УДК 622.243.273
ВПЛИВ АНІЗОТРОПІЇ ГІРСЬКИХ ПОРІД НА ПРОСТОРОВЕ ОРІЄНТУВАННЯ СВЕРДЛОВИН
кандидат технічних наук, доцент, Кочкодан Я. М., Васько А. І.
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Україна, Івано-Франківськ
Описано вплив анізотропії гірських порід, як однієї з головних геологічних причин, на викривлення вертикальних свердловин. Показано вплив анізотропії на буримість гірських порід. Проведені аналітичні дослідження для визначення бурового індексу анізотропії при бурінні похило залеглих пластів. Показано взаємозв’язок між буровим індексом анізотропії, зенітним кутом, кутом нахилу пластів, геометричними характеристиками свердловини, компоновкою низу бурильної колони та осьовим навантаженням на долото. Проведені аналітичні розрахунки бурового індексу анізотропії на основі промислових даних різних відкладів та площ. Описана методика та проведені лабораторні дослідження для визначення бурового індексу анізотропії натурних взірців гірських порід і показано, що експериментальні дослідження підтвердили правильність аналітичних розрахунків.
Ключові слова: анізотропія, буримість, буровий індекс анізотропії, гірська порода, зенітний кут, кут нахилу пласта, навантаження на долото, площина нашарування, свердловина, твердість породи.
кандидат технических наук, доцент Кочкодан Я. М., Васько А. И. Влияние анизотропии горных пород на пространственное ориентирование скважин/ Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа, Украина, Ивано-Франковск
Описано влияние анизотропии горных пород, как одной из главных геологических причин, на искривление вертикальных скважин. Показано влияние анизотропии на буримость горных пород. Приведены аналитические исследования для определения бурового индекса анизотропии при бурении наклонно залезающих пластов. Показана взаимосвязь между буровым индексом анизотропии, зенитным углом, углом наклона пластов, геометрическими размерами скважины, компоновкой низа бурильной колонны и осевой нагрузкой на долото. Проведены аналитические расчёты бурового индекса анизотропии на основании промышленных данных различных отложений и площадей. Описана методика и приведены лабораторные исследования определения бурового индекса анизотропии натурных образцов горных пород и показано, что экспериментальные исследования подтвердили правильность аналитических расчётов.
Ключевые слова: анизотропия, буримость, буровой индекс анизотропии, горная порода, зенитный угол, угол наклона пласта, нагрузка на долото, поскость напластования, скважина, твёрдость породы.
Kochkodan Y. M., Vasko A. I. Influence of geological material anisotropy on well face orientation/ Ivano-Frankivsk National Technical University of oil and gas,
Ukraine, Ivano-Frankivsk
In the article it has been described influence of geological material anisotropy, as one of the basic matters of a vertical well face orientation. It is shown influence of anisotropy on rock drillability. Analytical researches are done for determining of anisotropy rock index when drilling inclined formations. It is given linkage between anisotropy rock index, well inclination angle, formation inclination angle, well geometry characteristics, bottom hole assembly structure and main load on bit. It was done analytical calculations rock anisotropy on basis of field data of different deposits and sludge. The procedure is described and laboratory investigations are done to find rock anisotropy on natural cores. Experimental research work confirms that analytical calculations are correct.
Keywords: anisotropy, drillability, rock index, geological material, inclination, formation inclination angle, load on a bit, layer of stratification, well, rock strength.
Вступ. При бурінні будь-яким способом у тій чи іншій мірі має місце довільне викривлення ствола свердловини від заданого напрямку. Буріння викривленої свердловини пов’язане з багатьма труднощами і тому своєчасне вживання заходів із запобігання викривлення має важливе значення ефективності бурових робіт. При одному і тому ж способі буріння, але у різних геолого-технічних умовах закономірності викривлення свердловин проявляються по-різному. Свердловини можуть виположуватись, викручуватись, відхилятися вправо або вліво. Проте в одних випадках переважає один напрямок, а в інших – інший. Суттєво відрізняється і інтенсивність викривлення для одних і тих же способів буріння. Це свідчить про те, що на викривлення свердловини впливає багато факторів, ступінь та характер дії яких у різних умовах неодинакові.
Ступінь та інтенсивність викривлення вихначається дією факторів, які являють собою складний комплекс. Характер впливу окремо кожного з факторів встановити практично дуже важко, проте за кінцевими результатами дії можна виділити фактори, які обумовлюють закономірне викривлення та фактори, що призводять до випадкового викривлення.
Для запобігання викривлення свердловин потрібна розробка та впровадження комплексу техніко-технологічних заходів. Розробка цих заходів неможлива без вивчення причин, які сприяють викривленню свердловин. У даний час загальноприйнятою є думка, згідно з якою основними причинами , що обумовлюють викривлення свердловин вважають геологічні, технічні і технологічні. Ці причини можуть проявлятись як поодиноко, так, що трапляються частково, і разом і можуть діяти як постійно, так і тимчасово.
Основна частина. Геологічні причини викривлення свердловини полягають у тому, що при бурінні у пластах, які різняться фізико-механічними властивостями порід, їх будовою та характеристиками залягання, швидкість руйнування порід в окремих точках вибою різна.
До основних геологічних причин, які спричиняють викривлення належать анізотропність, шаруватість, сланцюватість, тріщинуватість гірських порід, а також чергування порід різної твердості і кут нахилу пластів до горизонту. Крім цього на викривлення свердловини можуть мати вплив зони та ділянки м’яких незцементованих або сильно зруйнованих порід, а також порожнини і тверді включення у м’які породи.
Значна кількість вчених вважає, що основною геологічною причиною, яка спричиняє викривлення свердловин є анізотропія гірських порід, яка характеризується різницею швидкостей руйнування порід у різних напрямках як безпосередньо на вибої, так і у привибійних бокових стінках ствола свердловини [1, с.41-43, с.46-53; 2 с.73-83; 3 с.11; 4 с.12-19; 5 с.22-23, с.26-29].
Анізотропія гірських порід зумовлена їх мінералогічним складом, оскільки вона притаманна багатьом породоутворюючим мінералам. Орієнтоване розташування таких мінералів визначається анізотропією порід, що характеризується їх текстурою. Найбільшу анізотропію мають породи з текстурою, яка характеризується паралельними площинами, якими орієнтуються мінерали, які мають голчасту, пластинчасту або лускоподібну форму. Породи з текстурою такого типу легше розколюються або поділяються у напрямку, паралельному площинам чи шарам з орієнтованим розшаруванням мінералів. Часто ці площини чи шари розташовуються у відповідності з пластами чи шарами порід, які складають всю товщу. Опір руйнуванню таких порід при бурінні у напрямку, перпендикулярному до цих площин менший ніж в іншому напрямку [5 с.26-30]. Більшість гірських порід за походженням мають шарувату структуру.
У гірських порід з вираженою шаруватістю площини напластування відіграють роль шарів послаблення, вздовж яких деформаційні та міцні сні властивості понижені, порівняно з іншими напрямками. Проте у площинах напластування механічні властивості порід однакові. Таким чином, такі породи володіють яскраво вираженою анізотропією деформаційних та міцнісних властивостей. Тип анізотропії близький до трансверсально-ізотропного, при якому властивості породи у площинах напластування (площинах ізотропії) однакові і відрізняються від властивостей в ортогональному напрямку (перпендикулярно шарам – вздовж осі ізотропії).
З умови руйнування важливе те, що у породі є горизонтальні поверхні послаблення, обумовлені наявністю горизонтального напластування. Якраз по цих поверхнях в першу чергу буде руйнуватись порода [6 с.52-54].
Варто зауважити, що різниця у механічних властивостях може проявлятись не тільки у шаруватих породах, але й в породах зі сторого орієнтованою системою тріщин. У таких породах опір руйнуванню вздовж площин тріщинуватості також вищий, ніж у перпендикулярному напрямку. Тому ізотропні тріщинуваті породи поводять себе як анізотропні.
З анізотропією гірських порід перш за все пов’язана буримість. Буримість завжди вища у напрямку, перпендикулярному до площини шаруватості чи подільності ніж в будь-якому іншому напрямку. Основними причинами анізотропії за буримістю є часте чергування порід різної твердості, шаруватість та сланцюватість відкладів, які практично також пов’язані з частим чергуванням прошарків порід різної міцності та твердості. У монолітних породах основною причиною анізотропії є мікротріщинуватість, при якому напрямок тріщин залежить від геологічних умов.
Ступінь або показник анізотропії гірських порід визначають різними методиками. Найпоширенішою методикою є визначення механічних властивостей гірських порід у взаємно перпендикулярних напрямках (вздовж і перпендикулярно шаруватості) [7 с.22-23]. За даною методикою за ступінь (показник) анізотропії беруть відношення мінімальної швидкості до максимальної.
Повний текст статті за посиланням