Предупреждение обвалов стенок скважины при бурении на площади Северо – Брагунская

Горные породы, слагающие  стенки скважин, испытывают напряженное  состояние. В отличие от неглинистых горных пород, мало изменяющих прочность в случае контакта с водными растворами, в слабоувлажненных глинистых породах при их смачивании возникают дополнительные напряжения, обусловленные набуханием, что способствует их разупрочнению.

Следовательно, к одному из основных факторов, влияющих на устойчивость стенок скважин, следует отнести увлажненность глинистых пород. Поскольку в природе, а также в процессе проводки скважин в основном возможны три вида условий залегания глинистых пород (по физическому состоянию): малоувлажненные, среднеувлажненные и сильноувлажненные, то в каждом случае должна быть своя особенность механизма каверно- и обвалообразования. В соответствии с этим рекомендации по борьбе с ними также, очевидно, должны быть различными.

Как указывалось ранее, количество поглощаемой жидкости 1 г глины в отсутствие внутрипакетного набухания равно произведению толщины сольватного (гидратного) слоя δ на величину удельной поверхности глины S.

При одинаковой абсолютной влажности (общепринятый показатель влажности глин) и при различной удельной поверхности глин толщина слоя жидкости на поверхности глинистых частиц и, следовательно, прочность их сцепления будут значительно отличаться.

При вскрытии слабоувлажненных глинистых отложений инертным по отношению к глинистым породам буровым раствором, например безводным раствором на нефтяной основе или газообразным агентом, устойчивость стенок скважины будет сохранена в результате больших сил сцепления глинистых пород, что подтверждается отечественной и зарубежной практикой бурения. При использовании буровых растворов на водной основе происходит фильтрация жидкости в пласт. С течением времени в приствольной зоне скважины поры глинистых пород заполняются водным фильтром, давление которого становится близким к гидростатическому давлению столба бурового раствора, и перепад давления приствольная зона - скважина приближается к нулю, сохраняя свое значение только по мере удаления от этой зоны. С уменьшением перепада давлений создаются более благоприятные условия для набухания глинистых частиц.

Набухание сопровождается развитием давления на окружающие частицы, которые, естественно, могут при потере сцепления уплотняться (если пористость достаточно велика) или перемещаться в сторону наименьших сопротивлений, т.е. в скважину.

В сланцевых глинистых  породах набухание происходит по плоскостям спайности и сланцеватости  в отличие от однородных глин, набухание которых протекает во всем объеме массы частиц.

В процессе литогенеза сланцевых  глинистых пород под действием  массы вышележащих пород частицы приобретают параллельную ориентацию с наличием поверхностей скольжения между агрегатами или сильно уплотненными пластинами.

Электронно-микроскопические исследования глинистых частиц, взятых с поверхностей скольжения ориентировочной массы, показывают их высокую дисперсность. Образование этого слоя вызвано деформационным смещением пластинок глинистых пород в связи с поступлением воды и взвешенными в ней коллоидными частицами. Оседая на площадках максимальных касательных напряжений с ориентацией их в направлении приложения силы, коллоидные частицы образуют слой, состоящий из плотноупакованных высокодисперсных частиц (иногда такой слой называют «ультраглина»). Эта прослойка между пластинами сланцевых глинистых пород в условиях дегидратации, набухая и диспергируясь, выполняет роль «смазки», ослабляя связь и создавая площадки скольжения.

Увеличение плотности  бурового раствора - мероприятие, рекомендуемое  большинством авторов для борьбы с каверно- и обвалообразованиями, которое может изменить лишь время начала осложнения ствола скважины в результате создания большего перепада давлений.

Для сохранения устойчивости стенок скважины B.C. Баранов предложил производить постепенное многоступенчатое утяжеление бурового (глинистого) раствора. Выполняя это мероприятие, можно отодвинуть начало осложнений на длительное время, вплоть до спуска и цементирования обсадной колонны. Это мероприятие эффективно в том случае, когда разрез скважины представлен коллоидальными сильно набухающими глинами, и малоэффективно при наличии глинистых сланцев или аргиллитов, так как в последнем случае возникает реальная возможность проявления микрогидро-разрывов.

Устойчивость сланцевых  глинистых пород в значительной мере зависит от наличия микротрещиноватости.

По данным П.А. Ребиндера, все твердые тела обладают дефектами структуры (слабыми местами), распределенными таким образом, что участки твердого тела между ними имеют в среднем коллоидные размеры (порядка 10^-6 см), т.е. один дефект встречается в среднем через 100 правильных межатомных (межмолекулярных) расстояний. Проникающий по этим дефектным местам или микротрещинам фильтрат бурового раствора в зависимости от химического состава вызовет тот или иной эффект понижения твердости со всеми вытекающими последствиями для устойчивости стенки скважины. При этом следует указать на ошибочность распространенного мнения о значительной роли смазывающей способности нефтепродуктов в потере устойчивости глинистых пород. Эти представления, основанные на аналогии трения металлических тел, нельзя переносить на глинистые породы. Малая величина смазывающего эффекта в этом случае обусловлена следующими факторами:

а) трудность проникновения в массу глинистой породы молекул нефтепродуктов в результате их большого размера;

б) органические неполярные жидкости вследствие малого сродства с глинистыми породами оказывают ничтожно малое расклинивающее давление.

Снижение сцепления (увеличение смазывающего эффекта) глинистых пород  может быть вызвано в большей  мере водными растворами, обусловливающими наибольшее давление набухания и рост сольватных слоев на поверхности глинистых частиц. Роль горного давления в приствольной зоне скважины в этом случае весьма ограничена и проявляется лишь в период вскрытия глинистых отложений. При этом оно играет положительную роль как сила, препятствующая развитию набухания и сопровождающих его явлений.

Устойчивость стенок скважины в основном определяется величинами степени, скорости и давления набухания  глинистых пород, структурно-адсорбционных деформаций, предельного напряжения сдвига систем глина – жидкость, геологическими и другими факторами.

Для сохранения размеров стволов скважины, сложенных слабоувлажненными  глинистыми породами, близкими к номинальным размерам долот, наиболее целесообразно применение в качестве буровых растворов газообразных агентов с низкой влажностью, а также растворов на нефтяной основе или нефтеэмульсионных растворов второго рода.

Для обеспечения устойчивости глинистых пород при использовании буровых растворов на водной основе необходимо, чтобы в случае невысокой водоотдачи фильтрат ее обусловливал минимальные величины давления, степени и скорости набухания, структурно-адсорбционных деформаций и максимальные величины предельного напряжения сдвига и периода набухания. В определенной мере такими свойствами обладают известковые, гипсовые, высококальциевые, малосиликатные и другие буровые растворы.

При вскрытии среднеувлажненных  глинистых отложений с применением  газообразных агентов устойчивость стенок скважины будет невысокой. В  результате развития структурно-адсорбционных деформаций во времени прочность сцепления частиц глинистых пород уменьшится. Механические воздействия бурильного инструмента могут способствовать осыпанию таких пород. При использовании растворов на нефтяной основе указанные процессы также будут протекать, но в меньшей мере, если отложения представлены коллоидными глинами, так как на них оказывает противодавление столб промывочной жидкости. Если же такие отложения представлены сланцевыми глинистыми породами, то устойчивость их будет значительно меньшей.

Для сохранения устойчивости стенок скважины, сложенных среднеувлажненными аргиллитами, целесообразнее применять буровые растворы, обладающие крепящим действием и имеющие невысокую водоотдачу. В результате диффузии, добавки (CaSO₄-2H₂O, СаС1₂, водорастворимые силикаты и т.д.) или их ионы проникают в глинистые породы, увеличивая сцепление частиц и снижая величину структурно-адсорбционных деформаций.

Использование буровых  растворов, не содержащих добавки, даже с низкой водоотдачей, как правило, не обеспечивает сохранение устойчивости таких глинистых отложений. Роль горного давления в устойчивости среднеувлажненных глинистых пород невелика.

Сильноувлажненные глинистые  породы находятся в состоянии набухания, величина которого зависит от пластовых условий (давление вышележащих горных пород, тектонические силы, температура, соленосность и др.). Отсутствие жесткого несущего фундамента обусловливает наличие аномальных давлений в этих отложениях, равных или близких по величине к горному давлению. При вскрытии этих отложений вследствие разности давлений в системе пласт – скважина создаются благоприятные условия для развития структурно-адсорбционных деформаций. Величина их в указанной системе зависит от разности давлений, условий залегания, гидрофильных свойств глин и других факторов. Часть из них будет способствовать вытеканию пастообразной массы в скважину. Развитию осложнений в значительной мере способствует горное давление (выдавливание вязкой массы глины в скважину). Если породы представлены высококоллоидальными глинами, может произойти не обвал, а пробкообразование.

Б. Миллс, описывая это  явление, указывает, что сила движения глинистой массы часто бывает настолько велика, что ее невозможно контролировать, при этом гнутся и ломаются бурильные и обсадные трубы, а пробки часто поднимаются на высоту нескольких сотен метров.

Если глинистые породы разреза скважины представлены сильноувлажненными аргиллитами, пробкообразование не происходит, но после их вскрытия возникают  интенсивные осыпи и обвалы.

Для борьбы с осложнениями в сильноувлажненных глинистых отложениях недопустимо применение газообразных агентов. Применение известково-битумных растворов на нефтяной основе или нефтеэмульсионных растворов едва ли обеспечит нормальный процесс углубления скважины, так как в результате высокой вязкости этих растворов свабирующий эффект при спускоподъемных операциях значительно больше, чем при использовании буровых растворов на водной основе. В процессе подъема инструмента в случае наличия свабирующего эффекта создаются благоприятные условия (развитие структурно-адсорбционных деформаций, вдавливание вследствие внешних сил) для течения пастообразной массы глины в скважину либо для кавернообразования, если глинистые породы представлены сланцами или аргиллитами. При спуске инструмента требуется проработка заплывшего участка ствола скважины. Это может повторяться многократно. На практике такие осложнения часто заканчиваются прихватом бурильного инструмента и потерей ствола скважины.

Для борьбы с осложнениями процесса бурения в сильноувлажненных коллоидальных глинах наибольший эффект могут дать утяжеленные буровые растворы с низкой водоотдачей, способствующие увеличению предельного напряжения сдвига, уменьшению структурно-адсорбционных деформаций и стабилизации объема набухшей породы. К таким системам относятся гипсовые, малосиликатные буровые растворы и др. При этом не следует повышать скорость бурения, а в наиболее сложных случаях необходимо остановить процесс бурения до завершения течения физико-химических процессов в системе буровой раствор - приствольная зона пласта. Обязательным условием является снижение до минимума колебания давления, в частности, при спускоподъемных операциях.

Для борьбы с осложнениями процесса бурения в сильноувлажненных глинистых сланцах и аргиллитах обязательным условием является применение буровых растворов, обладающих крепящим действием, с минимальной водоотдачей. Утяжеление буровых растворов в этих условиях не предотвращает кавернообразования.

Одним из перспективных  методов борьбы с каверно-, обвало- и пробкообразованием может явиться установка силикатных ванн с низкой водоотдачей.

Силикатные ванны в  качестве химического метода закрепления потенциально неустойчивых глинистых пород различной степени увлажненности можно устанавливать при использовании буровых растворов как на водной, так и неводной основе).

Определяющим фактором, обусловливающим изменение прочностных  характеристик пород однородной литологической характеристики, является не глубина их залегания Н, а горное давление P_r.

Было предложено много рецептур буровых растворов для предупреждения обвалообразований, которые отвечали требованиям различных гипотез их возникновения и развития. Однако борьба с обвалообразованиями, начиная с их профилактики, должна заключаться в комплексе мероприятий с учетом геолого-технических особенностей каждой скважины.

Сложность выбора мероприятий  по предупреждению обвалообразований состоит в том, что буровые растворы выполняют функции, которые определяют не только успешность и скорость бурения, но и ввод скважины в эксплуатацию с максимальной продуктивностью. Основные из этих мероприятий – обеспечение быстрого углубления, сохранение в устойчивом состоянии ствола скважины и коллекторских свойств продуктивных пластов. Выполнение указанных функций зависит от взаимодействия с проходимыми породами. Характер и интенсивность такого взаимодействия определяются природой и составом дисперсионной среды.

Только комплексный  подход к решению задачи выбора показателей свойств бурового раствора и режимных параметров циркуляции позволит обеспечить выполнение основных функций технологического процесса промывки скважины, в том числе предупреждения образования осыпей и обвалов.