Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Процессам, проходящим в массивах горных пород при про­длении в них выработок кругового поперечного сечения, посвя — ^ены многочисленные исследования. Вопрос этот рассматривал-

п различных аспектах: с точки зрения устойчивости стенок

шахтных стволов, скважин глубокого бурения на нефть и газ, котлованов кругового сечения и др.

В зависимости от физико-механических свойств горных по­род напряженное состояние их вокруг горной выработки прояв­ляется ио-разному. Напряженное состояние скальных пород, об­ладающих упругими свойствами, описывается уравнениями, со­ставленными А. Н. Динником (1925 г.) на основе теоремы Ляме. Для пород, обладающих свойством пластичности, напря­жение определяется уравнением равновесия и законом пластич­ности [48]. Напряжение рыхлых пород определяют в основном, исходя из уравнения давления их на подпорную стенку.

При вскрытии пластов рыхлых отложений с промывкой во­дой в период бурения, спуско-подъемных операций и оборудо­вания скважин важное значение приобретает устойчивость сте­нок от обрушения [14, 17, 48]. Рассмотрим возможность реше­ния этой задачи на основе известных расчетных зависимостей.

До вскрытия пласта порода находится в равновесном напря­женном состоянии под всесторонним сжатием. Вскрытие пласта нарушает это равновесие и порода в призабойной зоне приходит, в новое напряженное состояние, зависящее от возникающих при этом радиальных и тангенциальных сил вокруг выработки.

Из многочисленных решений задачи о напряженном состоя­нии пород вокруг горной выработки в случае бурения скважин в рыхлых отложениях наиболее приемлемы уравнения для определения интенсивности радиального давления пород на стенки скважины, приведенные в работах [14, 44]. Рассмотрим подробнее эти уравнения.

Ю. А. Песляк (1961 г.) предложил зависимость для опреде­ления величины давления сыпучей породы на обсадные трубы с учетом горного и пластового давлений:

Рг = (уп к— А) tg2 (я/4 — ф/2) + А, (1.13)

где рг ■— интенсивность радиального давления на стенки сква­жины, кгс/см2; у,, — средняя плотность пород, залегающих выше рассматриваемого слоя; к — глубина залегания слоя, м; А — пластовое давление, кгс/см2; ф — угол внутреннего трения •по­роды.

При наличии в скважине столба промывочного раствора вы­сотой /г с плотностью ур выражение имеет вид:

Рг = {уп /г — Л) tgг (я/4 — ф/2) + А — ур/г. (1.14)

При бурении скважин большого диаметра роторным спосо­бом с обратной циркуляцией промывочной жидкости для оценки устойчивости стенок скважин применяется формула, получен­ная на основе решения В. Г. Березанцевым [14] осесимметрич­ной задачи предельного равновесия с использованием методиче-

ского приема, предложенного Г. М. Мариупольским [44] для не­однородного строения грунта:

xBrft)’ <u6)

где Рг — радиальное давление грунта, которое должно быть уравновешено противодавлением воды; г0 — радиус скважины; Yi и 2 — средние плотности грунта соответственно верхнего и слабого нижнего слоев:

ipi = 2 tg <Pi tg (45° + ф]/2);

% = 2 tg ф2 tg (45° + ф2/2 ) ;

ri = r0— htg (45° —ф]/2);

H = r0 + m tg (45° — фг/2);

Ci и Сг — коэффициент бокового распора соответственно верхнего — и нижнего слоев; hг—глубина залегания слабого слоя; т — мощность слабого слоя.

Стенки скважины считаются устойчивыми, если

ув(Ь0 ±ц1) >pr, (I-16)

где ув — плотность воды для промывки; Ло — высота столба во­ды на уровне грунтовых вод; г] — коэффициент, характеризую­щий потери напора, вызванные движением воды в кольцевом пространстве, между трубами и стенками скважины; I— глубина скважины.

Знак (+) следует принимать при прямой циркуляции про­мывочной жидкости, знак (—) —при обратной.

В работах [44, 64, 60] формулы (1.15), (1.16) рекомендуются Для расчета устойчивости стенок скважин большого диаметра при бурении с обратной промывкой водой.

В работе [64] указывается, что возможность обрушения скважины в процессе бурения исключается, если уровень грун­товых вод в районе бурения находится на глубине не менее 3 м от поверхности земли. Такой вывод нельзя считать точным,, так как зависимость (1.15), ‘по которой вычисляется рг, не учи­тывает всех факторов, от которых зависит устойчивость стенок

скважины.

Расчетная формула выведена В. Г. Березанцевым для при­ложенного определения интенсивности активного давления сре-

ды на стенку вертикального цилиндрического ограждения вы­емки.

Как видно из структуры формулы (1.15), она учитывает ак- ивное давление сыпучего грунта на стенку выработки, пассив-

■ное сопротивление его внешнему боковому давлению и боковой распор. Приближенное очертание линий скольжения, ограничи­вающих сдвигаемый объем, принято в виде прямых, составляю­щих с горизонтальной плоскостью его кровли угол 3Un—ф/2.

Численный анализ зависимости (1.15) показывает, что интен­сивность нарастания давления с глубиной быстро уменьшается, а величина давления, начиная с глубины 15—20 м, практически имеет постоянное значение независимо от глубины-

Из расчетов, проведенных по формуле (1.15), видно, что при бурении в мелких песках диаметром до 50 см на глубинах до 200 м значение рг изменяется от 0,08 до 0,15 кгс/см2. Такое дав­ление должно уравновешиваться столбом промывочной жидко­сти высотой до 1,5 м. На самом же деле, как показывают прак­тика глубокого бурения и теоретические исследойания [17, 41, 48], интенсивность давления пород на стенки скважины намного превышает значения, полученные из зависимости (1.15). Эта зависимость дает удовлетворительные результаты при малых глубинах скважин, т. е. в условиях, когда горное и пластовое давления имеют небольшие значения и существенно не влияют на устойчивость стенок скважины.

Зависимости (1.13) и (1.14) более полно учитывают основ­ные факторы, влияющие на устойчивость стенок скважин, сло­женных рыхлыми отложениями (горное и пластовое давления). Значения активного давления на стенки скважины, полученные по этим зависимостям, значительно превышают значения, полу­ченные из зависимости (1.15), и составляют 13—20 кгс/см2 при глубине скважин до 200 м.

Тем не менее, как показывает практика бурения, в период проведения работ стенки скважины находятся в устойчивом по­ложении, несмотря на то, что избыточное гидростатическое дав­ление, уравновешивающее давление породы на стенки скважины, намного меньше рассчитанного по формуле (1.13) и близко к рассчитанному по формуле (1.15).

Это объясняется тем, что деформация пород проявляется не сразу после вскрытия их бурением, а развивается во времени, и незначительные деформации, появляющиеся в первые часы после бурения, как правило, остаются незамеченными.

Теоретические исследования [48] показывают, что деформа­ция пород и соответственно давление их на стенки скважины проявляются не сразу после вскрытия пласта, а постепенно, за некоторый промежуток времени, определяемый структурно-ме­ханическими свойствами пород. Фактор времени в деформации горных пород играет существенную роль, поэтому состояние породы вблизи стенок скважины ио истечении некоторого време­ни отличается от состояния ее в момент обнажения. Под влия­нием снижающих напряжений порода деформируется и посте­пенно перемещается в радиальном направлении внутрь скважи­ны [48].

Практика бурения гидрогеологических скважин в Молдавии подтверждает эти выводы. Так, измерение диаметров скважин при помощи кавернометрии после бурения и спустя несколько месяцев показывает, что с течением времени диаметры скважин уменьшаются (замеры проводили в скважинах, пробуренных в известняках и оставленных без крепления в интервалах залега­ния водоносных пластов). Значительно быстрее протекает про­цесс деформации рыхлых отложений и глинистых пород. Стенки скважин в мелких песках, несмотря на поддержание избыточно­го давления, значительно превышающего рассчитанную по фор­муле (1.14) величину, по истечении не более 2—7 сут обрушают — ся или площадь поперечного сечения их значительно уменьша­ется по сравнению с первоначальной. Еще быстрее наступает момент обрушения в крупнозернистых песках и гравийно-галеч — никовых отложениях.

Поэтому отсутствие явно наблюдаемых деформаций рыхлых пород на протяжении определенного промежутка времени при избыточном давлении столба промывочной жидкости на пласт, рассчитанном по формуле (1,15), нельзя рассматривать как ста­бильное равновесие сил, обеспечивающее устойчивость стенок скважины. Его можно рассматривать как временное, неустойчи­вое, равновесное состояние, обусловленное фактором времени в развитии деформации пород призабойной зоны и сохраняю­щееся непродолжительный промежуток времени. Противодавле­ние столба промывочной жидкости в данном случае лишь частично компенсирует давление пород на стенки скважины, за­медляя тем самым процесс деформации. Отсутствие такого про­тиводавления приводит к потере устойчивости стенок скважины — еще в процессе бурения вследствие знакопеременного гидроди­намического давления при работе инструмента, о чем подробнее будет сказано ниже.

С рассматриваемой точки зрения зависимость (1.15) может быть использована на практике лишь для приближенного опре­деления минимально допустимой величины противодавления промывочной жидкости, предотвращающей мгновенное обруше­ние стенок скважины в статических условиях или при отсутст­вии знакопеременных гидродинамических толчков. При этом остается неизвестной продолжительность времени, в течение которого неустойчивое равновесие будет поддерживаться до на­ступления критической деформации с обрушением стенок сква­жины. Теоретически этот вопрос в достаточной степени не ис­следован. Поэтому в данном случае важно иметь практический пыт наблюдений за развитием деформации в скважинах во Ремени. Опыт показывает, что заметное сужение ствола, а в Же 0Т01:>Ь1Х случаях потеря устойчивости стенок скважины, сло — Н0;НЫХ РЬ1ХЛЫМИ отложениями, при незначительном избыточ — стя* на стенки скважины наступает, как правило, спу-

“Ю ч после вскрытия пласта. Такой продолжительности

времени достаточно для завершения работ по оборудованию скважины.

Таким образом, при бурении и оборудовании гидрогеологиче­ских скважин в рыхлых отложениях нет необходимости обеспе­чивать стабильную устойчивость стенок скважины на продолжи­тельное время. Достаточно, чтобы стенки были устойчивы лишь в период проведения работ по вскрытию пласта и оборудованию скважины. Для приближенного определения минимально допу­стимой величины избыточного давления промывочной жидкости на пласт, предотвращающего мгновенное обрушение пород, мож­но использовать зависимости (1.15) и (1.16), но с определенны­ми ограничениями, о которых речь пойдет ниже.

Зависимости (1.13) и (1.14) более полно по сравнению с за­висимостью (1.15) учитывают основные факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины, сложенных рыхлыми отложе­ниями, и наиболее приемлемы для определения активного дав­ления несвязанных сыпучих пород на обсадные трубы или стен­ки скважины, не закрепленные трубами.

Для обеспечения устойчивости стенок скважины давление грунта, направленное радиально к оси скважины, должно быть уравновешено противодействующими силами, направленными от оси скважины. К таким силам относятся избыточное гидро­статическое давление столба промывочной жидкости в скважи­не и давление фильтрационного потока этой жидкости. Кроме того, в период проведения работ в скважине наблюдаются коле­бания давления жидкости в связи с движением труб при буре­нии, проработке ствола и спуско-подъемиых операциях, а также давление, обусловленное потерей напора при движении промы­вочной жидкости в кольцевом пространстве между трубами и стенками скважины при промывке.

Устойчивость стенок скважины, сложенных рыхлыми отложе­ниями, можно считать обеспеченной при условии:

рг< Арст I — Арф Лрд г! т. Аркп, (Е17)

где Дрст *—избыточное гидростатическое давление промывочной жидкости на пласт; Арф-—давление фильтрационного потока; Ард-—гидродинамическое давление, вызванное движением труб; Аркп — потеря напора в кольцевом пространстве между стенка­ми скважины и труб при промывке.

Численное значение Арст определяется как разница между пластовым давлением и давлением столба промывочной жид­кости. Более сложную задачу представляет определение второ­го слагаемого — Ар®. Давление фильтрационного потока действу­ет как квазиобъемная фильтрационная сила на определенный объем грунта вокруг скважины. На единицу объема грунта дей­ствует сила, равная градиенту давления в потоке жидкости Ар/АЬ. Эта сила создает напряжение сжатия внутри слоя. Со­здание градиента давления вызывает движение жидкости в ра­диальном направлении. Фильтрационный поток в свою очередь вызывает дополнительное напряжение в скелете грунта. Ра­диальное напряжение в каркасе породы в непосредственной близости от стенок скважины описывается уравнением

________ т{А — р) 1пЯ /т 1с

0>к=р-|—— ———————————————— —7-77-» И-1Ь)

1 — т 1п

где Огк—-радиальное напряжение в каркасе породы; р — давле­ние столба промывочной жидкости в скважине; А — пластовое давление; т-—пористость породы; И — радиус скважины; Як—• радиус контура питания.

Последнее слагаемое в формуле (1.18) представляет собой поправку на давление фильтрационного потока у стенок сква­жины и является величиной незначительной по сравнению с су­ществующими в пласте горным и пластовым давлениями.

Как было показано в §3 настоящей главы, поглощение воды при вскрытии пласта исчисляется весьма небольшими величина­ми. Фильтрация промывочной жидкости в пласт, представленный мелкими песками, настолько незначительна, что при оценке фильтрационного давления силы инерции, определяемые произ­ведением масс-ы движущегося тела (воды) на его ускорение, можно не учитывать.

Расчеты, приведенные в работе [48], показывают, что при движении жидкости из пласта в скважину наибольшие напряже­ния от фильтрационного давления в породе возникают на по­следнем участке ее движения в пласте: на расстоянии от стенок скважины, составляющем 1—5% от радиуса контура питания, приходится около 80% всей энергии, затрачиваемой на фильтра­цию в пористой среде. Такое же распределение энергии можно ожидать при нагнетании жидкости в пласт. Так как поток жид­кости при этом является радиально растекающимся симметрич­но относительно оси скважины, возникающие при этом напря­жения увеличивают радиальную компоненту нормального на­пряжения, стремясь восстановить нарушившееся в результате создания горной выработки равновесное состояние грунта, на­ходившегося до создания выработки в состоянии всестороннего сжатия. В случае отсутствия фильтрации на стенки скважины распространяется только гидростатическое давление, которое также направлено на восстановление равновесия действующих сил, нарушенного вскрытием пласта.

Перераспределение напряжений в породах призабойной зоны, вызванное вскрытием пласта, состоит в уменьшении радиальной компоненты нормального напряжения, действующего по концен­трическим’ окружностям с центром на оси скважины. Уменыие — ие радиальной компоненты напряжения частично компенсиру­йся избыточным давлением жидкости, находящейся в скважи — * 11 Фильтрационным потоком поглощающей жидкости. Обе

составляющие имеют одинаковую направленность, но отличают- ся по характеру: гидростатическое давление действует только на стенки скважины, не затрагивая внутреннюю структуру грун­тового скелета и насыщающей его жидкости; гидродинамиче­ское же давление увеличивает напряжение в скелете вследст­вие сопротивления его движению жидкости и в то же время уменьшает напряжение в скелете грунта в результате увеличе­ния давления жидкости в призабойной зоне по сравнению с пла­стовым давлением. В обеспечении устойчивости стенок скважи­ны фильтрационный поток играет несущественную роль.

Из результатов лабораторных опытов, приведенных в работе [34], следует, что роль фильтрационного потока в устойчивости стенок скважины повышается с увеличением фильтрационной способности рыхлых отложений.

Наибольшую трудность представляет определение третьего слагаемого зависимости (1.17). Гидродинамическое давление, вызванное движением труб, в зависимости от геометрических размеров скважины и колонны труб, свойств жидкости и скоро­сти движения труб может достигать больших значений. Величи­на Ард может иметь как положительное, так и отрицательное значения. Кроме того, в отдельные моменты давление представ­ляет собой ударный импульс, распространяющийся по волновым законам [52].

Расчетные формулы для приближенного определения гидро­динамического давления при движении труб в скважине при­ведены в § 3 настоящей главы. Однако известные в настоящее время расчетные зависимости не позволяют с достаточной для практики точностью рассчитать пульсации давлений в скважи­нах без ‘проведения опытов и измерений в скважинах. В зару­бежной практике бурения для этих целей применяют метод последовательного приближения с использованием счетно-ре­шающих устройств [41]-

Для рассматриваемых нами условий наибольшую опасность потери устойчивости стенок скважины представляют отрицатель­ные значения Ард, так как они в некоторых случаях могут пре­вышать избыточное гидростатическое давление на пласт и при­водить к обрушению пород.

По экспериментальным данным, приведенным в работе [41], давление понижается при подъеме труб и резкой остановке их движения, что обусловлено действием поршневого эффекта и инерционных сил промывочной жидкости. Для уменьшения дей­ствия этих факторов, направленных на уменьшение давления в скважине, инструмент необходимо поднимать при небольшой скорости с плавным торможением и остановкой. Эти условия необходимо строго соблюдать при бурении скважин с неболь­шими глубинами статических уровней, когда избыточное давле­ние промывочной жидкости на пласт незначительно. При буре; нии скважин в мелких песках с глубинами статических уровне?

Скв. 624 КаВерцограмма

СхЗ.558 Прсфилєграммя

Продолжительность углціки Е п/т В2,5 А 0,25 М

з 4

шг г!?

Продолжительность углубки Исут

Рис. 7. Литологические разрезы и состояние стволов по резуль­татам геофизических измерений:

1 — пески; 2 — глины; 3 — интервалы, пройденные с промывкой глинистым раствором; 4 — интервалы, пройденные с промывкой водой

до 50 м скорость подъема инструмента можно рекомендовать равной 0,1—0,3 м/с.

По данным, приведенным в работе [52], ударный импульс, распространяющийся по волновым законам, наблюдается после резкой остановки колонны, движущейся со скоростью более 0,5 м/с. Уменьшение давления промывочной жидкости при подъ­еме труб может достигать 10—15 кгс/см2.

Четвертое слагаемое зависимости (1.17) имеет положитель­ный знак при прямой циркуляции промывочной жидкости и от­рицательный— при обратной. Расчеты, проведенные но формуле П. П. Шумилова для определения гидравлического сопротивле­ния в кольцевом пространстве, показывают, что потеря давления при глубинах скважин до 300- 400 м составляет тысячные доли кгс/см2. Этой величиной при расчетах можно пренебречь как ничтожно малой.

Таким образом, наиболее существенное влияние на устойчи­вость стенок скважины оказывают избыточное гидростатиче­ское давление ствола промывочной жидкости и гидродинамиче­ское давление, создаваемое движением труб.

На рис. 7 показаны результаты профилеметрии и каверно- метрии, выполненных на двух скважинах с различными глуби­нами статических уровней воды.

Скв. 558 пласт вскрывали при избыточном давлении на за­бой 6 кгс/см2; скв. 624— 10 кгс/см2. Как видно из рис. 6, водо­носные пески, вскрытые с промывкой водой (нижняя часть ство­ла), обладают устойчивостью, в то время как вышележащие породы (глины, пески), пройденные с промывкой глинистым раствором, более подвержены разрушению, что обусловлено в основном биением бурового инструмента о стенки скважины и размывающим действием потока жидкости.

Таким образом, при вскрытии водоносных мелких песков бурением с промывкой водой и выполнении последующих работ по оборудованию скважины устойчивость стенок ее от обруше­ния обеспечивается главным образом избыточным гидростати­ческим давлением на пласт. Гидродинамическое давление, со­здаваемое фильтрационным потоком воды, на устойчивость сте­нок при небольшой интенсивности поглощения существенно не влияет. Устойчивость стенок скважины может быть нарушена при проведении спуско-подъемных операций, если при этом силы, направленные на уменьшение давления жидкости за счет поршневого эффекта и инерции жидкости, будут превышать. силу избыточного гидростатического давления на пласт. Поэтом)’ •при незначительном избыточном давлении промывочной жидко­сти на пласт скорость спуоко-подъема бурильных и обсадных труб не должна превышать 0,1—0,3 м/с, а торможение и оста­новка труб должны быть плавными.

Комментарии запрещены.