Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 7-39 Транспортирование шлама в слое

Следует отметить, что при достижении равновесной толщины слоя шлам будет транспортироваться во взвешенном состоянии над слоем. Вновь поступающий шлам будет транспортироваться по стволу. При остановке бурения толщина слоя шлама не уменьшится. Со временем вибросита могут стать чистыми, но слои шлама останутся на месте.

В сильнонаклонных скважинах шлам транспортируется в суспензии над неподвижным слоем шлама

Рис. 7-40 Типичный режим транспортирования шлама в сильнонаклонных скважинах

В вертикальной скважине можно снизить скорость проходки и остановить бурение, пока скважина не будет очищена. На наклонных участках ствола толщина слоя шлама при остановке значительно не уменьшится. Это не означает, что нужно продолжить бурение, если требуется очистка. Уменьшение скорости проходки может обеспечить очистку вертикального участка ствола, но для очистки сильнонаклонных участков нужно применять более эффективные методы.

Как упоминалось выше, существует минимальная скорость транспортирования (MTV), при которой начинается движение шлама при действии любого механизма. Есть одна MTV, при которой начинается движение шлама в слое, и другая MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Пороговая скорость, при достижении которой прекращается увеличение толщины слоев шлама, представляет собой МТУ, при которой шлам переходит

во взвешенное состояние. По данным исследований MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, были сделаны следующие выводы.7,3,8,10,11

80

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

•Плотность и размер частиц шлама влияют на MTV и, следовательно, на толщину слоя шлама. Небольшое уменьшение плотности шлама может привести к значительному уменьшению толщины слоя шлама.

•Крупные частицы шлама легче вырываются из слоя шлама, чем очень мелкие. Вероятно, это обусловлено тем, что крупные частицы испытывают более высокое касательное напряжение при взаимодействии с потоком бурового раствора. Касательное напряжение зависит от коэффициента трения, который определяется шероховатостью поверхности и реологическими характеристиками.

τ = касательное напряжение, Н/м2

f = коэффициент трения Фэннинга (безразмерный) ρ = плотность бурового раствора, кг/м3

v = средняя скорость потока над слоем шлама, м/с

•Крупные частицы имеют более шероховатую поверхность, поэтому коэффициент трения для них будет больше. Очень мелкие частицы могут очень сильно прилипать друг к другу. Отношение площади поверхности к массе для них настолько велико, что заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит их слипание. Так же как барит оседает на дно приемной емкости, эти частицы, размер которых сопоставим с размером частиц ила, образуют похожий на мягкую породу осадок, способный сопротивляться эрозии. Часто вымыть барит с дна приемной емкости невозможно, его приходится удалять лопатой. Барит, выбрасываемый из приемной емкости, остается связанным в крупные комки. Эти очень мелкие частицы (размер ила) могут быть так сильно связаны между собой, что забивают сливное отверстие емкости. Во избежание забивания сливного отверстия частицами диаметром в несколько микрон его диаметр должен составлять 6" и более !

•В вертикальной скважине крупный шлам оттесняется к стенке и циркулирует, поэтому его трудно вымыть. В наклонной скважине крупный шлам легче оторвать от слоя шлама, поэтому здесь его проще удалять. Требуется вращение колонны для разрушения слоя шлама, особенно слоя мелкого шлама. Если шлам крупный, вращение колонны не дает большого эффекта. Если используется вода, и режим течения турбулентный, вращение колонны может вообще не понадобиться.

•Реологические характеристики бурового раствора влияют на MTV, при которой начинается движение шлама в слое, больше, чем на MTV, при которой шлам переходит во взвешенное состояние. Увеличение вязкости обычно не ведет к значительному уменьшению толщины слоя шлама, поскольку вязкие жидкости не могут легко проникать в слои шлама на сильнонаклонных участках.

•С увеличением зенитного угла МТУ, при которой шлам переходит во взвешенное состояние, возрастает. При увеличении зенитного угла скорость потока в кольцевом пространстве должна возрасти до значения, при котором прекращается увеличение толщины слоя шлама. Толщина слоя шлама всегда возрастает при увеличении зенитного угла, поэтому местная скорость потока в кольцевом пространстве на сильнонаклонных участках будет выше, чем скорость на слабонаклонных участках при одинаковом расходе бурового раствора (рис. 7-41).

81

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Поскольку площадь поперечного сечения открытого пространства в слабонаклонном участке будет больше, местная скорость потока в кольцевом пространстве на этом участке будет меньше при любом расходе.

Скорость потока = расход / площадь поперечного сечения потока

Рис. 7-41 Зависимость скорости потока в кольцевом пространстве от зенитного угла

Увеличение толщины слоя шлама обычно определяется по возрастанию крутящего момента. Но так бывает не всегда. При зенитных углах около 45 0 шлам соскальзывает, и крутящий момент имеет тенденцию к снижению. Установлено, что в некоторых случаях шлам в сформировавшемся слое смазывает бурильные трубы, что ведет к снижению крутящего момента3.

Если появится необходимость остановить бурение и поднять инструмент с промывкой, расход циркулирующего бурового раствора должен быть по меньшей мере таким же, каким он был в процессе бурения. В противном случае шлам из устойчивого слоя на участке с зенитным углом больше 65 °, перенесенный на участок с умеренным зенитным углом, может лавинообразно двинуться вниз по стволу и закупорить кольцевое пространство.

Слои шлама являются причиной большинства осложнений при бурении наклоннонаправленных скважин. Из-за пробок, возникших при наличии слоя шлама, происходят прихваты и поглощения. Именно поэтому слои шлама являются предметом рассмотрения во многих работах, связанных с бурением наклонно-направленных скважин. Ниже приведены некоторые общие выводы, сделанные в этих работах:

•При отсутствии вращения колонны в сильнонаклонных скважинах почти наверняка будут формироваться слои шлама.

•При нормальных условиях до половины кольцевого пространства может быть заполнено слоем шлама.

•Наиболее вероятно формирование слоев шлама в скважинах большого диаметра. Это обусловлено более низкими скоростями бурового раствора, особенно в пространстве под эксцентрично расположенной бурильной колонной.

•Если производится вращение бурильной колонны, слои шлама обычно не создают проблем. Прихват может произойти при продольном перемещении колонны по стволу.

•Если требуется переместить без циркуляции КНБК с элементами большого диаметра по стволу, где есть слой шлама, то это можно сделать лишь в том случае, когда этот слой шлама очень тонкий.

•Скорость проходки влияет на толщину слоя шлама в меньшей степени, чем другие факторы, такие как плотность бурового раствора, вращение бурильной колонны и расход бурового раствора.

•Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при увеличении зенитного угла.

82

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

•Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении плотности бурового раствора.

•Толщина и плотность упаковки слоя шлама увеличиваются при уменьшении расхода бурового раствора.

•Если скважина не очищается, первым хорошо заметным признаком этого является возрастание крутящего момента. Для контроля за процессом очистки можно также следить за объемом бурового раствора, выходящего из скважины (рис. 7-35). Объем выходящего из скважины раствора будет уменьшаться, если из скважины выносится шлам.

Скорость проходки (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Скорость проходки влияет на размер и количество шлама. Однако количество шлама не влияет на толщину слоя шлама. Слои шлама достигают равновесной толщины независимо от скорости проходки. Пороговая скорость, при которой прекращается увеличение толщины слоя, не изменяется с изменением скорости поступления шлама, так что равновесная толщина слоя тоже не меняется. Количество продуцируемого шлама может увеличиваться, но весь этот шлам будет выноситься во взвешенном состоянии над слоем шлама. Тем не менее, скорость проходки может влиять на качество очистки скважины на слабонаклонных и вертикальных участках.

При прекращении бурения вертикальный участок скважины будет очищен, но на сильнонаклонных участках толщина слоя шлама не изменится. В данном случае чистые вибросита не являются показателем высокого качества очистки. Вибросита станут чистыми, когда из скважины будет вынесен весь шлам, находящийся во взвешенном состоянии. В то же время слой шлама останется на месте. Необходимо вращать бурильную колонну или принимать другие меры для разрушения слоя шлама, чтобы можно было вымыть шлам в вертикальный участок и удалить из скважины.

83

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Вращение и эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны

(факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Эксцентричное расположение в скважине бурильной колонны очень слабо влияет на качество очистки вертикальных скважин. Однако его влияние намного возрастает в сильнонаклонных скважинах. Это обусловлено влиянием этого параметра на профиль скоростей (рис. 7-42).

Эксцентричное расположение

бурильной колонны не ухудшает качество очистки, когда бурильная колонна прижата к верхней стенке скважины, поскольку поток не отходит от шлама, как в случае, когда колонна лежит на нижней стенке скважины.

Рис. 7-42 Влияние эксцентричного расположения в скважине бурильной колонны на формирование слоя шлама

В верхней части интервала набора кривизны колонна испытывает сильное растяжение, в результате чего она может войти в контакт с верхней стенкой скважины. Шлам перемещается, главным образом, к нижней стенке скважины, поэтому его концентрация максимальна на той стороне, где скорость потока заметно не снижается. Однако при больших зенитных углах бурильная колонна находится в контакте с нижней стенкой скважины, и уменьшение скорости потока заметно снижает эффективность транспортирования шлама (рис. 7-42). Этот эффект сильнее выражен при ламинарном течении, чем при турбулентном. Вращение бурильной колонны в некоторой степени способствует повышению качества очистки на вертикальном участке, поскольку помогает отвести шлам от стенок скважины.

84

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Рис. 7-43 Пороговая частота вращения

При частотах вращения, превышающих пороговое значение, бурильная колонна может вырваться из шламового ложа и перекатываться по всей окружности стенки скважины. Данные приборов для измерения давления во время бурения показывают, что типичная пороговая частота вращения 5" бурильной колонны в скважинах диаметром 121/4" и 81/2" находится в интервале 50 - 75 об/мин.12 (рис. 7-44). Когда слой шлама разрушается, и взрыхленный шлам выносится на вертикальный участок скважины, забойное давление возрастает из-за увеличения содержания шлама в кольцевом пространстве на этом участке.

Как показано на рис. 7-44, вращение бурильной колонны приводит к возрастанию забойного давления. Этот эффект был продемонстрирован с помощью приборов для измерения давления во время бурения и гидравлических моделей12,14. Он выражен сильнее, когда диаметр бурильной колонны близок к диаметру скважины. В скважинах малого диаметра возрастание забойного давления, обусловленное вращением бурильной колонны, намного больше, чем в скважинах большого диаметра.

85

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Одним из методов оценки успешности очистки скважины вращением бурильной колонны является наблюдение за забойным давлением. Если вращение колонны привело к разрушению слоя шлама, который поднялся в вертикальный участок, то забойное давление возрастает. При выходе шлама на поверхность забойное давление опять снижается до нормального.

Рис. 7-44 Данные измерения давления во время бурения и очистка скважины

В одном исследовании с использованием приборов для измерения давления во время бурения эквивалентная плотность бурового раствора при циркуляции (ЕСО) в скважине диаметром 121/4" равнялась приблизительно 100 фунт/дюйм2 при вращении бурильной колонны с пороговой частотой 50 - 75 об/мин. В скважине диаметром 81/2" при достижении пороговой частоты вращения ЕСТ) составляла 200 фунт/дюйм .

Незамедлительный скачок давления обусловлен как началом вращения бурильной колонны, так и разрушением слоев шлама. До достижения пороговой частоты вращения значительных скачков давления не наблюдалось.

Эффект от вращения бурильной колонны при изменении других параметров, таких как характеристики бурового раствора и размер шлама, рассматривается в других разделах этой главы. Ниже приведены общие выводы:

•Эффект от вращения бурильной колонны возрастает при увеличении зенитного угла. При умеренных зенитных углах слои шлама разрыхлены и ожижены. Они легко разрушаются даже при очень медленном вращении. При больших зенитных углах слои шлама плотно упакованы, и для их разрушения требуется вращение с пороговой частотой. При умеренных зенитных углах слои шлама можно удалить путем улучшения реологических характеристик и увеличения расхода бурового раствора, на при больших зенитных углах для разрушения слоев шлама требуется вращение бурильной колонны. Таким образом, влияние вращения бурильной колонны на толщину слоев шлама сильнее при больших зенитных углах.

•Эффект от вращения бурильной колонны становится слабее при увеличении расхода бурового раствора, поскольку с увеличением расхода уменьшается толщина слоев шлама.

•Эффект от вращения бурильной колонны выражен сильнее при высоких значениях динамического напряжения сдвига. Высоковязкие буровые растворы не могут легко проникать в слои шлама, поэтому здесь возрастает роль вращения бурильной колонны.

86

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

•Вращение бурильной колонны сильнее влияет на мелкий шлам. Из-за большого отношения площади поверхности к массе мелкого шлама заметно проявляются адгезивные свойства бурового раствора, и происходит слипание частиц шлама. Слой такого шлама трудно разрушить одним лишь увеличением расхода бурового раствора.

•Механическое воздействие вращения бурильной колонны на слои шлама уменьшается с увеличением размера или количества шлама. Вращение бурильной колонны способствует уменьшению толщины слоев крупного шлама при низкой скорости проходки и слоев мелкого шлама при высокой скорости проходки. Вращение бурильной колонны не помогает уменьшить толщину слоев крупного тяжелого шлама при высокой скорости проходки.

Осторожно: перемещение бурильной колонны может привести к обвалу шлама из зон размыва ствола, что является предпосылкой для образования пробки. Для качественной очистки нужно всегда иметь ствол номинального диаметра.

Бурение без вращения бурильной колонны (вращение бурильной колонны)

При бурении забойным двигателем бурильную колонну обычно не вращают. В результате, при продольном перемещении бурильной колонны по стволу формируется слой шлама. Для разрушения и удаления этого слоя шлама необходимо время от времени вращать бурильную колонну.

После разрушения слоя шлам будет транспортироваться по скважине в суспензии с изменяющейся концентрацией в виде протяженного скопления шлама высокой концентрации. Когда это скопление дойдет до вертикального участка ствола, оно будет влиять на забойное давление.

С началом вращения бурильной колонны после ее продолжительного продольного перемещения по стволу может появиться область аномально высокой концентрации шлама. Четким признаком появления такой области могут служить показания прибора для измерения давления во время бурения при отрыве долота от забоя. При бурении забойным двигателем эти броски давления амплитудой от 100 до 300 фунт/дюйм2 часто маскируются обычными пульсациями давления.

Сопротивление продольному перемещению колонны по стволу будет меньше, если перед этим перемещением выполнялось вращение колонны. Благодаря вращению слой шлама удаляется от КНБК. Наличие слоя шлама приводит к чрезмерному возрастанию крутящего момента и может помешать усилиям по управлению траекторией скважины.

Использование гибкой бурильной колонны (вращение бурильной колонны)

При бурении с гибкой бурильной колонной вращение колонны невозможно. Поэтому образование слоя шлама при больших зенитных углах неизбежно.13

При бурении с гибкой бурильной колонной нужно часто выполнять рейсы для очистки и проработки ствола с полной циркуляцией и вращением долота. Выполнение циркуляции с продольным перемещением бурильной колонны недостаточно для разрушения слоя шлама. Разрушить слой шлама можно только вращением долота. Шлам быстро осядет и снова образует слой, поэтому гибкую бурильную колонную нужно периодически поднимать для удаления слоя шлама. При подъеме колонны из скважины большая часть шлама в слое

87

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

поднимается вверх по стволу долотом (рис. 7-45). Следует отметить, что долото ориентировано вниз, и разрыхляет слой шлама при подъеме.

При бурении с гибкой бурильной колонной вращающееся долото "гонит" шлам вверх по стволу. Шлам, взрыхленный долотом, быстро оседает. Нужно периодически поднимать долото в вертикальный участок, чтобы довести до него шлам.

Рис. 7-45 Бурение с гибкой бурильной колонной

Хотя при бурении с гибкой бурильной колонной выполнять рейсы для очистки и проработки ствола на вертикальном участке относительно легко, желательно свести к минимуму необходимость в таких рейсах. Обычно осуществляют оптимизацию характеристик и расхода бурового раствора для увеличения временного интервала между такими рейсами.

Время (факторы, влияющие на качество очистки наклонных скважин)

Транспортирование шлама в наклонных скважинах требует больше времени, чем в вертикальных скважинах.

С увеличением зенитных углов возрастает время, требуемое для качественной очистки ствола.

Используя свои фирменные программы для расчета конечной скорости оседания, большинство сервисных компаний, осуществляющих контроль за параметрами бурового раствора, может оценить время, требуемое для транспортирования шлама от долота на поверхность. Если буровая бригада не имеет возможности использовать такие средства, то она должна дать свою эмпирическую оценку времени, требуемого для очистки. В учебном курсе "Обучение методам предотвращения незапланированных событий"15 приведен один практический метод для прогнозирования времени, требуемого для очистки наклонных скважин.

Этот метод предусматривает использование для каждого участка ствола коэффициента увеличения числа двойных ходов насоса при циркуляции. Значение этих коэффициентов принимается в зависимости от того, сколько объемов кольцевого пространства нужно вытеснить, чтобы полностью очистить скважину. Эти коэффициенты увеличения числа двойных ходов насосов при циркуляции определяются эмпирическим путем для различных разбуриваемых пластов и используемых буровых растворов. Это только приблизительные рекомендации. Ниже дана типичная таблица коэффициентов увеличения числа двойных ходов насосов при циркуляции.1

88

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

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Коэффициенты увеличения числа двойных ходов насосов или числа вытесняемых объемов, необходимых для очистки скважины15

Значения, указанные в этой таблице, нужно получить исходя из практического опыта для различных зенитных углов, диаметров ствола, расходов и используемого бурового раствора. Эта таблица нужна для определения общего числа двойных ходов насоса, необходимых для очистки скважины. Чтобы решить эту задачу, скважину разделяют на несколько участков, отличающихся диаметром ствола и зенитным углом. Измеренную глубину каждого участка умножают на соответствующий коэффициент увеличения числа двойных ходов насоса при циркуляции, а полученные значения складывают для получения полной скорректированной глубины. Затем рассчитывают общее число двойных ходов насосов при циркуляции, необходимых для выноса на поверхность шлама из скважины, глубина которой равна полной скорректированной (рис. 7-46).

89

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