Проникновение в пласт фильтрата бурового со временем приводит к потере устойчивости. При поступлении фильтрата в пласт возрастают касательные напряжения и уменьшается кажущая прочность породы. Некоторые глинистые породы при контакте с водой заметно набухают и диспергируются. Сильно диспергированные глинистые породы могут подвергнуться эрозии от воздействия турбулентного потока и пульсаций давления. Глинистые породы с высоким содержанием смектита в наибольшей степени степени подвержены диспергированию и эрозии.

Фильтрат проникает в пласт постепенно (рис.55, 59). Чем выше проницаемость глинистой породы, и чем больше репрессия, тем быстрее фильтрат проникает в пласт. В процессе бурения осложнений, связанных с набуханием глин, не возникает. Осложнений не будет, пока фильтрат не проникнет в глинистую породу и, со временем, не вызовет ее ослабление и диспергирование. Аналогичным образом ослабевают со временем ненабухающие глины.

Рис.59 Развитие процесса проникновения фильтрата в пласт

Дифференциальное давление и, следовательно, радиальные напряжения, уменьшаются пропорционально корню квадратному из времени.

Проникновение фильтрата в пласт происходит под действием трех факторов:

•     Репрессия

•     Активность воды

•     Действие капиллярных сил

Репрессия является доминирующим фактором в молодых, слабо консолидированных глинистых породах. Репрессия является также основным фактором в более древних, лучше консолидированных глинистых породах, но в здесь все более важную роль играет активность воды, поскольку уменьшаются размеры устьев пор (под активностью воды понимается действие сил притяжения и отталкивания, обусловленных наличием электрических зарядов на поверхности контакта воды и глинистой породы). Капиллярные силы играют важную роль в зонах трещиноватости, особенно когда глинистая порода не полностью насыщена. Очевидно, что проникновение в пласт фильтрата бурового раствора является неблагоприятным фактором. Оно приводит к потере устойчивости стенок скважины.

Одной из целей специалистов по проектированию скважин и по буровым растворам является снижение скорости движения фильтрата в пласт. К сожалению, этого нельзя достичь используя глинистую корку и реагенты-понизители водоотдачи, действующие в корке.

В высокопроницаемых породах, таких как песчаники, на стенках скважины образуется фильтрационная глинистая корка, препятствующая утечке бурового раствора в пласт. Даже при наличии хорошей фильтрационной корки определенная часть фильтрата постоянно проходит через нее и проникает в пласт. Если пласт имеет достаточную проницаемость, чтобы образовалась фильтрационная корка, то он имеет достаточную проницаемость, чтобы фильтрат проник глубоко в пласт. Чтобы удержать фильтрационную корку на месте, нужно поддерживать дифференциальное давление.

Однако глинистые породы недостаточно проницаемы, чтобы на их поверхности формировалась устойчивая фильтрационная корка. Проницаемость фильтрационной корки на поверхности песчаников обычно на несколько порядков превышает проницаемость большинства глинистых пород. Поры в глинистых породах настолько малы, что попасть в них могут лишь немногие, если вообще какие-либо, твердые частицы. Твердые частицы задерживаются на стенках скважины, как на фильтре, и проникнуть в глинистую породу может лишь фильтрат, не содержащий твердой фазы. Поток фильтрата в глинистой породе недостаточно велик для того, возникающее дифференциальное давление сильно прижимало твердые частицы к стенке ствола. Действие потока бурового раствора и механическая эрозия вследствие взаимодействия с бурильной колонной удаляют глинистую корку со стенок скважины (рис. 60).

Рис. 60 Фильтрационная корка на поверхности глинистой породы (Глинистые породы недостаточно проницаемы, чтобы на их поверхности формировалась фильтрационная корка. Все твердые частицы задерживаются на стенках скважины, как на фильтре, но они не прижимаются к стенке скважины дифференциальным давлением настолько сильно, чтобы не быть сорванными потоком).

Утверждать, что на поверхности глинистых пород фильтрационная корка вообще не образуется, не совсем правильно. Когда колона неподвижна и нет циркуляции, на стенке может образоваться неустойчивая глинистая корка, но при восстановлении циркуляции она не удержится на стенке и будет удалена. В крупных порах или трещинах, где образуются мосты из твердых частиц, может существовать внутренняя фильтрационная корка. Однако на большей части поверхности глинистой породы, находящейся в контакте с буровым раствором, устойчивая глинистая корка, которая не будет удалена потоком циркулирующего бурового раствора, отложиться не может. Даже если это произойдет, расход фильтрации через глинистую породу будет меньше расхода через фильтрационную корку.

Есть несколько способов, позволяющих свести к минимуму или предотвратить проникновение в пласт фильтрата. К ним относятся:

•     Уменьшение репрессии,

•     Уменьшение проницаемости глинистых пород,

•     Увеличение вязкости фильтрата бурового раствора, и

•     Создание полупроницаемой мембраны для уравновешивания дифференциального давления осмотическим давлением.

Уменьшение репрессии, прежде всего, противоречит задаче поддержания репрессии. Некоторая репрессия необходима для создания радиальных напряжений на стенке скважины. Однако чрезмерная репрессия может быть вредной, даже если она недостаточно велика, чтобы привести к поглощению. Должна поддерживаться оптимальная репрессия, при которой действуют достаточные радиальные напряжения, но утечки фильтрата минимальны. Один из путей определения такой репрессии - метод средней линии, предложенный Аadпоy.

Уменьшение заданной репрессии может иметь очень серьезные последствия. Проникновение в пласт фильтрата вследствие существовавшей ранее репрессии приведет к повышению порового давления до значения, которое может превышать новое давление в скважине. Это вызовет уменьшение или даже перемену знака радиальных напряжений, что сильно отразится на устойчивости стенок скважины. Поэтому эффект поршневания при подъеме инструмента, очевидно, отрицательно сказываются на устойчивости стенок скважины.

Уменьшение проницаемости глинистых пород достигается благодаря химическим реакциям между фильтратом бурового раствора и глинистой породой или чрезвычайно мелким частицам, образующим материал глинистой корки. Следует отметить, что многие пласты, сложенные глинистыми породами, характеризуются наличием большого количества трещин, как естественных, так и образовавшихся в процессе бурения. Фильтрат бурового раствора проникает в пласт, главным образом, по этим трещинам. В таких случаях эффективен гильсонит и другие добавки, способствующие образованию глинистой корки (рис. 61). Для повышения вязкости фильтрата бурового раствора используются такие добавки, как гликоль, глицерин, сахара и силикаты. Эти добавки воздействуют на псевдокристаллическую структуру воды, связанной с поверхностью глины.

Достичь баланса между осмотическим давлением и дифференциальным давлением проще при бурении на РУО, чем на РВО. При использовании РУО этого можно достичь, добавляя ПАВ и соли. ПАВ нужны для создания на стенках скважины полупроницаемой мембраны. Соли применяются для обеспечения требуемой солености эмульгированной водной фазы РУО. Создать полупроницаемую мембрану при использовании РВО труднее. Тем не менее, достичь баланса между осмотическим давлением и дифференциальным давлением при использовании РВО возможно, хотя и менее вероятно.

Рис. 61 Проницаемость глинистых пород (Проницаемость глинистых пород уменьшается, когда фильтрат связывается с поверхностью породы. При этом уменьшается ее эффективная пористость).

Осмотический поток воды в массив глинистой породы и из него обусловлен разностью концентраций солей в фильтрате бурового раствора и в жидкости, заполняющей поры. При очень высокой концентрации солей в буровом растворе вода вытесняется из глинистой породы (рис.62). При очень низкой концентрации солей в буровом растворе вода втягивается в глинистую породу. При наличии репрессии вода также проникает в глинистую породу. Можно установить баланс между потоком, обусловленным дифференциальным давлением, и осмотическим потоком из глинистой породы, так чтобы в итоге поровое давление оставалось неизменным.

Рис. 62 Осмотический поток в глинистых породах

 Для осмотического потока требуется идеальная полупроницаемая мембрана. Глинистые породы не обеспечивают идеальную мембрану, поскольку размер их пор изменяется в широком диапазоне. Некоторые ионы могут "перетекать" через мембрану с фильтратом. Когда фильтрат, содержащий ионы, смешивается с жидкостью, первоначально заполнявшей поры, возможные различия между буровым раствором и жидкостью, первоначально заполнявшей поры, уменьшаются. В результате осмотический поток ослабевает. Успешность использования осмотического потока для минимизации проникновения в пласт фильтрата бурового раствора в значительной степени зависит от качества "мембраны", образовавшейся на стенках скважины. Качество мембраны определяют ПАВ и качество глинистой породы.

Многие из этих ПАВ вредны для окружающей среды, как и многие нефти, поэтому от использования РУО часто отказываются, несмотря на их превосходные качества. С РВО удалось достичь некоторого успеха, но сложно найти подходящие ПАВ для работы в глинистых породах, которые были бы приемлемы с экологической точки зрения.

Жидкость движется через полупроницаемую мембрану под действием осмотического давления в область более высокой концентрации соли. Можно компенсировать уход жидкости из глинистой породы вследствие осмотических явлений поступлением в пласт фильтрата вследствие репрессии.

Осмотический поток может быть больше потока, вызванного репрессией. Это может привести к дегидратации глинистой породы. Дегидратация ведет фактически к увеличению прочности глинистых пород по тем же причинам, которые вызывают ослабление глинистых пород при проникновении в них фильтрата. Однако в этом случае возникает опасность поглощения или разрушения породы из-за появления растягивающих напряжений.

Если осмотический поток движется в пласт, то расход фильтрата, проникающего в пласт, возрастет. Здесь следует отметить, что L. Bailey et al. из Кембриджского исследовательского института оспаривают роль осмотического переноса.

Действие капиллярных сил является еще одним фактором, способствующим проникновению фильтрата в пласт. Многие пласты глинистых пород не насыщены смачивающей жидкостью, например водой, даже если эти пласты залегают ниже уровня воды. Когда эти глинистые породы находятся в контакте со смачивающей жидкостью, жидкость будет проникать в поры благодаря действию капиллярных сил. Воздух или газ, запертые в поровом пространстве, будут испытывать поровое давление, возросшее на величину капиллярного давления. Чем меньше диаметр устья поры, тем сильнее капиллярное давление. Именно капиллярное давление заставляет очевидно твердые, сухие образцы глинистых пород разрушаться при контакте с водой. Микроскопические и видимые трещины, которые кажутся плотно заполненными цементом, на самом деле проницаемы для жидкости, движущейся под действием капиллярных сил, и их поверхности смачиваются вскоре после контакта с водой. Капиллярное давление заставляет трещины широко раскрываться, и образец разрушается. Фильтрат бурового раствора может просочиться в мелкие трещины во вскрытых пластах, в результате чего гидратационные напряжения будут нарастать быстрее (рис.63).

Рис. 63 Действие капиллярных сил

Капиллярное давление зависит от сродства между глинистой породой и смачивающей жидкостью. Обычно чем более полярной является жидкость, тем лучше она смачивает глинистые породы. Вода является высокополярной жидкостью, а нефть неполярна. Это объясняет, почему ненарушенные образцы глинистых пород с одинаковой трещиноватостью разрушаются в воде и не разрушаются в нефти.

Глинистые породы не являются однородными. Они имеют поры различного размера и множество плоскостей напластования, они часто перемежаются тонкими прослоями песка. Поэтому их проницаемость изменяется с глубиной. Соответственно изменяется и расход фильтрации. Глинистые породы, залегающие вблизи проницаемых песков, могут принимать фильтрат бурового раствора из песка, так же как из скважины.

Вибрация бурильной колонны

Вибрация бурильной колонны способствует потере устойчивости стенок скважины в большей степени, чем представляет себе большинство людей. При вибрации бурильной колонны происходят колебания и радиальных, и осевых, и кольцевых напряжений. Эти колебания напряжений вызывают механическую усталость. В особо тяжелых случаях напряжения могут превысить предел текучести породы всего лишь за один цикл. Ниже рассмотрены различные типы вибрации бурильной колонны и влияние вибрации на устойчивость стенок скважины.

Бурильная колонна почти всегда находится в контакте со стенками скважины. Вращающаяся бурильная колонна может биться о стенки или перекатываться по окружности сечения ствола. Центробежная сила вынуждает вращающуюся колонну биться о стенки скважины. При ударе о стенку колонна передает ей момент количества движения и создает радиальную нагрузку. Затем она отскакивает от стенки и движется в другом направлении. Удары бурильной колонны о стенки скважины создают вибрацию во всей колонне. Вибрирующая колонна соударяется со стенками скважины в местах перегиба, одновременно в нескольких точках (рис.64).

Рис.64 Вибрация бурильной колонны

Величина момента количества движения или радиальные напряжения при ударе зависят, главным образом, от скорости перемещения колонны в радиальном направлении. Они зависят также от растяжения и массы бурильной колонны.

Вращающаяся бурильная колонна постоянно бьется о стенки скважины. Она соударяется со стенками скважины в нескольких местах одновременно. Частота соударений бурильной колонны со стенками скважины в большой степени зависит от ее ускорения, которое определяется растяжением колонны и частотой ее вращения. Частота соударений зависит также от расстояния, на котором ускоряется колонна после отскока от стенки и до следующего соударения. Поэтому чем больше диаметр скважины и чем меньше диаметр бурильной колонны, тем сильнее удар колонны о стенку скважины.

Радиальная скорость колонны зависит от расстояния, на котором ускоряется колонна после отскока от стенки и до следующего соударения. Таким образом, скорость колонны возрастает при увеличении диаметра скважины и/или уменьшении диаметра колонны. Ускорение колонны зависит от ее растяжения и частоты вращения. Ускорение возрастает при увеличении натяжения и/или частоты вращения колонны. Вращение с высокой частотой бурильной колонны небольшого диаметра, приподнятой над забоем, в скважине большого диаметра может привести к серьезным проблемам.

Часто совершают ошибку - вращают бурильную колонну, приподнятую над забоем, с высокой частотой для очистки ствола. Иногда это действительно необходимо. Нужно каждый раз оценивать целесообразность вращения колонны, приподнятой над забоем. При этом следует проявлять осторожность и не путать обвалившуюся породу с выбуренным шламомЕще один тип вибрации - "стоячая волна". Такая вибрация возникает, когда внезапно прекращается продольное перемещение бурильной колонны. Иногда стоячую волну используют для освобождения застрявшего шланга или шнура удлинителя. Когда движение бурильной колонны вниз резко прекращается торможением лебедки, вниз по колонне распространяется волна. Резкая остановка бурильной колонны на уступе в стенке скважины при подъеме приводит к аналогичному результату, но здесь волна движется в противоположном направлении. Чем сильнее растянута колонна, тем быстрее распространяется стоячая волна, и тем сильнее соударение колонны со стенкой скважины.

При работе бурового насоса возникают пульсации давления, вызывающие вибрацию бурильной колонны, особенно когда тарелки клапанов садятся неправильно. Эта вибрация иногда ощущается в буровом шланге. Долото также передает колонне осевую вибрацию и крутильные колебания. Шарошечные долота с крупными зубьями обычно создают более сильную вибрацию, чем долота с мелкими поликристаллическими алмазными вставками. Эта вибрация усиливается с увеличением массы и частоты вращения долота. Стабилизация долота с помощью КНБК большого диаметра позволяет свести эту вибрацию к минимуму. Массивная наддолотная компоновка ослабляет вибрацию. Чем массивнее КНБК, тем эффективнее ослабляется вибрация. Бурильная колонна, испытывающая крутильные колебания, ведет себя подобно винтовой пружине, изменяющей свою длину и диаметр при каждом цикле вибрации. В результате этого на стенках скважины возникают радиальные и осевые напряжения. Кроме того, крутильные колебания могут создавать кольцевые напряжения вследствие трения между колонной и стенками скважины.

Кольцевые напряжения создаются тангенциальной компонентой действующей силы вследствие трения между колонной и стенками скважины. Трение между колонной и стенками может быть двух типов, трение покоя и трение движения. Чтобы сдвинуть неподвижную бурильную колонну, нужно преодолеть трение покоя. Когда колонна находится в движении, между ней и стенками возникает трение движения. Силу трения обоих типов определяют по следующей формуле:

F = μN,

Где F - сила трения; μ - коэффициент трения ; N - радиальная сила, прижимающая колонну к стенкам скважины.

Коэффициент трения движения меньше, чем коэффициент трения покоя. Если вследствие крутильных колебаний частота вращения участка колонны уменьшается до нуля, для возобновления движения колонны нужно преодолеть трение покоя. Это трение влияет на кольцевые напряжения больше, чем трение движения. При очень медленном вращении колонны многие ее участки бывают временно неподвижны. Ротор может вращать колонну равномерно, но долото периодически останавливается, а затем снова поворачивается. Винтовая пружина закручивается и раскручивается, и осевая нагрузка на долото колеблется. Если построить зависимость между крутящим моментом и частотой вращения, то можно обнаружить существование "пороговой" частоты вращения, до которой крутящий момент не проявляется. При этой частоте вращения развивается достаточный крутящий момент, чтобы преодолеть трение, из-за которого некоторые участки бурильной колонны временно неподвижны. Когда трение покоя преодолено, действует только сила трения движения, и крутящий момент уменьшается. При увеличении частоты вращения вибрация усиливается, и крутящий момент возрастает.

В общем случае, чем больше частота вращения, тем разрушительнее вибрация. При бурении некоторых вертикальных скважин может существовать критическая частота вращения, которая вызывает резонанс в бурильной колонне. При этом возникают сильнейшие вибрации, чрезвычайно опасные и для колонны, и для скважины. Вопреки расхожему мнению, в большинстве скважин обычно не существует критической частоты вращения.Здесь слишком сильно варьируют геометрия ствола, параметры вибрации и ослабляющие факторы, чтобы возникал резонанс. Наиболее высока вероятность существования критической частоты вращения в вертикальных скважинах с номинальным диаметром ствола. Для точного расчета критической частоты вращения нужны идеальные условия. Перекатывающаяся колонна никогда не отходит от стенок скважины. Перекатываться по стенкам скважины колонну вынуждает центробежная сила. При этом трение влияет на кольцевые напряжения, а поперечная нагрузка, прижимающая бурильную колонну к стенкам скважины, влияет на радиальные напряжения. Если имеют место крутильные колебания, то изменяются и осевые напряжения на стенках скважины. Как мы помним, радиальные и осевые напряжения влияют на кольцевые напряжения. Все напряжения, обусловленные взаимодействием колонны со стенками скважины, являются циклическими, поэтому на стенках скважины происходят усталостные разрушения. Часто говорят о том, как поршневание при спуске и подъеме инструмента приводит к усталостному разрушению стенок скважины, но при этом происходит намного меньше циклов изменения давления, чем при вращении бурильной колонны.

Геометрия ствола

Форма ствола напрямую влияет на устойчивость стенок скважины. Большие поперечные нагрузки, создаваемые колонной в месте резкого искривления ствола, создают высокие напряжения на стенках скважины. Желоба, выработанные в стенках, изменяют распределение напряжений. В местах расширения ствола возрастают нагрузки, обусловленные вибрацией колонны (рис.65).

Рис.65 Типы разрушений при сдвиге и растяжении

Типы обрушения

Обрушение глинистых пород в скважину может происходить по двум основным причинам вследствие разрушения из-за чрезмерных напряжений и вследствие ползучести или текучести. Разрушение из-за чрезмерных напряжений происходит, когда нагрузка превышает прочность породы. Ползучестью называют непрерывную пластическую деформацию под неизменной нагрузкой. Когда такие породы как соль и набухающие глины выдавливаются в скважину, происходит их обрушение вследствие ползучести. Напряжения, вызывающие ползучесть, могут иметь механическую или химическую природу.