СПОСОБ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ОКОЛОСКВАЖИННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Изобретение относится к горному делу и предназначено для снижения напряжений, действующих в околоскважинном пространстве.

Целью изобретения является предотвращение деформации стенок скважин при пластическом течении соли путем снижения напряжений в околоскважинном пространстве на больших глубинах.

В практике бурения скважин известен способ предотвращения осложнений в неустойчивых отложениях, связанных с деформацией стенок скважин, основанный на снятии напряжений в околоскважинном пространстве путем бурения пилот-ствола меньшего диаметра с последующим его расширением до проектного диаметра [1].

Недостатком данного способа являются значительные затраты времени на проводку скважины и сложность технологии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения напряжений в горном массиве, который заключается в расширении полости скважины в обе стороны и определении величины условно мгновенного отжатия щели, по которому судят о величине напряжения в горном массиве [2].

Недостатком данного способа являются сложность осуществления работ при создании предлагаемых направленных щелей для условий соленосных отложений на больших глубинах (до 5000-6000 м) нефтегазовых скважин с высокими термобарическими условиями. В данном способе не раскрыта сущность технологии расширения полости скважин в обе стороны с применением «специальных устройств», достаточная для повторения.

Сущность предлагаемого способа снижения напряжений в околоскважинном пространстве заключается в разгрузке зон подвижной соли от вертикального горного давления путем направленного создания круговых каверн в стенках скважины над потенциально опасным пластами соли, наличие и местонахождение которых в бурящейся скважине устанавливают по комплексу геолого-геофизических данных для каждого нефтегазового месторождения известными способами (например, RU 2243371 C1, RU 2249688 C1, RU 2273731 C1).

Поставленная цель достигается следующим образом.

Из анализа зависимостей, характеризующих напряженное состояние массива пород вокруг скважинной выработки (Лехницкий С.Г. Определение напряжений в упругом изотропном массиве вблизи вертикальной цилиндрической выработки круглого сечения // Изв. АН СССР. Сер. Технические науки. - 1948. - Вып.7.):

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

P_б=λγ_nH - горное давление, кг/см²;

Р_p=γ_жН - гидростатическое давление столба промывочной жидкости, 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 промывочной жидкости, 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 некоторую предельную область (а), которая начинается со стенок скважины (фиг.1). Радиус предельной области Rnp в массиве соли (б) соответствует границе, при которой разность между главными напряжениями из системы уравнений (1) будет равна пределу текучести соли:

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

В формировании действующих напряжений на контуре ствола скважины определяющее значение имеет вертикальное горное давление. Поэтому для снижения напряжений до величины, не превышающей предел пластичности соли, направленно создают круговые каверны, снижающие влияние вертикального горного давления в пространстве около ствола скважины радиусом, равным размерам предельной области R=Rnp. Эти каверны создают в механически устойчивых пластах соли над потенциально опасными пластами соли (в). Экспериментально установлено (Войтенко B.C. Управление горным давлением при бурении скважин. М.: Недра, 1985), что в образцах каменной соли за несколько десятков часов напряжение релаксирует в пределах λ=0.67-0.93. При определении радиуса предельной области принимается среднее значение λ=0.8. Предел пластичности соли для условий глубоких скважин на юге Оренбургской области составляет 238 кг/см² (Терентьев В.Д. Проблемы бурения скважин в сложных горно-геологических условиях юга Оренбургской области // Геологическое строение и нефтегазоносность Оренбургской области. - Оренбург: Оренбургское книжное издательство, 1997). Например, для скважинных условий: глубина - 3000 м, диаметр - 295 мм, плотность промывочной жидкости γ_ж=1.33 г/см³, средняя плотность вышележащих горных пород γ_n=2.3 г/см³, радиус создаваемых каверн составляет R=1.26 г. Необходимый дополнительный размыв стенок скважин от контура ствола в глубь массива при этом составляет 7.7 см.

Дополнительные круговые направленные каверны на заданной глубине создаются с применением породоразрушающего инструмента, например бурового трехшарошечного долота с боковой системой промывки. За счет специальной конструкции таких долот промывочная жидкость направляется на периферийную часть забоя в сторону от оси долота, обеспечивая ускоренную проходку, а в соленосных отложениях снижает интенсивность размыва стенок скважин. Важным элементом здесь является фактор времени и суммарный объем потока промывочной жидкости, приходящийся на участок массива породы на единицу глубины. В отличие от известной технологии бурения, где цель - размыв породы на забое скважины с щадящим режимом бурения для технического состояния стенок скважин, в предлагаемом способе производят дополнительный размыв стенок на заданной глубине. Для обеспечения интенсивного размыва стенок скважины с образованием направленных каверн положение долота выдерживают на заданной глубине выше нормативного времени с поддержанием потока жидкости в промывочной системе. Радиус создаваемых каверн равен величине предельной области в околоскважинном пространстве, в зоне которой действие разности главных напряжений превышает предел текучести соли. Расход промывочной жидкости, используемый при растворении соли в стенках скважины, контролируют по его объему на выходе на поверхность по данным геолого-технологических исследований (ГТИ), за определенный промежуток времени. Для создания дополнительных каверн в стенке скважины объем промывочной жидкости (Q) за определенный промежуток времени (Т) при расходе 40 л/с составляет 2.4 м³ (фиг.2).

Экономическая эффективность предлагаемого способа снижения напряжений в околоскважинном пространстве обусловлена высокой технологичностью снижения напряжений, действующих на стенки скважины в соленосных отложениях на больших глубинах.

Источники информации

1. Сеид-Рза М.К., Исмайылов Ш.И., Орман Л.М. Устойчивость стенок скважин.- М.: Недра, 1981. - стр.50-53.

2. Авторское свидетельство СССР №829934, кл. Е21С 39/00, 15.05.1981.