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

б урового раствора на оптимальном уровне для глубины бурения, и постепенно увеличивать ее по необходимости, никогда не уменьшая, (см. Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора).

Мы получили то, что называется "интервалом допустимых значений плотности бурового раствора" в открытом стволе скважины (затемненная область на рис. 8-40). Минимальная допустимая плотность бурового раствора обеспечивает отсутствие притока в скважину 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.

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

п роисходит поглощение в направлении, перпендикулярном направлению действия наименьших горизонтальных напряжений, и одновременно обрушение породы в направлении, перпендикулярном направлению действия наибольших горизонтальных напряжений (рис. 8-41). 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.

Прочность породы (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

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.

П осмотрим на скелет горной породы, показанный на рис. 8-42. 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.

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. 8-42).

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

Б олее 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. 8-43), 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 (см. рис. 13-1).

Температура (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

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 (рис. 8-44). При погружении в земную кору температура обычно возрастает с глубиной. Средний температурный градиент равен примерно 1°F/100 фут глубины.

П ри 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 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. 8-45).

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 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 (рис. 8-45).

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.

Напряженные состояния в естественных условиях залегания и анизотропия напряжений (факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины)

Напряженное состояние горных пород в естественных условиях залегания определяется региональным полем напряжений, существующим в районе бурения. Напряженное состояние возникает в результате действия тектонических сил в земной коре. Различают три основных типа напряженных состояний, которые показаны на рис. 8-46.² Типы напряженных состояний, обусловленных тектоническими процессами, определяются относительной величиной главных напряжений.

Напряженное состояние, благоприятное для образования сброса возникает, когда σ_v > σ_H > σ_h (рис. 8-46). Наибольшее главное напряжение действует вертикальном направлении, а наименьшее главное напряжение и промежуточные напряжения действуют в горизонтальном направлении.

Напряженное состояние, благоприятное для образования сдвига возникает, когда σ_H > σ_v > σ_h (рис. 8-46). В этом случае наибольшее горизонтальное напряжение σ_H больше вертикального напряжения σ_v, а вертикальное напряжение σ_v больше наименьшего горизонтального напряжения σ_h.

Напряженное состояние, благоприятное для образования надвига возникает, когда σ_H > σ_h > σ_v (рис. 8-46). В этом случае вертикальное напряжение меньше обоих горизонтальных напряжений.

Почему нас интересует напряженное состояние пород при бурении скважины? Когда существует большое различие между горизонтальными напряжениями, интервал допустимых значений плотности бурового раствора сужается.

К ак мы помним, порода часто теряет устойчивость из-за действия касательных напряжений, а касательные напряжения обусловлены различием между взаимно ортогональными напряжениями (в круге напряжений видно, что максимальное касательное напряжение составляет половину разности между наибольшим и наименьшим главными напряжениями).

Неодинаковость напряжений, действующих в разных направлениях, называют анизотропией напряжений (рис. 47). Анизотропия напряжений характеризуется разностью между величинами горизонтальных напряжений он и ov Чтобы в максимальной степени увеличить устойчивость стенок ствола нужно свести к минимуму анизотропию напряжений, изменяя направление и наклон траектории скважины. Shaohua Zhou, Richard Hill и Mike Sandiford из университета Аделаиды, Австралия, представили статью, посвященную выбору траектории скважины с целью минимизации расчетной анизотропии напряжений для различных типов напряженных состояний.² Их рекомендации суммированы на следующих трех страницах (рис. 8-49 - 8-51).

При рассмотрении графиков на рис. 8-49 - 8-51 следует иметь в виду, что целью является выравнивание кольцевых напряжений по окружности сечения ствола. Если удается это сделать, то можно увеличивать плотность бурового раствора для сохранения устойчивости стенок ствола с меньшей вероятностью поглощения (рис. 48).

При напряженном состоянии, благоприятном для образования сброса, σ_v > σ_H > σ_h:

• Наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении по азимуту σ_h.

• При увеличении разности между σ_H и σ_h зенитный угол должен возрастать.

• Если горизонтальные напряжения равны (σ_H = σ_h), то зенитный угол должен быть равен нулю (θ = 0°).

• Если наибольшее горизонтальное напряжение равно вертикальному напряжению (σ_H = σ_v), то нужно бурить горизонтально (θ = 90°).

• Оптимальные зенитные углы для различных отношений горизонтальных напряжений показаны на рис. 8-49.

Когда существует напряженное состояние, благоприятное для образования сброса, наибольшая устойчивость обеспечивается при бурении по направлению действия наименьших горизонтальных напряжений σ_h.

При увеличении разности между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями зенитный угол θ должен возрастать. В приведенном выше примере отношение σ_H к σ_v равно 0,8, а отношение σ_h к σ_v равно 0,3. Согласно графику, построенному Zhou et аl., наилучшее значение зенитного угла для проходки проблемных глинистых пород при таких условиях равно 45°.

При бурении в направлении σ_h с некоторым зенитным углом, компоненты σ_h и σ_v действуют совместно, создавая напряжение, которое становится ближе к σ_H. Распределение радиальных напряжений по окружности ствола становится более равномерным.

Теперь можно увеличить плотность бурового раствора для уменьшения разности радиальных напряжений и максимальных кольцевых напряжений без риска вызвать поглощение. Из работы Zhou, Hill и Sandiford².

Рис. 8-49 Напряженное состояние, благоприятное для образования сброса

При напряженном состоянии, благоприятном для образования сдвига, σ_H > σ_v > σ_h:

• 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 σ_H.

• 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 σ_H.

• Когда наименьшее горизонтальное напряжение равно вертикальному напряжению (σ_h = σ_v), наиболее устойчивое состояние стенок ствола будет при бурении по азимуту σ_H.

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

При напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, σ_H > σ_h > σ_v :

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

• При увеличении разности между σ_H и σ_h зенитный угол должен возрастать.

• Если горизонтальные напряжения равны (σ_H = σ_h), то нужно бурить вертикально.

• Если (σ_h = σ_v), то нужно бурить горизонтально (θ = 90°).

При напряженном состоянии, благоприятном для образования надвига, наибольшая устойчивость обеспечивается при бурении по направлению действия наибольшего горизонтального напряжения σ_H. 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 σ_H.

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

Как видно на вышеприведенном графике, при увеличении зенитного угла вклад σ_H уменьшается, а вклад σ_v 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 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.

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