Дослідження і прогнозування стійкості стовбурів
горизонтальних свердловин баженовскіх відкладень, буря на депресії
Володимир Карєв, к.ф.-м.н., Юрій Коваленко, к.ф.-м.н.,
Юрій Кулініч, к.ф.-м.н., Інститут проблем механіки РАН, НДЦ «геомеханіки та
технологія »
Розширення
обсягів буріння горизонтальних свердловин (ГС) на депресії призводить до
виникнення цілого ряду не існували раніше проблем. Зокрема,
забезпечення стійкості стовбурів свердловин у продуктивних горизонтах і
перекривають їх відкладах при бурінні на депресії.
В
статті наведені результати дослідження даної проблеми, виконаного за
замовлення ВАТ «Сургутнефтегаз», стосовно до гірських порід баженовскіх
відкладень зі свердловин Ульяновського, Сихтинглорского і Каминского родовищ.
Привабливість
технології буріння свердловин на депресіях значною мірою обумовлена
можливістю одержувати мінімальне забруднення призабійної зони пласта частками
бурового розчину і тим самим зберігати її природну проникність. Разом з
тим при підтримці на вибої свердловини в ході її буріння тиску нижче
пластового на перший план виходять питання, пов'язані з деформацією і
міцністю гірських порід, стійкістю стовбурів свердловин і т.п. Основним
питанням, на яке потрібно відповісти перед початком проводки свердловини на
депресії, є питання про те, на якій максимальної депресії можна вести
буріння. Відповідь на це питання залежить від багатьох чинників - деформаційних і
міцнісних властивостей породи, її анізотропії механічних властивостей, напруг,
що виникають в околиці свердловини, геометрії свердловини, тиску на вибої
свердловини.
При
яскраво вираженої анізотропії міцнісних та деформаційних властивостей породи
найважливішим фактором є орієнтація свердловини щодо осей анізотропії
породи. Можлива ситуація, коли при всіх інших однакових технологічних
параметрах (тип бурового розчину, депресії на вибої свердловини, швидкості
проходки і т.д.) буріння на депресії вертикальних свердловин протікає без
ускладнень, а буріння горизонтальних або похилих свердловин становить велику
проблемою у зв'язку з втратою стійкості.
Щоб
відповісти на перелічені питання, недостатньо одних теоретичних
досліджень. Необхідно мати можливість визначати деформаційні і
міцнісні властивості порід для конкретних родовищ і конкретних умов
буріння свердловин, що можна зробити лише на відповідному експериментальному обладнанні.
Постановка завдання, попередні вимірювання і розрахунки
Мета
роботи - визначення величини депресії, при якій можлива втрата
стійкості горизонтальних стовбурів свердловин баженовскіх відкладень в процесі
буріння на депресії. Дослідження проводилися на унікальній експериментальної
установці Інституту проблем механіки РАН - Випробувальної системі тривісного
незалежного навантаження (ІСТНН), що дозволяє на зразках породи розміром 5х5х5
см відтворювати реальні напруги, що виникають в породі навколо свердловини в
процесі її буріння, освоєння та експлуатації, і дослідити їх вплив на
фільтраційні властивості породи. У процесі випробувань зразків вивчався характер
їх деформування, руйнування при моделюванні умов зростання депресії на
вибої свердловини. Попередньо були визначені швидкості розповсюдження
поздовжніх хвиль у досліджуваних породах в трьох взаємно перпендикулярних
напрямках.
В
процесі роботи на стенді випробувані за різними програмами тривимірним
навантаження 32 зразка породи з продуктивних горизонтів і перекривають їх
відкладень.
Як
відомо, до руйнування матеріалів призводять дотичні (зсувне) напруги.
При створенні депресії, наприклад у вертикальній НЕ обсадженій свердловині, в
порід, що складають стінки свердловини, відбувається такий перерозподіл
напруги, при якому напруги, що діють в радіальному напрямку на
стінці свердловини, зменшуються на величину депресії, кільцеві (тангенціальні)
напруги збільшуються, а напруги, що діють у вертикальному напрямку,
залишаються приблизно на тому ж рівні.
В
результаті при збільшенні депресії в породі навколо свердловини відбувається зростання
дотичних напружень, що в підсумку може призвести до її руйнування. Зміна
напружень в породі поблизу свердловини при зміні величини депресії для
різних варіантів конструкції забою показують розрахунки. У простих випадках
(відкритий стовбур свердловини) аналітичні, у більш складних (наявність обсадкі,
перфораційних отворів, щілин і т.п.) - чисельні, з використанням
тривимірних програм розрахунку напружено-деформованого стану. Знайдені
умови навантаження породи при зміні величини депресії для різних
варіантів конструкції вибою моделюються на зразках з кернового матеріалу з
допомогою випробувального стенду ІСТНН.
Для
складання програми навантаження зразків, що відповідає реальним напруг,
що виникають навколо ГС при створенні в ній депресій різного рівня,
необхідно вирішити два попередні завдання:
--
встановити вид анізотропії породи, оскільки від цього в разі горизонтальної
свердловини багато в чому залежать діючі навколо неї напруги;
--
визначити пружні модулі породи, що відповідають встановленим увазі анізотропії.
Для
визначення типу анізотропії породи були виміряні швидкості розповсюдження
поздовжніх хвиль у виготовлених зразках. Швидкості вимірювалися в трьох
взаємно-перпендикулярних напрямках: по осі керна і по двох осях в
горизонтальній площині. Виміри проводилися на спеціальній установці,
що представляє собою два датчики-генератора ультразвукових хвиль, між якими
встановлювався досліджуваний зразок. Для візуалізації результатів вимірювань
електричні сигнали з обох датчиків виводилися на осцилограф. Між
датчиками-генераторами пропускалися хвилі завдовжки 5 мм, частотою 1,25 МГц і
визначалося час проходження хвиль через зразок і затухання амплітуди
коливань.
Швидкості
розповсюдження поздовжніх хвиль в горизонтальній площині по осях 2 і 3
виявилися практично однаковими. Швидкість поширення поздовжніх хвиль у
вертикальному напрямку, тобто по осі 1, опинилася в 1,2-1,8 рази менше, ніж у
горизонтальному.
Отримані
результати дозволили зробити висновок, що досліджувана порода, по-перше, є
істотно анізотропної і, по-друге, за своїми властивостями близька до
трансверсально ізотропної середовищі, тобто середовищі, властивості якої в площині
Ізотропія (в даному випадку в горизонтальній площині) однакові, а в
вертикальному напрямку вздовж осі Ізотропія (осі керна) - відмінні.
В
час вимірювання швидкостей поздовжніх хвиль був отриманий ще один цікавий
результат: коефіцієнт затухання амплітуди хвиль у вертикальному напрямку був
дуже великим і перевершував коефіцієнт затухання амплітуди хвиль у
горизонтальному напрямку на порядки. Цей факт свідчить про значну
тріщинуватості породи в горизонтальному напрямку, тобто порода являє
собою свого роду «листковий пиріг». Про це ж свідчить і що спостерігалося
при виготовленні зразків дискування керна при різанні його алмазними колами,
оскільки наявність горизонтальної тріщинуватості призводить до значного
зниження міцності породи на зрушення в горизонтальних площинах.
Деформування
трансверсально-ізотропного пружного матеріалу характеризується п'ятьма
незалежними пружними константами:
--
E, E'-модулі Юнга в площині Ізотропія і перпендикулярно їй;
--
v, v'-коефіцієнти Пуассона у площині Ізотропія і перпендикулярно їй;
--
G'-модуль зсуву для будь-якій площині, перпендикулярній площині Ізотропія.
Для
визначення пружних властивостей породи були спеціально виготовлені 4 зразка - два
зразка з скв. № 3303 Сихтинглорского родовища і два зразки з скв. №
3304 Ульяновського родовища. Особливістю зразків, призначених для
визначення пружних модулів породи, є висока точність їх виготовлення:
непаралельність протилежних граней зразка не перевищувала 1-2 мкм.
Напруги
і деформації для трансверсально-ізотропного матеріалу з урахуванням розташування
осей зв'язані наступними рівняннями:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
, (6)
де:
