автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Предупреждение осложнений, связанных с потерей устойчивости стенок глубоких скважин в Прикаспийской впадине

Государственный комитет РСФСР по делам науки и высшей ¡лколы

Уфимский нефтяной институт

На правах рукописи СЕМЕНЫЧЕВ Герман Аркадьевич

ПРЗДУПРЕЗДЕНИЕ ОСЛОЖНЕНИЯ, СВЯЗАННЫХ С ПОТЕРВ1 УСТОЛЧИВОСТИ СТЕНОК ГЛУБОКИХ СКВАЖИН В ПРИКАС1ШСКОЛ ВПАДИНЕ

05.15.10 - Бурение скважин

Автореферат

диссертации на соискание ученол степени кандидата технических наук

Уфа - 199,-,

Работа выполнена в Главном территориальном управлении "Прикаспийгеология" и Алрелевском.отделении ВНИГНИ.

Научные руководители

О^щиальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор М.Т.Алишсанов,

- кандидат технических наук Э.А.Оголихин, ' ,

- доктор технических наук Н.Х.Каримов

- кандидат технических наук Б.В.Байдюк.

- Полтавское отделение УкрНИГШ.

Защита диссертации оостоитоя "20" февраля 1992 г. в 15 часов на заседании специализированного совета Д 063.09.02 Уфимского нефтяного института по адресу: 450062, Уфа, ул.Космонавтов, I.

С диссертацией можно ознакомиться в техническом архиве Уфимского нефтяного инотитута.

Автореферат разослан

января

1992 г.

Ученый секретарь .

специализированного совета иисиы' Е.И.Ишемгужин

. , * 1 ОВЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

■■г'.м'ь :

Актуальность. Территория Прикаспийской впадины, особенно Западного Казахстана, в ближайшие годы будет вторым после Западной Сибири регионом по интенсивности развития геологоразведочных работ, в том числе глубокого бурения.

Проблема строительства глубоких скважин в зонах активного проявления горного давления, несмотря на применение специально разработанных буровых растворов, высокопрочных труб, современной технологии бурения, остается актуальной. Особенно этот вопрос обострился с выходом бурения на площади юго-восточного бортаПрикаспийской впадины ( Тенгиз, Королевская, Арман, Елемес, Айршаг-ыл, Маткен, Карачунгул и др. ) с их активной соляной тектоникой и высоким геотермическим градиентом.

Только за последнее время при проводке скважин в соленос-ной толще произошло нарушение обсадных колонн в двух скважинах на площади Елемес, в четырех скважинах на площадях Тенгиз, Королевская, и в двух разведочных скважинах на Карачаганакском месторождении. Необходимо признать, что предупреждение аварий л осложнений, связанных с нарушением устойчивости пород приствольной зоны, является нерешенной проблемой, так как из-за ■этих аварий и осложнений ежегодно буровым организациям Прикас-пия наносится ущерб в миллионы рублей.

Научно-исследовательскими и учебными институтами, буровыми организация!,'и немало сделано в исследованиях причин деформации стенок скважин и крепи в зонах залегания пластичных пород -исследованы реологические свойства пород в условиях всестороннего сжатия и высоких темпепатур; влияние соляного тектогенеза и изменения температурного поля на напргаенно-дефорг.гарованное состояние массива в околоскважинном пространстве. Достигнута возможность расчленения соленосного интервала по составу хлоридов . пс данным промыслово-геофизическпх исследований. Широкое распространение получила методика ПО УкрНИГРИ по предотвращению смятия обсадных колонн в зоне пластичных пород путем установки временных цементных мостов внутри труб.

Тем не менее,до настоящего времени среди исследователей не выработана единая точка зрения на процесс деформирования осадочной толщи вокруг вертикальной скважины в условиях воздействия различ-

ных факторов: противодавления на стенки скважины.гидратации пород фильтратом бурового раствора;не изучены прочностные и деформационные характеристики пластичных пород региона при бурении скважин.

Поэтому исследования неустойчивости стенок ствола глубоких скважин с учетом воздействия бурового раствора и разработка на основе этих исследований эффективных методов прогнозирования и предупреждения осложнений являются актуальными.

Цель работы. Разработка методов прогнозирования и предупреждения осложнений, связанных с потерей устойчивости стенок глубоких скважин в Прикаспийской впадине.

Основные задачи исследования.

1. Исследование напряженно-деформированного состояния упруго-пластичных пород приствольной зоны скважин во взаимодействии их с буровыми растворами,различными по плотности и составу.

2. Разработка метода определения параметров устойчивости пород приствольной зоны скважин по данным геофизических исследований.

3. Экспериментальные исследования деформации солей и глинистых пород с учетом минералогического состава пород,слагающих осложненный интервал разреза скважин, в среде буровых растворов при высоких температурах и давлениях.

4. Экспериментальные исследования разупрочнения горных пород для сравнительной оценки эффективности типов буровых растворов.

5. Разработка технологии бурения глубоких скважин в юго-восточной части Прикаспийской впадины в условиях активного проявления горного давления, сужений стволов и обвалов пород в пластичных солях, глинах и неустойчивых аргиллитах.

Научная новизна. Разработан метод определения параметров устойчивости пород приствольной зоны скважин в результате исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород во взаимодействии с буровыми растворами.

Экспериментальными исследованиями установлен показатель разупрочнения пород в среде буровых растворов при температурах и давлениях, приближенных к забойным, и обоснован выбор оптимального типа бурового раствора для подсолевых отложений и соленооной толщи юго-восточной и южной частей Прикаспийской впадины.

Практическая ценность. Разработаны методы прогнозирования и предупреждения осложнений при бурении в зонах активного проявления горного давления.

Предложен метод определения параметров устойчивости пород приствольной зоны скважин но данным промыслово-гесфизических исследований.

Обоснована методика исследования пород в среде буровых растворов при высоких температурах и давлениях. По результатам исследований разупрочнения пород в среде буровых растворов в условиях, приближенных к скважиным, обоснован выбор типа бурового раствора для бурения без осложнений в подсолевых и солевых отложениях юго-восточной и южной частях Прикаспийской впадины.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при бурении глубоких скважин в сложных геологических условиях на площадях юго-восточной и южной частей Прикаспийской впадины: Елемес, Айршагыл, Кум, Междуречье.

Основные положения проведенных исследований включены в "Проект технико-технологических решений строительства скважин в условиях активной тектоники Прикаспийской впадины на базе научно обо* снованной концепции деформации горного массива",утвержденный Министерством геологии СССР в 1991 году.

Апробация работы: Основные положения диссертации доложены на Всесоюзном научно-практическом семинаре-совещании "Научные исследования и технология проводки скважин в интервалах залегания пластичвских пород" (г.1^рьев, 1968г.); IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (г.Фрунзе,1989г.); X отчетно-научной конференции Института математики и механики АН КазССР (г.Алма-Ата, 1990г.); Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (г.Якутск,1990г.); координационном Совещании по целевой программе "Горное давление" (г.Актюбинск,1990г.); X Всесоюзной научной конференции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Физические процессы горного производства" Сг.Москва,1991г.), Объединенном семинаре по механике Института математики и механики АН КазССР (Алма-Ата,1991г.); научно-практической конференции АН КазССР (г.Шевченко, 1991г.), У11 Всесоюзном съезде по теоретической и пркладной механике (г.Москва,1991г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в десяти печатных работах и двух изобретениях.

Структура и объем работы. Диссерация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений.

Работа содержит t1S страниц машинописного текста, Vi рисун-« ков, 12 таблиц и 3 приложения на б страницах. Список использованной литератур! зключает (00 наименований.

Экспериментальные исследования проводились в Апрелевском отделении ВНШШ. Автор выражает благодарность инж.Якубовичу А.Л. за оказанную помощь в проведении экспериментальных работ.

КРАТНОЕ СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается анализ особенностей геологических условий бурения скважин на территории Прикаспийской впадины и ос* ложнений, связанных с потерей устойчивости пород на стенках скважины.

Сложное геологическое строение Прикаспийской впадины: многообразие условий залегания пород, наличие в разрезе зон активного проявления горного давления и горизонтов с аномально-высокими пластовыми давлениями,рапопроявляющих горизонтов, содержание в пластовых флюидах сероводорода и кислых газов- вызывают серьезные осложнения при бурении. Более 50% затрат времени на ликвидацию осложнений составляют затраты,связанные с потерей устойчивости пород приствольной зоны скважины. Анализ осложнений этого типа за последнее десятилетие на территории Западного Казахстана с распределением их по разрезу показывает,что к надсолевой части разреза приурочено 24,3$, соленосной толще - 56,45» и подсолевому комплексу - 19,3$ осложнений.

Во второй главе содержится краткий анализ исследований по проявлению горного давления в вертикальных шахтных стволах и проблемам горного давления в условиях глубоких скважин.

Современные достижения науки о горном давлении базируются на фундаментальных исследованиях отечественных и зарубежных уче« ных. Современные исследователи из-за сложности процессов,происходящих в массиве горных пород, выделяют те или иные стороны проявления горного давления. В связи с этим теоретические исследования проявления горного давления можно представить тремя направлениями.

К первому направлению относятся исследования М.М.Протодья« коноза, П.М.Цимбаревича, М.И.Бродского, К.Терцаги, В.Д.Слесаре-ва и других, основанные на данных практики и специальных гипотезах с использованием методов строительной механики. Вопросы проявления горного давления рассматривались ими без учета взаимодействия двух главных элементов подземного сооружения - массива горных пород и крепи.

Исследования А.Н.Динника, Г.Н.Савина, С.Г.Лехницкого, Р.<Е«ннера, А.Лабасса, Н.С.Ерясанова, Е.И.Шемякина, К.В.Г^уппеней-та, Ю.М.Либермана и др., основанные на методах механики деформируемого твердого тела, относятся ко второму направлению:работы этих авторов способствовали разработке различных аспектов горного давления с учетом взаимодействия массива горных пород и крепи.

Применение теории устойчивости равновесия пространственных деформируемых тел к анализу устойчивости горных выработок проведено лишь в последнее время. Подобный анализ рассматривается как третье направление. Это новое направление в механике горных пород развил Л.В.Ершов. Он впервые использовал соотношения устойчивости равновесия деформируемых тел для анализа устойчивости вертикального шахтного ствола, пройденного в упругом изотропном массиве горных пород. Достаточно полный обзор работ и возможности этого направления исследований даны М.Т.Алимжановым.

Результаты работ А.И.Динника, С.Г.Лехницкого, А.В.Моргаевско-го, Г.Н.Савина и других исследователей нашли применение в бурении скважин.

Исследованиям механизма проявления горного давления в глубоких скважинах посвящены работы Б.В.Байдюкн, В.С.Войтенко, И.А.Гриценко, Д.В.Дашша, ГО.А.Еремеева, Ю.П.Желтова, И.М.Ишен-ко, Н.Х.Каримова, Е.Г.Леонова, М.Р.Мавлютова, В.С.Новикова, А.Н.Попова, М.К.Сеид-Рэа, Г.А.Стрельца, В.Д.Терентьева,И.С.Ти -мофее^а, Б.С.Филатова и других.

В работах Б.В.Байдюка, М.К.Сеид-Рза, Н.С.Тимофеева,М.Д.Фа-талиева, Л.А.Шрейнера и других определены технологические параметры бурения и реологические параметры горных пород, при которых стенки скважин устойчивы. Однако использование модели упругой среды оказалось ограниченным,поскольку породы стенок глубоких скважин зачастую выходят за пределы упругого деформирования.

Д.В.Даныш, В.С.Войтенко, Е.Г.Леонов, Ю.А.Еремеев, Г.А.Стрелец, Б.С.Филатов отразили в своих работах пластический характер дефоршрования соляных пород с учетом скорости деформации,исхоп« из лабораторных экспериментов и данных промыслово-геофизичес-ких исследований.

Исследуя пластические деформации пород околоствольной зоны, Ю.П.Желтов и С.А.Христианович определили радиус области разгрузки горного давления вокруг скважины. В.С.Войтенко,Е.Г.Лео«

нов, Б.С.Филатов,используя линейную зависимость между компонентами напряжений и деформаций и условие Мизеса, получили формулу для скорости сужения стенок скважин в пластичных породах.

Для описания механизма деформации высокопласткчных глин Е.Г.Леонов и В.М.Триадский использовали вязкопластическую и псевдопластическую реологические модели и получили формулу скорости сужения стенок скважины в этих породах.

В этом направлении вели работы по Днепровско-Донецкой впадине - И.М.Ищенко и А.П.Сельващук, по Прикаспийской впадине - О.К.Ангелопуло, М.А. Танкибаев, У.С.Карабалин, Б.Д.Аль-сеитов, а для площадей Азербайджана - М.К.Сеид-Рза, Ш.И.Исмайы-лов, А.М.Орман.

Несмотря на существующие теоретические и экспериментальные методы расчета, необходимость обеспечения устойчивости равновесия пород на стенках ствола скважин в сложных геологических условиях юго-восточной части Прикаспийской впадины (активного тектогенеза,повышенного термоградиента и низкой предельной прочности пород) потребовала проведения целенаправленных исследований по разработке новых методов определения параметров устойчивости стенок скважин и разработки на их основе новой технологии бурения в этом регионе.

Известно,что для проведения лабораторных исследований необходимы образцы керна горных пород, однако отбор керна для специальных исследований из солевой толщи в условиях практики является сложной задачей как с технологической,так и с организационной точек зрения. Технологически затруднительно обеспечить отбор керна для изготовления образцов,используемых при проведении исследований из-за размыва соляных пород, а организационно- из-за необходимости проведения целенаправленной работы с отвлечением от процесса бурения.

В следующей главе предлагается дальнейшее развитие подхода В.С.Войтенко, Е.Г.Леонова и Б.С.Филатова к определению свойств пород по промысловым данным. Отличие от существующего подхода в том, чт тенок скважи—

используя данные промыслово-геофизических исследований (профи-леметрии и кавернометрии), наиболее полно отражающие реальную

ны определяется

пород,

деформацию массива горных пород в геологических условиях этого района. Кроме того, технологическая ситуация в скважине в процессе бурения солевых отложений меняется очень быстро и часто требует принятия оперативного решения. Поэтому очевидно^преимущество метода определения параметров устойчивости пород"резуль-тате экспресс-анализа по сравнению с методами, требующими отбора образцов керна и продолжительных лабораторных исследований.

В третьей главе исследованы модели упругопластического равновесия массива горных пород с вертикальной скважиной и определены параметры устойчивости пород приствольной зоны во взаимодействии их с буравам раствором.

Устойчивость стенок глубоких скважин исследована при условиях, что породы осадочной толщи несжимаемы и подчиняются теории малых упругопластических деформаций при степенном упрочнении.

бг-( I )

/

где - интенсивность напряжений, <5С" - интенсивность де-

формаций, Д, гп — постоянные, причем о гп < У.

Задача рассмотрена в условиях плоской деформации при граничных условиях:

при Г —- 00 (2)

бг-Р при г - /?о ,

где ; /?о -радиус скважины, плот-

ность породы и бурового раствора.

Используя законы активной пластической деформации несжимаемых материалов, уравнения равновесия, условие несжимаемости, соотношение (I) и граничные условия (2), найдено, что компоненты напряженно-деформированного состояния вокруг скважины (до потери устойчивости ее стенок) имеют вид:

с?; = ^ 4 - (¿>„¿4, - РХ ^

(3)

Л

Гт~ Зт

~Р) / /3 2Д ( Т; • "о .

Исследуя процесс потери устойчивости равновесия пород приствольной зоны, ведущий к сужению (изменению размеров и формы ) скчаи/ны, методами, изложенными М.Т.Алимжановым, получим, что "инимально допустимая плотность бурового раствора -определится по формуле

~ Яг , (4)

где К0 - коэффициент,зависящий от глубины бурения и экспериментально определяемых параметров А \\ т , Ъ настоящее время из_эа трудоемкости лабораторных экспериментов нет на-де;шых данных о параметрах й- и /77 . Поэтому для выявления хаплктера изменения коэффициента /-(а в зависимости от глубины бурения /£ , прсностных и деформационных свойств породы (коэффициента сиепленчя К , угла ьнутреннего трения У , модуля сдвига & ), а также критического радиуса зоны неупругих деформаций (ЗНД) вокруг скважины .У* и других факторов использованы яыражения, полненные М.Т.Али«жановым. При этом принято, чю осадочная толща однородна и изотропна,рассматриваемая глубина меняется от 1000 до 7000 м; = 2500 кг/м1 ; коэффициент Пуассона ^ =0,3; & изменяется от 100 до 1000 Ша" К = 0,1 Ша , V £ 20°. Эти условия примерно соответст-

вуют песчано-глинистым отложениям,довольно часто встречающимся при бурении глубоких скважин.

Согласно указанным условиям определены все необходимые параметры, составлена программа и выполнен расчет на ЭВМ.Анализ численных данных показал, что с увеличением глубины бурения как минимально допустимая плотность бурового раствора, так и коэффициент Ко увеличиваются. С уменьшением как угла внутреннего трения У » так и модуля сдвига & (при фиксированной глубине бурения), минимально допустимая плотность бурового раствора также увеличивается. Эта закономерность подтверждается данными промысловой практики.

3 условиях рассмотренного примера коэффициент К„ изменяется от 0,35 до 0,93. Первое его значение следует подставлять в формулу (4) для пород более прочных при глубине бурения 1000 м, а второе - для пород, обладающих незначительным модулем сдвига и небольшим углом внутреннего трения при глубине 7000 м.

Одно из наиболее тяжелых осложнений при бурении сква-зин в солях - сужение ствола, как следствие деформационных процессов в солевом массиве из-за потери устойчивости упругоплас-тического равновесия пород приствольной зоны. Поэтому определение минимально допустимого значения плотности бурового раствора сведено к задаче устойчивости упругопластического равновесия тел.

При решении задачи использована цилиндрическая система координат. В качестве условия пластичности принято условие:

где , - нормальные компоненты напряжения

^ - компоненты касательного напряжения

Для связи между деформациями и напряжениями в области упругих деформаций используется закон Гука, а в зоне пластических деформаций - соотношение

где б^* - компоненты напряжений, *- пластический

потенциал, в качестве которого принимается условие пластичности (5); положительный множитель.

Рассматривая плоскую потерю устойчивости равновесия пород приствольной зоны, получено, что критическая (минимально допустимая) плотность бурового раствора находится по формуле:

(7)

В результате проведенных исследований получены формулы, связывающие 5 параметров:

илв - *о ¿Го. '

где ЪЬЯ - радиальное перемещение.

По известному значению и величине кото-

рая находится по замерам геофизических исследований,определяются величины параметров /<, .обеспечивающих устойчивое состояние стенок скважин.

Задавая допустимое для нормального технологического процесса значение ¿¿#0 .находим оптимальную величину плотности бурового раствора для сважины на заданной глубине.

Преимущественно предложенного метода в том,что параметры устойчивости стенок скважины могут быть определены по геофизическим данным, не проводя специальных исследований керна в лабораторных условиях.

Опытная проверка метода определения этих параметров проведена по скважинам Едемес-2, Елемес-4. Расчетные данные представлены в таблице.

Предложенный метод позволяет составить номограмму параметров устойчивости приствольной зоны скважин по каждой площади и использовать эти данные в процессе бурения для его оптимизации, прогнозирования и предотвращения осложнений.

В четвертой главе проведен анализ существующих методик оценки разупрочнения пород в скважинах при воздействии бурового раствора и выбор наиболее совершенных методики и аппаратуры.

Первые исследования разупрочнения горных пород были проведены П.А.Ребиндером при решении проблемы гидроизоляции и устойчивости откосов в искусственных оросительных каналах,Образцы горной породы испытывались на одноосное сжатие для оценки действия полимерных реагентов.

В.С.Баранов обнаружил взаимосвязь тяжести осложнений, связанных с неустойчивостью глинистых пород, с качеством бурового раствора и пришел к выводу о необходимости изучения водоотдачи буровых растворов в условиях, приближенных к реальним условиям в скважинах. В работах А.Л.Шамсиева, В.С.Шарова интенсивность обвалов и осыпей глинистых пород увязывается с их набуханием и размоканием в фильтрате раствора.

Со временем стала преобладать точка зрения о совместном влиянии напряженного состояния горных пород и их физико- химического разупрочнения под воздействием фильтратов на устойчи-

втэсть стеолов сквагин. Применяемая В.П.Бгнатоэым, А.И.Кряхма-левым, Б.В.Еайдюком, Л.А.Шрейнером методика явилась прообразом широко применявшейся в последние годы методики с использованием "искусственных скважин".

Впоследствии эта методика была усовершенствована Е.Ф.Ши-гачем, В.И.Леонидовым, Л.К.Мухиным, В.М.Соловьевым. К.З.Жигач, В.Д.Городнов, К.А.Бибиков оценивали разупрочнение горных пород путем из'.'ерения деформации найухания кернов под действием буровых растворов при комнатной температуре на нгбухометре. Более совершенную конструкцию нябухометра, учитывающую всестороннее гидравлическое давление и температуру,разработал А.А.Русг.её . Однако этот метод не давал представления о физико-механических изменениях в структуре породы под действием раствора, температуры и прикладываемых нагрузок.

В.Г.Леонов, В.С.Войтенко проводили исследования на кернах, воспринимающих постоянную статическую нагрузку, приложенную вертикально к торизм цилиндрического керна. Керн помещался в ванну, заполненную буровым раствором, температура которого могла повышаться до 80°С. Недостатком указанной методики является отсутствие давления и температуры выше Ю0°С.

A.Г.Розенгафтом сделана попытка сопоставить ряд методов оценки ингибирущих свойств буровых раствороЕ по отношению к аргиллитам Днепровско-Донецкой впадины с целью забора наиболее информативного метода. Сравнивались диспергируемость специальным образом подготовленных естественных образцов аргиллитов в фильтратах буровых растворов с деформированием моделей аргиллитов в реальных буровых растворах.

Исследования показали,что имеется корреляционная зависимость между результатами, полученных этими двумя методами.Однако методика не учитывает влияния реальных условий в скважине на процессы физико-химического разупрочнения глинистых пород.

B.М.Соловьев,Э.А.Оголихин на основе методик К.Ф.Жигача, В.Д.Городнова, А.А.Русаева, Е.Г.Леонова, В.С.Войтенко и А.Ф.Усы-нина создали нестандартную аппаратуру высокого давления,которая позволяет оценить действие составов буровых и цементных растворов при еысоких температурах и давлениях путем измерения ползучести пород, находящихся в камере высокого давления.

Усовершенствованная В.11.Соловьевым,Э.А.Оголи?:-ныл методике исследований позволила зафиксировать непрерывны!; процесс изменения свойства керна,включающий деформацию с-егия• деОог-иаксз растяжения (при набухании),равновесное состояние и ползу ш'сть материала,Еключая момент разрушения структуры породы.

Учитывая относительную простоту и высокую информативность, эта методика при дальнейших исследованиях принята ь роботе i качестве основы.

данная методике исследований предусматривает следующую последовательность экспериментальных работ:

1. Отбор керна и олеке из отдо-енв!!, склоиних к плостпчсскйы деформациям, осыпям и обвалам.

2. Определение путем рзнггенсфгзного анализа качественного и количественного ыниералог'лческого и (базового состава керна и шлама.

i»

3. Изготовление искуственных образцов горной породы (кернов) из минеральных композиций,представляющих наиболее неустойчивые составные элементы горной породы в осложненных интервалах ствола скванпны.

£

4. Определение прочностных характеристик искуствешшх. кернов методом одноосного сжатия при комнатных условиях со снятием кривой деформации.

5. Исследования скорости ползучести и времени устойчивого состояния горной породы при параметрах (температура,давление), соответствующих глубине залегания неустойчивых отложений.

6. Выбор типа и состава бурового раствора на основании данных исследований.

Исследования проводились на разработанной в АО ВНИГНИ установке "Керн-5",позволяющей определять скорость ползучести и время устойчивого состояния горной породы в среде бурового раствора при температуре до 300сС,давлеии'1 до-100 Lilla и заданном осевом давлении.

ИскусстЕбнные керны изготавливались из минерального поропка с заданный размером частиц,заданной влажностью и известным химико-минералогическим составом.Для получения достоверной информации о минералогическом составе пород из интервалов разреза скванин, склонных к осложнениям (в солевых и подсолевых отлокениях)отбирался керн и шлам,которые подвергались рентгеноструктурному анализу на дифрактометре.

Анализом шлама и керна из скважин Елемес-3, Кум-П-I было установлено, что глинистая составляющая горной породы представлена смеаано-слойным минералом типа гидрослюда-монтмориллонит, являющимся наиболее неустойчивой частью породы.

Рентгеноструктурный анализ керна соляных пород из скважины Айршагыл-3 показал, что массовая доля галита в них составляет 50остальное - ангиприт.

В качестве исходного материала для изготовления искусственных кернов были выбраны монтмориллонит (бент. 1товая глина) и галит (крупнозернистая техническая каменная соль). Для повышения чуствителъности опытов искусственные керны готовились из 10 монтмориллонита или IC0j£ галита.

В пятой главе проанализированы результаты экспериментальных исследований влияния буровых ргстворов на разупрочнение горных пород.

Исследования разупрочнения кернов из галита, монтмориллонита и аргиллита проводились в среде буровых растворов на видной </. углеводородной основах.

В опытах с галитом величина осевого нагруження на образец

составляла [Л ,4% от предела прочностк кепна на сжатие и равнялась 12,6 МПа. По данным испытания - самая высокая сопротивляемость разупрочнению и минимальная скорость ползучести галктг отмечена в среде буровых растьороь на углеводородной основе: скорость ползучести колеблется от 0,15 до 0,216 -„ил/ч, Бремя устойчивого состояния изменяется от 29 до 42 часов.

Для сравнения действия типов буровых растворов опыты с растворами на водной основе проводились, в частности,с минерализованным глинистым раствороя ,рапой, отобранной из скважины Илемес-4 с глубины 3900 м, и гидрогельмагииешм раствором.

В среде гидрогельмагнксвого раствора скорость ползучести галита достигает 84 га/ч, а время устойчивого состояния равняется 2,8 часа.

В опытах с глинистыми породами оценивалось действие буровых растворов на разупрочнение кернов, приготовленных из монтмо-риллинита, о также действие эмульгированной водной фазы бурового раствора на углеводородной основе на полгучесть кернов. Б качестве эмульгированной водной фазы использовалась пресная водопроводная вода и рапа,отобранная из скважины Елемес-4.

В этих опытах величина осевого нагружения на образец составляла 37$ от предела прочности керна на сжатие и равнялась 4,5 ¡.1Па.

Исследования показали; наибольшим разупрочняющим действием обладает минерализованный глинистый раствор, меньшим разупроч-няющим действием обладают гидрогельмагниевый раствор и рапа.

Еидрогельмагниевый раствор и рапа по эффекту разупрочнения одинаковы. Максимальное врет устойчивого состояния кернов в их среде не превышает 0,05 часа, а скорость ползучести кернов в среде этих растворов более 100 мм/ч.

Наименьшее разупрочняющее действие на монтмориллонит оказывает буровой раствор на углеводородной основе - пзвестково-битумный раствор с добавкой керосина (ИБКР). Скорость ползучести в среде ИБКР не превышает 3,1 1СГ® мм/ч, время устойчивого состояния более 54 суток (свыше 54 суток эксперимент не проводился) .

Добавка в ИБКР от 5 до 15$ (объемных) рапы увеличивает скорость ползучести керна почти в 2 раза, время устойчивого состояния керна более 54 суток. Добавка в ИБКР до 15 % (объемных) пресной воды увеличивает скорость ползучести керна в 24 раза.

Были проведены исследования разупрочнения аргиллитов в среде буровых растворов на водной и углеводородной основах.

Осевое вертикальное нагружение, прикладываемое к образцу равнялось 2,3 МПа, что составляло 88,5 % от предела прочности образца на сжатие.

Проведенные опыты позволили сделать вывод, что минимальное разупрочняющее действие на соль, монтмориллонит и аргиллит оказывает буровой раствор ИБКР. При этом время устойчивого состояния керна в среде ИБКР более 54 суток.

Проведенные эксперименты показали:

1. Предложенная методика позволяет дать оценку исследованным типам буровых растворов с учетом минералогического состава горных пород, слагающих наиболее осложненный интервал разреза скважины.

2. Показателем разупрочнения пород необходимо считать время устойчивого состояния керна горных пород в среде бурового раствора в условиях, приближенных к забойным по температуре и давлению (температура 120°С и давление 20 МПа).

3. Установлено, что наиболее оптимальным типом раствора для бурения подсолевых отложениях и солевой толщи, является раствор на углеводородной основе.

При исследованиях образцов кернов монтмориллонита на сжатие непосредственно в камере высокого давления в среде бурового раствора получены результаты, которые можно использовать для оценки влияния бурового раствора на процесс деформирования пород приствольной зоны скважины. Для этого исследуется изменение модуля сдвига & в среде различных типов растворов.

Проведенный анализ параметров устойчивости показал, что модуль сдвига горной породы наиболее точно реагирует на изменения перемещения стенок скважины и плотности бурового раствора, выполняет роль индикатора устойчивости ствола скважины.

Исследования по указанной методике дали однозначный ответ о причине успешной проводи! скважины Маткен-16 до проектной глубины 5500 м на гидрогельмапшевом растворе с плотностью 2240-2260 кг/м3 и прихвата бурильной колошш в скважине Елег.шс-3 на таком же растворе с плотностью 2200-2220 кг/м3.

Рентгенофазовым анализом образцов шлама с глубины 4253 м установлено, что в скважине Елемес-3 подсолевые отложения выражены известняками с содержанием глинистой фракции до 5 %.

Глинистая составляющая представлена смешанослойным минералом типа гидрослюда-монтмориллонит, наиболее подверженным воздействию фильтрата раствора на водной основе; разупрочнение его стало основной причиной обрушения стенок ствола в скважине Елемес-3 и прихвата бурильной колонны.

Рентгенсфазовый анализ образцов керга из скважины Паткен -15 показал, что подсолевне отложения представлены брекчией, включающей кальцитсвую гальку (15/5), сцементированную хлоритом (85$), т.е. минералами, незначительно подвергающимися разупрочнению при взаимодействии с фильтратом гпдрогелъмагниевого раствора .

Результата проведенных исследовашй и анализ причин аварий в скважине Елемес-3 определили тип раствора для бурения подсолевых отложений на площадях Елемес- и Айрпагыл. С применением раствора на углеводородной основе осуществлено бурение 8 скважин на этих площадях без аварий и осложнений с производительным временем в интервалах буренияНА рдстворе, равным 97-100$.Все 8

скважин пробурены до проектной глубины.

Был использован ряд модификаций буровых растворов на углеводородной основе. В состав известковобитумного раствора (ИБР) введет специальные масло-растворимые присадки, которые позволили увеличить баритоемкость раствора и поднять при необходимости его плотность до 2500-2600 кг/м3.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать технологию бурения глубоких скважин в юго-восточной части Прикаспийской впадины в условиях активного проявления горного давления, сужений стволов и обвалов пород в пластичных солях, глинах и неустойчивых аргиллитах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

Положения теории устойчивости в механике горных пород, основа которых заложена трудами В.В.Новожилова, А.Ю.Ишшнского и Л.В.Ертова, использованы в технологии глубокого бурения .Исследована устойчивость упругопластичных пород приствольной зоны скважин йо взаимодействии с буровыми растворами различного состава и свойств. На базе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработана технология бурения глубоких скважин в юго-востоЧной части Прикаспийской впадины в условиях активного проявления горного давления, сужений стволов и обвалов пород в пластичных солях, глинах и неустойчивых аргиллитах.

2. Дан аналитические формулы для определения параметров устойчивости пород приствольной зоны скважин при бурении соле-носной толщи.

3. Разработан метод определения параметров устойчивости пород приствольной зоны скважин по данным геофизических исследований, отражающий процесс реального деформирования массива горных пород и позволяющий предотвращать возникновение осложнений, аварий и оптимизировать процесс бурения.

4. Экспериментальными исследованиями кернов в среде бурового раствора в условиях высоких температур и давлений (температура 120°С, давление 20 Г.Ша) проведена сравнительная оценка влияния типов буровых растворов на устойчивость стенок скважин с учетом минералогического состава г-орннх пород, слагающих наиболее осложненный интервал разреза скважин.

5. Исходя из показателя разупрочнения керна горных пород, обоснован выбор наиболее оптимального типа бурового раствора для псдсолевых неустойчивых отложений в юго-восточной и южной частях Прикаспийской впадины - раствора на углеводородной основе.

Основные положения проведенных исследований включены в "Проект технико-технологических решений строительства скважин в условиях активной тектоники Прикаспийской впадины на базе научно-обоснованной концепции деформации горного массива", утвержденный Министерством геологии СССР.

Экономический эффект от использования результатов исследований и Баз работок по 4 скважинам составил 3205 тыс. руб.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДОССЕРТАЩИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЩИХ РАБОТАХ АВТОРА:.

1. М.Т.Алимжанов, Г.А.Семенычев.К расчету минимально допустимого значения удельного веса промывочной жидкости, обеспечивающей устойчивость стенок бурящейся скважины. Изв. АН КазССР, серия физ.-мат. 1989, № 5 с.63-73.

2. Э.А.Оголихин, А.Н.Еыкадоров, Л.В.Утенок, Г.А.Семенычев и др. Вскрытие и испытание пластов с коэффициентом аномальности 2,5. - "Инф.сб.ВНИИЭгазпром", вып.1,М., 1989., с.П-14.

3. М.Т.Алимжанов, Г.А.Семенычев. Устойчивость стенок бурящихся скважин и оптимальный удельный вес бурового раствора .-"Нефтяное хозяйство". 1990, № 10, с.26-28.

4. М.Т.Алимжанов, Г.А.Семенычев. Влияние физико-механических характеристик осадочной толщи и глубины бурения на оптимальную величину удельного веса бурового раствора.-"Изв.АН КазССР, серия физ.-мат.",1990, В 5, с.70-74.

5. М.Т.Алимжанив, Г.А.Семенычев. К проблеме управления горным давлением при бурении глубоких скважин. В кн.¡"Сибирская школа по современным проблемам механики деформируемого твердого тела. Тезисы докладов", Якутск, 1990, с.6.

6. Г.А.Семенычев. К устойчивости стенок глубоких скважин.-Нефтяное хозяйство. 1991. № 2, с.7-8.

7. М.Т.Алимжанов, Г.А.Семенычев. Исследование устойчивости стенок бурящихся скважин. В кн.¡"Процессы разрушения горных пород, .'йтерналы IX Всесоюзной конференции по механике горных пород, г.Фрунзе, 3-5 октября 1989"..Фрунзе, ИЛИМ.1991, с.615-622.

Э.А.Оголихин, А.Н.Еыкадоров, Г.А.Семенычев и др, Взаимодействие бурового раствора на углеводородной основе с соляными городами и рапой. В кн. ¡Сборник трудов ЗапСибБурНИПИ. Бурзние

и испытание скважин. Тюмень, 1991, с.84-95.

9. Э.А.Оголихин, Г.А.Семенычев. Обоснование выбора бурового раствора для бурения скважин в неустойчивых солевых и подеелевых отложениях Западного Казахстана. В кн.¡"Сборник трудов АО ВНИГНИ. Бурение, промывка и испытание поисковых и разведочных скважин". М,изд.ВНИГНИ, 199I, с.57-72.

10. Э.А.Оголихин, Г.А.Семенычев. Экономическая эффективность бурения разведочных скважин в осложненных условиях. ВНИИОЭНГ. Инф. сборник "Нефтяная промышленность",вып.7, 1991.

11. А.с.1559089 AI (СССР). Способ образования скважик. Ю.А.Еремеев, И.И.Чернышев, Ю.С.Рыбин, Г.А.Семенычев и А.Я.Глу-шаков. Заявлено 26.11.87г. № 4370103/23-03 опубл. Ш,1990,гё 15.

12. A.c. I6576I7 AI (СССР). Способ крепления скважин. П.И.Свиталка, Ю.А.Еремеев, Г.А.Семенычев. Заявлено I6.03.88r-. № 4406413/03. Опубл. ЕИ.1991, № 23.