Нарушение устойчивости стенок скважины происходит в результате наступле- ния предельного состояния в породах приствольной зоны.
Виды нарушений устойчивости и их негативные последствия можно классифи- цировать следующим образом (табл. 4.1): вскрытие естественных и образование но- вых трещин, кавернообразование, сужение ствола скважины, породопроявление, осыпание, обваливание и обрушение пород.
Таблица 4.1 – Виды нарушения устойчивости стенок скважины
| Виды нарушений | Вскрываемые породы и характер процессов | Последствия |
| 1. Вскрытие есте- ственных и обра- зование новых трещин | Породы с естественной трещиноватостью и любые породы при критических давлениях в скважине. | Поглощение, осыпи и обвалы. |
| 2. Образование каверн | Рыхлые слабосвязанные породы, подвергшиеся эрозионному воздействию (размыву) и осыпанию в условиях контакта с раствором и ударов бурко- лонны при вращении и проведении СПО. | Образование застойных зон в кавернах, потеря ствола, некачественное цементиро- вание. |
| 3. Сужение ство- ла скважины | Пластичные глины, ползучесть которых увеличи- вается при взаимодействии с фильтратом бурового раствора. | Уменьшение диаметра ствола, посадки, затяжки, заклинки колонн, обвалыи разрушение горныхпород. |
| 4. Породопрояв- ление | Высокопластичные глинистые породы под высо- ким давлением тектонического происхождения, соли. | Выдавливание бурильной колонны из скважины под- нимающейся вверх по ство- лу породной пробкой, рапопроявления. |
| 5. Осыпание пород | Малосвязанные, слоистые породы, разрушающиея и выпадающие в скважину под воздействием бу- рового раствора, колебания давления и температу- ры, флюидопроявления, поглощения, воздействие бурильной колонны на стенки скважины при вра- щении и выполнении СПО. | Прихваты бурильных и обсад- ных колонн, геофизических приборов, недоходы инстру- мента до забоя, рост каверн, сальникообразование. |
| 6. Обваливание пород | Рыхлые и перемятые породы в особенности с кру- тым углом залегания при глубоком проникнове- нии фильтрата или высокой начальной водонасыщенности. | Прихваты колонн и геофи- зических приборов, недо- ходы инструмента до забоя, рост каверн, потеря ствола и циркуляции. |
| 7. Обрушение пород | Любые породы за исключением высокопрочных; крутые углы падения пластов (до 75-90°); текто- нические нарушения; флюидопроявления; перед вскрытием пластов с АВПД. | Прихваты колонн, недоходы инструмента до забоя, рост каверн, сальникообразова- ние, забуривание нового ствола. |
Потенциальные размеры каверны, используя условие пластичности Губера- Мизеса-Генки, можно определить по формуле [22]:
R = 0, 61× r ×exp
где r – номинальный радиус скважины,м;
Рг - Рс
1,15 ×s т
, (4.1)
Pг – горное давление, Па;
Рс – гидравлическое давление в скважине, Па;
σ т – предел текучести породы при одноосном сжатии, Па.
Предельная область каверны формируется постепенно и по К. Хеферу опреде- ляется по формуле:
é æ t öù
R (t)= r +(R - r)×ê1-expç- t ÷ú, (4.2)
ë
где r – номинальный радиус скважины,м;
R – потенциальные размеры каверны, м;
è o øû
t – время нахождения ствола в необсаженном состоянии, сут.;
t 0 – время релаксации напряжения (согласно [72] t 0 = 10 сут.).
Скорость сужения скважин, представленных пластичными породами (глины,
соли), можно определить по формуле [22]:
V =(R - r)×æ ×s т ö, (4.3)
 |
ç
è
где r – номинальный радиус скважины,м;
R – потенциальные размеры каверны, м;
÷
2 ×h o ø
σ т – предел текучести породы при одноосном сжатии, Па;
η0 – пластическая вязкость породы при одноосном сжатии, Па.
В работе [66] представлена формула для определения минимально допустимой плотности бурового раствора с целью сохранения устойчивости стенок из условия, что давление в скважине равногидростатическому:
1 æ ö
r = ×çl P - ÷, (4.4)
min g × H ç г ÷
è ø
где g – ускорение свободного падения,м/с2;
Н – глубина, м;
λ – коэффициент бокового распора (λ = μ / (1 – μ); μ – коэффициент Пуассона;
τ – длительная прочность породы на сдвиг, Па;
Pг – горное давление, Па.
При отсутствии разрушения породы на стенке скважины можно найти верхнее значение плотности раствора:
где Pг – горное давление,Па;
rmax=
g × H
, (4.5)
σ т – предел текучести породы при одноосном сжатии, Па;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Н – глубина, м.
Однако, следует отметить, что в приведенных формулах (4.1-4.5) расчёт мини- мальной и максимальной плотности, размеров каверн и скорости сужения стенок за- труднён из-за недостаточности информации о прочностных и реологических характеристиках породы в реальных условиях скважины. Кроме этого, приведённые формулы применимы для определения условий устойчивости стенок идеализирован-
ной скважины, когда породы сплошные, изотропные, а физико-механическое взаимо- действие с буровым раствором отсутствует. Поэтому эти формулы рекомендуется применять в основном для качественного выбора направления регулирования техно- логических регламентов.