Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

oСледует отметить, что после освобождения колонны проблема не исчезает. Обломки породы, сложившие пробку, нужно вымыть из скважины. Если этого не сделать, возможен повторный прихват. Нужно также устранить условия, приведшие к потере устойчивости.

Дополнительные приемы для освобождения бурильной колонны

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

Для освобождения колонны могут быть успешно использованы рассмотренные в главе "Очистка скважины" низкочастотные вибраторы, которые "ожижают" породу и шлам, находящиеся в контакте с колонной. Вибрационное воздействие следует осуществлять вместе с начальными действиями, когда только есть такая возможность.

Может оказаться успешным отвинчивание неприхваченной части колонны и размыв породы вокруг прихваченой бурильной колонны с помощью промывочной колонны. Этот метод освобождения колонны может быть успешным только тогда, когда до начала размывания устранены условия, приведшие потере устойчивости стенок скважины. Размыв будет более эффективен, если пробка сложена осевшим шламом и мелкими обломками обрушившейся породы, как это бывает в интервалах неконсолидированных пород. Крупные твердые обломки могут расклинить промывочную колонну, имеющую большой диаметр.

Другие проявления неустойчивости стенок скважины

Большая часть проблем, связанных с неустойчивостью стенок скважин, обусловлена наличием в разрезе глинистых пород. Однако неустойчивость стенок скважины проявляется не только в интервалах, сложенных глинистыми породами. Проблемы, связанные с неустойчивостью, часто возникают и в интервалах рыхлых, неконсолидированных песков и конгломератов, трещиноватых пород и пластов с разрывными нарушениями, многослойных соляных пластов и в зонах уступов, образовавшихся в местах чередования твердых и мягких пород.

Неконсолидированные породы и конгломераты

В интервалах неконсолидированных пород неустойчивость стенок скважины проявляется особым образом. Такие породы имеют тенденцию к вытеканию в скважину, так же как песок стекал на дно колодца, который мы пытались выкопать его на пляже. При этом ствол может заполниться настолько, что будет трудно наращивать колонну. Диаметр ствола увеличивается так сильно, что крупный шлам не выносится на поверхность.

При прекращении циркуляции можно ожидать очень быстрого обрушения породы и закупоривания ствола. В наихудшем случае может образоваться достаточно большая полость под буровой и кратер на поверхности, в который может упасть вышка. В подобных ситуациях было потеряно много вышек!

Неконсолидированные пласты обычно сложены молодыми песками и залегают на поверхности или очень близко к поверхности. Их возраст слишком невелик, чтобы произошла цементация, и обычно они никогда не испытывали большое давление вышележащих пород.

180

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Иногда более древние глубокозалегающие породы могут быть слабоконсолидированными или неконсолидированными, если поровое давление очень велико, и они насыщены не водой, а углеводородам и.

Прочность неконсолидированных пород зависит только от трения между зернами, слагающими эти породы. Если порода сухая или сырая, трение может быть достаточно велико, чтобы стенки скважины сохранили устойчивость.

Вес вышележащих пород будет передаваться через контакты между зернами, в результате чего возникает сильное трение. Жидкость, поступающая в скважину, смазывает поверхности контакта и способствует снижению напряжений, обусловленных трением. Таким образом, уменьшается эффективное напряжение и трение между зернами.

Песок на пляже является классическим примером неконсолидированной породы. Если песок сухой, можно выкопать колодец, но стенки будут обваливаться. Трение между зернами недостаточно велико, чтобы стенки оставались вертикальными. Если прижать плоскую пластину с отверстием к поверхности песка, то трение между зернами под пластиной возрастет, и можно копать колодец

успешнее Если попытаться копать колодец, заполненный водой, или докопаться до зеркала воды, то зерна будут хорошо смазаны, и песок потечет в колодец (см. рис. 8-7, иллюстрирующий прочность горных пород).

Чтобы успешно разбуривать неконсолидированные породы, нужно создать фильтрационную корку на поверхности пласта и поддерживать репрессию на пласт. К неконсолидированным горным породам применимы те же принципы механики горных пород, что и к глинистым породам. Разница заключается лишь в том, что максимальные кольцевые напряжения распространяются дальше в пласт, чем в консолидированных горных породах.7 Действие радиальных напряжений на фильтрационную корку приводит к снижению кольцевых и максимальных касательных напряжений и, соответственно, к увеличению устойчивости (мы помним, что максимальные касательные напряжения равны половине разности между кольцевыми и радиальными напряжениями).

Пока на фильтрационную корку действует достаточное дифференциальное давление, стенки скважины сохраняют устойчивость. Однако фильтрационная корка не является непроницаемой, и жидкость проникает через фильтрационную корку в пласт. Если в результате этого возрастает поровое давление, то дифференциальное давление со временем уменьшается, и стенки скважины становятся менее устойчивыми. Кроме этого, возрастание порового давления приводит к уменьшению давления на поверхности контакта между зернами, от которого зависит внутреннее трение. Это еще более уменьшает прочность породы.

181

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Очевидно, что желательно иметь непроницаемую фильтрационную корку. Однако фильтрационные корки на поверхности неконсолидированных песков обычно бывают более проницаемыми, чем корки, отложившиеся на поверхности консолидированных песков.

Гидравлические потери в кольцевом пространстве при бурении приводят к небольшому возрастанию давления в скважине, поэтому дифференциальное давление имеет максимальное значение при циркуляции. При прекращении циркуляции дифференциальное давление, действующее на фильтрационную корку, может стать недостаточно высоким для обеспечения устойчивости стенок скважины.

Вибрация при бурении может привести к уменьшению трения между зернами и к снижению устойчивости стенок скважины. В отсутствие какого-либо движения трение между зернами характеризуется коэффициентом трения покоя. После возобновления движения трение характеризуется коэффициентом трения движения. Последний намного меньше коэффициента трения покоя. Вибрация при бурении может вызвать относительное движение зерен, как раз достаточное для изменения трения покоя на трение движения. Уменьшение трения приводит к снижению прочности, и порода становится менее устойчивой.

Когда следует ожидать осложнений при разбуривании неконсолидированных пород

Осложнения при разбуривании неконсолидированных пород вероятны, когда КНБК находится в интервале неконсолидированных пород или ниже. Проблемы могут быть даже более выраженными, если в интервале неконсолидированных пород есть резкое искривление ствола, или сечение ствола некруглое. Часто проблема не проявляется до тех пор, пока не будет остановлена циркуляция для наращивания колонны.

Все, что приводит к возрастанию порового давления, уменьшает устойчивость пород. Если в этом интервале происходит поглощение, скоро можно ожидать осложнений. Чем выше поровое давление, тем труднее создавать дифференциальное давление, действующее на фильтрационную корку. Можно назвать такие причины возрастания порового давления, как закупоривание ствола выше интервала песков, чрезмерное большое количество шлама в скважине и вымывание газовой пачки циркуляцией.

Чем более молодыми и мелкозалегающими являются неконсолидированные породы, тем более вероятны осложнения при их разбуривании. Чем дольше песок находится в контакте с буровым раствором, тем вероятнее обрушение породы.

Разбуриваемые неконсолидированные вечномерзлые породы никогда не консолидируются. Они ведут себя, как консолидированные породы, когда они сцементированы льдом, но после оттаивания при контакте с теплым буровым раствором они снова ведут себя, как неконсолидированные породы. В таких случаях иногда применяют охладители бурового раствора, позволяющие ограничить степень оттаивания вечномерзлых пород.

182

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Признаки вскрытия неконсолидированных песков

∙На виброситах большое количество песка. Если удаляется больше материала, чем выбурено, то материал может попадать в скважину из неконсолидированного пласта.

∙Скважина заполняется песком при наращивании колонны. Песок может попадать в скважину только тогда, когда насосы остановлены, например при наращивании колонны. В более тяжелых случаях песок может попадать в скважину и во время циркуляции, но он выносится из скважины незамеченным.

∙Обратный поток при наращивании колонны. Попадание песка в скважину приводит к увеличению эффективной плотности бурового раствора в кольцевом пространстве до значений, превышающих плотность раствора в бурильной колонне.

∙Броски давления. Если песок течет в скважину в больших количествах, он может быстро закупорить скважину, что приводит к возрастанию крутящего момента, сопротивления продольному перемещению колонны в скважине, и к броскам давления.

∙Возрастание давления на стояке, которое может произойти при наличии большого количества песка в кольцевом пространстве.

∙Поглощение бурового раствора. Неконсолидированные пески обычно очень проницаемые. На них образуются и самые проницаемые фильтрационные корки. Поглощение может служить признаком вскрытия неконсолидированных песков. Когда неконсолидированные пески находятся в контакте с буровым раствором, поглощение может указывать на отрыв фильтрационной корки от стенки скважины. Может начаться, или скоро начнется течение песка в скважину.

∙Высокий крутящий момент и сопротивление продольному перемещению колонны после наращивания, снижающиеся после восстановления циркуляции. Обрушившийся песок может осесть вокруг КНБК и долота после остановки насосов, но разрыхлиться и подняться в потоке бурового раствора после восстановления циркуляции.

∙Оседание или смещение вышки. При обрушении стенок полости могут появиться первые признаки образования кратера.

∙Поршневание при подъеме инструмента. Текучий песок легко втягивается в скважину.

∙Если на большой глубине произошел приток газа в скважину, то при вымывании газовой пачки циркуляцией возрастет поровое давление в интервале неконсолидированных песков. Потеря устойчивости почти гарантирована.

Предотвращение аварий

∙Наилучшей защитой от осложнений, связанных с наличием в разрезе неконсолидированных песков, является стальная корка на стенках скважины. Чем раньше будет спущена обсадная колонна, тем лучше. Спускать КНБК и долото ниже интервала потенциально текучих песков чрезвычайно рискованно.

∙Если проект строительства скважины предусматривает открытый участок ствола ниже интервала неустойчивых пород, нужно установить в верхней части КНБК буровой ясс и снять все стабилизаторы.

∙До остановки насосов для наращивания или спуска-подъема колонны нужно закачать в интервал песков и ниже него порцию вязкой жидкости. Перед спуском обсадной колонны можно закачать ниже интервала песков порцию утяжеленного раствора.

183

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

∙Желательна тонкая непроницаемая фильтрационная корка, поэтому в раствор можно добавить сортированные карбонаты, материал для борьбы с поглощениями и кольматирующие добавки.

∙Никогда не следует оставлять без движения долото в интервале неконсолидированных песков при циркуляции. Струи из насадок долота могут легко размыть эти пески.

∙Никогда не следует оставлять долото на забое при остановленных насосах. Нужно медленно расхаживать колонну.

Освобождение колонны

Для разрушения пробки и освобождения колонны требуется вращать ее и перемещать вниз. Нужно стравить давление запертой жидкости и попытаться восстановить циркуляцию, поднимая давление насоса до 200 - 500 фунт/дюйм2. После восстановления циркуляции нужно закачать порции вязкой жидкости для удаления песка из скважины.

Если перемещение колонны вниз невозможно или не удалось, можно попытаться провести ее через интервал песков вверх с ударами ясса. Использование низкочастотных вибраторов поможет ожижить песок, но может вызвать еще более сильное обрушение. Решать вопрос о применении вибраторов нужно очень осторожно, исходя из конкретных условий в данной скважине.

Если устранены предпосылки для потери устойчивости, то можно отвинтить свободную часть колонны и размыть пробку.

Трещиноватые и нарушенные пласты

резких искривлений ствола и вибрацией бурильной колонны.

184

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Признаки вскрытия трещиноватых пластов и обрушения уступов

Признаками вскрытия трещиноватых пластов и обрушения уступов является следующее:

∙Внезапное и хаотичное увеличение крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны.

∙Заполнение скважины обломками породы при наращивании колонны

∙Эти признаки проявляются при разбуривании пород или при перемещении бурильной колонны вверх или вниз по стволу.

∙Проблемы могут появляться и исчезать, и иногда трудно привязать их по глубине. Это объясняется тем, что материал, заклинивающийся в скважине, перемещается вверх и вниз по стволу.

∙Появление обломков или цемента обрушившейся породы на виброситах.

Освобождение колонны

Если произошел прихват, то прежде всего нужно приложить крутящий момент и нанести удары яссом вниз. Если нет ограничений по давлению, поддерживать циркуляцию с полным расходом.

Дополнительные приемы

В карбонатных породах может быть полезной кислотная ванна. Некоторую пользу могут принести жидкостные ванны, способствующие уменьшению трения. Уменьшение трения поможет снизить крутящий момент и сопротивление продольному перемещению всей колонны по стволу (или в местах резкого искривления), так что можно будет передать к месту прихвата большее усилие для освобождения колонны.

Низкочастотные вибраторы могут успешно разрыхлить обломки и уменьшить трение.

После освобождения колонны крупные куски породы должны быть размолоты и вынесены из скважины. Лучше всего, чтобы материал попал под долото, которое его перемелет. Затем можно очистить скважину с помощью вязкого раствора. Вязкая жидкость будет удерживать шлам во взвешенном состоянии во время остановки насосов.

Металл, упавший в скважину

Падение металла в скважину часто приводит к расклиниванию колонны и прихвату. В скважину роняют гораздо больше металла, чем указывается в суточных отчетах. За исключением тех случаев, когда есть заслуженное доверие, как на буровой, так и между буровой и офисом, люди склонны скрывать свои ошибки.

За те 17 лет, которые я провел у ротора, мне пришлось видеть очень много падений металла в скважину. Когда кто-то роняет что-то в скважину, всегда происходят две вещи. Во-первых, человек, уронивший металл, немедленно подходит и смотрит в скважину (как будто там чтото можно увидеть). Следующее, что он делает - осматривается, чтобы узнать, видел ли это кто-нибудь. Если никто не видел, ему предстоит решить, говорить кому-нибудь об этом или нет (см. раздел о заслуженном доверии).

185

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Когда следует ожидать осложнений из-за падения металла в скважину

Осложнений, связанных с падением металла, можно ожидать в следующих случаях:

∙Очень невелик зазор между стенками скважины и колонной, например при спуске хвостовика.

∙В разрезе присутствуют твердые породы. Металл может внедриться в стенку в интервале мягких пород, таких как жирная глина, но может и заклиниться и образовать мост в интервалах более твердых пород, таких как глинистые сланцы, песчаники и карбонаты.

∙Скважина не закрыта, и за ней никто не следит.

∙Плохо ведется учет инструментов или оборудования на буровой. Пропажа инструментов со стола ротора часто проявляется как признаки присутствия металла в скважине, даже если никто не верит в то, что инструмент упал в скважину.

∙На буровой царствует невезение. "Пришла беда - отворяй ворота". Если в бригаде слабая моральная атмосфера, или все идет плохо, то нужно быть настороже, чтобы не допустить подобных осложнений.

Признаки присутствия металла в скважине

Признаки присутствия металла в скважине очень схожи с признаками вскрытия трещиноватых пород - внезапное и хаотичное увеличение крутящего момента и сопротивления продольному перемещению колонны. Обычно ограничений по давлению нет. Однако, в отличие от кусков породы, обвалившихся в зонах трещиноватости или уступов, металл трудно измельчить. Возможно, его придется фрезеровать.

Освобождение колонны

Освобождение колонны, расклиненной металлом, производится так же, как колонны, расклиненной большими кусками породы при разбуривании пластов с разрывными нарушениями. Прежде всего нужно приложить крутящий момент и выполнить удары яссом вниз.

В карбонатных породах может быть полезной кислотная ванна. Могут помочь низкочастотные вибраторы. Если ничто не помогает, можно отвинтить свободную часть колонну и спустить ловильный ясс.

После освобождения колонны нужно удалить металл из скважины. Его нельзя вымыть вязким раствором. Скорее всего, придется применить паук, может быть в сочетании с фрезером.

186

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Условные обозначения

F = сила трения

N = нормальная сила ε = деформация

α= направление или азимут θ = зенитный угол σ = нормальные напряжения

σθ = кольцевые напряжения

σh = минимальные горизонтальные напряжения σH = максимальные горизонтальные напряжения σmax = максимальные напряжения

σmin = минимальные напряжения σr = радиальные напряжения

σv = напряжения от веса вышележащих пород σz = осевые напряжения

τ = касательные напряжения μ = коэффициент трения

Контрольные вопросы к главе 8

1.В чем разница между прочностью породы и кажущейся прочностью породы?

2.Чем определяется прочность породы?

3.Что такое "эффективное напряжение"?

4.Какова связь между эффективным напряжением и поровым давлением?

5.Как распределяются напряжения в окрестности скважины и на удалении от скважины?

6.Насколько нужно углубиться в пласт, чтобы дойти до места, где кольцевые напряжения уменьшились до нуля?

7.Как влияет увеличение плотности бурового раствора на прочность породы и на кольцевые напряжения в окрестности скважины?

8.Что представляют круги Мора?

9.Что такое "метод средней линии"? Для чего он используется?

10.Что понимается под "напряженным состоянием"?

11.Что такое анизотропия напряжений?

12.Насколько кольцевые напряжения превышают горизонтальные напряжения в окрестностях вертикальной скважины в месте, где максимальное и минимальное горизонтальные напряжения равны?

13.Как изменится напряжение на стенке скважины, если ее сечение удлинится в одном направлении?

14.Что произойдет с хрупкой породой, такой как гранит, если сечение скважины удлинится в результате обрушения? Почему это не происходит с глинистыми породами?

15.Как построить огибающую кругов напряжения? (рис. 8-35, стр. 157) Для чего

она используется?

16. Как влияет изменение плотности бурового раствора на устойчивость стенок скважины?

187

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

17.Назовите восемь факторов, влияющих на устойчивость стенок скважины

18.Как и почему изменение температуры влияет на устойчивость стенок скважины?

19.Как направление и наклон скважины влияют на устойчивость ее стенок? К чему мы стремимся, выбирая направление и наклон скважины?

20.Почему плоскости напластования иногда считаются слабым местом?

21.Как влияет траектория скважины на устойчивость стенок скважины при наличии плоскостей напластования?

22.Как влияет репрессия на устойчивость стенок скважины?

23.Как влияет проникновения в пласт фильтрата на устойчивость стенок скважины?

24.Как влияет диаметр колонны, диаметр ствола, частота вращения и натяжение колонны на силу ударов вибрирующей бурильной колонны о стенки скважины?

25.Каковы шесть типов разрушения пород из-за чрезмерных напряжений?

26.Почему течение пород со временем замедляется?

27.Почему реагенты, поставляющие в буровой раствор ионы калия, являются эффективными ингибиторами набухания некоторых глин?

28.Каковы два механизма набухания глин?

29.По какому механизму происходит наиболее сильное набухание?

30.Перечислите десять условий, при которых следует ожидать нарушения устойчивости глинистых пород

31.Когда наиболее вероятно образование пробки?

32.Как может быть замаскирована тенденция, указывающая на образование пробки, при подъеме колонны с циркуляцией?

33.Как влияет резкое искривление ствола на образование пробки?

34.Как можно предотвратить образование пробки вследствие неустойчивости стенок скважины?

35.Каковы очевидные признаки угрозы образования пробки, обусловленной неустойчивостью глинистых пород?

36.Как влияет репрессия на скорость проходки?

37.Каковы очевидные признаки набухания глин?

38.Что нужно делать в первую очередь для освобождения колонны, прихваченной или входящей в прихват вследствие образования пробки из-за неустойчивости стенок скважины?

39.Какие известны дополнительные приемы для освобождения бурильной колонны?

188

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Литература

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

2)Shaohua Zhou, Richard Hillis, and Mike Sandiford, Dept. of Geology and Geophysics, university of Adelaide Australia: "On the Mechanical Stability of Inclined Wellbores" SPE 28176 (1994)

3)E. Hoek & E.T. Brown: "Underground Excavations in Rock" The Institution of Mining and Metallurgy, London UK (1990)

4)Bernt S. Aadnoy: "Modern Well Design" Gulf Publishing Company (1977)

5)Jaeger, J.C. and Cook, N.G.W.: "Fundamentals of Rock Mechanics" Chapman and Hall, London (1976)

6)Yarlong Wang, Maurice Dusseault, University of Waterloo: "Borehole Instability and Fluid Loss in Poorly Consolidated Media" Petroleum Society of CIM/Society of Petroleum Engineers, paper no. CIM/SPE 90-25 (June, 1990)

7)D. Okland, J.M Cook: "Bedding-Related Borehole Instability in High-Angle Wells" SPE/ISRM paper 47285, 1998 SPE/ISRM Eurock, Trondheim Norway (July, 1998)

8)X. Chen, CP. Tan, and CM. Haberfield; Australian Petroleum Cooperative Research Centre, CSIRO Petroleum & Monash University: "A Comprehensive Practical Approach for Wellbore Instability Management" SPE paper 48898, presented at the 1998 SPE International Conference and Exhibition in Beijing China (Nov 1998)

9)Thierry M. Forsans & Laurent Schmitt, Elf Aquitaine Production, Pau, France: "Capillary Forces: The Neglected Factor in Shale Instability Studies?" ISBN 90 5410 502 X, Eurock '94 Balkema, Rotterdam. 1994.

10)L.Bailey, P.I. Reid, and J.D. Sherwood, Sclumberger Cambridge Research, "mechanisms and solutions for Chemical Inhibition of Shale Swelling and Failure" SPE# 627043

11)Helio Santos, Petrobras, Adel Diek and Jean-Claude Roegiers, Rock Mechanics Institute, U. Oklahoma: "Wellbore Stability: A New Conceptual Approach Based on Energy" SPE paper 49264, presented at the 1998 SPE Annual Technical Conference and Exhibition in New Orleans. (Sept 1998)

12)Authors personal experiments with real time drill string vibration analysis in three degrees of freedom while drilling off the coast of Gabon in 1991.

13)Adam T. Bourgoyne Jr., Martin E. Chenevert, Keith K. Millheim, F.S. Young Jr.: "Applied Drilling Engineering" SPE, (1986)

14)E.R. Leeman, National Mechanical Engineering Research Institute, CSIR, Pretoria, South Africa,: "The Determination of the Complete State of Stress in Rock in a Single Borehole - Laboratory and Underground Measurements" Int. J. Rock Mech. Min. Sci. (Feb 1967)

15)Woodland, David C, Shell Canada: "Borehole Instability in the Western Canadian Over thrust Belt," SPE paper 17508, SPE Drilling Engineering (Mar 1990)

189

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