книги из ГПНТБ / Промывка при бурении, креплении и цементировании скважин

ЗАШЛАМЛЕННОСТЬ СТВОЛА СКВАЖИНЫ И ВЫНОС ИЗ НЕГО КРУПНЫХ ЧАСТИЦ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

Затяжки, посадки и прихваты бурильной колонны, проработки и длительные промывки ствола скважины часто вызываются боль­ шой зашламленностью его, обусловленной накоплением в скважи­ не больших количеств выбуриваемой и осыпающейся с ее стенок породы, образованием толстых глинистых корок на стенках сква­ жины и нарастанием на этих корках сальникообразных сгустков из бурового шлама, глинистых частиц бурового раствора и утя­ желителя. Так, фактический диаметр скв. 203 (площадь Октябрь­ ская объединения Грознефть) в караганских и чокракских отло­ жениях из-за налипания указанных сгустков составлял местами 0,8 и даже 0,65 диаметра долота, а общая длина проработок в

Причинами, вызывающими такое состояние ствола скважины, могут быть:

1)Большая дислоцировашюсть и остаточная тектоническая напряженность мощных глинистых отложений;

2)сильно развитая сланцеватость и трещиноватость глинистых отложений;

3)большие углы залегания пластов;

4)высокая температура проходимых пород;

5)неудовлетворительное качество промывочной жидкости, характеризующейся высокой липкостью и активным взаимодейст­

вием с частицами выбуренной и осыпающейся со стенок скважи­ ны породы и с породой на стенках скважины;

6)недостаточная скорость движения восходящего потока про­ мывочной жидкости;

7)разновеликая площадь поперечного сечения кольцевого пространства;

8)длительное пребывание осложененных участков ствола скважины в незакрепленном состоянии.

Как сказано выше, крупные частицы выбуренной и осыпаю­ щейся со стенок скважины горной породы накапливаются в ме­ стах резкого увеличения площади поперечного сечения кольцево­ го пространства, где скорость восходящего потока промывочной жидкости резко падает. Такими местами являются наддолотное пространство, бутылочной формы переводник забойного двигате­ ля, переход от УБТ к бурильным трубам, переход от бурильных труб одного диаметра к бурильным трубам другого диаметра, верхние заплечики бурильных замков и других элементов буриль­ ной колонны с увеличенным (по сравнению с бурильными труба­ ми) диаметром, а также каверны, желоба, заплечики (уступы) в местах перехода с одного диаметра ствола скважины или обсад­ ной колонны на другой.

91

Указанные частицы породы обволакиваются глинистыми части­ цами промывочной жидкости и слипаются между собой, образуя с течением времени тестообразную массу, которая плотно нали­ пает па соответствующие элементы бурильного инструмента. Наи­ более крупные частицы выбуренной породы скапливаются над долотом; над долотом обычно бывают и наибольшие сальники. Чем дальше от забоя, тем меньше сальники на торцовых заплечи­ ках различных элементов бурильной колонны.

По мере увеличения диаметра сальника возрастает скорость восходящего потока промывочной жидкости вокруг него, и насту­ пает время, когда происходит образование одного или нескольких продольных каналов в сальнике; в дальнейшем промывочная жидкость в основном движется по этим каналам.

В случае прекращения циркуляции витающие в кольцевом пространстве крупные частицы породы будут опускаться и осаж­ даться на сальнике, а если сальника нет, то на долоте или на соответствующем элементе бурильной колонны.

Во время подъема инструмента возможно увеличение и уплот­ нение (или образование) сальника над долотом, в том числе в результате сдирания со стенки скважины глинистой корки вместе с налипшими па ней частицами бурового шлама. Спрессовываю­ щийся сальник может совсем перекрыть кольцевое пространство, так что будет невозможно поднять бурильный инструмент из-за большого веса промывочной жидкости над сальником, — произой­ дет прихват бурильной колонны.

Прихват бурильной колонны вследствие большой зашламленпости ствола скважины может произойти и следующим путем. Ча­ стицы горной породы, продолжительное время находящиеся в промывочной жидкости, могут вступать в физико-химическое взаи­ модействие с ней, слипаться друг с другом, с колонной труб и со стенками скважины, способствуя увеличению площади контакта колонны со стенками скважины. Последнему способствуют тол­ стые глинистые корки на стенках скважины и большие скопления частиц бурового шлама в интервале поглощения промывочной жидкости. Рост указанной площади контакта увеличивает силы сопротивления движению бурильной колонны, в том числе в ре­ зультате действия прижимающей силы, вызываемой перепадом давления. В конце концов может произойти прихват бурильной колонны.

Увеличению площади контакта бурильной колонны со стенка­ ми скважины способствуют застойные зоны, в которых скапли­ вается буровой шлам. Последний диспергирует в промывочной жидкости и увеличивает ее вязкость в данной зоне. При продель­ ных перемещениях бурильного инструмента буровой шлам в за­ стойных зонах подминается трубами и образуется «желоб» (из этого шлама), также способствующий прихвату бурильной колон ны под действием перепада давления. Вполне возможно, что в категорию прихвата «заклинивание в желобах» входят и прихва­

92

ты, обусловленные засорением желобов, образующихся в стенках скважины, буровым шламом.

Для подтверждения сказанного об отрицательной роли за­ стойных зон приведем такой пример. При бурении скв. 26 Ястре­ биная объединения Грознефть из-под башмака 146-мм обсадной колонны, голова которой находилась па глубине 2200 м, приме­ нялись долота диаметром 118 мм и комбинированная бурильная колонна диаметром 73 и 114 мм. Подача промывочной жидкости составляла 3,5—4 л/с, что обеспечивало скорость восходящего потока между 73-мм бурильными трубами и стенками скважины 0,52—0,59 м/с, а между 114-мм бурильными трубами и стенками 219-мм обсадной колонны всего 0,17—0,19 м/с [61]. В результате небольшой скорости восходящего потока в 219-мм обсадной колон­ не образовывались застойные зоны, в которых скапливался буро­ вой шлам и мешал нормальному ведению бурового процесса. Поэтому периодически (через 2—3 рейса) в скважину приходи­ лось спускать 190-мм трехшарошечное долото на 114-мм буриль­ ных трубах до головы 146-мм колонны с промывкой глинистым раствором при Q=17 л/с. Затраты времени на промывку ствола скважины в процессе проходки 194 м в интервале 3691—3885 м составили в общей сложности 12 сут.

Таким образом, установление факторов, способствующих зашламлению ствола скважины, и разработка мероприятий по предупреждению этого явления имеют большое значение для улучшения технико-экономических показателей бурения скважин. В связи с этим встает вопрос об удалении из ствола скважины крупных частиц горной породы пластинчатой формы, образую­ щихся при осыпях и обвалах породы со стенок скважины. Особен­ но важна проблема удаления таких частиц при бурении забой­ ными двигателями.

При исследовании гравитационного обогащения было установ­ лено, что частицы больших размеров при движении в трубах ис­ пытывают тем большее воздействие со стороны потока, чем боль­ ше их диаметр и чем больше они перекрывают проходное сечение. Скорость оседания частиц в покоящейся воде при большой их концентрации снижается из-за взаимного влияния частиц друг на Друга.

В то же время замечено, что скорость оседания группы ча­ стиц в глинистом растворе больше, чем скорость падения отдель­ ных частиц. По В. Ричардсу, концентрация частиц в жидкости до 30% не оказывает влияния на оседание частиц, а концентрация выше этой цифры приводит к ощутимому эффекту.

Большая концентрация бурового шлама в промывочной жидко­ сти, находящейся в стволе скважины, вполне возможна, особенно при бурении в осложненных условиях. Поэтому закономерности стесненного движения частиц в покоящейся промывочной жидко­

93

ции частиц в потоке ведет к турбулизации его. Ьсли это так, то при стесненном движении частиц в потоке может возникать тур­ булентный режим движения потока при меньших значениях пода­ чи промывочной жидкости, а такой режим движения, как указы­

трации бурового шлама в промывочной жидкости, приводящая к ранней турбулизации ее потока?

Перемалывание, перемешивание и процесс выноса бурового шлама можно рассматривать в целом как процесс псевдоожиже­ ния. Поэтому для изучения вопросов промывки забоя и ствола скважины и для управления этой промывкой рекомендуется [56] пользоваться теорией псевдоожижения. При этом большое значе­ ние имеют различные добавки в промывочную жидкость, приводя­ щие к ранней турбулизации ее потока: введение в поток ожи­ жающей среды турбулизующей добавки уменьшает критическое значение числа Рейнольдса более чем на порядок. В частности, таким турбулизатором глинистого раствора является нефть, до­ бавки которой обычно улучшают показатели работы долот и об­ щее состояние ствола скважины.

В случае применения указанных добавок следует иметь в виду, что формулы (11.67) — (II.69) получены [61] при условии Re*p =

= 2000, а потому они будут давать завышенные значения Q. При наличии ранней турбулизации потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве необходимую скорость ее восходящего потока ѵ„ для получения такого потока можно подсчитывать по следующей приближенной формуле:

где Re* — критическое значение числа Рейнольдса.

В целях сохранения первоначальных размеров частиц горной породы, поступивших в ствол скважины, применяют следующие способы защиты их от диспергирования и растворения:

1)ионная защита известью, соленой водой, гипсом или лигносульфонатами;

2)капсульная защита полимерами, обволакивающими части­ цы горной породы водостойкой пленкой;

3)защита нефтяной фазой буровой жидкости.

Если исходить из условия удержания бурового шлама во взве­ шенном состоянии в стволе скважины при отсутствии циркуля­ ции промывочной жидкости, а также из условия транспортирую­ щей способности последней, то промывочная жидкость должна

94

иметь как можно большие значения удельного веса, вязкости и напряжения сдвига.

жидкости с возможно меньшими значениями отношений

Уж

и ц/уж-

ВЛИЯНИЕ ПРОМЫВОЧНОЙ ж и д к о с т и И ДРУГИХ ФАКТОРОВ

НА ПОВЕДЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД НА СТЕНКАХ СКВАЖИНЫ

В настоящее время еще нет единой точки зрения на механизм нарушения прочности горных пород на стенках скважины. Все попытки установить причины возникновения обвалов и сужений стволов скважин и разработать методы их предупреждения и ликвидации базируются, главным образом, на изучении опыта бурения скважин в неустойчивых породах. В первую очередь изу­ чается роль повышения удельного веса и снижения водоотдачи промывочной жидкости в предупреждении указанных осложнений.

Главным фактором, определяющим поведение горной породы на стенках скважины, является напряженное состояние этой по­ роды. Под нарушением же устойчивости стенок скважины пони­ мается или хрупкое разрушение, или начало пластического тече­ ния породы, которые могут привести, соответственно, либо к об­ рушению стенок скважины и образованию каверны, либо к су­ жению ствола. Для выяснения характера указанного напряжен­ ного состояния вертикальная скважина рассматривается как по­ лый цилиндр со стенками бесконечной толщины, которые нахо­ дятся под действием трех давлений:

1) вертикального давления рг, направленного параллельно оси скважины;

2)наружного бокового давления рг, направленного по радиу­ су скважины со стороны массива горной породы;

3)внутреннего давления рт, создаваемого промывочной жид­ костью, заполняющей скважину, и направленного также по радиу­ су скважины, но в сторону массива горной породы.

При отсутствии в массиве тектонических сил давление рг рав­ но горному давлению ргд, определяемому по уравнению (1.5). Бо­ ковое давление определяется по формуле (1.6), а внутреннее дав­

ление рт при отсутствии циркуляции промывочной жидкости — по формуле (1.8).

В результате действия указанных выше давлений в элемен­ тарном объеме горной породы, находящемся в массиве на глуби­ не 2 метров от дневной поверхности и г метров от оси скважины, возникают нормальные напряжения: oz — вертикальное; сгѳ — тан-

95

генциалыюе, которое направлено перпендикулярно к радиусу скважины; о,.— радиальное, которое направлено вдоль радиуса скважины.

Радиус скважины .мал по сравнению с толщиной пласта; по­ этому считают деформацию пород па стенках скважины плоской и для определения напряжений аг, о() и о,- применяют формулы

Лямэ из теории упругости. Математическое решение задачи об определении указанных напряжений дано С. Г. Лехницким. Анализ полученных нм формул показывает, что концентрация напряже­ ний имеет наибольшее значение на стенках скважины, и с удале­ нием от стенок она быстро затухает: уже на расстоянии трех-че­ тырех радиусов скважины нормальные напряжения прибли­ жаются к одной и той же величине — оу-.

Следовательно, внутренняя стенка скважины является наибо­ лее опасным местом с точки зрения ее устойчивости. Рассматри­ ваемые нормальные напряжения на ней имеют величины, опреде­ ляемые по следующим формулам:

зависят от двух важнейших факторов: всестороннего сжатия по­ роды и ее температуры. Оба эти фактора можно принять изме­

стенках скважины описывается зависимостью между октаэдриче­

роды должен устанавливаться на основе экспериментальных дан­ ных о ее прочностных свойствах в условиях всестороннего сжатия. Для крепких скальных пород указанная зависимость может быть выражена уравнением квадратической параболы, а для глин и малопрочных песчаников — уравнением прямой линии.

На устойчивость стенок скважины благоприятно действует противодавление промывочной жидкости: с увеличением уш устой­ чивость стенок скважины возрастает. Удельный вес промывочной

96

а для сохранения устойчивости на стенках скважины малопроч­ ного песчаника при наличии в порах его давления насыщающей жидкости — по формуле

1,227

(ІІІ.6)

А

где Л, В , А х и В[ — величины, конкретные для данной горной породы и определяемые по результатам лабораторных эксперимен- TOB, рот относительное пластовое давление [15, 89]; ß — коэффи­

мых пород ß= 0, а для хорошо проницаемых пород и маловязких жидкостей ß = l; для большинства малопрочных песчаников при насыщении их водой или маловязкой нефтью ß = l).

Как видно из формул (III.5) и (III.6), необходимая величина удельного веса промывочной жидкости для обеспечения устойчи­ вого состояния горной породы на стенках скважины повышается с ростом глубины скважины.

Поровое давление снижает прочность горной породы, и ее ус­ тойчивость на стенках скважины.

При отсутствии перепада давления между скважиной и пла­ стом устойчивость породы на стенках скважины значительно ухудшается, и предельная глубина устойчивого залегания горной породы резко уменьшается, причем тем больше, чем меньше рт

ипоровое давление.

Впроцессе бурения скважины происходит определенное взаи­ модействие между ее стволом и пластом. Это взаимодействие, в частности, заключается в отфильтровыванин в пласт свободной

воды из глинистого раствора с образованием глинистой корки на стенках скважины. В результате в приствольной зоне пласта дав­ ление будет выше, чем его поровое давление, и это давление мо­ жет мало отличаться от давления промывочной жидкости в ство­ ле скважины. Вследствие этого устойчивость горной породы на стенках скважины, как сказано выше, значительно ухудшится (правда, в таком случае уменьшится вероятность прихвата бу­ рильного инструмента из-за перепада давления).

Частично гидрофильные глины в большинстве случаев яв­ ляются сланцеватыми. Поверхности сланцеватости и границы об­ ломочных отдельностей делают приствольную зону пласта прони­ цаемой для фильтрата промывочной жидкости или для нее самой. Проникая в эту зону, промывочная жидкость или ее фильтрат уменьшают прочность породы как в результате снятия части все­ стороннего сжатия, так и в результате физико-химического взаи­ модействия с этой породой, которая в определенной степени спо­ собна к гидратации. В работе [98] показано, что проникновение жидкости из скважины в частично гидрофильную породу с на­ рушенной структурой почти в 2 раза уменьшает ее устойчивость.

На устойчивость глинистых пород большое влияние оказывает

их повышенная способность к физико-химическому взаимодейст­

вию с фильтратом промывочной жидкости.

При некоторой влажности, называемой критической, условие предельного состояния уже не зависит от величины всестороннего сжатия, и критическое октаэдрическое напряжение сдвига на стенках скважины становится не зависимым от глубины. Проч­ ность глинистой породы, имеющей влажность, близкую к крити­ ческой или превышающей ее, при любом значении всестороннего сжатия не отличается от прочности при одноосном сжатии, а по­ тому величина удельного веса промывочной жидкости для под­ держания устойчивости таких пород на стенках скважины опре­ деляется по формуле

Естественная влажность глинистых пород, залегающих на глу­ бинах более 1000 м, не превышает нескольких процентов. Поэто­ му нарушение устойчивости глинистых пород на стенках скважи­ ны вызывается в основном их увлажнением фильтратом промы­ вочной жидкости, который оказывает физико-химическое действие на деформационные свойства гидрофильных глин. Давление на­ сыщающей жидкости в этом случае имеет второстепенное зна­ чение.

Следовательно, промывочная жидкость в скважине, с одной стороны, создает противодавление на ее стенки и улучшает тем

ротрещинах внешнее всестороннее давление и еще более увлаж­ нять породу, понижая тем самым устойчивость последней в ре­ зультате снятия части давления всестороннего сжатия и (для некоторых пород) вследствие гидратации.

Как показано в работе [98], устойчивость на стенках скважи­ ны каменной соли, глинистого сланца и известняка заметно сни­ жается при увеличении их температуры.

Важным фактором, влияющим на поведение горных пород на стенках скважины, является длительность действия напряжений. При нахождении ствола скважины длительное время в незакреп­

рантируется. Определение времени, в течение которого можно осуществлять бурение без спуска обсадной колонны, имеет боль­ шое практическое значение [56, 61]. Это время зависит от многих, факторов, и пока они далеко не исследованы.

98

Отрицательное влияние на прочность горных пород в при­ ствольной зоне массива оказывают колебания гидродинамических давлений, возникающие в стволе скважины при выполнении раз­ личных операций [56, 61], а также периодические изменения тем­ пературы в указанной зоне [16, 44, 65].

Таким образом, из сказанного выше можно сделать вывод, что с точки зрения получения устойчивого поведения горных по­ род па стенках скважины при статическом действии промывочной жидкости надо стремиться к применению жидкостей высокого удельного веса, минимальной водоотдачи (по возможности без нее), низкой подвижности (высоких вязкости и сдвига).

Однако всегда надо иметь в виду, что при выполнении неко­ торых работ в стволе скважины на ее забой и стенки помимо статического давления столба промывочной жидкости действует еще II так называемое избыточное (гидродинамическое) давление [40. 56, 61], которое тем больше, чем выше удельный вес, вязкость II напряжение сдвига этой жидкости. При этом общее давление промывочной жидкости на забой и стенки скважины может пре­ вышать прочность горных пород и вызывать обрушение или гид­ роразрыв последних.

ДАВЛЕНИЕ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ

При отсутствии циркуляции промывочной жидкости она ока­ зывает в стволе скважины только статическое давление. Это давление, обусловленное весом жидкости, определяется по фор­ муле (1.8). При прямой промывке без противодавления промы­ вочная жидкость оказывает в стволе скважины давление, опре­ деляемое по формуле (1.7). Если происходит обратная промывка без противодавления, то можно также воспользоваться формулой (1.7), но в этом случае вместо ри следует подставить ри. 0 — поте­ ри давления промывочной жидкости в долоте, забойном двигате­ ле, бурильной колонне и т. д. Величина р„.0 подсчитывается по формуле (1.9), в которой вместо коэффициентов Ь,; и щ, исполь­ зуются аналогичные коэффициенты 6„. „ и аи. о-

При промывке с противодавлением оказываемое промывочной жидкостью в стволе скважины давление определяется по фор­ муле

4* 99

г

В процессе механического бурения приходится время от вре­ мени (по разным причинам [88]) приподнимать долото па не­ сколько метров над забоем и снова опускать его на забой. При приподнимании бурильного инструмента промывочная жидкость заполняет освобождаемое этим инструментом пространство, а при опускании инструмента она освобождает пространство, занимае­ мое им, т. е. в этом случае бурильный инструмент действует по­ добно плунжеру в плунжерном насосе. В результате такого дейст­ вия при приподнимании долота давление промывочной жидкости на забой и стенки скважины снижается, а при опускании — повы­ шается, и формула для определения давления промывочной жид­ кости в стволе скважины принимает следующий вид:

где Л/)д. — давление промывочной жидкости, обусловленное рав­ номерным движением бурильной колонны в ней (знак «минус» со­ ответствует движению колонны вверх, а знак «плюс» — движе­ нию вниз).

В периоды разгона и торможения приподнимаемой или спу­ скаемой бурильной колонны в промывочной жидкости возникают инерционные силы, вызывающие дополнительное давление Лр„„. Учитывая это явление, формулу для определения давления про­ мывочной жидкости в стволе скважины запишем следующим об­ разом:

промывки скважины (например, в результате резкого отключения

давления, создаваемого промывочной жидкостью в стволе сква­ жины, также в процессе подъема или спуска инструмента, в про­ цессе проработки ствола скважины, при промывке его и при от­ сутствии циркуляции. Только в каждом конкретном случае необ­ ходимо по соответствующим формулам определять составляющие Рж, стоящие в правой части рассматриваемого выражения, при­ чем некоторые составляющие (или одно из них) могут прини­

100