Условия бурения с применением промывочных жидкостей

В процессе бурения нарушается равновесие пород, слагающих стенки скважин. Устойчивость стенок зависит от исходных прочностных характеристик горных пород, их изменения во времени под действием различных факторов. Большая роль здесь принадлежит процессу промывки и промывочному агенту. Основная задача промывки – обеспечение эффективного процесса бурения скважин – включает в себя сохранение как устойчивости стенок скважин, так и керна.

В условиях, когда нарушена целостность породы, большую роль играет горное давление. В приствольной части скважины оно проявляется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Боковое давление является следствием вертикального и вызывает касательные напряжения, способствующие выпучиванию пород, сужению ствола и обвалообразованию. Величина касательных напряжений зависит не только от горного давления, но и от давления промывочной жидкости.

В бурении горное давление всегда превышает гидростатическое столба промывочной жидкости в скважине и способствует разрушению стенок скважины, если прочность самой породы недостаточна или значительно ослаблена в результате воздействия промывочной жидкости. Наиболее интенсивна деформация породы непосредственно у стенок скважины, где боковое давление не уравновешивается гидростатическим и силами сцепления горной породы. Характер изменения сил сцепления в породе обусловлен геолого-минералогическими особенностями горной породы и ее взаимодействием с промывочной жидкостью, главным образом физико-химическим.

Физико-химическое воздействие жидкости на горную породу проявляется в трех основных формах:

1) активное воздействие, основанное на процессах гидратации, диссоциации, ионообмена и химических превращений;
2) адсорбционное воздействие;
3) осмотическое воздействие.
Основное отрицательное влияние промывочной жидкости на прочность горных пород сводится к физико-химическим изменениям в структуре пород под действием фильтрата. Действие фильтрата сопровождается диспергацией глинистой составляющей породы, набуханием, капиллярным и динамическим расклиниванием. На контакте промывочной жидкости со стенками скважины происходит химическое растворение, выщелачивание, гидромеханическое разрушение породы. Процесс усиливается механическим воздействием бурильной колонны на стенки скважин.

Характер и скорость ослабления связей между частицами горных пород при бурении с промывкой во многом зависят от наличия естественных нарушений сплошности породы (пористости, трещиноватости). С одной стороны, они сами являются источником уменьшения механической прочности породы и способствуют ее смачиванию. В местах нарушения движется фильтрат и возникают капиллярные силы. С другой стороны, наличие нарушений является условием образования фильтрационной корки из частиц твердой фазы промывочного агента, способствующей повышению устойчивости породы.

Важный фактор устойчивости горной породы – ее естественная влажность. Даже при незначительном увлажнении пород глубина их устойчивого залегания резко уменьшается. При полном водонасыщении прочность, например плотных глин и глинистых сланцев, снижается в 2 – 10 раз. Большое значение для устойчивости стенок скважин имеет и физико-химический состав жидкостей, насыщающих породу.

Пластовая жидкость оказывает химическое воздействие на горную породу, усиливающееся при вскрытии пласта, она же является предпосылкой диффузии и осмоса. Если в скважине промывочная жидкость будет более минерализованной, чем пластовая вода, то процесс осмоса не повлияет на целостность породы, так как не произойдет обновления среды и увеличения количества жидкости в порах породы.

Скорость отделения частиц породы в процессе разрушения стенок скважин зависит от величины давления столба промывочной жидкости, а также гидромеханического воздействия жидкости в процессе циркуляции. Однако существенное положительное воздействие давления столба промывочной жидкости на обваливающиеся породы будет только при предельно ограниченном поступлении фильтрата в пласт" или ее физико-химическом упрочняющем действии на породу. В пластичных (ползучих). породах рост противодавления промывочной жидкости существенно затрудняет развитие сужений ствола в основном вследствие физикохимического взаимодействия промывочной жидкости с породами, слагающими стенки скважин.

Выделяются следующие виды нарушений целостности стенок скважин в результате взаимодействия промывочной жидкости с горными породами: обвалы (осыпи); набухание; пластичное течение (ползучесть); химическое растворение; размыв.

Устойчивость горных пород во многом связана с обеспечением непрерывной циркуляции промывочной жидкости в процессе бурения при наличии в геологическом разрезе проницаемых горных пород. Чаще всего в практике разведочного колонкового бурения такие проницаемые зоны представлены водоносными пластами. В зависимости от пластового давления и применяемого промывочного агента могут происходить поглощение промывочной жидкости, водопроявление, неустойчивая циркуляция. Поглощение промывочной жидкости удорожает, а подчас делает невозможным бурение скважины. Водопроявление ухудшает качество промывочной жидкости в процессе циркуляции, приводит к дополнительному экологическому загрязнению. Неустойчивая циркуляция осложняет технологию бурения, поддержание качества жидкости, ее регулирование.

Поглощения делятся на частичные и полные. Проницаемые зоны классифицируются по величине коэффициента, характеризующего проницаемость зоны в процессе бурения. Проницаемые зоны, представленные неустойчивыми, тонкотрещиноватыми или пористыми породами, изолируются частицами твёрдой фазы промывочной жидкости в процессе бурения скважин. Потеря промывочного агента здесь сводится к объему, отфильтровавшемуся в процессе формирования корки.

Таблица

Классификация пород по степени устойчивости.

Группа пород

Степень устойчивости

Характеристика основных свойств пород, определяющих их устойчивость

Типичные породы

Вид нарушения целостности стенок скважин

I

Весьма неустойчивые

Отсутствие связи между частицами породы

Крупнозернистые и среднезернистые пески, отмытые гравий, галечник, щебень

Обвалы, размыв

II

Неустойчивые

Слабая связь между частицами (главным образом за счет вещества – заполнителя пор)

Илы, лесс, супеси, пески, гравий, галечник, щебень с глинисто-песчаным заполнителем пор. Сильно выветрелые (до дресвы) скальные породы

Обвалы, размыв, слабое набухание

III

С изменяющейся устойчивостью

Сложная связь между частицами, преимущественно коллоидная или образованная льдом, исчезающая при насыщении водой или нагревании

Суглинки, глины, песчано-глинистые грунты, рыхлые, нацело каолинизированные продукты выветривания скальных пород. Все породы, как талые, так и многолетнемерзлые

Обвалы, набухание, пластическое течение, размыв

IV

Слабоустойчивые

Недостаточно прочная связь между частицами, обусловленная главным образом цементирующим веществом

Сланцы глинистые, слабосцементированные песчаники; угли, слабые мергели, гипс, галиты, слабосцементированные брекчии и конгломераты. Выветрелые скальные породы. Перемятые зоны тектонических нарушений

Обвалы, (осыпи), слабое набухание, пластическое течение, размыв

V

Относительно устойчивые

Достаточно прочная связь между частицами, постепенно уменьшающаяся при смачивании и механическом воздействии бурильных труб

Сланцы песчано-глинистые, хлоритовые, серицитовые; аргиллиты; слоистые породы с перемежающейся твердостью, крутопадающие; скальные трещиноватые породы

Обвалы (осыпи), размыв

VI

Устойчивые

Жесткая, преимущественно кристаллизационная связь между зернами, разрушенная местами трещинами

Трещиноватые, скальные и полускальные породы; изверженные, осадочные (крепкие известняки, сланцы, песчаники), метаморфические породы (кварциты, мраморы и т. д.)

Вывалы

VII

Весьма устойчивые

Жесткая, преимущественно кристаллизационная связь между зернами

Монолитные скальные породы; изверженные, осадочные (известняки, песчаники), метаморфические породы (кварциты, окремнелые сланцы и т. д.)

Однако если бурение скважины ведется на жидкое или газообразное полезное ископаемое, то ставится задача сохранения проницаемости пласта и роль промывочного агента усложняется.

Соотношение давлений столба промывочной жидкости и Пластового (порового) определяет величину дифференциального давления в скважине, которое играет важную роль не только в сохранении стенок скважины, но и в процессе разрушения породы на забое и прихватах бурового инструмента.

0

Добавить комментарий

Войти с помощью: