В онлайне: 3 (гостей - 3, участников - 0)  Вход | Регистрация

 
УДК 622.02

Исследование неустойчивости скважины на больших глубинах


Нго Тхань Тхао, студент 4-го курса,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия

Вопросы неустойчивости ствола скважины теоретически обсуждались во многих публикациях. Но в данный момент необходимо уточнить проблему неустойчивости ствола на больших глубинах с целью минимизации этого явления. Устойчивость ствола глубокой скважины контролируется несколькими независимыми факторами.

I. Введение

Неустойчивость ствола скважины - проблема, с которой постоянно сталкивается нефтяная промышленность и которая приводит к существенному увеличению буровых и эксплуатационных расходов. Устойчивость ствола контролируется несколькими независимыми или взаимосвязанными факторами: горизонтальными напряжениями (высокими или низкими, изотропными или анизотропными), реологическим поведением конкретной горной породы, чрезмерными напряжениями на стенке скважины, градиентами давления и температуры в прискважинной зоне пласта.

II. Особенности механики горных пород на больших глубинах

Под "большим" подразумеваются глубины примерно от 3000 до 7000м, в исключительных случаях и более.

2.1. Среды, пористость которых аномальна относительно глубины их залегания

К ним относятся:

  • среды с исключительно высокой пористостью (мел, илы и т.д.). Механика пород ставит очень серьёзные проблемы и их плотность абсолютно нетипична в условиях больших глубин. С точки зрения механики эти среды существенно различаются: некоторые виды песков или слабосвязанных песчаников, обладающих высокой пористостью (свыше 30%), обрушаются вследствие нарушения внутренних связей породы, причём действие связей прекращается при откалывании кусков как обычной обработке; мел ведёт себя совершенно иначе: в случае превышения определенного порогового значения напряжения он может обрушаться путем раздавливания и оседания и стать очагом неустойчивости под влиянием малоизученных факторов.
  • среды с аномально низкой пористостью. В таких породах физические и химические явления уже положили начало диагенезу. Механика этих сред характерна слабой связи и большим углам трения. Следует подчеркнуть огромное значение значения закономерностей поведения этих сред для экономики. Залежи этих необыкновенных пород известны и на поверхности Земли, где их появление часто обусловлено историческими геологическими процессами. В этом случае они представляют собой образования в краевых частях залежей песчаников с очень слабой связью, и необычные их параметры должны учитываться при расчетах фундамента.

2.2. Среды с очень низкой пористостью

При пористости ниже нескольких процентов уплотнение пород было нормальным или пониженным за счёт более позднего влияния жидкости, диагенеза и др. Роль жидкостей при этом становится совершенно особенной, поскольку существенно сокращается поверхность, на которую они могут воздействовать. Очень высокие давления и температуры обусловливают реакции, которые уже невозможно игнорировать при определении последствий воздействия химических процессов и растворения на изменение материала:

  • давление - растворение (сверхплотные пески);
  • растворение - осаждение (каменная соль, эвапориты, известняки);
  • ионный обмен и всасывание за счёт разницы концентраций (взаимодействие глины с буровым раствором);
  • окисление - восстановление с момента изменения химического равновесия;
  • гидратация;
  • растворение, перенос и переотложение радиоактивных элементов, к которым мы вернёмся в дальнейшем в рамках частного случая сред с низкой пористостью.

2.3. Значение термических явлений

Как в теоретическом, так и в практическом плане можно не принимать в расчёт или вообще игнорировать простой теплообмен, пока не будет достигнута глубина в 1000 м. Но глубже его влияние приобретает решающее значение.

Учёт воздействия теплообмена становится настоятельно необходимым для понимания явлений, действующих во время работ на этих глубинах. Очевидные подтверждения тому имеют место в нефтяных скважинах и при глубинном бурении в научных целях. Складирование радиоактивных отходов напрямую связано с термической механикой, поскольку эти вещества испускают определённое количество тепла на протяжении длительного периода времени.

Следует напомнить несколько важных моментов, которым уделялось особое внимание в процессе бурения:

  • термические характеристики, носящие нелинейный характер;
  • фазовые переходы в жидкостях и газах;
  • минералогические фазовые переходы;
  • переход в режим трещинообразования;
  • полное наложение различных механизмов, т.е. "тепло-упруго-вязко-пластичность".

2.4. Особенности поведения трещиноватых сред

Наиболее важными моментами в этой области можно считать крайне сильные напряжения, термические явления и их взаимодействие со стоком жидкости.

Известно, что сток жидкости в трещиноватых средах очень важен для определения устойчивости фундамента подземных выработок. Он же должен управлять посредством идентифицируемых с трудом процессов состоянием месторождений и нефтяных скважин, а также герметичностью в проектируемых хранилищах.

Определение свойств трещин, доли поверхности, ответственной за сток (в процентах), процент трещиноватости, которая обусловливает до 90%, изменение этих параметров в условиях действия напряжений, давления и температуры - все эти ключевые вопросы должны учесть в проектах.

III. Что требуется для обеспечения устойчивости ствола в глубокой скважине

Проблема неустойчивости ствола скважины, хотя и не является постоянной, к сожалению, стала довольно традиционной в практике буровых работ. При анализе устойчивости ствола учитывается большое число параметров. Среди них определяющими на практике считаются следующие:

  • литология пород;
  • глубина;
  • наклон ствола;
  • поровое давление.

3.1. Литология пород

На практике породы лишь нескольких литологических типов вызывает беспокойство в связи с проблемой устойчивости ствола скважины, а именно:

  • глинистые формации (глины, аргиллиты, алевролиты, мергели и глинистые сланцы);
  • уголь;
  • карбонаты и метаморфические породы (на больших глубинах );
  • каменная соль (для неё характерны вязкопластичный разрыв и хрупкое разрушение с образованием обломков).

Выделение интервалов с потенциально опасной литологией ( по прочности пород ) не вполне корректно. В глинистых сланцах и известняках разрыв, как правило, происходит в результате среза по границам пропластков, что ведет к образованию крупных блоков обваливающейся породы. Их трудно удалить из скважины, поэтому возможны катастрофические последствия.

При анализе устойчивости ствола знания одной прочности пород недостаточно. Важно также знать, как образовавшаяся трещина развивается (размеры зерен, характер объемного расширения, тип неустойчивости).

3.2. Глубина

Глубина и возрастающие напряжения относятся к числу важнейших факторов при анализе устойчивости ствола скважины. Погружение осадочных пород на большие глубины приводит к их уплотнению и отжатию поровых вод. Предполагается, что с глубиной под действием больших геостатических давлений и температур породы становятся более пластичным боковые составляющие напряжения постепенно выравниваются, что может обусловить увеличение давлений гидроразрывом пласта.

Температурными изменениями, случающимися по мере углубления скважины, можно объяснить обычно отмечаемое увеличение давления, при котором инициируется трещина. Данная концепция помогает объяснить развитие неустойчивости ствола с течением времени.

3.3. Наклон ствола

В скважинах с повышенным зенитным углом проблемы устойчивости ствола стоят особенно остро. Возможный диапазон плотности бурового раствора, в котором достижима устойчивость ствола, сокращается с увеличением угла отклонения его от вертикали. Это обусловлено тем, что с увеличением угла отклонения ствола скважины от вертикали более высоким становится как среднее напряжение в массиве породы на удалении от скважины в плоскости, перпендикулярной к оси ствола, так и разность между этими напряжениями. В результате обоих эффектов концентрация напряжений на стенке ствола скважины возрастает в одном направлении и снижается в другом, перпендикулярном к первому. Следовательно, если для предупреждения обрушения пород предельное значение плотности бурового раствора увеличивается, то для предотвращения их гидроразрыва, наоборот, снижается. Таким образом, диапазон допустимых значений плотности бурового раствора ограничивается.

Следует иметь в виду, что в связи с наклонным положением ствола степень концентрации напряжений на стенке скважины увеличивается, но зона повышенного напряжения сокращается. Наблюдаемое ухудшение ситуации в наклонном стволе в связи с потерей устойчивости пород может быть вызвано в основном плохой очищающей способностью бурового раствора.
3.4. Поровое давление

Влияние порового давления на устойчивость ствола уже исследовали путем включения в анализ объёмных сил, возникающих под действием градиента давления, действующего в прискважинной зоне. Это в свою очередь приводит к изменению распределения тангенциального напряжения и нагрузок, вызывающих обрушение породы.
3.5. Механическое воздействие бурового раствора

Давление, развиваемое буровым раствором, определяет уровень радиального напряжения и поровое давление на стенке скважины. При разбуривании слабопроницаемых пластов на больших глубинах повышению устойчивости ствола способствовало только увеличение вязкости системы. При воздействии избыточного скважинного давления на пласт только часть его используется для повышения устойчивости ствола. Эта часть давления существенно зависит от типа бурового раствора, но может также изменяться в зависимости от степени превышения давления в скважине над пластовым.

IV. Заключение

Неустойчивость ствола оказывается критическим фактором в процессе бурения скважины на больших глубинах. Для достижения идеальной устойчивости ствола требуются значительные изменения нескольких параметров бурения. Чтобы иметь метод проектирования, основанный на прогнозе обрушения ствола, необходимо знать поведение породы на различных этапах развития в ней деформации. Исследования, как теоретические, так и экспериментальные, должны быть направлены на оценку поведения породы на стенке скважины после образования трещины разрыва, чтобы выяснить, возможно ли достижение устойчивого состояния ствола или нет.

Рассмотрены приложения проблемы устойчивости для наклонного ствола в глубокой скважине. Согласно классическим теориям, наклонный ствол чаще испытывает разрыв, чем вертикальный. В анализ обрушения пород на стенке скважины в качестве определяющего фактора включается также качество бурового раствора.

В будущем, бесспорно, следует ожидать успеха в области создания новых технологий для обеспечения устойчивости при бурении скважин на больших глубинах.

Библиографический список

  1. Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ: учебник / С.С. Сулакшин, П.С. Чубик. - Томск: ИЗд-во ТПУ, 2011. - 367с.
  2. Басарытин Ю.М., Булатов А,Н., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000. - 679 с.
  3. Булатов А.И., Долгов С.В. Спутник буровика: Справ. Пособие: В 2 кн. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2006г.



27.12.14 09:41 | Tatiana (участник)
Нго Тхань Тхао, здравствуйте!

здорово, что вы участвуете в конференции и изучаете эту тему!

удачи в исследованиях и стать специалистом!


Все комментарии (1)

 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ


 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.