ЛЕКЦИЯ 15
Влияние забойных условий на разрушение
Горных пород при бурении
Влияние гидростатического давления
……………………………..
Влияние гидродинамического давления
Гидродинамическое давление жидкости на забой скважины P з определяется суммарным действием гидростатического давления P г = rжgH и потерями давления в кольцевом пространстве DPкп, возникающими при циркуляции промывочной жидкости в скважине:
Pз = rжgH + DPкп.
Давление P з препятствует развитию магистральной трещины, т.к. прижимает консоль к забою. Разделив левую и правую части записанного выражения на величину gH, формуле можно придать иной вид:
rэкв = rж + DPкп / gH.
Эта формула показывает, что увеличение гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве эквивалентно возрастанию плотности промывочной жидкости. Такое возрастание плотности может произойти с увеличением производительности циркуляции (интенсивности промывки). Особенно это заметно при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному. Величина D P кп может измениться при этом на 2 МПа и даже более. Это давление мало по сравнению с величиной гидростатического давления столба промывочной жидкости, но оно может оказать решающее влияние на снижение механической скорости бурения, когда гидростатическое и пластовое давления близки по величине. Этого может оказаться достаточно для того, чтобы механическая скорость бурения уменьшилась на 50 – 100 %. Таким образом, плотность промывоч-ной жидкости не является единственным параметром, изменение которого может привести к существенному изменению гидростатического давления Pг и давления жидкости на забой P з.
Имеющиеся данные однозначно свидетельствуют о том, что рост давления жидкости на забой приводит к уменьшению механической скорости бурения, если остальные условия сохраняются неизменными. Снижение гидростатического давления обеспечивается использованием аэрированных (газированных) жидкостей, воздуха, дискретным или плавным изменением плотности промывочной жидкости. Однако следует помнить, что достижение максимальной механической скорости бурения не является целью бурения. Наблюдающееся увеличение или уменьшение механи-ческой скорости бурения, происходящее при изменении плотности промывочной жидкости, чаще всего является сопутствующим результатом, главной же целью введения химреагентов в буровой раствор, изменяющих плотность раствора, является предупреждение аварий.
Влияние дифференциального давления
При разбуривании проницаемых горных пород необходимо учитывать влияние дифференциального давления Рдиф на разрушение
Рдиф = P з - P пл,
где P з - давление жидкости на забой,
P пл - пластовое (поровое) давление.
Формула показывает, что на процесс отламывания консоли влияет перепад давления между скважиной и пластом. Величина дифференци-ального давления на забое скважины определяется плотностью промывоч-ной жидкости и гидравлическими сопротивлениями в кольцевом прост-ранстве: чем ниже эти величины, тем меньше дифференциальное давление.
Процесс углубления забоя скважины может происходить при положительном дифференциальном давлении D Р = P з - P пл > 0 (репрессия), при равновесном давлении D Р = 0 или P з = P пл и при несбалансированном давлении на забое P з < P пл (депрессия). В последнем случае дифференциальное давление называют отрицательным.
При разрушении проницаемых горных пород фильтрат бурового раствора проникает в горную породу забоя и изменяет величину давления в порах. В этом случае выражение для дифференциального давления принимает вид Рдиф = P з - P р, где P р - давление жидкости на глубине разрушения. По этой причине для улучшения разрушения горной породы долотом необходимо стремиться к увеличению показателя фильтрации промывочной жидкости и к уменьшению толщины фильтрационной корки. Такое требование выполняется при бурении непроницаемых пород: в этом случае фильтрат бурового раствора не в состоянии изменить величину давления поровой жидкости. Это объясняет тот факт, что именно при разбуривании проницаемых горных пород дифференциальное давление имеет более выраженное влияние на разрушение.
Влияние дифференциального давления на разрушение породы на забое проявляется в следующем:
▪ при положительном дифференциальном давлении в результате прижатия частиц разрушенной горной породы к забою скважины за-трудняется промывка забоя. Это приводит к неоднократному перемалыванию уже разбуренной породы;
▪ при отрицательном дифференциальном давлении задача отрыва частиц шлама от поверхности забоя решена: забой очищает себя самостоятельно;
▪ положительное дифференциальное давление способно существенно упрочнить горные породы, слагающие поверхность забоя, вследствие того, что разность давлений (P з - P пл) приводит к появлению сжимающих напряжений. Для разрушения горной породы при положительном дифференциальном давлении необходимо увеличивать контактное давление Р к = F/S. Практика бурения показывает, что чем меньше вязкость и больше показатель фильтрации промывочной жидкости, тем скорее выравнивается давление в зоне разрушения и меньше сказывается негативное влияние положительного дифференциального давления на разрушение горных пород;
▪отрицательное дифференциальное давление, наоборот, разупрочняетгорную породу забоя: разность давлений (P з - P пл) приводит к появлению растягивающих напряжений в скелете горной породы. При бурении с отрицательным дифференциальным давлением лучше использовать растворы с нулевой фильтрацией, образующие непроницаемый кольматационный слой на стенке скважины.
Эмпирическое уравнение, связывающее величину механической скорости с дифференциальным давлением, имеет вид
V мех = Vоe-k(Pз - Pпл),
где V о = V мех при P з = P пл, k - экспериментальная постоянная.
Если разницу (P з - P пл) поддерживать постоянной, то механическая скорость не будет меняться. Согласно промысловым данным, увеличение дифференциального давления от 0 до 7,0 МПа во многих случаях сопровождалось снижением механической скорости на 24 – 73 %. Причем вид этой зависимости может быть как прямолинейным, так и криволинейным.
Имеются данные, свидетельствующие о том, что степень влияния дифференциального давления на механическую скорость проходки зависит от осевой нагрузки на долото: с увеличением осевого усилия зависимость механической скорости от дифференциального давления становится более существенной. Это связано с большим повреждением горной породы забоя при внедрении в него породоразрушающих элементов вооружения долота под действием большего усилия.
Дифференциальное давление может резко измениться при проводке скважин через зоны с аномально высоким и аномально низким пластовым давлением: в первом случае произойдет увеличение механической скорости бурения, а во втором - уменьшение V мех. Подчеркнем, что при разбуривании горных пород в зонах с АВПД возможно достижение больших механических скоростей бурения и при использовании утяжеленных буровых растворов.
При бурении скважин встреча с аномально высоким пластовыми давлением может быть устанавлена, в частности, по следующим признакам:
1.Самопроизвольное постоянное увеличение механической скорости бурения.
Когда скважина входит в область залегания горных пород с аномально высоким пластовым давлением, то при постоянной плотности бурового раствора силы, удерживающие частицы шлама на забое снижаются по мере роста порового давления. В этих условиях возникает самопроизвольное постоянное увеличение механической скорости бурения, что является признаком внедрения скважины в зону АВПД с постоянным возрастанием порового давления. При быстром росте аномальности давления возможно и резкое увеличение механической скорости: “скачок проходки”. “Скачок проходки” следует рассматривать как признак возможного проявления (при возрастании механической скорости более чем в два раза).
Существенное увеличение механической скорости бурения вследствие улучшения условий очистки забоя от шлама наблюдается после того, как перепад давления между скважиной и пластом становится меньше 3,5 МПа. Когда давление в скважине превышает поровое более, чем на 3,5 МПА, то признаки АВПД подавляются и механическая скорость бурения уже не может служить индикатором высокого порового давления, особенно в условиях небольшой аномальности давления и высоких значений плотности раствора.
2. Изменение вращающего момента долота и нагрузки на крюке.
Если перепад давления направлен в сторону скважины, то глинистая горная порода будет выдавливаться в ствол. Уменьшение диаметра скважины, происходящее при неизменных частоте вращения и осевого усилия контролируется увеличением вра-щающего момента и нагрузки на крюке. Отмечается, что увеличение вращающего момента становится заметно при перепаде давления, равном 0,12 г/см3 эквивалентной плотности бурового раствора, увеличение нагрузки до 150 кН является признаком значительного превышения порового давления над забойным.
3. Увеличение количества шлама на вибросите.
При вхождении скважины в область аномального порового давления улучшается отделение частиц шлама от поверхности забоя. Это способс-твует тому, что не просходит вторичного разрушения частиц шлама. По этой причине на вибросите появляется не только увеличенное количество шлама, но и размер частиц шлама больший.
По сложившейся практике бурение рекомендуется вести при положительном дифференциальном давлении с разницей P з - P пл = 0,1¸0,15 МПа.
Новые технологии бурения позволяют вести бурение при отри-цательном дифференциальном давлении. Бурение на депрессии требует от буровиков четкого представления о том, что происходит на забое. Первым условием, которое необходимо выполнить при бурении скважин с отрицательным дифференциальным давлением, является качественное разобщение скважины и пласта. Это достигается управляемой кольма-тацией – искусственным разделением скважины и пересекающих ее пластов горных пород.
Достижение условия P з < P пл обеспечивается постепенным сни-жением плотности циркулирующей промывочной жидкости rэкв.