Устойчивость ствола

При планировании горизонтальных скважин важно определить плотность бурового раствора, необходимую для того, чтобы в процессе бурения удерживать искривленные и горизонтальные стволы скважин открытыми и под контролем. Часто бывает, что плотности буровых растворов, требующихся для стабилизации вертикальных разведочных и оценочных скважин, отличаются от плотностей, требующихся для устранения проблем в таких стволах.

Нестабильность бурового ствола обычно вызвана несбалансированным бурением или набуханием. Набухание особенно характерно для сланцевых глин. Снижение поддерживающего действия бурового раствора (против воздействия горных пород) вызывает концентрацию напряжений вокруг ствола, приводя к неустойчивости разбуриваемой скважины. Проблема возникает, лишь когда концентрация напряжений по соседству со стволом превышает прочность пород, образующих стенки скважины. После этого порода обрушивается, рассыпаясь на куски. Таким образом, неустойчивость ствола является отчасти механической проблемой.

Сланцевые глины слабеют при контакте с плохо ингибированными буровыми растворами. Сниженная прочность делает сланцевые глины более подверженными осыпанию.

Доказательства связи механизма неустойчивости ствола с механическими напряжениями могут быть получены из многочисленных кавернограмм, которые обычно указывают на эллиптичность стволов. Единообразное увеличение размеров ствола можно предупредить, если несбалансированное бурение, набухание и гидравлическая эрозия явились единственными причинами неустойчивости.

Химическая реакция

Буровой раствор может реагировать с пластом. Ствол может подвергнуться изменениям из-за набухания или обезвоживания. Оба фактора воздействуют на естественные напряжения в пласте и могут привести к закрытию или обвалу ствола.

Ингибирование (например, с помощью солей калия и/или полимеров) с помощью буровых растворов на водной основе повысит устойчивость ствола, в частности при бурении склонных к гидратации сланцевых глин.

Ингибирование с помощью буровых растворов на основе нефти производится добавлением соли (обычно хлорида кальция) к эмульгированной водной фазе. Хлорид кальция снижает тенденцию воды мигрировать из бурового раствора в пласт (или в противоположном направлении), повышая таким образом устойчивость ствола.

Гидравлика кольцевого потока

При бурении некоторых пластов следует учитывать влияние режима кольцевого потока.

Это предупредит эрозию ствола и его последующее обрушивание. Анализ условий сдвига может служить хорошим руководством в вопросе о возможном расширении ствола и его вероятных причинах.

Механизмы механической неустойчивости ствола

Механическую неустойчивость ствола можно разделить на два механизма: разрушение при сжатии (раздавливание) и разрушение при растяжении (разрыв). (Рис. 1.8)

Разрушение при сжатии наблюдается, когда напряжения в горной породе превышают ее прочность или предел текучести пластических материалов. Разрушение при сжатии может быть причиной разрушения стенок скважины. Это показано на примере избыточного осыпания стенок скважины при бурении. Это может приводить к расширению, заваливанию и сужению ствола. Раздавливание может также снизить размер ствола скважины из-за оползания пласта в дуктильных или пластических породах (например, некоторые сланцы и соль). Решить проблемы, возникающие в стволе из-за разрушения при сжатии, можно утяжелением бурового раствора. Утяжеленный буровой раствор снижает критические «тангенциальные» нагрузки в стволе скважины.

Разрушение при растяжении требует снижения плотности бурового раствора и/или снижения эквивалентной плотности циркуляции (например, снижения расхода жидкости).

Разрушение при растяжении возникает при разрыве породы. В некоторых пластах разрушение при растяжении может приводить к выносу и прихвату под действием перепада давлений. Разрушение при сжатии требует дополнительного утяжеления бурового раствора, такой ствол остается сравнительно неповрежденным и не осыпается.

Раздавливание и разрыв могут иметь место в одном и том же участке скважины, не закрепленной обсадными трубами, в частности когда в искривленных скважинах при одной и той же плотности бурового раствора проявляются разные литологии