Другие проявления неустойчивости стенок скважины

Большая часть проблем, связанных с неустойчивостью стенок скважин, обусловлена наличием в разрезе глинистых пород. Однако неустойчивость стенок скважины проявляется не только в интервалах, сложенных глинистыми породами. Проблемы, связанные с неустойчивостью, часто возникают и в интервалах рыхлых, неконсолидированных песков и конгломератов, трещиноватых пород и пластов с разрывными нарушениями, многослойных соляных пластов и в зонах уступов, образовавшихся в местах чередования твердых и мягких пород.

Неконсолидированные породы и конгломераты

В интервалах неконсолидированных пород неустойчивость стенок скважины проявляется особым образом. Такие породы имеют тенденцию к вытеканию в скважину, так же как песок стекал на дно колодца, который мы пытались выкопать его на пляже. При этом ствол может заполниться настолько, что будет трудно наращивать колонну. Диаметр ствола увеличивается так сильно, что крупный шлам не выносится на поверхность.

При прекращении циркуляции можно ожидать очень быстрого обрушения породы и закупоривания ствола. В наихудшем случае может образоваться достаточно большая полость под буровой и кратер на поверхности, в который может упасть вышка. В подобных ситуациях было потеряно много вышек!

Неконсолидированные пласты обычно сложены молодыми песками и залегают на поверхности или очень близко к поверхности. Их возраст слишком невелик, чтобы произошла цементация, и обычно они никогда не испытывали большое давление вышележащих пород.

Прочность неконсолидированных пород зависит только от трения между зернами, слагающими эти породы. Если порода сухая или сырая, трение может быть достаточно велико, чтобы стенки скважины сохранили устойчивость.

Вес вышележащих пород будет передаваться через контакты между зернами, в результате чего возникает сильное трение. Жидкость, поступающая в скважину, смазывает поверхности контакта и способствует снижению напряжений, обусловленных трением. Таким образом, уменьшается эффективное напряжение и трение между зернами.

Песок на пляже является классическим примером неконсолидированной породы. Если песок сухой, можно выкопать колодец, но стенки будут обваливаться. Трение между зернами недостаточно велико, чтобы стенки оставались вертикальными. Если прижать плоскую пластину с отверстием к поверхности песка, то трение между зернами под пластиной возрастет, и можно копать колодец успешнее Если попытаться копать колодец, заполненный водой, или докопаться до зеркала воды, то зерна будут хорошо смазаны, и песок потечет в колодец (см. рис. 8-7, иллюстрирующий прочность горных пород).

Чтобы успешно разбуривать неконсолидированные породы, нужно создать фильтрационную корку на поверхности пласта и поддерживать репрессию на пласт. К неконсолидированным горным породам применимы те же принципы механики горных пород, что и к глинистым породам. Разница заключается лишь в том, что максимальные кольцевые напряжения распространяются дальше в пласт, чем в консолидированных горных породах.⁷ Действие радиальных напряжений на фильтрационную корку приводит к снижению кольцевых и максимальных касательных напряжений и, соответственно, к увеличению устойчивости (мы помним, что максимальные касательные напряжения равны половине разности между кольцевыми и радиальными напряжениями).

Пока на фильтрационную корку действует достаточное дифференциальное давление, стенки скважины сохраняют устойчивость. Однако фильтрационная корка не является непроницаемой, и жидкость проникает через фильтрационную корку в пласт. Если в результате этого возрастает поровое давление, то дифференциальное давление со временем уменьшается, и стенки скважины становятся менее устойчивыми. Кроме этого, возрастание порового давления приводит к уменьшению давления на поверхности контакта между зернами, от которого зависит внутреннее трение. Это еще более уменьшает прочность породы.

Очевидно, что желательно иметь непроницаемую фильтрационную корку. Однако фильтрационные корки на поверхности неконсолидированных песков обычно бывают более проницаемыми, чем корки, отложившиеся на поверхности консолидированных песков.

Гидравлические потери в кольцевом пространстве при бурении приводят к небольшому возрастанию давления в скважине, поэтому дифференциальное давление имеет максимальное значение при циркуляции. При прекращении циркуляции дифференциальное давление, действующее на фильтрационную корку, может стать недостаточно высоким для обеспечения устойчивости стенок скважины.

Вибрация при бурении может привести к уменьшению трения между зернами и к снижению устойчивости стенок скважины. В отсутствие какого-либо движения трение между зернами характеризуется коэффициентом трения покоя. После возобновления движения трение характеризуется коэффициентом трения движения. Последний намного меньше коэффициента трения покоя. Вибрация при бурении может вызвать относительное движение зерен, как раз достаточное для изменения трения покоя на трение движения. Уменьшение трения приводит к снижению прочности, и порода становится менее устойчивой.