Влияние анизотропии прочностных свойств на устойчивость ствола при бурении

Введение. Параметр UCS (unconfi ned compressive strength) — предел прочности породы при одноосном сжатии, который является значимым физическим параметром, используемым для описания прочностного состояния горных пород. Во время бурения происходит перераспределение нагрузки на ствол скважины в зависимости от зенитного угла. В рамках исследования введено понятие коэффициента анизотропии прочности — количественной характеристики, отражающей степень снижения прочности породы в зависимости от ориентации образцов в различных направлениях относительно приложенной нагрузки.

Цель. Рассмотрение анизотропии прочностных свойств и выявление ее влияния на устойчивость ствола скважины во время бурения.

Материалы и методы. Представлен обзор наиболее известных и практически значимых способов оценки значений UCS, которые описывают измерения одноосного сжатия пород в зависимости от упругих, акустических и других физико-механических свойств горных пород. Сделано сравнение влияния предела прочности, рассчитанного по разным методам, на градиент обрушений. По результатам интерпретации керновых данных построены зависимости предела прочности от выпиленных под разным углом (0°, 30°, 45°, 60°, 90°) образцов керна.

Результаты. Проведены исследования анизотропии прочностных свойств и выявлено влияние ее на устойчивость ствола скважины. Ориентация выпиленных образцов приведена на ориентацию зенитных углов при бурении. Продемонстрирован общий тренд изменения предела прочности в зависимости от зенитного угла бурения. Рассмотрена оценка градиента обрушений по методу Кулона — Мора с использованием кривой предела прочности для стандартных условий и с учётом анизотропии прочности пород.

Заключение. Результаты исследования позволяют уточнить риски при бурении скважин в интервалах нестабильности открытого ствола и оценить устойчивость наклонно направленных и горизонтальных скважин. 

1. McPhee C., Reed J., Zubizarreta I. Core Analysis: a best practice guide. — 2015. — 840 p.

2. ГОСТ 21153.0–75. Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний. — М.: Издательство стандартов, 1981. — 3 с.

3. Павлов В.А., Кулешов В.С., Королев Д.О. и др. Практическое руководство по геомеханическому моделированию для решения задач разработки месторождений нефти и газа // ООО «Тюменский нефтяной научный центр». — Тюмень: ИПЦ «Экспресс», 2023. — 440 с.

4. Plumb R.A. Influence of Composition and Texture on the Failure Properties of Clastic Rocks: Society of Petroleum Engineers // Rock Mechanics in Petroleum Engineering. — 1994. — Pp. 13–20. https://doi.org/10.2118/28022-MS

5. Bradford I.D.R. etc. Benefi ts of assessing the solids production elastoplastic modeling // SPIWSRM 47360, Jul 1998.

6. Chandong Chang, Mark D. Zoback, etc. Empirical relations between rock strength and physical properties in sedimentary rocks // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2006. — № 51. — Pp. 223–237.

7. Horsrud P. Estimating mechanical properties of shale from empirical correlations’ // SPE Drill Complet. — 2001. — No. 16. — Pp. 68–73.

8. McNally G.H. Estimation of coal measures rock strength using sonic and neutron logs // Geoexploration Amsterdam. — 1987. — Vol. 24, no. 4–5. — Pp. 381–395.

9. Lashkaripour G.R. Predicting Mechanical Properties of Mudrock from index parameters // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. — 2002. — No. 61. — Pp. 73–77. https://doi.org/10.1007/s100640100116

10. ГОСТ 21153.2-84 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии». — 1986. — 8 с.

11. Торопецкий К.В., Борисов Г.А., Самойлов М.И., Ельцов И.Н. Расширенный метод контролируемого царапанья как источник геомеханических данных // Российская нефтегазовая техническая конференция SPE 12–14 октября 2020 г. Москва. 12. Харисов Т. Ф. Оценка предела прочности пород в образце с использованием молотка Шмидта // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. — 2020. — № 4. — С. 306–314.

12. Давлетова А.Р., Киреев В.В., Кнутова С.Р., Пестриков А.В., Федоров А.И. Разработка корпоративного геомеханического симулятора для моделирования устойчивости ствола скважины // Нефтяное хозяйство. — 2018. — № 6. — С. 88–92.

13. Ардисламова Д.Р., Давлетова А.Р., Закирзянов Ш.И., Пестриков А.В., Судеев И.В., Федоров А.И., Шамсутдинова Е.Р., Хакимов А.А., Абушаев Р.Н. Расчет напряженного состояния на участке Северо-Комсомольского месторождения с использованием нового корпоративного 3D-симулятора РН-СИГМА // Экспозиция Нефть Газ. — 2023. — № 3. — С. 38–43.