Гидравлический разрыв горных пород

ЛЕКЦИЯ №7

Давление промывочной жидкости в скважине нельзя увеличивать неограниченно и бесконтрольно. При некотором значении давления в скважине p_{с max} = p_гр в горной породе может произойти раскрытие существующих или образование новых трещин. Это явление называется гидравлическим разрывом горных пород. Гидроразрыв пород широко используется как технологический прием для увеличения притока к скважине в процессе извлечение нефти из пласта. Однако гидравлический разрыв горных пород, возникающий в процессе бурения, – явление вредное и его появления допускать нельзя.

Внешне в процессе бурения гидроразрыв пласта проявляется как резкое увеличение поглощения бурового раствора скважиной при превышении в ней определенного давления р_гр . При нагнетании в скважину жидкости с постоянным расходом происходит разрыв пласта, сопровождаемый характерным изменением давления в скважине (рис. 7.1). Вначале давление монотонно растет до некоторого значения р_гр, затем в момент наступления гидроразрыва давление скачком снижается. Наблюдения показывают, что в большинстве случаев скачок давления отсутствует, на основании чего можно заключить, что при гидроразрыве в основном раскрываются существующие трещины.

Рис.7.1. Изменение давления в скважине при гидравлическом разрыве вмещающей горной породы

Гидравлический разрыв происходит при возникновении на стенках скважины растягивающих напряжений, превосходящих предел прочности горной породы на растяжение σ_р . В первую очередь растягивающими могут стать тангенциальные напряжения. В таком случае гидравлический разрыв возникает, когда реализуется следующее условие: σ_θ > σ_р .

Для предупреждения гидравлического разрыва и возникновения в процессе бурения вертикальных трещин необходимо, чтобы выполнялось условие:

p_{с max} < p_гр = σ_р + 2ξ p_г . (7.1)

При регулировании давления в скважине посредством изменения плотности промывочной жидкости условие предупреждения вертикального гидравлического разрыва пород (2.15) принимает следующий вид:

ρ_{р max} < (p_гр – Δp) / g z , (7.2)

где Δp – величина технологического колебания давления в скважине.

В естественных условиях в породе имеются системы мелких трещин, закрытых горным давлением, которые после снятия или компенсации горного давления раскрываются. Любая из существующих в горной породе горизонтальных трещин также может служить началом трещины гидравлического разрыва (рис. 7.2), если давление бурового раствора в скважине превысит некоторую критическую величину.

Рис.7.2. Развитие горизонтальной трещины в горной породе за счет гидравлического разрыва

Расчет на прочность, предлагаемый механикой хрупкого разрушения, включает в себя три момента:

- определение размера и положения опасной трещины;

- определение коэффициента интенсивности напряжений К₁ на фронте трещины с учетом напряжений технологического и эксплуатационного происхождения;

- выбор критерия локального разрушения К_1С на фронте трещины и отыскание предельного состояния, которое соответствует началу гидравлического разрыва горной породы. Для хрупких горных пород критические значения коэффициента интенсивности напряжений К_1С имеют значения (0,3–3,5) 10⁶ Н/м^1,5, для металлов – (15–180) 10⁶ Н/м^1,5.

С помощью названных трех положений механики хрупкого разрушения получено выражение для определения давления в скважине, при котором возникает гидравлический разрыв за счет развитиягоризонтальной дискообразной трещины с известным радиусом а (рис. 7.2):

р_с = р_гр = р_г + 0,9 К_1С / , (7.3)

где р_г – горное давление, определяемое зависимостью p_г = ρ_п g z.

Из (7.3) следует, что давление горизонтального гидроразрыва пород р_с = р_гр превышает местное горное давление на некоторую величину, зависящую от размера трещин и прочностных свойств пород. Для больших глубин залегания и трещин большой протяженности вклад второго слагаемого в общее разрывающее давление невелик.

Решение (7.3) справедливо для случая гидравлического разрыва, когда скважина подсекает отдельную горизонтальную трещину. В действительности трещины сообщаются между собой, и разрыву подвергаются только межтрещинные целики. В результате гидроразрыва трещины разрастаются, увеличивают свое раскрытие и соединяются друг с другом.