Факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины

На устойчивость стенок скважины влияют несколько факторов:

• Плотность бурового раствора

• Прочность породы

• Колебания температуры

• Анизотропия напряжений и прочности

• Ориентация и наклон траектории скважины

• Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора

• Вибрация бурильной колонны

• Геометрия ствола скважины

Давление столба бурового раствора создает радиальное напряжение, действующее на стенки скважины. Вспомним, что говорилось в разделе " Механика горных пород" о влиянии радиальных напряжений на устойчивость стенок скважины.

Напряжение в материале, удаленном при бурении, должно быть восполнено комбинацией кольцевого и радиального напряжений. Как показывает уравнение 8.4, чем выше плотность бурового раствора, тем ниже кольцевые напряжения.

Перераспределение полного напряжения = радиальные напряжения + кольцевые напряжения (8.4)

Помните образец породы в лаборатории? Плотность бурового раствора не только уменьшает кольцевые напряжения, но также создает боковое давление, увеличивающее кажущуюся прочность породы.

Способность уменьшать кольцевые напряжения и одновременно увеличивать кажущуюся прочность породы делает плотность бурового раствора мощным инструментом для борьбы с потерей устойчивости стенок скважин.

Можно увеличить плотность бурового раствора до такого значения, при котором кольцевые напряжения уменьшатся до нуля. Если увеличить плотность бурового раствора слишком сильно, то кольцевые напряжения станут растягивающими, и порода может разрушиться из-за чрезмерного растяжения (рис. 8-38). Именно это и происходит при гидроразрыве пласта.

При увеличении плотности бурового раствора сжимающие кольцевые напряжения уменьшаются, и могут превратиться в растягивающие.

Влияние плотности бурового раствора можно проиллюстрировать графически с помощью огибающей предельных кругов напряжений для различных значений плотности бурового раствора (рис. 8-39).

Увеличение плотности бурового раствора приводит к возрастанию радиальных напряжений и уменьшению кольцевых напряжений. При чрезмерном увеличении сжимающие напряжения могут уменьшиться до нуля и превратиться в растягивающие. Уменьшение плотности бурового раствора приводит к возрастанию касательных напряжений, поскольку оно сопровождается уменьшением радиальных напряжений и возрастанием кольцевых напряжений. Если круг напряжений выходит за огибающую, стенки скважины становятся неустойчивыми.

Рис. 8-39 Круги напряжений для различных значений плотности бурового раствора

Известны различные подходы к оптимизации плотности бурового раствора. Один из них предусматривает изменение плотности таким образом, чтобы кольцевые напряжения уменьшились до нуля. Он известен как метод средней линии, предложенный Аас1поу.⁴ Метод средней линии основан на предположении, что для уменьшения кольцевых напряжений до нуля нужно изменить плотность бурового раствора до среднего между численными значениями градиента порового давления и градиента давления гидроразрыва пласта. На рис. 8-40 дана графическая иллюстрация этого похода.

Может появиться искушение держать плотность бурового раствора на как можно более низком уровне, чтобы до максимума увеличить скорость проходки. К сожалению это часто приводит к увеличению диаметра ствола и потерям времени из-за сужения ствола. Метод средней линии дает возможность свести к минимуму проблемы в скважине за счет некоторого уменьшения скорости проходки на небольших глубинах. Аас1поу приводит перечень скважин, пробуренных с использованием метода средней линии.⁴