Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Эти рассуждения справедливы и для пены, хотя здесь есть и важное отличие. Оно заключается в том, что пена имеет большую плотность, чем воздух. При бурении с пеной нужно учитывать плотность пены. Вследствие присутствия в пене жидкой фазы забойное давление в гораздо большей степени обусловлено гидростатическим давлением. Кроме того, скорость потока в кольцевом пространстве при использовании пены также будет намного ниже. Поэтому доля гидравлических потерь в величине забойного давления также будет меньше. При использовании пены график изменения давления в скважине отклоняется от линейного, характерного для воздуха, из-за изменения характеристик пены с глубиной

(рис. 7-56).

воздуха и пены, обычно предоставляют такие программы.

Общее правило таково, что по мере увеличения глубины или скорости проходки нужно увеличивать расход воздуха и жидкости. Потребуется также увеличить противодавления на устье.

Из-за большего градиента гидростатического давления при использовании пены снижение давления по стволу будет больше, чем при использовании воздуха. При использовании пены давление будет выше по всему стволу. И хотя давление воздуха будет выше, потребность в воздухе при использовании пены будет меньше. Поэтому расход топлива для компрессора при бурении с пеной будет значительно ниже, чем при бурении с продувкой воздухом. Чтобы по возможности сократить расход топлива, обычно стараются иметь как можно более низкое устьевое давление при условии, что обеспечивается качество пены 65 % у долота и 95% у поверхности.

Более высокое давление, действующее при бурении с пеной, в некоторой степени способствует сохранению устойчивости стенок ствола. Водная фаза пены и тумана может немного уменьшить устойчивость стенок, поэтому воду, используемую для получения пены, нужно подвергнуть специальной обработке. Следует отметить также, что жидкие компоненты пены должны быть совместимы с разбуриваемой породой.

100

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Приток пластовых флюидов

В общем, бурение с использованием воздуха и пены проводится на депрессии. При этом существуют условия для притока в скважину в процессе бурения пластовых флюидов. Такие притоки усложняют работу. Газопроявления могут увеличить качество пены, вплоть до ее разрушения с образованием тумана. Приток жидкости может уменьшить качество пены и увеличить забойное давление. Приток газа может привести либо к увеличению, либо к уменьшению забойного давления.

Если забойное давление обусловлено в большей степени гидростатическим давлением жидкости, входящей в состав пены, приток газа приведет к уменьшению забойного давления и увеличению качества пены около долота. Если забойное давление обусловлено в большей степени гидравлическими потерями, приток газа может привести к увеличению забойного давления и уменьшению качества пены около долота, в то время как на поверхности качество пены будет увеличиваться.

Приток воды или газа можно обнаружить на поверхности, осуществляя контроль за параметрами потока в выкидной линии, по изменению качества пены и появлению пробок в потоке.

Если происходит приток газа, нужно увеличить расход жидкости. Возможно, понадобится увеличить и расход воздуха, чтобы сохранить качество пены у долота. Если происходит приток нефти или воды, нужно увеличить расход воздуха и ПАВ.

Пена с твердой фазой

Добавив бентонит или полимер в мыльный раствор можно получить пену с твердой фазой. Она имеет более высокую вязкость и движется в кольцевом пространстве в пробковом режиме. Пены с твердой фазой наиболее эффективны там, где качество пены невысоко, например, непосредственно над долотом.

Аэрированные буровые растворы

Аэрированные буровые растворы используются тогда, когда нужно уменьшить давление в скважине. Для этого вводят воздух либо в циркулирующую жидкость, либо в кольцевое пространство между колоннами. Как и при бурении с использованием пены и воздуха, высокая сжимаемость воздуха приводит к колебаниям скорости потока в кольцевом пространстве. В отличие от бурения с использованием пены и воздуха, механизм транспортирования шлама такой же, как и использовании бурового раствора - по меньшей мере, пока объемное содержание воздуха не превысит 55 %.

В некотором месте кольцевого пространства аэрированный буровой раствор может вспениться. Поскольку транспортирующая способность аэрированного раствора была достаточна для выноса шлама, пена также справится с этой задачей. Однако при этом остается опасность разрушения пены с образованием тумана около поверхности. Если это произойдет, то около поверхности разовьется пробковый режим течения, и транспортирующая способность потока станет недостаточной.

101

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Заключение

Когда следует ожидать осложнений, связанных с некачественной очисткой скважины

Ввертикальных скважинах осложнения, связанные с некачественной очисткой, проявляются как циркуляция шлама. Наиболее вероятна такая ситуация при использовании легких маловязких буровых растворов, при низкой скорости потока в кольцевом пространстве. Такие условия обычно существуют при бурении под кондуктор долотом большого диаметра. Проблемы могут возникать и при высокой скорости проходки, или при разбуривании неустойчивых пород.

Внаклонных скважинах можно всегда ожидать

осложнений, связанных с некачественной очисткой. Наиболее серьезные осложнения бывают при небольших расходах и при использовании маловязких и высоковязких буровых растворов.

Прихваты и затяжки возникают обычно при подъеме инструмента (рис. 7-57). Достаточно серьезные проблемы проявляют себя обычно после наращивания колонны, когда насосы остановлены. Если в скважине находятся очень большие обломки породы или большое количество циркулирующего шлама, то при первом подъеме после наращивания можно обнаружить очень сильное сопротивление продольному перемещению колонны.

Предупредительные меры

Для предотвращения прихватов, обусловленных недостаточной очисткой скважины, нужно избегать условий, в которых очистка не может быть выполнена качественно. В общем, нужно:

∙Поддерживать достаточный расход бурового раствора, особенно в наклонных скважинах.

диаметре ствола 171/2" нужен расход не менее 1000 галлон/мин, при диаметре ствола 121/4" нужен расход не менее 750 галлон/мин, при диаметре ствола 81/2" нужен расход не менее 500 галлон/мин.

102

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

oLou, Bern, Champter и Kellingray из BP Amoco создали набор простых номограмм для выбора расхода бурового раствора в наклонных скважинах.5 Эти номограммы построены для типичных условий месторождений Северного моря в предположении, что колонна может вращаться свободно (приведены в Приложении А).

o При удалении шлама циркуляцией из сильнонаклонной скважины важно поддерживать расход на уровне не меньшем, чем был при ее проходке. При низком расходе бурового и при прекращении циркуляции слои шлама будут соскальзывать в интервалах зенитных углов от 30° до 65°. Поэтому осуществлять циркуляцию с низким расходом в сильнонаклонных скважинах нельзя.

oВсегда рекомендуется спускать последние три свечи с циркуляцией. Это нужно не только для того, чтобы предотвратить забивание насадок долота, но и для того, чтобы исключить скопление шлама вокруг долота и образование пробки после восстановления циркуляции. В сильнонаклонных скважинах нужно осуществлять циркуляцию с полным расходом, чтобы избежать соскальзывания слоев шлама в интервале средних зенитных углов.

∙Следить за скоростью проходки. При увеличении количества шлама в кольцевом пространстве очистка скважины затрудняется, поскольку при этом профиль скоростей потока смещается в противоположную сторону от слоев шлама.

∙Прекращать бурение, если это диктуют условия в скважине. Если очистка скважины затрудняется, добавление шлама в кольцевое пространство только усугубит проблему.

∙Планировать специальные рейсы для очистки и проработки ствола. Это поможет оторвать шлам от стенок скважины, взрыхлить слои шлама, а также оценить качество выполненной очистки скважины.

∙Промывать скважину до чистого раствора перед подъемом инструмента и удалять шлам от КНБК циркуляцией перед наращиванием колонны. Максимально увеличивать перемещения колонны при промывке скважины. В наклонных скважинах вращать колонну для рыхления слоев шлама.

∙Контролировать свойства бурового раствора. Желательно поддерживать высокое отношение YP/PV.

∙Закачивать порции высоковязкой жидкости в вертикальных скважинах и чередующиеся порции маловязкой, затем высоковязкой тяжелой жидкости в наклонных скважинах. Применение высоковязкой жидкости позволит изменить режим течения на структурный. Это эффективно в вертикальных скважинах, но в наклонных скважинах порции высоковязкой жидкости сами по себе ситуацию не улучшат (поскольку движение высоковязкой жидкости может привести к отклонению потока от слоев шлама, особенно если порция движется достаточно долго и перемешивается с окружающим буровым раствором, в результате чего структурный режим течения не возникает).

∙Не следует закачивать высоковязкую жидкость слишком большими порциями и слишком часто. Образование пробки может произойти во время прокачки порции вязкой жидкости, особенно в интервалах средних зенитных углов.

∙Выполнять наращивание колонны как можно быстрее, для чего следует улучшать планирование и организацию работы.

∙Установить предельное натяжение колонны. Не следует втягивать колонну в пробку так сильно, что ее нельзя будет освободить перемещением вниз. Чем больше натяжение, тем плотнее пробка. Лучше проходить интервал со слоями шлама, понемногу увеличивая натяжение. Если встретится препятствие, нужно немного натянуть колонну и тут же ослабить, убедившись в возможности свободного перемещения колонны вниз, затем

103

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

натянуть сильнее и снова ослабить, убедившись в возможности свободного перемещения вниз. Повторять эти действия до тех пор, пока препятствие не будет пройдено или не будет достигнуто установленное предельное натяжение. Предельное натяжение устанавливается для того, чтобы решение о том, насколько натягивать колонну при прохождении пробки, перед тем как попробовать что-то еще, мог принимать представитель разведочной компании, а не бурильщик.

∙Следить за динамикой параметров бурения для контроля за качеством очистки скважины. Регистрировать нагрузку на крюке при свободно вращающейся колонне, нагрузку на крюке при подъеме колонны, нагрузку на крюке при спуске колонны, крутящий момент при долоте, приподнятом над забоем, крутящий момент при долоте на забое, и давление циркуляции. Лучший способ избежать осложнений - отслеживать первые признаки и принимать меры до того, как проблема выйдет из-под контроля.

∙Следить за динамикой крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны для оценки качества очистки скважины. Бурильщик должен регистрировать эти параметры перед каждым наращиванием колонны. Инженер на буровой может подготовить таблицу для контроля объема раствора в емкостях циркуляционной системы. Схождение и расхождение фактического и ожидаемого графиков изменения объема поможет оценить качество очистки скважины. Например, снижение крутящего момента при долоте, приподнятом над забоем, может быть признаком заполнения скважины шламом.

∙Прорабатывать ствол при подъеме в сильнонаклонных скважинах.

∙Регистрировать каждое сужение ствола при СПО или наращивании колонны.

∙Понимание технологии очистки скважины позволяет уменьшить объем СПО и проработок ствола, оптимизировать продолжительность циркуляции и в максимальной степени увеличить скорость бурения. После первого рейса для очистки и проработки ствола нужно следить за тенденциями изменения параметров бурения, схождение /расхождение которых покажет, когда нужно выполнять следующий такой рейс.

Бурильщик должен всегда знать, где находится его КНБК по отношению к участкам со сложной геометрией и известным проблемным местам. Заклинивание УБТ наиболее вероятно в месте резкого искривления ствола или на участке номинального диаметра, находящимся непосредственно над большим расширением ствола. При прохождении УБТ через резкое искривление они прорезают и выпахивают породу. Обломки этой породы скапливаются и уплотняются в месте, где долото и УБТ прижимаются к стенке скважины (рис. 7-58).

Перед началом СПО следует распечатать и поместить в нескольких местах на рабочей площадке буровой литологическую колонку и графики изменения параметров бурения с кавернограммой. Это поможет бурильщику следить за прохождением проблемных участков, перемещая бумажное изображение КНБК по разрезу во время подъема инструмента (см. рис. 13-1 и соответствующее обсуждение мониторинга тенденций изменения параметров бурения).

104

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Как прихваты шламом или обвалившейся породой, так и дифференциальные прихваты происходят чаще всего в местах резкого искривления

Рис. 7-58 Образование пробки в месте резкого искривления ствола

Признаки некачественной очистки скважины

Члены буровой бригады должны отслеживать признаки некачественной очистки скважины. Большинство прихватов, обусловленных некачественной очисткой скважины, можно выявить по динамике параметров при бурении и СПО задолго до того, как они фактически произойдут. Наиболее очевидными признаками являются следующие:

∙Неполный вынос на поверхность шлама, образующегося при данной скорости проходки.

∙Хаотичное изменение количества выносимого шлама.

∙Через сетки вибросит проходит больше шлама, чем обычно (чем дольше шлам находится

вскважине, тем больше степень его измельчения)

∙Возрастает пластическая вязкость, плотность выходящего бурового раствора, содержание

врастворе песка или легких твердых частиц (когда шлам сильно измельчен, очистные устройства циркуляционной системы не могут удалить его из раствора).

∙Тенденции изменения параметров, указывающие на некачественную очистку скважины, можно видеть на диаграммах станции контроля параметров бурения (Сео1о§гарп) (рис. 7- 59):

∙Тенденции изменения параметров при наращивании колонны:

oЗатяжки при снятии колонны с клиньев и бросок давления при восстановлении циркуляции. Осевший шлам заполнил пространство вокруг КНБК, и при снятии колонны с клиньев и/или восстановлении циркуляции начинается образование пробки.

oУвеличение давления насоса при восстановлении циркуляции. Поскольку кольцевое пространство заполнено шламом, разность значений гидростатического давления чистого бурового раствора в бурильной колонне и зашламленного бурового раствора в кольцевом пространстве возрастает.

∙Тенденции изменения параметров при бурении:

oУвеличение давления насоса по линейному закону. Поскольку в кольцевое пространство поступает больше шлама, чем из него выходит, забойное давление нарастает. Это нарастание идет с той же скоростью, с которой увеличивается концентрация шлама, а эта скорость обычно постоянна. Важно не спутать тенденцию

105

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

нормального увеличения давления с глубиной с тенденцией увеличения давления изза возрастания концентрации шлама. Бурильщик должен знать нормальные тенденции, чтобы суметь выявить аномальные.

oНеравномерная подача насоса. Соскальзывание слоев шлама или очень интенсивная циркуляция шлама создает условия для образования пробки вокруг колонны в этом месте.

o Возрастание как крутящего момента, так и сопротивления продольному перемещению колонны. Крутящий момент и сопротивление продольному перемещению хаотично изменяются. Скопление шлама начинает влиять на перемещения колонны.

oПостепенное уменьшение скорости проходки. Возрастание забойного давления приводит к увеличению кажущейся прочности разбуриваемой породы, в результате чего уменьшается скорость проходки (см. параграф "Механика горных пород")

∙Тенденции изменения параметров при СПО:

oПоршневание: КНБК с накопившимся вокруг нее уплотненным шламом действует как поршень. Приток флюидов в скважину не компенсирует уменьшение объема бурового раствора в скважине при подъеме инструмента. Эффект поршневания усиливается с увеличением пластической вязкости раствора.

oПри подъеме колонны с циркуляцией, колонна может действовать, как поршень.

Когда начинается образование пробки, давление под долотом возрастает и начинает выталкивать колонну из скважины. Нагрузка на крюке уменьшается. В отдельных случаях бурильная колонна движется вверх даже когда нагрузка на крюке меньше ее собственного веса. Этим маскируется возникновение затяжки.

o Чрезмерное возрастание или хаотичное изменение сопротивления продольному перемещению колонны: шлам скапливается вокруг УБТ и уплотняется, препятствуя перемещению колонны. Выявить такие "сужения" трудно, поскольку они могут перемещаться по стволу. Скопления шлама или слоев шлама проталкиваются по стволу и иногда перестают мешать движению колонны. Сужения в местах резкого искривления ствола и желобов остаются на одном месте.

106

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

При некачественной очистке скважины наблюдаются следующие тенденции:

•Затяжка при снятии колонны с клиньев после наращивания.

•Увеличение давления насоса при восстановлении циркуляции после наращивания.

•Броски давления.

•Возрастание как крутящего момента, так и сопротивления продольному перемещению колонны при бурении.

•Хаотичные изменения крутящего момента, сопротивления продольному перемещению колонны и давления насоса.

•Скопление шлама на забое, или трудно создать осевую нагрузку на долото.

•Снижается осевая нагрузка на долото (поскольку давление под долотом стремится приподнять колонну).

Рис. 7-59 Графики на диаграмме станции контроля параметров бурения

(Geolograph), указывающие на некачественную очистку скважины

Освобождение колонны

Начальные действия по освобождению прихваченной колонны

При образовании любой пробки нужно прежде всего полностью стравить давление запертой жидкости и создать давление от 200 до 500 фунт/дюйм2, попытаться восстановить циркуляцию, затем приложить крутящий момент и резко разгрузить колонну. Если в колонне установлен ясс, выполнить удары яссом вниз.

∙Давление запертой жидкости стремится еще глубже вдвинуть долото в пробку, что усугубит проблему. Нам нужно продвинуть колонну вниз, но этому будет препятствовать эффект поршневания. Создать низкое давление для восстановления циркуляции сразу же после того как сдвинется колонна.

∙Создать крутящий момент для того, чтобы сдвинуть колонну с последующим восстановлением циркуляции.

∙Шлам оседает и расклинивает колонну при ее движении вверх. Поэтому лучше всего перемещать колонну вниз, чтобы ослабить расклинивание. Если удастся сдвинуть

107

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

колонну вниз, пробка обычно разрыхляется, появляется возможность восстановить циркуляцию и, применив расхаживание колонны, разрушить пробку.

Примечание: в большинстве случает пробки образуются при движении колонны вверх. В сильнонаклонных скважинах, однако, возможно образование пробки при спуске колонны.

В таком случае нужно идти вверх, а не вниз.

∙Если в колонне установлен ясс, нужно выполнить удар максимальной силы. Прикладывать крутящий момент нужно очень осторожно, в соответствии с рекомендациями компании-изготовителя ясса. Растягивающие и скручивающие напряжения суммируются, поэтому нельзя выполнять удары яссом вверх, когда приложен большой крутящий момент (можно выполнять удары вниз, когда приложен большой крутящий момент. Сжимающие и скручивающие напряжения не суммируются).

∙Когда долото находится на забое, например при соединении колонны с верхним приводом, следует приложить крутящий момент и создать небольшое давление насосом. Попытайтесь постепенно приподнимать колонну. Если есть признаки того, что пробка уплотняется, попробуйте удалить из колонны одну свечу перед выполнением соединения, чтобы во время соединения долото находилось над забоем.

∙После восстановления циркуляции нужно промыть скважину перед продолжением бурения или СПО.

o Закачивать порции высоковязкой жидкости в вертикальных скважинах и чередующиеся порции маловязкой, затем высоковязкой тяжелой жидкости в наклонных скважинах.

oЕсли вскоре после восстановления циркуляции прогресс не наблюдается, то как в вертикальных, так и в наклонных скважинах может потребоваться закачка порций маловязкой жидкости с ПАВ и смазывающими добавками.

oСледует отметить, что после освобождения колонны проблема не исчезает. Шлам, создавший пробку, нужно вымыть из скважины. Если этого не сделать, возможен повторный прихват.

Дополнительные приемы для освобождения бурильной колонны

Если первые действия не привели к освобождению, то можно применить несколько дополнительных приемов, которые иногда бывают успешными.

Низкочастотные вибраторы

Приобретает популярность метод, предусматривающий использование низкочастотных вибраторов 21. Эти инструменты создают стоячую волну резонансной частоты, энергия которой передается по канату к месту прихвата. Вибрации разрыхляют и "ожижают" породу и шлам, находящиеся в контакте с колонной. Бурильная колонна также растягивается и сжимается, что способствует еще большому уменьшения трения.

Вибрации труб на резонансной частоте обеспечивают передачу к месту прихвата значительно большей энергии, чем любые механические средства, такие как удары яссом. Большие обломки породы или уступы разрушаются на мелкие зерна, которые затем "ожижаются". Высвобождаемые благодаря энергии вибраций зерна образуют псевдожидкий материал, через который предметы могут проходить так же, как через жидкость. Такое воздействие может быть очень эффективным для разрушения пробок, образовавшихся в результате оседания

108

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

шлама или соскальзывания слоев шлама. Зерна породы в зоне ожижения отходят от колонны и перестают действовать в качестве клина между колонной и стенками скважины.

Натяжение и закачка

Еще одни методом (используемым при крайней необходимости) является натяжение колонны, пока что-нибудь не сломается и закачка, пока что-нибудь не разрушится. Иногда так удается вытянуть колонну из пробки. Начинать с этого метода нельзя, поскольку при подъеме колонны пробка уплотняется и прихват усиливается. Однако если все другие средства не помогли, можно попытаться протащить колонную через пробку - при достаточной прочности колонны. Бурильщик должен знать, какое натяжение способна выдержать колонна, и не превышать это значение.

Иногда удавалось успешно поднять колонну, создав натяжение, превышающее ее заявленную прочность. Но идти на такой риск можно только тогда, когда для нас приемлемы последствия разрушения колонны. Нужно учитывать, что разрушение колонны из-за чрезмерного натяжения произойдет, вероятнее всего, в верхней ее части. Это означает необходимость залавливания и подъема большого объема металла. Кроме того, в момент разрушения колонны возможны резкие нагрузки на вышку. Следует помнить, что растягивающие и скручивающие напряжения суммируются. Нужно исключить отбивку ротором при натяжении колонны, приближающемся к пределу ее упругих деформаций (см. формулу для расчета комбинированных нагрузок в Приложении В).

Иногда удается "вытолкнуть" колонну из скважины давлением буровых насосов. Начинать с этого метода нельзя, поскольку давление под долотом стремится вдвинуть колонну в пробку, что усугубляет проблему. Если породы в интервале ниже пробки достаточно прочные, чтобы выдержать высокое давление, можно попытаться продвинуть обрушившуюся породу вверх по стволу. Это равноценно продвижению колонны вниз. Данный метод иногда применяется, когда долото находится на забое.

Ловильные работы

Еще одним методом освобождения колонны из пробки является отвинчивание неприхваченной части колонны и размыв породы вокруг прихваченной бурильной колонны с помощью промывочной колонны. Этот метод выполнения ловильных работ может быть успешным только тогда, когда до начала размывания устранены условия, приведшие к некачественной очистке скважины. Нужно тщательно выбрать длину промывочной колонны, учитывая возможность наличия прихватов других типов, таких как дифференциальный прихват и заклинивание на участке со сложной геометрией.

После отвинчивания неприхваченной части колонны можно спустить к месту прихвата ловильный ясс. Его часто используют при отсутствии бурового ясса, или если последний не срабатывает.

109

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts