Осложнения, связанные с изменениями
В СТЕНКАХ СКВАЖИНЫ
После вскрытия скважиной тех или иных пород в процессе дальнейшего бурения в стенках ствола происходят различные изменения, которые могут привести к осложнениям. К числу таких изменений первоначального состояния относятся:
· осыпи;
· обвалы;
· уменьшения диаметра скважины вследствие выпучивания пород или образования фильтрационной корки;
· эрозия;
· растворение.
Осыпи - это такое осложнение, при котором систематически значительное количество частиц породы отделяется от стенок скважины, а затем подхватывается потоком бурового раствора и выносится на поверхность, либо при отсутствии циркуляции раствора оседает на забой. При значительных зенитных углах скважины эти частицы породы могут образовываться пробки в стволе.
Обвалы – это такое осложнение, когда значительная масса породы внезапно выпадает в скважину и перекрывает кольцевое пространство или ствол.
В результате этих процессов могут образовываться каверны – существенное увеличение диаметра скважины на сравнительно небольшом интервале.
При вскрытии пластичных сильноувлажненных пород под действием горного давления может происходить их выдавливание в скважину, в результате чего ее диаметр уменьшается. Этот процесс называется выпучиванием.
После вскрытия проницаемых пород, например, продуктивных горизонтов, вследствие избыточного давления в скважине, на стенках образуется толстая глинистая корка, что также приводит к уменьшению диаметра скважины.
В мягких породах при значительной скорости восходящего потока раствора может происходить размыв (эрозия) стенок скважины, и увеличения ее диаметра.
При бурении солевых (хемогенных) отложений в зависимости от конкретных условий (вид бурового раствора, глубина залегания, забойная температура) может происходить их растворение с образованием каверн значительных размеров, или сужение ствола в результате пластического течения солей.
Степень изменения фактического диаметра скважины Дф относительно ее номинального диаметра Дд (диаметра долота) оценивается коэффициентом кавернозности Кк, являющегося отношением этих диаметров, т.е.
. (1)
Для условий Западной Сибири при бурении верхних интервалов Кк=1,3‑1,7. При глубине скважины более 1000 м Кк=1,15‑1,2, но в некоторых интервалах может доходить до 1,4. Фактический диаметр скважины определяется рычажными, ромбовидными, акустическими, оптическими каверномерами. Однако эти приборы дают среднее значение диаметра скважины. Для определения истинной формы поперечного сечения ствола скважины используются специальные приборы‑ профилемеры.
Отрицательные последствия всех перечисленных выше явлений следующие:
1. Необходимы частые проработки ствола и промежуточные промывки, что снижает технико-экономические показатели.
2. Возможны прихваты инструмента обвалившейся породой.
3. В местах расширения ствола увеличивается число обрывов инструмента, образуются сальники, скапливается шлам, а при остановках циркуляции он оседает, что также может привести к прихвату.
4. Необходимы специальные работы по повышению устойчивости ствола, что приводит к удорожанию скважины.
5. Возможна потеря ствола.
Причина всех этих видов осложнений одна – нарушение естественного состояния горных пород после вскрытия их скважиной. Результатом этого являются:
1. Перераспределение напряжений в горной породе.
2. Попадания фильтра воды в околоствольное пространство, что приводит к набуханию глинистых пород, ослаблению сил сцепления и уменьшению коэффициента трения между частицами горных пород.
Нарушению устойчивости стенок скважины способствуют:
· геологические факторы (крутое залегание пластов, тектоническая нарушенность, трещиноватость, газо- и водонасыщенность);
· низкое гидростатическое давление в скважине;
· колебания давления бурового раствора;
· усталостное разрушение пород в результате спуско‑подъемных операций и вращения колонны бурильных труб.
Вообще говоря, природа неустойчивости стенок скважины выяснена не до конца. Ряд исследователей считает первопричиной обвалообразования перераспределение напряжений в околоствольном пространстве. Если это считать главным в нарушении устойчивости стенок скважины, то повышение плотности бурового раствора уменьшит вероятность осложнений. Во многих случаях это дает положительный результат. Вместе с тем имеется значительный опыт бурения скважин, когда плотность раствора снижалась по сравнению с первоначальной, но использовался раствор более высокого качества, и обвалообразование прекращалось. Боле того, при бурении с продувкой воздухом стенки скважины достаточно устойчивы, хотя противодавление на горные породы практически равно нулю.
Многие авторы превалирующее значение в обвалообразовании придают фильтрации воды в горную породу. Это подтверждается как лабораторными, так и производственными исследованиями. Однако как показывает практика, применение безводных растворов не исключает образование каверн.
Наиболее обвалообразованию подвержены глинистые породы и породы, цементирующим материалом в которых являются глинистые минералы. Это объясняется свойствами самих глин. Известны эксперименты по определению деформации горных пород в различных условиях – без доступа воздуха, в воздухе и при циркуляции воды. В первом случае поведение глин не отличалось от других пород, и образцы не разрушались. Во втором случае деформация глин со временем возрастала, а затем образцы разрушались. Это объясняется адсорбцией паров воды из воздуха, в результате силы сцепления между частицами глин существенно уменьшается, так как связи между ними в основном молекулярные. В третьем случае разрушение образцов глин происходило очень быстро, а деформация известняка увеличивается незначительно. При попадании в поры горных пород воды происходит набухание глин за счет капиллярного давления, начинается выпучивание их и обрушение в скважину, образуются каверны.
Существенное значение в этом процессе имеет естественная увлажненность глин. Известны случаи, когда после вскрытия скважиной пластов сильноувлажненных глин, они выдавливались в ствол на высоту нескольких десятков и даже сотен метров, одновременно выталкивая из скважины буровой инструмент.
Следует отметить, что сразу после вскрытия мало- и среднеувлажненных глинистых пород и на некотором расстоянии от забоя, диаметр скважины близок к номинальному. Затем идет интенсивное увеличение диаметра ствола, после чего наступает период некоторой стабилизации. Далее вновь начинается осыпание пород, т.е. процесс кавернообразования носит циклический характер.
В дальнейшем излагается наиболее распространенная точка зрения на причины обвалообразования.