Горная порода находится под вертикальным напряжением, создаваемым вышележащей толщей. Вертикальные напряжения порождают горизонтальные составляющие, зависящие от механических свойств породы. Напряжения в горных породах распределяются в трехмерном пространстве в направлении трех основных плоскостей напряжения, которые находятся по отношению друг к другу под прямым углом (см. рис. 14). Это (1) максимальное основное (осевое) напряжение (σ_max), (2) промежуточное основное напряжение (σ_int) и (3) минимальное основное напряжение (σ_min). Градиент гидроразрыва пласта равен минимальному основному напряжению. В тех районах, где напряжения вызваны не тектоническими силами, максимальное основное напряжение направлено вертикально (σ_z), за счет давления горных пород, в то время как промежуточное и минимальное основные напряжения (σ_x и σ_y) действуют в горизонтальном направлении, и равны по значению. Если ствол скважины отклонен по вертикали, устойчивость ствола под действием напряжений снижается; для сохранения устойчивости ствола, в зависимости от прочности породы, обычно возникает необходимость увеличения плотности бурового раствора. Наиболее удобный способ определения напряжений в стволе с отклонением по вертикали — распределить основные напряжения по направлению относительно профиля скважины так, чтобы получить радиальное (σ_R), тангенциальное (касательное) (σ_T) и аксиальное (осевое) (σ_A) напряжения (см. рис.15). Используя данные значения, с помощью программного обеспечения компании M-I SWACO по напряжениям можно рассчитать механическую устойчивость пласта для данного набора условий. Как показано на рис. 16, можно построить график зависимости общего дифференциального напряжения в породе (тангенциальное минус радиальное) от гидростатического давления.

Рис.14 Основные напряжения. Рис.15 Проявление напряжений в скважине, отклоненной по вертикали

Рис.16 Дифференциальное напряжение в наклонной скважине

Различные радиальные углы вокруг ствола скважины показаны с одной стороны (при 0°) до забоя (при 90°) и далее на другой стороне (180°). Если дифференциальное напряжение ниже предела прочности породы на растяжение (выраженный отрицательным значением), образуются трещины или происходит разрыв. Если плотность бурового раствора ниже градиента гидроразрыва, вероятность разлома или разрушения в околоствольной зоне постепенно исчезнет. Превышение плотности раствора над градиентом гидроразрыва может привести к потере циркуляции. В случае же, если дифференциальное напряжение будет превышать предел прочности породы на сжатие, может произойти отслаивание, обрушение ствола скважины или пластическая деформация (соли). После проведения анализа можно рассчитать безопасный диапазон плотностей раствора при бурении скважин с различными углами наклона, учитывая при этом также величину порового давления. Полученный рабочий диапазон плотностей бурового раствора будет гораздо меньше по сравнению с вертикальными скважинами (см. рис.17).

Рис.17 Плотность бурового раствора для поддержания устойчивости ствола

Тектонические силы

 Тектонические напряжения — это напряжения, ведущие к изменению структуры горных пород. Такие напряжения бывают вызваны региональными контактами и передвижениями плит земной коры, а также другими геологическими явлениями. Различие значений двух горизонтальных напряжений также обусловлено действием тектонических сил. В результате действия тектонических напряжений образуются сбросы и складки. Сжимающие тектонические напряжения приводят к тому, что, при уплотнении, хрупкие породы могут отслаиваться и обрушаться в ствол скважины, тогда как пластические породы, такие, как соли, выдавливаются в ствол скважины, что может привести к полному его перекрытию/сжатию. Под действием пространственных тектонических напряжений происходит разрыв пластов, что приводит к поглощению бурового раствора.

Складчатые пояса горных районов формируются в результате действия региональных сжимающих тектонических напряжений. Складчатый пояс состоит из антиклинальных и синклинальных складок, сформированных тектоническим сжатием (максимальным напряжением) действующим перпендикулярно осям складки (или перекрывающим плитам земной коры). Как максимальное, так и минимальное напряжение действует обычно в горизонтальном направлении, тогда как промежуточное напряжение в большинстве случаев действует вертикально. Сбросы в горных районах со сбросово-глыбовой структурой происходят под действием пространственных тектонических напряжений. Минимальное горизонтальное напряжение направлено перпендикулярно сбросовым линиям (или отступающим плитам земной коры), промежуточное осевое напряжение действует параллельно сбросовым линиям, а максимальное осевое напряжением — в вертикальном направлении. В районах, близких к залеганию соляно-купольных структур и плоских соляных залежей, напряжения изменяются в результате направленного вверх проникновения и миграции солей по горной породе. Трудно оценить, какое воздействие соляные отложения оказывают на поле напряжений, находящиеся в данной точке. Для повышения устойчивости ствола скважины чаще всего необходимо поддерживать высокие значения плотности бурового раствора. В таких районах часто возникают проблемы, ведущие к поглощению раствора и потере устойчивости ствола, так как данные струк- туры обладают крайне низким сопротивлением разрыву.