Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Напряжения вокруг ствола скважины

При бурении горизонтальные напряжения в горных породах у ствола скважины снимаются, в результате ствол скважины сужается до тех пор, пока напряжение на его стенке не станет равным перепаду давления на глинистой корке или нулю, если глинистая корка отсутствует. Если возникающая при этом деформация не превышает значения при пределе упругости горной породы, уменьшение диаметра ствола будет пренебрежимо малым. Но если эта деформация превысит значение при пределе упругости, начнется

пластическое течение вследствие высоких всесторонних напряжений, преобладающих на значительных глубинах. Поэтому вокруг ствола скважины образуется кольцевая зона, в которой порода подвергается пластической деформации (рис. 8.11). Радиус ствола скважины уменьшается, а наружный радиус зоны пластических деформаций увеличивается до тех пор, пока радиальное напряжение у стенки скважины

Рис. 8.11. Пластическая деформация ствола скважины:

r_w — начальный радиус ствола; r₀ — радиус ствола после деформации; r — наружный радиус зоны пластических деформаций; p_w— давление флюида в стволе скважины; 1 — зона пластических деформаций; 2 — зона упругих деформаций

не станет равным перепаду давления на глинистой корке или нулю в зависимости от флюида, находящегося в стволе.

Если при этом не превышается уровень критической деформации, ствол сохраняет устойчивость. Внутренний и наружный радиусы зоны пластических деформаций при сохранении устойчивости ствола зависят от пластичности горных пород, определяемой углом φ внутреннего трения; прочности сцепления с горной породы и распределения напряжений в зоне пластических упругих деформаций. Поскольку эти напряжения в обеих зонах возрастают с глубиной скважины, ширина зоны пластических деформаций, необходимая для поддержания устойчивости ствола, также возрастает с глубиной. Наружный радиус зоны пластических деформаций, при котором обеспечивается устойчивость ствола при конкретных (до проходки данного интервала) напряжениях, для трех типов пород показан на рис. 8.12. Если уровень критической деформации горной породы будет превышен до того, как ширина зоны пластических деформаций достигнет необходимого размера, ствол скважины начнет обрушаться.

Механическая устойчивость ствола скважины анализировалась с помощью математических методов многими авторами, но здесь рассматривается только один из простых случаев, чтобы проиллюстрировать используемый подход. На рис. 8.13 показано распределение напряжений вокруг ствола скважины при следующих условиях: горизонтальные межзерновые напряжения в неразбуренном массиве во равны, глинистая корка отсутствует, течения флюидов из ствола в пласт (и наоборот) нет, давление в стволе скважины равно нулю.

Горизонтальная составляющая горного давления σ _r снижается от σ₀ в удаленных от ствола частях массива до нуля на стенке скважины. Под действием давления в стволе скважины на стенке развивается центробежное растягивающее напряжение σ_Ɵ, которое максимально, непосредственно на стенке скважины и снижается до σ₀ в удаленных от скважины частях массива, т. е. оба напряжения влияют на устойчивость ствола. С точки зрения устойчивости ствола скважины σ_Ɵ является наибольшим основным напряжением, а— σ _r наименьшим. Устойчивость ствола, таким образом, зависит от разности этих напряжений и их распределения в горной породе вблизи скважины.

Бромз на основе теории Мора о пластическом течении и применении его при описанных выше условиях разработал метод определения напряжений, при которых ствол теряет устойчивость и начинается пластическая деформация. В табл. 8.1 приведены значения горизонтальных напряжений пород до их разбуривания и соответствующие глубины, на которых породы, отраженные на рис. 8.6, теряют устойчивость. Используя метод конечных элементов, Десаи и Риз для глинистых сланцев грин-ривер получили почти такие значения. В табл. 8.2 приведены напряжения, при которых может возникать критическая деформация,за которой следует разрушение ствола скважины.

Рис.8.12 Определение ширины зоны пластических деформаций, обеспечивающей устойчивость ствола скважины в различных породах.Параметры φ и с определялись по диаграммам Мора с использованием данных,приведенных на рис.8.6:

1-ось скважины;2-песчаник ойл-крик,с ≈24,2 МПа,φ=45⁰,σ₀ =165,5 МПа; глинистый сланец грин-ривер,с=17,2 МПа, φ=20⁰, σ₀ =165,5 МПа;4-каменная соль хокли,с=10,3 МПа, φ=5⁰,

σ₀₌69 МПа

Рис. 8.13. Напряжение породы вокруг ствола скважины в отсутствие глинистой корки:

r_w—номинальный радиус ствола; г₀ — радиус ствола после деформации; σ₀—горизонтальное эффективное напряжение до вскрытия породы долотом при σ₂= σ₃; σ_Ɵ — центробежное растягивающее напряжение на стенке скважины; σ _r — горизонтальное напряжение в породе на расстоянии r от оси скважины

Таблица 8.1

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДО ВСКРЫТИЯ ПЛАСТА ДОЛОТОМ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ГЛУБИНЫ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ПРЕДЕЛУ УПРУГОСТИ ПОРОД НА СТЕНКЕ СКВАЖИНЫ

Горная порода	σ, соответствующее пределу упругости, МПа	Эквивалентные глубины в м, когда горизонтальное напряжение равно
		одной трети вертикального	трем вертикальным
Песчаник ойл-крик Глинистые сланцы грин-ри-вер Каменная соль хокли	117,2 49 5,6	28 600 12 200 1 390	3200. 1340

Примечание. Предполагается, что градиент порового давления составляет 10,4 кПа/м; горизонтальные эффективные напряжения распределены равномерно; глинистая корка, движение флюидов и влияние температур отсутствуют; ствол скважины заполнен воздухом.

Таблица 8.2

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ДО ВСКРЫТИЯ ПЛАСТА ДОЛОТОМ И ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ГЛУБИНЫ, НА КОТОРЫХ ПРОИСХОДИТ РАЗРУШЕНИЕ СТЕНОК СКВАЖИНЫ

Горная порода	Критическая деформация при нулевом поперечном давлении, %	σ, МПа	Эквивалентные глубины в м, когда горизонтальное напряжение равно
	Давлении,%		одной трети вертикального	трем вертикальным
Песчаник ойл-крик Глинистые сланцы грин-ривер Каменная соль хокли	0,7 8,3 16,1	165,5 165,5 41,4	40 525 40 525 10 055

мация, за которой следует разрушение ствола скважины. Следует иметь в виду, что данные, приведенные в обеих таблицах, были получены на основе довольно нереалистичных допущений, поэтому на практике критические глубины могут значительно отличаться от указанных.

Влияние градиента гидродинамического давления на устойчивость ствола скважины

До сих пор влиянием флюида, поступающего из скважины в пласт (и наоборот), на поле напряжений вокруг ствола скважины пренебрегали. Однако теоретически и практически было доказано, что создаваемый этим флюидом градиент гидродинамического давления может значительно влиять на устойчивость ствола.

Объемная скорость и направление течения в порах пласта определяются перепадом давления Δр, или разностью давления, создаваемого столбом бурового раствора p_w, и пластовым давлением, т. е. Δp = p_w—p _f.

В момент вскрытия пласта Δр действует на стенке скважины, но с течением времени градиент давления распространяется и на поровое пространство пласта. По достижении условий равновесия поровое давление р_r на любом радиальном расстоянии от оси скважины определяется с помощью хорошо известного уравнения радиального течения

(8.7)

где µ — вязкость жидкости; q — расход на единицу толщины пласта; k — проницаемость пласта; r_w — радиус ствола скважины.

На стенке скважины Δр = — p _f,если бурение производится с продувкой воздухом. В породах высокой проницаемости приток жидкости будет весьма значительным, и бурение с продувкой воздухом придется прекратить. В породах низкой проницаемости расход поступающей в скважину жидкости может находиться в допустимых пределах.

Рис. 8.15. Распределение поровых давлений при течении флюида из ствола скважины в пласт (или наоборот) при бурении с продувкой забоя воздухом и промывкой чистой водой и буровым раствором:

А— ствол заполнен воздухом; Б — ствол заполнен чистой водой, глинистая корка отсутствует; В-ствол заполнен буровым раствором, на его стенке имеется глинистая корка; 1 — р_r в момент вскрытия пласта; 2 — р _r в момент установления равновесных условий; 3 — глинистая корка

Распределение порового давления р_r для двух интервалов времени показано на рис. 8.15, А. Под влиянием градиента гидродинамического давления в скважине градиент центробежного растягивающего напряжения на стенке скважины должен увеличиваться, следовательно, будет происходить нарушение устойчивости ствола. В скважинах, которые бурят с продувкой забоя воздухом, такие градиенты давления не приводят к серьезным последствиям, так как расход жидкости, поступающей из пласта, невелик. Однако если эти градиенты создаются в добывающих скважинах и при высоких расходах жидкости, поступающей в ствол, то они становятся важным фактором, влияющим на устойчивость ствола скважины.

При бурении скважин с промывкой буровым раствором плотность его обычно поддерживается на достаточно высоком уровне, чтобы pw превосходило р _f на некоторое значение, обеспечивающее безопасность работ, в результате жидкость из ствола внедряется в пласт. Если на стенке скважины не образуется глинистой корки, как это происходит при бурении с промывкой солевыми растворами, градиент гидродинамического давления уменьшается с увеличением расстояния r (см. рис. 8.15, Б); следовательно, центробежное растягивающее напряжение снижается, а устойчивость ствола увеличивается. Стабилизирующее действие положительного перепада давления, развиваемого буровым раствором, намного сильнее, если в стволе скважины находится буровой раствор с регулируемыми фильтрационными свойствами, так как проницаемость глинистой корки примерно в 3 раза меньше проницаемости любой породы (кроме глинистого сланца). В результате почти весь перепад давления Δр приходится на глинистую корку (см. рис. 8.15, В). В этом случае Δр действует как поперечное давление, упрочняющее горную породу.

Из сказанного следует, что сжимающие напряжения на стенке скважины могут быть уменьшены, а устойчивость ствола повышена путем увеличения плотности бурового раствора. Необходимо следить за тем, чтобы в результате увеличения плотности бурового раствора не произошло разрушение ствола скважины под действием растягивающих нагрузок с последующим поглощением бурового раствора искусственном.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая ⇒