Осыпи и обвалы горных пород стенок скважины

С точки зрения механики осыпи и обвалы обусловлены напряжениями в стенках скважины, превышающими предел прочности горной породы. Основными признаками являются несоизмеримое количество шлама в системе очистки скважины с ее объемом, а также появление осадка на забое скважины (при спуске инструмент не доходит до забоя).

В горных породах до вскрытия скважиной действуют естественные напряжения (горное давление):

 

р_г = ρ_г gz; (7.3)

р_б = λ р_г, (7.4)

 

где р_г - вертикальная компонента, называемая геостатическим давлением;

р_б - горизонтальная компонента (боковое давление); ρ_г – плотность горных пород; λ – коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы. При вскрытии бурением горная порода в объеме скважины заменяется буровым раствором с давлением р_с. Соответственно изменятся компоненты напряжений в горной породе стенки скважины (рис. 7.2).

Изменением вертикальной компоненты обычно пренебрегают, т.е.

σ_z = р_г. (7.5)

 

Компоненты в горизонтальной плоскости в цилиндрической системе координат становятся следующими:

 

σ_R = p_c; (7.6)

σ_t =2 р_б - р_с. (7.7)

 

Соответственно в стенках скважины возникают касательные напряжения:

 

τ_zr = (σ_z − σ_R)/2; (7.8)

τ_zt = (σ_z – σ_t)/2; (7.9)

τ_tr = (σ_t − σ_R)/2. (7.10)

 

Условие сохранения стенки в упругом состоянии в соответствии с теорией прочности Мора-Кулона имеет вид

 

τ _тах < k_дл τ_s, (7.11)

 

где τ_s – предел текучести горной породы; k_дл - коэффициент длительной прочности породы.

Заведомо неизвестно, какая из компонент τ, представленных уравнениями (7.8), (7.9) и (7.10), максимальная. Поэтому расчеты проводятся для всех трех случаев. Регулирование напряжений в стенке, как следует из уравнений (7.6) и (7.7), возможно только путем изменения давления в скважине. Поэтому условие (7.11) записывается как диапазон давлений бурового раствора в скважине на рассматриваемой глубине:

 

р_сн < p_c < p_cв, (7.12)

 

где р_сн – нижняя граница допустимого давления в скважине; р_св – верхняя граница допустимого давления в скважине.

Величина k_дл на момент вскрытия породы скважиной принимается равной единице. По мере бурения стенка скважины подвергается физико-химическому воздействию со стороны бурового раствора, а также имеют место колебания давления и температуры в скважине и механическое воздействие инструмента. Все это ведет к уменьшению прочности породы во времени, т. е. к уменьшению величины k_дл, а в конечном счете к сужению диапазона допустимого давления в скважине во времени.

На рис. 7.3 показан характер изменения предела текучести горной породы во времени. Предел текучести породы τ_s(t) монотонно снижается и приближается к асимптоте τ_s¥. Если при бурении максимальные напряжения (τ _{тах 1}) ниже предельных τ_s¥, то проблем со стенкой скважины не будет. Это имеет место при бурении в средней прочности и прочных горных породах. Если же максимальные напряжения (τ _{тах 2}) ниже предельных τ_s, но выше τ_s¥, то допустимое время бурения составит величину [ t_б ] (см. рис. 7.3).

Как только давление в скважине окажется за пределами допустимого диапазона, т.е. t_б > [ t_б ], то следует ожидать деформирования (сужения скважины в пластичных породах) или разрушения стенок в хрупких и пластично-хрупких породах. Таким образом, для предупреждения осыпей и обвалов стенок скважины в горных породах низкой прочности необходимо пробурить и закрепить опасный интервал за время, не превышающее [ t_б ]. Для увеличения [ t_б ] необходимо скорректировать плотность бурового раствора, по возможности ограничить колебания давления и температуры бурового раствора, и, что самое главное, подобрать тип и свойства раствора, минимально понижающие прочность горной породы во времени.