книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

6)площадь поверхности контакта (Х6);

7)коэффициент трения в зоне контакта (Х7) ;

8)время контакта колонны труб, находящейся в покое, со стенкой скважины (Z8) ;

9)величина перепада давления (Х9) ;

10)физико-механические свойства бурового раствора (Хю);

11)температура в зоне прихвата (Хп);

12) абсолютная величина гидростатического давления.

№2 ) ;

13)проницаемость породы в зоне прихвата (Xi3);

14)тип пластового флюида (Х\4);

15)физико-механические свойства фильтрационных корок

(Х15);

16)пористость породы (Xie);

17)скорость восходящего потока (Х[7);

18)количество смазывающей добавки (Xi8). Существующие виды прихватов объединили по физической

однородности вероятных причин и обстоятельств их возникно­

III — прихват вследствие сужения ствола скважины при осе­ дании шлама, утяжелителя, обвалах пород, сальникообразовании.

Специалистам предложили пронумеровать факторы в поряд­ ке убывания по степени их значимости и влияния на возникно­ вение прихватов каждой из трех названных категорий. К обра­ ботке были приняты 27 опросных листов, заполненных с соблю­ дением предъявляемых требований.

Данные опроса представили в виде матриц первоначальных и переформированных рангов и обработали по методике, позво­ ляющей получить максимум информации по результатам опроса.

Исследование подразделяли на этапы, заключающиеся в проверке определенных гипотез, располагаемых в порядке убы­ вания их значимости, причем отрицательный ответ означал про­ должение исследования, а положительный — окончание.

В результате проверки гипотез [5, 47, 70] по каждой кате­ гории прихватов все перечисленные факторы были разбиты на группы по степени значимости (табл. 7).

Полученные данные о распределении факторов не противо­ речат существующему в настоящее время мнению о первопри­ чинах прихватов колонны труб и являются основой для науч­ ного планирования экспериментов по изучению механизма при­ хватов.

Согласно полученным данным (см. табл. 7), для всех трех категорий влияние факторов Хп, д 14, Xi6 и Х 17 несущественно,.

31

по-видимому, вследствие недостаточной изученности их влия­ ния на возникновение прихватов.

Следовательно, можно сделать вывод, что исследование про­ цесса прихвата надо начинать с изучения количественного и качественного влияния самых существенных факторов, т. е. рас­ положенных в 1 и 2 группах.

Одновременно следует отметить, что по распределению фак­ тор Х а д л я I категории прихватов занимает шестое место, для II категории— второе и для III категории — четвертое. Это не противоречит действительности, так как согласно статистической отчетности, более половины зарегистрированных прихватов от­ носятся к происшедшим по вине исполнителей работ, следова­ тельно, необходимо повышать их технический уровень.

§ 2. ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ

Длительное время считали, что путем регламентирования вели­ чин липкости и толщины фильтрационной корки, вязкости и статического напряжения сдвига бурового раствора можно пре­ дупредить возникновение прихватов. В ряде случаев это удава­ лось. В то же время почти не обращали внимание на перепад давления, который возникает при контакте труб с проницаемы­ ми стенками скважины и определяется разностью между дав­ лением, оказываемым буровым раствором, и давлением флюи­ да в пласте.

Вывод, сделанный в 1944 г. А. И. Малышевым, указывал, что для освобождения прихваченного инструмента необходимо

32

уменьшать перепад давления в зоне контакта труб со стенками •скважин, что и подтвердилось промысловыми данными.

Для подтверждения этого вывода проводили исследования с применением сначала вакуумной камеры, на фильтре которой формировалась корка. Величину воздействия перепада давления оценивали по силе, необходимой для поворота металлического цилиндра вокруг собственной оси после контакта с коркой. За­ тем аналогичные опыты проводили на модели скважины диа­ метром 168 мм.

Опыты с применением растворов с бурящихся скважин пока­ зали, что сила прихвата пропорциональна действующим пере­ падам давления.

К аналогичному выводу пришли В. Е. Хелмик и А. Д. Лонгли [82], пользовавшиеся лабораторной установкой, которая представляла собой пористый цилиндр из алундума с наруж­ ным диаметром 114 мм, толщиной стенок 19 мм и длиной 610 мм, давление опрессовки 42 кгс/см2. Роль прихватываемой трубы выполнял 60-мм отрезок длиной 460 мм, заполненный ртутью, которая создавала прижимающую силу. Перепад дав­ ления во время опыта составлял 3,5—7,0 кгс/см2.

А. П. Войцеховский в 50-х годах провел исследования на установке, позволяющей формировать корку и замерять силы отрыва и сдвига под действием перепада давления до 80 кгс/см2 [14]. При всех указанных величинах перепада давления между силой, необходимой для отрыва диска от корки или его сдвига, и величиной перепада давления наблюдалась прямолинейная зависимость.

Прямая, выражающая эту зависимость, не проходила через начало координат, а отсекала на оси ординат отрезок, равный по величине силе, необходимой для отрыва диска от корки при

Н.>М. Шерстнев, А. А. Григорян [75, 85], Ф. А. Дашдамиров,

А.А. Шамсиев [21], А. К. Самотой [66, 68] и др.) были под­ тверждены выводы о пропорциональности' силы прихвата дей­ ствующему перепаду давления (в пределах до 160 кгс/см2) и установлено, что наиболее интенсивно сила прихвата возра­

стает в первоначальный момент действия перепада давления и активного формирования фильтрационной корки (в течение пер­ вых 30 мин), но со временем интенсивность ее роста стабили­ зируется.

Следует отметить, что значительное уменьшение силы при­ хвата наблюдается сразу же после уменьшения перепада давле­ ния, причем процесс этот протекает с момента падения давле­ ния в течение нескольких секунд.В связи с этим, наряду с уста­ новкой ванн из жидкостей, уменьшающих перепад давления в зоне прихвата, целесообразно для освобождения инструмента кратковременно снижать давление в затрубном пространстве,

Рис. 3. Схема для определенна! средневзвешенной величины пере­ пада давления:

1 — изобара, соответствующая дав­ лению в фильтрационной корке на рас­

например включением испытателей пластов в компоновку труб.. При частичном уменьшении перепада давления сила прихвата остается еще значительной, что не способствует освобождению труб.

В расчетах по определению сил прихвата обычно за вели­ чину перепада давления принимают разницу между давлением столба жидкости в скважине рг и пластовым давлением рплПри строгом подходе [15] необходимо учитывать ту величину Рпл, которая соответствует давлению на участке внедрения тру­ бы в корку (рис. 3, дуга АСК). Поскольку фильтрационная корка является проницаемой средой, то, учитывая малую ее . толщину по сравнению, например, с диаметром скважины, мож-

v но принять, что давление в ней распределяется согласно зави­ симости

Перепад давления равен нулю в верхних слоях корки и раз­ ности гидростатического рг и пластового рпл давлений в слое, соприкасающемся со стенкой скважины. В случае, когда точ­ ка С (см. рис. 3) находится на стенке скважины, пластовое давление равно давлению в точке наибольшего внедрения тру­ бы в корку рк, т. е. рпл= рк- Внедрившийся в корку участок тру­ бы находится под действием средневзвешенного перепада дав­ ления Дрср, который, согласно теореме о среднем, может быть определен по формуле

34

тде cp — текущий угол; Д р(р)— разность гидростатического давления и давления в корке на расстоянии р; Ар(р)=рг—р'= =Лр—В; ф0 — угол АОК, заключенный между граничными точ­ ками контакта трубы с коркой (см. рис. 3).

Для нахождения Др(р) необходимо определить коэффици­ енты Л и В из уравнения (1).

в корку (см. рис. 3).

При указанных граничных условиях имеем систему уравне­

\Агс— В = рг— рк.

Решив систему уравнений (3), получим

Тогда

гс — г0

Чтобы подынтегральное выражение в уравнении (2) при­ вести к одной переменной ф, необходимо р выразить в поляр­ ных координатах через ф.

Уравнение для определения расстояния от поверхности тру­ бы до центра скважины (см. рис. 3, точка 0) имеет вид

Подставляя выражение (5) в уравнение (4) и полученное

2* 35

Т а б л и ц а 8

где а — коэффициент средневзвешенности перепада давления.. Результаты расчетов (табл. 8) показывают, что коэффици­ ент а уменьшается с увеличением глубины внедрения трубы в корку (принимали, что тело трубы полностью прорезает кор­ ку), а при одинаковой величине внедрения он тем больше, чем больше отношение наружного диаметра труб к диаметру сква­

жины (d/DCKB).

С учетом коэффициента а зависимость для определения си­

L — длина прихваченного участка; b — ширина полосы прихва­ та (см. хорду АК на рис. 3); Ga№— адгезионная составляющая, силы прихвата;

Л Р = РГ — Рпл-

Согласно выражениям (2) и (4), с увеличением глубины внедрения трубы в корку растет площадь контакта трубы с кор­ кой и повышается перепад между давлениями рти рк.

Если принять глубину внедрения трубы в корку h = р—г0, а толщину корки # = г с—г0, то с учетом формул (4) и (6) полу­

36

Если обозначить

(abh)/H = С,

как коэффициент механической составляющей силы прихвата, то формула (9) примет вид

Таким образом, на трубы, внедрившиеся в фильтрационную корку, при прихвате действует не полная величина перепада давления между скважиной и пластом, а некоторая его часть, определяемая коэффициентом средневзвешенности перепада дав­ ления а, значения которого находятся в пределах 0,586—0,653 (см. табл. 8). С учетом этого коэффициента силу, необходи­ мую для ликвидации прихвата, следует определять по форму­ лам (9) и (10).

§ 3. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ, ПРОТИВОДАВЛЕНИЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ ПЛАСТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ

До настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос о природе сил взаимодействия бурильной колонны со стенкой скважины в интервалах залегания непроницаемых пластичных глин [21, 81]. Существует, например, мнение, что в случае при­ жатия колонны труб под действием сил гравитации и упруго­ сти к непроницаемой пластичной глине может произойти при­ хват под действием полного гидростатического давления (явле­ ние, подобное прижатию подводной лодки ко дну океана).

Для оценки опасности возникновения таких прихватов про­ вели специальные исследования [39]. На металлокерамическом фильтре проницаемостью 800 мД при высоких температурах и давлениях формировали глинистую корку из раствора, залива­ емого в стакан, помещенный в рабочую камеру установки. Дав­ ление в камере создавали нагнетанием сжатого воздуха, тем­ пературу — применением нагревательных элементов, регулируя ее в необходимых пределах с помощью контактного термометра. Формирование корки продолжалось в течение 1 сут, после чего снизу под металлокерамический фильтр устанавливали непро­ ницаемую подкладку и камеру выдерживали под давлением еще 30 мин (для заполнения фильтратом всех пустот между металлокерамическим фильтром и непроницаемой подкладкой). Глинистая корка, помещенная на непроницаемое основание, имитировала пластическую непроницаемую глину, на поверх­ ности которой в процессе циркуляции осаждаются твердые частицы из бурового раствора. Затем на глинистую корку уста­ навливали плоский металлический пуансон диаметром 40 мм, на которой создавали определенное механическое давление рМех.

37

По истечении заданного времени контакта с глинистой кор­ кой пуансон сдвигали вращением. При этом с помощью гидрав­ лического динамографа непрерывно записывали величину при­ ложенной силы, по максимальному значению которой вычисля­ ли удельное сопротивление сдвигу металла по глинистой кор­ ке а (гс/см2). На протяжении всего опыта, начиная с момента формирования корки и кончая сдвигом пуансона, в камере под­ держивали постоянные температуру и давление.

При проведении экспериментов механическое давление на пуансон Рмех соответствовало максимальной величине взаимо­ действия бурильного инструмента и стенки скважины. Как из­ вестно, наибольшее давление на стенку скважины бурильная колонна оказывает в интервалах с наименьшим радиусом кри­ визны, т. е. там, где интенсивность искривления ствола Да максимальна.

Для оценки величины давления растянутой бурильной колон­ ны на стенку искривленной скважины были проведены расче­ ты по методике М. М. Александрова [7]. Результаты расчетов (табл. 9) показывают, что на практике в самых неблагоприят­ ных условиях, когда искривление скважины достигает 10° на 100 м проходки, величина механического давления бурильной колонны на стенку скважины на единицу площади контакта между ними рмех (даже при весе инструмента ниже места искривления— 100 тс и более) не превышает 600—700 гс/см2.

В табл. 10 для примера приведены результаты опытов, про­ веденных на установке с использованием необработанного гли­ нистого бурового раствора, приготовленного из бентонитового порошка. Во время опытов поддерживали следующие условия:

Давление, кгс/см2 . . . • ................................... 30 Температура, ° С ......................................................20—22

В случае использования проницаемого фильтра в условиях Рмех= 100 гс/см2 происходил прихват пуансона под действием

Т а б л и ц а 9

П р и м е ч а н и е . Рмех вычислено для случая, когда вес бурильной колонны ниже

места искривления (с учетом облегчения в жидкости) равен 1000 кгс. Для других значе­ ний табличные данные необходимо умножить на вес бурильной колонны (в тс) ниже ме­ ста искривления .

38

перепада гидравлического давления рГИДр и сила удельного соп­ ротивления сдвигу о достигала значительной величины (см. табл. 10).

В опытах с непроницаемым фильтром величина удельного сопротивления сдвигу не превышала 670 гс/см2, хотя механи­ ческое давление пуансона на глинистую корку доходило до 1590 гс/см2, т. е. в этом случае прихвата под действием гид­ равлического давления в камере ртдр не происходило. Для под­ тверждения этого вывода в табл. 10 приведены значения вы­ численных условных коэффициентов сопротивления сдвигу:

а гидравлическое не влияет на силу прижатия пуансона к гли­ нистой корке. Коэффициент сопротивления представляет собой

Коэффициент сопротивления, вычисленный из предположе­ ния, что в прижатии пуансона к глинистой корке участвуют и механическое и гидравлическое давления — /Сгидр+мех имеет очень малые величины (тысячные доли единицы) и в несколько десятков раз меньше соответствующего коэффициента для слу­ чая прихвата под действием полного перепада давления (см. первую строку табл. 10). Поскольку это противоречит совре­ менным представлениям о природе данного явления, можно сделать вывод, что на величину сопротивления сдвигу металла по глинистой корке в интервалах залегания непроницаемых по­ род фактически влияет только механическое давление.

39

Для доказательства этого вывода рассмотрим закономерно­ сти определения вычисленного по экспериментальным данным коэффициента /Смех и соответствие этих изменений физическому смыслу коэффициента.

В случае воздействия на пуансон только механического давления силы взаимодействия и сопротивления сдвигу по гли­ нистой корке выражаются следующими уравнениями:

где Qo6m. мех — общая сила взаимодействия пуансона с глинистой коркой, гс; <2адг — составляющая сила, обусловленная адгезией между металлом и глинистой коркой, гс; QTP— составляющая сила, вызванная механическим трением, гс; Я — удельная сила

.адгезии, гс/см2; ц — коэффициент трения металла по глинистой корке; Дмех — сила механического прижатия пуансона к корке, гс; 5 — площадь контакта пуансона с коркой, см2; рмех — сила механического давления пуансона на глинистую корку, гс/см2; сгМех — удельное сопротивление сдвигу при механической на­ грузке, гс/см2; /Смех— коэффициент сопротивления сдвигу при действии механической нагрузки.

Видно, что с увеличением механического давления на пуан­ сон рМех доля адгезионных сил, выражаемых удельной силой адгезии Я, в коэффициенте сопротивления Кмех должна умень­ шаться. В то же время с увеличением механического давления должен уменьшаться и сам коэффициент /Смех в связи с тем, что коэффициент механического трения р, с увеличением на­ грузки меняется незначительно. Это подтверждается данными лабораторных исследований (см. табл. 10) и находится в пол­ ном соответствии с представлениями о физических явлениях на контакте металл — глинистая корка. Также подтверждается, что гидравлическое давление в данном случае не участвует в дополнительном прижатии пуансона к глинистой корке, а силы взаимодействия металла с коркой формируются под действием только механического давления.

В случае использования проницаемого фильтра коэффициент сопротивления /Смех, вычисленный из предположения, что в фор­ мировании сил взаимодействия пуансона с глинистой коркой участвуют только составляющие механического давления, дости­ гает нескольких десятков единиц, хотя по своей физической сущности не может быть больше единицы. Следовательно, при применении проницаемого фильтра силы взаимодействия ме­ талла с глинистой коркой формируются не только вследствие механической нагрузки, но главным образом под действием перепада гидравлического давления.

40