Обзор современных методов обеспечения устойчивости стенок скважины

В последнее время разведка на нефть и газ все более концентрируется на сложных объектах и больших глубинах. Соответственно, бурение становится все дороже, а осложнения при бурении – все более нежелательными. Чтобы снизить риск таких осложнений, требуются более определенные и точные предсказания целого ряда условий, параметров, свойств при планировании скважин, т.е. для обоснования геометрии ствола скважины, конструкции ее обсадки и режима бурения, включая регулирование плотности бурового раствора.

Механические свойства грунтов с целью определения соответствующих характеристик, получения зависимостей, описывающих деформирование грунтов, исследуются при лабораторных и полевых испытаниях.

В некоторых случаях допускается принимать характеристики по справочным данным, например, для предварительной общей оценки геологических условий строительной площадки [3].

Непосредственное использование справочных данных для инженерных расчетов возможно лишь на начальных стадиях проектирования и в случаях, оговоренных нормами и техническими условиями [3].

Основными закономерностями механики грунтов, необходимыми для построения методов расчета деформаций и прочности грунтовых массивов являются зависимости между напряжениями и деформациями грунта в условиях трехосного нагружения.

Параметры этих зависимостей входят в различные расчетные формулы как количественные характеристики механических свойств грунтов.

Важнейшими показателями механических свойств являются деформативные прочностные характеристики.

Многочисленными исследованиями грунтов установлен целый ряд характерных особенностей их поведения, практически не наблюдаемых при изучении свойств других, например, конструкционных (металл, дерево, бетон) материалов.

Результаты, объективно получаемые при исследовании грунтов в приборах, могут быть представлены в различной форме. Как известно, решения задач механики грунтов строятся на использовании тех или иных счетных моделей грунтовой среды.

При этом всегда неизбежной является схематизация свойств реального грунта, зависящая от выбранной расчетно-теоретической модели. Кроме того, необходимо увязывать форму представления результатов экспериментальных исследований, применяемое оборудование и требования, предъявляемые расчетной моделью к реализуемым ею характеристикам грунта.

Например, при проектировании оснований фундаментов при ограничении средних давлений условием p≤ R удовлетворительные результаты дает использование модели линейно-деформируемой среды.

Поскольку реализация этой модели связана с определением только двух характеристик – модуля деформации Е и коэффициента Пуассона ν (практически ограничиваются определением модуля Е), достаточным и оправданным является проведение в этом случае компрессионных или штамповых испытаний грунта. Проявляемое в настоящее время настойчивое стремление существенно повысить средние давления (p> R) на грунты диктует переход к более сложным расчетным моделям.

Многочисленные геодинамические и геомеханические явления, связанные с освоением недр, а именно с добычей полезных ископаемых, разработкой месторождений, строительством подземных сооружений, закачкой отходов производства в глубокие поглощающие горизонты, заставляют рассматривать эти факторы как неотъемлемую характеристику техногенного воздействия на
недра [4, 6]. Помимо экологических и технологических опасностей, которые приносят данные явления, они становятся в отдельных случаях фактором социально-экономической напряженности региона освоения недр [4].

Вместе с тем из опыта разработки месторождений твердых полезных ископаемых, строительства подземных сооружений хорошо известно, что познание геодинамических и геомеханических факторов, умелое управление ими и даже их использование могут значительно повысить экономичность освоения недр [6].

Общепризнанно, что наиболее существенным видом техногенного воздействия на недра является добыча нефти и газа [7].

Разработка нефтяных и газовых месторождений и связанные с ней изменения пластового давления, различные виды воздействия на залежь для поддержания пластового давления и повышения нефтеотдачи нарушают природное напряженно-деформированное состояние недр, создавая предпосылки для возникновения сильных и даже катастрофических природно-техногенных явлений, которые приводят к деформациям горного массива и земной поверхности, повреждениям и авариям систем и объектов обустройства, а также скважин и коммуникаций [4, 7].

Безусловно, сильные и катастрофические геодинамические и геомеханические события природно-техногенного характера на разрабатываемых месторождениях и других природно-технических системах и объектах нефтегазового комплекса представляют явление сравнительно редкое, опасность которого не стоит преувеличивать.

Прогнозирование этих событий и снижение масштабов их последствий являются актуальной проблемой, поскольку их возникновение может иметь катастрофические последствия для предприятий и природной среды [4].

Другой чрезвычайно важный аспект геомеханического поведения горных пород при освоении недр связан с их использованием для повышения эффективности добычи нефти и газа.

Устойчивость скважин тесно связана с геомеханическими характеристиками массива, его структурными особенностями и его исходным напряженным состоянием.

Деформации и оседания земной поверхности обнаруживаются чаще всего по достижении ими определенных опасных значений, а также по нарушениям подземных и поверхностных инженерных объектов, когда уже необходимо затратить значительные средства на восстановление поврежденных объектов. Начальные стадии этих процессов можно обнаружить только на основе специального маркшейдерско-геодезического мониторинга. Существующий опыт исследования и прогнозирования просадок земной поверхности свидетельствует о том, что сильные их проявления возможны в случае [5]:

• наличия аномально высоких пластовых давлений (АВПД) и разработки продуктивных объектов без поддержания пластового давления;

• низких прочностных и деформационных характеристик резервуара;

• наличия высокой пористости пород-коллекторов (до 30÷40%);

• относительно небольшой глубины разрабатываемых залежей (до 2000 м);

• значительной суммарной мощности продуктивных отложений.

Для большей части месторождений скорость просадки составляет небольшие значения – один-два сантиметра в год, а накопленные значения просадок не превышают десятков сантиметров.

Однако зафиксированный диапазон оседаний поверхности при разработке углеводородов весьма велик – наблюдаются оседания от нескольких миллиметров до нескольких метров, и в связи с этим обстоятельством маркшейдерско-геодезический мониторинг и прогноз деформационных процессов при разработке месторождений углеводородов являются обязательной нормой цивилизованной эксплуатации природных ресурсов [5].

При извлечении углеводородного сырья или воды известны многочисленные случаи сейсмических явлений [4]. Механизмов данных явлений может быть несколько: выделение техногенной сейсмической энергии связано с высвобождением основной сейсмической энергии находящегося поблизости сейсмически активного региона (очага); диффузия напряжений, возбуждающих сейсмические события; локальная реакция типа гидроразрыва на закачивание жидкости; восстановление равновесия регионального масштаба, связанное с перемещением жидкости, активизация тектонически активных зон и нарушений.

Среди специалистов существуют разные мнения о возможности прогноза природных землетрясений, и эти мнения меняются со временем. Иногда преобладает крайний пессимизм, иногда – крайний оптимизм. Однако совершенно определенно можно сказать, что к началу XXI столетия ученые не решили эту фундаментальную для человечества проблему. Еще сложнее обстоит дело с прогнозом техногенных землетрясений, которые пока еще представляют единичные явления, появившиеся в последние три десятилетия. Еще не выяснен механизм этих явлений, условия их возникновения, зависимость от природных и технологических факторов [6].

По всей вероятности, в обозримом будущем можно будет лишь ответить на вопросы: возможны ли техногенные сейсмические явления при разбуривании конкретного месторождения, и если да, то какой силы и какой из механизмов присутствует при наведении такой сейсмоактивности. Однако познав механизм данных явлений, можно проектировать превентивные меры, снижающие негативность их проявлений.

В процессе эксплуатации добывающих скважин, в результате образования воронки депрессии в прискважинной зоне пласта наблюдается значительное снижение пластового давления [1].

По мере работы добывающих скважин происходит расширение воронки депрессии, которая может охватывать значительные по площади участки залежи.

В результате этого пласт, особенно в прискважинной зоне, начинает испытывать дополнительную вертикальную нагрузку, приводящую к деформации полого пространства. При этом происходит как упругое, так и пластическое уменьшение емкостных и фильтрационных свойств пород.

Наличие необратимой деформации коллекторов обнаружено на многих месторождениях мира, где в процессе их разработки наблюдалось значительное снижение, пластового давления.

При этом было выявлено, что значения необратимой деформации коллекторов определяются не только значением падения пластового давления, но также палеоглубиной залегания пласта, литологическим типом пород и длительностью воздействия дополнительных нагрузок на продуктивные отложения. На примере месторождения Западной Сибири установлено, что необратимая деформация коллекторов приводит не только к замедлению темпов отбора нефти, но и снижению нефтеотдачи пластов.

Проявление необратимой деформации коллекторов на месторождениях Западной Сибири, по мнению специалистов, привело к потере десятков миллионов тонн, извлекаемых запасов нефти.

Особую чувствительность к действующим нагрузкам испытывают коллекторы трещинного и трещинно-порового типов, которыми представлены глубокозалегающие продуктивные объекты.

Для них характерно сравнительно быстрое и равномерное снижение пластового давления при использовании редкой сетки разведочных скважин, непредсказуемая динамика обводненности скважин, существенно неравномерная продуктивность скважин.

Все эти явления связаны с механическими особенностями поведения под нагрузкой трещиноватых пород-коллекторов.

К сожалению, на современном этапе проектирования вскрытия и разработки продуктивных объектов трещинно-поровых и даже чисто поровых коллекторов особенности их поведения под нагрузкой учитываются весьма слабо.

Особенности учета деформирования пористых консолидированных и тем более деформируемых трещиноватых сред практически не учитываются в гидродинамическом моделировании и создания технологических схем разработки месторождений. Устойчивость скважин при их строительстве и в процессе последующей эксплуатации – традиционная проблема механики горных пород. Точные аналитические решения механики горных пород не потеряли своей актуальности, но с появлением численных методов стали вытесняться из инженерной практики [2].

При большом разнообразии строения и свойств горных пород, которые пересекает ствол скважины в процессе ее проходки, последующего крепления и работы чрезвычайно трудно разработать модель, которая могла бы описать напряженно-деформированное состояние вскрытых разновидностей горных пород и использовать ее в качестве основы проекта.

Такая модель должна быть достаточно простой, чтобы разработанные на ее основе методы исследований устойчивости и разрушения горных пород можно было применять с уверенностью без чрезмерных затрат труда. В связи с этим одно из центральных мест в механике горных пород при разработке месторождений углеводородов занимает создание модели деформирования горного массива.

Создание модели деформирования горного массива применительно к разработке углеводородов является более сложной проблемой, чем решение аналогичной проблемы при разработке твердых полезных ископаемых, строительстве подземных сооружений или возведении высотных плотин. В данном случае исследователь если и проникает в недра Земли, то это проникновение определяется всего лишь диаметром скважины. Все остальные возможности познания массива пород (геофизические и др.) несут косвенную, требующую умелой интерпретации, информацию. Дополнительные сложности вносят эффекты консолидации массива при его вскрытии и извлечении флюида, термические напряжения, а также чаще всего полная неопределенность с исходным полем напряжений.

Знание исходного тензора напряжений, его ориентации и величины имеет фундаментальное значение в нефтяной промышленности, так как этот параметр влияет на многие аспекты разведки и разработки углеводородов.

Достаточно отметить, что трещина гидроразрыва пласта (ГРП) растет в направлении наибольшего сжатия, следовательно, зная направление максимального главного напряжения, и тем более его значение, можно гораздо более эффективно проектировать и выполнять ГРП. Овализация ствола скважины, ее разрушение являются также следствием действия высоких анизотропных напряжений.

Явления разрушения призабойной зоны, или пескопроявления, наносящие большой ущерб оборудованию нефте- и газопромыслов, также являются следствием действия природного поля напряжений, при этом, естественно, накладываются эффекты консолидации коллекторов, слабость их прочностных свойств.

Изучение физико-механических и компрессионных свойств продуктивных объектов – чрезвычайно сложный раздел механики горных пород. Как учесть при определении геомеханических параметров продуктивных объектов на образцах керна, добываемого из скважин на глубинах 4 км и более, многочисленные эффекты, связанные с разгрузкой образца от действующих высоких, чаще всего анизотропных напряжений, анизотропию свойств самого образца, влияние высоких температур, насыщенность пористой среды и целый ряд еще не менее значимых проблем?

В связи с этим параметрическое обеспечение самых оригинальных численных моделей деформирования горного массива чаще всего становится непреодолимой преградой при практической реализации этих моделей. В этих условиях исследователь вынужден использовать порой наиболее простые модели и подбирать входящие в них коэффициенты на основе эмпирических знаний.

Таким образом, одной из причин возникновения обвалов и гидроразрывов в процессе строительства скважин является исходное поле напряжений горной породы. Оно связано с неравномерными распределениями в пространстве скоростей тектонических движений и деформаций земной коры.

Анализ работ по определению условий устойчивости стенок скважины, в частности возникновения обвалообразований и гидроразрывов, показал перспективность дальнейших исследований в этом направлении. В свою очередь это ведет к необходимости экспериментального определения механических свойств горной породы.

Также следует отметить что определение направления максимального горизонтального напряжения на сегодняшний день осуществляется только путем проведения дополнительных геофизических исследований. Такой подход требует дополнительного вложения значительных средств. Следовательно, появляется необходимость в более дешевом и простом способе определения направления главного напряжения.

Литература:

1. Алимжанов А.М. Неосесимметричное упругопластическое состояние вокруг скважины при разупрочняющем действии бурового раствора // Материалы межд. конф. «Геодинамика и напряженное состояние земных недр». Новосибирск – Академгородок, 4–7 октября 1999. – С. 184–189.

2. Баклашов И.В., Геомеханика. Том I. Основы геомеханики / Баклашов И.В. // – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005. – 280 с.

3. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф., Устинов К.Б. Математическое и физическое моделирование разрушения горных пород в окрестности наклонно-направленных нефтяных и газовых скважин с учетом анизотропии упругих и прочностных свойств пород // Тезисы докл. на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. Нижний Новгород. 2006.

4. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Влияние добычи нефти в упругом режиме на изменение НДС горного массива. Часть 1. Анализ инструментальных наблюдений. Модель деформирования нефтяного коллектора под нагрузкой // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1998. – № 5. – С.71–80.

5. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г. Численная модель для расчета сдвижений горных пород при добыче нефти. – В кн.: Проблемы механики горных пород. – Санкт-Петербург. – 1997. – С.193–198.

6. Кашников Ю.А., Якушина Е.М., Ашихмин С.Г. Деформирование скального массива по системам трещин // Известия ВУЗов. Горный журнал. – 1992. – № 3. – С.75–80.