Исследование и прогнозирование устойчивости стволов горизонтальных скважин баженовских отложений, бурящихся на депрессии

СОДЕРЖАНИЕ: Привлекательность технологии бурения скважин на депрессиях в значительной мере обусловлена возможностью получать минимальное загрязнение призабойной зоны пласта частицами бурового раствора и тем самым сохранять ее природную проницаемость.

Владимир Карев, к.ф.-м.н., Юрий Коваленко, к.ф.-м.н., Юрий Кулинич, к.ф.-м.н., Институт проблем механики РАН, НИЦ «Геомеханика и технология»

Расширение объемов бурения горизонтальных скважин (ГС) на депрессии приводит к возникновению целого ряда не существовавших ранее проблем. В частности, обеспечения устойчивости стволов скважин в продуктивных горизонтах и перекрывающих их отложениях при бурении на депрессии.

В статье приведены результаты исследования данной проблемы, выполненного по заказу ОАО «Сургутнефтегаз», применительно к горным породам баженовских отложений из скважин Ульяновского, Сыхтынглорского и Камынского месторождений.

Привлекательность технологии бурения скважин на депрессиях в значительной мере обусловлена возможностью получать минимальное загрязнение призабойной зоны пласта частицами бурового раствора и тем самым сохранять ее природную проницаемость. Вместе с тем при поддержании на забое скважины в ходе ее бурения давления ниже пластового на первый план выходят вопросы, связанные с деформированием и прочностью горных пород, устойчивостью стволов скважин и т.п. Основным вопросом, на который следует ответить перед началом проводки скважины на депрессии, является вопрос о том, на какой максимальной депрессии можно вести бурение. Ответ на этот вопрос зависит от многих факторов — деформационных и прочностных свойств породы, анизотропии ее механических свойств, напряжений, возникающих в окрестности скважины, геометрии скважины, давления на забое скважины.

При ярко выраженной анизотропии прочностных и деформационных свойств породы важнейшим фактором является ориентация скважины относительно осей анизотропии породы. Возможна ситуация, когда при всех прочих одинаковых технологических параметрах (типе бурового раствора, депрессии на забое скважины, скорости проходки и т.д.) бурение на депрессии вертикальных скважин протекает без осложнений, а бурение горизонтальных или наклонных скважин представляет большую проблему в связи с потерей устойчивости.

Чтобы ответить на перечисленные вопросы, недостаточно одних теоретических исследований. Необходимо иметь возможность определять деформационные и прочностные свойства пород для конкретных месторождений и конкретных условий бурения скважин, что можно сделать лишь на соответствующем экспериментальном оборудовании.

Постановка задачи, предварительные измерения и расчеты

Цель работы — определение величины депрессии, при которой возможна потеря устойчивости горизонтальных стволов скважин баженовских отложений в процессе бурения на депрессии. Исследования проводились на уникальной экспериментальной установке Института проблем механики РАН — Испытательной системе трехосного независимого нагружения (ИСТНН), позволяющей на образцах породы размером 5х5х5 см воссоздавать реальные напряжения, возникающие в породе вокруг скважины в процессе ее бурения, освоения и эксплуатации, и исследовать их влияние на фильтрационные свойства породы. В процессе испытаний образцов изучался характер их деформирования, разрушения при моделировании условий роста депрессии на забое скважины. Предварительно были определены скорости распространения продольных волн в исследуемых породах в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

В процессе работы на стенде испытаны по различным трехмерным программам нагружения 32 образца породы из продуктивных горизонтов и перекрывающих их отложений.

Как известно, к разрушению материалов приводят касательные (сдвиговые) напряжения. При создании депрессии, например в вертикальной не обсаженной скважине, в породе, слагающей стенки скважины, происходит такое перераспределение напряжений, при котором напряжения, действующие в радиальном направлении на стенке скважины, уменьшаются на величину депрессии, кольцевые (тангенциальные) напряжения увеличиваются, а напряжения, действующие в вертикальном направлении, остаются примерно на том же уровне.

В результате при увеличении депрессии в породе вокруг скважины происходит рост касательных напряжений, что в итоге может привести к ее разрушению. Изменение напряжений в породе вблизи скважины при изменении величины депрессии для различных вариантов конструкции забоя показывают расчеты. В простых случаях (открытый ствол скважины) аналитические, в более сложных (наличие обсадки, перфорационных отверстий, щелей и т.п.) — численные, с использованием трехмерных программ расчета напряженно-деформированного состояния. Найденные условия нагружения породы при изменении величины депрессии для различных вариантов конструкции забоя моделируются на образцах из кернового материала с помощью испытательного стенда ИСТНН.

Для составления программы нагружения образцов, отвечающей реальным напряжениям, возникающим вокруг ГС при создании в ней депрессий различного уровня, необходимо решить две предварительные задачи:

— установить вид анизотропии породы, поскольку от этого в случае горизонтальной скважины во многом зависят действующие вокруг нее напряжения;

— определить упругие модули породы, отвечающие установленному виду анизотропии.

Для определения типа анизотропии породы были измерены скорости распространения продольных волн в изготовленных образцах. Скорости измерялись в трех взаимно-перпендикулярных направлениях: по оси керна и по двум осям в горизонтальной плоскости. Измерения проводились на специальной установке, представляющей собой два датчика-генератора ультразвуковых волн, между которыми устанавливался исследуемый образец. Для визуализации результатов измерений электрические сигналы с обоих датчиков выводились на осциллограф. Между датчиками-генераторами пропускались волны длиной 5 мм, частотой 1,25 МГц и определялось время прохождения волн через образец и затухание амплитуды колебаний.

Скорости распространения продольных волн в горизонтальной плоскости по осям 2 и 3 оказались практически одинаковыми. Скорость распространения продольных волн в вертикальном направлении, т.е. по оси 1, оказалась в 1,2-1,8 раза меньше, чем в горизонтальном.

Полученные результаты позволили сделать вывод, что исследуемая порода, во-первых, является существенно анизотропной и, во-вторых, по своим свойствам близка к трансверсально изотропной среде, т.е. среде, свойства которой в плоскости изотропии (в данном случае в горизонтальной плоскости) одинаковы, а в вертикальном направлении вдоль оси изотропии (оси керна) — отличны.

В ходе измерения скоростей продольных волн был получен еще один интересный результат: коэффициент затухания амплитуды волн в вертикальном направлении был очень большим и превосходил коэффициент затухания амплитуды волн в горизонтальном направлении на порядки. Этот факт свидетельствует о значительной трещиноватости породы в горизонтальном направлении, т.е. порода представляет собой своего рода «слоеный пирог». Об этом же свидетельствует и наблюдавшееся при изготовлении образцов дискование керна при резке его алмазными кругами, поскольку наличие горизонтальной трещиноватости приводит к значительному снижению прочности породы на сдвиг в горизонтальных плоскостях.

Деформирование трансверсально-изотропного упругого материала характеризуется пятью независимыми упругими константами:

— E, E— модули Юнга в плоскости изотропии и перпендикулярно ей;

— v, v— коэффициенты Пуассона в плоскости изотропии и перпендикулярно ей;

— G— модуль сдвига для любой плоскости, перпендикулярной плоскости изотропии.

Для определения упругих свойств породы были специально изготовлены 4 образца — два образца из скв. № 3303 Сыхтынглорского месторождения и два образца из скв. № 3304 Ульяновского месторождения. Особенностью образцов, предназначенных для определения упругих модулей породы, является высокая точность их изготовления: непараллельность противоположных граней образца не превышала 1-2 мкм.

Напряжения и деформации для трансверсально-изотропного материала с учетом расположения осей связаны следующими уравнениями:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

, (6)

где:

i, i— деформации и нормальные напряжения вдоль i-й оси, i=1,2,3;

ij, ij — деформации сдвига и касательные напряжения в соответствующих плоскостях;

— модуль сдвига для плоскости изотропии.

Для определения упругих констант каждый образец испытывался по трем программам нагружения. Задавая значения приращений напряжений и измеряя соответствующие приращения деформаций i , были определены значения упругих модулей Е, Е, v и v.

Испытания показали, что модули упругости Е вдоль вертикальной оси для всех образцов примерно в полтора раза ниже, чем модули упругости Е в горизонтальной плоскости, и составляют примерно 1,5-2.105 атм., а коэффициенты Пуассона примерно одинаковы и равны 0,14-0,20.

Более подробно методики измерения скоростей продольных волн в породе и определения ее упругих характеристик будут описаны в статье в одном из следующих номеров журнала.

Что касается пятой упругой константы — модуля G, то для его определения необходимо иметь возможность выпилить образец под углом 45° к оси изотропии, т.е. к оси скважины. Керн диаметром 80 мм, предоставленный для проведения исследований, не позволял этого сделать. Но поскольку величина G необходима для расчетов, то для ее задания были использованы результаты, приведенные в [1]. В ней собраны численные значения всех технических упругих констант для 47 различных горных пород (алевролиты, песчаники, известняки, сланцы и т.д.). Численные значения констант взяты из экспериментальных исследований разных авторов. Анализ этих данных позволил сделать следующий вывод. Хотя модуль G является независимой константой, для 45 пород (из 47) можно указать приближенную формулу, связывающую G с остальными упругими константами:

. (7)

Поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться значениями G, полученными из этой формулы.

Программы испытаний образцов

Одним из основных достоинств испытательного стенда ИСТНН является возможность воссоздания на нем истинных напряженных состояний, возникающих в породе в окрестности скважины, вблизи перфорационных отверстий, щелей и т.д., на любой стадии бурения, освоения и работы скважины.

Это в полной мере относится и к ГС, бурящимся в пластах с ярко выраженной анизотропией деформационных свойств породы. Однако подход к моделированию напряженно-деформированных состояний, возникающих вокруг ГС в трансверсально-изотропном пласте, значительно отличается от того, который обычно применяется для случая вертикальных скважин. Это связано с тем, что в случае вертикальной скважины все точки на ее контуре абсолютно идентичны с точки зрения действующих в них напряжений как для изотропного, так и для трансверсально-изотропного пласта. В горизонтальной же скважине дело обстоит иначе. Если в случае изотропного пласта действующие напряжения также постоянны по контуру скважины, то при наличии анизотропии напряжения существенно меняются по контуру скважины и зависят от упругих характеристик породы.

На рис. 1 схематично показано сечение горизонтальной не обсаженной скважины и действующие на стенках скважины радиальное R и кольцевое напряжения в двух точках M и N.

Радиальные напряжения R во всех точках по контуру скважины одинаковы и равны давлению жидкости в скважине. Кольцевые же напряжения будут меняться от точки к точке.

На рис. 2 показано распределение кольцевых напряжений вокруг горизонтальной скважины в трансверсально-изотропной среде, ось скважины параллельно плоскости изотропии [1]. При расчетах в соответствии с измеренными значениями модулей упругости образцов породы в вертикальном и горизонтальном направлениях полагалось, что модуль упругости породы в вертикальном направлении в 1,5 раза меньше модуля упругости в горизонтальном направлении. В качестве единицы на рис. 2 принята разность между величиной горного давления на данной глубине и значением давления жидкости в скважине. Изображенная на рис. 2 окружность представляет собой кольцевые напряжения , которые бы действовали в окрестности горизонтальной скважины, если бы пласт был изотропным. Из рис. 2 видно, что максимальные кольцевые напряжения действуют в точках M и N. Поэтому максимальные касательные напряжения, действующие в окрестности скважины и равные (-R)/2, также будут наибольшими в этих точках.

Поскольку разрушение породы происходит за счет действия касательных напряжений, на установке ИСТНН моделировались напряженные состояния именно в точках M и N, как наиболее опасных с точки зрения разрушения ствола скважины. Основное отличие при испытаниях образцов для точек M и N состояло в том, что в точке N напряжения действуют перпендикулярно плоскости напластования, а в точке M — параллельно ей. Соответственно должны располагаться в нагружающем узле ИСТНН и образцы породы во время испытаний.

При уменьшении давления жидкости в скважине радиальные напряжения R в точках M и N, равные давлению жидкости, будут также уменьшаться, а кольцевые напряжения будут расти, поскольку они пропорциональны разности между величиной горного давления и значением давления жидкости в скважине.

Соответствующая программа испытаний показана на рис. 3. Изображенные на нем напряжения (1, 2, 3 относятся к осям нагружающего узла ИСТНН, в которых по оси 2 напряжение всегда возрастает, т.е. напряжение 2 является так называемым параметром нагружения. Применительно к осям скважины напряжение 2 отвечает напряжению .

Этап 1. Образец обжимается равномерно со всех сторон до напряжения, равного разности между значением горного давления q и величины начального пластового давления Р0 (отрезок ОА). Точка А отвечает напряжениям, действовавшим в грунтовом скелете до бурения скважины.

Этап 2. На втором этапе нагружения (отрезки АВ) одна компонента напряжения 2, отвечающая напряжению , продолжает расти, вторая — 1, соответствующая горному давлению — остается постоянной, а третья — 3, соответствующая напряжению R — убывает. Конечная точка этапа (точка В) отвечает состоянию, когда скважина пробурена и заполнена жидкостью.

Этап 3. На третьем этапе моделируется процесс понижения давления в скважине (отрезки ВС). При этом напряжение 3 остается равным практически нулю, а напряжения 1 и 2 растут, но напряжение 1 растет медленнее. Третий этап является последним и продолжается до тех пор, пока образец не разрушится.

В ходе всего опыта измеряются деформации образца в трех направлениях.

Остановимся подробнее на определении значений напряжений, соответствующих различным точкам программы нагружения образцов. Напряжение 2, как указывалось выше, отвечает кольцевому напряжению , действующему на контуре скважины. Для горизонтальной не обсаженной скважины, пробуренной в трансверсально-изотропном пласте, это напряжение определяется на основании решения, приведенного в [1]. Величина напряжения и характер его изменения по контуру скважины зависят главным образом от упругих модулей породы. Для упругих констант E, E, , , определенных в результате испытаний, и модуля сдвига G, рассчитанного по формуле (7), как показали расчеты, действующие по контуру скважины напряжения практически совпадают с напряжениями , которые действуют на контуре горизонтальной не обсаженной скважины в изотропном пласте. Таким образом, для определения напряжений 1, 2, 3, отвечающих той или иной величине депрессии в скважине, можно с хорошей точностью использовать известное решение задачи Ламэ. Коротко это решение сводится к следующему.

Напряжения, действующие в грунтовом скелете, равны:

Si = i + P ,

где:

i — полные напряжения, обусловленные действием горного давления;

(i 0), P — давление нефти (P 0).

Их значения определяются соотношениями Ламэ:

(8),

где :

q — горное давление (q 0 ), Рс — давление в скважине, P (r) — давление на расстоянии r от скважины ( Р, Рс 0 ), Rс — радиус скважины, r — расстояние от оси скважины.

Касательные напряжения = 1/2 (SR — S) равны:

. (9)

Из (8) следует, что на стенке скважины, т.е. при r = Rс, напряжения равны:

(10).

Величина депрессии в скважине Рс связана с напряжением S, действующим на ее стенке, соотношением:

, (11)

где P0 — пластовое давление нефти.

Тогда в программе нагружения, изображенной на рис. 3, характерные точки соответствуют следующим значениям:

в точке А 1 = 2 = 3 = q + Р0 ;

в точке В 2 = 2 (q+Р0), 1 = q+Р0, 3=0, причем среднее напряжение s = (1+2+3)/3 на участке АВ сохранялось постоянным — это следует из соотношений (8);

на участке ВС, моделирующем увеличение депрессии, если образец не разрушался при максимально возможных депрессиях, осуществлялась разгрузка образца, причем точно в обратном порядке по отношению к нагружению образца.

Результаты испытаний образцов

Образцы породы, изготовленные из предоставленного кернового материала, были испытаны на ИСТНН по программе нагружения, описанной выше. При моделировании депрессии в скважине (участок ВС на рис. 3) шаг догружения образцов соответствовал увеличению депрессии в скважине на 25 атм. Часть образцов была испытана при Р0, равном гидростатическому давлению на данной глубине, а остальные образцы — при АВПД, равном 1,4 и 1,7.

Образцы ориентировались в нагружающем узле ИСТНН двумя способами: ориентация одних образцов соответствовала точке N на рис. 1, а других — точке M. Опыты показали, что образцы, ориентированные согласно точке N, деформировались практически упруго в ходе всего опыта, и их разрушение если и происходило, то лишь при очень больших депрессиях (150-200 атм.). В то же время образцы, ориентированные согласно точке М, зачастую начинали интенсивно деформироваться и разрушаться при низких депрессиях в 10 -25 атм. Яркий пример этому поведение близких образцов № 10 и № 12 скв. 3303 Сыхтынглорского месторождения (рис. 4,5). Образец № 10, ориентированный согласно точке N, практически не «полз» вплоть до создания больших депрессий, а ползучесть образца № 12 началась уже при небольших депрессиях порядка 25 атм.

Этому есть ясное физическое объяснение. Дело в том, что исследуемая порода помимо анизотропии по упругим характеристикам обладает также ярко выраженной анизотропией по прочностным свойствам: прочность породы в вертикальном направлении, т.е. перпендикулярно напластованию, в таких средах значительно ниже, чем в горизонтальном направлении, т.е. по напластованию. В точке М порода при понижении давления в скважине разгружается в вертикальном направлении, т.е. а направлении, в котором у нее прочность наименьшая. Кроме того, она при этом подвергается еще большему сжатию вдоль слоев кольцевым напряжением , что также способствует расслоению породы в вертикальном направлении. Именно такой вид разрушения породы и наблюдался в большинстве опытов. В точке N мы имеем иную картину. Порода здесь при понижении давления в скважине разгружается вдоль напластования, т.е. в направлении, в котором прочность породы максимальна. Более того, горизонтальные слои оказываются сжаты большими кольцевыми напряжениями , что также повышает сопротивляемость породы разрушению. В результате вблизи точки N даже при больших депрессиях разрушение породы не наступает.

Важнейшей характеристикой для прогнозирования устойчивости стволов скважины при бурении является скорость ползучести породы. Скорость ползучести — это деформация, накапливаемая породой в единицу времени при постоянной нагрузке. Ползучестью в той или иной мере обладают все горные породы, но обычно она бывает столь мала, что не вызывает осложнений при бурении и эксплуатации скважин. Однако есть породы, обладающие сильной ползучестью. В этом случае за достаточно непродолжительное время накапливаемая в породе деформация может достигать критического значения (предельной деформации), при котором начинается разрушение породы. С этой точки зрения все испытанные образцы можно разделить на две группы: примерно половину составили прочные образцы, которые даже под действием напряжений, отвечающих максимальным депрессиям (150-200 атм.), деформировались упруго без всяких признаков разрушения, а половину — слабые образцы, которые начинали интенсивно деформироваться («ползти») и разрушаться уже при низких нагрузках, отвечающих депрессиям 5 — 25 атм. В качестве примера на рис. 6 показаны результаты испытаний прочного образца, а на рис. 7 и рис. 8 — слабых образцов.

Заключение

Результаты испытаний образцов на установке ИСТНН показали, что бурение горизонтальных стволов на депрессии в баженовских отложениях с большой вероятностью может привести к потере устойчивости даже при минимальных депрессиях 5-25 атм.

Этот вывод в наибольшей степени обоснован для Ульяновского месторождения, поскольку для него была испытана достаточно представительная коллекция образцов. Для более обоснованных выводов по Камынскому и Сыхтынглорскому месторождениям требуется проведение дополнительных испытаний.

В ходе испытаний образцов была установлена существенная зависимость прочности породы от направления разгрузки по отношению к направлению плоскостей напластования. С этим явлением, вероятно, связано хорошо известное на практике влияние геометрии ствола скважины на устойчивость пород.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать важный вывод о том, что при бурении ГС на депрессиях роль деформационных и прочностных свойств пород, в которых ведется бурение, многократно возрастает по сравнению с обычными технологиями проводки скважин. Без знания таких характеристик пласта, как вид и степень его анизотропии, значение упругих и прочностных констант в разных направлениях, степень деформирования и ползучести породы при различных нагрузках и геометрии скважин невозможно выбирать оптимальные технологические параметры ведения работ, обеспечивающих устойчивость стволов скважин при бурении. Этот вывод в полной мере относится и к бурению наклонных скважин.

Список литературы

1. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М. Изд-во «Наука», 1977, с. 178.

Скачать архив с текстом документа