Исследование та прогнозування стійкості стовбурів горизонтальних свердловин баженовских відкладень, бурящихся на депресії

Исследование та прогнозування стійкості стовбурів горизонтальних свердловин баженовских відкладень, бурящихся на депрессии

Владимир Карев, к.ф.-м.н., Юрій Коваленка, к.ф.-м.н., Юрій Кулінич, к.ф.-м.н., Інститут проблем механіки РАН, НДЦ «Геомеханика і технология».

Расширение обсягів буріння горизонтальних свердловин (ГС) на депресії призводить до виникненню цілого ряду не дотеперішніх проблем. Зокрема, забезпечення стійкості стовбурів свердловин у продуктивних горизонтах і перекрывающих їх відкладеннях при бурінні на депресії.

В статті наведено результати дослідження цієї проблеми, виконаного по замовлення ВАТ «Сургутнафтогаз», стосовно гірським породам баженовских відкладень з свердловин Ульяновського, Сыхтынглорского і Камынского месторождений.

Привлекательность технології буріння свердловин на депресіях значною мірою обумовлена можливістю отримувати мінімальне забруднення призабойной зони пласта частинками бурового розчину і тим самим зберігати природну проникність. Разом з тим за підтримки на забої свердловини у її буріння тиску нижче пластового першому плані виходять питання, пов’язані з деформированием і міцністю гірських порід, сталістю стовбурів свердловин тощо. Основним питанням, який слід відповісти до початку проводки свердловини на депресії, є питання, який максимальної депресії може бути буріння. Відповідь це питання залежить від багатьох чинників — деформаційних і прочностных властивостей породи, анизотропии її механічних властивостей, напруг, що виникають у околиці свердловини, геометрії свердловини, тиску забої свердловини.

При яскраво вираженої анизотропии прочностных і деформаційних властивостей породи найважливішим чинником якого є орієнтація свердловини щодо осей анизотропии породи. Можлива ситуація, коли за всіх інших однакових технологічних параметрах (типі бурового розчину, депресії на забої свердловини, швидкості проходки тощо.) буріння на депресії вертикальних свердловин протікає без ускладнень, а буріння горизонтальних чи похилих свердловин представляє велику проблему у зв’язку з втратою стійкості.

Чтобы вирішити перелічені запитання, недостатньо одних теоретичних досліджень. Треба мати можливість визначати деформаційні і прочностные властивості порід для конкретних родовищ конкретних умов буріння свердловин, можна зробити тільки відповідному експериментальному устаткуванні.

Постановка завдання, попередні вимірювання, і расчеты

Цель роботи — визначення величини депресії, коли він можлива втрата стійкості горизонтальних стовбурів свердловин баженовских відкладень у процесі буріння на депресії. Дослідження проводили на унікальної експериментальної установці Інституту проблем механіки РАН — Випробувальною системі трехосного незалежного навантаження (ИСТНН), що дозволяє на зразках породи розміром 5×5×5 див відтворювати реальні напруги, що у породі навколо свердловини в процесі її буріння, освоєння і експлуатації, і досліджувати їхнього впливу фільтраційні властивості породи. У процесі випробувань зразків вивчався характер їх деформування, руйнації під час моделювання умов зростання депресії на забої свердловини. Попередньо було визначено швидкості поширення поздовжніх хвиль в досліджуваних породах у трьох взаємно перпендикулярних напрямах.

В процесі роботи з стенді випробувані різноманітні тривимірним програмам навантаження 32 зразка породи з продуктивних горизонтів і перекрывающих їх відкладень.

Как відомо, до руйнації матеріалів наводять касательные (сдвиговые) напруги. Під час створення депресії, наприклад, у вертикальної не обсадженій свердловині, в породі, слагающей стінки свердловини, відбувається таке перерозподіл напруг, у якому напруги, які у радіальному напрямку стінці свердловини, зменшуються на величину депресії, кільцеві (тангенціальні) напруги збільшуються, а напруги, які у вертикальному напрямі, залишаються приблизно у такому ж рівні.

В результаті зі збільшенням депресії в породі навколо свердловини відбувається зростання дотичних напруг, що врешті-решт можуть призвести до її руйнації. Зміна напруг у породі поблизу свердловини за зміни величини депресії для різних варіантів конструкції забою показують розрахунки. У простих випадках (відкритий стовбур свердловини) аналітичні, на більш складних (наявність обсадки, перфораційних отворів, щілин тощо.) — чисельні, з допомогою тривимірних програм розрахунку напружено-деформованого стану. Знайдені умови навантаження породи за зміни величини депресії щодо різноманітних варіантів конструкції забою моделюються на зразках з кернового матеріалу з допомогою випробувального стенда ИСТНН.

Для складання програми навантаження зразків, відповідає реальним напругам, які виникають навколо ГС під час створення у ній депресій різного рівня, потрібно вирішити дві попередні задачи:

— встановити вид анизотропии породи, оскільки від цього у разі горизонтальній свердловини великою мірою залежать діючі навколо напряжения;

— визначити пружні модулі породи, відповідальні встановленому виду анизотропии.

Для визначення типу анизотропии породи було виміряно швидкості поширення поздовжніх хвиль в виготовлених зразках. Швидкості вимірювалися у трьох взаємо-перпендикулярних напрямах: по осі керна і з двом осях в горизонтальній площині. Виміри проводилися спеціальному установці, що є два датчика-генератора ультразвукових хвиль, між якими встановлювався досліджуваний зразок. Для візуалізації результатів вимірів електричні сигнали з обох датчиків виводилися на осцилограф. Між датчиками-генераторами пропускалися хвилі довжиною 5 мм, частотою 1,25 МГц і визначалося час проходження хвиль через зразок і згасання амплітуди колебаний.

Скорости поширення поздовжніх хвиль горизонтальної площині по осях 2 і трьох виявилися практично однаковими. Швидкість поширення поздовжніх хвиль в вертикальному напрямі, тобто. по осі 1, опинилася у 1,2−1,8 рази менше, ніж у горизонтальном.

Полученные результати дозволили дійти невтішного висновку, що досліджувана порода, по-перше, є істотно анизотропной і, по-друге, за своїми властивостями близька до трансверсально ізотропного середовищі, тобто. середовищі, властивості якої у площині изотропии (у разі горизонтальної площині) однакові, а вертикальному напрямі вздовж осі изотропии (осі керна) — відмінні.

В ході виміру швидкостей поздовжніх хвиль була отримана ще один цікавий результат: коефіцієнт загасання амплітуди хвиль в вертикальному напрямку дуже великою перевершував коефіцієнт загасання амплітуди хвиль в горизонтальному напрямку порядки. Це свідчить про значної трещиноватости породи в горизонтальному напрямі, тобто. порода представляє собою свого роду «листковий пиріг». Про це свідчить і що спостерігалося під час виготовлення зразків дискование керна при краянні його алмазними колами, оскільки наявність горизонтальній трещиноватости призводить до значному зниження міцності породи на зрушення в горизонтальних плоскостях.

Деформирование трансверсально-изотропного пружного матеріалу характеризується п’ятьма незалежними пружними константами:

— E, E «— модулі Юнга у площині изотропии і перпендикулярно ей;

— v, v «— коефіцієнти Пуассона у площині изотропии і перпендикулярно ей;

— G «— модуль зсуву для будь-який площині, перпендикулярної площині изотропии.

Для визначення пружних властивостей породи були спеціально виготовлені 4 зразка — два зразка з вкв. № 3303 Сыхтынглорского родовища і двоє зразка з вкв. № 3304 Ульяновського родовища. Особливістю зразків, виділені на визначення пружних модулів породи, є висока точність їх виготовлення: непараллельность протилежних граней зразка не перевищувала 1−2 мкм.

Напряжения і деформації для трансверсально-изотропного матеріалу з урахуванням розташування осей пов’язані такими уравнениями:

(1).

(2).

(3).

(4).

(5).

, (6).

где:

?i, ?i— деформації і нормальні напруги вздовж i-го осі, i=1,2,3;

ij, ij — деформації зсуву і касательные напруги у плоскостях;

— модуль зсуву для площині изотропии.

Для визначення пружних констант кожен зразок випробовувався за трьома програмам навантаження. Ставлячи значення збільшень напруг ?? і вимірюючи відповідні збільшення деформацій ??i, було визначено значення пружних модулів Є, Є «, v і v » .

Испытания показали, що модулі пружності Є «вздовж вертикальної осі всім зразків приблизно півтора разу нижчі, ніж модулі пружності Є горизонтальної площині, і вони становлять приблизно 1,5−2.105 атм., а коефіцієнти Пуассона приблизно однакові і рівні 0,14−0,20.

Более докладно методики виміру швидкостей поздовжніх хвиль в породі та засобами визначення її пружних характеристик будуть описані у статті у одному з таких номерів журнала.

Что стосується п’ятої пружною константи — модуля G ", то тут для його визначення необхідно матимуть можливість випиляти зразок з точки 45° до осі изотропии, тобто. до осі свердловини. Керн діаметром 80 мм, наданий щодо досліджень, не дозволяв цього. Але оскільки величина G «необхідна для розрахунків, то на її завдання величезний багаж результатів, наведені у [1]. У ній зібрано чисельні значення всіх технічних пружних констант для 47 різних гірських порід (алевролиты, пісковики, вапняки, сланці тощо.). Чисельні значення констант взяті з експериментальних досліджень різних авторів. Аналіз цих даних дозволив дійти такого висновку. Хоча модуль G «є незалежною константою, для 45 порід (з 47) можна вказати наближену формулу, яка б пов’язала G «з іншими пружними константами:

. (7).

Поэтому надалі ми користуватися значеннями G ", отриманими з цього формулы.

Программы випробувань образцов

Одним з основних достоїнств випробувального стенда ИСТНН є можливість відтворення у ньому істинних напружених станів, що виникають у породі в околиці свердловини, поблизу перфораційних отворів, щілин тощо., про всяк стадії буріння, освоєння й досвід роботи свердловини.

Это повною мірою стосується й ГС, бурящимся в пластах із яскраво вираженої анізотропією деформаційних властивостей породи. Проте підхід до моделювання напряженно-деформированных станів, виникаючих навколо ГС в трансверсально-изотропном пласті, істотно відрізняється від цього, який зазвичай застосовується для випадку вертикальних свердловин. Це з тим, що у разі вертикальної свердловини всі крапки над її контурі абсолютно ідентичні з погляду які у них напруг як изотропного, так трансверсально-изотропного пласта. У горизонтальній ж свердловині справи інакше. Якщо у разі изотропного пласта діючі напруги також постійні по контуру свердловини, за наявності анизотропии напруги істотно змінюються по контуру свердловини і залежить від пружних характеристик породы.

На рис. 1 схематично показано перетин горизонтальній не обсадженої свердловини і які діють стінках свердловини радіальне ?R і кольцевое ?? напруги у двох точках M і N.

.

Радиальные напруги? R переважають у всіх точках по контуру свердловини однакові і рівні тиску рідини в свердловині. Кільцеві ж напруги ?? будуть змінюватися від точки до точки.

На рис. 2 показано розподіл кільцевих напруг ?? навколо горизонтальній свердловини в трансверсально-изотропной середовищі, вісь свердловини паралельно площині изотропии [1]. При розрахунках відповідно до измеренными значеннями модулів пружності зразків породи в вертикальному і горизонтальному напрямах потрібно було, що модуль пружності породи в вертикальному напрямі в 1,5 рази менше модуля пружності в горизонтальному напрямі. Як одиниці на рис. 2 прийнята різницю між величиною гірського тиску даної глибину та значенням тиску рідини в свердловині. Зображена на рис. 2 окружність є кільцеві напруги ??, які діяли у околиці горизонтальній свердловини, якби пласт був изотропным. З рис. 2 видно, що максимальні кільцеві напруги ?? діють у точках M і N. Тому максимальні касательные напруги, які у околиці свердловини й однакові (??-?R)/2, також будуть найбільшими у тих точках.

.

Поскольку руйнація породи відбувається поза рахунок дії дотичних напруг, на установці ИСТНН моделювалися напружені стану саме у точках M і N, як найнебезпечніших з погляду руйнації стовбура свердловини. Основне відмінність при випробуваннях зразків для точок M і N полягала у цьому, що у точці N напруги ?? діють перпендикулярно площині нашарування, а точці M — паралельно їй. Відповідно повинні розташовуватися в нагружающем вузлі ИСТНН і зразки породи під час испытаний.

При зменшенні тиску рідини в свердловині радіальні напруги? R в точках M і N, рівні тиску рідини, будуть також зменшуватися, а кільцеві напруги ?? зростатимуть, оскільки вони пропорційні різниці між величиною гірського тиску і значенням тиску рідини в скважине.

Соответствующая програма випробувань показано на рис. 3. Зображені у ньому напруги (?1, ?2, ?3 ставляться до осях нагружающего вузла ИСТНН, у яких по осі 2 напруга завжди зростає, тобто. напруга ?2 є так званим параметром навантаження. Що стосується осях свердловини напруга ?2 відповідає напрузі ??.

.

Этап 1. Зразок обжимается рівномірно зусебіч до напруги, рівного різниці між значенням гірського тиску q і величини початкового пластового тиску Р0 (відрізок ОА). Крапка, А відповідає напругам, що діяли грунтовом скелеті до буріння свердловини.

Этап 2. З другого краю етапі навантаження (відтинки АВ) одна компонента напруги ?2, відповідальна напрузі ??, продовжує зростати, друга — ?1, відповідна гірському тиску — залишається постійної, а третя — ?3, відповідна напрузі ?R — убуває. Кінцева точка етапу (точка У) відповідає стану, коли свердловина пробурена і заповнена рідиною.

Этап 3. На етапі моделюється процес зниження тиску в свердловині (відтинки ЗС). У цьому напруга ?3 залишається рівним практично нулю, а напруги ?1 і ?2 ростуть, але напруга ?1 зростає повільніше. Третій етап є і триває до того часу, поки зразок не разрушится.

В ході всього досвіду вимірюються деформації зразка у трьох направлениях.

Остановимся докладніше на визначенні значень напруг, відповідних різних точок програми навантаження зразків. Напруга ?2, як вказувалося вище, відповідає кільцевому напрузі ??, чинному на контурі свердловини. Для горизонтальній не обсадженою свердловини, пробуренной в трансверсально-изотропном пласті, ця плавна напруга визначається за рішенням, наведеного в [1]. Величина напруги ?? і характеру його по контуру свердловини залежить головним чином від пружних модулів породи. Для пружних констант E, E ", ?,? ", визначених у результаті випробувань, і модуля зсуву G ", розрахованого за такою формулою (7), як показали розрахунки, діючі по контуру свердловини напруги ?? практично збігаються з напругами ??, що діють на контурі горизонтальній не обсадженої свердловини в изотропном пласті. Отже, визначення напруг ?1, ?2, ?3, відповідальних тій чи іншій величині депресії в свердловині, можна із хорошою точністю використовувати відоме вирішення завдання Ламэ. Коротко це рішення зводиться до следующему.

Напряжения, які у грунтовом скелеті, равны:

Si = ?i + P ,.

где:

?i — повні напруги, зумовлені дією гірського давления;

(?i < 0), P — тиск нафти (P > 0).

Их значення визначаються співвідношеннями Ламэ:

(8),.

.

.

где :

q — гірниче тиск (q < 0), Рс — тиск у свердловині, P ® — тиск на відстані r свердловини (Р, Рс > 0), Rс — радіус свердловини, r — відстань від осі скважины.

Касательные напруги = ½ (SR — S?) равны:

. (9).

Из (8) слід, що у стінці свердловини, тобто. при r = Rс, напруги равны:

(10).

.

.

Величина депресії в свердловині ?Рс пов’язані з напругою S?, чинним їхньому стінці, соотношением:

, (11).

где P0 — пластовий тиск нефти.

Тогда у програмі навантаження, зображеною на рис. 3, характерні точки відповідають наступним значениям:

в точці А ?1 = ?2 = ?3 = q + Р0 ;

в точці У ?2 = 2 (q+Р0), ?1 = q+Р0, ?3=0, причому середнє напруга p. s = (?1+?2+?3)/3 дільниці АВ зберігалося постійним — це з співвідношень (8);

на ділянці ЗС, моделирующем збільшення депресії, якщо зразок не руйнувався при максимально можливих депресіях, здійснювалася розвантаження зразка, причому точно у порядку стосовно нагружению образца.

Результаты випробувань образцов

Образцы породи, одержані із наданого кернового матеріалу, було випробувано на ИСТНН за програмою навантаження, описаної вище. При моделюванні депресії в свердловині (ділянку ЗС на рис. 3) крок догружения зразків відповідав збільшення депресії в свердловині на 25 атм. Частина зразків випробували при Р0, рівному гидростатическому тиску на даної глибині, інші ж зразки — при АВПД, рівному 1,4 і 1,7.

Образцы орієнтувалися б у нагружающем вузлі ИСТНН двома шляхами: орієнтація одних зразків відповідала точці N на рис. 1, інших — точці M. Досліди показали, що зразки, орієнтовані відповідно до точці N, деформувалися практично пружно під час всього досвіду, та його руйнація як і відбувалося, лише при великих депресіях (150−200 атм.). У той самий час зразки, орієнтовані відповідно до точці М, найчастіше починали інтенсивно деформуватися і руйнуватися при низьких депресіях удесятеро -25 атм. Яскравим прикладом цьому поведінка близьких зразків № 10 і № 12 вкв. 3303 Сыхтынглорского родовища (рис. 4,5). Зразок № 10, орієнтований відповідно до точці N, мало «полз» до створення великих депресій, а повзучість зразка № 12 розпочалася вже при невеликих депресіях порядку 25 атм.

.

Этому є ясне фізичне пояснення. Річ у тім, що досліджувана порода крім анизотропии по пружним характеристикам володіє яскраво вираженої анізотропією по прочностным властивостями: міцність породи в вертикальному напрямі, тобто. перпендикулярно напластованию, в середовищах значно нижче, ніж у горизонтальному напрямі, тобто. по напластованию. У точці М порода при зниженні тиску в свердловині розвантажується в вертикальному напрямі, тобто. а напрямі, у якому в неї міцність найменша. З іншого боку, вона у своїй піддається ще більшого стиску вздовж верств кільцевим напругою ??, що також сприяє розшарування породи в вертикальному напрямі. Саме такою вид руйнації породи і зафіксований у більшості дослідів. У точці N маємо іншу картину. Порода тут при зниженні тиску в свердловині розвантажується вздовж нашарування, тобто. у бік, у якому міцність породи максимальна. Понад те, горизонтальні верстви виявляються стиснуті великими кільцевими напругами ??, що також підвищує опірність породи руйнації. Внаслідок чого поблизу точки N навіть за великих депресіях руйнація породи не наступает.

.

Важнейшей характеристикою для прогнозування стійкості стовбурів свердловини при бурінні є швидкість повзучості породи. Швидкість повзучості — це деформація, яка накопичується породою в одиницю часу при постійної навантаженні. Ползучестью в тій чи іншій мері мають все гірські породи, але вона буває настільки мала, що ні викликає ускладнень під час бурінні і експлуатації свердловин. Але є породи, які мають сильної ползучестью. І тут за досить недовго яка накопичується в породі деформація може становити критичної позначки (граничною деформації), у якому починається руйнація породи. З цього погляду випробувані зразки можна розділити на дві групи: приблизно половину склали міцні зразки, що навіть під дією напруг, відповідальних максимальним депресій (150−200 атм.), деформувалися пружно без будь-яких ознак руйнації, а половину — слабкі зразки, котрі починали інтенсивно деформуватися («повзти») і руйнуватися вже за часів низьких навантаженнях, відповідальних депресій 5 — 25 атм. Як приклад на рис. 6 показані результати випробувань міцного зразка, але в рис. 7 і рис. 8 — слабких образцов.

.

.

.

Заключение

Результаты випробувань зразків на установці ИСТНН показали, що буріння горизонтальних стовбурів на депресії в баженовских відкладеннях запросто може призвести до втрати стійкості навіть за мінімальних депресіях 5−25 атм.

Этот висновок найбільше обгрунтований для Ульяновського родовища, оскільки йому випробували досить поважна колекція зразків. Для більш обгрунтованих висновків по Камынскому і Сыхтынглорскому родовищам потрібне проведення додаткових испытаний.

В ході випробувань зразків було встановлено істотна залежність міцності породи від напрямку розвантаження стосовно напрямку площин нашарування. З цією явищем, мабуть, пов’язано добре відома практично вплив геометрії стовбура свердловини на стійкість порід.

Результаты проведених досліджень дозволяють зробити істотний висновок у тому, що з бурінні ГС на депресіях роль деформаційних і прочностных властивостей порід, у яких ведеться буріння, багаторазово зростає проти звичайними технологіями проводки свердловин. Без знання таких характеристик пласта, як вигляд і ступінь його анизотропии, значення пружних і прочностных констант у різних напрямах, ступінь деформування і повзучості породи що за різних навантаженнях і геометрії свердловин неможливо вибирати оптимальні технологічні параметри ведення робіт, які забезпечують стійкість стовбурів свердловин при бурінні. Такий висновок у повній мері стосується й бурінню похилих свердловин.

Список литературы

1. Лехницкий С. Г. Теорія пружності анизотропного тіла. М. Вид-во «Наука», 1977, з. 178.