CC BY
228
Технологии разведки и разработки месторождений полезных ископаемых
УДК 622.243
DOI 10.21285/0301-108Х-2016-55-2-61-65
НЕКОТОРЫЕ ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕНОК СКВАЖИН
© П.С. Пушмин1
1Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Обеспечение устойчивости стенок скважин является одной из сложных технологических задач, возникающих в процессе бурения, так как большинство основных видов осложнений связано с внешним механическим и гидродинамическим воздействием на стенки скважин, что может являться причиной обрушения, осыпания, образования обвалов, каверн и других осложнений. Понимание причин неустойчивости и закономерностей разрушения стенок скважин должно базироваться на подробном теоретическом анализе геолого-технологических факторов, оказывающих непосредственное влияние на горную породу стенок в процессе формирования стволов скважин в сложных геологических условиях.
Ключевые слова: бурение нефтяных и газовых скважин, устойчивость стенок скважин, геологические осложнения, буровой раствор.
Формат цитирования: Пушмин П.С. Некоторые причины нарушения устойчивости стенок скважин // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2016. № 2 (55). С. 61-65. DOI 10.21285/0301-108Х-2016-55-2-61-65.
SOME CAUSES OF WELL WALL STABILITY LOSS
P.S. Pushmin
Irkutsk national research technical university, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Ensuring stability of well walls is one of the complex technological challenges arising in drilling since the majority of the main types of complications is connected with external mechanical and hydrodynamic impact on the well walls that can become the cause of well collapse or caving-in, formation of rock falls, cavities and other complications. Understanding of the causes of wall instability and regularities of well wall destruction has to be based on the detailed theoretical analysis of geological and technological factors having a direct impact on the rock of walls during borehole formation in complicated geological conditions.
Keywords: drilling of oil and gas wells, stability of well walls, geological complications, drilling mud
For citation: Pushmin P.S. Some causes of well wall stability loss // Proceedings of Siberian Department of the Section of Earth Sciences of the Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Prospecting and Exploration of Ore Deposits. 2016. No. 2 (55). Pp. 61-65. DOI 10.21285/0301-108X-2016-55-2-61-65.
Основное влияние на устойчивость стенок скважин оказывают факторы, характеризующие внешнее механическое и гидродинамическое воздействие. К таким факторам можно отнести раздавливание, при котором происходит
разрушение породы при сжатии, разрыв, вызывающий разрушение породы при растяжении, а также гидродинамическое воздействие потока бурового раствора. Например, разрушение стенок скважины за счет сжимающих нагрузок может
1Пушмин Павел Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.edu
Pushmin Pavel, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405737, e-mail: pps@istu.edu
наблюдаться, когда напряжения в горной породе превысят предел ее прочности (текучести), что может стать причиной расширения, сужения и заваливания ствола скважины.
Напряжения (нормальное вертикальное ах, тангенциальное ав и радиальное о>), возникающие в элементе горной породы в приствольной области скважины на некоторой глубине Н, вызваны действием следующих сил: вертикальным давлением от силы веса Р2; наружным боковым давлением Рт; внутренним давлением бурового раствора Рб.р. (рисунок) [1].
Схема действия внешних сил на элемент стенки скважины:
т - расстояние от оси до внутренней стенки скважины
Величины напряжений, возникающих на стенке скважины, могут быть рассчитаны по следующим формулам:
о = /Н;
о-© = Ы/пН ~/Н;
о = Н,
где уп - средний объемный вес горных пород, г/м3; у - удельный вес бурового раствора, г/м3; Н - глубина залегания, м; X - коэффициент бокового распора (может быть принят равным 1).
При наличии пластового давления в стволе скважины зависимости для расчета напряжений примут следующий вид:
О =/пН ~Лрп;
°0= 2А/пН -/Н ;
°т = Н ~1РИ ,
где п - коэффициент, зависящий от структурных особенностей породы и вязкости бурового раствора (от 0 до 1); Рн = 0,001Н - давление насыщающего породу бурового раствора, соответствующее гидростатическому давлению столба воды.
Многими исследователями установлено, что максимальные значения напряжений концентрируются непосредственно на стенке скважины, являющейся наиболее неустойчивым элементом ствола.
Следует отметить, что напряжения, возникающие вокруг искривленного ствола скважины, могут иметь большие значения, чем вокруг ствола вертикального, что приводит к меньшей стабильности скважины. Например, распространена тенденция ослабления сланцевых глин в том случае, когда напряжения направлены под углом к залеганию, а не параллельно либо перпендикулярно ему.
Одной из основных причин разрушения стенок скважины при воздействии как сжимающих, так и растягивающих нагрузок является критическое тангенциальное (касательное) напряжение ав, действующее по периметру ствола скважины (см. рисунок).
Снижение критического тангенциального напряжения возможно за счет утяжеления бурового раствора, что позволит бороться с разрушением стенок скважины под действием сжимающих нагрузок. Вместе с тем, существующий производственный опыт показывает, что применение раствора более высокого качества вместо повышения его плотности может способствовать улучшению состояния стенок скважины, в частности прекращению образования обвалов. Более того, при бурении с продувкой сжатым воздухом стенки скважины достаточно устойчивы, хотя противодавление на горные породы в этом случае практически отсутствует.
Эффективным решением проблемы, связанной с разрывом горных пород, считается снижение плотности бурового раствора и/или эквивалентной циркуляционной плотности Рэкв - плотности, которой должен обладать раствор, гидростатическое давление которого на глубине Н было бы равно полному давлению в кольцевом пространстве на той же глубине циркулирующего исходного раствора:
Рэкв = Р +
АРГД
gH
где р - исходная плотность бурового раствора, кг/м3; АРгд - гидростатическое давление, МПа; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Снижение величины эквивалентной циркуляционной плотности возможно, например, за счет уменьшения количества бурового раствора, подаваемого насосами.
В том случае, если эквивалентная циркуляционная плотность имеет большее значение, чем градиент распространения гидроразрыва пласта, скважину невозможно пробурить без значительной фильтрации, что имеет особенное значение для продуктивных горизонтов, находящихся под высоким давлением с небольшой разницей между градиентом давления гидроразрыва пласта и пластовым давлением.
На практике градиент распространения гидроразрыва пласта может быть определен на основе анализа трещинооб-разования в соответствующей точке одной из ранее пробуренных скважин.
В целом, процесс образования мелких трещин является немаловажным фактором, изучение которого позволит оценить минимальное значение горизонтального напряжения и удельный вес бурового раствора, превышение которого может привести к существенным потерям.
При действии только разности горного и гидростатического давлений неравенство для подбора удельного веса раствора у имеет следующий вид:
Г>ЯГп - 0,57 ^, Н
где от - предел текучести горной породы при одноосном сжатии; уп - удельный вес горной породы.
Если величина от имеет существенную зависимость от величины всестороннего сжатия, то в формулу необходимо подставить такую величину прочности горной породы, которая соответствовала бы среднему напряжению, то есть
= 1 +C& + &Z )
3
где оо - средняя прочность горной породы, МПа.
В первом приближении значение предела текучести горной породы от можно рассчитать из следующей зависимости:
1 + 21 „
От наличия естественных нарушений сплошности горной породы (трещи-новатости, пористости) во многом зависит характер и скорость ослабления связей между частицами буримых пород. С одной стороны, места нарушения, по которым движется фильтрат раствора, являются источником уменьшения механической прочности породы и способствуют ее смачиванию. С другой стороны, наличие нарушений является условием образования фильтрационной глинистой корки, повышающей устойчивость стенок скважины.
Наиболее часто разрушение стенок скважин с образованием обвалов происходит в глинистых породах и породах, цементирующим материалом в которых являются глинистые минералы, что объясняется свойствами самих глин.
Известны исследования по определению деформации горных пород в различных внешних средах - без доступа воздуха, в воздухе и при циркуляции воды [2]. В первом случае поведение глин не отличалось от других горных пород и образцы не разрушались. Во втором случае наблюдался постепенный
рост деформации с последующим разрушением, что объясняется адсорбцией паров воды из воздуха, в результате чего силы сцепления между частицами глин существенно уменьшаются. В третьем случае момент разрушения образцов глин наступал очень быстро при незначительном увеличении деформации.
Последний случай иллюстрирует процесс набухания глин за счет попадания в поры горных пород воды, последующее выпучивание и обрушение в скважину - образование каверн. Существенное значение при этом имеет естественная увлажненность глин. Даже при незначительном увлажнении горных пород глубина их устойчивого залегания резко уменьшается. Известно, что при полном водонасыщении прочность, например, плотных глин и глинистых сланцев, может снизиться в 2-10 раз.
Известны случаи, когда после вскрытия скважиной пласты силь-ноувлажненных глин выдавливались в ствол на высоту нескольких десятков и даже сотен метров, одновременно выталкивая из скважины буровой инструмент.
При вскрытии мало- и средне-увлажненных глинистых пород диаметр ствола скважины, как правило, близок к номинальному на некотором расстоянии от забоя. Далее наблюдается интенсивное увеличение диаметра, после чего наступает период некоторой стабилизации. Затем вновь начинается осыпание пород, то есть наблюдается цикличный процесс образования каверн.
Распространенным методом поддержания устойчивости ствола скважины является ингибирование бурового раствора, например при помощи солей калия, полимеров, в особенности при бурении сланцевых глин, склонных к гидратации [3].
Ингибирование растворов на нефтяной основе проводится добавлением соли, например хлорида кальция, к эмульгированной водной фазе. Это способно снизить процесс миграции воды из бурового раствора в пласт либо, наоборот, повысить устойчивость пласта.
Очень часто при бурении с применением растворов на нефтяной основе для поддержания устойчивости искривленных скважин прибегают к повышению плотности бурового раствора на 0,06 г/см3 / 30° наклона в сравнении с плотностью раствора для вертикальных стволов, что способствует компенсации больших напряжений, возникающих на стенках скважины. Однако следует обращать внимание на возможность растрескивания в покрывающих породах песчаниковых и меловых литологий.
Маловязкие смывающие буровые растворы могут неблагополучно влиять на устойчивость стенок скважин [4]. Глинистые сланцы с чешуйчатой структурой, залегающие под острым углом к оси скважины, могут легко размываться турбулентным потоком раствора, движущегося с высокой скоростью. В подобных условиях возникает необходимость в повышении реологических свойств маловязкого бурового раствора.
Для сравнения характеристик устойчивости стволов скважин нередко используют зависимости, отражающие связь напряжений вокруг ствола с параметрами радиуса искривления, ориентации ствола, а также соответствующими данным интервалам пластовыми давлениями.
По мнению многих исследователей, устойчивость стенок наклонных скважин может быть обеспечена высокой скоростью проходки при радиусе искривления меньшей длины, что позволит сократить участок сланцевых глин и, соответственно, уменьшить возможный объем их обрушения. При этом появляется возможность отсечения опасного пласта колонной обсадных труб до перехода к бурению участка с коротким радиусом искривления. Напротив, бурение в опасном пласте нежелательно при средних и коротких радиусах кривизны, когда достичь проектной скорости бурения станет весьма затруднительно.
По возможности программа крепления скважины должна предполагать
защиту обсадными колоннами потенциально аварийных зон, расположенных под малыми углами искривления. В частности, перед бурением горизонтального участка ствола скважины рекомендуется оставить открытым минимальное количество вышележащих сланцевых глин.
В виду наличия проблем, связанных с бурением стволов скважин под большими углами через сланцево-глини-стые участки, а также учитывая зависимости процессов разрушения и обрушения, сланцевые глины необходимо изолировать от горизонтального участка. Если это возможно, обсадные трубы
следует устанавливать на кровлю участка продуктивного пласта либо у основания покрывающей сланцево-глини-стой горной породы.
С учетом многообразия геологических условий и технологий бурения единого алгоритма, позволяющего выбрать тот или иной метод повышения устойчивости стенок скважины, не существует. Каждый отдельный случай должен базироваться на подробном теоретическом анализе геолого-технологических факторов, непосредственно влияющих на разрушаемую горную породу в процессе формирования стволов в сложных геологических условиях.
Библиографический список
1. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении. М.: Изд-во РГГРУ, 2007. 668 с.
2. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 2000. 680 с.
3. Рязанов Я.А. Энциклопедия по буровым растворам. Оренбург: Летопись, 2005. 664 с.
4. Порцевский А.К., Ганджумян Р.А. Оптимизация буровых и горно-разведочных работ, планирование эксперимента: учеб. пособие. М., 2005. 70 с.
References
1. Gandzhumyan R.A., Kalinin A.G., Serdyuk N.I. Raschety v burenii [Computations in drilling]. Moscow, RGGRU Publ., 2007. 668 p.
2. Basarygin Yu.M., Bulatov A.I., Proselkov Yu.M. Oslozhneniya i avarii pri burenii neftyanykh i gazovykh skvazhin [Complications and emergences in drilling oil and gas wells]. Moscow, Nedra Publ., 2000. 680 p.
3. Ryazanov Ya.A. Entsiklopediya po burovym rastvoram [Drilling muds encyclopedia]. Orenburg, Letopis' Publ., 2005. 664 p.
4. Portsevskii A.K., Gandzhumyan R.A. Optimizatsiya burovykh i gorno-razve-dochnykh rabot, planirovanie eksperimenta [Optimization of drilling and mining exploration, experiment planning]. Moscow, 2005. 70 p.
Статья поступила 04.03.2016 г. Article received04.03.2016.
