Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Глава 9

Дифференциальный прихват

История

Проблема дифференциального прихвата была впервые поднята Hay ward в 1937 г.1. Однако в последнее время появилось множество технических статей, где утверждается, что этой проблемой не занимались до 1955 г. Обычно в этих статьях приоритет отдается Helmick и Longley. Вероятно, это обусловлено тем, что Helmick и Longley использовали термин "прихват под действием дифференциального давления", в то время как раньше этот феномен называли "прилипание к стенке" или "неподвижная колонна". Любой исследователь дифференциальных прихватов должен включить в свою концепцию термины "прилипание к стенке" и "неподвижная колонна", чтобы учесть работы, выполненные до 1957 г.

Helmick и Longley были первыми, кто продемонстрировал феномен дифференциального прихвата в лаборатории. Они написали первую техническую статью, посвященную дифференциальным прихватам, в 1957г.2 В следующем году Outmans выполнил всесторонний анализ механизмов дифференциального прихвата3. Эти исследователи так глубоко разработали данную тему, что с тех пор было добавлено совсем немного.

К сожалению, однако, понимание дифференциальных прихватов в отрасли становится искаженным. Вопреки широко распространенному мнению, поверхность контакта колонны с фильтрационной коркой на стенках скважины увеличивается не потому, что фильтрационная корка становится толще, а потому, что она сжимается в месте контакта. Ответственное за прихват дифференциальное давление не равно репрессии. Кроме того, большая часть

дифференциальных прихватов происходит в верхней части скважины, с колонной, а не с КНБК.6

В первой части этой главы рассматриваются механизмы дифференциального прихвата и факторы, влияющие на них. В последней части суммированы результаты, рассматриваются превентивные меры, признаки начинающегося прихвата и принятые в отрасли методы освобождения прихваченных колонн.

Механизмы возникновения дифференциальных прихватов

Для объяснения механизмов дифференциального прихвата я часто привожу пример с укрыванием решетки радиатора двигателя мокрым чехлом. Однако H.D. Outmans предложил в 1974г.4 более точное и наглядное объяснение. Outmans использовал пример с резиновой пробкой, соскальзывающей в отверстие раковины. Когда пробка перекрывает поток воды через отверстие, гидростатическое давление прижимает ее к отверстию, что подобно прихвату (рис. 9-1). Трение между пробкой и дном раковины достаточно велико, чтобы удерживать пробку на месте. Когда пробка не находится над отверстием, трение между пробкой и дном раковины очень мало. Это объясняется тем, что между пробкой и дном раковины есть тонкий слой воды. Поэтому дифференциальное давление, которое могло бы прижимать пробку, не возникает. Гидростатическое давление, действующее на пробку снизу, уравновешивает давление, действующее на пробку сверху. Кроме того, этот тонкий слой воды действует как смазка. Когда пробка перекрывает отверстие, слой воды стекает вниз, в результате чего возникает дифференциальное давление, прижимающее пробку к отверстию. Эта

190

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

прижимающая сила, обусловленная дифференциальным давлением, и отсутствие смазки приводят к появлению сильного трения.

Слой жидкости под пробкой уравновешивает давление сверху, поэтому дифференциальное давление не возникает. Когда пробка перекрывает отверстие, слой воды стекает вниз, в результате чего возникает дифференциальное давление, прижимающее пробку к отверстию.

Рис. 9-1 Дифференциальное давление

Представим себе скважину, вскрывшую проницаемые пески. Если давление в скважине превышает пластовое давление, начнется поступление бурового раствора в пласт и образование фильтрационной глинистой корки. Фильтрационная корка обладает некоторой проницаемостью, поэтому поступление бурового раствора в пласт будет продолжаться. Однако большая часть твердых частиц выделяется из жидкости и задерживается на фильтрационной корке. Через корку проходит только чистый фильтрат бурового раствора. По мере поступления новых твердых частиц фильтрационная корка становится толще, и этот процесс продолжается, пока скорость осаждения не становится равной скорости эрозии (см. материалы по образованию фильтрационной корки, рис. 9-7).

Бурильная колонна почти всегда находится в контакте со стенкой скважины. При вращении колонны между ней и стенкой скважины будет находиться тонкий слой жидкости (рис. 9-2А). Этот тонкий слой выполняет три задачи:

•Смазка бурильной колонны.

•Передача давления от колонны к фильтрационной корке.

•Поставка фильтрата, который постоянно проникает через фильтрационную корку в зоне контакта колонны с фильтрационной коркой. За пределами зоны контакта фильтрат поступает непосредственно из бурового раствора. Следует отметить, что фильтрат будет постоянно проходить через фильтрационную корку, пока существует какая-то репрессия.

Когда бурильная колонная останавливается, новый буровой раствор перестает поступать в смазывающий слой, так что поток фильтрата через фильтрационную корку в зоне контакта прекращается (рис. 9-2В). Жидкость из тонкого смазывающего слоя продолжает поставлять новый фильтрат, пока этот источник не иссякнет. Фильтрат, находящийся в фильтрационной корке, продолжает поступать в пласт, до тех пор, пока в этой части корки не останется фильтрата.

По мере ухода фильтрата из фильтрационной корки в зоне контакта эта часть фильтрационной корки уплотняется и становится тоньше, чем остальная корка (рис. 9-2С). Такая "усадка" фильтрационной корки создает условия для более глубокого проникновения колонны в корку. Вследствие этого увеличивается поверхность контакта бурильной колонны

191

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

и фильтрационной корки. Уплотненная фильтрационная корка характеризуется большим коэффициентом трения, чем раньше, когда она была насыщена фильтратом.

При прекращении циркуляции поверх устойчивой фильтрационной корки формируется неустойчивая фильтрационная корка. Данное обстоятельство также способствует увеличению поверхности контакта.

Когда исчезает смазывающий слой, исчезает и гидростатическое давление в пространстве между колонной и фильтрационной коркой. В результате появляется дифференциальное давление, прижимающее колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Соответственно, возрастает трение, препятствующее перемещению колонны. Трение может возрасти настолько, что перемещение колонны станет невозможным. В этот момент возникает дифференциальный прихват!

192

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. А

Между движущейся бурильной колонной и фильтрационной коркой находится тонкий слой жидкости.

Рис. В

Когда бурильная колонная останавливается, "смазывающий" слой исчезает.

Рис. С

Фильтрат уходит из фильтрационной корки, в результате чего она уплотняется, и поверхность контакта увеличивается.

По мере ухода фильтрата из фильтрационной корки в зоне контакта возрастает дифференциальное давление.

Рис. 9-2 Уплотнение фильтрационной корки

193

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата

Есть несколько факторов, способствующих возникновению дифференциального прихвата:

•Проницаемые пласты

•Репрессия

•Фильтрационная корка

•Контакт колонны со стенкой скважины

•Неподвижное состояние колонны

•Время

•Поперечная нагрузка

Рис. 9-3 Цепочка событий, ведущая к возникновению дифференциального прихвата

Обычно для возникновения дифференциального прихвата требуется наличие шести первых факторов. Если присутствуют только пять из них, то прихват маловероятен. Седьмой фактор, поперечная нагрузка, не является обязательным для возникновения прихвата, но он весьма способствует этому. Все эти факторы оказывают влияние на обусловленную дифференциальным давлением силу, прижимающую колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Давайте рассмотрим каждый из этих факторов отдельно.

Проницаемые пласты (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Дифференциальный прихват может произойти только в интервале проницаемого пласта. Прихват внутри обсадной колонны невозможен за исключением тех случаев, когда в ней появились каналы для жидкости, например перфорационные отверстия или негерметичности вследствие износа. Проницаемые пласты могут быть сложены, например, песчаниками и трещиноватыми породами. Возможен прихват в интервале глинистых пород, если они рассечены трещинами и проницаемы. Иногда прихваты возникают в обсадной колонне, в интервале перфорации или в местах потери герметичности вследствие внутреннего износа.

Если в разрезе нет проницаемого пласта, то не будет фильтрационной корки и дифференциального давления.

Для возникновения дифференциального прихвата пласт не обязательно должен иметь высокую проницаемость. Он должен лишь быть достаточно проницаемым для образования фильтрационной корки. Фильтрационная корка представляет собой "засоренный слив", через

194

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

который протекает фильтрат бурового раствора. Поэтому проницаемость пласта должна быть лишь такой, чтобы обеспечить отток фильтрата от фильтрационной корки. Таким образом, нужно больше беспокоиться о проницаемости фильтрационной корки, чем о проницаемости пласта.

Неконсолидированные пласты обычно имеют более высокую проницаемость, и на их поверхности образуется более проницаемая фильтрационная корка, чем на консолидированных пластах.

Чем выше проницаемость, тем больше опасность возникновения дифференциального прихвата. Однако проницаемость способствует возникновению дифференциального прихвата в меньшей степени, чем некоторые другие факторы.

Репрессия/дифференциальное давление (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

Репрессия в наибольшей степени способствует возникновению дифференциального прихвата.

Это объясняется тем , что она больше других факторов влияет на силу, прижимающую колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Эта сила равна произведению дифференциального давления на площадь поверхности контакта.

Прижимающая сила ≈ дифференциальное давление х площадь поверхности контакта

(9.1)

Очевидно, что более высокое дифференциальное давление создает большую прижимающую силу. Важно отметить, что дифференциальное давление, прижимающее бурильную колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой, не равно репрессии. Репрессия означает превышение давления в скважине над пластовым давлением. Под дифференциальным давлением понимается разность давлений по обе стороны некоторой поверхности.

В системе скважина-пласт может существовать значительная репрессия, но при перемещении бурильной колонны по стволу не будет дифференциального давления, прижимающего колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой (рис. 9-2А). Причина заключается в том, что колонна при движении увлекает за собой жидкость в тонком слое, находящемся в пространстве между колонной и фильтрационной коркой. Жидкость в этом тонком слое передает давление согласно закону Паскаля, так что силы, действующие на колонну по всем направлениям, равны между собой. Толщина этого слоя жидкости составляет примерно дватри микрона.5

Когда колонна останавливается, жидкость из этого тонкого слоя проникает в фильтрационную корку, и появляется дифференциальное давление (рис. 9-2В). После исчезновения тонкого слоя жидкости создается уплотнение в месте контакта колонны с фильтрационной коркой. В этот момент дифференциальное давление определяется разностью между давлением в породе у стенки скважины и давлением фильтрата бурового раствора в поровом пространстве фильтрационной корки. Сначала давление на поверхности фильтрационной корки почти равно давлению в скважине.

Когда в месте контакта фильтрационной корки с бурильной колонной из корки выдавливается фильтрат бурового раствора, возникает дифференциальное давление (рис. 9-2С). Со временем из корки будет выдавлено достаточно фильтрата, чтобы поровое давление в корке

195

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

уменьшилось до пластового давления в области, непосредственно прилегающей к фильтрационной корке (рис. 9-3 и 9-4).

Нельзя утверждать, что давление уменьшится до пластового на всей поверхности контакта. При снижении порового давления в фильтрационной корке часть фильтрата из области фильтрационной корки, непосредственно окружающей зону контакта, вероятно будет перетекать в зону контакта. Таким образом, давление будет самым низким в центре зоны контакта и самым высоким по ее периметру.

Несколько статистических исследований показали, что большая часть прихватов бурильной колонны на месторождениях Мексиканского залива происходит в верхней части скважины . Это объясняется тем, что по мере углубления скважины и увеличения плотности бурового раствора репрессия в верхней части скважины возрастает. Это не единственное объяснение того, что прихваты происходят в верхней части скважины, но это говорит в пользу мнения, что репрессия является самым главным фактором, способствующим возникновению дифференциального прихвата.

196

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. А

Благодаря наличию смазывающего слоя уравновешивается давление вокруг колоны.

Рис. В

Когда смазывающий слой исчезает, появляется дифференциальное давление.

Рис. С

По мере ухода фильтрата из фильтрационной корки в зоне контакта дифференциальной давление возрастает.

Со временем дифференциальное давление достигнет максимального значения, которое пропорционально репрессии.

Рис. 9-4 Дифференциальное давление в зоне контакта

197

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 9-5 Зависимость дифференциального давления

от времени

Фильтрационная корка (факторы, способствующие возникновению дифференциального прихвата)

До сих пор мы говорили только о дифференциальном прихвате в месте контакта бурильной колонны с фильтрационной коркой на поверхности проницаемого песчаного пласта. Для возникновения дифференциального прихвата в интервале песчаного пласта требуется наличие глинистой фильтрационной корки. Если бы не было "засоренного слива" в виде фильтрационной корки, то не было бы и дифференциального давления, прижимающего колонну к поверхности пласта. Давление на стенке скважины было бы почти равным давлению в скважине (рис. 9-6). Депрессионная кривая для закачки жидкости в пласт была бы подобна депрессионной кривой отбора, только перевернутой (рис. 8-55). Благодаря эффекту "засоренного слива" в виде фильтрационной корки пластовое давление, действующее на фильтрационную корку, будет почти равно давлению в остальной части пласта.

Рис. 9-6 Влияние фильтрационной корки изменение

пластового давления

198

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

В пластах с разрывными нарушениями или в перфорированной обсадной колонне дифференциальный прихват может возникнуть и без фильтрационной корки. Это объясняется тем, что возможно уплотнение бурильной колонны на контакте с трещинами или перфорационными отверстиями, полностью перекрывающими поток жидкости - как пробка перекрывает слив. Поверхность контакта может быть небольшой, но на этой поверхности почти мгновенно развивается дифференциальное давление.

Чрезвычайным примером дифференциального прихвата является печальный инцидент с шестнадцатилетней школьницей по имени Таня Никенс, произошедший в мае 1996 г.1. Таня отдыхала на курорте со своими друзьями. Она глубоко нырнула и перекрыла своим телом сливное отверстие бассейна размером 12" на 12". Ее тело уплотнило слив, и возник дифференциальный прихват из-за разности между атмосферным давлением и гидростатическим давлением 3 - 4 фута на дне бассейна. Ее друзья и спасатель не смогли освободить ее, и она утонула. Работники бассейнов и курортов называют это "присасыванием", но на самом деле речь идет о дифференциальном прихвате. Для создания уплотнения, из-за которого возникает дифференциальный прихват, не нужна никакая фильтрационная корка.

Толстая проницаемая фильтрационная корка является предпосылкой для возникновения дифференциального прихвата. Для предотвращения дифференциального прихвата нужно сделать так, чтобы фильтрационная корка была тонкой, твердой и непроницаемой. Под

"твердостью" фильтрационной корки здесь понимается ее относительная несжимаемость.

Фильтрационная корка представляет собой слой твердых частиц из бурового раствора, отложившихся на стенке скважины при фильтрации бурового раствора в проницаемый пласт. Чтобы лучше понять роль фильтрационной корки, рассмотрим процесс ее образования.

199

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