Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Сокращения

AV = скорость потока в кольцевом пространстве

ECD = эквивалентная плотность бурового раствора при циркуляции dc = диаметр частиц шлама

f = коэффициента трения Фэннинга g = гравитационная постоянная

HCR = показатель качества очистки скважины Hcrit = критическая толщина слоя шлама

Н = высота свободной области над слоем шлама К = пластическая вязкость в модели Гершеля-Бакли М = момент количества движения

MTV = минимальная скорость транспортирования шлама MW = плотность бурового раствора

n = показатель поведения

Pi = давление в бурильной колонне непосредственно над долотом Р0 = забойное давление за бурильной колонной

PV = пластическая вязкость

v = средняя скорость потока в пространстве над слоем шлама Va = скорость потока в кольцевом пространстве

Vc = скорость частиц шлама

Vs = конечная скорость оседания

YP = динамическое напряжение сдвига γ = скорость сдвига

θ = касательное напряжение, определенное по углу поворота внутреннего цилиндра вискозиметра ρс = плотность шлама

ρf = плотность бурового раствора τ = касательное напряжение

τ0 = динамическое напряжение сдвига в модели Гершеля-Бакли

Контрольные вопросы к главе 7

1.Что такое "объемное содержание шлама"?

2.Что такое "показатель эффективности транспортирования шлама"? Каковы два пути увеличение показателя эффективности транспортирования шлама?

3.Перечислите семь факторов, влияющих на качество очистки вертикальных скважин.

4.Какой фактор в наибольшей степени влияет на конечную скорость оседания шлама?

5.Как влияет на эффективность очистки скважины профиль скоростей потока?

6.Что понимается по "режимом течения" и "профилем скоростей потока"?

7.Что такое "динамическое напряжение сдвига"?

8.Каковы единицы измерения динамического напряжения сдвига?

9.Что такое пластическая вязкость?

110

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

10.Как влияют на эффективность очистки скважины динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость?

11.Для чего была создана модель Гершеля-Бакли?

12.Что такое "разжижение при сдвиге"? Чем оно полезно?

13.Как влияет скорость проходки на профиль скоростей потока и на качество очистки вертикальной скважины?

14.Как влияет вращение и эксцентричное расположение бурильной колонны на профиль скоростей потока и качество очистки скважины?

15.Назовите две причины, по которым выполнять очистку направленных скважин труднее, чем вертикальных/

16.Перечислите семь факторов, влияющих на качество очистки наклонных скважин.

17.При каком значении зенитного угла начинается формирование слоев шлама?

18.Как влияет зенитный угол на толщину слоев шлама?

19.Что такое эффект Бойкотта?

20.Почему в вертикальном участке скважины желателен ламинарный поток, а в горизонтальном участке - турбулентный?

21.Почему скорость потока в кольцевом пространстве уменьшается на горизонтальном участке при увеличении плотности бурового раствора?

22.Почему увеличение динамического напряжения сдвига приводит к повышению качества очистки вертикальной скважины, но к снижению качества очистки наклонной скважины?

23.Почему целесообразно использовать на сильнонаклонном участке скважины буровой раствор с большой способностью к разжижению?

24.Влияет ли скорость проходки на толщину слоев шлама? (влияет на размер шлама, от которого зависит MTV, но в других отношениях слой шлама не изменится)

25.Почему при бурении забойным двигателем увеличение расхода не приводит к возрастанию скорости потока в кольцевом пространстве на горизонтальном участке?

26.Какова связь между толщиной слоев шлама и площадью поперечного сечения кольцевого пространства у долота и КНБК?

27.Перечислите механизмы транспортирования шлама.

28.Какой механизм транспортирования наиболее эффективен?

29.Возможно ли транспортирование шлама в суспензии на горизонтальном участке?

30.Как может мониторинг объема бурового раствора, выходящего из скважины, предупредить о существовании больших слоев шлама?

31.Когда сетки вибросит становятся чистыми после циркуляции через колонну, спущенную на всю глубину скважины, правильно ли считать, что сильнонаклонный участок очищен?

32.Почему нужно достичь пороговой частоты вращения колонны, чтобы разрушить слои шлама?

33.Как можно оценить эффективность очистки скважины, используя данные измерения давления во время бурения?

111

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

34.Почему бурение с использованием сжимаемой среды, такой как воздух, сильно отличается от бурения с использованием несжимаемой среды, такой как буровой раствор?

35.Что понимается под качеством пены, и как качество пены влияет на эффективность очистки скважины?

36.Почему нужно поддерживать противодавление при бурении с использованием воздуха или пены?

37.При каких условиях можно ожидать осложнений, связанных с некачественной очисткой скважины?

38.Что можно сделать для предотвращения осложнений, связанных с некачественной очисткой скважины?

39.Почему образование пробки наиболее вероятно в месте резкого искривления ствола?

40.Каковы наиболее вероятные признаки некачественной очистки скважины?

41.Что нужно делать в первую очередь при возникновении прихвата из-за некачественной очистки скважины?

42.Какие еще приемы можно попробовать для освобождения бурильной колонны?

Литература

1)Sifferman, T.R., Myers, G.M., Haden, E.L, and Wall, H.A.: "Drill-Cutting Transport in Full Scale Vertical Annuli," J. Petrol Tech. (Nov 1974)

2)Williams, C.E., & Bruce, G.H.: "Carrying Capacity of Drilling Muds" Trans. АГМЕ (1951)

3)Becker, Thomas E., & Azar, J.J.: "Mud-Weight and Hole-Geometry Effects on Cuttings Transport While Drilling Directionally" SPE 14711 (Aug 1985)

4)Gray, George R. & Darley, H. С. H.: "Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluid's" fourth edition, Gulf Publishing Company (1980)

5)Yuejin Luo, Bern, P.A., Chambers, B.D., & Kellingray, D.S.: "Simple Charts to Determine Hole Cleaning Requirements in Deviated Wells" IADC/SPE 27486, 1994 IADC/SPE Drilling Conference in Dallas Texas (Feb 1994)

6)Patrick Kenny, Egil Sunde, & Terry Hemphill: "Hole Cleaning Modeling: What's 'n' Got To Do With It?" IADC/SPE 35099, 1996 SPE/IADC Drilling Conference in New Orleans LA (March 1996)

7)Okrjni, Slavomir S., Azar, J.J.: "The Effects of Mud Rheology on Annular Hole Cleaning in Directional Wells" SPE reprint series no. 30 "Directional Drilling" (1990)

8)Marco Rasi: "Hole Cleaning in Large, High-Angle Well bores" IADC/SPE 27464, IADC/SPE Drilling Conference, Dallas, Texas (Feb. 1994)

9)Guild, G.J., Tom Hill & Associates, Wallace, I.M., & Wassenborg, M.J.: "Hole Cleaning Program for Extended Reach Wells" SPE/IADC 29381, 1995 8РЕЛАОС Drilling Conference in Amsterdam (Feb 1995)

10)Ford, J.T., Peden, J.M., Oyeneyin, M.B., Erhu Gao, & Zarrough R.: "Experimental Investigation of Drilled Cuttings Transport in Inclined Boreholes" SPE 20421, 65th Ann. Tech. Conference of SPE in New Orleans (Sept. 1990)

11)Sifferman, T.R., & Becker, Т.Е.: "Hole Cleaning in Full-Scale Inclined Well bores" SPE 20422, 65th Ann. Tech. Conference of SPE in New Orleans (Sept. 1990)

112

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

12)Easton, M.D.J., Nichols, J., & Riley, G.J.: "Optimizing Hole Cleaning by Application of a Pressure While Drilling Tool" SPE 37612, 1997 SPE/IADC Drilling Conference in Amsterdam (March 1997)

13)Leising, L.J., & Walton, 1С: "'Cutting Transport Problems and Solutions in Coiled Tubing Drilling" IADC/SPE 39300, 1998 IADC/SPE Drilling Conference in Dallas Texas (March 1998)

14)McCann, R.C., Quigley, M.S., Zamora, M., and Slater, K.S.: "Effects of High-Speed Pipe Rotation on Pressures in Narrow Annuli" SPE 26343 presented at the 1993 SPE Annual Technical Conference and Exhibition in Houston (Oct 1993)

15)"Training to Reduce Unscheduled Events" a pre-spud training course developed and owned by BP Amoco. (1996)

16)Supon, S.B and Adewumi, M.A.: "An Experimental Study of the Annulus Pressure Drop in a Simulated Air-Drilling Operation", SPE Drill. Eng. (March 1991)

17)Lyons, W.C.: "Air and Gas Drilling Manual", Gulf Publishing Co. (1984)

18)Mitchell, B.J.: "Test Data Fill Theory Gap on Using Foam as a Drilling Fluid", Oil and Gas Journal (Sept 1971)

19)Krug, J.A., and Mitchell, B.J.: "Charts Help Find Volume, Pressure Needed for Foam Drilling," Oil and Gas Journal (Feb 1972)

20)Guo, В., Miska, S. and Hareland, G.: "A Simple Approach to Determination of Bottom-hole Pressure in Directional Foam Drilling," presented at the 1995 ASME Energy and Environmental Expo 95, Houston, TX (Jan 1995)

21)Buck Bernat, Henry Bernat, Vibration Technology LLC Shreveport: "Mechanical Oscillator Frees Stuck Pipe Strings Using Resonance Technology" Oil and Gas Journal (Nov 3, 1997)

22)Hopkins, C.J. and Leicksenring, R.A.: "Reducing the Risk of Stuck Pipe in the Netherlands." Paper SPE/IADC 29422 presented at the 1995 SPE/IADC Drilling Conference, Amsterdam (Feb 1995)

113

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Глава 8

Неустойчивость стенок скважины

Введение

Неустойчивость стенок скважины является причиной возникновения самых серьезных прихватов. Когда образуется пробка из-за обрушения породы, часто приходится оставлять инструмент и забуривать обходной ствол. Как следует из названия, неустойчивость стенок скважины обусловлена наличием в разбуренном интервале неустойчивых пород, которые могут обрушиться в скважину. Рыхлые породы, трещиноватые пласты и глинистые породы, испытывающие механическое напряжение или химическое воздействие, неустойчивы и могут стать причиной образования пробки.

Целью настоящей главы является объяснение механических аспектов устойчивости стенок ствола людям, осуществляющим руководство бурением. Чем лучше понимание проблемы, тем эффективнее можно ее решить.

Глава начинается с краткого рассмотрения прочности горных пород и продолжается более глубоким объяснением положений механики горных пород, имеющих отношение к бурению. Обсуждаются некоторые теоретические вопросы, такие как "огибающие предельных кругов напряжений". Это инструменты, помогающие инженерам по бурению определять интервалы допустимых значений плотности бурового раствора и траектории скважин. Они должны помочь руководителям буровых работ лучше понять концепции устойчивости и более эффективно сотрудничать со специалистами, разрабатывающими конструкции скважин.

Подробно рассматриваются факторы, влияющие на устойчивость стенок скважины, а также различные типы обрушения горных пород. Если буровая бригада сможет идентифицировать тип обрушения и понять, какие факторы вызвали обрушение, она будет лучше подготовлена к выполнению исправительных работ.

Далее рассмотрены профилактические меры, признаки потери устойчивости и начальные действия. Если есть понимание механических аспектов устойчивости стенок ствола, то становятся ясными признаки потери устойчивости и необходимые действия. На этом этапе виден результат усилий, затраченных на изучение материала, приведенного в начале главы.

Чем лучше буровая бригада понимает теоретическое обоснование своих действий, тем увереннее и успешнее она будет их выполнять.

114

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Неустойчивость глинистых пород

Большая часть проблем, связанных с неустойчивостью стенок скважин, обусловлена наличием в разрезе глинистых пород. Это объясняется тем, что глина - одна из наиболее часто встречающихся пород, и одна из самых слабых. Наши обсуждения устойчивости стенок скважин будут почти всегда затрагивать глинистые породы, поэтому будут полезны краткие сведения о различных типах глинистых пород и об их образовании.

Образование глинистых пород

Глины образуются в морской среде. Они формируются из очень тонкого осадочного материала, который постепенно оседает на морское дно и уплотняется (рис. 8-1). При первоначальном отложении осадков каждая частица полностью окружена водой. Частицы едва касаются друг друга, и слой воды между ними непрерывен. На морском дне между частицами может быть так много воды, что трудно определить, где кончается море, и где начинаются осадки.

По мере отложения все большего и большего количества осадков нарастает давление вышележащих масс, которое уплотняет упаковку частиц и выжимает воду из пространства между частицами. В результате уменьшается пористость и проницаемость осадка.

Глины образуются в морской среде. При первоначальном отложении осадков каждая частица микронного размера полностью окружена водой. По мере отложения все большего и большего количества осадков нарастает давление вышележащих масс, которое уплотняет упаковку частиц и выжимает воду из пространства между частицами. В результате осадок становится все более твердым и все менее проницаемым.

Рис. 8-1 Образование глинистых пород

Пористость определяется как процентное содержание пор или пустот в породе. Проницаемость - это способность породы пропускать через себя флюиды. Проницаемость обусловлена наличием в породе сообщающихся пор и каналов, по которым может двигаться флюид.

Глины имеют самую высокую пористость среди всех осадочных пород. Они имеют также очень низкую проницаемость. Это обусловлено тем, что глины состоят из очень мелких частиц, и после уплотнения каналы, соединяющие поры, сужаются настолько, что движение

115

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

воды по ним затрудняется. Со временем глины уплотняются до такой степени, что становятся относительно непроницаемыми, и вода больше не может вытекать из пор.

В зонах быстрого осадконакопления толща глин может стать такой мощной, что несмотря на то, что она остается проницаемой, вода уже не может вытекать из пор. Это объясняется тем, что исчезает пространство, в которое могла бы перетечь вода. Количество и тип жидкости, запертой в порах, в значительной степени влияют на прочность глин и их поведение. Тип осадков, составляющих глинистые породы, и степень уплотнения и цементации также сильно влияют на прочность и поведение глинистых пород. Молодые глинистые породы, залегающие у поверхности, обычно бывают мягкими и пластичными, в то время как глубокозалегающие более древние глинистые породы обычно бывают твердыми и хрупкими.

Группы глинистых минералов

Смектитовые глины набухают при контакте с водой. Связь между слоями глинистых частиц, имеющих кристаллическую структуру, у них слабее, чем у глин всех других типов. Вода может легко проникать между слоями и раздвигать их. Когда слои расходятся, говорят что глина набухает. Отдельные глинистые частицы могут расходиться настолько, что связь между ними исчезает. Расхождение до такой степени называется диспергированием (рис. 8-3).

Натриевый монтмориллонит является часто встречающимся и проблемным членом группы смектитов. Чаще его называют бентонит. До полного диспергирования бентонит может

116

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

набухать с увеличением объема до 20 раз.1 Бентонит и другие смектиты часто залегают около поверхности в молодых, недавно отложившихся пластах глин. Обычно смектиты образуют мягкие пористые глинистые породы, которые легко разбуривать, но которые набухают и уменьшают диаметр скважины. В интервалах смектитов происходит также увеличение диаметра ствола из-за диспергирования с последующим обрушением породы в скважину.

Вода может легко проникать между слоями и бентонитовых глин и раздвигать их. Со временем глина диспергируется.

Рис. 8-3 Диспергирование

Структура иллита схожа со структурой монтмориллонита, но он не имеет раздвигающейся кристаллической решетки. Это означает, что вода не может проникнуть в межслоевое пространство его кристаллов. Под воздействием высокой температуры и давления вышележащих пород монтмориллонит претерпевает физические и химические изменения и превращается в иллит в процессе, называемом диагенез. В Мексиканском Заливе эти превращения происходят на глубине 10 -14 тыс. футов. Иллит производит более твердые и более хрупкие глинистые породы, и скорость проходки в этих породах ниже. Неустойчивость глинистых пород, содержащих иллит, обычно приводит к увеличению диаметра ствола.

Каолинитовые и хлоритовые глины также не набухают сильно при контакте с водой. Хлоритовые глины могут набухать сильнее, чем каолинитовые или иллитовые, но не так сильно, как смектитовые.

Механизм набухания глин будет рассмотрен в разделе, посвященном напряжениям, обусловленным химическими факторами.

Минералогический состав глин влияет на физико-химические свойства глинистых пород. Кроме того, на эти свойства влияют следующие факторы:

•Возраст и степень уплотнения

•Количество плоскостей напластования, их ориентация и прочность породы в направлении, параллельном плоскостям напластования.

•Проницаемость

•Переслаивание и включения солей и песков

117

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

•Поровый флюид и поровое давление

•Величина тектонических и напряжений и горного давления, действующих на глинистые породы

Эти свойства определяют различные типы глинистых пород. Некоторые являются мягкими и пластичными, некоторые твердыми и хрупкими, некоторые молодыми, а некоторые древними, некоторые легко расщепляются по плоскостям напластования, некоторые нет. Эти различные глинистые породы имеют разную прочность и разрушаются по-разному. На прежде чем разбираться в типах и причинах обрушения породы нужно подробнее ознакомиться с понятием прочности горной породы.

Если поместить образец в цилиндр, чтобы ограничить увеличение его диаметра, то добиться уменьшения его длины будет труднее (рис. 8-4). Кроме того, для разрушения образца потребуется большее сжимающее усилие. Это объясняется тем, что порода становится прочнее при воздействии на нее ограничивающей силы. Нагрузка, требуемая для разрушения породы при действии ограничивающей силы, соответствует кажущейся прочности породы. Увеличение ограничивающей силы приводит к увеличению кажущейся прочности породы. Иногда, говоря об ограничивающей силе, используют термин "боковое давление" (рис. 8-5).

118

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

С увеличением бокового давления порода становится также менее упругой и более пластичной. При очень большом боковом давлении деформация становится более вероятной, чем разрушение.

При увеличении бокового давления порода становится прочнее и пластичнее.

При действии бокового давления кажущаяся прочность породы возрастает.

Рис. 8-5 Кажущаяся прочность породы

Чем обусловлена прочность горных пород?

Какие физические характеристики обеспечивают сопротивление деформации и разрушению?

Получить ответы на эти вопросы можно посмотрев в микроскоп (рис. 8-6). Для того чтобы образец разрушился или изменил форму, отдельные зерна породы должны переместиться относительно друг друга. Одна часть образца движется в одном направлении, а другая - в

противоположном. Трение и присутствие цемента в пространстве между отдельными зернами препятствуют этому движению, придавая прочность породе.

Прочность породы определяется величиной трения и степенью цементации межзернового пространства.

На трение влияет нагрузка от веса вышележащих пород, а также форма и ориентация зерен.

Возраст породы влияет как на степень цементации, так и на форму и ориентацию зерен.

Рис. 8-6 Прочность горных пород

119

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