Рассматривая данный вид осложнений, необходимо как первую г гадию выделить потерю устойчивости стенок скважины, которая вы­ражается в изменении профиля поперечного сечения ее ствола.

Потеря устойчивости стенок в статических условиях происходит мод воздействием избытка сил бокового распора, не уравновешенных гидростатическим давление столба жидкости в скважине. В этом слу­чае условие устойчивости ствола может быть записано в следую­щем виде:

Гидростатическое давление в скважине может претерпевать крат­ковременные падения в результате поршневания при подъеме инстру­мента. Очевидно, эффект из действия необходимо учитывать некото­рым повышением плотности р_ж.

Соотношение между правой и левой частями [формула (8.16)] может нарушаться из-за снижения предела текучести <г_т горной породы.

Выделяют:

- осыпание слабосвязных аргиллитов, сланцеватых глин, песков и других трещиноватых, перемятых пород и др.;

-сужение, вызванное течением, ползучестью плывунов, высоко­пластичных глин, солей, льда, набуханием глиносодержащих пород.

Основные причины обвалообразования, - недостаточная проч­ность и устойчивость горных пород при проводке скважин. Вероят­ность обвалообразования, сочетание и взаимообусловленность с дру­гими видами осложнений должны учитываться на стадии проектиро­вания. Конкретные меры предупреждения и прекращения развития обвалов зависят от вида обвалообразований, их интенсивности и тех­нических возможностей, имеющихся химических реагентов, диамет­ров труб и УБТ.

Важнейшее условие предупреждения и прекращения обвалообра­зований - правильный выбор вида, состава и параметров буровых рас­творов р, В, Ө, Т, η, τ₀ (плотность, водоотдача, статическое напряже­ние сдвига, вязкость, структурная вязкость, динамическое напряжение сдвига), их физико-химической активности.

Хорошие результаты дает введение в раствор калиевых, полимер- калиевых, кальциевых реагентов, применение минерализованных рас-

творов (пластовых вод). В этом случае глинистые породы не набухаю т, не растворяются многие минералы и т.д. Целесообразно уменьшать колебания бурильной колонны, снижать прогиб бурильных труб уста­новкой амортизаторов, центраторов, калибраторов, УБТ квадратного сечения и др. Применяют в некоторых случаях заливку неустойчивых интервалов цементным раствором.

Изучению трансформации агрегатного состояния горной породы под воздействием различных факторов и связанного с этим изменения механических ее свойств специалисты уделяют очень большое внима­ние. Из всех пород как объект исследования особенно выделяются глины и глинистые породы, поскольку в большинстве случаев именно к ним приурочен этот вид осложнений.

Вскрытие скважинной глинистые отложения, как показываю! многочисленные исследования, легко поддаются увлажнению и с по­вышением влажности набухают, вспучиваются и подвергаются пла­стическому течению. В основе указанных явлений лежат физико- химические изменения глинистых пород в процессе бурения под воз­действием бурового раствора.

Первоначально считали, что в повышении влажности глинистых пород и их разупрочнение основную роль играет проникновение через стенки скважины фильтрата или водной фазы бурового раствора под действием перепада давления. Но в дальнейшем на многих примерах убедились, что порой значительно снижение показателя фильтрации бурового раствора путем введения некоторых химических реагентов, содержащих в избытке щелочь, не приводит к желаемым результатам и обвалы в скважине продолжаются. Поиски причин привели к иссле­дованию осмотических и диффузионных процессов на границе разде­ла. Осмотические явления связаны с перетоком воды из среды с низ­кой концентрацией электролита в среду с высокой, в результате осмо­тической диффузии происходит как бы выравнивание концентрации в двух граничащих средах. При этом проникновение воды в глинистые породы может быть значительно более интенсивным, чем фильтрация бурового раствора через глинистую корку.

Скорость поступления воды в породу при осмотическом процессе подчиняется закону Дарси:

Электроосмотические явления усиливаются процессом капилляр­ной пропитки и диффузией молекул воды и ионов растворенных элек­тролитов в самой глинистой породе.

Увлажнение глинистых пород по-разному влияет на их устойчи­вость. В отличие от однородных массивных залежей глин в сланцевых глинистых породах увлажнение приводит к набуханию по поверхно­стям спайности и сланцеватости, где имеется тонкий слой высокодис­персных коллоидных частиц. Этот слой в первую очередь увлажняет­ся, теряет прочность и выполняет роль смазки на поверхностях сколь­жения. Это приводит к осыпанию сланцевых пород, особенно в случае крутого падения пластов.

Увеличение влажности однородных глин влечет их набухание, разрастание полимолекулярных слоев и ослабление внутриструктурных связей. На первых этапах развития процесса может происходить кратковременная усадка глин влечет их набухание, разрастание поли­молекулярных слоев и ослабление внутриструктурных связей. На пер­вых этапах развития процесса может происходить кратковременная усадка глины в связи с переукладкой структурных элементов и разру­шением пор, но затем очень быстро она сменяется резким увеличением общего объема вследствие гидратации глины. Так как процесс гидра­тации происходит в стесненных условиях, он сопровождается ростом давлений. Разбухая, глины выпирают в ствол скважины. Осмотическое давление, по данным исследователей, может достигать 24 МПа и бо­лее. Температурный фактор интенсифицирует процесс набухания глин.

Увлажнение глины и поглощение воды происходят за очень ко­роткое время (практически за первые 20 - 30 с), второй этап, соответ­ствующий процессу набухания глины, достаточно продолжителен (рис. 8.9).

Диффузия воды приводит к распространению фронта повышен ного увлажнения глин все дальше в глубь массива от стенки скважи­ны, и в неустойчивое состояние вовлекается все большая масса глины Поэтому очень важно распознать процесс в самом его начале и пре­дотвратить дальнейшее развитие зоны увлажнения правильным под­бором промывочных жидкостей и их свойств.

Ранее диагностирование потери устойчивости стенок скважины проводится по данным непрерывного контроля за изменением давле­ния в нагнетательной линии бурового насоса и крутящего момента на роторе, а также за проходимостью бурового инструмента по скважине. Если наблюдается постепенное повышение давления в нагнетательной линии без изменения подачи бурового раствора, и оно сопровождается ростом крутящего момента, это может служить одним из признаков начавшейся деформации стенок скважины. Интервалы потери устой­чивости можно приближенно определить по изменению нагрузки на крюке при подъеме инструмента.

Для повышения стабильности стенок скважины в глинистых по­родах следует применять буровые растворы, которые не оказывали бы отрицательного влияния на естественную влажность и прочность гли­нистых пород, а для этого они должны иметь следующие особенности: образовывать на стенках скважины в интервале залегания глини­стых пород полимерглинистую плотную пленку, способствующую значительному снижению показателя фильтрации и уменьшающую интенсивность физико-химических процессов;

активность водной фазы буровых растворов на углеродной основе должна быть снижена до уровня ее активности в разбуриваемых гли­нистых породах; как показали исследования, вода этих растворов, да­же экранированная эмульгатором, сохраняет способность интенсивно гидратировать глину. Активность воды сохраняется благодаря разли­чию давления ее паров в эмульсии и в глинистой породе. Активность водного компонента, как показали исследования в бывшем Волго- градНИПИнефти, может быть снижена введением некоторых раство­римых солей в водный компонент, например хлористого кальция;

состав фильтрата должен быть таким, чтобы его действие вызы­вало снижение лиофильности глин, что способствует снижению чувст­вительности глин и гидратации.

Это требованиям наиболее соответствует растворы на углеводо­родной основе (известково-битумный растворы и инвертные эмуль­сии) с регулируемой активностью твердой фазы, а также полимергли- нистые растворы, приготовляемые на основе биополимеров и высоко­молекулярных соединений. Однако применение последних систем на практике пока крайне ограничено их высокой стоимостью и дефицитом.

Хорошие результаты дает применение при бурении в сланцах калиевых растворов. Их ингибирующее действие на сланцы связано с

присутствием иона калия. Проникая в глинистые минералы, ион калия резко снижает их гидратацию и набухание.

Если диагностирование осложнений на ранних стадиях не удалось, или принятые меры оказались недостаточными, осложнения усугубляются и проявляются в виде осыпей и обвалов. Осыпи и обвалы представлят собой разновидность осложнений, когда значительные массы горных пород отделяются от стенок скважины и обрушиваются в ее ствол. Они сразу же детектируются по резкому увеличению давления в нагнетательной системе и крутящего момента на роторе, кото­рое нередко сопровождается последующим появлением значительных количеств шлама или крайним затруднением прокачивания раствора, а подчас и полным прекращением циркуляции. При дальнейшем развитии это осложнение может привести к затяжной аварии.

Выше был рассмотрен механизм возникновения осыпей и обвалов и глинистых породах при их увлажнений, однако они могут происхо­дить и по другим причинам, например при вскрытии слабосвязных сыпучих пород, сильно перемятых и трещиноватых горных пород; при бурении в соленосных толщах с переслаиванием обломочных пород с солями, где вследствие интенсивного растворения солей могут образо­вываться каверны, уступы и происходить осыпи из терригенных отло­жений; при растеплении многолетнемерзлых пород в стенках скважи­ны под воздействием циркулирующего агента с плюсовой температурой.

Принятие надлежащих профилактических мер, и в первую оче­редь правильный подбор промывочного агента по составу, свойствам и особенностям физико-химического взаимодействия с породами, сла­гающими стенки скважины, как показывает практика, позволяет зна­чительно увеличить продолжительность стабильного состояния стенок ствола, но она, как правило, остается ограниченной.

Это заставляет специалистов при проектировании конструкции скважины устанавливать протяженность интервалов бурения в откры­том стволе с учетом времени, в течение которого стенки скважины сохраняют устойчивость.

Разработана методика для учета допустимых количеств гидроди­намических импульсов воздействия на породу в открытом стволе. При подсчете учитываются импульсы, возникающие в процессе спуска и подъема инструмента, при наращиваниях бурильной колонны, при запуске насосов непосредственно в процессе бурения и в процессе вы­полнения специальных работ в скважине. На основании фактических наблюдений в ряде случаев удается определить критическое число гидродинамических импульсов, приводящих к интенсификации обва- лообразований. Так, проведенные по фактическим данным подсчеты для условий бурения на Ставрополье позволили установить, что для интервала, проходимого из-под кондуктора, критическое число гидро­динамических импульсов находиться в пределах 5140 - 6600. Чтобы

избежать обвалов, проходки интервала рекомендуется планировать с числом импульсов не более 5100.