Статья: Исследование и прогнозирование устойчивости стволов горизонтальных скважин баженовских отложений, бурящихся на депрессии

Владимир Карев, к.ф.-м.н., Юрий Коваленко, к.ф.-м.н., Юрий Кулинич, к.ф.-м.н., Институт проблем механики РАН, НИЦ «Геомеханика и технология»

Расширение объемов бурения горизонтальных скважин (ГС) на депрессии приводит к возникновению целого ряда не существовавших ранее проблем. В частности, обеспечения устойчивости стволов скважин в продуктивных горизонтах и перекрывающих их отложениях при бурении на депрессии.

В статье приведены результаты исследования данной проблемы, выполненного по заказу ОАО «Сургутнефтегаз», применительно к горным породам баженовских отложений из скважин Ульяновского, Сыхтынглорского и Камынского месторождений.

Привлекательность технологии бурения скважин на депрессиях в значительной мере обусловлена возможностью получать минимальное загрязнение призабойной зоны пласта частицами бурового раствора и тем самым сохранять ее природную проницаемость. Вместе с тем при поддержании на забое скважины в ходе ее бурения давления ниже пластового на первый план выходят вопросы, связанные с деформированием и прочностью горных пород, устойчивостью стволов скважин и т.п. Основным вопросом, на который следует ответить перед началом проводки скважины на депрессии, является вопрос о том, на какой максимальной депрессии можно вести бурение. Ответ на этот вопрос зависит от многих факторов — деформационных и прочностных свойств породы, анизотропии ее механических свойств, напряжений, возникающих в окрестности скважины, геометрии скважины, давления на забое скважины.

При ярко выраженной анизотропии прочностных и деформационных свойств породы важнейшим фактором является ориентация скважины относительно осей анизотропии породы. Возможна ситуация, когда при всех прочих одинаковых технологических параметрах (типе бурового раствора, депрессии на забое скважины, скорости проходки и т.д.) бурение на депрессии вертикальных скважин протекает без осложнений, а бурение горизонтальных или наклонных скважин представляет большую проблему в связи с потерей устойчивости.

Чтобы ответить на перечисленные вопросы, недостаточно одних теоретических исследований. Необходимо иметь возможность определять деформационные и прочностные свойства пород для конкретных месторождений и конкретных условий бурения скважин, что можно сделать лишь на соответствующем экспериментальном оборудовании.

Постановка задачи, предварительные измерения и расчеты

Цель работы — определение величины депрессии, при которой возможна потеря устойчивости горизонтальных стволов скважин баженовских отложений в процессе бурения на депрессии. Исследования проводились на уникальной экспериментальной установке Института проблем механики РАН — Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН), позволяющей на образцах породы размером 5х5х5 см воссоздавать реальные напряжения, возникающие в породе вокруг скважины в процессе ее бурения, освоения и эксплуатации, и исследовать их влияние на фильтрационные свойства породы. В процессе испытаний образцов изучался характер их деформирования, разрушения при моделировании условий роста депрессии на забое скважины. Предварительно были определены скорости распространения продольных волн в исследуемых породах в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

В процессе работы на стенде испытаны по различным трехмерным программам нагружения 32 образца породы из продуктивных горизонтов и перекрывающих их отложений.

Как известно, к разрушению материалов приводят касательные (сдвиговые) напряжения. При создании депрессии, например в вертикальной не обсаженной скважине, в породе, слагающей стенки скважины, происходит такое перераспределение напряжений, при котором напряжения, действующие в радиальном направлении на стенке скважины, уменьшаются на величину депрессии, кольцевые (тангенциальные) напряжения увеличиваются, а напряжения, действующие в вертикальном направлении, остаются примерно на том же уровне.

В результате при увеличении депрессии в породе вокруг скважины происходит рост касательных напряжений, что в итоге может привести к ее разрушению. Изменение напряжений в породе вблизи скважины при изменении величины депрессии для различных вариантов конструкции забоя показывают расчеты. В простых случаях (открытый ствол скважины) аналитические, в более сложных (наличие обсадки, перфорационных отверстий, щелей и т.п.) — численные, с использованием трехмерных программ расчета напряженно-деформированного состояния. Найденные условия нагружения породы при изменении величины депрессии для различных вариантов конструкции забоя моделируются на образцах из кернового материала с помощью испытательного стенда ИСТНН.

Для составления программы нагружения образцов, отвечающей реальным напряжениям, возникающим вокруг ГС при создании в ней депрессий различного уровня, необходимо решить две предварительные задачи:

— установить вид анизотропии породы, поскольку от этого в случае горизонтальной скважины во многом зависят действующие вокруг нее напряжения;

— определить упругие модули породы, отвечающие установленному виду анизотропии.

Для определения типа анизотропии породы были измерены скорости распространения продольных волн в изготовленных образцах. Скорости измерялись в трех взаимно-перпендикулярных направлениях: по оси керна и по двум осям в горизонтальной плоскости. Измерения проводились на специальной установке, представляющей собой два датчика-генератора ультразвуковых волн, между которыми устанавливался исследуемый образец. Для визуализации результатов измерений электрические сигналы с обоих датчиков выводились на осциллограф. Между датчиками-генераторами пропускались волны длиной 5 мм, частотой 1,25 МГц и определялось время прохождения волн через образец и затухание амплитуды колебаний.

Скорости распространения продольных волн в горизонтальной плоскости по осям 2 и 3 оказались практически одинаковыми. Скорость распространения продольных волн в вертикальном направлении, т.е. по оси 1, оказалась в 1,2-1,8 раза меньше, чем в горизонтальном.

Полученные результаты позволили сделать вывод, что исследуемая порода, во-первых, является существенно анизотропной и, во-вторых, по своим свойствам близка к трансверсально изотропной среде, т.е. среде, свойства которой в плоскости изотропии (в данном случае в горизонтальной плоскости) одинаковы, а в вертикальном направлении вдоль оси изотропии (оси керна) — отличны.

В ходе измерения скоростей продольных волн был получен еще один интересный результат: коэффициент затухания амплитуды волн в вертикальном направлении был очень большим и превосходил коэффициент затухания амплитуды волн в горизонтальном направлении на порядки. Этот факт свидетельствует о значительной трещиноватости породы в горизонтальном направлении, т.е. порода представляет собой своего рода «слоеный пирог». Об этом же свидетельствует и наблюдавшееся при изготовлении образцов дискование керна при резке его алмазными кругами, поскольку наличие горизонтальной трещиноватости приводит к значительному снижению прочности породы на сдвиг в горизонтальных плоскостях.

Деформирование трансверсально-изотропного упругого материала характеризуется пятью независимыми упругими константами:

— E, E'— модули Юнга в плоскости изотропии и перпендикулярно ей;

— v, v'— коэффициенты Пуассона в плоскости изотропии и перпендикулярно ей;

— G'— модуль сдвига для любой плоскости, перпендикулярной плоскости изотропии.

Для определения упругих свойств породы были специально изготовлены 4 образца — два образца из скв. № 3303 Сыхтынглорского месторождения и два образца из скв. № 3304 Ульяновского месторождения. Особенностью образцов, предназначенных для определения упругих модулей породы, является высокая точность их изготовления: непараллельность противоположных граней образца не превышала 1-2 мкм.

Напряжения и деформации для трансверсально-изотропного материала с учетом расположения осей связаны следующими уравнениями:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

, (6)

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--