Для большей части программы бурения можно спрогнозировать условия, при которых будет обеспечена устойчивость стенок скважины, или при которых будет потеряна устойчивость стенок скважины. Если мы знаем напряжения в естественных условиях залегания, нам нужно найти интервал допустимых плотностей бурового раствора, при которых не будет ни поглощений, ни обрушений породы. Типичный интервал допустимых значений плотности бурового раствора показан на рис. 50. Если плотность раствора слишком велика, возможны поглощения. Если плотность бурового раствора слишком низка, возможны обрушения породы. Для определения интервала допустимых значений плотности бурового раствора используется инструмент, называемый "огибающая предельных кругов напряжений".

Предварительно нужно провести испытания нескольких образцов породы из интересующего нас пласта, как показано на рис. 48. Образцы нагружаются до разрушения при различных значениях бокового давления. По данным каждого испытания строится предельный круг напряжений (рис.48). Затем по верхам кругов проводится "огибающая предельных кругов напряжений". Эта линия определяет границу устойчивости. Если точка, характеризующая напряженное состояние, находится ниже этой линии (желтая область), то стенки скважины устойчивы. Если нет, стенки неустойчивы.

Рис. 48 Огибающая предельных кругов напряжений (Определить интервал допустимых напряжений можно путем испытаний образцов при различных значениях бокового давления).

Вспомним, что в большинстве случаев разрушение происходит из-за чрезмерного касательного напряжения. Вспомним также, что касательное напряжение возрастает с увеличением разности между наибольшим и наименьшим главными напряжениям (максимальное касательное напряжение характеризует радиус круга). Главными напряжениями, представленными на круге напряжений, обычно являются кольцевые напряжения, σ_θ, и радиальные напряжения, σ_r. При увеличении радиальных напряжений кольцевые напряжения уменьшаются. Таким образом, увеличение плотности бурового раствора влияет и на те и на другие напряжения и приводит к уменьшению круга напряжений, если радиальные напряжения меньше кольцевых, или к увеличению круга, если радиальные напряжения больше кольцевых (рис.49).

Огибающая предельных кругов напряжений помогает понять, как изменение параметров бурового раствора, таких как его плотность и температура, влияет на устойчивость стенок скважины. Но сначала посмотрим, какие факторы влияют на устойчивость стенок.

Огибающая предельных кругов напряжений помогает понять, как изменение параметров бурового раствора, таких как его плотность и температура, влияет на устойчивость стенок

Факторы, влиящие на устойчивость стенок скважины

На устойчивость стенок скважины влияют несколько факторов:

• Плотность бурового раствора

• Прочность породы

• Колебания температуры

• Анизотропия напряжений и прочности

• Ориентация и наклон траектории скважины

• Проникновение в пласт фильтрата бурового раствора

• Вибрация бурильной колонны

• Геометрия ствола скважины

Плотность бурового раствора

Давление столба бурового раствора создает радиальное напряжение, действующее на стенки скважины. Вспомним, что говорилось в разделе "Механика горных пород" о влиянии радиальных напряжений на устойчивость стенок скважины.

Напряжение в материале, удаленном при бурении, должно быть восполнено комбинацией кольцевого и радиального напряжений. Как показывает уравнение: Перераспределение полного напряжения = радиальные напряжения + кольцевые напряжения  чем выше плотность бурового раствора, тем ниже кольцевые напряжения.

Плотность бурового раствора не только уменьшает кольцевые напряжения, но также создает боковое давление, увеличивающее кажущуюся прочность породы.

Способность уменьшать кольцевые напряжения и одновременно увеличивать кажущуюся прочность породы делает плотность бурового раствора мощным инструментом для борьбы с потерей устойчивости стенок скважин.

Можно увеличить плотность бурового раствора до такого значения, при котором кольцевые напряжения уменьшатся до нуля. Если увеличить плотность бурового раствора слишком сильно, то кольцевые напряжения станут растягивающими, и порода может разрушиться из-за чрезмерного растяжения . Именно это и происходит при гидроразрыве пласта.

Влияние плотности бурового раствора можно проиллюстрировать графически с помощью огибающей предельных кругов напряжений для различных значений плотности бурового раствора (рис. 49).

Увеличение плотности бурового раствора приводит к возрастанию радиальных напряжений и уменьшению кольцевых напряжений. При чрезмерном увеличении сжимающие напряжения могут уменьшиться до нуля и превратиться в растягивающие. Уменьшение плотности бурового раствора приводит к возрастанию касательных напряжений, поскольку оно сопровождается уменьшением радиальных напряжений и возрастанием кольцевых напряжений. Если круг напряжений выходит за огибающую, стенки скважины становятся неустойчивыми.

Рис. 49 Круги напряжений для различных значений плотности бурового раствора

Известны различные подходы к оптимизации плотности бурового раствора. Один из них предусматривает изменение плотности таким образом, чтобы кольцевые напряжения уменьшились до нуля. Он известен как метод средней линии, предложенный Аас1поу. Метод средней линии основан на предположении, что для уменьшения кольцевых напряжений до нуля нужно изменить плотность бурового раствора до среднего между численными значениями градиента порового давления и градиента давления гидроразрыва пласта. На рис. 50 дана графическая иллюстрация этого подхода.

Может появиться искушение держать плотность бурового раствора на как можно более низком уровне, чтобы до максимума увеличить скорость проходки. К сожалению это часто приводит к увеличению диаметра ствола и потерям времени из-за сужения ствола. Метод средней линии дает возможность свести к минимуму проблемы в скважине за счет некоторого уменьшения скорости проходки на небольших глубинах. Аас1поу приводит перечень скважин, пробуренных с использованием метода средней линии.