L БУРЕНИЕ СКВАЖИН ,
L А
УДК 622.248
© Ю.М. Гержберг, 2015
Оценка эффективности мероприятий по предупреждению прилипания бурильной колонны
Ю.М. Гержберг, к.т.н. (Ухтинский гос. технический университет)
Адрес для связи: mosyger@yandex.ru
Ключевые слова: скважина, бурильная колонна, компоновка, прихват, предупреждение.
Efficiency assessment of actions to prevent drillstring sticking
Yu.M. Gerzhberg (Ukhta State Technical University, RF, Ukhta)
E-mail: mosyger@yandex.ru
Key words: well, drill string, BHA, holding strap, prevention.
The problem of BHA holding as a result of its sticking to a well wall is considered. There are the results of researches of comparative efficiency of various actions to prevent such holding straps including the use of lubricants in boring mud, hydraulic vibrators to decrease adhesion forces with a clay crust, inclusions in assembly structure of the basic elements reducing its contact. The most effective technological decisions to prevent such holding straps are shown.
На фоне развития технологии строительства скважин, позволившего многократно увеличить скорость бурения, такие проблемы, как осложнения и аварии в условиях, способствующих прихватам бурильной колонны, на многих объектах выдвигаются на первый план. Это обусловлено освоением площадей со сложными горно-геологическими условиями, в том числе с высокопроницаемыми породами, большим перепадом давления в системе скважина - пласт.
Вопросы предупреждения прихвата бурильной колонны актуальны с начала внедрения вращательного бурения по настоящее время. По этому направлению выполнен большой объем исследований, имеются различные технологические решения. Например, на площадях Северо-Западного региона России с различной степенью успешности применялись такие методы бурения скважин в сложных условиях, как введение смазывающих добавок, уменьшение длины компоновки, бурение с пониженным гидростатическим давлением на пласт. Отмечено, что при снижении противодавления на стенки скважины нередко возникало нарушение их устойчивости, вплоть до обрушения, особенно на наклонных и горизонтальных участках ствола. В особо сложных условиях даже уменьшение длины компоновки не обеспечивало предупреждение прихвата.
Наличие в разрезе скважины высокопроницаемых пластов, а также диспергируемых глинистых пород, способствующих образованию глинистой корки значительной толщины, перепад давления между скважиной и пластом, низкое качество раствора и его очистки от выбуренной породы являются причинами прилипания компоновки низа бурильной колонны к стенке скважины. Прихват из-за прилипания приводит, как правило, к невозможности перемещения компоновки, и во многих
случаях приходится бурить новый участок ствола в обход аварийного с потерей части бурового инструмента. Такой вид прихвата бурильной колонны остается одним из самых распространенных, и затраты на его устранение составляют около половины затрат на ликвидацию всех осложнений, обусловленных геологическими причинами.
Анализ материала сальников, образующихся на лопастях центраторов и других элементах компоновки, показывает, что в их составе выбуренная порода занимает до 25-40 % объема. Свойства глинистой корки существенно зависят от содержания в ней выбуренной породы и компонентов промывочной жидкости. Состав глинистой корки близок к составу сальника, поскольку последний образуется на бурильной колонне преимущественно при сдирании корки лопастями. Поэтому адгезионные свойства корки и силы трения между ней и металлом, определенные в лабораторных условиях на модельных составах бурового раствора, могут значительно отличаться от фактических. Из-за неровности поверхности стенки скважины и локального искривления ее оси толщина глинистой корки может существенно различаться даже на небольшом участке ствола.
Тем не менее общие закономерности взаимодействия компоновки со стенкой скважины и эффективность мероприятий по предупреждению прихвата могут быть определены с помощью математического моделирования на основе расчета сил сопротивления осевому перемещению компоновки при ее остановке [1]. Процесс прилипания рассчитывается с использованием программы ЭВМ [2] путем определения напряженно-деформированного состояния компоновки в конкретных условиях (кривизна оси, зенитный угол, сечение скважины, состав компоновки, форма поверхности труб, толщина и
свойства глинистой корки, перепад давления между скважиной и пластом) и ее взаимодействия с ограничивающим пространством, представленным пластичной коркой и твердым основанием - породой.
В данной статье рассмотрена эффективность следующих мероприятий, направленных на предупреждение прихвата компоновки низа бурильной колонны вследствие ее прилипания к стволу скважины:
- использование добавок к буровому раствору, снижающих липкость глинистой корки и фильтрацию через нее жидкости;
- уменьшение длины компоновки;
- применение труб с профилем, уменьшающим площадь их контакта с глинистой коркой;
- использование элементов компоновки, отодвигающих трубы от стенки скважины;
- применение вибраторов в составе компоновки.
Выбор добавок к буровому раствору является предметом отдельных исследований с учетом большого разнообразия реагентов, препятствующих поступлению из породы в раствор глинистых компонентов, снижающих его фильтрацию через глинистую корку и коэффициент трения между металлом и коркой. В результате исследований с использованием смазывающих добавок на основе жиров и производных целлюлозы как понизителей водоотдачи определено, что относительно крупные твердые частицы (более 0,1 мм), содержащиеся в глинистой корке, заметно влияют на эффективность действия смазывающих добавок. Наличие 20 % песка в глинистой субстанции корки повышает коэффициент трения на 25-35 %. Скорость фильтрации также возрастала при наличии песка, следовательно, увеличивалась и толщина глинистой корки. Это может быть обусловлено разнородной смесью гидрофобных и гидрофильных компонентов в ее составе. Поэтому необходимы комплексные лабораторные исследования показателей трения с учетом наличия песка в глинистой корке, а также ее толщины и проницаемости.
На рис. 1 приведены результаты исследований коэффициента трения при разном содержании в корке песка из сальников и смазывающей добавки на основе жирных кислот. При отсутствии песка и введении в раствор 1 % добавки снижение коэффициента трения составило до 35 %, при наличии песка - около 25 %.
Сила прихвата обычно пропорциональна длине компоновки. Однако для создания нагрузки на долото и его оптимальной отработки, а также для решения задач регулирования траектории ствола скважины необходим определенный минимальный набор элементов компоновки (утяжеленные трубы, забойный двигатель, телеметрическая система и др.). Применение утяжеленных бурильных труб (УБТ) квадратного сечения или со спиральными углублениями на поверхности снижает силу прихвата на 25-35 %. Тем не менее при значительных толщине глинистой корки и длине компоновки этого может оказаться недостаточно для предупреждения прихвата. В работе [3] было отмечено, что кардинальным решением, кратно снижающим силы взаимодействия компоновки со стенкой скважины, является установка в ней промежуточных опор существенно меньшего диаметра, чем диаметр долота,
Рис. 1. Зависимость коэффициента трения между глинистой коркой и металлом от доли смазывающей добавки в растворе и содержания песка в глинистой корке:
I, II, III - интервал изменения коэффициента трения составляет соответственно 0,3-0,4; 0,1-0,3; 0-0,1
но большего, чем диаметр труб. Это позволяет уменьшить площадь контакта с глинистой коркой и использовать массивные компоновки, обеспечивающие качественную отработку долот.
На рис. 2 приведены результаты расчета сил взаимодействия со стенкой скважины распространенной компоновки с долотом диаметром 295,3 мм, состоящей из труб диаметром 203 мм и длиной 72 м, при толщине глинистой корки 5 мм. Усилие, необходимое для освобождения компоновки от прихвата при перепаде давления 3 МПа в стволе с зенитным углом 30°, составляет приблизительно 1000 кН. При установке в компоновке на определенном месте одного центратора диаметром 269 мм такое усилие снижается до 245 кН при тех же условиях, т.е. уменьшается в 4 раза. Такой подход уже реализуется на некоторых площадях Республики Коми при бурении в условиях аномально низкого давления.
Известны работы, посвященные применению различных устройств в составе компоновки, возбуждающих колебания в бурильной колонне как с целью повышения скорости бурения, так и для предупреждения ее прихвата [4-6]. С учетом того, что для освобождения бурового инструмента от прихвата требуются значительные энергия и мощность, представляет интерес оценка эффективности использования источников колебания - вибраторов (преимущественно гидроударников и пьезовибрато-ров) в постоянном составе компоновки для уменьшения сил ее сцепления с коркой. По сравнению с другими источниками колебания гидроударники обеспечивают наибольшие мощность и силу воздействия на компоновку. Поэтому расчет воздействия таких устройств на компоновку позволяет оценить их возможности по предупреждению прихвата.
Выполнены исследования по оценке интервала освобождения труб для разных диаметров долот, УБТ, зенитных углов скважины при использовании таких устройств. На рис. 3 приведена зависимость интервала распространения колебаний гидроударника, расположенного в нижней части компоновки, включающей УБТ диаметром 203 мм (диаметр долота - 295,3 мм), от веса бойка ударника и зенитного угла скважины при толщи-
Рис. 2. Пример расчета силы взаимодействия компоновки со стенкой скважины при установке двух (а) и трех (б) центраторов
не глинистой корки 5 мм. Расчеты показали, что этот интервал, в середине которого находится ударник, относительно небольшой (от 6-7 м при зенитном угле более 10° до 15-16 м при малом зенитном угле).
Мощность, необходимая для непосредственного воздействия на интервал длиной L при осевом колебании трубы от гидроударника, может быть рассчитана по уравнению
N = т2 L3 Т/4Е¥,
(1)
где т - сила прилипания на
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.