Разрушение при сжатии/обвалы или пластическое течение.
Породы имеют пределы прочности на сжатие , которые в общем находятся в диапазоне от 4000 до 15000 фунт/кв.дюйм ( 27,58 –103,425 МПА). Если вес бурового раствора недостаточный для уравновешивания этого максимально допустимого напряжения породы , один из двух механизмов разрушения будет иметь место:
1. Расширение ствола скважины вследствие растрескивания или обрушения в хрупких породах.
2. Деформация ствола скважины и сжатый ствол вследствие пластического течения в пластичных пластах , подобных соли, перекрывающих ствол из-за сжатия.
Напряжённые сланцы и сдавленные сланцы - это две отдельные проблемы стабильности ствола скважины, которые имеют место потому, что недостаточный вес бурового раствора для соответствующих пределов прочности на сжатие. Поэтому имеются трудности в идентификации, когда они не легко распознаваемы при увеличении в газовых пластах, которые нуждаются в более высоких плотностях бурового раствора. Когда эти типы проблем со сланцами встречаются , увеличенное количество осыпающегося шлама будет наблюдаться на виброситах. Часто изменение в размере и форме ( больше и более похожие на щепки или не гранулярные) осыпающегося шлама сопровождают увеличенные объёмы. Много слов используют для описания сланцев, слабеющих при сжатии, включая вспучивание, обрушение , осыпание, кавернообразование и растрескивание. Эти фрагменты сланцев обычно много большие , чем выбуренный шлам, негранулярные или щепкообразные по форме и могут иметь вогнутый внешний вид.
Напряжённые сланцы.
Плотность буровых растворов обычно увеличивают для контроля поступления газа и жидкостей в скважину. Если пласты напряжены вследствие тектонических сил , тогда вес бурового раствора может быть необходим для предотвращения нестабильности ствола скважины.
Сланцы этого типа могут быть описаны как сланцы , которые не гидратируются значительно, но осыпаются в ствол скважины , когда вскрываются при бурении. Эти сланцы находятся в регионах , где структурные или тектонические движения имеют место( процессы при которых земные платформы деформируются , производя континенты , океаны , горы и т.д.). Сланцы могут значительно отклоняться от горизонтали в крутопадающих плоскостях напластования. Силы могут действовать на пласты, которые , когда ослабевают , заставляют сланцы падать в ствол скважины. Проблема может дальше усугубляться , если плоскости напластования становятся влажными при контакте с водой или нефтью, как будет обсуждено позже. The Atoka & Springer сланцы средней части континента - примеры этого типа сланцев.
Пластовые напряжения, вызываемые диастрофическими движениями или тектоническими напряжениями, делают эти сланцы уязвимыми к осыпанию. В добавок, природные материалы , цементирующие эти сланцы, могут быть относительно слабыми.
Некоторые напряжённые сланцы не могут полностью контролироваться плотностью раствора потому ,что могут иметь место потери циркуляции и другие проблемы. Для этих ситуаций , всегда будет тенденция для некоторых сланцев осыпаться в ствол скважины. Порой наилучшим методом будет рассматривать проблему сиптоматически с улучшением очистки ствола и пытаться относится толерантно к проблеме без допущения существенных проблем при бурении.
Чтобы улучшить очистку ствола , должны использоваться системы буровых растворов , разжижающихся при высоких скоростях сдвига с низкими значениями величины «n» и высоким хрупким статические напряжением сдвига, в добавок поддерживать хорошие фильтрационные характеристики и низкие значения водоотдачи.. Низкие значения «n» будут помогать предотвращать осыпания под напряжением путём поддержания ламинарного профиля течения и будет помогать очищать ствол скважины. Высокие значения СНС будут удерживать во взвешенном состоянии сланцы, которые осыпаются , когда бурильный инструмент извлекается из скважины. Это будет предохранять сланцы от падения вниз по стволу скважины и образования шламовых пробок.. В этой1 ситуации . часто лучше не промывать и не прорабатывать беспокоящий участок ствола если нет особой необходимости. Оставление интервала ненарушенным будет позволять гелировать раствору и оставлять в покое взвешенные осыпавшиеся сланцы в кавернах. Однажды нарушенные эти зоны будут обычно становится более проблемными, которые будут сохраняться некоторый период времени.
Обычно проблемы с нестабильностью ствола скважины могут встречаться во время бурения в тектонически активных регионах. Обычные оперативные отклики могут быть совершенно неподходящими, если физический механизм ухудшения состояния ствола скважины не понят надлежащим образом. Когда бурение ведётся в областях, которые проявляют необычные тектонические признаки, обычный подход для определения плотности бурового раствора и градиента гидроразрыва должен быть изменён к более механическим критериям и нельзя доверять определениям порового давления , таким как газопоказания в буровом растворе. Итак, ухитриться сосуществовать с некоторой нестабильностью ствола может быть более необходимо, чем пытаться излечить условия полностью.
Опыт бурения в таких областях привёл к следующим наблюдениям:
· Тектоническая нестабильность – чисто механическа и не относится к химической несовместимости( или объясняется ею).
· Механическая нестабильность относится к разрушению слабых, часто трещиноватых или падающих пластов, вызывается их напряжённым состоянием.
· Гидроразрыв пласта вызывает потерю циркуляции и нестабильность ствола скважины, когда давления раствора приближаются к величине минимального напряжения.
· Разрушение ствола и обвал будет иметь место, когда давления раствора слишком низкие для поддержания породы ниже её предела прочности на сжатие.
· Ориентирование траектории скважины с учётом тектонических сил может помочь ослабить проблемы.
· Передача давления и вторжение раствора вдали от ствола скважины может дестабилизировать ствол.
· Плохая практика бурения может способствовать дестабилизации ствола , в то время, как богатая буровая практика может помочь выносить некоторую нестабильность.
· Тесное общение и коллективная работа имеют решающее значение для рентабельных и своевременных решений.
Некоторые рекомендации:
· Наблюдать за поведением ствола и виброситами для выявления нестабильности и необходимости улучшить очистку ствола для ослабления симптомов нестабильности ( осыпание и образование пробок).
· Использовать быстро, но спокойно технологии бурения для уменьшения времени экспозиции и минимизации механических воздействий .
· Выбрать глубины спуска обсадной колонны для изоляции проблемных интервалов.
· Минимизировать расширки скважины для уменьшения механических воздействий если нет особой необходимости.
Термические различия между течением охлаждённого раствора и нагретыми пластом может также быть причиной напряжённого состояния ствола и его нестабильности. Это не общая проблема, но должна рассматриваться , когда оценивается разрушение ствола в высокотемпературных скважинах.
Сжатые сланцы.
Плотности раствора обычно увеличивают для контроля поступления газа или жидкостей в скважину. Если пласт непроницаемый вместе с непроницаемыми вмещающими пластами, подобно массиву сланцев или солевому телу, тогда может быть затруднительно идентифицировать увеличение в давлении вследствие недостатка подземного( связанного) газа или поступления поровых жидкостей.
Осложнённые сланцы ассоциируются с геологическими давлениями, которые обычно ограничиваются географически регионами более современной геологии, обычно постмеловым временем. Сланцы этого типа – нормальный массив, но не гомогенный . Они в основном морские сланцы и являются нефтематеринской породой для нефти и газа. Одно это может логически объясняет существование давления в сланцевых массивах. В течение геологического времени , изменения уровня моря , такие, как те, которые имели место в ледниковые и межледниковые периоды, могут объяснить локализованные отложения чуждых осадков в больших седиментационных бассейнах. . Такие климатические изменения были бы достаточны для обеспечения развития песчаных отмелей близ берега, которые в более позднее геологическое время могли стать изолированными , песчаными, проницаемыми линзами в противоположном по природе массиве сланцев.
По прошествии геологического времени илистые и глинистые отложения сжимались и становились компактными вследствие растущих масс горного давления. В процессе сдавливания , жидкости в пределах сланцев вытеснялись из них и мигрировали в более пористые и проницаемы песчаные линзы. Песчаные линзы как пористые , так и проницаемые и не сжимались или агрегировались до некоторой степени. Некоторые жидкости , входящие в эти линзы, ими улавливаются и полностью изолируются окружающими сланцами , как это показано на рис. 7. В ходе течения геологического времени , поровое пространство будет полностью заполняться , и жидкости, которые уловлены, могут достичь давления , эквивалентного горному.
Не может быть проявления высокого давления или поступления газа или жидкости в скважину , если отсутствуют проницаемые пласты.
 |
Рис.7. Сжатые сланцы.
Плотность раствора обычно не увеличивают без индикации увеличенного давления , в результате гидростатическое давление столба бурового раствора будет много меньше, чем давление сжатых сланцев. Эта разница давлений будет пытаться ослабить само себя вдоль пути наименьшего сопротивления. Вероятно, это будет делаться вдоль плоскостей напластования , отделяющих пески и сланцы., вызывая отслаивание сланцев и падение в ствол скважины. Сланцы, этим ослабленные , будут продолжать осыпаться до тех пор, пока вес раствора не увеличится до точки, где гидростатическое давление уравновесит давление в сланцах.
Другие сжатые сланцы могут действительно содержать газ. Это часто относится как газоносные сланцы или газовые пласты с малым объёмом и высоким давлением. Стабильность ствола скважины не может подвергаться риску, завися от прочности породы , и причина проблем будет очевидна при газосодержащем буровом растворе. Может не быть необходимости в увеличении плотности раствора до точки, где сланцы и газ сдерживаются одновременно, так как это может привести к потере циркуляции, но достаточно будет увеличить до точки, где пласты не будут осыпаться.
Решение такой проблемы сланцев сравнительно простое, так как увеличение плотности раствора создаёт достаточное гидростатическое давление для сдерживания пластового давления. Кроме увеличения плотности , имеются другие методы , которые помогают в контролировании проблемы путём минимизации дальнейшего снижения гидростатического давления.: (1)Сохранять ствол скважины всегда заполненным раствором , особенно во время подъёма инструмента. Это сохраняет гидростатическое давление на самой высокой отметке во всех случаях.. (2) Низкая вязкость, низкий СНС раствора будут помогать в предотвращении свабирования. Тонкая настенная корка , обеспечиваемая пониженной фильтрацией, будет также обходить свабирование в стволе скважины. (3) Поднимать медленно через участок, дающий проблемы.
Пластическое течение.
Деформация ствола скважины и его сужение могут иметь место в пластически деформируемых породах подобных соли. Соль – материал, который будет течь( ползти) под давлением выдавливаются в ствол скважины, являясь причиной суженного ствола или возможного перекрытия ствола или прихвата бурильного инструмента. Соль пластична и передаёт в большей степени горное давление в горизонтальных направлениях , так как три напряжения равноценны. Соль более пластична при высоких температурах , свыше 2250Ф ( 107 0С). Сползание соли – большая проблема для глубоких солевых пластов ниже 10000 футов (3050 м). Рис.8. показывает необходимые плотности бурового раствора для контроля пластичного течения соли для заданных глубин и температур.
Рис. 8. Плотности бурового раствора, необходимые для контроля солевого сползания ( менее 0.1 % за час)
Во многих частях мира , солевые пласты бурятся с пониженной плотностью бурового раствора , чем это требуется для предотвращения сползания соли , но с использованием ненасыщенных солью буровых растворов, которые допускают растворение для предотвращения сужения ствола скважины. Это более приемлемо в мелководных и промежуточных солевых пластах с температурами ниже 107 0С.
«Мягкие сланцы» и глины с высоким содержанием воды также деформируются пластически вследствие недостаточной плотности бурового раствора , вызывая сужение ствола и свабирование при подъёмах. Во время их часто действует комбинация факторов , которые вызывают сужение ствола , включая такие , как набухание и толщина фильтрационной корки, увеличение плотности раствора обычно смягчает сужение ствола и симптомы свабирования в «мягких сланцах» и глиноподобных пластах.
Химические взаимодействия.
Водочувствительные сланцы.
Нестабильность ствола скважины и его расширение также приписывается химии буровых растворов на водной основе и их воздействию на сланцы. Многочисленные классификационные системы придумывались , чтобы попытаться ранжировать сланцы в соответствии с их активностью. Эти схемы обычно приписывают букву или номер каждой категории сланцев в соответствии с их активностью. Более часто , водочувствительные или гидратирующиеся сланцы содержат высокие концентрации монтмориллонитовых глин. Следовательно, систематизирующие системы обычно используют содержание монтмориллонита как главный показатель активности с растворами на водной основе. Другие используемые показатели - катионообменная ёмкость, общее содержание глины, содержание воды, площадь поверхности и твёрдость. Даже сланцы, содержащие глины, которые гидратируются меньше, такие, как иллито-, хлорито-, каолинито-подобные сланцы, имеют предрасположенность до некоторой степени к взаимодействию с растворами на водной основе. «Эм-Ай» не использует какой-либо единственной классификационной системы сланцев, так как ни одна испытанная система не является универсально применимой для всех регионов мира.
Гидратация водой - одна из наиболее существенных причин нестабильности ствола скважины. Гидратация принимает две формы в водо- чувствительных сланцах : поверхностная и осмотическая адсорбция. Поверхностная гидратация имеет место , когда малый объём воды прочно адсорбируется на плоской поверхности глин , которыё вызывает слабое смягчение или набухание, но может приводить к интенсивным напряжениям, если набухание ограничено пространственно. Осмотическое набухание имеет место, когда большой объём слабо удерживаемой воды притягивается к глинистой поверхности за счёт электростатических сил. Осмотическое набухание вызывает смягчение и существенное набухание , когда смежные слои глин гидратируются водой и расширяются. Осмотическое набухание не генерирует интенсивных напряжений, даже когда они пространственно ограничены, и может быть существенно снижено , если использовать растворы с низкой солевой активностью.
Сланцы, которые содержат монтмориллонит, могут адсорбировать воду из буровых растворов и гидратироваться или диспергировать. Форма разрушения обычно одна из двух: либо сужение ствола в смягчённой набухшей зоне, либо растрескивание относительно устойчивых фрагментов. Осмотическая адсорбция и гидратация будут смягчать и вызывать набухание прореагировавшего ствола , в мягких , способных к диспергированию сланцах, приводя к сужению ствола и увеличивая способность к диспергированию. Хрупкое разрушение относительно устойчивых участков имеет место при использовании соленасыщенных растворов в мягких, способных к диспергированию сланцах и в старых, устойчивых , хрупких сланцах в ненасыщенных растворах на водной основе. В старых , устойчивых сланцах , поверхностная гидратация приводит к увеличению напряжения приствольной зоны ( вследствие внутреннего напряжения от пространственно ограниченного набухания.), вызывая обрушения и осыпания устойчивые, хрупкие и угловатые. Это выглядит так, что вода проникает в эти сланцы вдоль частично сцементированных уже существующих линий разлома. Это приводит к высокому внутреннему напряжению из-за поверхностного набухания , давая в результате разрушение породы вдоль линий разлома.
Испытания на проницаемость показали, что сланцы относительно непроницаемы. Ионы проникают в сланцы , чтобы вызвать одно из двух : то ли гидратацию, то ли дегидратацию за счёт капиллярного действия, осмоса или проникновения по плоскостям напластования. Их видоизменения имеют место путём передачи воды из раствора в сланцы или воды из сланцев в раствор. Сланцы становятся нестабильными , когда видоизменяются по одному из путей , то ли за счёт гидратации, то ли за счёт дегидратации. Это важно для предотвращения передачи воды между буровым раствором и сланцем, которая заставляет сланцы видоизменяться. . Это может быть достигнуто уравновешиванием активности ( концентрации ионов) раствора со сланцами.
Буровые растворы на нефтяной и синтетической основе наиболее высокоэффективны для стабилизации скважин , разбуривающих водочувствительные сланцы. Первое, они смачивают разбуриваемые пласты нефтью или синтетической основой, предотвращая взаимодействие с любой водой. Второе, они обычно включают низкоактивный , эмульгированный рассол хлорида кальция для достижения сбалансированного действия. Альтернативный, свободный от хлорид-ионов материал , может использоваться вместо хлорида кальция для сбалансированного действия , вследствие требований по охране окружающей среды. Эти безводные системы не проникают так легко в поровую сеть сланцев как растворы на водной основе вследствие напряжённого состояния поверхности, смоченного водой сланца.
Идеальным буровым раствором мог бы быть такой, который не вызывал бы изменения сланца неким способом. Многие различные типы буровых растворов испытывались такие , как известковый, гипсовый, хлоркальциевый , силикатный, калиевый, калий ацетатный и калий формиатный , нитраткальциевый, солевой , буровой раствор с ПАВ, лигносульфонатный , полимерный с частично гидролизованным полиакриламидом, катионоактивный полимерный, и раствор на нефтяной основе. Ни один раствор не может полностью удовлетворять всем возможным случаям. Один раствор может работать слегка лучше , чем другой при прохождении определённого участка сланцев, но противоположный результат может быть, если испытать его в другом регионе. С нескольких удачных точек зрения , полимерные системы на калиевой основе и системы на нефтяной или синтетической основе наиболее успешны для проблемы сланцев этого типа.
Все типы химической среды могут пробоваться для контроля проблемы сланцев. Фундаментальная теория не позволяет сланцам в них гидратироваться. В этом отношении растворы, имеющие высокое содержание электролита часто используются потому, что они существенно уменьшают гидратацию. Другая теория касается конвертирования сланцев и глин в менее активные минералы путём базового обмена одних ионов ( таких как сальций или калий ) на существующие межслоевые катионы в глинах , обычно натрия , с тем , чтобы подавлять гидратацию.
Калиевые ( или солевые) полимерные системы ( подобные Poly-Plus) работают так хорошо потому, что они осуществляют механизм гидратации сланцев несколькими путями. При использовании калиевых систем , основной обмен калия на межплоскостные катионы глин переводит сланцы и глины в менее активное состояние . В солевых системах низкая активность уменьшает осмотическое набухание и ограничивает смягчение . В существенных концентрациях полимеры работают на укрывание подвергающихся воздействию сланцев и шлама , «инкапсулируя» их граничными слоями полимеров. Это ограничивает способность воды взаимодействовать со сланцами и помогает предохранить шлам от диспергирования. Полимеры также увеличивают вязкость фильтрата бурового раствора так, что передача воды будет замедляться.
Понятно, что сланцы имеют некоторую проницаемость, хотя и очень маленькую. Проницаемость порядка одного микродарси или меньше по воде , и даже меньше, что касается буровых растворов на нефтяной и синтетической основе вследствие поверхностных напряжений смоченных водой сланцев. Имеется существенная польза в ограниченности формы взаимодействия воды с водочувствительными сланцами. Состав раствора может быть изменён , чтобы улучшить ингибирование в добавок к катионному обмену с кальцием или калием изменить природу подвергающихся воздействию шлама и сланцев. Полимеры могут помочь укрыванием подвергающихся воздействию сланцев и шлама , замедляя взаимодействие с водой . Полимеры также обеспечивают вязкость фильтрата , которая дальше эффективно уменьшает способность фильтрата проникать в микропоры сланцев. В добавок , водонерастворимые материалы и мостикообразующие агенты могут существенно улучшить стабильность ствола. Они дальше уменьшают вторжение воды в сланцы за счёт закупоривания микропор. Эти материалы особенно эффективны в крепких сланцах , которые имеют тенденцию к образованию микротрещин.
Эти добавки включают:
· Нефть и безводные синтетические жидкости.
· Полигликоли, имеющие точку помутнения ( Glydril )
· Нерастворимые полигликоли и смазки (Lube-100 Lube-167
· Асфальт(Stabil Hole).
· Гилсонит.
· Сульфированные асфальтовые смеси (Asphasol)/
Опыт также показывает, что меньше проблем имеет место, когда водоотдача контролируется на наиболее низких величинах. Это помогает поддерживать стабильность ствола скважины во многих случаях. Уменьшение водоотдачи полимерными добавками такими , как крахмал , полианионная целлюлоза (ПАЦ) и полиакрилат натрия увеличивает вязкость фильтрата и будет уменьшать проникновение фильтрата раствора вовнутрь сланцев. Однако , затруднительно остановить и контролировать проблему, созданную допущением высокой фильтрации.
Другой фактор, влияющий на стабильность сланцев, это рН. Большинство всех буровых растворов контролируется в щелочном диапазоне , т.е. имеют рН от 7 и более. Контроль рН бурового раствора в диапазоне от 8,5 до 9,5 даёт наилучшую стабильность ствола с адекватным контролем свойств раствора. Ненормально высокий рН , такой , как у известковых растворов , способствует проблеме в некоторых сланцах скорее , чем их смягчает. Давления в пределах сланцев и падение пласта дальше усложняют проблему. Имеются три фундаментальных средства для проблемы сланцев этой природы : (1) достаточная плотность, (2)корректный диапазон рН и (3) контроль водоотдачи.
Испытания сланцев.
Некоторое количество лабораторных тестов доступно для испытания и количественного измерения этого химического взаимодействия между различными растворами на водной основе и отдельными сланцами. Эти тесты включают :
· Классификация сланцев (по катионообменной ёмкости и содержанию глины).
· Визуальное испытание погружением.
· Тесты по гидратации (выход)
· Испытание шлама на твёрдость.
· Испытание на капиллярное всасывание.
· Испытание на линейное набухание.
· Испытание на диспергирование.
· Испытание на давление в ограниченном пространстве.
· Испытание на трёхосное сжатие.
· Испытание на твёрдость сланца.
Одно предостережение об испытании на совместимость сланцев такое , эти тесты существенно влияют на свойства раствора , особенно на водоотдачу, вязкость фильтрата и вязкость раствора. Сравнение между двумя системами буровых растворов с существенно различными величинами водоотдачи и вязкости не должны производиться. Два основных испытания , которые «Эм-Ай» использует , - это испытание на линейное набухание, называемое «swellmeter» и испытания на горяче-катанное диспергирование.
Swellmeter» использует искусственно воспроизведённые окатыши из сланца , погружаемые в буровой раствор, и измеряет скорость и количество неограниченного пространственно линейного расширения. Более подходящие буровые растворы будут давать меньшее количество линейного набухания , которое будет быстро снижаться к близкой к нулю скорости набухания. Этот испытательный прибор может сравнивать несколько различных по составу буровых растворов одновременно. Результаты записываются как процент набухания от первоначальной толщины и конечная скорость набухания в конце испытания. Обычные показания swellmeter» находятся в диапазоне от 50 до 150 %. Swellmeter используется более часто для оценки различного уровня ингибирования от солей или других ионных ингибиторов ( таких как кальций или калий). Он не очень хорош для оценки эффект от кольматирующих агентов, подобных асфальту, гилсониту и сульфированному асфальту или инкапсулирующим полимерам подобных полианионной целлюлозе или ЧГПА.
Дисперсионные тесты используют ограниченные по размерам фрагменты сланца ( или шлам) для измерения количества дисперсии, которая имеет место, когда он погружается в буровой раствор и подвергается горячему раскатыванию за данный период времени. Первоначальные фрагменты сланца имеют размеры больше , чем одна сетка с определённым размером ячеек , но меньше , чем другая. В конце испытания объём шлама, который будет всё же аккумулирован на меньшей по размеру сетке, измеряется и записывается как процент возврата. Дисперсионный тест превосходный для оценки эффективности инкапсулирующих полимеров. Это один из лучших тестов для получения представления, какая из систем буровых растворов будет наиболее совместима с отдельным сланцем и его действительное полевое использование.