§ 7. ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА
УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК СКВАЖИН
Гидродинамические колебания давления жидкости в стволе скважины вызывают
определенные изменения напряженного состояния горных пород на ее
стенках. Эти колебания могут быть вызваны повышением давления выше
гидростатического при продавке бурового раствора, восстановлении
циркуляции, работе буровых насосов, в результате гидравлических
сопротивлений при циркуляции раствора в затрубном пространстве, во время
проведения спуско-подъемных операций, при поршневании скважины и т. д.
§ 8. УСЛОВИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
Потеря устойчивости и разрушение стенок скважины могут возникнуть при
достижении предельного состояния прочности горных пород. При этом может
происходить хрупкое разрушение или пластическое течение. Для оценки
предельного состояния
горных пород на стенках скважины используют условие
текучести Мизеса.
В настоящее время устойчивость стенок скважин
поддерживают повышением гидростатического давления бурового раствора,
сдерживающего пластическое течение и обрушение пород. Выбор
гидростатического давления раствора, действующего на стенки скважины,
сводится к подбору необходимой его плотности. При условии действия
горного давления и противодавления бурового раствора в скважине
плотность раствора.
При постоянном напряженном состоянии горных пород в
скважине, близком к предельному, на устойчивость стенок ствола
существенное влияние оказывает режим работы скважины. Например, в
процессе промывки скважины температура стенок снижается, а при остановке
циркуляции наблюдается повышение температуры горных пород. Частота
циклов нагревания и охлаждения обычно равна числу рейсов долота на забой
в сутки. Циклическое нагревание и охлаждение даже при небольших
амплитудах изменения температур может привести к усталостным
термонапряжениям на стенках скважины. Аналогичные явления возникают и
при колебаниях гидродинамического давления в скважине, механических
ударах бурильного инструмента по стенкам ствола и т. д.
Длительная прочность горных пород на стенках скважины изучена еще слабо.
Установлено, что в первые десять—двадцать циклов нагружения предел
текучести пород увеличивается, а далее резко снижается [77].
Скорость и степень уменьшения длительной прочности породы зависят от
амплитуды колебаний гидродинамического давления и температуры.
Длительная прочность горных пород в скважине считается достаточной, если
текущая во времени прочность пород составляет 0,85-0,95 от
первоначальной ее прочности всестороннему сжатию.
Условие устойчивости горных пород на стенках
скважины, согласно работе [77], рекомендуется определять
экспериментально по разности горного и гидростатического давлений,
соответствующих началу разрушения породы.
Следует заметить, что такой подход к оценке
устойчивости стенок скважины не учитывает влияния других факторов,
например, действие среды бурового раствора и т. д.
Приведенные расчеты устойчивости стенок скважин не отражают
физико-химического изменения прочности пород при их взаимодействии с
промывочной средой.
Гидростатическое давление в скважине уменьшается при гидроразрыве
пласта, который может вызвать раскрытие ранее существующих или вновь
образующихся трещин в породах и привести к возникновению поглощения
раствора. В процессе бурения скважины гидроразрыв пласта проявляется в
виде резкого увеличения поглощения раствора при достижении критического
давления в скважине. Если при гидроразрыве не наблюдается скачка
давления, а скважина при критическом давлении начинает поглощать буровой
раствор, то это свидетельствует о раскрытии естественных нарушений
сплошности в пласте. Фактором, препятствующим гидроразрыву пласта,
является горное давление.
Логично предположение о раскрытии вертикальных
трещин в породах, выдвинутое Скоттом, Бриденом, Говардом и др.
С. А. Христианович выдвинул несколько иную гипотезу образования трещин,
основанную на возникновении пластических деформаций в породах малой
прочности, как правило, глинистых, в которых может возникать разгрузка
горного давления вокруг скважины. В этом случае возможно раскрытие
горизонтальных трещин при давлении, меньшем горного. Однако вопрос об
ориентации трещин в породах пока не разрешен.
Критическое давление гидроразрыва пород является одной из важных
характеристик механики горных пород, поэтому необходимо определить этот
показатель аналитически или опытным путем [31 ].
Колебания температуры, гидродинамического и гидростатического давлений в
скважине приводят к снижению величины давления гидроразрыва, в связи с
чем возникает необходимость оценки длительной прочности ствола.