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

торых пород, например, отдельных разновидностей глин, желоб, образованный во времени, невозможно отличить от обычного кавернообразования, что часто приводит не толь­ ко к неправильному пониманию их первопричин, но и про­ ведению заведомо малоэффективных полярно противопо-| ложных мер по их предупреждению и ликвидации [5, 51,1 59].

Против других категорий довольно прочных пород, типа плотных песчаников, мергелей, доломитов и т. п., геометрия образованного желоба весьма близка к теоретической [51, 68]. В то же время современные средства и методы не поз­ воляют получать достоверную информацию о фактической конфигурации желоба и против названных пород.

Знание первоначальной, наиболее вероятной теоретиче­ ской геометрии желоба также необходимо для объяснения механизма и причин желобообразования, оно позволяет своевременно и технически правильно подходить к разра­ ботке эффективных мероприятий по предупреждению таких явлений, в то время как скважинная информация о конфигурации ствола используется, в большей степени, при вы­ даче рекомендаций по ликвидации тяжелых последствий, вызванных уже имеющимися желобообразными выработ­ ками.

Изложенное предопределило необходимость рассмотре­ ния геометрии желоба с чисто теоретической точки зрения.

В своих рассуждениях мы будем исходить, главным об-: разом, из гипотезы о механизме образования желоба, кото­ рую можно сформулировать следующим образом: в процес­ се спуско-подъемных операций, при движении колонны бу­ рильных труб по касательной к криволинейной стенке ствола скважины от механического воздействия замков, в местах контакта с породой, образуется продольный канал неправильной формы — желоб [47, 49].

Объемная поверхность желоба в пространстве предоп­ ределяется продольным каналом неправильной формы и в зависимости от степени развития желоба может быть выра­ жена двумя разновидностями. Первая в начальной стадии так называемой «приработки», когда глубина желоба не достигла радиуса замка бурильных труб, имеет форму ча­ сти правильной цилиндрической поверхности, которая пере­ ходит в плавное сопряжение со стволом скважины, повто­ ряя в определенной степени его возможные искривления на каждом конкретном участке. Вторая разновидность, обра­

30

зованная в последующей стадии, когда глубина желоба до­ стигает большей величины, чем радиус замка, имеет форму половины правильной цилиндрической поверхности, про­ долженной двумя параллельными плоскостями, которые переходят в плавное сопряжение со стволом скважины, по­ вторяя в определенной степени его искривления.

Под протяженностью желоба понимается длина участ­ ка желобообразования вдоль ствола скважины. В зависи­ мости от потенциальной подверженности и мощности тол­ щи тех или других пород к желобообразованию и других прочих условий протяженность может иметь меру от не­ скольких сантиметров до сотни и более метров, может быть сплошной или прерывистой, т. е. представлена нескольки­

направление его образования, что предопределяется факти­ ческим пространственным искривлением ствола скважины на конкретно рассматриваемом участке. Образование же­ лоба всегда направлено по азимуту искривления и стремит­ ся к вертикали при постепенном выполаживании исходного зенитного угла оси ствола скважины. Учитывая точность замеров в существующих методах исследования кривизны, следует допустить, что в интервалах резких азимутальных искривлений направленность образования желоба может „ыть ориентирована по промежуточному, соответствующе­ му истинному первоначальному азимуту. Пренебрежение :1гим фактором приводит некоторых исследователей [5, 38, ?»] к заблуждениям, выраженным в предположении в от­ ельных случаях несовпадения направления искривления

ствола скважины с ориентацией образования желоба. I Форма и размерности горизонтального сечения желоба,

тэ настоящее время нет разногласий о наиболее возможной форме горизонтальных сечений стволов скважин с жело­ бом. Теоретически эти сечения напоминают собой замоч­ ную скважину [68]. На рис. 1 представлена проекция сече­ ния желоба в современном понятии. Здесь основной ствол скважины дан по номинальному диаметру долота, ширина желоба — по диаметру бурильного замка.

Под глубиной желоба понимается расстояние от точки пересечения длинной оси с окружностью по диаметру доло­ та в зоне сопряжения до точки ее пересечения с полуокруж­ ностью по диаметру замка. Глубина зависит от совокупнос­ ти многих причин, приводимых в соответствующем разделе

31

настоящей работы. На практике зарегистрированы желоба глубиной от нескольких миллиметров до 50—60 сантимет­ ров. О больших значениях говорить трудно, так как совре­ менные средства исследований имеют ограниченные изме­ ряющие механизмы. В то же время практика показала, что глубины желобов больше приведенной величины встреча­ ются весьма редко.

В заключение необходимо остановиться на встречаю­ щейся в появившихся в последнее время работах некото­ рых исследователей [37] попытке относить к желобам лю­ бое изменение или отклонение ствола скважины от задан­ ной цилиндрической формы. Так, Е. М. Пятецкий и др., основываясь на данных замеров профилемером, предлагают отнести к желобам все участки ствола, где по диаграмме отмечается большая и малая ось. С таким подходом к опре­ делению желоба нельзя согласиться хотя бы потому, что при рассмотрении любого физического явления или процес­ са прежде всего необходимо исходить из обуславливающих их первопричин, механизма образования, присущего только изучаемому явлению, а ни в коем случае только из внешней формы, которая к тому же характерна не только для жело­ бов. Очевидно, ни у кого не вызывает сомнения, что оваль­ ные, элипсовидные или другой формы горизонтальные се­ чения ствола скважины с отмеченными выше «большими» и «малыми» осями на профилеграммах имеют полное право! на существование по сколько угодно различным причинам механизмам действия, полярно отличным от явлений жело?; бообразования. К ним можно отнести неравномерны, размыв стенок скважины потоком промывочной жидкост. при выходе из долота в процессе бурения [61], односторш. нее осыпание неустойчивых, круто залегающих пласте [45], возможное ассиметричное образование каверн из-:-, неравнопрочностных свойств горных пород [56] и др.

На вопросах определения горизонтальных сечений жело­ бов по данным профилеметрии мы более детально остано­ вимся в соответствующих разделах, здесь же отметим толь­ ко, что любое изменение ствола скважины относить ь жело­ бу без указания совокупности геологотехничеоких факторов и механизма образования недопустимо.

§ 2. МЕХАНИЗМ ЖЕЛОБООБРАЗОВАНИЯ

Геометрия желоба предопределяется механизмом желог бообразования. Поэтому выяснение этого вопроса имеет важное значение как при уточнении теоретических аспекте^

32

геометрии желоба, так и при разработке мероприятий по предупреждению его образования и ликвидации вытекаю­ щих отсюда тяжелых последствий.

Как следует из главы 1, на механизм образования жело­ ба имеется два взгляда:

1.Желоба вырабатываются как от вращательного дей­ ствия колонны бурильных труб в процессе бурения, так и при спуско-подъемных операциях.

2.Желоба вырабатываются только при спуско-подъем­ ных операциях.

Одни исследователи полагают, что желоба образуются от вращательного действия колонны бурильных труб в про­ цессе бурения на значительном расстоянии от забоя в мес­

выше. Третьи утверждают, что желоба образуются от дей­ ствия вращения изогнутого низа бурильной колонны, т. е. в непосредственной близости от забоя, в процессе бурения. При этом ни один из исследователей не отрицает возмож­ ности образования желоба при спусках и подъемах инстру­ мента. Наиболее определенно высказываются и отстаивают свои взгляды третьи. Ими, на основе стендовых испытаний и анализа производственных материалов, сделаны выводы, основная суть которых сводится к следующему:

1. Почти все разбуриваемые породы в той или иной сте­ пени разрушаются под действием контактного давления

.изогнутого низа колонны бурильных труб в сочетании с вибрацией, возникающей вследствие работы долота на оттюсительно твердом забое.

2. В зависимости от характера вращения изогнутой час- •1 бурильных труб (в условиях скважины) могут возникать

-ДЕЗ вида изменений конфигурации ствола скважины:

а) при вращении изогнутой части низа бурильной ко­ лонны вокруг оси скважины будут образовываться ка­

верны; б) при вращении вокруг собственной оси будут образо­

вываться желоба непосредственно в процессе бурения.

3. Интенсивность разрушения пород, слагающих стенки скважины, увеличивается от контактного давления, времени контактирования изогнутой части низа колонны бурильных труб со стенкой скважины и зависит от механических свойств проходимых пород.

Рассмотрим эти общие выводы ряда исследователей на

основе тех же материалов. В работе [2] Н. Г. Аветисян и В. И. Григорьев пишут: «Абсолютная величина контактного давления незначительна, однако при работе шарошечных долот на относительно твердом забое на это контактное давление накладываются довольно значительные по часто­ те и амплитуде вибрации». Считается, что их совместное действие разрушает породы, слагающие стенки скважины. Здесь авторами самими исключается решающее действие контактного давления. Это и общеизвестно (вследствие ма­ лости абсолютной величины). Действие вибрирующего ни­

в пределах от 1,06 до 4,72. Следует отметить, что меньшие значения коэффициента относятся именно к относительно твердым образцам пород, большие — к мягким.

Если и признать, что все другие принципы моделирова­ ния соблюдены правильно, и то авторами допущена одна ошибка, приведшая к неправильным выводам. При созда­ нии вибрирующего стержня, моделирующего низ бурильной колонны, забой принят абсолютно твердым, т. е. основная деталь стенда, вибрирующий стержень, не мог иметь про­ дольно-поступательного движения. Поэтому из-за наруше­ ния одного из основных принципов моделирования иссле­ дователи могли получать сколько угодное разрушение ис­ следуемых пород. В лучшем случае, в условиях опыта, и то с большой натяжкой, полученные данные можно признать качественным результатом, но никак не количественным тем более нельзя их механически переносить на условь реальных скважин. В условиях же скважины, при относ» тельно мягком забое, время контакта изогнутого низа рильной колонны будет настолько малым, что контактдос давление не успевает оказать сколько-нибудь заметного действия по разрушению пород, слагающих стенки сква­ жины. Наоборот, при относительно твердом забое никай нельзя ожидать большого действия контактного давления и вибраций по разрушению крепких пород. Это видно и из результатов их же стендовых исследований: при абсолютно твердом забое относительно трудно разбуриваемые, оченя плотные глины юрского возраста (Кубань) при продоЛ1 жительности опыта в 5 часов дали увеличение лунки всего на 1,2 мм, что эквивалентно коэффициенту кавернообразо-1 вания 1,06 в условиях скважины. Если учесть, что в условй'

34

ях скважины абсолютно твердый забой отсутствует, то оче­ видность завышенное™ даже этой величины коэффициента кавернообразования бесспорна. Из изложенного следует: во-

ми; в-третьих, качественные результаты нельзя переносить на реальные скважины по той же причине, что и в первом случае. Чтобы в какой-то степени подтвердить результаты своего сомнительного опыта, авторы ссылаются на пример промысловых материалов Кубани, сами же находят «неко­ торые несоответствия» и объясняют их весьма неубедитель­ но. Здесь имеется в виду образование больших каверн при турбинном способе бурения, чем при роторном, в непосред­ ственной близости от забоя, при прочих равных условиях. При анализе промысловых данных авторами тоже допуще­ на 'ошибка в принципиальном вопросе. Она заключается в том, что при рассмотрении данных кавернограмм не учтено время, прошедшее от момента бурения рассматриваемого интервала до замера каверномером диаметра скважины. Между тем это имеет принципиальное значение. Очевидно, образование каверн имеет сложный характер, зависящий от геологии, физико-механических свойств горных пород, качества промывочного раствора и др. [61]. И все они в разной степени находятся в прямой зависимости от време­ ни вскрытия рассматриваемого разреза. Из практики и ли­ тературы [32] известны случаи, когда в явно склонных к кавернообразованию породах, сразу же после вскрытия, увеличение диаметра не обнаруживается, а отмечается спус­ тя некоторое время. Такие случаи можно проследить по ">ис. 13. Можно привести в пример еще один вывод из ра- ^()ты В. И. Григорьева [15], одного из авторов [1,2], пока- ' рвающий практическую незначимость заключения об об-

зовании желоба из-за действия вращения изогнутой час­ ти низа бурильной колонны. «Вращение низа бурильной колонны при принятых в практике соотношениях диаметров бурильных труб и долот, как правило, происходит вокруг

35

Ж е т /б а й Г- fi

960

980

WOO

' /020

m o

m o-

m o .

П00-

•Иto.

Рис. 13. Данные кавернометрии по скважине 1-Жетыбай, полученные в различное время.

Зв

температуры нагрева переводника бурильного инструмента, установленного на расстоянии 24 м от турбобура, ее вели­

ка о стенку ствола скважины развивается температура вы­ ше 790° С [31].

Таким образом, из изложенного следует, что желоба не могут образоваться в призабойной зоне под действием кон­ тактного давления изогнутого низа колонны бурильных труб в сочетании с вибрацией.

Теперь о влиянии вращения инструмента в процессе ро­ торного бурения или при других работах в скважине на возможные образования желоба.

Представим себе скважину глубиной 1, имеющей на зна­ чительном расстоянии от забоя на глубине Ь от устья обра­ зованный желоб. В процессе бурения ротором инструмент вращается в желобе. Каково может быть влияние враще­ ния инструмента на дальнейшее углубление (развитие) же­ лоба?

Н. Г. Аветисян и др. [1,2] считали, что при вращении изогнутой части бурильных труб «абсолютная величина кон­ тактного давления незначительна», однако... «на него...

накладываются довольно значительные по частоте и ампли­ туде вибрации» и «...их совместное действие разрушает породы, слагающие стенки скважины», т. е. образует же­ лоба.

В нашем примере вибрация части инструмента, паходя-

егося в желобе, отсутствует или незначительна, так как, йо-первых, от забоя к устью она гаснет и сводится почти на »г, во-вторых, на этом участке колонна бурильных труб

растянута.

Таким образом, и в рассматриваемом случае также не будет разрушающего действия вибрации именно того аргу­ мента, на который ссылаются авторы [1,2].

Контактное давление, при статическом состоянии, в оп-' ределенных благоприятных условиях, может достигать значительной абсолютной величины, зависящей от веса растянутой части колонны бурильных труб. Однако при поступательно-вращательном движении инструмента в процессе бурения нет достаточных условий для образования желоба или для его дальнейшего развития. То же самое

37

относится к влиянию вращения инструмента, при произ­ водстве других работ в скважине, на образование желоба.

Об отсутствии ощутимых воздействий вращения буриль­ ной колонны, при наличии даже значительных растягиваю­ щих сил на стенку скважины, говорят интересные исследо­ вания М. Л. Киссельмана по износу обсадных колонн [22]. Им при обследовании обсадных колонн, извлеченных из скважины, отмечено: «Одна общая особенность — односто­ ронний желобообразный износ обсадных колонн, причем диаметр желоба точно соответствует диаметру замков бу­ рильных труб» (рис. И, 12), «... на поверхности трения же­ лоба имеются явно выраженные следы спуско-подъемных операций и очень редко следы вращения. Истирания наблю­ даются и ниже за пределами желоба. Сопоставление скоростей движения, прижимающих усилий и геометрии трущихся пар, а также состояние истертой поверхности об­ садных колонн позволяет сделать вывод о том, что главны­ ми факторами влияния на скорость износа являются спус­ ко-подъемные операции, особенно спуск бурильных труб».

Этот вывод целиком и полностью относится к открытой части ствола скважины, так как здесь на основе практичес­ кого материала выявляется степень влияния вращения и спуско-подъемных бурильных колонн на стенки скважины. Что касается только влияния вращения, то оно встречается «очень редко» и носит случайный характер и в крайнем случае может привести к незначительному увеличению ши­ рины желоба, которая будет восстановлена образованием глинистой корки.

Таким образом, желоба образуются только при спуско­ подъемных операциях. Считаем, нет необходимости привод дить подтверждающих примеров такого вывода хотя бы по­

замков, в местах контакта с породой, образуется продоль­ ный канал неправильной формы—желоб.

Теперь, когда мы уяснили себе механизм образования! желоба, нетрудно определить степени влияния бурения на интенсивность этих явлений.

Почти всеми исследователями считалось, что при ро­ торном бурении процесс желобообразования протекает го­

38

раздо интенсивней. Некоторые из них (А. Г . Черемин) предлагали в целях предупреждения желобов применять турбинное бурение. Как показала практика бурения, в Ка­ захстане, Таджикистане, Краснодаре и других районах это не подтвердилось. И при турбинном способе бурения Желоба образуются и вызывают тяжелые последствия.

Таким образом, исходя из производственной практики и принятой нами гипотезы на механизм образования желоба можно утверждать, что интенсивность образования желоба не зависит от способа бурения, а целиком обусловлена эффективностью того или другого способа в конкретных условиях. При каком способе бурения количество произво­ димых спуско-подъемных операций меньше, там меньше и интенсивность образования желоба и наоборот.

Внедрение в производство нового метода бурения —

.^..подъема бурильных труб — позволит уменьшить или вообще искоренить образование желоба и связанные с ни­ ми осложнения и аварии.

§3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ СПУСКА

ИПОДЪЕМА БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ЖЕЛОБООБРАЗОВАНИЯ

В разделе § 2 главы II мы показали, что желобообразование происходит главным образом в процессе спуска и подъема инструмента. Но мы не выяснили такого весьма важного вопроса, не освещенного в специальной литерату­ ре, как степень влияния спуска и подъема в отдельности на интенсивность образования желоба. Обработка произ­ водственных даных, а также промысловые наблюдения и исследования, из-за многообразия и сложности характера этих влияний и трудности учета всех факторов, не дают решения этого вопроса.

Единственным методом, которым можно решить эту за­ дачу, нам представляются стендовые экспериментальные исследования максимально приближенные к промысловым условиям (при некоторых допущениях).

Очевидно, при рассмотрении реальной скважины ниже­ следующие условия будут одинаковы как при спуске, так

ипри подъеме каждой двухтрубки бурового инструмента:

1.Геологические- (одна и та же структура).

2. Физико-механические свойства горных пород (одни

ите же горизонты, пачки).

3.Условия трения:

39