Forecast of changes of rock strength with depth
Authors: Нифантов В.И. , Мельникова Е.В. , Пищухин В.М. , Кузнецов С.А. , Макарьев О.В. 
Published: July 2024

Процесс бурения и крепления скважин осложняется из-за нарушения устойчивости горных пород, различных по составу и своим свойствам. Устойчивость горных пород зависит от различных факторов. В глинистых породах и солях существенную роль играют процессы увлажнения, набухания и диспергирования, вызывающие ослабление структурных связей между частицами породы. Для предупреждения осложнений при проводке скважины необходимо проводить исследования причин изменения свойств горных пород в различных геологических условиях, а также определять характер нарушения устойчивости ствола скважины, пробуренного в терригенных породах, содержащих глинистые включения, а также в солевых и межсолевых отложениях. Рассмотрены результаты исследований изменения прочностных свойств глинистых горных пород при формировании ствола скважины в процессе бурения. Систематизированы экспериментальные данные по определению механических свойств различных литотипов терригенных глинистых пород, залегающих на разных глубинах. Важный вывод, который следует из проведенных исследований заключается в том, что с глубин более 1500 м прочность глинистых пород на сжатие (σ) становится меньше скелетных напряжений в диапазоне изменения аномальности пластового давления (аномально низкого - АНПД и аномально высокого - АВПД) от 0,25≤Ка<1,0 (АНПД), а с глубин 3000 м и более - в диапазоне 1,0<Ка≤1,5 (АВПД). Установлены области изменения напряженного состояния призабойной зоны пласта (ПЗП), где происходит нарушение устойчивости ствола скважины (осыпи, обвалы, кавернообразования, сужения ствола). На основе проведенных расчетов и построений установлено, что АВПД с коэффициентом аномальности Ка≥2,0 имеет место с глубин более 3000 м. Большинство полученных данных сосредоточено в диапазоне скелетных напряжений, возникающих в ПЗП при 1,22≤Ка≤2,0. По некоторым скважинам, в которых происходило нарушение ствола, скелетные напряжения находились в области Ка>2,0. На основании статистических данных изменения свойств глинистых пород с глубиной разработана методика предупреждения осложнений при проводке скважин в сложных горно-геологических условиях.

The process of drilling and fastening wells is very complex in engineering terms, as it is accompanied by the destruction of rocks of different properties. The stability of rocks is sharply reduced in the presence of different types of water. In clay rocks and salts, the processes of moistening, swelling and dispersion play a significant role, causing a weakening of the structural bonds between the rock particles. In order to prevent complications during the well wiring, it is necessary to study the causes of changes in the properties of rocks in various geological conditions, as well as to determine the nature of the violation of the stability of the wellbore drilled in terrigenous rocks containing clay inclusions, as well as in salt and inter-salt deposits. The results of studies of changes in the properties of clay rocks in the formation of the wellbore during drilling. Experimental data on the determination of mechanical properties of different lithotypes of terrigenous clay rocks at different depths are systematized. An important conclusion that follows from the constructed dependences: with a depth of more than 1500 m, the compressive strength of clay rocks (σ) becomes less than the skeletal stresses in the range of anomalous reservoir pressure (abnormally low - ALRP and abnormally high - AHRP) from 0.25≤Ka<1.0 (ALRP), and from depths of 3000 m and more - in the range of 1.0<Ka≤1.5 (AHRP). The areas of changes in the stress state of the bottomhole formation zone (BFZ), where there is a violation of the stability of the wellbore (scree, landslides, cavern formation, narrowing of the trunk) On the basis of the calculations, and builds established that the abnormal ratio of the anomalous Ka≥2,0 with depths greater than 3000 m. Most of the obtained data concentrated in the range of skeletal stresses in the PZP when 1,22≤Ka≤2,0. For five wells in which there was a violation of the trunk, skeletal stresses are in the Ka>2.0. On the basis of statistical data of change of properties of clay mountain with depth the technique of the prevention of complications at conducting of wells in difficult mountain-geological conditions is developed.