Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин

потеря циркуляции;

потеря подвижности бурильной колонны.

Прихват осевшим шламом (рис. 40) может привести к развитию других видов прихватов. При отсутствии циркуляции БР может наложиться прихват из-за перепада давления.

Рис. 40. Прихваты вследствие оседания твердой фазы промывочной жидкости

Меры предупреждения прихватов из-за оседания шлама:

бурение на буровых растворах, способных в состоянии покоя образовыватьструктуру, удерживающуючастицывыбуреннойпороды;

обеспечение полной очистки БР с применением трех-, четырехступенчатых систем очистки;

промывка скважины после окончания очередного долбления

втечение одного-двух циклов;

обеспечение герметичности резьбовых соединений бурильной колонны;

разбуривание цементных мостов на растворе, обработанном химическимиреагентами, предотвращающимикоагуляцию.

221

3.4.21. Методы ликвидации прихватов

Выбор метода ликвидации прихвата зависит от наличия объективной информации о причине произошедшего прихвата и от накопленного опыта. В практическом бурении применяются следующие способы ликвидации прихватов:

расхаживание прихваченной колонны в сочетании с отбивкой ротором и гидровибрированием;

установка жидкостных ванн;

встряхивание прихваченного участка взрывом торпед;

использование ударных механизмов;

использование гидроимпульсного способа;

обуривание прихваченного участка колонны;

развинчивание бурильной колонны и подъем ее по частям;

использование испытателей пластов.

Успех ликвидации прихвата прежде всего зависит от точного установления места прихвата.

Одним из простых способов определения верхней границы прихвата является расчет длины неприхваченной части колонны по упругому удлинению ее под действием растягивающей нагрузки, превышающей собственный вес труб.

Для одноразмерной по наружному диаметру и толщине стенки колонны длина ее свободной неприхваченной части определяется в соответствии с законом Гука [5]:

L 1,05EF l ,

P

где 1,05 – коэффициент, учитывающий увеличение жесткости колонны за счет замковых соединений;

Е – соответственно модуль упругости (2,1·105 МПа для стали и 0,7·105 МПа для сплава Д16Т);

F – площадь поперечного сечения труб, м2; l – удлинение колонны, м;

Р – растягивающее усилие, Н.

222

Удлинение колонны l и растягивающее усилие Р ( Р = Р2 – P1) определяют в следующей последовательности. Бурильщик делает натяжение колонны Р1, которое на пять делений превышает показание ГИВ, соответствующее собственному весу труб до прихвата, а на ведущей трубе делается отметка в плоскости стола ротора. Для исключения погрешностей, вызванных трением в блоках талевой системы, производится повторное натяжение с усилием, которое на пять делений превышает первоначальное, с быстрым снятием натяжения до первоначального и фиксацией второй отметки на ведущей трубе. Расстояние между двумя отметками делится пополам, а средняя черта принимается за первуюотметку, соответствующуюусилию Р1. Вторая отметка фиксируется аналогичным образом при натяжении инструмента усилием Р2, которое на 10–20 делений по ГИВ больше усилия Р1. Искомое удлинение l равно расстоянию между отметками. Величины растягивающих нагрузок Р1 и Р2 пересчитываются в соответствии с паспортнымиданными индикатора веса.

Для многоразмерной комбинированной колонны верхняя граница прихвата рассчитывается из исходной формулы, в которой получена величина суммарного удлинения всех секций колонны выше зоны прихвата l в зависимости от приложенной нагрузки

Р [11]:

где li, Ei, Si, qi, ρi, ni – соответственно длина, модуль упругости, площадь поперечного сечения, масса единицы длины, плотность металла каждой одноразмерной секции, число секций колонны.

Расчетное значение удлинения сравнивается с фактическим удлинением lф, получаемым в вышеописанной последовательности. При равенстве расчетного и фактического удлинений длина свободной части колонны определяется по формуле

n

Lli .

i1

223

Рассмотренный способ применяется в качестве приблизительного, особенно при проходке наклонных и горизонтальных скважин, в которых силы сопротивления при движении колонн велики, поэтому большие погрешности в расчетах неизбежны. Более точно границы прихватов определяются с помощью специальных приборов.

сят на трубы контрольные магнитные метки с шагом в 10 м. При этом намагничиваетсяучастоктрубы длиной 0,15–0,20 м.

Вторым замером фиксируется кривая намагниченности вдоль всего участка, на котором ставились магнитные метки. Их необходимо отличать от аномалий замковых соединений. Амплитуда пи-

224

ков магнитных меток в 4–5 раз больше фоновой кривой намагниченности и в 2–3 раза больше аномалий замковых соединений.

Перед проведением третьего замера колонну расхаживают с натяжением до собственного веса или пытаются ее провернуть ротором на допустимое расчетом число оборотов. Стальные трубы выше зоны прихвата, подвергшиеся деформации, теряют магнитные метки. В зоне прихвата, где трубы не испытывали деформации, метки сохраняются, поэтому граница исчезновения магнитных меток позволяет зафиксировать верхнюю границу прихвата.

ПО применяют также в обсадных и насосно-компрессорных трубах (НКТ). Использование ПО в трубах из алюминиевых сплавов Д16Т невозможно. В случае прихвата УБТ применение ПО не дает эффекта.

Индикаторы места прихвата (ИМП) позволяют более точно и в один прием определить верхнюю границу прихвата. Принцип действия ИМП основан на регистрации деформаций колонны труб датчиком ИМП, притягиваемым к внутренней поверхности труб многополюсным электромагнитом.

Замеры деформаций производятся параллельно с расхаживанием или проворотом колонны. Обычно бывает достаточно пятишести замеров для определения границы, на которой деформации труб не происходит [11].

Некоторое распространение в практике работ по установлению интервала прихвата нашли акустические цементомеры. Они позволяют определять не только верхнюю, но и нижнюю границу прихвата. При этом регистрируют относительную амплитуду продольной волны (Ак), а также время прохождения продольной волны по породе (Тп). По данным работы [2], интервал прихвата соответствует максимальным значениям Ак и минимальному времени Тп.

Расхаживание прихваченной колонны. Расхаживание – пе-

риодическое приложение определенной нагрузки к бурильной колонне и снятие ее. Бурильщик имеет право проводить расхаживание с натяжкой, которая не должна превышать на 10–15 т вес бу-

225

рильной колонны до прихвата. Лицо, ответственное за ликвидацию аварии (аварийный мастер, инженер-технолог), имеет право расхаживать бурильную колонну с расчетной нагрузкой. Эта нагрузка определяется прочностными характеристиками труб.

Расчетная нагрузка при расхаживании прихваченной бурильной колонны определяется по формуле

Qдоп KтF ,

где т – предел текучести материала труб, в кг/см2, МПа;

F – площадь поперечного сечения тела гладкой части бурильной трубы, м2;

K – запас прочности, который при расчетах, связанных с освобождением прихваченной бурильной колонны, принимается в пре-

делах 1,2–1,3.

Допустимые нагрузки на новые бурильные трубы приведены в табл. 24.

Таблица 24 Допустимые нагрузки на новые бурильные трубы

226

Расхаживание не считается самостоятельным способом освобождения прихваченной колонны и применяется в сочетании с «отбивкой ротором», гидровибрированием и встряхиванием бурильной колонны взрывом шнуровых торпед.

Отбивка ротором – поворот бурильной колонны вправо при определенной нагрузке на нее на расчетное (допустимое) число оборотов. Затем колонна под действием образованной «пружины» вращается влево.

При определении допустимой степени закручивания свободной части прихваченной одноразмерной (по толщине и диаметру труб) колонны труб можно пользоваться следующими формулами [3]:

где φ – угол закручивания; σт – предел текучести металла труб при растяжении, кг/см2;

Lнп – длина неприхваченной части колонны, см;

ρбр, ρм – соответственно плотность бурового раствора и металла труб, кг/см2;

K – коэффициент запаса прочности;

G – модуль упругости II рода, кг/см2;

dн – наружный диаметр бурильных труб, см.

Для стали ρм = 7,85·10–3 кг/см3, G = 8·105 кг/см2, K = 1,5.

Для сплава Д16Т ρм = 2,8·10–3 кг/см3, G = 2,7·105 кг/см2, K = 1,8.

где np– число оборотов;

Lнп – длина неприхваченной части колонны, м; dн – наружный диаметр бурильных труб, м; σт – предел текучести материала труб, кг/см2; σр – напряжение растяжения, кгс/см2;

p QFp ,

227

где Qр – растягивающая нагрузка, равная весу неприхваченной части бурильной колонны.

Ориентировочное число оборотов приведено в табл. 25.

Гидровибрирование колонны труб. Гидровибрирование не яв-

ляется самостоятельным способом ликвидации прихвата. Оно применяется в сочетании с расхаживанием и отбивкой ротором. Гидровибрирование достигается отключением компенсаторов буровых насосов и оставлением в работе одного нагнетательного и одного всасывающего клапана. При этом создается неравномерность подачи промывочной жидкости в бурильные трубы, которая вызывает их вибрирование. Вибрирование труб вызывает выделение воды в зоне контакта трубы и фильтрационной корки, при этом происходит снижение коэффициента трения и нарушение контакта труб со стенками скважины.

Взрывной способ ликвидации прихвата. Взрывным способом можно осуществить три цели:

встряхивание бурильной колонны с целью ее освобождения;

отвинчивание бурильной колонны в намеченном месте;

обрыв труб с целью освобождения неприхваченной части колонны.

При использовании способа встряхивания производится взрыв торпеды из детонирующего шнура (ТДШ) в зоне прихвата, кото-

228

рый создает ударную волну, отрывающую трубу от стенки скважины или сальника. При этом происходит ослабление сил сцепления с затрубной средой. При прижатии бурильной колонны к стенке скважины перепадом давления встряхивание может привести к кратковременному выравниванию давления вокруг труб и снятию прижатия. Встряхивание целесообразно применять, когда прошло незначительное время от начала возникновения прихвата и когда предполагаемый интервал прихвата может быть перекрыт общей длиной торпеды. Длина ТДШ должна на 5–10 м превышать длину прихваченного участка, а масса заряда не превышать 5 кг.

Порядок работ при встряхивании (взрывы торпеды):

1.Выясняется причина прихвата.

2.Определяется интервал прихвата или его верхняя граница.

3.Проверяется проходимость бурильной колонны спуском шаблона.

4.Собирается торпеда установленной длины, спускается в бурильную колонну и устанавливается против интервала прихвата.

5.Производится натяжение бурильной колонны с максимально допустимым натяжением и крутящим моментом.

6.Производится взрыв.

7.Кабель извлекается из скважины.

8.Вызывается циркуляция, и колонна труб поднимается. Порядок работ при отстреле (обрыве) бурильной колонны с це-

лью зарезки второго ствола скважины аналогичен изложенному. Масса заряда торпеды должна быть выбрана с учетом разрушения бурильной колонны.

Гидроимпульсный способ ликвидации прихватов. Гидроимпуль-

сный способ (ГИС) рекомендуется для ликвидации прихватов, вызванных действием перепада давления, заклиниванием колонн в желобных выработках. Применяется при наличии циркуляции. Необходимым условием при этом является нахождение нижней части колонны бурильных труб на некотором расстоянии от забоя скважины, исходя из предположения, что ликвидация прихвата труб будет осуществляться методом сбивания колонны труб вниз.

229

Способ основан на реализации эффекта разгрузки колонны труб резким снятием предварительно созданных напряжений растяжения в материале труб и давления жидкости, заполняющей полость труб.

Для создания указанных напряжений воздействуют на перекрытый верхний конец бурильных труб давлением жидкости, возникающим в полости труб после замещения находящегося в колонне глинистого раствора другой жидкостью, например водой.

Возникающий при этом перепад давления определяется из выражения

P = H(ρ1 – ρ2),

где Н – глубина погружения уровня раздела жидкости в колонне; (ρ1, ρ2) – значения плотности жидкостей в затрубном простран-

стве и в трубах.

Перепад давления, действуя на верхний закрытый конец бурильных труб, создает растягивающую нагрузку и, соответственно, растягивающие напряжения материала труб. При резком снятии возникающих напряжений в скважине произойдут следующие процессы:

продвижение колонны в сторону забоя;

снижение давления в трубах и затрубном пространстве и, как следствие, переток промывочной жидкости из затрубного пространства в трубы со значительной начальной скоростью, приводящей к эрозии фильтрационной корки и осадков;

кратковременное снижение перепада давления в зоне прихвата вследствие понижения уровня жидкости в затрубном пространстве скважины.

С помощью ГИС прихват может быть ликвидирован за один импульс при условии, что работа будет выполняться не позже чем через 24 ч после возникновения аварии, длина неприхваченной

части колонны труб составляет 1500 м и более, а прихваченной – менее 50 м. При этом избыточное давление в полости колонны труб составляет не менее 70 кгс/см2 на 1000 м труб.

При отступлении от перечисленных условий для ликвидации прихвата требуется выполнять несколько импульсов. Если при этом десять

230