11.7. Теория искривления скважин в анизотропных породах

11. 7. Теория искривления скважин в анизотропных породах

 

Теоретические модели процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах

 

Создано много теорий, объясняющих процесс естественного искривления скважин в анизотропных породах. В чем-то эти теории перекликаются и взаимно дополняют друг друга, а где-то взаимно исключают или отрицают. Исследованиями в области теории естественного искривления скважин в анизотропных породах занимались многие отечественные и зарубежные ученые, а именно: Г. А. Боголюбский, Ю. Л. Боярко, Б. И. Воздвиженский, В. П. Зиненко, А. Г. Калинин, А. Н. Кирсанов, Ю. Т. Морозов, В. В. Нескоромных, В. П. Рожков, И. Н. Стра­бы­кин, С. С. Сулакшин, В. Б. Бредли, Г. Б. Вудс, А. Лубински, Р. Т. Ма­к­ламор, С. Е. Мэрфи, Г. М. Роллинс, Д. Б. Чисэм и др. Тем не менее, однозначных представлений по рассматриваемому вопросу нет ни у нас в стране, ни за рубежом.

Резюмируя крупный обзор исследований, выполненных учеными разных континентов, Браун Е. Т. отмечает «Несмотря на внимание, которое уделяется данному вопросу в последние годы, существующие теории не обеспечивают удовлетворительного предсказания результатов искривления при вращательном бурении. Существующие теории обычно рассматривают изотропные или переслаивающиеся породы, испытывают затруднения при учете изменения конструкции долота и часто используют недостаточно определенный параметр «сопротивляемость бурению», который в некоторых случаях приравнивается пределу прочности пород на сжатие».

В основу теории процесса искривления в анизотропных породах почти всегда закладывается один из двух принципов, обусловливающих отклонение скважины от заданного направления, суть которых сводится к следующему.

Скважины отклоняются за счет того, что:

- скол породы под торцом породоразрушающего элемента или перед ним имеет асимметричную форму;

- в разных точках забоя скорость продольного перемещения коронки при резании анизотропных пород неодинакова.

Эти принципы в некоторых случаях рассматриваются вместе или обособленно.

Проиллюстрируем эти подходы с позиций авторов, оставляя, в основном, без изменений свойственную им терминологию и индексацию.

Р. Т. Макламор представляет процесс разрушения анизотропной породы следующим образом (рис. 11. 35). При нагружении породоразрушающего элемента силой F_v он внедряется в породу, сжимая ее в некотором объеме. После превышения допустимых напряжений происходит объемное разрушение породы с образованием зоны растертой в порошок породы (pulverized or plastic zone) и осколка или осколков, отделяющихся вдоль плоскости сланцеватости породы. За счет взаимодействия породоразрушающего элемента с ненарушенной стенкой лунки разрушения при продольном перемещении первого возникает поперечная сила F_н, отклоняющая скважину от первоначального направления в сторону восстания пласта.

Рис. 11. 35. Схема предпочтительного образования осколков в анизотропной породе (по Р. Т. Макламору)

Р. Т. Макламор назвал свою концепцию искривления теорией предпочтительного или преимущественного образования осколков. В работах Р. Т. Макламора и в работе В. Б. Бредли отмечается, что концепция предпочтительного образования осколков применима в случае внедрения единичного клина в анизотропные горные породы. В этих экспериментах при падении слоев менее 45° скважина отклонялась в сторону восстания пластов, а при углах падения больше 45° наблюдалось отклонение в сторону падения, что радикально расходится с фактическими закономерностями естественного искривления скважин. Необходимо отметить, что большинство зарубежных ученых оперируют понятием «угол падения», считая, очевидно, скважину вертикальной в рассматриваемый момент встречи плоскости сланцеватости. Более правильно использовать термин «угол встречи», поскольку он характеризует взаимное положение скважины и плоскости, что и необходимо.

Поскольку теории, подобные описанной, получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом, но базирующиеся на них выводы не всегда согласуются с практикой, были проведены экспериментальные исследования, преследующие цель изучить форму лунок разрушения в анизотропной породе при разных углах встречи оси индентора с плоскостью сланцеватости породы.

Эти исследования проводились на установке УМГП-3 по методике Л. А. Шрейнера. Разрушение проводилось цилиндрическим пуансоном диаметром 1, 5 мм. После разрушения породы лунка очищалась, и ее форма и размеры фиксировались с помощью измерительным микроскопом. Породы были представлены лаво-брекчиями, слабо рассланцованными известково-глинистыми алевролитами и сланцами различного состава.

Для сравнения и изучения закономерностей и конфигурации лунки разрушения образцы выпиливались из кернов под разными углами к плоскости сланцеватости. Некоторые типизированные профили и планы лунок разрушения анизотропных пород приведены на рис. 11. 36.

 

 

Рис. 11. 36. Типизированные формы и размеры лунок разрушения в анизотропных горных породах при различных углах встречи g плоскости сланцеватости

 

Наиболее крупной по площади является лунка разрушения, полученная при больших значениях угла g, равных 75° (рис. 11. 36, а). Наибольшая часть породы скалывается по восстанию плоскости сланцеватости, причем плоскость скола очень чистая и ровная. По падению плоскости сланцеватости скалывания почти не происходит. Необходимо акцентировать внимание на том, что осколок породы отделяется именно по плоскости делимости (сланцеватость в данном случае) от основания зоны смятия до выхода плоскости делимости на поверхность.

С уменьшением угла встречи до 60° (рис. 11. 36, б) картина скалывания породы принципиально не изменяется. Осколок породы отделяется по плоскости сланцеватости, имеет ровную нижнюю поверхность. Однако имеются и различия. Горизонтальные размеры лунки разрушения существенно меньше, чем при угле встречи 75°, а зона смятия породы находится несколько ближе к центру лунки.

Эти тенденции развиваются с уменьшением угла встречи плоскости сланцеватости до 30 и 20° (рис. 11. 36, в, г). При таких углах встречи зона смятия приближается к передней стороне лунки. Большая часть породы скалывается в тыльной части лунки в направлении падения плоскости сланцеватости. Передняя часть скола проработана плохо и не обладает ровной плоскостной формой.

Приведенные наблюдения позволяют понять основу представлений таких ученых, как Р. Т. Макламор, В. Б. Бредли и других исследователей, показавших теоретически и экспериментально искривление в сторону восстания пласта при углах встречи плоскости сланцеватости более 45° и в сторону падения плоскости сланцеватости при углах встречи менее 45°. Однако в анизотропных породах искривление скважин по падению плоскости сланцеватости происходит весьма редко и только при малых углах встречи 10-20°.

В качестве примера можно привести железорудные месторождения Горной Шории, полиметаллические месторождения Рудного Алтая, сложенные в основном анизотропными породами с субвертикальной рассланцовкой. Скважины, проектируемые с поверхности на глубину 1000 м и более, забуриваются с начальными зенитными углами не более 3-5°, поэтому углы встречи скважин с плоскостью сланцеватости в верхней части разреза имеют величину 10-30°, что, согласно теориям асимметричного разрушения забоя, должно приводить к выкручиванию скважин. Однако в 80-85% случаев скважины увеличивают свой зенитный угол с переменной интенсивностью искривления практически до выхода на линию наименьшего сопротивления породы разрушению. Причем максимум интенсивности искривления происходит на равновесный угол встречи 45° (рис. 11. 38).

 

Рис. 11. 37. Геологический разрез по разведочной линии №63 Таштагольского железорудного месторождения

 

Другие ученые допускают изображение скоростей разрушения пород в разных точках забоя при помощи векторов, длина которых условно принимается пропорциональной соответствующим показателям анизотропии при разрушении породы по различным осям. В стилизованном виде разрушение горных пород на забое и в стенках скважины показано на рис. 11. 38.

Механизм искривления ствола можно представить следующим образом. В пространстве, выбранном по контуру эпюры разрушения, торец породоразрушающего инструмента стремится занять такое положение, при котором его центральная ось совпала бы с серединой овала. Инструмент передвигается в сторону наиболее интенсивно разбуриваемой стенки скважины по мере возникновения свободного пространства, образующегося после каждого оборота породоразрушающего инструмента, по линии наименьшего сопротивления в породе.

Изложенный подход содержит ряд спорных моментов, в связи с чем нами были проведены экспериментальные работы по бурению в образцах анизотропных пород. Суть этих работ сводится к следующему.

Рис. 11. 38. Схема разрушения забоя и разработки ство­ла скважины в зависимости от направления положения породоразрушающего инструмента к плоскости напластования пород: а - перпендикулярно к плоскости напластования; б - под углом 45° к плоскости напластования; в - параллельно напластованию

 

В кернодержателе 8 специального стенда (рис. 11. 39) зажимался комбинированный образец горных пород 7, состоящий из изотропного полукерна 1, 4 и анизотропного полукерна 2, 3. Изотропный и анизотропный полукерны склеивались между собой с помощью эпоксидной смолы и располагались на стенде таким образом, чтобы направления падения плоскостей сланцеватости в обоих случаях совпадали и соответствовали положительному направлению оси x, но керны имели зеркальное расположение своих изотропных и анизотропных частей.

Стенд представляет собой подвижную платформу 6, которая за счет опорных 10 и направляющих 12 подшипников может перемещаться по неподвижной платформе 9 вдоль оси x. При разбуривании образца анизотропной породы алмазной коронкой 11 с помощью бурового станка УКБ-50/100, входящего в состав стенда, платформа перемещается вдоль оси x, что связано с появлением поперечных (относительно продольной оси шпинделя) сил, которые в условиях реальной скважины приводят к ее искривлению. Но в связи с тем, что на стенде шпиндель практически не может отклоняться (поскольку представляет собой достаточно жесткую конструкцию), а платформа 6 имеет одну степень свободы, то платформа с закрепленным образцом породы перемещается в направлении, противоположном естественному уходу скважины. При этом отход платформы от начального положения в направлении  соответствует искривлению скважины по восстанию плоскости сланцеватости, а в направлении -х соответствует искривлению по падению плоскости сланцеватости.

Рис. 11. 39. Схема экспериментального стенда для бурения в нап­равлении падения плоскости сланцеватости (а) и в направлении восстания плоскости сланцеватости (б) и комбинированные обра­зцы горных пород: 1, 4 - полукерны изотропных пород; 2, 3 - полукерны анизотропных пород; 5 - нулевая отметка; 6 - подвижная платформа; 7 - комбинированный образец; 8 - кернодержатель; 9 - неподвижная платформа; 10 - опорные подшипники; 11 - буровая коронка; 12 - направляющие подшипники

Анизотропные породы, использованные в данном эксперименте, были представлены, в основном, лаво-брекчией андезитового состава порфировой структуры. Микролиты плагиоклаза составляют основную массу в вулканическом стекле. Стекло раскристаллизовано кварцем и полевыми шпатами. Размеры обломков составляют до 2, 5 мм, средняя твердость породы по штампу - около 1000 МПа при весьма незначительном показателе анизотропии пород по твердости, равном 1, 04. Однако показатель анизотропии по буримости имеет очень большое значение (1, 65).

В качестве изотропной породы использовался среднезернистый мрамор, имеющий среднюю твердость 1040 МПа. Всего было сделано 42 рейса длиной по 5 мм, в том числе 19 рейсов преимущественно в направлении падения плоскости сланцеватости (рис. 11. 39а) и 24 рейса преимущественно в направлении восстания плоскости сланцеватости (рис. 11. 39 б). При бурении в направлении падения плоскости сланцеватости образец перемещался в среднем на 0, 216 мм, т. е. скважина отклонялась в основном вдоль направления падения плоскости сланцеватости. Причем из 19 раз скважина шла по восстанию плоскости сланцеватости 5 раз, а по падению - 14 раз.

При бурении в направлении восстания плоскости сланцеватости образец перемещался в среднем на величину +0, 179 мм, т. е. скважина отклонялась в основном по восстанию плоскости сланцеватости. Причем из 24 раз скважина шла по восстанию плоскости сланцеватости 19 раз, а по падению - 5 раз.

Полученные экспериментальные результаты позволяют поставить под сомнение асимметрию разрушения породы в забойной зоне как основополагающий фактор в процессе формирования естественного искривления скважин в анизотропных породах при алмазном бурении.

Если исходить из асимметричной формы разрушения породы, как основной причины искривления скважин, то величина и направление перемещения платформы в рассматриваемых альтернативных случаях должны быть одинаковыми. Чем отличаются условия экспериментов? Полуплоскость изотропии находится с одной стороны по отношению к оси шпинделя и наклонена под одинаковым углом. Показатель анизотропии породы также одинаков в обоих случаях. Следовательно, скважина должна отклоняться всегда в направлении восстания плоскости сланцеватости, но с несколько меньшей интенсивностью, чем это происходило бы, будь образец полностью анизотропен. Однако, как свидетельствуют приведенные выше результаты, этого не происходит.

Это позволило сформулировать иной взгляд на процесс естественного искривления скважин в анизотропных породах.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: