MhJHf^ '
■
Выбор раствора для разбуривания
глинистых пород
THE CHOICE OF SOLUTION FOR DRILLING-OFF IN CLAY ROCKS
V. KOSHELEV, doctor of technical Sciences., senior researcher, member of the scientific Council «Baulux» LLC, M. GVOZD, Deputy Director General, B. RASTEGAEV, candidate of technical Sciences, senior researcher, Deputy head of technology Department for drilling fluids, V. ULSHIN, head of technology Department for
drilling fluids, T. FATKULLIN, General director, «NPO BentoTechnologies» LLC
The geochemical and physico-chemical aspects of sustainability clay deposits (especially in highly deviated wells) are considered. Comparative studies of inhibited drilling fluids proposed quantitative characteristics of their inhibitory
capacity.
Keywords: hydration, inhibition, resistance, pore pressure, horizontal stress
Проблема устойчивости глинистых отложений была и остается сегодня одной из актуальных. Более того, существенный рост объемов бурения пологих и горизонтальных скважин обозначил более жесткие требования к технологии их бурения. За последние 20 лет исследователями предложены различные критерии [1, 2, 3], учитывающие особенности напряженного состояния горных пород, в том числе боковой распор и минимальные горизонтальные напряжения.
Кроме физико-механических глинистые породы отличаются разнообразием минералогического состава, связности, минерализации поровой воды; их свойства изменяются в зависимости от глубины залегания, условий формирования и пр.
Глины склонны к поверхностной гидратации и набуханию, диспергированию в растворах на водной основе, осмотическому увлажнению и осушению, значительному снижению прочности при увлажнении, подверженности к эрозионному воздействию потока раствора.
Установлено [4], что между объемной плотностью, влажностью, емкостью обменного комплекса глин и минерализацией поровой воды существуют определенные связи, которые достаточно точно описываются математическими моделями (рис.1).
1. Влажность (равная коэффициенту пористости):
W= (1-0, 3704р)100, %.
Доля свободной воды Макт=пМ,
п = - 0,5р2 + 1,45р - 0,2
для р< 2,2 г/см3,
п1= - 1, 76 р2 + 6, 73 р - 5, 71
для р>2, 2 г/см3.
2. Минерализация (г/л):
а) для континентальных отложений Сп=181 ехр [ -11,7 (1-0,3704)];
б) для лагунных
СП=148 ехр [ -5,40 (1-0,3704)];
в) для морских
СП=176,6 ехр [ -4,47 (1-0,3704)].
На основании обобщения этих исследований все глинистые породы можно разбить на пять классов, каждый из которых характеризуется определенным набором физико-химических и физико-механических свойств [5], определяющих и требования к буровым растворам.
Каждой глинистой породе определенной плотности соответствует точка на кривой уплотнения. Кривая уплотнения, характеризующая изменение плотности глинистой породы от нагрузки при ее формировании в условиях свободного от-жатия воды, называется кривой нормального уплотнения, а порода - нормально уплотненной (рис. 2).
Принимая во внимание критерий разуплотнения, были рассчитаны изменения степени разуплотнения по глубине залегания для глинистых пород, плотностью от 1,70 до 2,50 г/см3, т.е. для всех пяти классов пород, выделенных нами. □граничение интервала рассматриваемых глубин основано на практическом «потолке» бурения основного количества глубоких эксплуатационных и разведочных скважин
В.Н. КОШЕЛЕВ,
д.т.н., старший научный сотрудник, член ученого совета
ООО «Баулюкс»
torbur@mail.ru
М.С. ГВОЗДЬ,
первый заместитель генерального директора
Б.А. РАСТЕГАЕВ,
к.т.н., старший научный сотрудник, заместитель начальника технологического отдела по буровым растворам
В.А. УЛЬШИН,
начальник технологического отдела по буровым растворам
Т.Г. ФАТКУЛЛИН,
генеральный директор
ООО «НПО БентоТехнологии»
Рассмотрены
геохимические и
физико-химические
аспекты обеспечения
устойчивости
глинистых отложений
(особенно в сильно
искривленных
скважинах).
Представлены
сравнительные
материалы
исследований
ингибированных
буровых растворов,
предложены
количественные
характеристики
их ингибирующей
способности.
ш
Влажность общая
Табл. 1. Соотношение между критериями разуплотнения и градиентом порового давления
1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 Плотность глинистой породы, г/см3
Рис.1. Доля активной влажности в глинистой породе в зависимости от плотности
2 3 4 5 6 7 8 Глубина залегания глинистой породы, км
Рис. 2. Номограмма плотности нормально уплотненной глинистой породы в зависимости от возраста и глубины залегания
Если же формирование глинистой породы проходило в условиях затрудненного отжатия воды или полной изоляции, возрастающая нагрузка от веса вышележащих пород передается на поровую воду. В таких условиях образуется зона аномально высокого порового давления, а порода определяется как недоуплотненная.
За критерий величины разуплотнения принимают отношение фактической объемной плотности глины на данной глубине (а следовательно, и при определенной нагрузке) к плотности глинистой породы, нормально уплотненной при такой же нагрузке (глубине):
D = Рс / Рн, (1)
где с1 - критерий разуплотненности глинистой породы;
рс - фактическая объемная плотность глинистой породы на данной глубине, г/см3;
рн - объемная плотность нормально уплотненной глины для данной глубины залегания, г/см3.
Градации значения критерия, каждой из которых соответствует свой градиент порового давления, приведены в табл. 1 и на рис. 3.
Принимая во внимание критерий разуплотнения, были рассчитаны изменения степени разуплотнения по глубине залегания для глинистых пород плотностью от 1,70 до 2,50 г/см3, т.е. для всех пяти классов пород, выделенных нами. Ограничение интервала рассматриваемых глубин основано на практическом
Градация Величина критерия Градиент порового давления, МПа/м
1 1,00 - 0,95 0,0105 - 0,0125
2 0,949 - 0,90 0,0130 - 0,0145
3 0,899 - -0,85 0,0150 - 0,0165
4 0,849 - 0,80 0,0170 - 0,0185
5 0,799 -,75 и менее > 0,0190
«потолке» бурения основного количества глубоких эксплуатационных и разведочных скважин.
Определено, что сопротивление сдвигу у глинистых пород есть функция их плотности. При неконсолидированном состоянии породы оно выражается формулой:
тп^д ф (оп - он) + С, (2)
где ф - расчетный угол трения, равный углу наклона прямой в координатах от о к оси абсцисс; оп - нормальное давление, МПа; он - избыточное поровое давление, МПа; С - расчетное сцепление.
В зависимости от глубины погружения породы определенной плотности будет изменяться и сопротивление сдвигу. Чем больше порода разуплотнена, т.е. больше он и С, тем меньше тп
Регулировать величину сопротивления сдвига можно двумя путями: увеличивая противодавление в стволе скважины или уменьшая он за счет снижения влажности породы в зоне действия сдвиговых напряжений. Глубина зоны разрушения, как правило, не превосходит диаметра скважины [6], т.е.:
Х=1,7 Rскв. ~ 2 Rскв. (3)
Соответственно, чем больше радиус скважины, тем больше устойчивость. Таким образом, изменяя влажность глинистой породы в зоне разрушения, можно снижать негативные последствия вскрытия зоны аномально высокого порового давления. Такое утверждение справедливо только для пород, имеющих небольшой градиент порового давления. Процессы перераспределения давления, а следовательно, изменения влажности в глинистой породе идут с незначительной скоростью, порядка 110-9 см/сек, поэтому ликвидировать снижение сопротивлению сдвига только за счет осушения зоны разрушения
Растворы с поливалентными ингибиторами менее чувствительны к содержанию коллоидной глинистой фазы, что особенно характерно для растворов известковых. Соответственно, технология приготовления и регулирования таких систем проще, чем хлоркалиевых, потребные расходы реагентов - стабилизаторов меньше. Эти растворы так же незаменимы при проводке скважин в «кальциевых» разрезах, т.е. разрезах, в которых глинистые породы перемежаются с карбонатными.
Ликвидировать снижение сопротивлению сдвига только за счет осушения зоны разрушения невозможно. За счет осмотической силы раствора или предотвращения увлажнения можно лишь уменьшить величину необходимого противодавления на породу, особенно в тех случаях, когда величина сцепления в породе мала.
невозможно. За счет осмотической силы раствора или предотвращения увлажнения можно лишь уменьшить величину необходимого противодавления на породу, особенно в тех случаях, когда величина сцепления в породе мала.
Наиболее сложным представляется выбор оптимальной технологии проводки пологих (горизонтальных) скважин в зонах аномально высокого пластового давления (АВПД) как природных, так и техногенных. Когда ствол становится наклонным, различие между основными напряжениями, действующими перпендикулярно поперечному сечению, увеличивается, т.е. возрастает напряжение сжатия вокруг ствола скважины.
Определение геомеханических характеристик пластов выполняется в предположении, что массив пород можно считать упруго-пластичной сплошной средой. Упругие динамические характеристики основных слагающих пород (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига) определяются с использованием связи этих характеристик (для идеальной упругой сплошной среды) со скоростью распространения упругих продольных и поперечных волн. Горизонтальное минимальное напряжение является наиболее важным параметром, контролирующим состояние горных пород, а также развитие трещины, например, при ГРП. Напряжение контролирует ориентацию трещины по азимуту, вертикальный рост, давление в оборудовании при закачке, ширину и геометрию трещины.
Так, И.В. Доровских и А.А. Подъячев [7] для расчета минимальных горизонтальных напряжений, определяющих, в конечном итоге, устойчивость стенок скважины, предлагают использовать физико-математические модели Ривлина и Эриксена, а критерии устойчивости, - Друккера-Прагера и Мора-Кулона. Однако для корректных геомеханических расчетов потребен существенный информационный массив данных, например, характеристики давлений и векторы трещин при ГРП, профилеметрия, данные электронного микросканирования стенок методом MPAL на соседних скважинах. Для дост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.