезмерных касательных напряжений, обломки имеют криволинейные поверхности. Наблюдения на буровой могут изменить наши предварительные оценки оптимальной траектории скважины.

153

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Фильтрат бурового раствора (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

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.

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. 8-54). По мере проникновения фильтрата в поры глинистой породы дифференциальное давление на стенке скважины уменьшается. Этот процесс происходит постепенно.

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.

Рис. 8-54 Зависимость порового давления от времени

154

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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. 8-55 и 8-56.

Рис. 8-55 Депрессионная кривая при отборе Рис. 8-56 Депрессионная кривая при нагнетании

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 наблюдательных скважинах и расстояния до этих скважин от добывающей скважины (рис. 8- 55).

Когда производится закачка воды в нагнетательную скважину, как показано на рис. 8-56, 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. 8-54, 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

155

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

недостаточно велик для того, возникающее дифференциальное давление сильно прижимало твердые частицы к стенке ствола. Действие потока бурового раствора и механическая эрозия вследствие взаимодействия с бурильной колонной удаляют глинистую корку со стенок скважины (рис. 8-59).

Глинистые породы недостаточно проницаемы, чтобы на их поверхности формировалась фильтрационная корка. Все твердые частицы задерживаются на стенках скважины, как на фильтре, но они не прижимаются к стенке скважины дифференциальным давлением настолько сильно, чтобы не быть сорванными потоком

Рис. 8-59 Фильтрационная корка на поверхности глинистой породы

Утверждать, что на поверхности глинистых пород фильтрационная корка вообще не образуется, не совсем правильно. Когда колона неподвижна и нет циркуляции, на стенке может образоваться неустойчивая глинистая корка, но при восстановлении циркуляции она не удержится на стенке и будет удалена. В крупных порах или трещинах, где образуются мосты из твердых частиц, может существовать внутренняя фильтрационная корка. Однако на большей части поверхности глинистой породы, находящейся в контакте с буровым раствором, устойчивая глинистая корка, которая не будет удалена потоком циркулирующего бурового раствора, отложиться не может. Даже если это произойдет, расход фильтрации через глинистую породу будет меньше расхода через фильтрационную корку.

Есть несколько способов, позволяющих свести к минимуму или предотвратить проникновение в пласт фильтрата. К ним относятся:

•Уменьшение репрессии,

•Уменьшение проницаемости глинистых пород,

•Увеличение вязкости фильтрата бурового раствора, и

•Создание полупроницаемой мембраны для уравновешивания дифференциального давления осмотическим давлением.

Уменьшение репрессии, прежде всего, противоречит задаче поддержания репрессии. Некоторая репрессия необходима для создания радиальных напряжений на стенке скважины. Однако чрезмерная репрессия может быть вредной, даже если она недостаточно велика, чтобы привести к поглощению. Должна поддерживаться оптимальная репрессия, при которой действуют достаточные радиальные напряжения, но утечки фильтрата минимальны. Один из путей определения такой репрессии - метод средней линии, предложенный Аadпоy.4

Уменьшение заданной репрессии может иметь очень серьезные последствия. Проникновение в пласт фильтрата вследствие существовавшей ранее репрессии приведет к повышению

158