CC BY
0
УДК 622.01
УЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД
ПО НАПРАВЛЕНИЯМ ПРИ ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ
СКВАЖИН
Е.А. Созонтова
Приводятся результаты испытания образцов керна для определения упруго-прочностных параметров горных пород, обладающих изменчивостью характеристик по направлениям. Применены соответствующие критерии прочности (разрушения) для пород, имеющих анизотропию прочностных характеристик. Решены задачи по определению устойчивости стенок скважин и определено окно безопасности плотности бурового раствора при анизотропном поле горизонтальных напряжений.
Ключевые слова: слоистые горные породы, критерии прочности, устойчивость стенок скважин, плотность бурового раствора.
Обеспечение устойчивости стенок скважин при прохождении слоистых пород, обладающих пониженной прочностью по направлению напластования, достаточно широко исследуется различными специалистами с целью оптимизации режимов бурения данных интервалов. При этом все исследования и решения базируются на свойствах горных пород и условий их залегания [1 - 4].
Особенность при решении задач в области геомеханики в приведенных выше породах связана в том, что часто, если в наличии имеется полноразмерный керн, вырезание из близко расположенных участков образцов по различным направлениям с более приближенными друг к другу свойствами, не удается. Если выбуривание образцов провести под большим углом к напластованию таких пород, как сланцы, аргиллиты расслаиваются. Тем самым получить стандартные образцы-близнецы не удается.
Подготовка стандартных образцов горных пород для испытания. Осложнения при бурении скважин в интервалах с пониженной прочностью можно предсказать после анализа керновых материалов, которые склонны к расслоению при незначительных отрывных усилиях. Однако такая порода вокруг стенки скважины может не разрушаться, если вертикальное напряжение не приводит к сдвигу в направлениях наименьшего сопротивления. Например, аргиллиты кыновского горизонта, обладающие почти нулевым сцеплением в направлении слоистости, способны оставаться устойчивыми при незначительных углах отклонения оси скважины от вертикали. Такой угол может быть найден путем теоретических расчетов при принятии породы с переменным сцеплением и углом внутреннего трения.
Например, сцепление и угол внутреннего трения вдоль слоев могут быть приняты ближе к нулю, а перпендикулярно слоям определены экспериментально.
Для анализа и экспериментальных лабораторных исследований в работе были рассмотрены образцы кернов, отобранных из нескольких скважин, которые наиболее близко расположены друг к другу согласно геологическому сходству пробуренных интервалов (разреза). Данные скважины характерны осложнениями при бурении.
Из-за пониженной прочности с целью минимизировать литологиче-ские различия были выполнены попытки выбуривания образцов кернов из одного образца под различными углами (рис. 1).
Для этого использовалась сверлильная машина с алмазным буром внутренним диаметром 30 мм.
Рис. 1. Выбуренные образцы кернов под различными углами
напластования
Анализ осложнений, возникающих при бурении скважин, показывает интервалы поглощения и затяжки, которые связаны с наличием пород пониженной прочности. Провести лабораторные испытания таких пород не представляется возможным по той причине, что изготовление стандартных образцов цилиндрической формы не всегда успешно, так как при выбуривании полноразмерного керна под углом происходят расслоение и растрескивание образца при вращении инструмента. Поэтому для определения геомеханических характеристик пород с пониженной прочностью
было решено изготовить образцы кубической формы путем их спиливания (рис. 2).
' 1-2
30- о 90 3
1-3
Рис. 2. Выпиленные образцы кернов под различными углами
напластования
В работах [5 - 9] представлена методика экспериментального исследования деформационных, прочностных и фильтрационных свойств горных пород на Испытательной системе трехосного независимого нагру-жения (ИСТНН). Она позволяет в образцах породы кубической формы с гранью 40 или 50 мм, изготовленных из керна коллектора месторождения, воссоздавать любые напряженные состояния, возникающие в призабойной зоне пласта при бурении, освоении и эксплуатации скважины, и изучать их влияние на фильтрационные свойства породы. Эти возможности имеются благодаря примененной в конструкции нагружающего узла оригинальной кинематической схеме, которая позволяет нажимным плитам сближаться в трех направлениях, не создавая препятствий друг другу.
Проведение экспериментальных исследований выбуренных и вырезанных образцов. Эксперименты проводились на испытательной машине на одноосное сжатие цилиндрических и кубических образцов. Испытание каждого образца заключалось в измерении значения разрушающей силы, приложенной через стальные встречно направленные плиты нагрузочного устройства к образующим образца на его диаметральном сечении, ориентированном заданным способом относительно отбора керна из конструкции.
Нагружение образца подготовленного керна сжимающей нагрузкой проводилось равномерно, без ударов, с увеличением нагрузки непрерывно с заданной скоростью. Скорость непрерывного нагружения образца составляла 0,7 кН/с. Результаты испытания образцов приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Результаты на одноосное сжатие образцов керна цилиндрической
формы
№ обр. Угол выбуривания Геом. размеры, мм Ск-ть нагр., кН/с Pmax, кН UCS, МПа
Высота Диаметр
1 2 3 4 5 6 7
9-1А 30 60,5 30,5 0,700 24,54 33,41
9-1В 0 60 30,5 12,76 17,23
9-2В 0 60 30,5 42,17 57,53
9-2А (сухой) 30 56,5 30,5 36,7 50,2
9-3 45 57,88 30,53 40,69 55,58
9-4 90 56,56 30,57 40,47 55,14
Таблица 2 Результаты на одноосное сжатие образцов керна кубической формы
№ обр. Угол выбуривания Геом. размеры, мм Ск-ть нагр., кН/с Pmax, кН UCS, МПа К)
1-1 0-90 41,5х41х43 0.700 97,17 52,81
1-2 0-90 44,5х44х42 118,08 62,23
1-3 45 42х43х40,5 62,34 36,08
1-4 45 41х41,5х37,5 73,33 47,18
По результатам эксперимента максимальный и минимальных по образцам пределы прочности составили 57,53 и 17,23 МПа для образцов цилиндрической формы и 62,23 и 47,18 МПа для образцов кубической формы соответственно.
Анализ упруго-пластичных свойств горных пород для определения безопасного окна плотности бурового раствора. Для определения механических свойств необходимы набор данных исследований керна и ГИС, применение корреляционных зависимостей перехода от характеристик модели механических свойств к параметрам, полученным геофизическими методами.
Для последующего решения задач и проведения анализа были приняты следующие исходные параметры:
- поровое давление на глубине z =1818 м принято равным гидростатическому давлению столба жидкости, т.е. рп=18,18 МПа;
- породы исследуемого интервала обладали пониженной прочностью, до такой степени, что при любых режимах бурения достичь устойчивого состояния стенки скважины и извлечь полноразмерный керн для исследований оказалось невыполнимой. Извлеченные образцы расщеплялись на диски или отдельные кусочки. Естественно, что определение упругих характеристик для такого керна не представляется возможным и поэтому для коэффициента Пуассона принято усредненное значение V = 0,15;
Вертикальное напряжение ог1 принимается главным, приблизительное значение на глубине z =1818 м, согласно принятой средней плотности вышележащих пород рг.п.= 2400 кг/м3 ау=38 МПа.
Минимальное горизонтальное напряжение на глубине z =1818 м согласно формуле Итона [9] определяется как
) + РРп , (1)
1 - V
где в - коэффициент Биота.
В случае учета анизотропии упругих свойств минимальное горизонтальное напряжение определяется по формуле Амадеи [10]
°L ) + №п , (2)
\-vh Ev
где vv, vh - соответственно коэффициент Пуассона в вертикальном и горизонтальном направлениях; EVJ Eh - модули упругости в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Принимая vv=vh=0,15; в=1; Ev=2Eh (жесткость породы в вертикальной плоскости выше), из (2) находим
Oh=22 МПа.
Определение направлений горизонтальных напряжений можно осуществить методом кросс-дипольного акустического каротажа. Микросейсмическое исследование позволило определить азимут направления максимального горизонтального напряжения а ж 50° [11].
Наиболее сложным оказалось определение величины ан. Существуют несколько способов определения величины максимального горизонтального напряжения:
- по ширине (азимут раскрытия) техногенных вывалов по FMI;
- по графику забойного давления при ГРП;
- по овализации открытого ствола в области вывалов согласно записи многорычажного каверномера.
По рекомендациям ряда сервисных компаний работы [11] при неопределенности ан перечисленными выше методами можно принимать
<тн=(1,1...1,2)<Та. (3)
Принимая усредненное значение из уравнения (3), определяем
он = 1,15; Oh = 26 МПа.
Таким образом, тектонический режим на уровне целевого интервала принят сбросовый с напряжениями
rxv= 38 МПа, о\\ = 26 МПа, rxh = 22 МПа. Прочностными характеристиками пород покрышек приняты: стс — предел прочности на одноосное сжатие; <тр — предел прочности на разрыв, с - сцепление; р — угол внутреннего трения.
Минимальное значение ас= 17,2 МПа определено экспериментально. При этом сцепление породы при допущении, что среднее его значение можно определить согласно линейному критерию Кулона-Мора (с73 = 0) по формуле
2c cos р
О = --°~Р, (4)
1 - sin р
позволяет рассчитать с = с0 = 9,6 МПа, т.е. сопротивление сдвигу поперек слоев породы при усредненном значении р = 20°.
В простейшем случае принимаем, что для рассматриваемой породы сцепления и углы внутреннего трения определяются согласно формулам
с(у) = С0 cos2 у/ + Сад sin2 у; (5)
р(у) = p0cos y + p90sin у.
где у/ - угол между нормалью к площадке сдвига и осью, совпадающей с направлением наименьшего сопротивления сдвигу.
Критерий, учитывающий разрушение от сдвига породы с изменяющимися характеристиками, имеет вид [12]
О -о-э =д/ П2 + П2, (6)
где П1 = Jy[sin(2y-p) - 0,5р' sec psin2y] + 0,5¿" cos(2y-p)
П2 = |s[sin(2y - р) - 0,5р' sec psin2y] + 0,5s' cos(2y-p)j
X = x(y) =
(1 - 0,5^) сг = °,5(<ух + &у); s = s(y) = с(у) + к(у)а;
s' = s' (у) = с (у) + к' (у)а. Критерий разрушения породы от отрыва имеет вид
(7)
где ав - кольцевое (окружное) напряжение.
Предел прочности образца, вырезанного из полноразмерного керна вдоль оси, составляет 17,2 МПа (глубина отбора 1818). Наклон слоев к основанию образца 22°. Требуется найти исходные параметры прочности по-
роды, принимая сцепление породы вдоль слоев равным с90= 2 МПа, угол внутреннего трения вдоль слоев р90= 0,2 rad.
Дополнительно пусть угол внутреннего трения поперек слоев будет Ро=0,5 rad. Схема загружения образца при испытании на одноосное сжатие показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема загружения образца при испытании на одноосное сжатие
Подставляя исходные данные в критерий прочности (6), находим с0 = 12,35 МПа. Если р0 принять равным 0,6, то с0=9,6 МПа.
Определим окно безопасности бурового раствора при следующих данных:
^=38МПа, ои=28МПа, ай=22МПа, /=22°, с0=9,6МПа, С9о=2МПа, Ро=0,6 гаё, р90=0,2, ар=2МПа, Рп=16,4МПа. Бурение в направлении ан (а=0°). Критерий Кулон-Мора (6) для анизотропной породы определяет:
при осыпании р = 1340 кг/м3;
при гидроразрыве р = 1353 кг/м3.
Таким образом, бурение в направлении ан почти невозможно.
Бурение а направлении онСа = 90°). Окно безопасности находится в интервале 1168... 1850 кг/м3.
Таким образом, согласно критерию (6) бурение в направлении ан с углом наклона £ = 22° возможно.
Во втором случае, когда Со= 12,35 МПа, С9о= 2 МПа, ро= 0,5 rad, Р90= 0,2 (остальные данные идентичные), получим следующие результаты:
- при бурении в направлении ан интервал (окно) безопасности 1398... 1354 кг/м3, т.е. бурение невозможно;
- при бурении в направлении окно безопасности находится в пределах 1194... 1850 кг/м3.
Таким образом, при принятии р0 = 0,5 га<1 нижний предел плотности повысился незначительно - на 28 кг/м3, т.е. приблизительное назначе-
ж
о>
ние угла внутреннего трения при отсутствии точных данных незначительно влияет на конечные результаты.
Если ро = 0,7 г ad, нижний предел плотности бурового раствора будет 1128 кг/м3. В случае р0 = 0,Srad, с90 = 0 МПа получим С9о=14,8,
Р90= 0,2.
Окно безопасности бурового раствора находится в диапазоне: 1168... 1850 кг/м3.
Бурение в направлении ан по-прежнему невозможно, т.к. при < 1369^ будет осыпание, а при рб р > 1353^ - гидроразрыв.
Выводы
1. Изготовлены образцы путем выбуривания в виде цилиндров и выпиливания в виде кубиков под различными углами напластования. Проведены испытания на одноосное сжатие, а также на трехосное сжатие по схеме Кармана.
2. Предложены методики по определению механических свойств пород, из которых невозможно изготовить стандартные образцы, которые обладают пониженной прочностью и существенной анизотропией.
3. Для решения задач устойчивости стенок скважины использован обобщенный линейный критерий анизотропной прочности (разрушения), учитывающий переменные прочностные свойства пород по направлениям.
4. Осуществлен расчет устойчивости стенок скважин в породах покрышках со слоями пониженной прочности. С Помощью критерия анизотропной прочности были определены усредненные значения сцепления и угла внутреннего трения породы, рассчитано окно безопасности бурового раствора для фиксированного интервала.
Список литературы
1. Алиев М.М., Лутфуллин А.А., Исмагилова З.Ф. Нефтегазовая геомеханика: учеб. пособие. М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2020. 160 с.
2. Алиев М.М., Исмагилова З.Ф., Байбурова М.М. Определение упругих характеристик анизотропных горных пород при объемном сжатии // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. 2017. Т.16. С. 6-10.
3. Губайдулин А.Г., Могучев А.И. Смещение стенок наклонно-направленных скважин при воздействии тектонических напряжений // Газовая промышленность. 2015. (№12). C. 122-126.
4. Зобак М.Д. Геомеханика нефтяных залежей. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2018. 480 с.
5. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Определение деформационных и прочностных свойств горных пород применительно к баже-новским отложениям // Технологии ТЭК. 2005. Вып. 3. С 17-21.
6. Климов Д. М., Карев В. И., Коваленко Ю. Ф. Роль напряжений в формировании эксплуатационных свойств скважин // Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 2009. С. 470-476.
7. Карев В.И. Влияние напряженно-деформированного состояния горных пород на фильтрационный процесс и дебит скважин: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2010. 34 с.
8. Fracture model of anisotropic rocks under complex loading / V.I. Ka-rev, D.M. Klimov, Y.F. Kovalenko, K.B. Ustinov // Physical Mesomechanics. 2018. Т. 21. № 3. С. 216-222.
9. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Моделирование деформирования и разрушения анизотропных пород вблизи горизонтальных скважин // ФТПРПИ. 2017. №3. С. 12-21.
10. Amadei, B. and Stephansson, O. Rock Stress and its Measurement. London: Chapman and Hall, 1997. 490 р.
11. Гирфанов И.И. Исследование напряженно-деформированного состояния в процессе разработки нефтяных месторождений Республики Татарстан: дис. ... канд. техн. наук. Бугульма. 2023. 172 с.
12. Исследование зависимостей геомеханических характеристик слоистых горных пород от величины гидростатического давления / М.М. Алиев [и др.] // Society of Petroleum Engineers - SPE Russian Petroleum Technology Conference. 2017. SPE-187886-RU.
Созонтова Екатерина Андреевна, ст. преподаватель, [email protected], Россия, Альметьевск, Альметьевский государственный нефтяной институт
TAKING INTO ACCOUNT CHANGES IN THE GEOMECHANICAL PROPERTIES OF ROCKS IN DIRECTIONS WHEN ASSESSING THE STABILITY OF WELLS
E. A. Sozontova
The article presents the results of testing core samples to determine the elastic-strength parameters of rocks with variable characteristics in directions. Appropriate strength (fracture) criteria were applied for rocks with anisotropy of strength characteristics. The problems of determining the stability of well walls were solved and the safety window for drilling fluid density was determined under an anisotropic field of horizontal stresses.
Key words: layered rocks, strength criteria, stability of well walls, drilling fluid density.
Sozontova Ekaterina Andreevna, senior lecturer, [email protected], Russia, Almetyevsk, Almetyevsk State Oil Institute
Reference
1. Aliyev M.M., Lutfullin A.A., Ismagilova Z.F. Oil and gas geomechanics: textbook. stipend. Moscow; Vologda: Infra-Engineering, 2020. 160 p.
2. Aliyev M.M., Ismagilova Z.F., Baiburova M.M. Determination of elastic characteristics of anisotropic rocks under volumetric compression. Almetyevsk: Scientific notes of the Almetyevsk State Petroleum Institute, 2017. Vol.16. pp. 6-10.
3. Gubaidulin A.G., Moguchev A.I. Observation of a person under the influence of drugs // Gazovaya sovremennost. 2015(12): pp. 122-126.
4. Zobak M.D. Geomechanics of oil deposits. Izhevsk: Institute of Computer Research, 2018. 480s.
5. Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B. Determination of deformation and strength properties of rocks in relation to Bazhenov deposits // "TEK Technologies". 2005. 3: Pp. 17-21.
6. Klimov D. M., Karev V. I., Kovalenko Yu. F. The role of stresses in the formation of operational properties of wells // Actual problems of mechanics. Mechanics of a deforma-ble solid. M.: Nauka, 2009. pp. 470-476.
7. Karev V.I. Influence of the stress-strain state of rocks on the filtration process and well flow rate: auto-ref. dis. ... Doctor of Technical Sciences. St. Petersburg, 2010. 34c.
8. Model of destruction of anisotropic rocks under complex loading / V.I. Karev, D M. Klimov, Yu.F. Kovalenko, K.B. Ustinov // Physical Mechanics. 2018. Vol. 21. No. 3. pp. 216-222.
9. Karev V.I., Kovalenko Yu.F., Ustinov K.B. Modeling of deformation and destruction of anisotropic rocks near horizontal wells // FTPRPI. 2017. No.3. pp. 12-21.
10. Amadeus B. and Stefansson O. Rock stress and its measurement. London: Chapman and Hall, 1997. 490 p.
11. Girfanov I.I. Investigation of the stress-strain state in the process of developing oil fields of the Republic of Tatarstan: dis. ... candidate of Technical Sciences. Bugulma. 2023. 172 p.
12. Research of the government geomechanical laboratory as a state source from a great statesman / M.M. Aliyev [et al.] // Society of Petroleum Engineers — Russian Oil and Gas Technical Conference SPE, 2017. SPE-187886-EN.
