Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Второй наиболее распространенной группой прихватов ин­струмента и колонн в южных и западных районах Советского Союза являются прихваты, происходящие в результате затяжек инструмента в суженном участке ствола скважины. Из прак­тики бурения известно, что наличие сужений в стволе скважины является одной из причин возникновения ряда других серьезных осложнений: затяжка инструмента, недопуск колонн, потеря циркуляции, обрушение стенок скважин и др.

Основные причины сужения стволов буровых скважин сво­дятся к следующему.

1. Набухание перемятых, трещиноватых глин под влиянием фильтрации в них жидкости (вода, раствор, реагент).

2. Деформация пластичных пород после вскрытия их сква­жиной под воздействием горизонтальной составляющей горного давления (боковое давление).

3. Отложения глинистых корок против хорошо проницаемых пород при бурении с промывкой глинистыми растворами с большой водоотдачей.

4. Образование слипшихся комков выбуренной породы в местах изменения диаметра скважины (диаметра долота) и против каверн.

По данным замеров каверномером сужения стволов буровых скважин на промыслах Краснодарского края наблюдаются как против песчанистой части разреза, так и против глин; при этом максимальное сужение ствола по диаметру редко превышает 100—120 мм, чаще всего оно находится в пределах 40—80 мм.

Установить какую-либо закономерность в приуроченности сужений стволов буровых скважин к определенным стратигра­фическим горизонтам или определенной литологической харак­теристике пород не представилось возможным. Наличие суже­ний против глин наблюдается от Ключевой площади на востоке до А’настасьевекой на западе и охватывает почти все основные месторождения Кубани. Однако объяснить образование столь значительных сужений стволов буровых скважин против мало­проницаемых или практически водонепроницаемых пород, како­выми являются глины глубокого залегания, мергели, сланцы, аргиллиты и др., за счет отложения корок при фильтрации воды из глинистого раствора, по-видимому, невозможно.

Ряд специалистов полагает, что за счет водоотдачи из глини­стого раствора толстые корки, а следовательно, значительные сужения стволов буровых скважин образуются только против пористых пород (пески, песчаники, трещиноватые породы); су­жение же против глин объясняется процессом их набухания при впитывании воды из глинистого раствора. Образование корок против пород, не принимающих из глинистого раствора воду, этими специалистами вообще отрицается.

Хорошо известно, что, глины глубокого залегания в состоя — U нии естественной влажности настолько уплотнены, что почти

\ не имеют свободных пор, которые заполнены" очень тонкой

и пленкой молекулярной воды, прижимающейся к. частицам глины ^ силой~около 10 тыс’.~^ГЩ_1, и поэтому не могут дополнительно принять такое количество воды, которое значительно изменило бы объем этих глин.

При вскрытии таких глин буровой скважиной вследствие снижения напряжения у поверхности ствола до известной-глу­бины возможно некоторое повышение влажности. Однако за счет увлажнения поверхностного слоя ствола нельзя ожидать за сравнительно короткий срок бурения скважины уменьшения ее диаметра на несколько сантиметров, как это бывает в действи­тельности, против практически непроницаемых пород. Интерес­ный опыт по выявлению степени набухания майкопской глины естественной влажности проведен проф. Н. Я. Денисовым (Институт почвоведения). Для проведения опыта был взят керн в состоянии естественной влажности диаметром 20 см и сейчас же погружен в воду. После 7 месяцев хранения керна в воде оказалось, что диаметр его увеличился всего на 15 мм, или на 7,5%, между тем как через несколько дней после вскрытия скважиной майкопских глин сужения ствола достигают более 40—80 мм (скв. 11 Украинская до 100 мм, 635 Ахтырская до 70 мм, 39 Дыш до 60 мм и т. д.).

Лабораторией технологии бурения КФ ВНИИ было прове­дено увлажнение в воде в течение 10 суток глины кумского горизонта, поднятой колонковым долотом из скв. 125 Калужской площади с глубины 2210 м. Оказалось, что за время опыта диаметр керна увеличился с 43,6 до 44,0 мм, или на 0,9%. Это значит, что при вскрытии кумских глин в скважине долотом № 12 максимальное сужение ствола от их набухания возможно в пределах 2—3 мм, а фактически сужение достигает несколь­ких десятков миллиметров: скв. 124 Ново-Дмитриевская

до 50 мм, скв. 67 Восточно-Северская — до 100 мм и др.

Таким образом, сужение стволов буровых скважин в наз­ванных пределах за счет набухания глин происходить не может.

Величина пластической и упругой деформации вскрываемых скважиной пород, по-видимому, тоже не может достигать зна­чений, соответствующих фактическим величинам сужений ство­лов буровых скважин.

Как известно, породы, залегающие на глубине, испытывают напряжение от давления вышележащих слоев земной коры, и пока они не вскрыты скважиной, каждый элемент породы, за­легающий на глубине z от поверхности, испытывает напряже­ние laz = Ох= оу, где сг2 — вертикальное напряжение; ох, оу — го­ризонтальные напряжения, I — коэффициент бокового давления.

При вскрытии скважиной пород на некоторой глубине равно­весие нарушается, и деформация возможна только в радиаль­ном направлении с максимальным ее значением у стенки сква­жины. Величина напряжения, вызывающего деформацию породы, зависит от глубины залегания, объемного веса породы и коэффициента бокового давления.

Одновременно с возникновением деформации вокруг стенок скважины образуется несущая зона, благодаря которой проис­ходит перераспределение напряжений, и у стенок скважины напряжение и деформация снижаются, предохраняя ствол от обрушения.

Образование несущей зоны и перераспределение напряжений можно объяснить тем, что глины глубокого залегания вслед­ствие большой уплотненности обладают значительным сцепле­нием частиц, и поэтому предел их несущей способности может быть превзойден лишь тогда, когда напряжение достигнет из­
вестной величины в значительной части объема, а не только у поверхности ствола скважины.

Для определения радиуса несущей зоны К — Терцаги [37] приводит следующую формулу:

4- — i

где г1 — радиус скважины после деформации в см; Р — боко­вое давление горных пород в кГ/см2; Рг — гидростатическое давление глинистого раствора в кГ)см2; £—максимальное зна­чение коэффициента пассивного давления.

Рц—до

~ Рк

где Як — капиллярное давление в кГ1см2; q0 — сопротивление сжатию в кГ/см2.

Пользуясь указанной формулой, К. Терцаги приводит расчет уменьшения радиуса буровой скважины и определение радиуса несущей зоны при диаметре скважины 3 м и давлении выше­лежащих пород 40 кГ/см2, что соответствует глубине залегания глин порядка 200 м. Для заданных условий получено R = 7,7 м, г — 1,392 м; отсюда сужение ствола скважины

(г —Гг) 100 Г

(1.5—1,392) 100

1,5

Если признать такой расчет достоверным, то для скважины, пробуренной долотом № 10, можно ожидать сужения вследствие деформации глины около 17 мм, в то время как фактически сужения против глин глубокого залегания в скважинах, пробу­ренных долотом № 10, достигают 50—80 мм (скв. 76 Восточно­Северская— 50—80 мм, 635 Ахтырская — 30—70 мм; 18 Ново — Дмитриевская — 25—70 мм и ряд других). Здесь необходимо отметить, что К — Терцаги свои вычисления производил для сравнительно пластичных глин с коэффициентом пористости 0,6, поэтому получил значительные деформации, которые, по-види­мому, невозможно получить для предельно уплотненных глин глубокого залегания.

Н. М. Герсеванов [9], исследуя сжатие и набухание грунтов, приходит к выводам, что модуль деформации грунтов, т. е. отношение действующей нагрузки к относительной деформа­ции,— величина не постоянная, а возрастающая с увеличением уплотнения грунта. Это объясняется тем, что по мере сближения частиц скелета грунта в работу вступают все более вязкие слоя молекулярной оболочки. При уменьшении сдавливающей силы грунт не возвращается в свое первоначальное положение, так
как этому препятствуют силы сцепления грунта, которые при значительном уплотнении настолько велики, что препятствуют вклиниванию даже молекулярной воды. Названные особенности деформации связных грунтов хорошо выявляются экспери­ментально.

д Внешняя нагрузка, кг Рис. 21. Кривая зависи­мости деформации от внешней нагрузки.

Из приведенного на рис. 21 графика следует, что после уплотнения грунта до точки В и последующего уменьшения нагрузки Р кривая разбухания не будет совпадать с главной ветвью деформации АВ. Кривая разбухания будет иметь вид ВСД, причем участок ВС будет почти горизонтальным. Это показывает, что силы сцепления грунта оказывают весьма зна­чительное сопротивление вклиниванию молекулярной воды.

Из приведенных данных можно сде­лать вывод, что при вскрытии скважиной глин глубокого залегания проникнове­ние в них воды и деформация с замет­ным увеличением объема маловероятны.

Для определения величины деформа­ции глин глубокого залегания в условиях всестороннего сжатия нами были изгото­влены образцы глин майкопской и ка­лужской свит, поднятых коронкой с глубины 2100—2500 м. Изготовленные образцы цилиндрической формы диаме­тром 20 мм и длиной 45 мм в состоянии воздушной влажности подвергались все­стороннему сжатию прессом, изображенным на рис. 22.

При испытании максимальная нагрузка на образец была доведена до 840 кГ/см2, при этом оказалось, что деформация сжатия в осевом направлении составляла для глины майкоп­ской свиты 0,77 мм, а для глины калужской свиты — 0,195 мм. Заметного выпучивания глины в отверстие стакана под влия­нием бокового давления при названной выше максимальной нагрузке по визуальным наблюдениям не отмечено. Деформа­цию в осевом направлении измеряли индикатором с точностью до 0,01 мм. Зависимость деформации от напряжений приведена на рис. 23. Как видно из расчета, приведенного ниже, факти­ческое напряжение в глинах глубокого залегания меньше, чем оно достигнуто при проведении опыта. Поэтому даже при неко­тором повышении влажности глины против принятой в опыте и приближении самого опыта к естественным условиям напря­женности глины на глубине ожидать значительно повышенной деформации против полученной в опыте нельзя.

По данным Л. А. Шрейнера [44], прочность сжатию некото­рых глин и глинистых сланцев достигает 1000 кГ/см2, т. е. такие глины при названной нагрузке не имеют заметной деформации.

Если принять средний объемный вес горных пород, слагаю-
щнх разрез южных районов, 2,3—2,5 г/см3, то при глубине за­легания глины 2500 м и пренебрежении системой разгружаю­щих сводов последняя должна находиться под максимальным напряжением

Рис. 22. Пресс для всестороннего сжатия образцов цилиндрической формы.

а в опыте напряжение сжатия было доведено до 840 кГ/см2.

Из приведенных теоретиче­ских предпосылок и возможных

фактических напряжений пород

на глубине следует, что заметных сужений стволов буровых сква­жин от боковой составляющей

горного давления на ненарушен­ные глины глубокого залегания происходить не должно.

О том, что сужения нельзя объяснить деформацией пород, свидетельствует и тот факт, что проработка суженных участков стволов буровых скважин на пратпке осуществляется с весьма

высокими механическими скоро­стями (100—200 м/час), которых, как известно, бурильщики не до­стигают при расширении сква­жин в коренных породах.

Влияние тектонических сил на состояние напряженности пород глубокого залегания обычно не учитывается вследствие сложно­сти определения их величины и направления действия.

Г. И. Покровский [33] в своих

исследованиях устойчивости грун­тов глубокого залегания также не учитывает тектонических сил

и дает следующую зависимость бокового распора от давления вышележащих пород:

1 = 1 — 1,39 tg — 1,52 -4-,

1 v

где tg?> — коэффициент внутреннего трения породы; k — сила сцепления в породе (для пластичных глин равная 0,6 разрыв­ного усилия, а для плотных — разрывному усилию); Ру — вели­чина горного давления.

Исходя из предпосылки об увеличении бокового давления и напряженности стенок скважины под влиянием снижения сил сцепления и коэффициента внутреннего трения при проникнове­нии воды в породу, Г. И. Покровский рекомендует для устой­чивое™ стенок скважины величину бокового распора Р0 рассчи­тывать так:

Ра — £Ру

где Ру — вертикальное давление породы; h — глубина залега­ния породы; ур — удельный вес глинистого раствора.

Деформаций, мм Рис. 23. Кривые зависимости деформаций от напряжений.

Таким образом, для устойчивости стенок сква­жины в данном сечении нужно применять глини­стый раствор, объемный вес которого имел бы следующее значение:

■ /?Ур = 1’У?,

где — у, т — объемный вес породы, т. е. ур = £уп, или при | = 0,7 и уп =

= 2,3 г, rat3

ур = 0,7 -2,3 = 1,61 г/см*.

1 — для глины калужской спиты; 2 — для глины майкопской свиты.

В действительности чаще скважины бурят с промывкой глинистым раствором удельного веса меньше 1,61 г! см6 и при среднем объемном весе пород больше 2,3 г! см6, однако никаких существенных осложнений, затрудняющих процесс бурения, при этом не наблюдается. Следовательно, образование так называе­мой несущей зоны вокруг ствола скважины, воспринимающей повышенные напряжения при нарушении скважиной целостно­сти массива породы, позволяет в течение известного промежутка времени успешно проходить скважины при отсутствии равно­великого противодавления боковому распору со стороны столба глинистого раствора.

При действии на породы давления, вызванного тектониче­скими силами, для обеспечения устойчивости ствола скважины необходимо, чтобы имело место следующее соотношение:

где Рх— боковое давление.

Если предположить, что на глубине.1000 м будет действо­вать боковое давление, обусловленное тектоническими силами в 400 кГ/см2, то для сохранения равновесия скважина должна быть заполнена глинистым раствором Ур = 4 г/см3, т. е. борьба в данном случае с боковым давлением и деформацией пород при помощи глинистого раствора будет бесполезной. Как из­вестно, таких случаев в практике проходки скважин на нефть пока не встречалось.

Комментарии запрещены.