Глава 12
БУРЕНИЕ СКВАЖИН В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ § 1. Общие сведения
Успешное осуществление процессов бурения скважин в значительной степени зависит от поведения горных пород в околост- вольной зоне или в стенках скважин, проявляющегося в различного рода осложнениях.
Осложненными условиями являются такие, при которых бурение обычными средствами и с нормальной технологией оказывается малоэффективным или невозможным. В таких условиях ухудшается качество работ (выход и представительность керна), возникают частые аварии и снижается производительность труда.
В связи с этим на предупреждение и ликвидацию осложнений затрачивается много времени и средств. Кроме того, нередки случаи, когда серьезные осложнения являются причиной невыполнения геологического задания и прекращения сооружения скважины.
Основные виды осложнений обусловливаются главным образом недостаточной степенью устойчивости многих горных пород, что может быть связано с их природными свойствами, нарушением естественных условий залегания пород и действием различных факторов при формировании ствола скважины.
Наиболее распространенные осложнения связаны с деформационными процессами, приводящими к раскрытию естественных и образованию новых трещин и каверн, сужению ствола скважины, обрушению, обваливанию, осыпанию, пластическому течению породы, наконец, течению (перемещению) разжиженной массы пород (при насыщении водой) или растеплении многолетнемерзлых несвязных пород, сцементированных льдом.
Кроме этого, осложнения могут быть связаны с водо- или газопроявлением, водопоглощением и растворением пород.
Факторы, обусловливающие все перечисленные явления, могут быть подразделены по своей природе на геологические, технические, технологические и организационные.
К геологическим факторам относятся: геолого-структурные особенности разреза или условия залегания пород, углы залегания пластов, напряженное состояние массива горных пород, их физико- геологические и физико-технические свойства, устойчивость и др.
Технические факторы связаны со способом бурения, с типом, конструкцией, качеством и параметрами применяемых при бурении технических средств, и, прежде всего, технологических буровых инструментов, которые должны соответствовать геолого-техниче- ским условиям бурения скважин и определенным требованиям. Сюда же можно отнести и такие факторы, как параметры и конструкция скважин, их пространственное положение и кривизна ствола.
Технологические факторы связаны с параметрами выполняемых при бурении скважин процессов и зависят от способа бурения: разрушения пород, удаления продуктов разрушения, спуска и подъема бурового инструмента, продолжительности выполнения тех или иных операций и др.
Как известно, процесс сооружения скважины характеризуется параметрами режима бурения, способом удаления продуктов разрушения, качеством применяемого очистного агента и режимом его циркуляции, температурным режимом в скважине и др. Все эти факторы оказывают определенное влияние на условия бурения скважин и предопределяют возможные осложнения.
Организационные факторы обусловливаются уровнем материально-технического снабжения, наличием необходимых средств и материалов, используемых при сооружении скважин, уровнем проектирования, планирования и организации работ и, наконец, квалификацией и ответственностью инженерно-технических работников, мастеров и рабочих, а также уровнем контроля за технологической дисциплиной.
В табл. 12.1 приведен системный обзор факторов и причин, обусловливающих возникновение осложнений и их характер. При этом факторы первой группы являются объективно существующими (природными), а остальные возникают в результате выполнения тех или иных работ, связанных с бурением скважин.
Причины,
вызывающие осложнения
Характер
осложнений
Геологические
Свойства горных пород (физико-геологи- ческие, физико-технические), тектоническое строение толщ горных пород (геологоструктурные условия залегания пород: складчатость, тектонические нарушения, углы залегания слоев и т. д.), гидрогеологические условия (обводненность пород, динамика подземных вод, их минерализация, температура и др.).
Обнажение пород при формировании ствола скважины. Нарушение равновесия сил, обусловливающих напряженное состояние пород в массиве
Обрушение, вывалы и осыпание пород. Пластическое течение пород (крип). Вспучивание-Разбухание) пород. Сужение ствола скважины (уменьшение диаметра). Раскрытие естественных и образование новых трещин. Течение водонасыщенной массы раздробленных несвязных пород (плывуны). Поглощение очистного агента. Во- допроявление (водопритоки). Образование каверн. Образование пробок при заполнении ствола породной массой
Технические
Способ бурения. Конструкция и качество применяемого бурового инструмента. Компоновка бурового снаряда. Несоответствие бурового снаряда условиям бурения. Кривизна ствола скважины
Технологические
Конструкция и параметры скважины. Способ удаления продуктов разрушения. Качество очистного агента и его физико-химическая активность. Схема циркуляции очистного агента. Параметры режима бурения; скорость бурения. Движение бурильных труб
Механическое (силовое) воздействие бурового снаряда на породу в стенках скважины в процессе бурения, спуска и подъема
Механическое (силовое) воздействие на породы в процессе бурения и осуществления спускоподъемных операций. Действие на породы очистного агента, фильтрата промывочной жидкости, вызыва-
Снижение устойчивых горных пород. Разрушение пород в стенках скважины. Образование стволов неправильной формы (п сечении). Искривление скважины. Образование желобов
Причины,
вызывающие осложнения
Факторы,
обусловливающие возникновение
осложнений
Характер
осложнений
(каната) при бурении, спуске и подъеме бурового снаряда. Колебания уровня жидкости в скважине. Бурение в стволе с незакрепленными стенками. Проведение специальных работ и исследований в скважине. Ликвидация аварий ющего набухание пород, снижение их прочности, коэффициента трения и устойчивости пород, механическое разрушение; растепление и растворение пород. Изменение гидростатического давления на стенки ствола. Увеличение времени и интенсивности действия причин, вызывающих осложнения вание сальников. Образование каверн; накапливание шлама в кавернах. Прихваты бурового снаряда. Непроходимость ствола скважины. Затяжки инструмента
Интенсификация
всех видов осложнений
Организационные
Перерывы в бурении по организационным причинам (простои). Отсутствие требуемых инструментов и материалов. Несоблюдение нормируемых параметров технологических процессов (нарушение технологической дисциплины). Бурение скважин в районах проведения горно-эксплуатационных работ, сопровождающихся массовыми взрывами, обрушением кровли горных выработок, обводнением пород. Низкая квалификация бурового персонала Отсутствие контроля за соблюдением технологической дисциплины
Увеличение времени и интенсивности действия причин, вызывающих осложнения. Нарушенность массива горных пород. Нарушение оптимальных условий бурения скважин
Таким образом, все виды осложнений, их характер и масштабы .(интенсивность) зависят, прежде всего, от состояния пород и их свойств, что в общем случае определяет их устойчивость или способность сохранять естественное состояние (не обрушаться) при обнажении (вскрытии) массива. По этому признаку все породы делятся на несколько групп (см. табл. 7.2).
В зависимости от степени устойчивости пород осложнения могут возникать сразу же при вскрытии (породы первой группы — весьма неустойчивые) или спустя некоторое время, продолжительность которого зависит от активности действия факторов технического, технологического и организационного характера (породы второй группы — слабо устойчивые). Поведение пород третьей группы зависит от действия среды, в контакте с которой они находятся, ее физико-химической активности (температуры, антифрикционной и растворяющей способности и др.).
Общим для пород всех трех групп является снижение устойчивости в зависимости от времени, в течение которого породы находятся в обнаженном состоянии и подвергаются действию различных факторов. Этим определяется главное условие успешного сооружения скважины — выполнение всех видов работ в кратчайшие сроки, исключение простоев и точное соблюдение оптимальных для данных условий технологий.
При бурении в породах четвертой группы в нормальных условиях осложнений практически не возникает.
Следует отметить, что большинство причин, вызывающих осложнения, устранить невозможно, но можно уменьшить или исключить их действие, принимая те или иные меры. Исключением являются причины организационного характера, которые могут и должны быть Исключены полностью.