Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Тенденции изменения параметров при бурении и СПО предупреждают нас о возможных осложнениях. Чтобы определить причину проблемы, нужно проанализировать нюансы тенденций. Например, давление на рис. 11-1 возрастает линейно. Эта картина типична для накопления шлама в кольцевом пространстве на вертикальном участке скважины. Если бы давление возрастало по экспоненциальному закону, это указывало бы на набухание глин. Вначале площадь поперечного сечения кольцевого пространства уменьшается медленно, затем это происходит быстрее. Частицы шлама начинают прилипать друг к другу, а также к стенкам скважины и к бурильной колонне выше интервала набухающих глин.

Ценность диаграммы параметров бурения в том, что она дает натренированному глазу быстрое визуальное свидетельство даже небольших изменений. Но для того чтобы получить пользу от этих записей, буровая бригада должна научиться распознавать на диаграмме незначительные изменения и соответствующие тенденции. Вся хитрость заключается в распознавании графических образов соответствующих явлений. Существуют определенные тенденции, которые мы обязаны научиться узнавать и находить. С практикой приходит умение распознавать с одного взгляда даже самые тонкие тенденции.

Профессиональные шахматисты часто тренируются перед турниром, просматривая сборник шахматных головоломок. Для решения этих головоломок нужно найти "комбинации". Комбинации включают в себя такие приемы как вилка конем, связка и обратная связка. На каждой странице есть изображение шахматной доски с фигурами, расположенными как в частично сыгранной партии. Шахматист анализирует позицию на доске и приходит к выводу, что если бы фигуры его противника были расположены немного иначе, конь мог бы, например, поставить "вилку", т.е. одновременно напасть на короля и ферзя противника. Так как противник может за один ход двинуть только одну из своих фигур, другую у него можно забрать. Для получения такой позиции требуется заманить противника под вилку, предложив ему какую-либо жертву. Попрактиковавшись, шахматист быстро распознает возможные комбинации на много ходов вперед. Суть - в распознавании графических образов.

Многие тенденции изменения параметров при бурении и СПО в высшей степени очевидны, но некоторые очень слабо выражены, а иногда и замаскированы. Замаскированная тенденция - это скрытая тенденция, которую можно выявить с помощью других тенденций. Например, взгляните на диаграмму, приведенную на рис. 11-2.

250

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

В кольцевом пространстве начинает скапливаться шлам, но изменение давления насоса замаскировано

Рис. 11-2 Признаки закупоривания кольцевого пространства на диаграмме станции контроля параметров бурения

Можно ли увидеть на этой диаграмме, что в 12:30 кольцевое пространство закупоривается? Это трудно, так как изменение давления насоса замаскировано из-за уменьшенного числа ходов насоса. При уменьшении числа ходов ожидается снижение давления в стояке. Через гидравлические насадки долота прокачивается меньше бурового раствора, а ведь именно на гидравлические насадки приходится наибольший перепад давления. В соответствии с уравнением 11-1, давление должно было бы уменьшиться. При наличии в кольцевом пространстве шламовой пробки снижение давления из-за уменьшения подачи насосов компенсируется возросшими потерями давления в кольцевом пространстве. В этом случае бурильщик поддерживал постоянное давление путем изменения числа ходов насоса.

Отметим также, что когда давление в кольцевом пространстве возрастает, бурильная колонна ведет себя подобно поршню. С ростом давления в кольцевом пространстве нагрузка на крюке снижается. И хотя давление на стояке осталось постоянным, мы имеем две тенденции, указывающие на повышение давления в кольцевом пространстве.

Сравнение диаграмм механических и электронных регистрирующих приборов

Уже давно используются механические регистрирующие приборы, ведущие запись 12 или 24 часа. Последние 15 лет более широкое распространение получили электронные регистраторы. Современная тенденция состоит в том, что на смену старым механическим приборам приходят новые компьютеризованные регистраторы. Каждый из двух типов приборов имеет свои преимущества и недостатки. Давайте их рассмотрим.

Диаграмма механического регистратора наматывается на барабан, который приводится во вращение пружиной и заводится подобно часам. Диаграмма синхронизируется с часовым

251

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

механизмом самописца. Сигналы датчика давления отображаются на диаграмме в реальном масштабе времени после преобразования в системе, содержащей диафрагмы и электромагнитные катушки. А вот диаграммы электронных регистрирующих приборов строятся фактически не в режиме реального времени. Сигналы датчика давления преобразуются в электрические сигналы, которые затем подаются в компьютер. Компьютер обрабатывает сигналы и передает данные на принтер или графопостроитель для построения соответствующих графиков.

Главное отличие между двумя типами регистрирующих приборов заключается в том, что компьютер в состоянии получить в секунду только определенное количество бит информации. Поэтому электронный самописец наносит на диаграмму не мгновенное значение параметра, а некое среднее значение. Значения могут усредняться каждые несколько десятых секунды или, в некоторых случаях, каждые три минуты. Чем новее электронная система, тем вероятнее, что она работает в режиме более "реального времени". Более старые системы передают информацию в компьютер недостаточно быстро, и поэтому ее нельзя считать представленной в режиме реального времени, за исключением случаев с очень медленно развивающимися тенденциями. Объем бурового раствора в емкости - это медленно развивающаяся тенденция, для выявления которой не нужен мощный компьютер, обеспечивающий очень высокую точность. А вот для контроля нагрузки на крюке необходимо достаточно быстрое обновление значений. Это позволит выявить даже слабые тенденции, проявляющиеся после наращивания колонны. Если график изменения нагрузки на крюке построен по результатам усреднения за три минуты, то тенденции, проявляющиеся после наращивания колонны, могут оказаться незамеченными.

Поэтому механический регистрирующий прибор обеспечивает получение информации в масштабе времени, наиболее близком к реальному для современной техники. Кроме того, он сразу выдает готовую диаграмму. Одно из неудобств при работе с электронными регистрирующими приборам заключается в том, что нельзя сразу получить диаграмму, поскольку ее нужно распечатать. Данные для построения диаграммы хранятся в памяти компьютера. И хотя все говорят, что диаграмму можно получить, каждый раз при расследовании прихвата ее никак не могут распечатать. Бывает так, что и диаграмму механического регистратора получить сложно. Многие такие приборы находятся не в полностью рабочем состоянии, и либо выдают неполные графики, либо вообще никаких.

Преимущество электронного регистрирующего прибора над механическим состоит в том, что электронный позволяет изменять масштаб на графике. Можно расширять или сужать диапазон значений, по которым строится график. Это позволяет выявить очень небольшие изменения значений параметров. Масштаб времени также можно "увеличить" или "уменьшить", что делает наклон кривой и, следовательно, тенденцию, более заметным. Механический регистратор работает только в одном масштабе, поэтому на его диаграмме может быть незаметной какая-то слабая тенденция. Однако на такой диаграмме можно в любое время увидеть данные за всю смену или за целые сутки.

Данные электронного регистрирующего прибора можно отправлять по электронной почте, чтобы специалисты, находящиеся далеко от скважины, анализировали тенденции с момента их появления. Кроме того, эти данные можно хранить в памяти компьютера, копировать и форматировать в любом требуемом масштабе, а затем распечатывать и анализировать или проецировать на экран на презентациях.

В 1950-70-х годах бурильщики сами контролировали тенденции изменения параметров бурения. В 1980-х годах для контроля параметров бурения стали применять станции геолого-

252

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

технических исследований (ГТИ) со сложным оборудованием, освободившие бурильщиков от этой задачи. После этого лишь немногие бурильщики продолжали заниматься анализом тенденций, и еще меньше считало нужным постигать это искусство.

В настоящее время мы имеем в своем распоряжении самые изощренные системы сбора и обработки информации, которые когда-либо были в отрасли. К сожалению, очень немногие используют все возможности этих систем. На занятиях по распознаванию тенденций, которые я провожу на буровых, мне редко приходится встречать бурильщиков, и еще реже операторов станций ГТИ, которые в состоянии увидеть даже очень заметные тенденции, указывающие на прихват бурильной колонны!

Старые системы контроля параметров бурения исчезают. Если они и остаются на буровых, то, как правило, находятся не в полностью рабочем состоянии. Во многих буровых бригадах для проформы заряжают бланки диаграмм в самописцы, но не записывают на них даже такие необходимые данные, как дата, название скважины, глубина и т.д. Работу операторов станций ГТИ оценивают по тому, как у них работает оборудование, и какие отчеты они представляют. Поэтому у них нет стимула заниматься анализом тенденций. Однако все это оборудование ничего не стоит, если им не пользоваться. Буровая отрасль в целом плохо использует возможности такого оборудования.

Анализ тенденций и распознавание графических образов

Анализ тенденций изменения параметров бурения и распознавание графических образов - ключ к предотвращению прихвата бурильной колонны. Буровым бригадам следует практиковаться в распознавании тенденций и типичных графических образов, связанных с прихватом, на диаграммах параметров бурения. Нужно отрабатывать эти навыки до тех пор, пока полученный практический опыт не позволит без труда распознавать характерные образы. Показанные на рис. 11-2 признаки закупоривания кольцевого пространства в 12:30 буквально бросилось бы в глаза любому, кто имеет опыт анализа тенденций на диаграммах.

Часто говорят, что бурильщик должен "прислушиваться к голосу скважины". Именно с помощью анализа тенденций мы и можем его услышать.

Большинству прихватов бурильной колонны, которые расследовали мои коллеги и я, сопутствовали очевидные тенденции изменения параметров бурения, предупреждавшие о приближающейся опасности за несколько часов до возникновения прихвата. Буровики обычно настаивали, что прихват возник совершенно неожиданно и без каких-либо признаков, предупреждающих об опасности. Однако когда мы показывали им, как читать тенденции на диаграмме, они обычно соглашались, что должны были увидеть приближение прихвата.

253

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Глава 12

Осложнения, связанные с прихватами

Введение

Одно осложнение часто влечет за собой другое. Поглощение может привести к обвалу стенок скважины или выбросу. Сужение ствола и прихват колонны могут вызвать новые проблемы. К самым серьезным осложнениям и авариям, вызванным сужением ствола и прихватами, относятся следующие:

•Спровоцированные интенсивные проявления

•Поглощения

•Разрушение бурильной колонны и оборудования

•Травмы персонала

Вопросы контроля над скважиной

Многие выбросы начинаются с прихвата колонны и сужения ствола. Это объясняется, в

частности, тем, что стараясь не допустить прихвата или освободиться от прихвата мы не замечаем признаков проявления. Другая причина заключается в том ,что процессы, приводящие к сужению ствола, сами могут спровоцировать интенсивное проявление.

Для предотвращения возможного образования пробки вследствие выдавливания глин или оседания шлама приходится прорабатывать ствол. При этом возможно наматывание сальника на УБТ и стабилизаторы, приводящее к колебаниям давления в скважине из-за эффекта поршневания.

Фильтрационная корка на стенках скважины может действовать как обратный клапан. При подъеме колонны происходит приток пластового флюида в скважину, но при спуске поступивший флюид обратно в пласт не продавливается (рис. 12-1).

При колебаниях давления в скважине вследствие перемещения колонны через сужение ствола фильтрационная корка может действовать как обратный клапан.

Рис. 12-1 Эффект поршневания на участке сужения ствола

254

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

При проработке сужения нужно внимательно следить за расходом выходящего бурового раствора и за уровнем бурового раствора в приемной емкости. Нельзя допустить развития выброса, который вынудит закрыть скважину, и для борьбы с которым придется действовать в условиях частичного или полного перекрытия пробкой кольцевого пространства! Если произойдет поглощение вследствие поршневания, то нужно быть уверенным, что скважина будет заполнена буровым раствором.

Нужно быть особенно осторожным при спуске колонны без использования верхнего привода. Если в результате поршневания произошел приток ниже долота, и кольцевое пространство закупорено, то путь наименьшего сопротивления пройдет по бурильной колонне. Как утверждал бы в такой ситуации закон Мерфи, когда начинается проявление и жидкость пойдет по бурильной колонне, бурильный замок будет находиться метра на три выше пола буровой. В таком случае очень сложно установить в колонну полнопроходный обратный клапан. Возможно, следует рассмотреть вопрос об установке обратного клапана до спуска бурильной колонны.

Если приток происходит из интервала, находящегося ниже пробки, то при миграции жидкости вверх к пробке возможны различные эффекты. Если в скважину поступает нефть, то при миграции к пробке она смазывает материал пробки, помогая освободить колонну. Если в скважину поступает газ, то при миграции его к пробке будет возрастать давление в скважине. В результате колонна, как поршень, может зайти в пробку еще дальше и заклиниться сильнее. Не исключено, что под давлением газа пробка может внезапно разрушиться, и газ, быстро расширяясь, стремительно двинется к поверхности и выбросит из скважины большое количество бурового раствора.

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

настоятельно не рекомендуется, то ее следует перемещать по стволу, а не вращать! Когда колонна вращается, то из-за трения выделяется теплота, которой некуда рассеиваться. В результате быстро выходят из строя эластомерные уплотнения.

В большинстве случаев при циркуляции для удаления поступившего в скважину пластового флюида дифференциальный прихват не возникает, поскольку к началу выброса в системе скважина-пласт уже существовала депрессия.

Однако если выше проявляющего пласта по разрезу присутствуют пески с низким пластовым давлением, то возможна ситуация, когда давление в скважине меньше давления в проявляющем пласте, но больше давления в вышележащем пласте. В таком случае может произойти дифференциальный прихват (рис. 12-2).

Перед тем как решаться на расхаживание бурильной колонны при циркуляции для удаления поступившего в скважину пластового флюида нужно тщательно оценить необходимость и последствия таких действий. Если вероятность и/или стоимость ликвидации прихвата высоки, а вероятность освобождения мала, то, возможно, придется пойти на перемещение колонны. Но принять такое решение следует лишь в том случае, если невелика вероятность потери работоспособности плашек. Если пластовое давление и проницаемость пласта низки, и есть резервные превенторы (и маршрут эвакуации, если он нужен), то риск, связанный с потерей работоспособности плашек, относительно невелик. Если прогнозируется высокое давление в обсадной колонне, пласт имеет высокую проницаемость или содержит Нг8, то риск может оказаться слишком большим.

При оценке любой ситуации следует иметь в виду закон Мерфи, гласящий: "Если что-то плохое может произойти, оно непременно произойдет". Резервные плашки могут выйти из строя. Запасные плашки могут оказаться не того размера или типа, или просто не будут уплотнять. Перемещающаяся колонна может обвалить неустойчивую породу, которая закупорит ствол. Обычно бывает целесообразно сначала восстановить контроль над скважиной, а уже затем заниматься прихватом.

Оседание барита

И, наконец, следует рассмотреть оседание барита. Когда утяжеленный буровой раствор долго находится без движения, особенно в наклонно-направленной скважине, барит может осесть. В результате уменьшается плотность бурового раствора и создается депрессия в системе скважина-пласт. Даже если к моменту прихвата в скважине ничего не происходило,

медленная миграция пузырьков газа и осаждение барита могут привести к созданию депрессии.

Основной обязанностью бурильщика является сохранение контроля над скважиной. Он должен никогда не терять бдительность, какой бы сложной ни была работа по ликвидации прихвата.

Поглощение

Колебания давления в скважине из-за эффекта поршневания, обусловленного возникновением пробки вследствие осыпания неустойчивой породы, могут привести к поглощению. Поглощение может привести к выбросу и потере устойчивости стенок ствола.

Наматывание сальника на УБТ и долото, проиллюстрированное на рис. 12-1, также приводит к колебаниям давления вследствие эффекта поршневания при расхаживании колонны. Если

256

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

насосы остановлены, и в долоте установлен обратный клапан, то невозможно определить, насколько возросло давление в результате спуска колонны через пробку. Уменьшение показаний индикатора веса, которое выглядит как вызванное сопротивлением продольному перемещению бурильной колонны, на самом деле может быть обусловлено эффектом поршневания. Возрастание давления в результате поршневания может действовать на бурильную колонну, стремясь вытолкнуть ее из скважины. Если это давление превышает давление гидроразрыва, то произойдет гидроразрыв, и весь буровой раствор уйдет в пласт.

Уравнения, которые используют инженеры для расчета колебаний давления вследствие эффекта поршневания при спуске и подъеме колонны, нельзя применять при наличии пробки, поскольку поток жидкости, фильтрующейся через пробку, вероятно, будет турбулентным, а не ламинарным. Площадь поперечного сечения фильтрационного потока через пробку неизвестна, поэтому определить скорость потока невозможно.

Когда колонну поднимают через пробку с циркуляцией, не весь буровой раствор, выходящий из насадок долота, пройдет через пробку. Если в разрезе есть проницаемые пласты, то трудно, если вообще возможно, будет заметить повышение давления. Буровой раствор может просто уйти в пласт. Это один из признаков, по которым определяют местонахождение пробки.

Если при одном положении колонны в скважине буровой раствор на поверхность не выходит, а при перемещении ее в другое положение снова начинает выходить, то где-то между этими положениями находится пробка. Если породы, залегающие ниже пробки, малопроницаемы, то давление будет быстро нарастать вплоть до давления гидроразрыва.

Расхаживать колонну нужно осторожно, особенно когда неизвестно забойное давление. Нужно быть очень осторожным при перемещении колонны через сужение с циркуляцией. В противном случае придется бороться и с сужением, и с поглощением. Могут возникнуть также трудности с контролем над скважиной.

Разрушение бурильной колонны и оборудования

Для освобождения бурильной колонны от прихвата ее натягивают или вращают. Возникающие при этом напряжения могут достичь теоретического предела прочности металла бурильных труб, и даже превзойти его. В таком случае колонна может быстро разрушиться или ослабнуть до такой степени, что она разрушится от усталостных напряжений в ближайшем будущем.

Буровая бригада должна знать предельные нагрузки для каждого элемента бурильной колонны. При уменьшении диаметра бурильной колонны вследствие износа максимально допустимые растягивающие и крутящие нагрузки снижаются. При подъеме бурильной колонны через резкое искривление ствола следует учитывать также изгибные напряжения. Колонна, растянутая на участке резкого искривления ствола, разрушится при меньшей растягивающей нагрузке, чем свободно подвешенная колонна.

Некоторые буровики не думают о том, что растягивающие и скручивающие напряжения суммируются. Если бурильная колонна растянута до предельного значения, к ней нельзя прикладывать крутящий момент. Аналогично, если к бурильной колонне приложен максимально допустимый крутящий момент, ее нельзя натягивать. В приложении В приведена формула для расчета комбинированных нагрузок, а в руководстве Standard DS-1tm приведены кривые комбинированных растягивающих и крутящих нагрузок, по которым можно определить предельные рабочие нагрузки для большинства бурильных колонн.

257

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Бурильная колонна - не единственное оборудование, в котором могут возникнуть предельные напряжения при прихвате. Верхний привод и роторный стол также могут испытывать очень большие нагрузки. Колебания давления могут привести к разрыву бурового шланга и фитингов.

Использование ясса приводит к усталостному износу бурильной колонны, верхнего привода (если он применяется), вышки и подвышечного основания. Целесообразно проверять состояние всего оборудования после использования ясса даже в течение короткого времени. Как мы помним, разрушение оборудования может произойти не в момент приложения предельных нагрузок, а немного позже, в результате действия усталостных напряжений.

Травмы персонала

Когда оборудование эксплуатируется с нагрузками, близкими к предельным, не исключено его разрушение с высвобождением запасенной энергии. Может разрушиться бурильная труба, порваться талевый канат и т.д. Это очень опасно для персонала. При хорошей организации работ ни один человек не должен находиться в таком положении, в котором он может пострадать при разрушении оборудования.

Хорошо известны аварии при вращении бурильной колонны, зажатой клиньями клинового захвата. Клинья клинового захвата не предназначены для передачи крутящего момента бурильной колонне. Однако при дифференциальном прихвате, или когда ведущая труба находится в шурфе, для вращения колонны часто используют клиновой захват. Когда колонна подвешена на клиньях, то трение между клиньями и коническими вкладышами и между плашками клиньев и бурильной трубой достаточно велико. Но при снятии нагрузки трение уменьшается, и может произойти проскальзывание. Запасенная энергия скрученной бурильной колонны освобождается, вынуждая клинья стремительно вращаться в обратном направлении и, возможно, вылететь из клинового захвата. Удар вылетевшего клина может причинить человеку серьезную травму или даже убить. Все авторитетные специалисты считают вращение бурильной колонны клиньями клинового захвата плохой практикой.

Использовать клинья для вращения бурильной колонны нельзя. Однако отчаянным головам иногда бывает море по колено. Бурильщик должен всегда проводить с бригадой короткие собрания по технике безопасности, информировать членов бригады о потенциальных опасностях. Когда идет работа с большими нагрузками, члены бригады должны находиться за пределами пола буровой.

258

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Глава 13

Практика спуско-подъемных операций

Введение

Большой процент прихватов и аварийных ситуаций, связанных с НГВП, приходится на спуско-подъемные операции. В большинстве исследований аварий, связанных с НГВП, делается вывод, что интенсивные проявления происходят, в основном, во время спускоподъемных операций (СПО). Кроме того, можно с уверенностью сказать, что половина прихватов бурильной колонны происходит при выполнении СПО.

Выполнение СПО без учета сопутствующих опасностей приводит также к потере устойчивости стенок скважины, поглощениям, разрушению бурильной колонны, повреждению долота или травмам персонала. По этим причинам буровая бригада и руководители на буровой площадке не должны ослаблять внимания ни к одному из аспектов СПО.

В начале этой главы показывается важность планирования СПО, а затем рассматривается подготовка к этим работам. Поскольку большая часть интенсивных проявлений и выбросов происходит при СПО, рассмотрены также вопросы контроля над скважиной. Подчеркивается важность использования такого инструмента, как план СПО, и использования доливочных емкостей при подъеме инструмента из скважины и при спуске в скважину. Рассматриваются также методики проведения учебных СПО и закачивания порций утяжеленного бурового раствора.

Чтобы помочь читателю избежать возможных неприятностей, рассматриваются вопросы, связанные с циркуляцией бурового раствора в скважине. Затрагивается также планирование рейсов для очистки и проработки ствола, вопросы устойчивости стенок скважины и дифференциальные прихваты.

СПО представляют собой одну из важнейших составляющих процесса бурения скважины. И дело не только в том, что значительная часть осложнений в скважине является следствием выполнения СПО без учета сопутствующих опасностей, но также и в том, что с помощью тенденций, выявляемых при СПО, буровая бригада может лучше всего оценить состояние скважины.

Планирование СПО

СПО начинаются на стадии планирования. Эти работы могут ухудшить состояние скважины. Например, в определенных условиях возможно обрушение глинистых пород. Эффект поршневания при спуске и подъеме инструмента вызывает сильные колебания радиальных и кольцевых напряжений на стенках скважины. К резким изменениям этих напряжений могут приводить также колебания температуры в скважине, находящейся в статическом состоянии. Поперечные нагрузки, действующие на стенки скважин со стороны бурильной колонны и УБТ, также возрастают, когда долото не находится на забое.

Лишние СПО приводят к потере драгоценного времени и увеличению продолжительности контакта пород с буровым раствором в открытом стволе. Поэтому выполнение СПО всегда должно планироваться. Нельзя откладывать очистку и проработку ствола, когда

259

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