Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Другие типы прихватов

К другим типам относятся прихваты, вызванные неисправностью оборудования, повреждением бурильной колонны и обстоятельствами непреодолимой силы.

Если работы на буровой остановлены из-за неисправности механического оборудования, поднять инструмент из скважины невозможно. По определению это значит, что колонна прихвачена в скважине. К тому времени когда буровая снова заработает, колонна, скорее всего, будет прихвачена из-за действия рассмотренных выше механизмов. По аналогичным причинам к таким же последствиям может привести повреждение бурильной колонны, эвакуация персонала, приостановка работы по погодным условиям, осложнение политической обстановки, трудовые конфликты и т.д.

Ликвидация прихватов

Правильное определение проблемы является первым шагом в процессе ее решения. Поэтому процесс ликвидации прихвата начинается с определения его механизма. После определения механизма можно немедленно приступать к ликвидации прихвата. Совершенно необходимо как можно быстрее и правильно выполнить начальные действия. Что бы ни было причиной прихвата - со временем ситуация осложняется. По статистике, в 50 % всех случаев прихваченную колонну удается освободить в течение первых четырех часов после возникновения прихвата, в то время как по истечении первых четырех часов этот показатель снижается до 10 %.2 Освобождением колонны решение проблемы не заканчивается. Завершающей стадией

процесса решения любой проблемы является анализ и оценка выполненных действий для того, чтобы можно было извлечь урок и усовершенствовать свою работу.

Таблица для определения типа прихвата

В книге "Обучение методам предотвращения незапланированных событий"2 представлена таблица для определения типа прихвата, которая поможет быстро определить механизм прихвата. На рис. 6-1 представлена немного упрощенная версия этой таблицы. Таблица построена как комбинация вероятностей, которые, взятые вместе, помогают определить, какой механизм действует в данном случае. Нужно только ответить на четыре вопроса в левой колонке, обвести кружком соответствующие числа в правых колонках и сложить обведенные числа в каждой колонке. Наибольшая полученная сумма укажет, какой механизм действует

(рис. 6-1).

Например, дифференциальный прихват не возникнет, если колонну не оставляли без движения. Поэтому вероятность дифференциального прихвата колонны, которая находилась в движении непосредственно перед прихватом, равна нулю. Соответственно, в ячейках "Направление перемещения колонны непосредственно перед прихватом" ("Вверх" и "Вниз") колонки "Дифференциальный прихват" стоит "0". В ячейке "Без движения" стоит "2", поскольку в этом случае велика вероятность дифференциального прихвата. В ячейке "Без движения" колонки "Прихват на участке со сложной геометрией ствола" стоит "0", поскольку такой прихват не произойдет, если колонна неподвижна. Если колонна неподвижна, вероятность прихвата на участке со сложной геометрией ствола равна нулю.

Следует отметить, что в ячейке "Без движения" колонки "Прихват шламом или обвалившейся породой" также стоит "2". Причина заключается в том, что при остановке буровых насосов для наращивания бурильной колонны появляется тенденция к оседанию шлама или кусков обвалившейся породы. Зная лишь направление перемещения колонны непосредственно перед прихватом, мы не можем однозначно установить, как возник прихват. Для этого нужно ответить еще на три вопроса, а затем сложить отмеченные числа и сравнить суммы.

40

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Таблица 6.1 Таблица для определения типа прихвата (из книги BP Amoco

"Обучение методам предотвращения незапланированных событий")2

В приведенном выше примере прихват возник во время наращивания бурильной колонны. Вращать и расхаживать колонну не удавалось, но давление циркуляции не возросло.

41

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

∙Направление движения колонны непосредственно перед прихватом - "без движения".

∙Перемещение колонны вниз после возникновения прихвата - "невозможно".

∙Вращение колонны после возникновения прихвата - "невозможно".

∙Давление циркуляции после возникновения прихвата не возросло - "свободная циркуляция".

Суммы чисел в ячейках по каждой колонке.

∙В колонке "Прихват шламом или обвалившейся породой" выбраны числа 2,0,0 и 0. Сумма равна 2.

∙В колонке "Дифференциальный прихват" выбраны числа 2, 0, 0 и 2. Сумма равна 4.

∙В колонке "Заклинивание на участках со сложной геометрией ствола" выбраны числа 0, 0, 0 и 2. Сумма равна 2.

Наибольшая сумма получилась для колонки "Дифференциальный прихват". Таким образом, наиболее высока вероятность того, что имеет место дифференциальный прихват.

Эту таблицу можно использовать на буровой для быстрого определения механизма, ответственного за прихват, или механизма, обусловившего осложнение в скважине. Кроме того, она может быть полезна при анализе проделанной работы после ликвидации прихвата, совместно с диаграммой станции контроля параметров бурения (Оео^гарп).

Начальные действия по освобождению прихваченной колонны

После того как установлен механизм прихвата, можно выполнять начальные действия по освобождению прихваченной колонны. Ниже указаны начальные действия для каждого типа прихватов.

Прихват шламом или обвалившейся породой

1.Сбросить давление, возросшее из-за образования пробки, а затем создать небольшое давление (слишком большое давление вдвинет КНБК, как поршень, дальше в пробку). Небольшое давление требуется для того, чтобы восстановить циркуляцию, если удастся сдвинуть колонну с места).

2.Приложить крутящий момент и произвести удар вниз яссом. Если ясс не включен в компоновку или не работает, приложить крутящий момент и максимальную осевую нагрузку (чтобы сдвинуть бурильную колонну в направлении, противоположном тому, в котором она двигалась до прихвата. Если попытаться приподнять бурильную колонну, она еще дальше зайдет в пробку. Цель заключается в том, чтобы сместить колонну и восстановить циркуляцию, чтобы размыть пробку и вынести материал пробки вверх по стволу) (следует отметить, что если ко времени возникновения прихвата колонну перемещали вниз в сильнонаклонной скважине, то нужно попытаться приподнять ее или произвести удар яссом вверх без вращения).

3.Если удастся восстановить циркуляцию в какой-то степени, нужно увеличить расход до максимума, который возможен без поглощения. Продолжать циркуляцию, пока скважина не будет очищена.

4.Проработать интервал прихвата и вернуть инструмент на забой, промыть скважину перед спуском обсадной колонны или скважинных приборов.

42

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Дифференциальный прихват

1.Немедленно приложить максимальный крутящий момент и довести его до места прихвата.

2.Продолжать циркуляцию с максимально допустимым расходом (выполнять одновременно с приложением крутящего момента). (Если в компоновку включен ясс, то на время удара вниз снизить подачу насоса до минимума, чтобы не противодействовать удару).

3.Поддерживая крутящий момент, резко разгрузить колонну, создавая максимальную осевую нагрузку. Ни в коем случае нельзя пытаться приподнять колонну! (это приведет только к осложнению прихвата, а натяжение колонны уменьшит значение крутящего момента, который можно безопасно приложить к бурильной колонне).

4.Если в колонне есть ясс, нужно произвести удар вниз (не забывать снизить подачу насоса до минимума, чтобы не ослабить удар).

Заклинивание на участке со сложной геометрией ствола

1.Произвести удар яссом в направлении, противоположном тому, в котором двигалась колонна до прихвата. Приложить крутящий момент при ударах вниз, но никогда не прикладывать крутящий момент при ударах вверх.

2.Не нужно забывать про давление циркулирующего бурового раствора при заряжании ясса или нанесении ударов. При увеличении этого давления удар ясса вверх усиливается, а удар вниз ослабляется. Оно же мешает заряжанию ясса для удара вверх и помогает заряжанию для удара вниз.

При любых типах прихватов во время выполнения начальных действий по освобождению прихваченной колонны можно подготовить дополнительные действия.

Литература

1)Bill Murchinson Drilling Practices Course, Albuquerque, New Mexico

2)BP Amoco Training to Prevent Unscheduled Events Manual

43

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Глава 7

Очистка скважины

Введение

Большая часть прихватов происходит из-за недостаточной очистки скважины. Некоторые считают, что это основная причина прихватов во всем мире, особенно в сильнонаклонных скважинах. В одном исследовании по месторождениям Северного моря 33 % прихватов приписывается только плохой очистке скважины.1 Фактически, любой прихват, обусловленный образованием пробки, связан с очисткой скважины. Даже если причиной прихвата была не недостаточная очистка скважины, для ликвидации прихвата требуется вымыть из скважины шлам и частицы породы, удерживающие колонну.

По указанным причинам очистке скважин уделяется в буровой отрасли большое внимание. По этой проблеме проведено большое количество исследований и написано очень много технических статей. Однако самая ранняя статья по этой теме, которую мне удалось найти, была написана лишь в 1950 г. Williams и Bruce2 рассмотрели в этой работе транспортирующую способность буровых растворов. На эту статью ссылаются во многих последующих работах по очистке скважин. Рис. 7-2, 7-3 и 7-4 заимствованы из этой статьи. Заслугой этой первой работы является введение в практику очистки скважин понятия "профиль скоростей при ламинарном режиме течения" и анализ того, как он влияет на качество очистки.

Основное внимание в этой работе уделено физическим факторам, влияющим на профиль скоростей и, соответственно, на качество очистки скважины. Мы начнем с рассмотрения очистки вертикальной скважины, а затем перейдем к более широкой теме очистки скважин с большим смещением забоя. Методы, работающие в вертикальных скважинах, не работают в сильнонаклонных скважинах. Например, увеличение динамического напряжения сдвига способствует очистке вертикальной скважины, но затрудняет очистку наклонно-направленной скважины.

Мы рассмотрим также очистку скважины воздухом и пеной. В обоих случаях речь идет о бурении с использованием сжимаемой среды. Поскольку воздух и пена являются сжимаемыми средами, объем и скорость в кольцевом пространстве не остаются постоянными по стволу. Обычно скорость потока и вязкость пены ниже около долота. Мы увидим, что

успешность очистки ствола воздухом или пеной зависит от оптимальности скорости потока в скважине и вязкости бурового раствора, которые регулируются противодавлением на устье.

Эта глава призвана донести знания об очистке скважин, накопленные в наших научно- исследовательских институтах, до буровых, где они могли бы использоваться для предотвращения прихватов! Когда эта задача будет выполнена, мы перейдем к завершающей части настоящей главы, где рассмотрены превентивные меры, признаки прихватов и действия для освобождения от прихвата.

терминология будет объясняться в материалах настоящей главы.

44

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Качество очистки вертикальных скважин

Определить качество очистки буровая бригада может по динамике (тенденциям изменения) показателей бурения и по состоянию вибросит.

Есть два математических метода, которые обычно применяют для прогнозирования и оценки качества очистки вертикальных скважин. Один из них использует объемное содержание шлама в кольцевом пространстве, другой - показатель эффективности транспортирования шлама.

Объемное содержание шлама3 рассчитывается как отношение суммарного объема шлама в кольцевом пространстве к полному объему кольцевого пространства.

Более низкая концентрация шлама означает более качественную очистку. Чтобы обеспечить более качественную очистку, нужно решить задачу подъема шлама на поверхность. Но шлам стремится, под действием сил гравитации, перемещаться вниз через буровой раствор с конечной скоростью, называемой конечной скоростью оседания. Для того чтобы шлам начал двигаться вверх, скорость потока в кольцевом пространстве должна стать выше конечной скорости оседания.

Отношение скорости частиц шлама к скорости потока бурового раствора в кольцевом пространстве называется показателем эффективности транспортирования шлама4. Этот показатель используется во втором методе для оценки качества очистки.

Показатель эффективности транспортирования шлама = vc / va (7.2) где:

vс = скорость частиц шлама = va - vs

va = скорость потока в кольцевом пространстве = расход /площадь поперечного сечения потока

g = гравитационная постоянная dc = диаметр частиц шлама ρc = плотность шлама

ρf = плотность бурового раствора

Все, что увеличивает показатель эффективности транспортирования, повышает качество очистки вертикальных скважин. Одним из путей увеличения показателя эффективности транспортирования шлама является уменьшение конечной скорости оседания. Конечная скорость оседания зависит от плотности и размера частиц шлама, а также от вязкости и плотности бурового раствора. Чем больше размер и плотность шлама, и чем меньше вязкость и плотность бурового раствора, тем быстрее будет шлам погружаться в буровой раствор. Наши усилия по повышению качества очистки вертикальных скважин направлены, в основном, на уменьшение конечной скорости оседания или увеличение средней скорости потока в кольцевом пространстве.

45

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Однако для повышения качества очистки важно не только уменьшить конечную скорость оседания. Чтобы понять, как повысить качество очистки вертикальных скважин, нужно рассмотреть все факторы, влияющие на этот показатель.

Факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин

На качество очистки вертикальных скважин влияют следующие факторы:

•Плотность бурового раствора

•Скорость потока бурового раствора в кольцевом пространстве

•Реологические характеристики и режим течения бурового раствора

•Размер, форма и количество шлама

•Скорость проходки

•Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

•Время

Плотность бурового раствора (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин).

Плотность бурового раствора влияет на качество очистки скважин трояким образом:

•Обеспечивает плавучесть шлама, способствующую его подъему в потоке

•Влияет на кинетическую энергию бурового раствора

•Влияет на трение между буровым раствором и обтекаемым им шламом.

Оценить часть подъемной силы, обеспечиваемой плавучестью, можно через отношение плотности бурового раствора к плотности шлама.

где

ρс = плотность шлама

ρf = плотность бурового раствора

Например, средняя плотность шлама равна примерно 21 фунт/галлон. Если плотность бурового раствора равна 8,33 фунт/галлон, то выталкивающая сила будет составлять примерно 40% от веса шлама. Она будет составлять 50% при плотности бурового раствора 10,5 фунт/галлон и 76% при плотности бурового раствора 16 фунт/галлон!

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Небольшое увеличение плотности бурового раствора оказывает зн ачительное влияние на конечную скорость оседания шлама, и таким образом, повышает пок азатель эффективности транспортирования.

Увеличение плотности буро вого раствора является лучшим способом уменьшить конечную скорость оседания шлама (с м. уравнение 7.3).

Еще один механизм воздействия плотности бурового раствора на кач ество очистки скважин реализуется в передаче моме нта количества движения шламу, точно так же как в биллиарде биток передает момент кол ичества движения прицельному шару. Выражение для момента количества

движения - произведение мас сы на скорость. Момент количества движения возрастает линейно с увеличением плот ности бурового раствора (рис. 7-1).

Момент количества движения возрастает линейно с увеличением плот ности бурового раствора или скорости потока.

Рис. 7-1 Момент количества движения

Изменение плотности бурового раствора влияет на момент количества движения в соответствии с зависимостью 7.6.

Где

ρ1 = начальная плотность М1 = начальный момент количества движения ρ2 = конечная плотность

М2 = конечный момент количества движения

Более плотный буровой рас твор передает шламу больший момент количества движения. Следует отметить, что моме нт количества движения в равной степен и зависит и от скорости потока в кольцевом пространстве (уравнение 7.5). Некоторая часть подъемной силы обеспечивается благодаря трению между буровым раствором и обтекаемым им шламом. Кроме того, трение может способствовать отрыву частиц шлама от стенки скважины и возвращению их в поток. П лотность бурового раствора влияет и на трение; чем больше плотность, тем больше трение.

47

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Если бы можно было уменьшить плотность бурового раствора до нуля, то он не обеспечивал бы плавучесть шлама, не передавал бы ему момент количества движения и не воздействовал бы на него посредством трения. Поэтому очистить скважину не удалось бы даже при самой высокой скорости потока в кольцевом пространстве. Если бы можно было увеличить плотность бурового раствора до значения, превышающего плотность шлама, то для очистки скважины не потребовалось бы никакого потока. Шлам всплывал бы к устью сам.

Промысловый опыт показывает, что при увеличении плотности бурового раствора очистка скважины упрощается, и можно обойтись меньшей скоростью потока в кольцевом пространства. Отчасти это обусловлено тем, что при увеличении плотности бурового раствора уменьшается конечная скорость оседания шлама. Когда плотность раствора низка, например при бурении с продувкой воздухом, для очистки скважины требуется гораздо более высокая скорость потока в кольцевом пространстве, поскольку конечная скорость оседания шлама в этом случае будет намного выше.

Увеличение плотности бурового раствора является лучшим способом повысить качество очистки вертикальных скважин. При увеличении плотности бурового раствора возрастает показатель эффективности транспортирования шлама, и концентрация шлама резко уменьшается. Однако следует отметить, что обычно не прибегают к изменению плотности бурового раствора для повышения качества очистки скважины. Чаще всего, по причинам экономического характера, стараются держать плотность бурового раствора настолько низкой, насколько позволяют условия в скважине. Вместо этого увеличивают скорость потока в кольцевом пространстве или изменяют реологические характеристики бурового раствора.

Скорость потока в кольцевом пространстве (факторы, влияющие на качество очистки вертикальных скважин)

Скорость потока в кольцевом пространстве является вторым по значению фактором, влияющим на качество очистки вертикальных скважин. Движущийся в кольцевом пространстве поток бурового раствора обеспечивает подъемную силу путем передачи шламу момента количества движения и трения между буровым раствором и обтекаемым им шламом. При ламинарном режиме течения момент количества движения линейно возрастает с увеличением скорости потока, так же как и с увеличением плотности бурового раствора (уравнение 7.5). Следует отметить, что роль скорости потока в кольцевом пространстве зависит от плотности бурового раствора (рис. 1). Если бы плотность бурового раствора равнялась нулю, то скорость потока не влияла бы на качество очистки.

Хотя механизм влияния на подъемную силу скорости потока в кольцевом пространстве достаточно прост, общее влияние скорости сложнее, поскольку оно определяется профилем скоростей.

48

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

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