БЕЗАВАРИЙНОЙ ПРОВОДКИ СКВАЖИН

4.1. Взаимодействие буровых растворов с горными породами

Потенциальной основой осложнений, связанных с неустойчивостью ствола скважин, является наличие глинистых минералов как активной составляющей горных пород, обуславливающей их особые физико- химические и механические свойства ( гидрофильность, пластичность, набухание, прочность и т. д. ).

Существуют два вида глинистых горных пород: собственно глины и сланцевые глины ( аргиллиты ).

Основное различие между глинами и сланцевыми глинами заключается в степени уплотнения и, таким образом, водосодержании.

Сланцевые глины можно классифицировать по возрасту, водосодержанию, содержанию глины и типу или твердости сланцевой глины.

Разрушение глин имеет вид пластической деформации, тогда как сланцевая глина растрескивается или ломается.

Факторы, влияющие на неустойчивость глинистых сланцев

1. Гидравлика затрубного пространства.

При рассмотрении проблем устойчивости ствола скважины часто пропускают такой важный фактор как гидравлика затрубного пространства. Однако, этот фактор проще всего определить и можно быстро и без особого труда контролировать. Редко можно оправдать наличие турбулентного течения в затрубном пространстве. Поэтому необходимо прежде всего определить наличие турбулентного режима течения в затрубном пространстве, затем отрегулировать подачу насосов или вязкость раствора ( или оба параметра ), чтобы получить ламинарное течение в затрубном пространстве.

2. Несбалансированное давление

Когда давление в глинистых сланцах значительно превышает давление в стволе скважины, глинистый сланец выдвигается в ствол, вызывая нарушение его устойчивости и увеличение диаметра. В случае глин это вызывает сужение ствола и связанные с этим осложнения.

Взаимосвязь здесь чисто физическая. Для решения этой проблемы необходимо изменение плотности бурового раствора с целью уравновешивания давления в стволе с пластовым давлением. Регулирование химических свойств раствора, которое не приводит к изменению давления в стволе скважины, не поможет в решении проблемы, связанной с давлением глин.

Обнаружение несбалансированных давлений - не всегда легкая задача. У многих несбалансированные давления ассоциируются только с выбросами или поглощениями. У сланцевых глин очень низкая проницаемость, поэтому их можно разбуривать при давлениях в стволе, значительно меньших, чем пластовые, и не иметь выброса. Прямым указанием на несбалансированность давлений при разбуривании глин или глинистых сланцев являются осложнения, связанные с неустойчивостью ствола, увеличение крутящего момента, затяжки и закупорка вибросит глиной.

3. Естественная трещиноватость

Некоторые глины, находящиеся в зоне тектонических нарушений имеют трещиноватость. У этих глин имеется естественная тенденция падать в ствол скважины, поскольку куски такой сланцевой глины прочно не связаны друг с другом.

Турбулентный режим течения раствора, несбалансированное давление и гидратация могут еще в большей степени ухудшить и без того неустойчивое естественное состояние.

Асфальтовые добавки могут заизолировать обнаженные поверхности глинистых сланцев.

При разбуривании напряженных глинистых сланцев необходимо:

1) обеспечить ламинарный режим течения бурового раствора в необсаженном интервале ствола;

2) иметь плотность раствора, достаточную для уравновешивания пластового давления;

3) иметь буровой раствор с такой степенью ингибирования, какую только позволяют экономические соображения.

4. Гидратация глинистых сланцев при контакте с буровым раствором.

В процессе образования осадочных пород глинистый разрез постепенно уплотняется под весом вышележащих пластов.

При сжатии происходит потеря адсорбционной воды и воды из пор глин. Сила сжатия равна разности горного давления ( Р_г ) и порового ( Р_п).

Уже при давлении 17,5 МПа из полностью увлажненной глины удаляется 40 % воды, а при давлении 21-28 МПа удаляется 4 слоя воды из 8, необходимых для того, чтобы кристаллическая решетка глин оставалась в равновесном состоянии. В процессе уплотнения глины и отжатия воды, концентрация ионов в диффузном слое частиц увеличивается.

При вскрытии отложений сильно обезвоженных глин и снижением уплотняющих напряжений в приствольной зоне создаются условия для увлажнения глин как за счет поверхностной гидратации, так и осмотических сил, обусловленных разницей концентраций ионов, удерживаемых на поверхности глинистых частиц и содержащихся в буровом растворе.

Возникающие при этом гидратационные напряжения в глинистой породе могут быть определены по формуле:

, где

Р_г - внутреннее напряжение в породе при ее гидратации, Па;

R - универсальная газовая постоянная, дж/моль×⁰К;

Т- температура, ⁰К;

V - порциальный массовый объем жидкости, м³;

Р - давление паров над сланцем, Па;

Отношение  - активность воды в сланцах.

Активность воды в сланцах составляет 0,56-0,75, а активность в буровом растворе 0,90-0,99.

Наиболее сильно понижают активность воды соли кальция и магния ( таблица 4.1. ).

Таблица 4.1.