Хрупкое разрушение пород в стволах скважин при бурении с продувкой забоя воздухом

В работе Хабберта и Уиллиса было показано, что в районах активного горообразования горизонтальные усилия могут в 3 раза превышать вертикальную нагрузку от перекрывающих пород. Из табл. 8.1 следует, что в таких экстремальных усло­виях пластическое течение в ствол скважины, заполненный воз­духом, может происходить на глубине 3200 м из песчаника, а на глубине 1340 м из глинистого сланца.

Неустойчивое состояние ствола может, конечно, иметь место на глубинах более 3000 м и в районах с активным горообразо­ванием, например в предгорьях Скалистых гор в западной части Канады. Однако в этих районах обычно происходит скорее уве­личение диаметра ствола, нежели его сокращение; обрушиваю­щаяся порода состоит из угловатых обломков глинистого сланца, не имеющих никаких признаков пластической деформа­ции. Это отклонение от теории является следствием допущения о том, что высокие горизонтальные составляющие горного дав­ления, превалирующие на глубине, приводят к пластической деформации. Однако в скважине, которую бурят с продувкой забоя воздухом, развиваемое в затрубном пространстве давление составляет приблизительно 0,7 МПа,т.е. внутреннее давление на стенку скважины незначительно..

Из рис. 8.14 следует, что горизонтальная составляющая гор­ного давления возрастает в радиальном направлении от нуля на стенке скважины до горизонтального эффективного напря­жения в породе на большом расстоянии от ствола скважины. В этих условиях можно ожидать, что когда центробежные рас­тягивающие напряжения превышают предел текучести, вокруг ствола скважины образуете зона хрупкого разрушения, за ко­торой находится зона пластических деформаций. Такое поведе­ние пород было подтверждено экспериментально на модели ствола скважины (см. рис. 8.18). Образцы литифицированного глинистого сланца (природного и искусственного) с воздухом в заранее высверленном канале подвергались действию трех­мерных нагрузок. Когда напряжение превышало предел теку­чести, начиналось растрескивание глинистого сланца вокруг канала (рис. 8.19). Когда после окончания эксперимента обра­зец разрезали, вокруг зоны растрескивания были обнаружены концентричные кольца сдвига, свидетельствующие о пластиче­ской деформации.

В одном эксперименте в образце создали напряжение, зна­чительно превысившее предел текучести, после чего в нем про­сверлили канал. Скорость радиальной деформации снижалась во времени (рис. 8.20). Другие эксперименты показали, что пол­зучесть проявляется неопределенно долго.

В лабораторных исследованиях растрескивание не приво­дило к увеличению диаметра канала в образце, однако в сква­жинах, которые бурили с продувкой забоя воздухом, обычно отмечали увеличение диаметра ствола.

Рис. 8.19. Растрескивание образца глинистого сланца в исследованиях на модели ствола скважины. Глинистый сланец атока, объемная плотность по­роды 2,52 г/см³, максимальное созданное напряжение 30,3 МПа, предел те­кучести глинистого сланца 19,3 МПа, ствол заполнен воздухом

Рис.8.20 Замедление деформации образца диаметром 51 мм после создания в нем канала диаметром 13 мм

Есть две причины таких различий в поведении глинистого сланца. Во-первых, при бу­рении скважины растрескавшийся слой непрерывно удаляется из-за эксцентричного вращения бурильной колонны и эрозион­ного действия высокоскоростного потока воздуха, несущего твердые частицы. В результате непрерывно обнажаются все новые и новые поверхности, подвергающиеся хрупкому разру­шению. Во-вторых, главные горизонтальные напряжения в зем­ной коре не равны, следовательно, центробежные растягивающие напряжения распределяются вокруг ствола скважины неравномерно. Наибольшее главное напряжение перпендикулярно к простиранию пологих надвигов, которые характерны для райо­нов активного горообразования. Хабберт и Уиллис показали, что распределение центробежных растягивающих напряжений должно определяться отношением наибольшего главного гори­зонтального напряжения к наименьшему. В экстремальном слу­чае, когда это отношение составляет 3:1, центробежные рас­тягивающие напряжения изменяются от нуля до значения, в 8 раз превышающего наименьшее главное горизонтальное напря­жение (рис. 8.21). Высокие концентрации центробежных растя­гивающих напряжений возникают также в связи с овальностью поперечного сечения ствола, резкими его перегибами, присут­ствием желобов на стенках скважины, анизотропностью горных пород, обусловленной негоризонтальным напластованием и су­ществованием ориентированных трещин.

Растрескивание вначале происходит в точках максимальной концентрации напряжения; в результате развивается оваль­ность поперечного сечения ствола, которая, в свою очередь, усиливает концентрацию напряжений. Растрескивание, таким образом, становится самоподдерживающимся процессом, вызы­вающим увеличение диаметра ствола, а при экстремальных условиях — обваливание стенок скважины, что подтвердили ис­следования на модели ствола скважины (рис. 8.22).

Хрупкое разрушение, ведущее к расширению ствола сква­жины, проявляется при бурении с продувкой забоя воздухом не только в районах активного горообразования, но и в райо­нах с нормальным полем напряжений горных пород. Однако во втором случае деформация оказывается ниже из-за меньших различий в напряжениях, а скорость деформации со временем снижается. Кавернометрия, проводившаяся «через последова­тельные промежутки времени, показала, что скорость расшире­ния ствола скважины максимальна при вскрытии неустойчивых глинистых сланцев, после чего она снижается.

Предотвращать расширение ствола скважины лучше всего путем правильного выбора режимов бурения, обеспечивающих получение прямолинейного ствола без резких перегибов и жело­бов. Если начинается сильное обваливание стенок скважины, единственным надежным способом его прекращения является переход на бурение с промывкой буровым раствором, в результате чего повысится давление в стволе и улучшится вынос шлама из скважины.

Рис.8.21 Напряжения у ствола скважины для различных значений отношения σ_в /σ_а

Рис.8.22 Обваливание глинистого сланца митчел в ствол скважины при постоянном напряжении. Концентрации напряжений возникали из-за существовавших до вскрытия пород ориентированных трещин