автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка методов управления напряженным состоянием приствольной зоны бурящихся скважин

АЗЕРБАЙДЖАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ НЕФТЯНАЯ АКАДЕМИЯ ЧИИ "ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ НЕФТИ, ГАЗА И ХИМИИ"

2 0 На правах рукописи

МЕЛИКБЕКОВ РАУФ АЖДАР ОГЛЫ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ ПРИСТВОЛЬНОЙ ЗОНЫ БУРЯЩИЙСЯ СКВАЖИН

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Баку- 1994

Работа выполнена е Азербайджанском государственном научно-исследоваталъс! проектном институте нефтяной промышленности (АзНИЛИнефть).

Научный руководитель: д-т.н., профессор, нп.-корр. АН Азербайджанской Республики СЕИД-РЗА И. К.

ОфмЦНйЯШЫЭ 8ППЭ11ЭИТМ: д.т.н., Профессор КУЛИЕВ Р.И. «.т.н. ЭФЕНД83ЕВ Г,(Л.

Ведущее предприятие - Апшерояскс-э УБР ГНХАР

Зецмгга состоетгя "-/¿7* Об 16Э4 г. б № час. на заседании специализированного совета Д054.02.04 при НИИ "Геотохиологичк проблемы нофти, газа и химии" при Азербайджанской государственной нефти академии по адресу- 370010, Баку, проспект Азадлыг, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АзГНА.

Автореферат разослан '¡¿1- 0-Ь г.

Ученый сшфетерь специализированного

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Установившаяся тенденция ния добычи нефти ставит перед буровиками сложные задачи как ения новых глубокозапегающих месторождений со сложной горно-огической обстановкой, так и ускоренного ввода в эксплуатацию скважин га разрабатываемых месторождениях. Успешное решение стоящих перед •яниками республики задач зависит не в последнюю очередь и от печения устойчивости стенок скважин. Особенно остро эта проблема цается в Азербайджане, где строительство скважин осуществляется в зиях продолжающихся горообразовательных процессов и характеризуется

ытием дезъюнктивных нарушений, зон АВПД и АНПД, а также мощных »

I глинистых отложений. Если к этому добавить, что с ростом глубин ■ччивается длина необсаженной части ствола и время нахождения а нем льного инструмента, то эти факторы, в совокупности с недостаточной энностыо горных условий и свойств вскрываемых пород, способствуют основанию флюидопрояалений и поглощений' бурового раствора, потери стности ствола, прихватам и т.л* Этим обусловлены большие затраты юни и ресурсов буровых предприятий республики на ликвидацию «нений, связанных о потерей устойчивости стенок скважин. Как шваат практика, проведение профилактических мероприятий гораздо активнее борьбы с уже начавшимися осложнениями, некоторые из зых приводят к ликвидации скважин. Поэтому наряду с разработкой ста борьбы с деформационными осложнениями, необходимы и методы' упреждения последних.

Цель работы. Разработка мероприятий, обеспечивающих Ыивость стенок скважин.

Основные задачи исследован и й. Исследование ¡таенного состояния приствольной зоны вертикальных и наклонных кин в гравитационном и тектоническом полях напряжений. Изучение ожности количественной оценки действующих в пласте состав пяющих

У

горного давления и направления их действия. Разработка методсш улравлв! напряженным состоянием приствольной зоны, а также технологически) технических средств, реализующих их. %

Научная новизна. Выявлен механизм проявления горн давления а виде породопрояеления (поднятия породных пробок по стеси Установлено, что индикатором начала этого явления может служ поступление газа из глинистых отложений при бурении.

Уточнено влияние реологических свойств различных типов горных по( на напряженное состояние приствольной зоны скважин с круговым сечениа плоскости пласта.

Разработана методика расчета времени релаксации напряжений горных породах по данным бурения скважин. Составлена программа ) программируемых микрокалькуляторов, реализующая эту методику.

Получены формулы, определяющие поле напряжений вок вертикальных м наклонных скважин с учетом действия теюоническ давления. Установлена зависимость поля напряжений вокруг скважины направления действия тектонических сил к траектории ствола.

Создана лабораторная установка, позволяющая исследовать процес происходящие при неравномерном трехосном сжатии горных пород, проводить механические испытания в условиях идентичных пристволы зоне.

Разработана и экспериментально проверена методика расч< действующих в пласте бокового горного и тектонического давлений налрааления.действия последнего.

Методы решения поставленных задач. Г выполнении работы использовались известные методы мохаш сплошной среды, математической теории упругости, теории аналитмчес функций комплексного переменного, операционного исчисления, статист» также проведения экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы. Предлагав методика выбора плотности бурового раствора и времени шаблонирова!

к

ола при проходке неустойчивых отложений. Для ускорения расчетов тавлена номограмма.

Выявлена взаимосвязь между углом входа ствола в пласт и допустимой ithостью бурового раствора, позволяющая регулировать напряженное тояние а приствольной зоне с целью предупреждения возможных ожнений при бурении а пластах с аномально низким пластовым лением. Для практического использования составлена номограмма.

Поскольку одним из условий возникновения лородопроявлений является туплэние газа из глинистых отложений, разработано устройство для ^деления зоны газопроявлений в процессе бурения.

Разработано устройство для определения напряжений в стенках гащейся скважины, реализующее методику расчета действующих в пласта лений.

Разработана методика управления напряженным состоянием ютвольной зоны путем регулирования кривизны и азимута ствола. ;тавлена программа для ее реализации на IBM совместимых компьютерах.

Разработен отклонитель с изменяющимся углом искривления, (спзчизающий безопасное прохождение отклоняющей компоновки через ервалы деформационных осложнений.

Реализация работы в промышленности, !ультаты исследований включены в "Технологический регламент на бурение ажин в условиях аномально низких пластовых давлений Апшеронского гуострова", утвержденный ПО "Аэнефть", а также руководящие документы 1хнология прохождения неустойчивых интервалов на площадях Южная рсянгя и Карабаглы" { РД 39-0147213-522-88Р ) и "Технология щупреждения поглощений и нарушений устойчивости стенок скважин при юкии в условиях аномально низких пластовых давлений" ( РД 39-0135496-¡-87Р ), внедренные на предприятиях ПО "Азнефть" a 1986-198S гг. жомический эффект от реализации научно-технических мероприятий, иэдших в указанные документы, при бурении 100 тыс.м составил более 18,5 тыс.рублей.

Апообаиия работы. Основные положения раб< докладывались и обсуждались на выездных научно-технических конфервнщ АзНИПИнвфть на предприятиях ПО "Азнефть", республиканских науч: практических конференциях "Состояние и развитие буровых работ осложненных условиях Азербайджана" (1S88-1991rr.). Некоторые результе исследований приведены в учебном пособии для вузов Кудряшова Б.6. Яковлева А.М. "Бурение скважин в осложненных условиях", М„ Недра, 198 269с. и монографии Сеид-Рза М.К., Исмайылова Ш.И. и Ормана /1. "Устойчивость стенок скважин". М, Нед?», 1981.-175 с.

Публикации. По материалам диссертационной рабо опубликовано 14 работ se период 1975-1993 гг. (в том числе четы изобретения и два руководящих документа).

Q б ъ ? м работу. Диссертация состоит из введения, четырех гге основных выводов и приложений. Она выполнена на 12.| страницах и включа 20 рисунков, 10 таблиц, список использованной литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой глЭРЭ диссертации приводится краткий обзор рабе посвященных состоянию изученности проблемы. Принимая во внимание, ч при исследовании свойств буровых растворов и взаимодействии последних горными породами достигнуты значительные успехи, вплоть до создан; буровых растворов с нулевой водоотдачей или ингибирующими свойствам основное внимание в работе уделено изучению' механических процессо протекающих в приствольной зоне. Исследование этих процессов являет! одной из основных задач механики горных пород - основопологающей отрас; науки о Земле.

В изучение влияния напряженного состояния горных пород на поведен* стенок скважин и разработку методов, обеспечивающих их устойчивое!

1ьшой вклад внесли аналитические и экспериментальные работы .Байдхжа, В.С.Войтенко, Ш.И.Исмайылова, Г.Г.Кулиева, Е.Г. Леонова, (.Ормана, М.К.Сеид-Рза, Н.С.Тимофеева, Т.Г.Фараджевэ, А.А.Шамсиева, >, Шрейнера, Р.С.Яремийчука и других. Эти работы базируются на едаментальных результатах по исследованию поля напряжений вокруг ных выработок, полученных А.Н.Гузем, А.Н. Динником, Ж.С.Ержановым, .Лехницким, Г.Н.Савиным, И.А.Турчаниновым и другими. Исследования эти галнены различными методами: аналитическими, лабораторными и урными.

Анализ литературы показал, что полученные в некоторых работах 1ультаты противоречивы и нуждаются в уточнении.

Кроме того, натурными замерами при горных работах установлено 1ичие на многих рудных месторождениях бокового горного давления, згократно превышающего геостатическое. Характер горно-геологической ¡тсковки на нефтегазовых месторождениях, данные о проявлениях горного тения в процессе бурения на площадях Азербайджана {обвалы стенок олов, смятие обсадных колонн, выдавливание бурильного инструмента при юдопрояалениях и т.п.) показывают, что горные породы многих зтораждений находятся под действием аномальных напряжений, вызванных тоническими силами. Эта область исследований - обеспечение ойчивости стено« скгажин, бурящихся в районах, характеризующихся ;окой . тектонической активностью, где еще происходят ©образовательные процессы, осталась практически не исследованной, >рбайджпн же по схеме М.В.Гаовского расположен в наиболее подвижной 1нтенсиен0 деформируемой области, где абсолютная величина верхнего щола максимальных касательных напряжений в земной коре равна Х=1О0±5О МПа. Исследование фактического материала по случаям швливания бурильных колонн из скважин показало, что всем им щшествовали затяжки и посадки бурильного инструмента, а также сильные опроявления с выносом кусков породы. Все случаи произошли в глинистых >одах и в геологическом разрезе необсаженного ствола отсутствовали онефтесодержащие коллектора, способные к столь сильным проявлениям.

Проведенный анализ позволил выявить механизм этого явлен заключающийся s тиксотропном разжижении глин за счет вибрационт воздействий бурильного инструмента и увлажнении глинистых пор слабоминерализованным фильтратом бурового раствора, изменивш соотношение между свободной и связанней водой. Выделение газа привел ослаблению межгранулярных связей в массе глины. Розхое разгззироаанш тихеотропное разжижение вызвало падение плотности и увеличение обыз глинистой массы, а в верхних слоях породных пробок к "нскилани! создавшему эффект газлифта, что и наблюдалось на скважинах. Позтс сочетание выпучивания стенок ствола скважины (появление затяжек посадок бурильной колонны) с интенсивным газированием раствора шх валяться индикатором возможного возникновения породопрояаления.

Определенный праетический интерес, учитывая все возрастают объемы наклонного бурения, представляют вопросы исследован напряженного состоянии приствольной зоны направленных скважин.

Исходя из вышеизложенного, рассматриваемая проблема состоит ряда сложных задач, практически не изученных и нуждающихся в дальнсйш исследовании. Некоторые из этих задач, наиболее актуальные для наш республики, необходимо решать а первую очередь. К ним относятся:

- исследование напряженного состояния приствольной soi вертикальных и наклонных скважин а гравитационном и тектоничесх полях напряжений;

- разработка методов управления напряженным состоянием пор приствольной зоны, о также технологических и технических средст реализующих их.

Во оторой главе приводятся результаты анапитичесю исслэдооаний по определению и анализу ' напряженного состояж приствольной зоны еертихальных и нахлонных скважин в гравитационном тектоническом полях напряжений.

Важным этапом при определении устойчивости стенок скважин яаляет« определение напряженно-деформированного состояния приствольной зоны ■учетом действующих внешних нагрузок. Определенные преимущества зде<

ют аналитические методы, как обладающие наибольшей общностью и золяющиа исследовать в более широком диапазоне процессы, такающие в горных породах, среди которых нзиболаэ широко эльзуются методы механики сплошной срэды, которым и отдано почтение.

Учитывая наличие плоской симметрии в приствольной зоне, будем ;матризатъ плоскую задачу в поотаноско плоской деформации, т.к. ;стно, что если в горных выработках исследуемые сечения удалены от зя на расстояние г 60, где О - диаметр круговых выработок, то в этом )аэ погрешность, возникающая в рззультато решения задачи в постановке жой деформации, но будэт превышать 10 %, что меньшэ погрешности эдаления значений механических свойств пород, используемых з >ства исходных данных при промззодстее расчетоз.

По характеру деформируемости во времени при постоянном напряжении еучзсти) Ю.М.Либермзн подразделил горные породы на дза типа:

1) породы, деформирующиеся до определенного предела;

2) породы, характеризующиеся неограниченным ростом деформации.

В работе определены главные нормальные напряжамия и перзмещзкия пород, а также влияние реологических свойств этих пород на характер знания поля напряжений во времени. ■

В качестве примера для пород первого типа рассмотрено '.родоленио напряжений вокруг скважины на площади Зойез ПО ¡ефть", керн из которой был подвергнут исследованию. Эксперименты гадились "на образцах горной породы, взятой а интервал® 1140 - 1143 м. отьтат анализа породы а шлифах, проваленный в АзНИПИнефть показал,

карновый материал представлен мергелем сорым, глинистым, инистым. Сжимающие. нагрузки принимались 20-70 % от раэрушоющэй, юй 50 МПа.

Так как посла обработки опытных данных методом ноимзньших ратоз экспериментальные кривые оказались практически подобны, для :ания зависимости между напряжениями и деформациями было шьзовано степенное уравнение теории старения.

Правомарность использования одного уравнения во всец диапазс зависимости о - {(б) подтверждалась тем, что разброс опытных данных превышал 20% от апроксимации. Разброс был из-за неоднородно« образцов.

Полученные результаты хорошо . согласуются с выводами рабе Ю.П.Желтова и С.А. Христиеновича о разгрузке горного давления приствольной зоне скважин.

Для пород второго типа, алроксимирующих поведение неустойчив глин, гипсов, солей и т.п., которые можно отнести к линейной вязкоупруг среде (среда Максвелла), исследование поля напряжений представл! практический интерес. Протекающие в породах реологические лроцес приводят к перераспределению напряжений в горных породах вокруг ство/ скважин.

В работе уточнено изменение бокового горного давления в массив« определен характер его изменения во времени методами вязкоупруг анологии и решения дифференциального уравнения. Оба мете определения напряжений и перемещений в породах приствольной за скважин дают идентичный результат.

Получены уравнения, определяющие перемещения пород вок| ствола и позволяющие расчитывать допустимое время нахождения долота забое скважины (время шаблонирования ствола), а также необходим плотность бурового раствора.

Большой практический и теоретический интерес представл« исследование поля напряжений в породах приствольной зоны наклонн скважин. Если распределение напряжений вокруг вертикальных скважин п гравитационном уплотнении пород изучено достаточно полно, то, как бь показано ранее, этим исследованиям внимание' фактически не уделяла Поэтому, учитывая возрастающие объемы наклонно направленного бурен! представляет интерес оценка влияния угла наклона ствола на по напряжений вокруг него.

Рассмотрен случай, когда наклонно направленная скважина переев« гшаст под произвольным утлом р, породы которого находятся под двйстви

звого (Рб) и вертикального (Рг) горных давлений, а на стенки ствола зтвует давление бурового раствора (Рр). Профиль сечения ствола в жости пласта имеет форму эллипса с малой осью ОУ, равной диаметру 1жин. Задача решена в постановке плоской деформации с помощью титических функций комплексного переменного.

Получены выражения, определяющие напряженное состояние ствольной зоны в окрестностях вертикальных и наклонных скважин в гропном упругом массиве.

Принимая ао внимание, что из главных нормальных напряжений на «их скважины сг=соп51, проанализировано поведение полученных функции ог при следующих условиях: Рг=46МПа; Рр=22МПа; у=0,21.

Если у вертикальных скважин (Р=90°) они на стенках остаются гоянными, то при р~60° тангенциальные напряжения ст0 переходят в гягивающие в окрестностях большой оси. Появление растягивающих ряжений в породах, слагающих стенки скважины, может привести к ушению целостности ствола, а следовательно к поглощению промывочной .кости или гидроразрыву пласта, либо к обвалам за счет раскрытия ющихся или образования новых трещин. Поэтому для предотвращения иожных осложнений необходимо так выбирать угол входа скважины а ;т, чтобы при колебаниях давления бурового раствора не происходило крытия имеющихся в породе естественных трещин.

Натурные замеры напряжений в шахтах, проложенных в районах, зерженных тектонической деятельности, показывают резкое отличие ряженного состояния пород от обычно принимаемого в расчетах, ованного на концепции о геостатическом напряженном состоянии массива 1ых пород. Напряжения в породах отличаются от принимаемых не только »личине, направлению действия, но и по изменению во времени. 8 этих 4зях нельзя применять законы о равномерном или геостатическом пределении горного давления а пласте, которыми часто пользуются в тоящее время и которые использованы нами ранее.

Решена задача об определении и исследовании напряженного состояния ствольной зоны скважины, представляющей собой вертикальную

цилиндрическую выработку кругового сечения, пробуренную в пла< изотропной породы, подверженном действию тектонических с Рассматривается случай, когда на пласт действует неравномерное боко! горное давление: Рх по оси ОХ и Ру по оси OY, где ось ОХ располагается направлению действия тектонических сил, а стенки скважины подверже действию давления бурового раствора (Рр). Кроме этого, принято граничь условие: перемещения породы u = v = О при г-*». Задача решена с помощ аналитических функции комплексного переменного. Определены главн нормальные и действующие в плоскости касательные напряжения, а так перемещения в приствольной зоне.

Наличие касательных напряжений в приствольной зоне скважи приводит к появлению наиболее опасных для горных пород сдвигов деформаций. Анали- полученных выражений показывает, что наибольш значение величины сдвиговых деформаций (Irret) находится на стен скважины при угле с осью ОХ 6=45". Вглубь пласта они уменьшаются, мен знак при r=fW3/2 и достигают своего максимума при r=FW3, а затем затухак Касательные напряжения достигают своего максимума по величине (It^l) п| r=BV3 и 0=45°.

Рассмотрено изменение октаэдрического касательного напряжения т^ как наиболее полно отражающего трехосное напряженное состояние пор< массива. Интерес представляет наличие зоны при r=fW3, а которс радиальные напряжения не зависят от угла в, а при 0=45° достигай максимума. Необходимо отметить 2* - 3* кратную разницу значений о„ изменения о* на стенках ствола в зависимости от величины тектоническо! давления.

Неравномерность распределения напряжений под действие тектонических сил объясняет неэффективность в некоторых случае повышения npv. иьодааления на стенки скважины при борьбе деформационными осложнениями, т.к., если уменьшить напряженность н одном участке контура ствола за счет изменения плотности буро вот раствора, то на другом она неизменно возрастет, что приведет к обвалу либ разрыву пород. Это хорошо согласуется с выводами работ, рекомендую щи

;редство ликвидации одновременного поглощения промывочной жидкости 13оводонефтепрояалений регулировать гидродинамическое давление а жине за счет управления статическим напряжением сдвига бурового вора.

Определены выражения для напряжений, возникающих при аналогичных виях в линейных вязкоупругих средах. Для решения этой задачи льзована вязкоупругая аналогия.

Анализ значения напряжений, действующих в приствольной зоне, оящей из вязкоупругих пород, на момент времени f=Tr показал, что в .ессэ релаксации горного давления на стенках скважины тангенциальные яжения (сте) будут возрастать во времени, осевые (сг) по направлению твия тектонического давления (0=0) - убывать, а при 6=90° - возрастать, наглядности в работе приведены эпюры октаэдрических касательных яжений на стенке скважины для моментов времени t=0 и t=Tr. Особый интерес представляет исследование напряжений а приствольной наклонных скважин, находящихся в поле действия тектонических сил, т.к. со наклонной скважиной и часто с пространственным искривлением ю обойти осложненные участки геологических структур. Этот вопрос до эящего времени остался неисследованным.

Для определения действующих напряжений задача решена в рамках йной теории упругости, используя принцип суперпозиции. Сложную 1ну действующих нагрузок разлагаем на две упрощенные: пераую, когда >нная скважина пересекает пласт под произвольным углом р, породы )ого находятся под действием бокового и вертикального горных зний (Рб и Рг), а на стенки ствола действует, даа пение бурового раствора и вторую, когда порожняя скважина вскрыла пласт, в котором действует ;о тектоническое давление (Рт). Первая задача решена выше, поэтому в эй главе рассмотрен случай, когда скважина под произвольным углом р секает пласт, породы которого испытывают тектоническое давление, твующео в плоскости пласта под произвольным углом а к большой оси ica, представляющего профиль сечения скважины в плоскости пласта, ча также решена с помощью аналитических функций комплексного

переменного. Расчеты сделаны для следующих условий: Рг=69(МПа, v=( Рр=48 МПа. Значения Рт=0 и 10 МПа, р=60° и 90° , в <х=0, 30° и 60°.

Анализ эпюр показал, что форма эллипса, т.е. угол встречи ствол; пластом, и величина угла, образуемого направлением действия тектоничес! сил с большой осью, при определенных условиях могут явится причи» возникновения осложнений. Это подтверждается практикой бурения, когда г проявлениях приступают к утяжелению раствора и вслед за этим происхо/ гидроразрыв и поглощение.

На основе полученных результатов исследований разработана метод» управления напряженным состоянием приствольной зоны с цел обеспечения устойчивости стенок скважин. Для этого устанавливается обла< изменения регулируемых а и т, в также исследуемых параметров р и где m - параметр аллипсности, р и б -эллиптические координаты. Метод Монте-Карло выбираются значения этих параметров из установленн интервалов их вариаций. Затем при фиксированных значениях а и расчитыается тж по всей области изменений р и в, определяя (тогг)га Одним из условий при определении Такт является проверка аеличи: тангенциальных напряжений по условию ое £ 0 с целью предотвращен гидроразрыаа пласта или поглощений. Эти вычисления повторяют до полно исследования всей области изменений а и т. По окончанию вычислений всего массива значений (Тиг,)^ выбирают наименьшее и определи принадлежащие ему параметры а , m, р и в. По величинам а и т выбира< азимут скважины относительно направления тектонических сил и кривиз ствола.

Таким образом, при данных значениях а и m в приствольной зоне i будет напряжений величина которых больше полученного значения, т. это есть наихудшее из условий и если оно меньше критической величин напряжений, вызывающих осложнения, то, следовательно, горные поро; сохранят устойчивость.

Разработана - программа для IBM совместимых компьютере позволяющая реализовать методику.

Выбор методов борьбы с деформационными осложнениями требует знания напряженного состояния породного массива. При бурении глубоких зкважин начальное поле напряжений в пласте превышает дополнительные «пряжения, вызванные проводкой скважины. Позтому ошибки, допускаемые при определении начального поля напряжений, существенно сказываются на оценке механических процессов, протекающих а пластах.

Используя полученные ранее результаты, рассмотрен вопрос о возможности определения действующего в пласте горного давления и его составляющих. Для этого исследовано напряженное состояние в достаточно удаленной от ствола точке массива, а равно как до вскрытия его скважиной. Напряжения в породах по взаимноперпендикулярным направлениям (Хч и УО и (Хг и У г) определяются с помощью полученных ранее, для г выражений при г-*», где направления осей Х> и VI образуют с осями Хг и У2 угол <р.

Объединив выражения для напряжений в одну систему уравнений и приняв за известные сХ1, оу-| , , ву2 и <р , решили ее относительно искомых компонент бокового горного давления (Рб и Рт) и направления действия тектонических сил (а).

Для проверки полученных выражений возникла необходимость провести экспериментальные исследования, а также рассмотреть возможность создания прибора и способа определения компонент бокового горного давления, т. к. в настоящее время для глубоких скважин таких разработок нет.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальной проверки методики определения значений компонент бокового горного давления и направления действия тектонических сил.

Для проведения экспериментов разработана установка для испытаний и исследований свойств горных пород и процессов, протекающих в приствольной зоне бурящихся скважин. Установка позволяет проводить исследования деформаций стенок моделей скважин и стандартных образцов в условиях неравномерного трехосного сжатия при различных сочетаниях основных технологических факторов, специфичных для процесса бурения глубоких скважин. Повышение достоверности результатов испытаний

достигается за счет более полного воспроизведения факторов нагружения, действующих в массива горной породы.

При проведении экспериментов осевая нагрузка на образец создавалась механическим прессом и измерялась динамометром. Установка соединялась с двумя ручными гидравлическими прессами, заполненными машинным маслом, для создания равномерного бокового давления в контейнере и головках, обеспечивающих неравномерное трехосное сжатие , образца. Внутрь "скважины" вставлялся 4-х рычажный тензометричаский деформометр для определения деформаций стенок по двум взаимно перпендикулярным направлениям, информация о которых передавалась на вторичный прибор - усилитель 6 АНЧ. В связи с этим эксперименты проводились без противодавления на стенки 'скважины". Эксперименты проводились на образцах - моделях, изготовленных из порошковой глины по известной методике при давлении прессования 46,0МПа, что соответствует глубине залегания пород о*оло 2000м. Наружный диаметр образца составляя 60мм, внутренний - 18мм, а высота • 70мм. В процессе экспериментов осевое давление поддерживалось на уровне 9МПа, что соответствовало около 70% от предела прочности образцов. Боковое давление устанавливали равным 0,7 от осевого - 6,4МПа, а дополнительное (тектоническое) - до 1,6МЛз.

В первых экспериментах серий опытов деформометр располагался так, чтобы одно из направлений измерений совпадало с действием сил, создающих дополнительное давление. Посла установки необходимых нагрузок снимались показания манометров, динамометра и миллиамперметра усилителя. Затем нагрузки снимались и деформометр поворачивался по часовой стрелке на угол, кратный 15° при фиксированном'положении камеры и образца. После этого опыт повторялся.

Полученные результаты расчетов согласуются с условиями эксперимента. Данные статистической обработки: среднее дисперсия

для Рб 6,23 МЛа 7,58 х Ю"3

для Рт 1,84 МПа 2.24х 10 г

Результаты показали, что . даже при соотношении Рт/Рб=0,25 толе напряжений, действующих в приствольной зоне, отличается от обычно 1ринимаемого. Поэтому, если учесть наметившийся сдвиг буровых работ в зайоны с сильной тектонической активностью, актуально создание необходимой измерительной техники для замера действующих а пластах напряжений, особенно при бурении глубоких скважин

В четвертой главе приведены научно-технические мероприятия по контролю и управлении} напряженным состоянием приствольной зоны, а . также технологические и технические средства эеализующие их.

Как известно, потеря номинального размера ствола является одной из 1ричин возникновения осложнений при бурении скважин. Так как в разрезе :хважины имеются породы с различными свойствами, то и действующие в них шпряжения будут различны. Деформационные осложнения наиболее часто ¡стречаются при вскрытии разрезов глин, гипсов, солей и подобных им »тложений. Бурение в этих интервалах сопровождается затяжками и юсадками инструмента, осыпями и обвалами пород, что не только снижает ехнико-зкономические показатели, но и приводит к авариям. Своевременно доведенные профилактические мероприятия оказываются значительно •ффективнее, чем борьба с уже начавшимися осложнениями, некоторые из вторых ликвидировать бывает просто невозможно. Следовательно, |рогнозирование поведения пород стенок скважин с целью своевременного доведения профилактических мероприятий является необходимым.

В работе, заменив через ^-ЬМ в выражениях, определяющих юремещения пород, получено уравнение, по которому" расчитываются ехнологические параметры, позволяющие выбрать такую тактику бурения, оторая обеспечит минимальное изменение номинального размера ствола, 'читывая, что в силу специфики бурения упругие перемещения стенок ствола удут фрезерованы боковой поверхностью долота, рассмотрены деформации олзучести пород. Решив полученное выражение относительно Рр, определим еобхсдимое противодавление бурового раствора на стенки скважины, при отором величина деформации породы но превысит допустимую.

Для практического использования указанного была составлена номограмма для прохождении неустойчивых интервалов пл. Южная Юорсянгя, позволяющая корректировать плотность бурового раствора в зависимости от условий бурения, либо регулировать время шаблонирования ствола для предотвращения деформационных осложнений. При работе по номограмме необходимо знать время релаксации напряжений в горных породах. Однако в научно-технической литературе данные об этом параметре практически отсутствуют, а тем более для конкретных площадей и глубин (пород). На практике этот параметр можно определить по эксплуатационной информации о деформационных осложнениях (посадках и затяжках) в процессе бурения, с помощью выражений полученных в работе. Для удобства составлена программа расчета времени релаксации на программируемом микрокалькуляторе. Время релаксации определяется с помощыр комбинированного метода секущих-хорд, не требующего анализа функции на сходимость.

С целью прогнозирования наличия аномальных напряжений в массиве пород и аномально высоких поровых давлений разработано устройство, определяющее место газопроявлений в стволе скважины. Устройство разработано в АзНИПИнефть, прошло испытания и принято приемочной комиссией ПО "Азнефть".

Наибольший объем бурения направленных скважин нз суше Азербайджана производится на месторождениях Апшеронского полуострова, характеризующихся аномально низкими пластовыми давлениями, большими углами залегания пластов (до 50°), сильной естественной трещиноватостью и, как следствие этого, интенсивными поглощениями бурового раствора. Как показывает практика бурения скважин, уменьшение плотности бурового раствора дает ощутимый эффект, однако и при этом имеются случаи его поглощения. Выше было отмечено, что при встрече ствола наклонной скважины с горизонтальным пластом или вертикальной скважины с пластом, имеющим тот или иной угол падения, форма поперечного сечения контура ствола в плоскости пласта имеет вид эллипса. Тангенциальные напряжения в точках контура ствола расположенных на большой оси эллипса меньше, чем на малой, причем с уменьшением угла наклона оси скважины к плоскости

у

-пласта •эти напряжения на большой оси переходят а растягивающие, т.е. разница еще более возрастает. Таким образом, эллипсность ствола создает благоприятные условия для раскрытия или образования трещин, а следовательно, увеличивает вероятность возникновения поглощения по сравнению с круговой формой контура ствола. Это обстоятельство вынуждает предъявлять более жесткие требования к параметрам бурового раствора. Для облегчения расчетов по выбору оптимальной плотности бурового раствора составлена номограмма.

Если в разрезе скважины имеются неустойчивые породы, лимитирующие уменииэние плотности бурового раствора, то с помощью номограммы можно решать и обратную задачу, т.е. определить угол входа в поглощающий пласт, при котором возможно сохранить устойчивость пород приотвольной зоны. Таким образом, осложнения связанные с поглощениями бурового раствора, можно предотвратить нэ только регулированием параметров последнего, но и изменением угла входа скважины в поглощающий пласт.

Для реализации на практике методики расчета действующих в пласта компонент горного давления и направления их действия разработано устройство для определения напряжений в стенках буровой скважины. Одной установкой устройства в скважине обеспечивается определение абсолютных величин компонент напряжений в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Учитывая, что измерительный процесс может длится продолжительное время, а при необходимости построения картины поля напряжений вокруг скважины таких замеров будет несколько, т.е. бурильная колонна будет длительное время оставаться без движения в осложненном интервале, было определено необходимое количество измерений для определения полной картины распределения напряжений в исследуемой породе и разработана методика их .определения. Описанные ране« исследования показали, что двух измерений с помощью этого устройства достаточно для расчета компонент бокового горного давления и определения направления действия тектонических сил.

С целью технического обеспечения управления напряженным состоянием приствольной зоны изменением траектории ствола, разработано устройство для направленного бурения скважин - отклонитель с изменяющимся углом искривления. Отличительной особенностью его является прямолинейность при спуско-подъемных операциях, а искривление оси происходит после запуска забойного двигателя. В связи с этим, спуск бурильных колонн, включающих зти устройства, в интервалах характеризующихся деформационными осложнениями нэ будет сопровождаться осыпями и обвалами, а в местах сужений - заклиниванием или ударами долота о стенки, что может привести к их слому.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Выявлен механизм проявления горного давления в виде породопроявления (поднятия породных пробок по стволу). Установлено, что индикатором начала этого явления при бурения может служить поступление газа из глинистых отложений. С целью прогнозирования динамических проявлений горного даалзния разработано устройство для определения зон газопроявлений в процессе бурения.

2. Уточнено влияние реологических свойств различных типов горных пород на напряженное состояние приствольной зоны скважин с круговым сочением в плоскости пласта. Составлена номограмма, позволяющая осуществлять выбор плотности бурового раствора, либо временя шаблонироиания ствола в неустойчивых интервалах.

3. Разработана методика определения времони релаксации напряжений в горных породах (на база модели Максвелла) по технологическим данным бурения. Составлена программа, реализующая методику на программируемых микрокалькуляторах.

4. Предложены формулы для определения напряжений вокруг ствола наклонных скважин. Установлено, что на контуре ствола, имеющего в плоскости пласта форму эллипса, действуют, разные по значению напряжения;

при этом потери целостности ствола будут происходить в основном по направлению большой оси сечения скважины. Составлена номограмма, описывающая взаимосвязь допустимой плотности бурового раствора с углом входа скважины в пласт.

5. Получены математические выражения и установлен характер влияния тектонического давления на пола напряжений в приствольной зона скважины. Разработана методика управления напряженным состоянием путем регулирования кривизны и азимута ствола в зонэ действия тектонических сил. Составлена программа, реализующая данную методику на !ВМ совместимых компьютерах.

S. Разработана конструкция отклоните л я о изменяющимся в ствола углом искривления для управления траекторией скважины.

7. Создана лабораторная установка, позволяющая исследовать процессы протекающиз в услоЕИЯХ неравномерного трехосного «кати. Разработана и окспоримонтальмо проверена методика расчета действующих а пласте бокового горнего и тектонического давлений, а также направления действия последнего.

3. Разработано устройство для определения мапряжэний в стопках скважины во взаимно перпендикулярных нгпрааяэниях.

9. Результаты работы внедрены на бурогых предприятиях ПО "Азнефть" при бурении 100 тес. м с економическим эффектом 1618,5 тыс. рублей.

Основное содоЕГдениэ диссертации опубликовано в, работах;

1. Исследование прдамн эстастеенного искривления скважин на площадях Сангачалы-Дувоняый-морэ. / С.Т. Манафоз, А.М. Рзахулиез, Н.К. Коримоз и др. - В кн: Бурение глубохкх скважин в осложненных условиях. М.. Недра, 1971, с. 135-140.

2. Меликбекоз P.A., Исмзйылоз Ш.И. Определение напряженного состояния плзста вокруг отзола скважины. Баку, Тр. АзНИПИнефть: Буремма глубоких нефтяных и газовых схвалом з осло;кнонных услэвилх Азербайджана, вып. XXXiV, 1975. с. 21-23.

-223. Фараджев Т.Г., Исмайылов Ш.И., Меликбеков РА К определению поля напряжений и скоростей деформаций вокруг ствола скважины."Ученые записки " АзИНЕФТЕХИМа, N: 3, 1976. с. 16-19.

4. Меликбеков P.A., Исмайлов Ш.И.' Влияние тектонических сил на напряженное состояние приствольной зоны. Баку, Тр. АзНИПИнефть: Бурение глубоких нефтяных и газовых скважин в осложненных условиях Азербайджана, вып. XXXIX, 1976, с. 99-106.

5. К вопросу об устойчивости стенок скважин при бурении в зонах тектонических нарушений. - / Сеид-Рза М.К., Исмайылов Ш.И., Орман Л.М., Меликбеков P.A. АНХ, 1978, N: 11, с. 27-31.

6. Тектонические силы и их влияние на напряженное состояние приствольной зоны. - / Сеид-Рза М.К., Исмайылов Ш.И., Орман Л.М., Меликбеков P.A. - В книге: Устойчивость стенок скважин. М, Недра, 1931, с. 31-45.

7. Меликбеков P.A. К вопросу рационального выбора плотности бурового раствора при вскрытии неустойчивых пород. Баку, Тр. АзНИПИнефть: Техника и технология бурения глубоких нефтяных и газовых скважин в Азербайджане, 1986, с. 91-95.

8. Меликбеков P.A. О влиянии угла наклона скважин на напряженное состояние горных пород в приствольной зоне. АНХ, 1987, с. 23-26.

9. Технология предупреждения поглощений и нарушений устойчивости стенок скважин при бурении в условиях аномально низких пластовых давлений (РД 39-0135496-515-87Р). / .Сеид-Рза М.К.,Манафоз С.Т.,Орман Л.М. и др. Баку, АзНИПИнефть,1987.

10. Технология прохождения неустойчивых интервалов на площадях Южная Кюрсянгя и Карабаглы (РД 39-0147213-522-88Р), Сеид-Рза М.К., Исмайылов Ш.И., Агаев М.Х. и др.Баку, АзНИПИнефть, 1989.

11. A.C. N: 1273551. Устройство для определения напряжений в стенках буровой скважины.- / Мамедов P.M., Исмайылов Ш.И., Орман Л.М., Меликбеков P.A., Исмайлова Р.Л., Б.И. N: 44, 1986.

-2312. A.C. N: 1370240. Установка для испытаний образцов горны* пород./ Мамадов P.M., Меликбеков P.A.', Орман Л.М., Исмайылов Ш.И., Исмайлова Р.Л., Б.И. N: 4, 1988.

13. A.C. N: 1543S01 ДСП. Устройство для приема информации о забоя скважины. - / Мамедо® P.M., Сафероз С.М., Никанорова E.H. и Малихбекоз P.A., 1939.

14. A.C. N: 1819968. Устройствр для иапроаленного бурения скважин. / Сеид-Рза М.К., Аливердизадэ Т.К., Мамадов P.M., Маликбекоз РА, Б.И. N: 21, 1993.

Научный вклад, внесенный лично соискателем в'работы, написанные в соавторстве:

[12,14] - постановка и техничэскоэ решение задачи;

[2,4,6] - постановка задачи, теоретически® и експоримянтальные

исследования, сравнение результатов; [1,5] • сбор, обработка м научное обобщение результатов; [3] - теоретические исследования и обобщенна результатов; [9,10] - разработка технологии и проведение исследований; [11,13] - техническое решение задачи.

ANNOTASIYA

($с!э qravita&iya vo taW.on'k sahelerin ger^enilynds, $aqu!i v» mail) quyulann lüle yam zonasinin gorgln veziyyetlne, hem de orada cereyan ®den tnaxanUd prossslare baxikmi?dir.

Azeitoaycanm nefl yataqlannda quyulann qaziimasi vaxh dag tezyiqlnin tazahürü hadtealeri tehlll edümi?, vu da gövde boyu ßüxur tszahürieri formasinda (süxur tixaclannin gövde boyu qatxmasi) yükaalan dag tezyiqlnin «met* jjalmi

-¿ti-

msxanizroini tapmaga Imkan verir. Ta'yln edilmi$dir W, qazima vaxti git laylanndan lüieye daxil olen qaz bu hadlsenin ernele gelmisine sebeb ola biler. Apanlmiç anaiitik t&dqlqati naticesindô, tektonik tazyiqln ve da§ sflxurlann reloji xususiyyetlerinl nezere almaqla çaquli va maili quyulann etrafinda gerginllk aahesini te"yin düstur a!mmi?dir. Quyu ©trail sahenin garginliyinlntskSonik qüwelerin lüte traektoriyasinia latiqametlnden ve laya daxil olmaq bucagindan asililigi ta'yln edilmiçdlr.

Lüleetrafi zonada dag süxurlannin beraber oîmayan ûç oxla va massivda eyni çaraitda gerginlik exe ml üzra süxuru mexanlki smaqd&n keçlrmeye qadir olan müellifllk çe^tadstnamasl ¡!э qoyulmuf laboratoriya qurgusu yaradilmijdir.

Layda faaliyyetde oSan dag, tektonik tezyiqierin ve onlann to'sir etme Istiqametlni hasablama metodikast l§lenmlç ve experiment yoli ile yoxlansniçdir.

Gilli mehîulun semersli sixliginin ve deyaneteiz sOxurlan qazan vaxt lülsnln çabton etme vaxt mi seçmek Oçjn, hem de çoxdan içienmede oían yataqlardq udulmamn qab&gini almaq meqsedi lia laya bucaq altinda glrmelde, gllli mehiulun sixligi arasinda esililiq nomoqrammasi tekiiî edilir. I;lenmi§ nomoqramme rehber senedleie daxil ©dilmi? ve qazima Idelarinde tetblq edilmigdir.

Quyu etrafinda dag süxurlannin gergin veziyyetini idar© etme matodikaei içlenmifdir. Bu metodikani heyata keçirmek ôtrû iBM uyjjun gelen kompyutorlar ûçûn proqram tartib ediimiçdir.

Tecrûbeda layda fealiyyetda olan dag ve tektonik tezyiqlarí foyin stmok ûçûn qurgu Içlonmiçdir. Müetlifiik çehadetnannssi ile müdefie edilmiç bu qurgu hem de qazilan quyuiann divan ndaki gerginltyln tezyiqini ôiçmek ûçûndur.

©meto gelmesl mümkün olan'süxur tazahürierini proqnoz.etmak ûçûn qurjju tekiif edilmifdir. Müellifllk çehadatnamesi almi§ bu qur§u qazima' proseslnde qaz tezahQrierl zonasim te'yin etmey© imkan verir.

Alati yanaverici Ils lülani hazirlamadan quyuya buraxmaq ve тйг®ккэЫэ§тэ1ег olan interval lardan aletin tehlükeelz kôçmesini te'min etmeye qadir olan, müellifllk çehodetnemes! ile müden» adlimiç eyrilik bucagi deyiçen yanavericl teklif edilmiçdir.

-25-ABSTRACT

This work represents a bore hole stress state for vertical and deviated wells in the 8reas of gravitation and tectonic stresses, and also the mechanical processes proceeding there.

from the clay layers during drilling.

The equations determining the stress fields around the vertical and deviated holes, discounting the effect of the tectonic pressure, are obtained. The dependence of the stress field surrounding the hole from the direction of the tectonic forces to the hoio trajectory and the angle of entering the formation ware determined. The laboratory unit was created which allowed the research to bo done on the processes occurring in the zona surrounding the hole during rton equal .threeaxis compression of the rocks. This unit also sllows the mechanical tests to be conducted in the conditions equal to those existing dcwnhote. The methods of calculating the lateral rock and tectonics pressures were worked out experimentally and tested.

Nomogremms are proposed for choosing the' rational mud density and the time of gauging of the hole during the penetration of unstable rocks. The sarwa are also done for determining en angle of entering the well or the mud density for preventing circulation toss on fields that are in tha latter part of the their development.

The methods of stress state control of the zone surrounding the bore hole by deviation and azimuth of the hole were worked out The program was created for use on IBM compatible computers.

The test devices were worked out for determining the stresses on the walls of tha drilled well as well as for the gas zones encountered during the drilling process. In addition, a whipstock with the changing deviation angle providing safety penetration of deflecting tools throuah the deformation of comolicated intervals was also

The mechanics of rock pressure appearance is elucidated, which starts to take on the shape of the rock plugs rising up the hole.

It has been established that this occurrence is an indicator of the presence of gas

developed.