щ
технологии
К вопросу ликвидации прихватов бурового инструмента на подземных хранилищах газа
Е.А. РОГОВ,
к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории эксплуатации подземных хранилищ газа
ООО «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИгаз»
E_Rogov@vniigaz.gazprom.ru
В статье описаны сравнительные результаты лабораторных исследований по изучению воздействия различных составов жидкостных ванн на сальник при ликвидации прихвата бурового инструмента. Для выбора состава жидкостной ванны, эффективно разрушающей сальник, предложены методика и установка для ее реализации, позволяющая обеспечить простое выполнение операций и сопоставимость результатов испытаний различных составов.
TO THE QUESTION OF THE ELIMINATION OF THE BIT SEIZURE DRILLING TOOL ON UNDERGROUND GAS STORAGE
E.ROGOV, «Scientific-research Institute of natural gases and gas technologies - VNIIGAZ» LLC
The article describes the results of laboratory studies on the effects of different formulations of liquid baths on the seal when the bit seizure of drill tool.
Keywords: well, drill tool seize, seal, liquid bath
В процессе строительства скважин на подземных хранилищах газа возникновение прихвата бурового инструмента в результате сальникообразова-ния чаще всего происходит при бурении под эксплуатационную колонну. Механизм возникновения прихвата зачастую сводится к образованию на забое или в кавернах, а также на долоте и замках бурового инструмента слипшихся глинистых частиц из частично размягченных обломков выбуренной или обваливающихся пород, все более уплотняющихся в процессе бурения скважины. В результате физико-химического взаимодействия глинистых частиц друг с другом, стенкой скважины, колонной труб образуется довольно прочный сальник, препятствующий движению бурового инструмента вплоть до полной его остановки, а в ряде случаев мощность и прочность буровой установки не позволяют обеспечить перемещение колонны труб. Образованию сальников также способствуют загрязненность ствола скважины выбуренной породой, бурение без проработок пробуренных интервалов, недостаточная очистка бурового раствора, наличие в скважине каверн, желобов и др.
Анализ причин прихватов показал, что сила страгивания бурового инструмента при ликвидации прихвата зависит от множества взаимосвязанных и трудно определяемых на практике факторов, в частности: дифференциального и прижимающего давлений, продолжительности и площади контакта бурового инструмента со стенками ствола скважины и жидкостью ванны, физико-химических свойств бурового раствора, состава жидкостной ванны, залегающих горных пород в стенках,
геометрических размеров колонны труб и ствола скважины и т.п. [1 - 4].
На рис. 1 представлена схема поперечного сечения зоны прихвата бурового инструмента в скважине. Для страгива-ния колонны труб необходимо в любой момент времени t воздействия ванны приложить усилие Q на преодоление: веса колонны G под верхней границей зоны прихвата за вычетом архимедовой силы; силы прижатия колонны FП под действием перепада давления ДР между жидкостью в скважине Рс и под колонной Рк; силы взаимодействия труб Fс с сальником.
Исходя из перечисленных выше основных факторов, усилие для освобождения колонны можно представить в виде:
■ ;■■•:■ ■ (1) где ц - коэффициент трения труб о глинистую корку [1 - 4]; а - зенитный угол.
В свою очередь силы FП и Fс определяются по формулам:
Рис. 1. Схема поперечного сечения зоны прихвата бурового инструмента
1 - стенка скважины; 2 - глинистая корка; 3 - жидкостная ванна; 4 - сальник; 5 - периметр труб в зоне прихвата
L
технологии 1
= ,г. V .
где ДР = Рс -
(2) (3)
13 14 / У
Рк - прижимающее давление; тС - напряжение сдвига на поверхности соприкосновения труб с сальником; SП - площадь вдавливания труб в глинистую корку, в частности, зависящая от длины дуги L (рис. 1); SС - площадь контакта труб с сальником.
В случае образования прихвата бурового инструмента в результате сальникообразования одним из распространенных способов его ликвидации является установка жидкостных ванн (при условии сохранения хотя бы частичной циркуляции), жидкостью которой по каналу 3 (рис. 1) замещают буровой раствор, против зоны прихвата. Разупрочнение сальника под воздействием различных составов жидкостных ванн характеризует эффективность их использования и в общем случае позволяет обеспечить полное или частичное разрушение сальника, уменьшить силу трения, изменить давление в зоне прихвата. Поэтому при разработке состава жидкостной ванны следует исходить из
А
т
А
— 12
11
~ 10
_ — 9 8
.... — 7 6
— 5
4
Рис. 2. Схема лабораторной установки
того, что ее действие должно быть основано на разрушении коагуля-ционной структуры глинистых частиц путем химического растворения, разжижения и других видов воздействий или их комбинаций.
На рис. 2 приведена схема лабораторной установки по выбору эффективного состава жидкостной ванны для ликвидации прихвата бурового инструмента в результате сальникообразования [5].
Установка содержит емкость 1, наполненную глинистой пастой 2, полый цилиндр 3, имеющий с одной стороны вертикальный ряд сквозных отверстий 4 и верхнее отверстие для заливки исследуемого состава жидкостной ванны 5, пластину 7 прикрепленную к задней стенке сосуда 1, металлическую проволоку 8, индикатор часового типа 9, нить 10, чашку с разновесами 11, подвесной натяжной ролик 12, неподвижный ролик 13, стойку 14.
Усилие, необходимое для страгивания цилиндра, определяли по следующей методике. Вначале приготовили глинистую пасту следующим образом. Эксикатор наполнили водой в количестве
Q
щ
технологии
Табл. Значения усилий Q и касательных напряжений Т после воздействия исследуемых составов жидкостных ванн
масса цилиндра; g - ускорение свободного
lD+l„ - длина цилиндра; lB, lC - длина ци-
Состав жидкостной ванны Страгивающее усилие Q, Н Касательные напряжения т, Па
Н2О 2,815 73,178
15 % AySO^ 2,648 64,488
15 % NH2OHHCl 2,354 49,189
2500 г. При постоянном перемешивании в течение 15 мин. добавили 800 г. бентонитового глинопорошка Константиновского завода и выдержали смесь трое суток. Емкость 1 наполнили глинистой пастой плотностью 1280 кг/м3 и поместили на заданную глубину полый цилиндр 3, изготовленный из дюралюминиевого материала длиной I = 25 см с наружным диаметром d = 36 мм, плотностью р = 1900 кг/м3 и массой т = 0,265 кг. В полый цилиндр через отверстие 6 залили исследуемый состав жидкостной ванны 5 в объеме 50 мл и оставили в покое в течение заданного периода времени. После истечения заданного периода времени воздействия жидкостной ванны постепенно нагружали чашку разновесами 11, определяли усилие, необходимое для страгивания цилиндра, которое фиксировали с помощью индикатора часового типа 9. Модель соответствует прихвату бурового инструмента в сальнике, образовавшегося в вертикальном участке ствола скважины с непроницаемыми стенками (глинистая корка и прижимающее давление отсутствуют). В этом случае уравнение (1) упрощается и с учетом (2) и (3) принимает вид:
Чем меньше страгивающее усилие, тем эффективнее состав жидкостной ванны для ликвидации прихвата. Определив страгивающее усилие опытным путем и решив уравнение (4) относительно касательных напряжений,получим:
Напряжения т, рассчитанные по формуле (5), использованы как показатель эффективности разупрочнения сальника под действием различных жидкостных ванн в течение одинакового периода времени t = 4 ч. Наибольшее ослабление сальника под влиянием любой ванны наступает к моменту, когда жидкость из нее достигнет всей поверхности прихваченной трубы. Поэтому при опытах на установке длина погружения полого цилиндра в сальник I = 0,17 м выбрана из интервала значений половины периметра наружного диаметра бурильных и утяжеленных труб, используемых в промысловых условиях (яй/2 = п (0,042...0,273)/2 = 0,07...0,43 м), а время действия ванны (4 часа) принято равным реальному [6]. Для апробации методики в качестве жидкостных ванн использовали водопроводную воду (Н2О), 15%-ный водный раствор сернокислого алюминия (А12^04)3) и 15%-ный водный раствор гидроксиламина солянокислого ^Н2ОН-НС1).
Результаты опытов обработаны по формуле (5), записанной с помощью измеренных значений усилия О и исходных данных:
где т
падения; * — ^В 1 1с "" ^Г.лп. «с
линдра в воздухе и сальнике; d - диаметр цилиндра; р, рс - плотность материала цилиндра и сальника.
Например, после установки жидкостной ванны из 15%-ного водного раствора NH2OH■HCI при страгива-нии цилиндра масса разновесов составила тр = 0,24 кг и соответствовала усилию О = дт = 9,81 0,24 = 2,354 Н. В этом опыте касательные напряжения т, возникающие в момент извлечения цилиндра из сальника, по формуле (5) составляют величину:
;; ;■ il / ,-:i
(5)
В табл. приведены результаты исследований по определению страгивающего усилия Q и касательных напряжений т после установки исследуемого состава жидкостной ванны.
Проведенные исследования показали, что жидкостная ванна из 15%-ного водного раствора NH2OH HCl значительно снижает прочность сальника и усилие, необходимое для ликвидации прихвата, по сравнению с другими составами. Таким образом, предложенная методика и установка для ее реализации позволяют оперативно подобрать эффективный состав жидкостной ванны для ликвидации прихвата бурового инструмента при строительстве скважин на подземных хранилищах газа.
Литература
1. Александров М.М. Силы сопротивления при движении труб в скважине. М.: Недра, 1978.208 с.
2. Саматой А.К. Прихваты колонн при бурении скважин. М.: Недра, 1984.204 с.
3. Ясов В.Г., Мыслюк М.А. Осложнения в бурении: справочное пособие. М.: Недра, 1991.334 с.
4. Шерстнев Н.М., Расизаде Я.М., Ширинзаде С.А. Предупреждение и ликвидация осложнений в бурении. М.: Недра, 1979. 304 с.
5. Патент РФ на полезную модель №134585, Е21В 49/00, G01N 19/00. Установка для исследования состава жидкостной ванны, ликвидирующей прихват трубных колонн в вертикальной скважине / Е.А. Рогов, А.Я. Исхаков, С.Г. Солдаткин (Россия). Заявл. 13.06.2013. Опубл. 20.11.2013. Бюл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.