Текучие породы

Некоторые породы, такие как соль, мергели и молодые пластичные глинистые породы могут выдавливаться или вытекать в скважину, что приводит к сужению ствола. Этот процесс обусловлен напряжениями от веса вышележащих пород, тектоническими нагрузками или набуханием.

При бурении в таких условиях осложнений не возникает, но при подъеме инструмента стабилизатор и долото могут заклиниться на участке сужения ствола (рис. 10-18).

Рис. 10-18 Выдавливание соли в скважину Рис. 10-19 Пластичность соли

Соль известна своей способностью течь по давлением, обусловленной ее высокой пластичностью. Частицы шлама могут казаться твердыми, но под нагрузкой, создаваемой гидравлическим прессом, керн соли легко изменяет свою форму (рис. 10-19).

Напряжения от веса вышележащих пород вынуждают соль расширяться и течь в скважину. При этом диаметр скважины постоянно уменьшается начиная с моменты вскрытия соленосного интервала. Со временем может произойти полное закупоривание ствола выдавленной в него солью.

Все соляные пласты ведут себя по-разному. Некоторые выдавливаются очень быстро, а другие могут вообще не выдавливаться. Некоторые соли очень чистые, а некоторые сильно загрязнены другими осадками. Есть такие соляные пласты, которые сформировались, когда море полностью испарилось, оставив слои соли различных типов, растворяющейся с различной скоростью (рис. 10-20). Эти "многослойные" соляные пласты могут стать причиной осложнений, поскольку применение соленасыщенного РВО не всегда может предотвратить растворение всех слоев такого пласта.

Раствор, насыщенной NaCl предотвратит растворение слоя NаСl, но более растворимые соли, такие как МgСl₂, все же могут раствориться, оставляя уступы. Такие уступы могут обломиться и упасть в скважину. Чтобы сохранить номинальный диаметр скважины в интервале многослойных соляных пластов часто используют РУО.

М ногослойные соляные пласты формировались, когда полностью испарялись мелководные моря. Наименее растворимые соли выпадали из раствора первыми, а наиболее растворимые - последними.

Типичными примерами многослойных соляных пластов являются цехштейнские солевые отложения в Северном море и у западного побережья Африки.

При контакте с РВО многие соли растворяются, даже если раствор насыщен NaСl, наименее растворимой солью.

Чтобы лучше понять, до какой степени может проявляться текучесть соли, нужно проанализировать факторы, влияющие на текучесть соли.

Факторы, влияющие на деформацию или текучесть соли

На скорость течения соли влияют несколько факторов:

• Напряжения от веса вышележащих пород и тектонические напряжения

• Чистота и толщина соляного пласта

• Температура

• Тип и плотность бурового раствора

Вес вышележащих пород оказывает значительное влияние на текучесть. Чем больше глубина залегания соли, тем более вероятно проявление текучести. Соли характеризуются высоким значением коэффициента Пуассона, поэтому напряжения от веса вышележащих пород легко трансформируются в горизонтальные напряжения. Такое же действие производят тектонические напряжения.

Большое значение имеет также чистота соляного пласта. Загрязнители, такие как песок и глинистые породы в чередующихся прослоях или в смеси с солью уменьшают коэффициент Пуассона, т.е. делают соль менее пластичной. То же самое относится и к темной липкой глине. Можно скатать шарик из бентонитовой глины и посмотреть, как загрязнители, такие как песок, уменьшают ее пластичность.

Тенденция к проявлению текучести возрастает также с увеличением толщины пласта.

Температура пласта также влияет на пластичность соли. Все материалы становятся более пластичными при повышении температуры. Чем больше глубина залегания соли, тем более высокую температуру следует ожидать. Этот фактор, а также напряжение от веса вышележащих пород - вот две главные причины тенденции к увеличению пластичности соли на большой глубине. Температура влияет также на предел насыщения или максимальное количество соли, которое может быть растворено и унесено в растворе.

Плотность бурового раствора обеспечивает боковое давление, удерживающее соль. При увеличении радиальных напряжений кольцевые напряжения и, следовательно, касательные напряжения, уменьшаются. При увеличении бокового давления порода фактически становится более пластичной, но касательные напряжения, вызывающие деформацию, уменьшаются. Поэтому текучесть будет проявляться в меньшей степени.

Тип и плотность бурового раствора влияют на скорость растворения соли. Можно подобрать такую рецептуру РВО, при которой скорость растворения соли будет равна скорости ее течения.

Когда следует ожидать заклинивания колонны текучими породами

Заклинивание колонны текучими породами может произойти там, где существуют условия для выдавливания их в скважину. Мощные пласты чистой соли более склонны к проявлению текучести, чем тонкие чередующиеся пласты. Соляные пласты, залегающие на большой глубине или в зонах высоких тектонических напряжений будут течь быстрее, чем соли, залегающие на небольшой глубине и испытывающие низкие напряжения.

Соляные пласты более склонны к текучести в условиях высоких температур и репрессии.

Признаки заклинивания колонны текучими породами

Чаще всего проявляются следующие предпосылки и признаки проявления текучести вскрытых пород:

• Присутствие соляных или угольных пластов

• Куски соли или угля на виброситах

• Недостаточный выход шлама на поверхность

• Увеличение содержания хлоридов в буровом растворе

• Увеличение скорости проходки

• Возрастание крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны

Присутствие соляных или угольных пластов является первым признаком проявления текучести. Если прогнозируется вскрытие неустойчивых соляных или угольных пластов, следует ожидать проявлений текучести.

Куски соли или угля на виброситах или недостаточный выход шлама на поверхность могут указывать но то, что вскрыт соляной или угольный пласт. Куски выбуренной соли могут полностью раствориться в РВО, поэтому недостаточный выход шлама на поверхность может стать основанием для вывода о том, что разбуривается соль, растворяющаяся в растворе. Этот вывод может быть подтвержден результатами анализа выходящего бурового раствора.

Увеличение содержания хлоридов в буровом растворе может стать основанием для вывода о том, что был вскрыт соляной пласт или пласт, насыщенный рассолом. Соль имеет очень низкую проницаемость, поэтому в отложениях соли часто бывает заперт рассол. Так как соль очень пластична, поровое давление в соляном пласте может быть намного ближе к давлению вышележащих пород, чем поровое давление в других пластах, залегающих на такой же глубине (рис. 10-21). Остановить фильтрацию рассола очень трудно или невозможно.

Эффективные напряжения воспринимаются в местах контакта между зернами.

Поровое давление создается напряжениями, которые испытывает жидкость в местах контакта с зернами. Оно противодействует нагрузке от вышележащих пород, так же как давление воздуха в шинах противодействует нагрузке от автомобиля.

Поскольку соль очень пластична, она не выдерживает большое эффективное напряжение. Таким образом, большая часть напряжений передается на поровую жидкость. Это обстоятельство объясняет аномально высокое пластовое давление.

Высокая скорость проходки и слабая вибрация долота часто наблюдаются при проходке мощных соляных пластов. Это может указывать на то, что была вскрыта соль.

Возрастание крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны при

СПО или проработке ствола могут указывать на сужение ствола из-за выдавливания породы в скважину.

Предотвращение заклинивания колонны текучими породами

Для предотвращения заклинивания колонны текучими породами чаще всего принимают следующие меры:

• Проводка скважины в обход соли и других текучих пород

• Увеличение плотности бурового раствора

• Использование буровых растворов с низким содержанием солей

• Регулярные проработка соленосных интервалов

• Использование бицентричных долот

Лучшая защита от заклинивания в соли - это, прежде всего, проводка скважины в обход соляных пластов. Если же проект предусматривает проходку через соляной пласт, то нужно избегать или в максимальной степени ослаблять факторы, способствующие проявлению текучести.

Применение бурового раствора высокой плотности поможет избежать выдавливания соли благодаря увеличению радиальных напряжений, действующих на стенки скважины, и уменьшению касательных напряжений, вызывающих деформацию породы. Увеличение плотности бурового раствора до такого значения, при котором соль вообще не будет течь, может быть нецелесообразным. Тем не менее, любое увеличение плотности бурового раствора замедлит течение соли.

Можно разработать слабоминерализованный буровой раствор, который будет растворять соль с такой же скоростью, с которой происходит ее течение в скважину. Этот подход эффективен в тех случаях, когда скорость течения прогнозируема и не очень велика. При разбуривании многослойных соляных пластов этот подход менее эффективен.

Высокоминерализованные РВО используются для предотвращения чрезмерного расширения ствола вследствие растворения соли со скоростью, превышающей скорость течения соли в скважину. Расширение скважины из-за перехода соли в раствор более вероятно на небольшой глубине, чем на большой глубине. При разбуривании мелкозалегающих соляных пластов для сохранения номинального диаметра скважины часто используются РУО или синтетические буровые растворы.

При разбуривании соляных пластов, пожалуй, чаще всего применяют такое средство, как регулярные проработки соленосных интервалов. При таких проработках постоянно удаляется материал, выдавливаемый в скважину.

Применяют также бицентричные долота, с помощью которых получают диаметр скважины, превышающий диаметр долота и стабилизаторов. Благодаря этому увеличивается интервал между проработками, в течение которого можно безопасно бурить.

Бурильная колонна почти всегда заклинивается при попытках поднять колонну или выполнить проработку ствола в соленосном интервале. Как и всегда при опасности прихвата на участках со сложной геометрией бурильщик должен постоянно следить за положением КНБК. Поднимать колонну в соленосном интервале нужно очень медленно, избегая чрезмерного увеличения нагрузки на крюке. Если после последней проработки прошло слишком много времени, может понадобиться ванна из пресной воды и дополнительная проработка.

При спуске колонны в соленосный интервал целесообразно проработать этот интервал, если только нет данных о том, что выдавливание соли в скважину прекратилось.

Освобождение колонны, заклинившейся в интервале текучих пород

Как и при любом прихвате на участке со сложной геометрией, технология освобождения бурильной колонны, заклинившейся в интервале текучих пород, предусматривает расхаживание колонны и удары яссом в направлении, противоположном тому, в котором двигалась колонна до прихвата. В соленосных интервалах бурильная колонна почти всегда заклинивается при подъеме, поэтому скорее всего наносить удары яссом нужно будет вниз.

Если проворачивание, перемещение вниз и удары яссом не привели к освобождению колонны, можно поставить в месте прихвата ванну из пресной воды для растворения соли. Разумеется, если возможна циркуляция. Нужно проявлять осторожность и не создавать слишком большое усилие при подъеме колонны, чтобы не перекрыть ствол в узком месте, после чего циркуляция будет невозможна.