7.2. Водо-, нефте-, газопроявления

Этот вид осложнений связан с проникновением в скважину пластовых флюидов, несмотря на то, что по техническим условиям бурения давление в скважине всегда должно быть больше пластового. Причинами снижения давления в скважине могут быть ошибки при оценке пластового давления, снижение уровня жидкости в скважине при подъеме инструмента из скважины и при поглощении раствора пластами с пониженным пластовым давлением, поршневой эффект при подъеме инструмента и, наконец, попадание газа в раствор вместе с выбуренной горной породой. Последнее приводит к снижению плотности бурового раствора.

Признаком водопроявления является увеличение объема жидкости в системе промывки скважины, снижение плотности бурового раствора в результате разбавления и перелив жидкости из скважины во время остановок. Из формулы (7.2) следует, что основными способами профилактики и борьбы с водопроявлениями являются автоматический долив скважины и утяжеление бурового раствора.

Признаками нефте- и газопроявлений являются появление пленки нефти на поверхности бурового раствора и его "кипение". При попадании газа в раствор снижается плотность последнего, и, если давление в скважине снизится ниже пластового, то процесс поступления газа будет нарастать лавинообразно и закончится выбросом бурового раствора и неуправляемым фонтанированием скважины. Это очень тяжелое осложнение. Фонтанирующие нефть и газ могут самопроизвольно воспламениться, и даже может произойти взрыв. Поэтому фонтанирующие нефть и газ поджигают, приняв необходимые меры безопасности.

Профилактика. При разбуривании отложений, содержащих нефть и газ, организуется систематический контроль за плотностью бурового раствора, ограничивается скорость подъема инструмента из скважины, при необходимости в систему очистки бурового раствора включаются вакуумные дегазаторы, а устье скважины оборудуется превенторами (устройствами для герметичного перекрытия устья). Наиболее часто проявления происходят, когда скважина находится в покое или идет подъем инструмента. Поэтому в бурильной колонне устанавливается обратный клапан и проводятся периодические промывки скважины. Если имеют место "кипение" и прогрессирующий перелив раствора из скважины, то необходимо немедленно перекрыть устье скважины превентором.

Устранение проявления производят путем замены жидкости в закрытой скважине на более тяжелый буровой раствор. Тушение открытых фонтанов проводят специальные военизированные подразделения.

7.3. Осыпи и обвалы горных пород стенок скважины

С точки зрения механики осыпи и обвалы обусловлены напряжениями в стенках скважины, превышающими предел прочности горной породы. Основными признаками являются несоизмеримое количество шлама в системе очистки скважины с ее объемом, а также появление осадка на забое скважины (при спуске инструмент не доходит до забоя).

В горных породах до вскрытия скважиной действуют естественные напряжения (горное давление):

р_г = ρ_гgz; (7.3)

р_б = λр_г, (7.4)

где р_г - вертикальная компонента, называемая геостатическим давлением;

р_б - горизонтальная компонента (боковое давление); ρ_г – плотность горных пород; λ – коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы. При вскрытии бурением горная порода в объеме скважины заменяется буровым раствором с давлением р_с. Соответственно изменятся компоненты напряжений в горной породе стенки скважины (рис. 7.2).

Изменением вертикальной компоненты обычно пренебрегают, т.е.

σ_z = р_г. (7.5)

Компоненты в горизонтальной плоскости в цилиндрической системе координат становятся следующими:

σ_R = p_c; (7.6)

σ_t =2р_б - р_с. (7.7)

Соответственно в стенках скважины возникают касательные напряжения:

τ_zr = (σ_z − σ_R)/2; (7.8)

τ_zt = (σ_z – σ_t)/2; (7.9)

Рис. 7.2. Компоненты напряжений в стенке скважины

τ_tr = (σ_t − σ_R)/2. (7.10)

Условие сохранения стенки в упругом состоянии в соответствии с теорией прочности Мора-Кулона имеет вид

τ_тах < k_дл τ_s, (7.11)

где τ_s – предел текучести горной породы; k_дл - коэффициент длительной прочности породы.

Заведомо неизвестно, какая из компонент τ, представленных уравнениями (7.8), (7.9) и (7.10), максимальная. Поэтому расчеты проводятся для всех трех случаев. Регулирование напряжений в стенке, как следует из уравнений (7.6) и (7.7), возможно только путем изменения давления в скважине. Поэтому условие (7.11) записывается как диапазон давлений бурового раствора в скважине на рассматриваемой глубине:

р_сн < p_c < p_cв, (7.12)

где р_сн – нижняя граница допустимого давления в скважине; р_св – верхняя граница допустимого давления в скважине.

Величина k_дл на момент вскрытия породы скважиной принимается равной единице. По мере бурения стенка скважины подвергается физико-химическому воздействию со стороны бурового раствора, а также имеют место колебания давления и температуры в скважине и механическое воздействие инструмента. Все это ведет к уменьшению прочности породы во времени, т. е. к уменьшению величины k_дл, а в конечном счете к сужению диапазона допустимого давления в скважине во времени.

На рис. 7.3 показан характер изменения предела текучести горной породы во времени. Предел текучести породы τ_s(t) монотонно снижается и приближается к асимптоте τ_s. Если при бурении максимальные напряжения (τ_тах1) ниже предельных τ_s, то проблем со стенкой скважины не будет. Это имеет место при бурении в средней прочности и прочных горных породах. Если же максимальные напряжения (τ_тах2) ниже предельных τ_s, но выше τ_s¥ , то допустимое время бурения составит величину [t_б] (см. рис. 7.3).

Рис. 7.3. Длительная прочность горной породы

Как только давление в скважине окажется за пределами допустимого диапазона, т.е. t_б > [t_б], то следует ожидать деформирования (сужения скважины в пластичных породах) или разрушения стенок в хрупких и пластично-хрупких породах. Таким образом, для предупреждения осыпей и обвалов стенок скважины в горных породах низкой прочности необходимо пробурить и закрепить опасный интервал за время, не превышающее [t_б]. Для увеличения [t_б] необходимо скорректировать плотность бурового раствора, по возможности ограничить колебания давления и температуры бурового раствора, и, что самое главное, подобрать тип и свойства раствора, минимально понижающие прочность горной породы во времени.