книги из ГПНТБ / Танкибаев, М. А. Желобообразования при бурении скважин

изнашивается нижняя часть муфты, ниппель совершенно не меняется. Еще больше изнашивается тело бурильной трубы ниже муфты. В этом месте в теле бурильной трубы образуется радиальный канал (рис. 2). Это объясняется тем, что здесь увеличивается скорость промывочной жид­ кости, а следовательно, интенсивность абразивного износа.

Говоря о циркуляции глинистого раствора в стволе сква­ жины с желобами, высказывается противоположное мнение тому, что изложено в работе [45]. В основном стволе, где сечение больше, чем в желобе, скорость восходящего пото­ ка глинистого раствора меньше, поэтому здесь имеет место его загустевание (рис. 9).

Далее указывается на необходимость разрушения же­ лоба с применением расширителей. Рекомендуется начать бурение скважины при абсолютной вертикальности квад­ ратной штанги, применять утяжеленные бурильные трубы, если потребуется, держать пониженный режим.

3

при обрыве.

В последующие годы (до 1964) в советской литературе некоторые сведения об образовании желоба встречаются ь

20

работах [4, 6, 7—10]. Все они не вносят в решение рассмат­ риваемого вопроса ничего новее того, что изложено в при­ веденных работах.

Напротив, в них ограничиваются только констатацией факта образования желобов или признанием возможных наличий и их тяжелых последствий при освещении вопро­ сов осложнений, аварий или искривлений ствола бурящих­ ся скважин.

В 1964—1965 годы Н. Г. Авитесян и И. И. Григорьев опубликовали две работы [1, 2]. В одной из них [1] авторы пишут: «Как известно, при бурении с нагрузками на доло­ то, превышающими критическую для данной компановки низа бурильной колонны, последняя изгибается и приходит во взаимодействие со стенкой скважины. Абсолютная вели­ чина контактного давления незначительна, однако при ра­ боте шарошечных долот на относительно твердом забое на это контактное давление накладываются довольно значи­ тельные по частоте и амплитуде вибрации. Нам представ­ ляется, что совместное действие контактного давления и вибрации может разрушить породы, слагающие стенки скважины».

С целью подтверждения этого положения, авторами проведены лабораторные исследования и анализ промыс­ ловых данных по скважинам, на площадях объединения «Краснодарнефтегаз», на основе которых они приходят к следующим основным выводам:

I. Под действием контактного давления изогнутого и вибрирующего низа бурильной колонны на стенки скважи­ ны, возникающего вследствие работы долота на относитель­ но твердом забое, подвержены разрушению (образованию каверны), в той или иной степени, почти все разбуриваемые литологические пачки (пески, песчаники, глины, глинистые песчаники и известняки).

II. По конфигурации, в условиях эксперимента, зоны разрушений (рис. 10) можно подразделить на три основных типа:

1) с увеличением как поперечного размера, так и глу­ бины канавки;

2)с незначительным увеличением поперечного размера при сравнительно большом увеличении глубины канавки— желобообразная выработка;

3)с образованием желобообразной выработки, попереч­ ный размер которой равен первоначальному диаметру ка­ навки.

21

Рис. 10. Конфигурации зон разрушения в условиях эксперимента.

III. В условиях скважины, в зависимости от характера вращения изогнутой части бурильных труб, могут происхо­ дить два вида изменений конфигурации ствола скважины:

1)при вращении инструмента вокруг оси скважины бу­ дут образовываться симметричные каверны;

2)при вращении его вокруг собственной оси будут обра­ зовываться «желоба» непосредственно в процессе бурения.

IV. Интенсивность разрушения пород, слагающих стен­

ки скважины, увеличиваются от контактного давления, вре­ мени контактирования изогнутой части низа колонны бурильных труб со стенкой скважины и зависит от механи­ ческих свойств проходимых пород.

V. При бурении скважин забойными двигателями в связи с большей, по сравнению с роторным способом, зату­ хающей вибрацией и отсутствием вращения инструмента, условия для образования каверн менее благоприятны [2].

Интересные исследования проведены М. Л. Киссельманом [22, 23]. Однако они относятся только к вопросам износа обсадных колонн, не затрагивая процесса образова­ ния желобов в открытом стволе скважины.

С целью изучения возможности применения новой мето­ дики расчета обсадных колонн на износ от трения, в объе-

22

Лобов рассматривается кривизна. Поэтому все исследова­ ния и рекомендации направлены к бурению вертикальных скважин.

О том, как в практике глубокого бурения за рубежом, в частности в США, осложнениям, связанным с образованием желобов, придается важное значение, можно судить по то­ му, что американские исследователи Daniel S. Johnston, Jamep Т. Carriel в докладе «Техника бурения п эксплуа­ тация наклонно-направленных скважин с большим углом отклонения» на IV Международном нефтяном конгрессе в Риме (1954 год) сочли необходимым определенную часть сообщений посвятить этим вопросам, тем самым обратить на них внимание мировой нефтяной общественности. Однако из-за отсутствия специальных глубоких исследований, что вытекает оамо по себе из трудности и сложности изучения вопросов, связанных с возможным образованием желоба в Стенках бурящейся скважины, их сообщение носило общий характер, нисколько не претендуя на введение нового, а тем более на полный охват сущности явлений. Так, напри­ мер, авторы считают, что образование желоба имеет место «при бурении в мягких породах... в наклонно-направленных скважинах с большим отклонением от вертикали» и обус­ ловлено «вращением бурильной колонны, когда почти вся нагрузка от ее веса передается на лежащую стенку сква­ жины». Эти желоба в дальнейшем расширяются до диамет­ ра замка бурильной колонны и могут служить причиной аварий, так как они определяют критический диаметр спус­ каемых в скважину инструментов. В определении критиче­ ского диаметра инструментов, приводящего к авариям в случае возможного наличия желоба в скважине, авторы ограничиваются общими, далеко не конкретными предполо­ жениями, в то время когда наши советские исследователи [65, 68] еще в 1939 году дали вполне определенные значе­ ния коэффициента «К» и «а» безопасных диаметров ин­ струмента и подтвердили и уточнили их в последующие

годы [45].

Говоря об авариях, авторы сообщают, что для преду­ преждения заклинивания в желобах бурового инструмента при подъеме из скважины целесообразно передачу мощно­ сти на лебедку осуществлять пневматическими муфтами, чувствительными к малейшим перегрузкам. В случае при­ хватов инструмента, при их ликвидации прибегают к обычным ловильным работам. Если они не помогут, то вы­

25

ше места прихвата производится обычно зарезка и бурение нового ствола.

Периодический пуск расширителя в скважину несколько нивелирует желоб, а чистота ствола и бурильного инстру­ мента уменьшают затруднения, вызываемые наличием в скважине таких образований. Скорость восходящего пото­ ка не должна быть меньше 0,608 м/сек; при подъеме инст­ румента необходимо производить периодическую промывку для перевода выбуренной породы во взвешенное состояние.

Отмечается, что при образовании желоба в скважине сильно изнашиваются бурильные трубы.

Общеизвестно, что исследователи Лубинский, Вудс, Роллингс [31] достигли многого в вопросах изучения ис­ кривлений. Их рекомендации по допускаемой кривизне, обеспечивающие проходку скважин почти без занижения скорости и исключающие до минимума связанные с ними осложнения, признаны и у нас. На наш взгляд, наиболее интересной из этих работ, в смысле изученности вопросов образования желоба, является работа А. Лубинского [31], в которой рассматривается вопрос максимально допусти­ мого приращения при перегибах ствола скважины в ротор­ ном бурении. При этом автор исходит из трех основных ус­ ловий:

1)недопущения усталостных поломок бурильных труб;

2)недопущения усталостных поломок в резьбовых сое­ динениях утяжеленного низа;

3)ограничения силы давления замка на стенку скважи­ ны в 907 кг.

Нас интересует третье условие. Говоря, что усталостные поломки бурильных труб — не единственное осложнение, обусловленное перегибами ствола скважины, автор пишет: «Ряд затруднений возникает из-за значительной силы, с ко­ торой бурильная колонна на участке перегиба действует на стенку скважины или обсадную колонну. В результате про­ исходит: во-первых, износ замков и бурильных труб; вовторых, образование желоба в стенке скважины; в-третьих, образования желоба в стенке обсадной колонны». «Эти уси­ лия, воздействующие на замки, пропорциональны углу перегиба». Автор считает, что допускаемая величина тако­ го усилия зависит от абразивности пород и поверхности замка, скорости бурения, числа спуско-подъемов и множе­ ства других факторов, учесть которые затруднительно.

«Ориентировочное, но обеспечивающее более легкие ус­ ловия работы бурильной колонны, значение максимально

26

допустимой силы прижатия замка к стенке скважины мож­ но найти следующим образом. Известно, что ниже башмака кондуктора интенсивность искривления скважины, равная 0,5° на 10 м, не вызывает никаких осложнений. Это спра­ ведливо для скважин глубиной 4900—5200 м, таких как на месторождении Картар-Нокс в Оклахоме, где растягиваю­ щая нагрузка на 4V2 дюймовые бурильные трубы доходит до 76,2 т. Интенсивность искривления (0,5° на 10 м) соот­ ветствует приращению кривизны, равному 0,45° на 9,1 м, при этом для таких условий сила взаимодействия между зам­ ком и стенкой скважины составляет 907 кг. Таким образом, можно прийти к выводу, что усилие, равное 907 кг, не ока­ зывает вредного влияния на работу бурильной колонны».

Дальше приводится пример исследования 6 аварий с повреждениями замков вследствие наличия больших переги­ бов, проведенный National Supplu С0. Металлографические исследования материалов бурильных замков показали, что они подвергались нагреву до температуры свыше 788° и по­ следующему охлаждению. Все это происходило при работе в мягких породах побережья Мексиканского залива и обус­ лавливало глубокое внедрение замков в стенку скважины, вследствие чего затруднялось рассеивание тепла, выделяв­ шегося при трении замков о стенки скважин. Подсчет бо­ ковых усилий, по данным замеров кривизны, с которыми замки действовали на стенку скважины, показали, что они во всех случаях достигали 2050—2720 кг. Считается, что ес­ ли бы давление замков на стенку скважины не превышало 907 кг, то можно было бы избежать указанных осложнений.

В 1961—1964 годы при разведочном бурении на круп­ нейших в мире нефтегазоносных месторождениях Узень и Жетыбай наблюдались многочисленные аварии и осложне­ ния, которые следовало относить, по нашему мнению, к ка­ тегории, обуславливаемой образованием желоба на стенке ствола скважины. В целях подтверждения этих предполо­ жений впервые были разработаны и внедрены в производ­ ство два метода качественного и количественного опреде­ ления характеристики желоба, которые названы нами инк­ линометрией с перекрытием ранее замеренных интервалов, и кааернометрией с одним регистрирующим рычагом или желобометрией. Эти методы в достаточной степени удов­ летворяли первоначальным требованиям и позволили нам в некотором приближении выявить основные причины воз­ никновения аварий и осложнений, установить зоны образо­ вания желобов и разработать более эффективные рекомен­

27

Г Л А В А И

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЖЕЛОБООБРАЗОВАНИЯ НА СТЕНКАХ БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ

§ 1. ГЕОМЕТРИЯ (ФОРМА) ЖЕЛОБА

Современная скважина представляет собой сложное со­ оружение, которое прокладывается по строго заданным па­ раметрам, отвечающим решению определенных, вполне конкретных и однозначных задач. Любое отклонение кон­ фигурации ствола от намеченной определяется мерой несо­ ответствия техники и технологии бурения реальным услови­ ям, характеризующей качество скважины как законченного строительством объекта и в конечном счете обуславливаю­ щей степень полноты осуществления заложенных конечных задач.

Как следует из первой главы — желобообразование яв­ ляется одним из проявлений отклонений горной выработки от заданных параметров и формы, поэтому естественно счи­ тать, что основной ствол и образованный желоб в совокуп­ ности с последствиями других факторов составляет единое целое — конфигурацию скважины как технического соору­ жения, отсюда очевидно, что желоб имеет (с присущими для него особенностями), как и основной ствол скважины в реальных условиях, свои особенности и характерные фор­ мы. Так, желоб обладает объемной поверхностью в прост­ ранстве, протяженностью, ориентацией по странам света, формой и размерностями поперечного сечения.

Прежде чем перейти к характеристике перечисленных размерностей и форм, следует отметить, что геометрию желоба следует вообще рассматривать в двух аспектах: вопервых, с теоретической точки зрения, во-вторых, по дан­ ным фактических информаций, получаемых из скважины в пределах разрешающей способности современных средств и методов их обнаружения. Это необходимо потому, что из-за влияния различных геологотехнических факторов в процес­ се бурения свою первоначально приобретенную геометрию нередко теряет не только образованный желоб, но и ствол скважин, пробуренный номинальным диаметром долота [56, 61]; при этом при определенных условиях против неко-

29