Строительство глубокой скважины с применением моделей бурения «in situ». Эффект наследования деформации в горной породе при бурении и эксплуатации скважин

С. В. Синев







СТРОИТЕЛЬСТВО ГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДЕЛЕЙ БУРЕНИЯ «IN SITU». ЭФФЕКТ НАСЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ В ГОРНОЙ ПОРОДЕ ПРИ БУРЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН


Монография













Москва Вологда « Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.24
ББК 33.131
     С38


Рецензенты: доктор технических наук, ООО «Интеллект Дриллинг Сервисиз» А. С. Повалихин; доктор технических наук, ЗАО «Радикал 21», главный редактор НТЖ «Инженер-нефтяник» В. И. Иванников






     Синев, С. В.
С38       Строительство глубокой скважины с применением моделей бурения
     «in situ». Эффект наследования деформации в горной породе при бурении и эксплуатации скважин : монография / С. В. Синев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 188 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0592-8

     Рассматривается напряженное состояние горных пород верхних горизонтов земной коры. Приводятся физико-механические свойства пород и другие оценочные показатели процесса бурения. Разбираются реализованные модели бурения «in situ». Рассматривается становление модели бурения «in situ». Представлены механизмы, методы и способы разрушения пород, а также неизученные механизмы разрушения.
     Для специалистов в области бурения. Может быть полезно студентам горно-геологических направлений подготовки.

УДК 622.24
ББК 33.131









ISBN 978-5-9729-0592-8

     © Синев С. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Введение......................................................5
2. Напряженное состояние пород в верхних горизонтах земной коры..11
Источники информации, используемые в разделе 2...................22
3. Разрушение горных пород при бурении скважин шарошечными долотами. Предисловие............................................24
  Физико-механические свойства горных пород и другие оценочные показатели процесса бурения шарошечными долотами...............25
  3.1. Твердость горных пород и факторы, влияющие на ее величину.26
  3.2. Пластичность пород и факторы, влияющие на ее величину.....34
  3.3. Абразивность горных пород.................................37
  3.4. Характеристика геологического разреза скважин по механическим свойствам пород................................41
  3.5. Практическое применение результатов исследований механических свойств горных пород..............................43
  3.6. Буримость горных пород....................................49
  Источники информации, используемые в разделе 3.................52
4. Анализ моделей бурения с оценкой возможностей их реализации...54
  4.1. Тест ПпП-оРР..............................................56
  4.2. Модель бурения in situ....................................57
  4.3. Примеры образования «моделей бурения in situ» с выбором долот и режимов бурения..............................59
  Источники информации, используемые в разделе 4.................66
5. Становление «модели бурения in situ»..........................67
  5.1. Влияние механизма разрушения горной породы на ступенчатость зависимости скорости бурения от нагрузки на долото 68
  5.2. Влияние чистоты забоя скважины на ступенчатость зависимости скорости бурения от нагрузки на долото.............72
  5.3. Влияние частоты вращения долота на ступенчатость зависимости скорости бурения от нагрузки на долото.............75
  5.4. Влияние устойчивости колонны УБТ и ее взаимодействия со стенкой скважины на ступенчатость зависимости V(G)..........76

5.5. Прерывистое вращение долота...............................83
  5.6. Критические частоты вращения бурильного инструмента.......93
  5.7. Определение параметров локальной кривизны скважины для разработки компоновки низа бурильной колонны...............98
  Выводы по разделу 5...........................................106
  Источники информации, используемые в разделе 5................110
6. Механизмы, методы и способы разрушения пород в бурении.......114
  6.1. Объемное разрушение горных пород.........................114
  6.2. Усталостное разрушение горных пород......................117
  Источники информации, используемые в разделе 6................125
7. Разрушение горных пород вооружением шарошечного долота.......126
  Выводы по разделу 7...........................................134
  Источники информации, используемые в разделе 7................135
8. Неизученные механизмы разрушения горных пород................137
  8.1. Разрушение пород в отсутствии вооружения шарошек.........137
  8.2. Разрушение горной породы с образованием плоской трещины под индентором................................................145
  8.3. Разрушение пород вооружением долота со сферически вогнутой поверхностью.........................................154
  Выводы по разделу 8...........................................157
  Источники информации, используемые в разделе 8................158
9. Влияние шламовой подушки на эффективность разрушения породы в присутствии перепада давления..........................160
  Выводы по разделу 9...........................................165
  Источники информации, используемые в разделе 9................166
10. Наблюдение эффекта наследования локальной разрастающейся деформации в горных породах......................167
  Источники информации, используемые в разделе 10...............179
11. Заключение..................................................181

1. ВВЕДЕНИЕ


     Становление современного бурения скважин отмечено патентованием в 1860 году шарошечного породоразрушающего инструмента. «Шарошечное» долото, запатентованное Сванеем в 1886 году, использовалось для бурения весьма крепких горных пород. Развитие бурения обусловлено не только усовершенствованием конструкции долота, но и других составляющих инструмента и буровой установки (БУ). Первый ротор, созданный в 1890 году, который во многом является прототипом современного, двухцилиндровые поршневые насосы двойного действия, заимствованные из промышленных паровых силовых установок, впервые примененные в роторном бурении в 1890 году, сам паровой привод и, наконец, стальные канаты, изготовленные впервые в 1849 году Дж. Реблингом.
     Современное бурение начинается с образования Hughes Tool Company, когда Говард Хьюз (старший) в 1909 году запатентовал шарошечное долото с коническими шарошками. Нынешнее трехшарошечное самоочищающееся долото запатентовано этой же компанией в 1933 году. С середины ХХ века в конструкцию долота внесено много изменений по вооружению, включая переход на вставное вооружение из твердого сплава в 1951 году с армированием вставок алмазами в 1977 году, по подшипникам и их смазке с герметизацией опоры в 1959 году и созданием лубрикатора с компенсационной системой в 1970 году, а также по гидравлической системе долота, с переходом на применение гидромониторных насадок в 1948—1953 годах, и по технологии их изготовления.
     Совершенствование породоразрушающего инструмента сопровождалось совершенствованием и технологии его эксплуатации. Для создания нагрузки на долото и увеличения жесткости низа бурильного инструмента начали применять утяжеленные бурильные трубы (УБТ). К 1933 году длина отдельной трубы УБТ увеличилась с 1,8 м до 6,0 и 9,1 м. Позже общая длина тяжелого низа инструмента выросла до 183 м и более с использованием в нагружении долота

75% его веса. Бурильный инструмент из простой колонны труб с долотом на конце преобразовался в сложную систему, взаимодействующую с забоем и стенками скважины и включающий УБТ различного типа, калибраторы, стабилизаторы, центраторы и даже амортизаторы различного типа. Частота вращения долота, обусловленная вращением бурильного инструмента, от хаотично высокой в форсированных режимах, в погоне за скоростью бурения, приобрела, с учетом безопасности работы инструмента, упорядоченную закономерность ее снижения пропорционально росту твердости горных пород. Для выноса выбуренной породы и охлаждения долота в 1901 году впервые была использована прокачиваемая через трубы вода. Позже, опытным путем, перешли к качественным глинистым буровым растворам. С 1920 года, после изобретения промывочных жидкостей, содержащих утяжелители, функции промывочной жидкости расширились до управления дифференциальным давлением для обеспечения безопасности процесса бурения. Такой успех, привлекший повышенное внимание к качеству промывочной жидкости, привел к приданию ей еще одной функции — обеспечение устойчивости стенок скважины. Кроме того, это еще и канал передачи энергии с устья скважины на забой в бурении забойными двигателями, а позже, и канал связи с забоем.
     Турбинный способ бурения объединен с началом освоения отечественной промышленностью вращательного (роторного) способа взамен канатному и штанговому. Способ появился и развивался параллельно роторному бурению. В 1923—1924 годах М. А. Капелюшниковым осуществлена идея переноса привода долота к забою скважины применением гидравлического источника энергии, явившаяся из-за несовершенства роторного способа. Турбобур состоял из одноступенчатой турбины мощностью в 7—10 л. с. и одно-, двух- или трехъярусного редуктора с планетарной зубчатой передачей, который снижал частоту вращения турбины с 2000—2500 мин⁻¹ до 15—30 мин⁻¹.
     Развитие роторного способа бурения с увеличением нагрузки на долото диаметром 298 и 248 мм до 2,0—4,5 • 10 кН при частоте вращения ротора не более 60—70 мин⁻¹ и умеренной подаче промывочного раствора вытеснило к 1934 году бурение турбобурами М. А. Капелюшникова из-за сравнительно низких технико-экономических показателей. С этого времени совершенствование

бурения идет в постоянном соревновании бурения забойными двигателями и роторного способа.
     В 1935—1938 годах П. П. Шумиловым, Р. А. Иоаннесяном, Э. И. Тагие-вым и М. Т. Гусманом создана конструкция безредукторного турбобура с многоступенчатой мощной турбиной, достаточно высокого к.п.д. Рост показателей эффективности при меньших осевых нагрузках по сравнению с бурением роторным способом был незначительным, как, в прочем, и результативность внедрения турбобура. Но через 2 года, благодаря улучшению качества обслуживания оборудования, разработке и реализации монтажной схемы, а также освоению способа турбинного бурения, показатели резко возросли, что и способствовало полному переходу на применение турбобуров. В 1949 году буровые работы с использованием забойных двигателей составляли 93% общего объема бурения.
     В 1956—1957 годах при пересмотре и введении более рациональных конструкций скважин с общей тенденцией к уменьшению их диаметра до 214 и 190 мм начался новый этап развития турбинного бурения — борьба за оптимальные режимы бурения: уровень расхода промывочной жидкости, нагрузки на долото и частоты его вращения.
     На сегодня основной объем бурения горизонтальных и наклонно направленных скважин в России и за рубежом выполняется низкооборотными высокомоментными винтовыми забойными двигателями (ВЗД), разработанными в России. Это объясняется определенными преимуществами такого привода перед гидродинамическим (типичный представитель — турбобур): более высоким КПД, значительной величиной вращающихся моментов при сохранении необходимой частоты вращения, компактностью и простотой конструкции. Сегодня винтовые забойные двигатели разделены на среднеоборотные и высокооборотные ВЗД. Среднеоборотные двигатели применяются в длительном цикле бурения вертикальных скважин и наклонных стволов большой протяженности на повышенных механических скоростях проходки при сохранении срока службы долота. Высокооборотные двигатели особенно эффективны при малой нагрузке на долото в корректировке направления ствола и зарезке боковых стволов.

Снижение стоимости бурения при решении общей проблемы наращивания запасов энергетических ресурсов достигается повышением эффективности использования оборудования и инструментов, а также повышением техникоэкономических показателей во многом зависящих от интенсификации процесса разрушения горных пород, долговечности работы долота и режимов эксплуатации бурильного инструмента.
     Темп роста проходки за счет улучшения конструкций долот и режимов бурения, незначителен, что можно объяснить недостаточной изученностью ряда вопросов, касающихся процесса разрушения горных пород с дифференцированным учетом забойных условий, совершенствования шарошечных долот и совершенствования режимов их эксплуатации.
     Изложение предлагаемой книги построено в классическом стиле, поэтому оно начинается с исследования напряженного состояния горных пород в верхних горизонтах земной коры и механизмов разрушения пород при бурении скважин шарошечными долотами. Анализируются прочностные свойства горных пород такие как твердость, пластичность, абразивность и факторы, влияющие на их уровень. Предоставляться возможность характеризовать геологический разрез скважин по механическим свойствам горных пород с практическим применением результатов исследований этих свойств. Разбирается буримость горных пород и другие оценочные показатели процесса бурения.
     Анализируются модель бурения in situ и тест ПгШ-оРР с оценкой возможностей их реализации. Приводятся примеры формирования «моделей бурения in situ» с выбором долот и режимов бурения.
     Рассматривается становление «модели бурения in situ», в том числе влияние механизма разрушения горной породы и чистоты забоя скважины на ступенчатость зависимости скорости бурения от нагрузки. Анализируется влияние частоты вращения долота, а также устойчивости колонны УБТ и ее взаимодействия со стенкой скважины на ступенчатость зависимости скорости бурения от нагрузки на долото. Разбирается вопрос о прерывистом вращении долота и критических частот вращения бурильного инструмента. Определяются параметры локальной кривизны скважины в разработке компоновки тяжелого низа бурильной колонны.

Рассматриваются механизмы, методы и способы разрушения, включая усталостное и объемное разрушение горных пород.
      Конкретизируется разрушение горных пород вооружением шарошек долота.
      Приводятся примеры неизученных механизмов разрушения горных пород, в том числе, хорошо известное в практике бурения разрушение пород в отсутствии вооружения шарошек. Рассматривается установленный, но теоретически не обоснованный, механизм разрушения с образованием плоской трещины под поверхностью контакта вооружения долота. Ранее неизвестный механизм перспективен по потенциалу объема разрушения за один акт воздействия на породу. Как частные, рассмотрены вопросы о форме вооружения долот, в том числе со сферически вогнутой поверхностью и каналами на их теле, а также постановочные задачи по влиянию шламовой подушки на эффективность разрушения породы в присутствии перепада давления.
      Анализируется многолетнее наблюдение эффекта наследования локальной разрастающейся деформации (ЭНЛРД) в горных породах, в отличии от пластической деформации у некоторых сплавов, где может наблюдаться полная или частичная обратимость неупругой деформации, называемая эффектом памяти формы (ЭПФ).
      Целью настоящей работы является поиск повышения эффективности бурения шарошечными долотами путем создания облегченных условий разрушения горных пород на забое и предупреждения ЭНЛРД в процессе бурения и эксплуатации глубоких скважин на нефть и газ.
      Методологически книга построена на классическом научном подходе, описанным еще Ньютоном. Метод определяется четырьмя фазами: наблюдение, анализ, моделирование или размышление и опыт. Для наблюдений в качестве статистической информации использован массовый производственный результат, например, информация по отработке долот, информация регистрирующих процесс бурения приборов и т. д. Применены также наблюдения непосредственно практики бурения. Результаты наблюдений анализируются с учетом теоретических и практических изысканий различных исследователей, а также косвенной информации при проведении нецелевых исследований автора. На базе этого формировались модели процессов, протекающих в скважине, необя

зательно математические, в большинстве случаев в данной работе лингвистические. Проводились экспериментальные исследования по уточнению сформированных моделей и определению возможностей управления внутри этих моделей. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных условиях с учетом методов физического моделирования, так и непосредственно на буровой, где коэффициенты подобия приравниваются единице. Отработанные модели переносились на бурящиеся скважины для реализации, т. е. опыта, в классическом понимании. В результате выработаны методологические решения, в которых описанный научный метод используется постоянно в ходе бурения, например, выбор нагрузки на долото и частоты его вращения в начале долбления и, как минимум, при наращивании бурильного инструмента, а также предупреждения ЭНЛРД для бурения и эксплуатации глубоких скважин.

2. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД
            В ВЕРХНИХ ГОРИЗОНТАХ ЗЕМНОЙ КОРЫ


    В строительстве скважин на нефть и газ немаловажную роль играет своевременность их армирования обсадной колонной. Незначительная задержка этого мероприятия сопровождается обвалами стенок скважины, а впоследствии нередко и авариями. Иностранные компании в бурении скважин долгое время придерживавшиеся стоимостной политики сменили тактику, поскольку дополнительная проработка ствола и, что хуже, выход из аварии более дорогостоящие операции, чем затраты на бурение со своевременным креплением ствола.
    Причиной обвалов и прочих неприятностей, таких как деформирование обсадной колонны, самым причудливым образом с выворачиванием стенок труб внутрь их полости, отмечаемых при обсадке скважин в соляных комплексах, принято считать горное давление и, в частности, его составляющую — горизонтальное напряжение. Это относится и к характеру деформаций сводов и стенок горизонтальных выработок, и к проявлению горных ударов и выбросов в горном деле.
    В XIX и начале XX веков в инженерной геологии, геомеханике и горном деле доминировало суждение А. Гейма [1], что напряжения в массиве горных пород соответствуют изотропному напряженному состоянию, т. е. горное давление (нормальное напряжение) равнодействует во всех направлениях и определяется весом вышележащих пород.
    В начале XX века А. Н. Динником [2] выдвинута гипотеза об идеально упругом деформировании пород верхних подразделений геологического разреза. Оценка распределения напряжений по глубине показала существование значимой девиаторной компоненты, вызванной меньшим в 2—3 раза уровнем напряжений горизонтального сжатия в сравнении с вертикальными напряжени

ями. В горной геологии данные о напряжениях, в соответствии с теорией А. Гейма или теорией А. Н. Динника, использовались в качестве начального состояния при расчетах возмущенного напряженного состояния горного массива, вызванного проходкой подземной выработки [3]. Чтобы уравновесить увеличение напряжения горизонтального сжатия, в расчетные формулы А. Н. Динника начали вводить коэффициенты (бокового отпора) и т. д. Все концепции формирования современного напряженного состояния массива горных пород базировались на действии массовых сил при упругой, упругопластической или упруго-вязкой реакции среды, т. е. на гравитационном напряженном состоянии.
      Практика горных работ обнаружила несостоятельность рассмотренных теорий формирования напряженного состояния в горных породах [4], поскольку аномальное поведение массива горной породы косвенно демонстрирует отклонение естественного напряженного состояния от теоретически предсказываемого. Отклонения выражены в характере деформаций сводов и стенок горизонтальных выработок, в неожиданном проявлении горных ударов на самых разных глубинах от десятков до тысяч метров. Естественное напряженное состояние во многих эпизодах не соответствовало гравитационному. Отклонения пытались объяснить воздействием тектонических напряжений [5] и с этим нельзя было не согласиться.
      Подтвердить рассматриваемую концепцию можно описанием структуры поверхности кристаллического фундамента Русской платформы, созданного в период с 1938 года [6] по 1958 год в соответствие материалам геофизических исследований, в том числе, и опорному бурению глубоких скважин с отбором керна, начиная с 1947 года по 1954 год.
      Описание «Схемы структуры современной поверхности кристаллического фундамента Русской платформы» составлено с учетом результатов различных видов геофизических исследований и получило распространение с развитием опорного и разведочного бурения [7]. При составлении карты (схемы) использованы следующие материалы геофизических исследований.
      1.      Электроразведочные и частично сейсморазведочные данные о глубинах залегания поверхности кристаллического фундамента в районах Белоруссии (работы бывшей Белорусской экспедиции Северо-западного геофизического треста Министерства геологии), в Прибалтике, Псковской, Великолукской,