Гидроразрыв скважины и условия его предупреждения
Увеличение давления в скважине выше некоторой предельной величины приводит к гидроразрыву горных пород, слагающих стенки скважины. Внешне в процессе бурения гидроразрыв проявляется как резкое увеличение поглощения промывочной жидкости скважиной.
На рис. 4.53 а приведен характерный график изменения давления на устье скважины при проведении экспериментального гидроразрыва нагнетанием жидкости в скважину с постоянным расходом. Вначале давление растет до величины ргр, называемого давлением гидроразрыва, затем снижается до величины рн, называемой давлением нагнетания, и далее остается постоянным.
Для образования и раскрытия трещины в стенке скважины напряжения должны быть растягивающими (рис. 4.53 б). Из формул (4.90) и (4.91) следует, что растягивающими могут быть только тангенциальные напряжения σt. Следовательно, для предупреждения гидроразрыва необходимо обеспечить
σt < σр,
где σр – предел прочности породы на растяжение.
Рис. 4.53. График изменения давления в скважине при гидроразрыве (по Ю. П. Желтову) (а) и схема образования трещины гидроразрыва (б)
Промысловые наблюдения показывают, что скачок давления ргр – рн часто отсутствует, на основании чего делается вывод, что при гидроразрыве в основном раскрываются существующие в стенке скважины трещины или естественные нарушения сплошности горных пород. Поэтому для предупреждения гидроразрыва выдвигается требование: в горных породах стенки скважины не должно быть растягивающих напряжений, т.е.
|
|
|
| σt > 0. | (4.97) |
В плотных горных породах максимальное давление в вертикальнойскважине рс max, не приводящее к гидроразрыву, получается путем решения системы уравнений
ìσt = 0
íσt = 2рб – рс max
îрс max = ргр,
где ргр – давление гидроразрыва скважины. Тогда
рс max < ргр = 2рб. (4.98)
В пористых горных породах давление гидроразрыва существенно зависит от пластового давления и от проницаемости стенок скважины. Отсюда следуют две задачи по определению давления гидроразрыва:
1) стенка скважины закольматирована и непроницаема, а давление в порах горной породы вокруг скважины постоянное и равно пластовому;
2) стенка скважины проницаема, а вокруг скважины формируется переходная зона, в порах которой давление по мере удаления от стенки изменяется от давления, равного давлению в скважине, до пластового давления.
Решение первой задачи получается из системы уравнений
ìσt = 0
íσt = 2s1 – sr
êsR = рп +( рс max – рп)/c
î рс max = ргр.
Тогда для предупреждения гидроразрыва необходимо, чтобы
|
|
|
рс max < ргр = 2сs1+ рп(1 – c). (4.99)
где σ1 и с – величины, определяемые по формулам (4.38) и (4.39) соответственно.
При решении второй задачи сделано допущение, что давление флюидов в открытых порах стенки скважины равно давлению в скважине. Тогда с учетом необходимых преобразований
| ргр=[2сσ1+ рп(1 – c)]/(2 – с). | (4.100) |
Расчеты, выполненные по формулам (4.99) и (4.100) для одних и тех же условий, показали, что отсутствие кольматации стенок скважины существенно снижает давление гидроразрыва по сравнению с закольматированными (непроницаемыми) стенками скважины. Эти результаты позволили авторам сделать предположение, что скачок давления от ргр до р н может быть обусловлен тем, что непроницаемые закольматированные стенки скважины в результате гидро-разрыва становятся проницаемыми.
В бурении для прогнозирования давления гидроразрыва широко применяется формула Итона, учитывающая только средние значения бокового и пластового давлений:
| р гр =λрг+ (1 –λ)рп, | (4.101) |
где ргр – давление открытия поглощения (давление гидроразрыва); λ – ко-эффициент бокового распора; рг и рп – геостатическое и пластовое дав-ления соответственно. Из формулы (4.101) видно, что она не учитывает пористость горных пород, а также статистические характеристики свойств пород.
|
|
|
Нетрудно видеть, что формулы для расчета давления гидроразрыва из условия его предупреждения сводятся к общему виду
| ргр= А рг+ Врп, | (4.102) |
где А и В –коэффициенты пропорциональности,определяемые расчетным илиэкспериментальным методами.
С точки зрения профилактики поглощения необходимо рассчитывать не средние значения давления гидроразрыва, а их нижние значения с заданной вероятностью. При расчете по средним значениям вероятность риска составляет 50 %, что очень много. При расчете с надежностью 0,95 вероятность риска снижается до 2,5 %, что в бурении считается нормальным. Из формул (4.99) и (9.100) следует, что с увеличением коэффициента бокового распора давление гидроразрыва растет, а с увеличением пористости – снижается. Поэтому в расчетные формулы следует подставлять нижнее значение коэффициента бокового распора и верхнее значение пористости.
На рис. 4.54 приведен пример зависимостей давления гидроразрыва от пластового давления по данным измерений на Шебелинском месторождении (данные А. П. Сельващука). Давления приведены к безразмерному виду делением их на давление столба воды на соответствующей глубине. За время эксплуатации пластовое давление в продуктивном пласте снизилось с 1,35 до 0,32. Точками показаны измеренные давления гидроразрыва . Из рисунка видно, что по мере уменьшения пластового давления снижается и давление гидроразрыва, т.е. коэффициент В в формуле (4.102) отрицательный.
|
|
|
Тонкой линией 1 показана регрессия пластового давления на давление гидроразрыва (средние давления гидроразрыва). Линией 2 показана нижняя граница давлений гидроразрыва, рассчитанная по формуле (4.99) с вероятностью 0,95. Линия 3 представляет собой результат расчета по формуле Итона. Расчет по формуле Итона при высоких пластовых давлениях дает заниженное значение давления гидроразрыва, а при низких пластовых давлениях – завышенное давлении гидроразрыва.
Рис. 4.54. Зависимости относительного давления гидроразрыва пласта Шебелинского месторождения от относительного пластового давления
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 1370; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!