Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

колонны и поперечные нагрузки в верхней части скважины. При разбуривании верхних интервалов дифференциальный прихват КНБК не происходит, а при углублении скважины может произойти дифференциальный прихват бурильной колонны в тех же интервалах. Причиной является сочетание большой репрессии и увеличенных поперечных нагрузок.

Все эти факторы влияют на прижимающую силу. Однако это не есть удерживающая сила. Это только сила, прижимающая бурильную колонну к стенке скважины. Удерживающая сила обусловлена трением между колонной и фильтрационной коркой.

Под нормальной силой понимается сумма всех сил, действующих по нормали к поверхности пласта. Эта сила прижимает колонну к стенке скважины. Иногда под этой силой понимают

поперечные нагрузки.

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

дифференциальное давление не остается постоянным на всей поверхности контакта бурильной колонны с фильтрационной коркой. Дифференциальное давление будет самым низким в центре зоны контакта и самым высоким по ее периметру.

Это трение обусловлено только дифференциальным давлением. Может появиться дополнительная сила трения, когда бурильная колонна лежит на нижней стенке наклонной скважины или натянута и прижимается к стенке в месте резкого искривления ствола. Эти дополнительные поперечные нагрузки нужно учесть в нормальной силе при определении фактической силы трения, которую нужно преодолеть.

Удерживающая сила, обусловленная липкостью фильтрационной корки

Нужно учитывать также удерживающую силу, обусловленную липкостью фильтрационной корки. Когда бурильная колонна давит на фильтрационную корку, жидкость выдавливается из пространства между колонной и фильтрационной коркой, и материал фильтрационной корки прилипает к стали колонны. Это объясняется отчасти проявлением адгезивных свойств коллоидных частиц в фильтрационной корке, и отчасти действием дифференциального давления, прижимающего корку к колонне. Примерно то же происходит, когда к стеклу прижимают присоску. Бурильная колонна уплотняется в фильтрационной корке, поскольку из пространства между ними выдавлена вся жидкость.

Поэтому любая попытка увеличить это пространство приводит к резкому снижению давления почти до нуля. Это можно продемонстрировать с помощью шарика из темной липкой глины - когда его отрывают от стены, иногда слышен чмокающий звук.

В нескольких работах показана степень влияния адгезии на дифференциальный прихват.911 При очень низких значениях дифференциального давления адгезия становится важным фактором, влияющим на трение. При более высоких значениях дифференциального давления роль адгезии уменьшается (рис. 9-21). Это объясняется тем, что адгезия остается относительно неизменной, а сила трения, обусловленная дифференциальным давлением, значительно возрастает с увеличением дифференциального давления.

Часто бывает, что при подъеме на поверхность освобожденной колонны на ней видны остатки прилипшей фильтрационной корки. Такие остатки говорят о том, что произошел дифференциальный прихват.

Эффект адгезии значительно уменьшается при введении в буровой раствор смазывающих добавок.

211

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Заключение

Когда следует ожидать дифференциальный прихват

Дифференциальный прихват происходит, когда колонна труб находится без движения в интервале проницаемых пород достаточно долго для того, чтобы на поверхности контакта стальных труб и фильтрационной корки развилось дифференциальное давление. Если скважина наклонная, или ствол имеет участки с резкими искривлениями или другими сложными геометрическими характеристиками, при прохождении которых возникают поперечные нагрузки, вжимающие колонну в фильтрационную корку, то дифференциальный прихват может произойти быстрее, и ликвидировать его будет труднее.

Есть несколько факторов, способствующих возникновению дифференциального прихвата:

•Проницаемые пласты

•Большая репрессия

•Флокулированная глина в фильтрационной корке

•Высокое содержание твердой фазы в РВО

•Высокая скорость проходки

•Протяженные открытые участки ствола

•Небольшой диаметр скважины

•Небольшая разница между диаметрами колонны и скважины

•Длинная нежесткая КНБК или обсадная колонна

•Наличие резких искривлений ствола в интервалах проницаемых песков в верхней части разреза

Предупредительные меры

Для предотвращения дифференциального прихвата нужно минимизировать влияние семи факторов, способствующих возникновению прихвата. Большую часть этих факторов устранить нельзя, поэтому нужно сосредоточиться на тех, которые поддаются контролю.

Проницаемые пласты

Мы не можем устранить этот фактор. Однако мы можем изолировать проницаемые интервалы обсадной колонной и ограничить протяженность открытых участков ствола, чтобы уменьшить репрессию на этих участках.6

Репрессия

Возможно, нам придется работать с большой репрессией, если она предусмотрена проектом строительства скважины. Мы можем в некоторой степени ограничить репрессию, изменяя плотность бурового раствора и вымывая шлам из вертикальной части ствола перед выполнением исследований или продолжительным наращиванием. Мы можем также внимательно следить за содержанием твердой фазы в буровом растворе и сводить к минимуму избыточную репрессию, применяя легкий буровой раствор. Можно также рассмотреть вопрос об изменении глубины спуска обсадной колонны таким образом, чтобы минимизировать репрессию6.

212

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Фильтрационная корка

Влиять на фильтрационную корку можно в большей степени, чем на любой другой фактор, способствующий возникновению дифференциального прихвата. Как мы помним, фильтрационная корка должна быть тонкой, твердой и непроницаемой.

Нужно поддерживать минимальное содержание шлама в буровом растворе, чтобы ограничить толщину корки и коэффициент трения колонны о корку. Если наблюдается флокуляция, нужно провести обработку химреагентами. Добавление в буровой раствор разжижителей, смазывающих агентов и деформируемых коллоидных частиц поможет изменить свойства фильтрационной корки таким образом, чтобы уменьшить ее толщину и коэффициент трения. Чтобы смазочные добавки принесли пользу, они должны находиться в фильтрационной корке до того, как начнется прихват. Чтобы сыграть свою роль в предотвращении дифференциального прихвата, смазочные добавки должны также обладать способностью обволакивать все твердые частицы в буровом растворе и в корке, смачивать металлические поверхности и уменьшать утечки фильтрата через фильтрационную корку.

На недавно пробуренных пластах может образоваться более толстая корка с большим содержанием твердых частиц, чем уже однажды удаленная. Перед продолжительным исследованием может быть полезным короткий рейс для очистки и проработки ствола. При прекращении циркуляции поверх устойчивой фильтрационной корки формируется неустойчивая корка. Если колонну несколько раз оставляли неподвижной и не вращали, толщина корки увеличивается. Выполняемое время от времени вращение бурильной колонны оказывает механическое воздействие на корку и удаляет ее с поверхности пласта. Благодаря этому может уменьшиться тенденция к возникновению дифференциального прихвата.

Контакт колонны со стенкой скважины

Чем меньше диаметр бурильной колонны и чем больше диаметр скважины, тем меньше поверхность контакта. Чем ближе диаметр бурильной колонны к диаметру скважины, тем больше угол контакта и тем больше поверхность контакта. Стабилизаторы, УБТ со спиральными канавками и тяжелые компоновки помогают уменьшить поверхность контакта КНБК со стенками скважины. Стабилизаторы помогают уменьшить поверхность контакта обсадной колонны со стенками скважины.

Наличие желобов, уступов и слоев шлама ведет к увеличению поверхности контакта. Может быть полезной проработка для устранения желобов и уступов в интервале проницаемых пород. На стадии проектирования нужно включить в проект строительства скважины вопросы, связанные с контактом колонны со стенками скважины.

УБТ и бурильные замки с сальниками могут тесно прилегать к стенкам в стволе номинального диаметра. При разбуривании чередующихся песков и глинистых пород номинальный диаметр будет в интервалах песков. Перед наращиванием нужно расхаживать колонну до исчезновения заметного сопротивления ее продольному перемещению.

Неподвижное состояние колонны

Дифференциальный прихват не происходит до тех пор, пока колонна не пробудет в неподвижном состоянии достаточно долго для ухода жидкости из смазывающего слоя в фильтрационную корку. Избежать неподвижного состояния невозможно, поскольку нужно наращивать колонну и проводить исследования в скважине. Необходимо делать все

213

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

возможное, чтобы не допустить нахождения колонны в неподвижном состоянии больше, чем это требуется по технологическим причинам, и тщательно планировать исследования.

Если риск дифференциального прихвата велик, нужно избегать неподвижного состояния колонны до тех пор, пока этот риск не будет уменьшен. Если ожидается продолжительный период неподвижного состояния колонны, и неизвестно, насколько велика вероятность прихвата, то до того как оставить колонну неподвижной на долгое время можно проверить "визитную карточку" дифференциального прихвата за два коротких периода неподвижности

(рис. 9-22).

Если колонна должна долго оставаться неподвижной из-за внепланового ремонта, то, по возможности, следует выполнить промывку до выравнивания свойств бурового раствора и поместить бурильную колонну в такой положение, в котором поверхность контакта колонны со стенками скважины минимальна.

Поскольку для освобождения бурильной колонны желательно сдвинуть ее вниз, то до того как оставить колонну неподвижной на долгое время нужно обеспечить возможность продвижения колонны вниз.

Примечание: автор не рекомендует перемещать колонну во время восстановления контроля над скважиной, чтобы избежать прихвата. Многие выбросы возникают из-за неисправности превентора, являющейся прямым результатом такой практики.

Время

Развитие дифференциального давления, необходимого для появления прижимающей силы, происходит постепенно. Прежде всего должна уйти в фильтрационную корку жидкость смазывающего слоя, в результате чего создается уплотнение в месте контакта колонны с коркой. Затем фильтрат из корки должен уйти в пласт, в результате чего возникает дифференциальное давление. Когда фильтрат уходит в пласт, его давление уменьшается, так что сила, побуждающая фильтрат утекать в пласт, уменьшается. Со временем фильтрат течет все медленнее и медленнее. Скорость течения фильтрата в пласт и, следовательно, темп нарастания дифференциального давления, пропорциональны корню квадратному из времени

(рис. 9-17).

Сначала прихват развивается быстро, затем все медленнее и медленнее, а затем, когда из корки уйдет весь фильтрат, прижимающая сила остается относительно неизменной. Если изза наличия толстой неустойчивой корки восстановить циркуляцию не удается, прихват усиливается.

Чем скорее возобновится движение бурильной колонны, тем менее вероятен прихват. Если прихват все же возникнет, нужно выполнить необходимые начальные действия, чтобы предотвратить его развитие.

Поперечные нагрузки

По возможности следует избегать резких искривлений ствола в интервалах проницаемых песков, особенно в верхней части открытого участка ствола. Использование длинных, тяжелых КНБК в сильнонаклонных скважинах приведет к большому сопротивлению продольному перемещению колонны и большой поперечной нагрузке в нижней части ствола. При выполнении СПО рекомендуется немного разгрузить колонну перед тем, как посадить ее на клинья. Это нужно, в частности, для ослабления чрезмерного натяжения, ведущего к высоким поперечным нагрузкам.

214

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Признаки дифференциального прихвата

Дифференциальный прихват начинается в тот момент, когда жидкость смазывающего слоя уходит в фильтрационную корку, и начинается создание дифференциального давления. Сила трения, обусловленная дифференциальным давлением, сначала будет мала, но со временем возрастет и достигнет максимума. Если возобновить движение колонны до того как удерживающая сила станет слишком большой, то колонна освободится. Образуется новый смазывающий слой, и дифференциальное давление исчезает.

Если колонна находится в неподвижном состоянии достаточно долго для того, чтобы жидкость смазывающего слоя ушла в фильтрационную корку, то она будет прижата к фильтрационной корке. Для освобождения колонны к ней потребуется приложить некоторую нагрузку или крутящий момент. Эта нагрузка или крутящий момент являются одним из первых признаков дифференциального прихвата.

Признаком дифференциального прихвата является возрастание крутящего момента или сопротивления продольному перемещению колонны после того как колонна была оставлена без движения на какое-то время. Если это увеличение крутящего момента или сопротивления продольному перемещению колонны пропадает после возобновления движения колонны, это очень надежный признак дифференциального прихвата. После возобновления движения колонны исчезает удерживающая сила, действующая при дифференциальном прихвате. Однако сопротивление продольному перемещению колонны может оставаться сильным из-за осевшего шлама.

При возникновении дифференциального прихвата сечение кольцевого пространства не уменьшается. В такой ситуации нет причин для возрастания давления. Поэтому для подтверждения дифференциального прихвата нужно проверить и убедиться, что увеличение нагрузки на крюке не сопровождается возрастанием давления.

"Визитная карточка" дифференциального прихвата

Характерной "визитной карточкой" дифференциального прихвата является увеличение сопротивления продольному перемещению колонны или крутящего момента при страгивании колонны с места после нахождения ее без движения в течение некоторого времени (рис. 9-22).

После возобновления движения колонны увеличенное сопротивление продольному перемещению колонны или крутящий момент пропадает. Это увеличение не сопровождается возрастанием давления.

Рис. 9-22 "Визитная карточка" дифференциального прихвата

215

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Большие потери фильтрата бурового раствора

В интервале проницаемых пород возможны большие потери фильтрата бурового раствора. Это признак, предупреждающий об образовании толстой, проницаемой фильтрационной корки. Данный процесс ведет к быстрому уплотнению фильтрационной корки и увеличению поверхности контакта колоны с фильтрационной коркой.

Освобождение прихваченной колонны

Начальные действия

При возникновении дифференциального прихвата нужно прежде всего продолжать

циркуляцию с максимально допустимым расходом и одновременно приложить максимальный крутящий момент и довести его до места прихвата. Большой расход будет способствовать разрушению неустойчивой фильтрационной корки. Увеличение гидравлических потерь в кольцевом пространстве обеспечит дополнительную репрессию, благодаря которой уплотняется фильтрационная корка за пределами поверхности контакта.

Крутящий момент намного эффективнее осевой нагрузки для ликвидации дифференциального прихвата. Прижимающая сила обеспечивает большое сопротивление перекатыванию колонны и очень большую силу трения, препятствующую осевому перемещению. Маловероятно, что удастся продвинуть колонну по скважине, но вполне возможно провернуть колонну и оторвать ее тем самым от стенки.

Затем нужно как можно скорее резко разгрузить колонну, создавая максимальную осевую нагрузку.

Ни в коем случае нельзя пытаться приподнять колонну! Когда начался прихват, колонна была неподвижна. Обычно это означает, что в момент начала прихвата колонна была растянута и была прижата к верхней стенке скважины. Дальнейшее натяжение колонны приведет лишь к возрастанию поперечной нагрузки, вдавливающей ее в фильтрационную корку. Дополнительная поперечная нагрузка приведет к возрастанию силы трения, препятствующей перемещению колонны. Есть и еще одна причина, по которой нельзя пытаться приподнять прихваченную колонну. Она заключается в том, что растягивающие и скручивающие напряжения суммируются. Желательно приложить максимальный крутящий момент, который способна выдержать колонна. Поэтому на долю растяжения остается немного. Сжимающие и скручивающие напряжения не суммируются, поэтому можно одновременно полностью разгрузить колонну и создать максимальный крутящий момент, не опасаясь обрыва бурильной колонны из-за скручивания.

Если в колонне есть ясс, нужно произвести удар вниз. Непосредственно перед ударом следует снизить подачу насоса до минимума, чтобы не ослаблять удар. Снижение расхода приводит также к уменьшению дополнительной репрессии, обусловленной возрастанием гидравлических потерь в кольцевом пространстве.

Если есть основания считать, что колонна находится в прихвате у нижней стенки скважины, и приложение крутящего момента с разгрузкой не помогут ее освободить, то можно попытаться приложить крутящий момент с натяжением в допустимых пределах, обдумывая в это время использование дополнительных приемов.

216

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Дополнительные приемы для освобождения колонны

Если разгрузка с одновременной отбивкой ротором успеха не принесла, можно попробовать ряд дополнительных приемов. Однако прижимающая сила возрастает пропорционально корню квадратному из времени, а эти приемы применяются не сразу. Для предотвращения усиления прихвата во время подготовки и применения дополнительных приемов нужно продолжать разгрузку с приложением крутящего момента.

Снижение репрессии путем закачки в кольцевое пространство легкой жидкости. Этот метод можно попробовать, если породы достаточно прочные и могут выдержать такую операцию (рис. 9-23). Это общий подход, применяемый в более древних, более прочных породах. Вообще-то в северной части штата Нью-Мексико некоторые операторы имеют обыкновение в случае дифференциального прихвата посылать на буровую азотную установку и выдувать из скважины весь буровой раствор. Такой метод применяется на месторождениях, где устойчивость стенок скважины и контроль над скважиной не представляют проблемы.

Однако уменьшение репрессии может быть опасным. Известно много случаев, когда стремясь освободиться от дифференциального прихвата уменьшали репрессию, а в результате получали мощный выброс, разрушающий вышку. И во многих случаях такая практика приводила к обрушению породы и потере скважины.

Для того чтобы правильно уменьшить репрессию, нужно прокачать легкую жидкость в кольцевое пространство через долото (рис. А).

Практика "сообщающихся сосудов" опасна, поскольку теряется возможность следить за условиями в скважине. Кроме того, могут забиться насадки долота (рис. В).

217

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 9-23 Уменьшение репрессии и практика "сообщающихся сосудов"

Если в качестве дополнительного метода освобождения выглядит предпочтительным уменьшение репрессии, то нужно сделать это правильно. Еще до возможного прихвата нужно определить допустимое уменьшение репрессии. Нужно также рассчитать необходимый объем легкой жидкости, которая будет прокачана в кольцевое пространство и поднята выше места прихвата (рис. 9-23А)

Практика "сообщающихся сосудов" опасна и не должна применяться. По методу "сообщающихся сосудов" легкую жидкость закачивают в бурильную колонну и оставляют, после чего она начинает течь в обратном направлении, вытесняемая буровым раствором, поступающим из кольцевого пространства (рис. 9-23В). В результате уровень бурового раствора в кольцевом пространстве понижается и, соответственно, уменьшается репрессия. Однако при этом буровики теряют возможность следить за уровнем бурового раствора в кольцевом пространстве и не могут отслеживать условия в скважине, чтобы осуществлять контроль за ней. Существует также опасность забивания насадок долота, что еще больше усложнит ситуацию с прихватом и контроль над скважиной.

Жидкостные ванны и методы их применения

Когда уменьшение репрессии слишком опасно, можно попробовать жидкостную ванну. Можно подумать также о сочетании некоторого уменьшения репрессии с установкой жидкостной ванны.

Жидкость ванны работает, в частности, разрушая фильтрационную корку. Она закупоривает поры в глинистой корке, снижая ее проницаемость. В результате корка уплотняется, так же как в зоне контакта, когда взаимодействие с колонной привело к прекращению течения фильтрата в фильтрационную корку. В результате уплотнения корки уменьшается угол контакта и, следовательно, поверхность контакта колонны с коркой. Уплотняющаяся фильтрационная корка может растрескаться, поскольку внутренняя окружность ее сечения увеличивается (рис. 9-24). По образующимся трещинам жидкость ванны может проникать в пласт, в результате чего уменьшается дифференциальное давление, прижимающее колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Кроме того, жидкость стремится смочить бурильную колонну по поверхности ее контакта с фильтрационной коркой. Если это произойдет, гидростатическое давление вокруг колонны выровняется, и дифференциальное давление исчезнет.

Жидкостные ванны замедляют утечки фильтрата бурового раствора в корку, в результате чего она претерпевает "усадку", так же как в зоне контакта. Как следствие, уменьшается поверхность контакта. Уплотненная корка растрескивается, поскольку внутренняя окружность ее сечения увеличивается. Жидкость уходит через трещины в пласт, в результате чего уменьшается дифференциальное давление.

Рис. 9-24 Жидкостная ванна

218

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Чтобы ванна была эффективной, жидкость должна вытеснить буровой раствор из области за бурильной колонной. Профиль скоростей потока в кольцевом пространстве при эксцентричном расположении бурильной колонны показывает, что жидкость ванны стремится обойти эту область (рис. 9-25). Обычно перед жидкостью ванны закачивают маловязкий рассол хлористого кальция с максимальным расходом, чтобы вытеснить буровой раствор из этой зоны." Жидкость ванны и буферную жидкость нужно закачивать с одинаковым максимальным расходом.

Жидкость ванны должна иметь такую же плотность, как и используемый буровой раствор. Это нужно, чтобы избежать перемешивания и миграции. Если прихват произошел около забоя, следует использовать немного более тяжелую жидкость ванны, чтобы избежать миграции и увеличить эффективность вытеснения находившегося там ранее бурового раствора.

Ванна должна постоять достаточное время для того чтобы жидкость впиталась. Одновременно нужно расхаживать колонну, чтобы жидкости было легче проникнуть в область между поверхностью колонны и фильтрационной коркой.

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