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

Их значения определяются соотношениями Ламэ:

(8),

где :

q — горное давление (q < 0 ), Рс — давление в скважине, P (r) — давление на расстоянии r от скважины ( Р, Рс > 0 ), Rс — радиус скважины, r — расстояние от оси скважины.

Касательные напряжения  = 1/2 (SR — Sθ) равны:

. (9)

Из (8) следует, что на стенке скважины, т.е. при r = Rс, напряжения равны:

(10).

Величина депрессии в скважине ΔРс связана с напряжением Sθ, действующим на ее стенке, соотношением:

, (11)

где P0 — пластовое давление нефти.

Тогда в программе нагружения, изображенной на рис. 3, характерные точки соответствуют следующим значениям:

в точке А σ1 = σ2 = σ3 = q + Р0 ;

в точке В σ2 = 2 (q+Р0), σ1 = q+Р0, σ3=0, причем среднее напряжение s = (σ1+σ2+σ3)/3 на участке АВ сохранялось постоянным — это следует из соотношений (8);

на участке ВС, моделирующем увеличение депрессии, если образец не разрушался при максимально возможных депрессиях, осуществлялась разгрузка образца, причем точно в обратном порядке по отношению к нагружению образца.

Результаты испытаний образцов

Образцы породы, изготовленные из предоставленного кернового материала, были испытаны на ИСТНН по программе нагружения, описанной выше. При моделировании депрессии в скважине (участок ВС на рис. 3) шаг догружения образцов соответствовал увеличению депрессии в скважине на 25 атм. Часть образцов была испытана при Р0, равном гидростатическому давлению на данной глубине, а остальные образцы — при АВПД, равном 1,4 и 1,7.

Образцы ориентировались в нагружающем узле ИСТНН двумя способами: ориентация одних образцов соответствовала точке N на рис. 1, а других — точке M. Опыты показали, что образцы, ориентированные согласно точке N, деформировались практически упруго в ходе всего опыта, и их разрушение если и происходило, то лишь при очень больших депрессиях (150-200 атм.). В то же время образцы, ориентированные согласно точке М, зачастую начинали интенсивно деформироваться и разрушаться при низких депрессиях в 10 -25 атм. Яркий пример этому поведение близких образцов № 10 и № 12 скв. 3303 Сыхтынглорского месторождения (рис. 4,5). Образец № 10, ориентированный согласно точке N, практически не «полз» вплоть до создания больших депрессий, а ползучесть образца № 12 началась уже при небольших депрессиях порядка 25 атм.

Этому есть ясное физическое объяснение. Дело в том, что исследуемая порода помимо анизотропии по упругим характеристикам обладает также ярко выраженной анизотропией по прочностным свойствам: прочность породы в вертикальном направлении, т.е. перпендикулярно напластованию, в таких средах значительно ниже, чем в горизонтальном направлении, т.е. по напластованию. В точке М порода при понижении давления в скважине разгружается в вертикальном направлении, т.е. а направлении, в котором у нее прочность наименьшая. Кроме того, она при этом подвергается еще большему сжатию вдоль слоев кольцевым напряжением σθ, что также способствует расслоению породы в вертикальном направлении. Именно такой вид разрушения породы и наблюдался в большинстве опытов. В точке N мы имеем иную картину. Порода здесь при понижении давления в скважине разгружается вдоль напластования, т.е. в направлении, в котором прочность породы максимальна. Более того, горизонтальные слои оказываются сжаты большими кольцевыми напряжениями σθ, что также повышает сопротивляемость породы разрушению. В результате вблизи точки N даже при больших депрессиях разрушение породы не наступает.

Важнейшей характеристикой для прогнозирования устойчивости стволов скважины при бурении является скорость ползучести породы. Скорость ползучести — это деформация, накапливаемая породой в единицу времени при постоянной нагрузке. Ползучестью в той или иной мере обладают все горные породы, но обычно она бывает столь мала, что не вызывает осложнений при бурении и эксплуатации скважин. Однако есть породы, обладающие сильной ползучестью. В этом случае за достаточно непродолжительное время накапливаемая в породе деформация может достигать критического значения (предельной деформации), при котором начинается разрушение породы. С этой точки зрения все испытанные образцы можно разделить на две группы: примерно половину составили прочные образцы, которые даже под действием напряжений, отвечающих максимальным депрессиям (150-200 атм.), деформировались упруго без всяких признаков разрушения, а половину — слабые образцы, которые начинали интенсивно деформироваться («ползти») и разрушаться уже при низких нагрузках, отвечающих депрессиям 5 — 25 атм. В качестве примера на рис. 6 показаны результаты испытаний прочного образца, а на рис. 7 и рис. 8 — слабых образцов.

Заключение

Результаты испытаний образцов на установке ИСТНН показали, что бурение горизонтальных стволов на депрессии в баженовских отложениях с большой вероятностью может привести к потере устойчивости даже при минимальных депрессиях 5-25 атм.