Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРИСКВАЖИННОЙ ЗОНЕ

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для предупреждения осложнений при строительстве глубоких скважин в соленосных отложениях.

Целью изобретения является повышение эффективности бурения и крепления глубоких скважин в условиях пластического течения соленосных пород.

При вскрытии горного массива под действием горного давления в околоскважинном пространстве возникают напряжения, изменяющие физико-механическое состояние горных пород. Превышение напряжений на контуре скважины над прочностными свойствами механически неустойчивых разновидностей соленосных пород вызывает их неупругую деформацию в виде пластического течения. При строительстве скважин с текучестью соли связаны осложнения в виде посадок и прихватов бурового инструмента в процессе бурения и деформации обсадных технических колонн в период дальнейшего углубления скважин до проектной глубины.

В условиях сложной соляной тектоники на юге Оренбургской области соленосные отложения имеют изменчивую мощность от нескольких десятков и сотен метров при моноклинальном залегании до 5000 метров в куполе. Неустойчивыми являются калийсодержащие соли (сильвинит, карналит, бишофит), как наиболее пластичные, которых в разрезе может быть несколько интервалов. В таких горно-геологических условиях для обеспечения условий безаварийной проводки и крепления стволов скважин в соленосном разрезе требуется применение эффективных технологических мероприятий по обеспечению устойчивости ствола за счет снижения напряжений в околоскважинном пространстве.

Известен способ предупреждения смятия обсадных колонн скважин в зоне пластической деформации солей [1], который заключается в предварительном закреплении ствола скважины путем селективной установки дополнительных колонн-«хвостовиков». Данный способ применяют в интервалах солей, пластическая деформация которых соответствует условию, когда экспериментально определенное критическое давление текучести породы не превышает геостатическое и в период времени, также определяемый экспериментально с учетом текущего пластового давления, прогнозной критической депрессии пластового флюида и градиента суточного пластового давления при отборе флюида.

Недостатком данного способа является трудоемкость реализации, особенно при наличии в разрезе скважины нескольких интервалов залегания текучих пород. Измеренные критические давления текучести пород в лабораторных условиях экспериментальным путем на образцах кернового материала из интервалов возможных деформаций и особенно на образцах керна аналогичного типа пород из других объектов снижают точность выявления зон пластической деформации соли и определения времени спуска обсадных колонн.

Известен способ проводки скважин в пластичных горных породах [2], в соответствии с которым крепление ствола скважин обсадными колоннами осуществляют после достижения расчетной релаксации напряжения во времени, отсчитываемого от момента вскрытия солей. Бурение в заданном интервале осуществляют с применением бурового раствора минимально допустимой плотности, при которой отмечается деформация пластичных горных пород. Релаксацию напряжений определяют путем периодического измерения деформации ствола скважины методом профилеметрии.

Недостатком данного способа являются значительные затраты времени за счет простоя скважины в процессе определения релаксации напряжения, по истечении которого возможен спуск колонны. В соответствии с данным способом расчетное время до спуска обсадной колонны, например, для обсадной колонны 299 мм для условий соляной толщи на глубине 2800 м составляет 200 суток.

Известны методы разгрузки прискважинной зоны, применяемые в горном деле для управления газодинамическими процессами (например, а.с. RU 2199014 С1) и нефтепромысловой промышленности для повышения продуктивности горных пород-коллекторов (например, а.с. RU 2074957 С1, RU 2183733). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, а именно, снижению напряженного состояния околоскважинного пространства, является способ, направленный на увеличение проницаемости пород-коллекторов [3]. Основой этой технологии является снижение касательных напряжений, возникающих вокруг скважины за счет горного давления, путем создания вдоль оси скважины разгрузочных щелей на всю мощность продуктивного пласта.

Ограничением данного способа щелевой разгрузки прискважинной зоны является его целевая направленность на решение нефтепромысловых задач, а именно получение максимальной по гидродинамическим условиям отдачи пласта путем повышения проницаемости продуктивных пластов за счет выхода полости щели за пределы зоны действия касательных напряжений и зоны глинизации. Для реализации этого способа требуется получение максимальной глубины щели до 2-3 D_скв и более, что представляет собой сложную техническую задачу. Данный способ не направлен на предотвращение осложнений при бурении скважин, связанных с потерей устойчивости ствола скважин за счет неупругой деформации пород, характерной для пластичных пород.

Сущность предложенного способа повышения устойчивости соляных пород в прискважинной зоне заключается в создании условий, препятствующих развитию пластических деформаций на контуре скважины за счет перемещения напряжений из прискважинной зоны в ненарушенный массив породы с хорошей несущей способностью. Для этого создают разгрузочную щелевую выработку в стенке скважины, ориентированную перпендикулярно действующим сжимающим напряжениям в горном массиве. Разрушение горной породы при щелевой разгрузке пласта осуществляется известным способом при помощи гидропескоструйной перфорации за счет воздействия струи рабочей жидкости на породу в процессе фиксированного перемещения перфоратора вдоль вертикальной оси скважины. Глубина щелевой выработки рассчитывается с учетом физико-механических свойств соли (предел пластичности) и величины действующих горных напряжений (вертикального геостатического и бокового горного), определяемых геофизическими исследованиями, и определяется величиной предельной области в околоскважинном пространстве, в зоне которой разность главных напряжений превышает предел текучести соли. Таким образом, создание щелевого выреза обеспечивает снижение кольцевых сжимающих напряжений в прискважинной зоне в области неупругих деформаций и преобразование их в область упругих.

Цель достигается следующим образом. Из анализа зависимостей, характеризующих напряженное состояние массива пород вокруг скважинной выработки [Лехницкий С.Г., 1948]:

где σ_z, σ_r, σ_θ- соответственно вертикальная, радиальная и тангенсальная составляющие напряжений, кг/см²;

P_б=λγ_n Н - горное давление, кг/см²;

Р_p=γ_жН - гидростатическое давление столба бурового раствора, кг/см²;

λ=ν/(1-ν) - коэффициент бокового распора;

ν- коэффициент Пуассона;

r - радиус скважины, см;

R - текущая координата, см;

следует, что кольцевые напряжения имеют наибольшее значение на контуре ствола и по мере удаления от скважины уменьшаются до величины напряжения в нетронутом горном массиве; радиальные напряжения по мере удаления от скважины увеличиваются от значений на контуре ствола, равных давлению столба бурового раствора, до величины напряжения в нетронутом горном массиве. Разность между главными напряжениями Δσ является максимальной на контуре ствола скважины и когда действующие напряжения превысят предел прочности соли, деформация примет характер пластического течения, образуя предельную область 2, которая начинается со стенок скважины (область 1) и ограничивается областью упругих деформаций 3 (чертеж). Радиус предельной области R_пр соответствует границе, при которой разность между главными напряжениями из системы уравнений (1) будет равно пределу текучести соли:

где σ_с - предел текучести соли при сжатии, кг/см².

Для снижения напряжений на контуре скважины до величины, не превышающей предел пластичности соли, создают вертикальную разгрузочную щелевую выработку глубиной, соответствующей размерам предельной области (чертеж). Эти полости создают в интервалах механически неустойчивой соли - а (б - интервалы плотных пород). Экспериментально установлено, что в образцах каменной соли за несколько десятков часов напряжение релаксирует в интервале λ=0,67-0,93 [Войтенко B.C., 1985]. При определении радиуса предельной области принимается среднее значение λ=0.8. Предел пластичности соли, например для условий глубоких скважин на юге Оренбургской области, составляет 238 кг/см². Таким образом, для скважин глубиной 3000 м радиус предельной области составляет 1.26 радиуса скважины (r). При создании щелевой выработки размыв стенок скважин от контура ствола в глубь массива составляет 7.7 см.

Контроль за эффективностью работ осуществляют по изменению действующих напряжений в околоскважинном пространстве по параметрам упругости пород, например коэффициенту Пуассона, определяемому геофизическими исследованиями на основе метода широкополосного акустического каротажа АКШ по соотношению скоростей продольной и поперечной волн (Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л., 1978):

где ν - коэффициент Пуассона,

Vp - скорость продольной волны, м/сек,

Vs - скорость поперечной волны, м/сек.

Таким образом, предложенный способ повышения устойчивости горных пород в прискважинной зоне отличается принципиально новым целевым назначением в области безаварийной проводки глубоких скважин в соленосных отложениях, осуществим известными техническими средствами и обеспечивает достижение поставленной цели - повышение эффективности бурения и крепления глубоких скважин в интервалах залегания солей, склонных к пластической деформации.

Экономическая эффективность предложенного способа при решении проблемы осложнений при строительстве глубоких скважин в соленосных отложениях обусловлена высокой технологичностью, наименьшими затратами материальных средств и времени за счет создания разгрузочной щели меньшей глубинности в сравнении с аналогами.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1224400 А1, кл. 6 E 21 B 14/00, 1986.

2. Авторское свидетельство СССР № 1404639 A1, кл. 4 E 21 B 33/14, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР № 1369379 A1, кл. 6 E 21 B 43/25, 1996.