Исследование влияния критериев разрушения на устойчивость ствола скважины в процессе бурения

Нарушение устойчивости открытого ствола скважины в процессе наклонно-направленного и горизонтального бурений является критической проблемой, способной привести к аварийным ситуациям и значительным экономическим потерям. Одним из ключевых способов предотвращения обрушения стенок скважин является тщательный подбор плотности бурового раствора на основе геомеханического моделирования. Целью данного исследования является сравнительный анализ влияния наиболее используемых критериев разрушения (Кулона-Мора, Друккера-Прагера, Хука-Брауна, Моджи-Кулона и Ладе) на расчет плотности бурового раствора, обеспечивающего устойчивость скважины. В работе проводится одномерное геомеханическое моделирование в программном комплексе «РН-СИГМА 2.0» с использованием каротажных данных (плотность, интервальные времена продольных и поперечных волн) для пяти скважин из открытых источников. Рассчитаны профили геостатического и порового давлений, динамические и статические упругие свойства (модуль Юнга и коэффициент Пуассона), прочностные свойства (пределы прочности на одноосное сжатие и растяжение, угол внутреннего трения), а также горизонтальные напряжения по пороупругой модели. Результаты расчетов показали, что выбор критерия разрушения оказывает существенное влияние на величину плотности бурового раствора, необходимого для предотвращения обрушения стенок скважин. Минимальные значения плотности получены при использовании критерия Ладе, а максимальные – критериев Хука-Брауна и Друккера-Прагера. Классический линейный критерий Кулона-Мора показал средние значения плотности. Эти различия обусловлены разной математической формулировкой критериев и учетом ими различных механизмов разрушения горных пород. Полученные результаты указывают на необходимость тщательного выбора критерия разрушения, соответствующего литологии и механическим свойствам конкретных интервалов горных пород.

1. Потапов Р.А., Жирнов Р.А., Изосимов Д.И. и др. Анализ осложнений при строительстве наклонно-направленных эксплуатационных скважин на месторождении Восточной Сибири. Научно-технический сборник Вести газовой науки. 2018; 1(33):26-32.

2. Парфирьев В.А., Закиров Н.Н., Ваганов Ю.В. и др. Проблемы строительства скважин в Восточной Сибири и пути их решения. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2019;1(133):52-57. DOI: 10.31660/0445-0108-2019-1-52-57.

3. Парфирьев В.А., Палеев С.А., Ваганов Ю.В. Анализ строительства нефтяных скважин в осложненных условиях на месторождениях Восточной Сибири. Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2016; 6(120):97-100. DOI: 10.31660/0445-0108-2016-6-97-100.

4. Архипов А.И., Ястребов П.В. Классификация геомеханических критериев разрушения горных пород и перспективы оперативного геомеханического сопровождения строительства скважин. Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. 2020;(2):34-39.

5. Zhang L, Cao P, Radha KC. Evaluation of rock strength criteria for wellbore stability analysis. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2010;47(8):1304-16. doi:10.1016/j.ijrmms.2010.09.001.

6. Colmenares LB, Zoback MD. A statistical evaluation of intact rock failure criteria constrained by polyaxial test data for five different rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2002;39(6):695-729.

7. Rahimi R, Nygaard R. What difference does selection of failure criteria make in wellbore stability analysis? In: Proceedings of the 48th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium; 2014: 2114-27.

8. Shi Y, Ma T, Zhang D, Chen Y, Liu Y, Deng C. Analytical model of wellbore stability analysis of inclined well based on the advantageous synergy among the five strength criteria. Geofluids. 2023; doi:10.1155/2023/2201870.

9. Mahetaji M, Brahma J. A critical review of rock failure Criteria: A scope of Machine learning approach. Engineering Failure Analysis. 2024;159:107998. DOI:10.1016/j.engfailanal.2024.107998.

10. Латыпов И.Д., Валеева Э.З., Ардисламова Д.Р. и др. Опыт применения геомеханического моделирования при бурении скважин в зоне с активной тектонической обстановкой. Нефтяное хозяйство. 2022:(12):90-95. DOI: 10.24887/0028-2448-2022-12-90-95.

11. Фадеева В.А., Самойлов М.И., Павлов В.А. и др. Использование предварительной 1D геомеханической модели для планирования исследований керна. Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2020;7:29-35. DOI:10.30713/2413-5011-2020-7(343)-29-35.

12. Fjær E. Relations between static and dynamic moduli of sedimentary rocks. Geophysical Prospecting. 2019;67:128-139. DOI:10.1111/1365-2478.12711

13. Lacy LL. Dynamic rock mechanics testing for optimized fracture designs. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas. 1997. DOI: 10.2118/38716-MS

14. Shen S, Gao Y, Jia L. A comparison of the relationship between dynamic and static rock mechanical parameters. Applied Sciences. 2024;14(11):4487. DOI:10.3390/app14114487

15. Zoback MD. Reservoir geomechanics. New York: Cambridge University Press; 2007. DOI:10.1017/ CBO9780511586477

16. Колесов А.Е. Численное решение задач пороупругости при разработке нефтяных месторождений. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2015;3(47):63-74.