Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Катодный ток

Еще одним методом освобождения колонны от дифференциального прихвата является наложение катодного тока.12

Было показано, что катодный ток уменьшает склонность к образованию сальников на долоте. Этот процесс сходен с дифференциальным прихватом, поскольку в шлам в сальнике прижимается к долоту (частично) дифференциальным давлением, точно так же как фильтрационная корка прижимается к колонне.

Считается, что катодный ток уменьшает коэффициент трения между сталью и глинистой коркой благодаря притягиванию воды к стали в результате электроосмотического процесса. Brandon et al. считают, что выделение водорода на катоде играет в освобождении прихваченной колонны даже большую роль, чем пленка воды.

Из работы Brandon следует, что коэффициент трения между сталью и глинистой коркой уменьшается наполовину через две минуты после наложения катодного тока. Крутящий момент, требуемый для освобождения колонны, может уменьшиться на 80 % при использовании глинистого раствора и на 50 % при использовании полимерного раствора1

Низкочастотные вибраторы

Сейчас на рынке есть низкочастотные вибраторы.13 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 колонны 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.

Осевые вибрации создают в участке колонны вблизи источника энергии переменные растягивающие и сжимающие напряжения. В результате сечение труб попеременно увеличивается и уменьшается. Таким образом, колонна перемещается относительно стенки скважины как в осевом, так и в радиальном направлении. Когда колонна находится в движении, сила трения уменьшается, поскольку коэффициент трения движения меньше коэффициента трения покоя. Время от времени участки колонны будут отрываться от места прихвата. При ожижении слоя зерен породы сила трения будет уменьшаться еще больше, поскольку зерна будут уходить с пути замков, а не заклиниваться между колонной и породой.

Технология вибрационного воздействия для освобождения бурильной колонны применяется уже более 40 лет. В период с 1984 по 1986 гг. она была испытана на более чем 70 скважинах. Сейчас компания Baker Hughes предлагает спускаемый на канате низкочастотный вибратор, называемый "Rattler"

Я слышал также о методе создания вибраций бурильной колонны путем отключения пневмокомпенсаторов бурового насоса, но у меня нет практического опыта или документов, подтверждающих или опровергающих эффективность этой технологии.

220

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Отвинчивание неприхваченной части колонны

Если буровой ясс не срабатывает, можно отвинтить часть колонны выше места прихвата, чтобы установить ловильный ясс. Имея большой дополнительный вес и разместив ясс непосредственно над местом прихвата мы намного увеличиваем шансы освобождения колонны ударным воздействием.

Если удары яссом успеха не принесли, можно отвинтить неприхваченную часть колонны и размыть породу вокруг прихваченной колонны с помощью промывочной колонны. Это рискованная операция, поскольку более жесткая промывочная колонна может иметь большую поверхность контакта с фильтрационной коркой, чем бурильная колонна.

221

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Контрольные вопросы к главе 9

1.Почему вращающаяся бурильная колонна не попадает в дифференциальный прихват?

2.Какие три функции выполняет смазывающий слой жидкости ?

3.Назовите семь факторов, способствующих возникновению дифференциального прихвата.

4.Какие шесть факторов должны быть в наличии для возникновения дифференциального прихвата?

5.Какой фактор в наибольшей степени способствует возникновению дифференциального прихвата?

6.В чем разница между репрессией и дифференциальным давлением?

7.Что происходит с фильтрационной коркой, когда уходит жидкость смазывающего слоя?

8.Почему дифференциальный прихват усиливается со временем?

9.Когда после возникновения дифференциального прихвата время наиболее критично?

10.Какова должна быть идеальная фильтрационная корка с точки зрения предотвращения дифференциального прихвата?

11.Как влияет фильтрационная корка на дифференциальный прихват?

12.Что происходит с неустойчивой фильтрационной коркой после восстановления циркуляции?

13.Какие факторы влияют на качество фильтрационной корки?

14.Как твердые частицы могут отрицательно влиять на качество фильтрационной корки?

15.Как влияют на качество фильтрационной корки смазывающие добавки к буровому раствору?

16.Какие три функции должна выполнять смазочная добавка, чтобы эффективно способствовать предотвращению дифференциального прихвата?

17.Будет ли работать смазочная добавка после возникновения прихвата?

18.Каким образом смазывающая добавка уменьшает водоотдачу?

19.Каким образом может смазочная добавка увеличить период, в течение которого колонна может оставаться неподвижной без возникновения прихвата?

20.Как влияет репрессия на фильтрационную корку?

21.Как влияет температура на фильтрационную корку?

22.Перечислите шесть факторов, от которых зависит площадь поверхности контакта бурильной колонны со стенкой скважины

23.Как влияет поперечная нагрузка на дифференциальный прихват?

24.Напишите уравнение для определения удерживающей силы, обуславливающей дифференциальный прихват

25.Что вызывает прилипание фильтрационной корки к бурильной колонне? Когда это становится опасным?

26.Перечислите десять факторов, при наличии которых следует ожидать дифференциальный прихват?

27.Какие факторы мы должны контролировать?

222

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

28.Какова классическая "визитная карточка" дифференциального прихвата?

29.Каковы должны быть начальные действия при подозрении на возникновение дифференциального прихвата?

30.Какие дополнительные приемы можно использовать?

Литература

1)Hayward, J.T.: "Cause and Cure of Frozen Drill Pipe and Casing," Drilling and Production Practice (1937)

2)Helmick, W.E. and Longley, J.: "Pressure-differential Sticking of Drill Pipe and How It Can Be Avoided or Relieved," Oil and Gas Journal (June 17, 1959)

3)Outmans, H.D., "Mechanics of Differential Sticking of Drill Collars," Trans АГМЕ, Vol. 213 (1958)

4)Outmans, H.D., "Spot fluid quickly to free differentially stuck pipe," Oil and Gas Journal, July 17, 1974, 65-68

5)Clark, R.K. and Almquist, S. G., Shell Development Co.: "Evaluation of Spotting Fluids in a Full-Scale Differential Pressure Sticking Apparatus," paper SPE 22550 presented at the 66th Annual Technical Conference and Exhibition of the SPE, Dallas TX (Oct 1991)

6)Stewart, Maurice I. Jr., U.S. Minerals Management Service, Metaire, LA: "A Method of Selecting Casing Setting Depths to Prevent Differential-Pressure Pipe Sticking"

7)Herman, Eric: "The Entrapment Solution," Vac-Alert Suction

Entrapment Archive, http://www.vac-alert.com/suction entrapment archive.htm

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

9)Bushness-Watson, Y. M. and Panesar, S. S., BP Research Center, "Differential Sticking Laboratory Tests Can Improve Mud Design," paper SPE 22549 presented at the 66th Annual Technical Conference and Exhibition of the SPE, Dallas TX (Oct 1991)

10)Krol, David A., Gulf Research and Development Company: "An Evaluation of Drilling fluid Lubricants to Minimize Differential Pressure Sticking of Drill Pipe" Drilling Technology Conference Transactions (1984)

11)Fisk, J.V., Wood, R., and Kirsner, J., Baroid Drilling Fluids, Inc., "Development and Field Trial of Two Environmentally-Safe Water-Based Fluids Used Sequentially to Free Stuck Pipe," paper IADC/SPE 35060 presented at the 1996 IADC/SPE Drilling Conference, New Orleans, LA (March, 1996)

12)Brandon, N.P., Panesar, S.S., Bonanos, N., Fogarty, P.O., and Mamood, M.N., BP Research Center, Sunbury-on-Thames: "The Effect of Cathodic Currents on Friction and Stuck Pipe Release in Aqueous Drilling Muds" Journal о Petroleum Science and Engineering, 10 (1993)

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

223

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Глава 10

Заклинивание на участках со сложной геометрией

Введение

Заклинивание на участках со сложной геометрией возникает там, где форма КНБК не совпадает с формой скважины. В таком случае КНБК не может пройти через данный участок ствола. Чтобы произошел такой прихват, КНБК должна войти в этот участок. Другими словами, для заклинивания на участке со сложной геометрией бурильная колонна должна двигаться.

Обычно при таком прихвате циркулирующий буровой раствор движется беспрепятственно, поскольку площадь поперечного сечения кольцевого пространства не уменьшилась. Поэтому, если перед возникновением прихвата бурильная колонна двигалась, и после возникновения прихвата давление не возросло, вероятно заклинивание на участке со сложной геометрией ствола.

Хотя большая часть прихватов сегодня - это прихваты шламом или обвалившейся породой и дифференциальные прихваты, заклинивание на участках со сложной геометрией, все же представляет серьезную проблему. В 1950-х годах во всем мире считали, что наиболее широко распространенным прихватом является заклинивание в желобных выработках. С началом направленного бурения начались прихваты при спуске в скважину более жесткой компоновки, чем та, которая использовалась для набора кривизны. Когда для бурения наклонно-направленных скважин начали использовать забойные двигатели и 90-футовые свечи, все чаще стали возникать заклинивания в местах мелких искривлений ствола.

Прихваты на участках со сложной геометрией можно разделить на четыре основные категории:

•Заклинивание в местах резкого искривления ствола

•Заклинивание в уступах

•Заклинивание неустойчивыми породами

•Заклинивание в стволе с диаметром меньше номинального

224

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

буровики всеми силами старались избежать резких искривлений ствола в верхней части скважины.

В 1980-х годах, когда стало развиваться направленное бурение, многие взволнованные буровики заявляли, что они знают, почему в вертикальных скважинах резкое искривление на 1 ° создавало проблемы, а в горизонтальных скважинах резкое искривление на 90 ° проблем не создавало.

На самом деле, все дело в условиях, которые должны существовать, чтобы образовался желоб.

225

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Факторы, влияющие на образование желоба

Для того чтобы образовался желоб, бурильная колонна должна вращаться в месте резкого искривления, испытывая при этом достаточно большие поперечные нагрузки (рис. 10-3). Таким образом, должны выполняться четыре условия:

•Резкое искривление ствола

•Поперечные нагрузки, прижимающие бурильную колонну к стенке скважины.

•Вращение бурильной колонны

•Продолжительность вращения, достаточная для прорезания желоба.

Факторы, влияющие на образование желоба

Для того чтобы образовался желоб, должны выполняться четыре условия: резкое искривление ствола, сильное натяжение бурильной колонны, вращение колонны и большая продолжительность вращения.

Для того, чтобы был прорезан желоб, должны одновременно действовать все четыре фактора.

Возрастание любого из этих факторов влечет за собой усиление тенденции к желобообразованию.

Рис. 10-3 Факторы, влияющие на образование желоба

Чтобы образовался желоб, должны выполняться все четыре условия. Если одно из них не будет выполнено, желоб не может быть прорезан. Время, необходимое для прорезания желоба, зависит от твердости породы. Если колонна вращается достаточно долго, и есть достаточно большие поперечные нагрузки, желоб может быть прорезан даже в чрезвычайно твердой породе. Если порода мягкая, или если остальные три фактора очень сильны, для прорезания желоба требуется меньше времени.

Важным фактором являются поперечные нагрузки. Чем сильнее колонна вдавливается в пласт, тем быстрее прорезается желоб. Поперечные нагрузки зависят от того, насколько резко искривляется ствол. Чем резче искривление, тем больше поперечные нагрузки (рис. 10-4). Кроме того, поперечная нагрузка зависит от натяжения колонны. Вот почему так опасны очень резкие искривления в верхней части глубоких вертикальных скважин - в них под местом резкого искривления находится большая часть колонны, создающая большие растягивающие нагрузки.

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Резкое искривление ствола в верхней части скважины очень опасно при бурении глубоких вертикальных скважин. Однако при бурении горизонтальных скважин можно создать резкое искривление ствола и проводить через него колонну со вращением, но опасный желоб прорезан не будет. Это объясняется отсутствием большой поперечной нагрузки в месте резкого искривления ствола (рис. 10-5). Поперечная нагрузка обусловлена растяжением колонны. Обычно при прохождении мест резкого искривления ствола у забоя вращающая бурильная колонна находится в сжатом состоянии. Если при этом все-таки образуется желоб, то он будет в нижней стенке скважины. Когда мы приподнимаем и натягиваем колонну, она выходит из искривления вдавливаясь в верхнюю стенку скважины.

Рис. 10-5 Горизонтальная скважина

Сейчас число случаев заклинивания в желобной выработке меньше, чем в 1950-х и 1960-х годах, благодаря использованию меньших КНБК и более совершенных отклонителей. В настоящее время искривления ствола обычно не такие резкие, как раньше. Использование меньших КНБК позволяет снизить нагрузку на крюке. Благодаря этим обстоятельствам уменьшаются поперечные нагрузки в местах резкого искривления ствола. Следует отметить также возможность проходить каждый участок с меньшей продолжительностью вращения бурильной колонны благодаря усовершенствованным технологиям. А более долговечные долота позволяют реже выполнять СПО.

Когда следует ожидать образования желобов

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

чередующиеся твердые и мягкие пласты. Чередование пластов способствует образованию резких искривлений ствола и уступов, в которых могут быть прорезаны желоба (рис. 10-6). (см. материалы по мелким искривлениям). При расширении ствола могут обнажиться уступы, в которых могут быть прорезаны желоба. Чередование пластов, даже в очень плавных искривлениях, ведет к размывам, обнажающим уступы, где могут быть прорезаны желоба.

Признаки желобов

К признакам желобов можно отнести и условия, благоприятные для прорезания желобов. Если в наличии резкие искривления ствола, поперечные нагрузки и продолжительное вращение бурильной колонны, то это уже следует считать сигналом о существовании желоба. О наличии резких искривлений ствола можно судить по следующим признакам:

•Возрастание крутящего момента и сопротивления продольному перемещению бурильной колонны при СПО или бурении.

•Повторяющиеся повышения нагрузки на крюке при СПО. Могут наблюдаться кратковременные повышения нагрузки на крюке при прохождении бурильных замков через желоб. Короткие желоба, выработанные в твердых уступах, дают четкие кратковременные повышения нагрузки на крюке примерно через каждые 30 футов (рис. 10-7). Более длинные желоба, выработанные в местах плавного

указанной тенденции бывает не часто. Если выполняются последовательные СПО, нужно отслеживать эту тенденцию.

228

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Многие буровики бывают неприятно удивлены заклиниванием в желобе, даже если они наблюдали при бурении указанную тенденцию. Во многих скважинах наблюдались сильные повторяющиеся затяжки при подъеме инструмента, но всегда удавалось освободить колонну перемещением вниз. Бурильные замки постепенно разрабатывали желоб, затяжки уменьшались, и появлялось ложное ощущение, что проблема исчезла. Когда же к желобу подходили УБТ, происходило заклинивание, и освободить колонну перемещением вниз не удавалось.

Предупреждение заклинивания в желобных выработках

Для предупреждения заклинивания в желобных выработках нужно свести к минимуму четыре фактора, способствующих желобообразованию, или устранить один из них.

•Нужно всегда избегать резких искривлений в верхней части ствола, где колонна растянута в максимальной степени. В глубоких вертикальных скважинах проходить верхние интервалы нужно осторожно, стараясь избежать резких искривлений ствола.

•Если при бурении есть основания подозревать резкое искривление ствола, нужно проработать этот участок и устранить резкое искривление.

•Если при бурении есть основания подозревать наличие желоба, то после подъема достаточно большой части колонны, можно установить в колонну расширитель для ликвидации желобов. После этого можно ликвидировать желоб за короткий рейс до подъема к этому месту КНБК. Этот метод работает только когда желоб находится достаточно высоко в скважине, и можно подвести расширитель к желобу за короткий рейс. Расширитель должен подойти к желобу раньше чем долото подойдет к забою. Практика бурения с расширителем для ликвидации желобов в бурильной колонне может создать больше проблем, чем предложить решений.

•Продолжительность вращения бурильной колонны, не разгруженной на забой, должна быть сведена к минимуму, поскольку с увеличением нагрузки на крюке возрастают поперечные нагрузки в месте возможного резкого искривления.

•Как и всегда при опасности прихвата на участках со сложной геометрией бурильщик должен следить за положением КНБК в зоне резкого искривления и соблюдать осторожность при прохождении колонны через нее.

•При подъеме КНБК через участок, где возможна желобная выработка, можно медленно вращать колонну, чтобы облегчить выход из желоба УБТ или стабилизаторов.

•Использование толстостенных бурильных труб повышенной прочности позволит увеличить нагрузку в месте прихвата, требуемую для освобождения. Обычно, если

через желоб проходят бурильные замки, то должны пройти и толстостенные

229

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