Неустойчивость и напряжения

На рис. 1.9 отражен традиционный взгляд на устойчивость бурового ствола, при этом градиент давления гидроразрыва пласта для горизонтального участка принимается постоянным. Предлагаемое решение более сложно.

Рис. 1.9 Совмещенный график давлений.

Чтобы показать сравнительную устойчивость разных буровых скважин, существуют простые уравнения для расчета напряжений вокруг скважины. Они отражают влияние искривления скважины, ориентации, а также пластового давления на неустойчивость ствола.

Эти уравнения составлены на основе линейной теории упругости напряжений вокруг скважины. Эти решения не количественные их не следует применять для расчета утяжеления бурового раствора. «Большинство пород перед тем, как разрушиться, проявляют некоторую пластическую деформацию, следовательно, решения на основе линейной теории упругости имеют тенденцию преуменьшать прочность пород».

Действующие на земле вращение и концентрация этих «дальних полевых напряжений» порождают напряжения вокруг скважины. Такие дальние полевые напряжения действуют в трех измерениях, т.е. имеются два горизонтальных и одно вертикальное напряжение. Движения плит вызывают горизонтальные напряжения. Осадочные породы (или наносы) вызывают вертикальное напряжение.

Максимальное вертикальное напряжение направлено вертикально в геологически спокойных или пассивных осадочных синклиналях (например, Северное море) из-за наносов. В геологически активных регионах это максимальное напряжение может быть направлено горизонтально (например, Папуа - Новая Гвинея). Хотя ряд месторождений в Великобритании геологически пассивен, максимальное напряжение там также горизонтальное. В основном это касается углесодержащих геотермалей.

Рис. 1.10 Критические напряжения и устойчивость буровой скважины.

При рассмотрении устойчивости ствола критические напряжения существуют в поперечном сечении скважины (рис. 1.10). Напряжение, направленное по оси ствола, здесь не рассматривается.

Su - тангенциальное (кольцевое) напряжение.

Sr - радиальное напряжение.

Sasb - напряжения в земной коре.

Pw - давление в скважине.

Р - поровое давление.

Sa - вертикальное напряжение.

Sb - горизонтальное напряжение.

Тангенциальное (), или обручевое, напряжение ведет как к разрушению при сжатии, так и к разрушению при растяжении. Как и следует из его названия, это напряжение действует по периметру ствола.

Плотности буровых растворов для бурения искривленных скважин через покрывающую породу

Напряжения вокруг искривленной буровой скважины могут быть больше, чем в случае вертикального бурового ствола, приводя к более нестабильной скважине. Другие факторы относятся к сравнительно низкой устойчивости сланцевых глин в искривленных скважинах. Когда напряжение направлено под углом к залеганию, сланцевые глины имеют тенденцию ослабевать по сравнению со случаем, когда напряжения действуют параллельно или перпендикулярно залеганию. Такие ситуации создаются в искривленных скважинах.

Повсеместно на месторождениях при бурении скважин с помощью буровых растворов на нефтяной основе показано, что для поддержания устойчивости искривленных скважин необходимо повышение плотности бурового раствора на 0,06/30° (0,5фунт/галл./30°) наклона по сравнению с плотностями буровых растворов для вертикальных скважин.

Например, если плотность бурового раствора 1,38 (11,0 фунт/галл.) позволяет пробурить неразмытую вертикальную скважину нормальных размеров, то для бурения скважин нормальных размеров, искривленных под углами 30° и 60° потребуются буровые растворы с плотностями, соответственно равными 1,38 (11,5 фунт/галл.) и 1,44 (12,0 фунт/галл.).

Примечание: Этим «правилом большого пальца» стоит пользоваться лишь при отсутствии доступных данных по искривленной скважине. Необходимые для устойчивости плотности буровых растворов следует брать из данных по уже пробуренным искривленным скважинам. Это «правило большого пальца» и плотности буровых растворов для вертикальных скважин можно использовать как дополнительные данные.

Где это возможно, сланцевые глины должны быть изолированы от горизонтального участка, из-за:

• проблем, связанных с бурением скважин под большими углами через сланцевоглинистые участки

• временной зависимости процессов разрушения и обрушивания сланцевых глин. Если это возможно, обсадные трубы следует посадить на кровле участка продуктивного пласта или у основания сланцевоглинистой покрывающей породы. Количество сланцевой глины, остающееся без обсадки при бурении горизонтального участка, можно свести к минимуму, если пробурить пилотную скважину небольшого диаметра для определения кровли продуктивного пласта и глубины установки башмака обсадной колонны.

Необходимую для стабильности плотность бурового раствора следует определять для каждого участка скважины или литологической группы покрывающих пород. Такие плотности буровых растворов берут из, данных для соседней скважины и экстраполируют с учетом искривления и ориентации ствола.

Типы буровых растворов с соседних скважин также подлежат сравнению с учетом фильтрационной потери жидкости и вязкости бурового раствора.

Если соседних искривленных скважин не существует, плотности буровых растворов для искривленных скважин можно оценить с помощью «правила большого пальца»:0,06°/30° (0,5 фунт/галл./30⁰).

Примечание: Возможное влияние ориентации бурящейся скважины на ее устойчивость не рассмотрено.

Если для стабилизации наклонных или горизонтальных скважин требуются буровые растворы повышенной плотности, обращайте пристальное внимание на возможное растрескивание песчаниковых и меловых литологий в покрывающих породах.

В районах, для которых проходит обсуждение программа горизонтального бурения, перед тем, как покинуть уже оцененную скважину, рассмотрите образование мелких трещин. Это позволит на месте оценить минимальное горизонтальное, напряжение и плотность бурового раствора, превышение которой приведет к существенным потерям.

Программа изменения плотности бурового раствора должна пересматриваться после бурения каждых 2-3 скважин. Это позволит оптимизировать принимаемые решения с учетом ранее недоступных данных. Это также важно для установления плотностей буровых растворов, используемых в искривленных скважинах и оценки влияния ориентации скважины.