Механика устойчивости ствола скважины

Плотность

Плотность-—это масса единицы объема вещества. Ее вы­ражают в фунтах на галлон, в фунтах на кубический фут или в килограммах на кубический метр, либо сравнивают с массой такого же объема пресной воды (относительная плотность). Давление, создаваемое неподвижным столбом раствора, зави­сит как от плотности этого раствора, так и от глубины, поэтому плотность удобно выражать в фунтах на квадратный дюйм на фут или в килограммах на квадратный сантиметр на метр. (Со­отношения между различными единицами измерения, использо­ванными в данной работе, приведены в приложении).

Для того чтобы предотвратить приток пластовых флюидов в скважину и образовать на стенках ее ствола тонкую фильтра­ционную корку низкой проницаемости, давление столба буро­вого раствора должно превышать поровое давление (давление, создаваемое флюидами в порах пласта) как минимум на 1,4 МПа. На значение порового давления влияют глубина зале­гания пласта, плотность пластовых флюидов и геологические условия. В зависимости от геологических условий выделяют пласты с нормальным давлением, которые имеют несущий твер­дый скелет (в этом случае поровое давление зависит только от веса флюидов в вышележащих породах), и пласты с аномально высоким давлением, которые уплотнены не полностью и потому не имеют несущего твердого скелета (в этом случае поровые флюиды воспринимают полный вес или часть веса перекрываю­щих осадочных пород, а также вес находящихся в этих /поро­дах флюидов). Градиенты гидростатического давления пласто­вых флюидов изменяются от 9,7 до 11,8 кПа/м в зависимости от минерализации воды.

Объемная плотность частично уплотненных осадочных по­род возрастает с глубиной, однако ее среднее значение прини­мается равным-2,3 г/см³. Поэтому градиент. горного (геостати­ческого или литостатического) давления составляет примерно 22,3 кПа/м, а значение порового давления в пластах с ано­мально высоким давлением находится где-то- между значениями гидро- и геостатического градиентов давления в зависимости от степени уплотнения пород.

Давление столба бурового раствора на стенки ствола сква­жины, помимо удержания пластовых флюидов в пластах, помогает поддерживать устойчивость этого ствола. При на­личии в разрезе пластичных пород, например каменной соли или неуплотненных глин, давление бурового раствора приоб­ретает решающее значение ' для обеспечения устойчивости ствола.

Сохранение выбуренных твердых частиц (бурового шлама) в растворе во взвешенном состоянии улучшается с ростом плот­ности последнего, способствуя, транспорту шлама по кольцевому пространству и замедляя его осаждение на поверхности. Увеличение плотности бурового раствора как средства повышения его несущей способности очень редко бывает оправданным.

В интересах безопасности естественно стремление поддер­живать плотность бурового раствора на уровне, который выше фактически необходимого для удержания флюидов в пласте, но такая практика имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего, чрезмерная плотность бурового раствора может Привести к такому повышению давления на стенки ствола скважины, что под действием растягивающих нагрузок ствол разрушится. Такое разрушение известно под названием гид­равлического разрыва пласта.

При таком гидравлическом разрыве пласта буровой раствор уходит в образующуюся трещину, а его уровень в кольцевом пространстве снижается до тех пор, пока не будет достигнуто положение равновесия. Проблема поддержания плотности бу­рового раствора достаточно высокой для удержания флюидов в пласте, но не настолько высокой, чтобы вызвать гидравличе­ский разрыв, становится особенно острой, когда одновременно

остаются необсаженными интервалы, в которых присутствуют пласты с нормальным и аномально высоким давлением. В та­ких ситуациях обычно приходится спускать обсадную колонну для разобщения этих двух интервалов. Разработано несколько методов прогнозирования существования в разрезе зон с ано­мально высоким давлением. Знание ожидаемых пластовых дав­лений и градиентов давления разрыва пород обычно позволяет установить обсадную колонну точно на нужную глубину и тем самым сократить число осложнений в скважинах.

Другим недостатком поддержания избыточной плотности бурового раствора является ее отрицательное влияние на ско­рость проходки (механическую скорость бурения). Лаборатор­ные эксперименты и промысловый опыт свидетельствуют о том, что механическая скорость бурения снижается вследствие из­быточного давления столба бурового раствора (разность дав­лений в буровом растворе и в поровом пространстве пород при бурении в проницаемых породах) и вследствие абсолютного давления столба бурового раствора при бурении в породах очень низкой проницаемости. Высокое избыточное давление по­вышает также опасность прихвата бурильной колонны.

Наконец, при чрезмерной плотности излишне повышается стоимость бурового раствора. При разбуривании пластов с нор­мальным давлением стоимость бурового раствора не имеет столь существенного значения, так как достаточная плотность автоматически достигается благодаря твердой фазе, дисперги­руемой раствором из проходимых пластов. Поддерживать плот­ности бурового раствора выше 1,32 г/см³ за счет диспергируе­мой твердой фазы нельзя вследствие слишком значительного повышения вязкости. В подобных условиях целесообразно утя­желять раствор баритом, плотность которого в 1,5 раза выше плотности горных пород, благодаря чему для получения задан­ной плотности бурового раствора требуется значительно мень­ший объем твердых частиц. Стоимость бурового раствора ра­стет не только за счет первоначальных расходов на барит, но и в значительно большей степени за счет затрат на поддержа­ние необходимых свойств раствора, особенно реологических. В результате увеличения содержания выбуренной породы в рас­творе вязкость его в процессе бурения постоянно повышается и время от времени ее приходится снижать добавлением воды и дополнительных объемов барита для восстановления плот­ности.

Выбор бурового раствора, наиболее подходящего в каждой конкретной ситуации,—обязанность инженера по буровым рас­творам, который получил необходимый объем знаний о функ­циях и свойствах буровых растворов и приобрел в промысловых условиях необходимый опыт для правильного решения этой за­дачи. Плотность,часто являющася

Определяющим фактором при выборе бурового раствора,может колебаться от плотности воздуха до плотности,более чем в 2,5 раза превышающей плотность воды(рис.1).

вода;7-начало утяжеления;8-водный раствор, насыщенный CaCl₂;9- утяжеленный (баритом) буровой раствор.

Устойчивость ствола

Поддержание устойчивости стенок скважины является од­ной из основных задач, которые приходится решать при буре­нии нефтяных скважин. Если вести бурение в необсаженном стволе невозможно, то спускают обсадную колонну; причем совершенно ясно, что число обсадных колонн, которое может быть спущено в скважину, ограничено.

Неустойчивость ствола скважины может проявляться по-разному: мягкие пластичные породы выдавливаются в ствол скважины; твердые хрупкие породы разрушаются под дейст­вием нагрузок, а глинистые сланцы осыпаются и обваливаются (последнее происходит наиболее часто). Все это приводит к уве­личению поперечного размера ствола, образованию пробок из обвалившейся породы и заполнению отдельных интервалов ствола породой во время спуско-подъемных операций. Эти ос­ложнения сильно влияют на продолжительность и стоимость бурения, они могут вызвать прихват бурильной колонны и не­обходимость зарезания в скважине нового бокового ствола.

В этом разделе будет рассмотрен один из основных аспектов ус­тойчивости ствола скважины- механическая устой­чивость, зависящая от усилий и давлений, действующих на стенки ствола, и способность пород сопротивляться этим на­грузкам.

МЕХАНИКА УСТОЙЧИВОСТИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ