книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

с увеличением времени контакта объясняется проникновением пуансона в глинистую корку и взаимодействием с более плот­ ными ее слоями. Однако во всех случаях даже после 12 ч непо­ движного контакта гидравлическое давление в камере не влияло на величину сопротивления сдвигу металла по глинистой корке, лежащей на непроницаемом основании. В этих условиях силы взаимодействия пуансона с коркой формировались только под действием механического давления и не достигали величины,, способной вызвать прихват.

В табл. 11 для примера (с целью оценки величины /Смех в реальных скважинах) приведены расчетные данные о величине сил сопротивления при спуске 324-мм обсадной колонны длиной 1000 м в скв. 6 Суркульско-Кумской площади, Ставрополье, кривизна ствола которой достигала 18°.

Сила прижатия колонны к стенке скважины определена по методике М. М. Александрова [7]. Суммарная сила сопротивле­ ния (нагрузка на крюке сверх веса колонны с учетом облег­ чения в жидкости) рассчитана для нескольких значений /Смех (от 0,1 до 0,5), что охватывает все встречающиеся в практике и полученные на лабораторной установке величины этого коэф­ фициента.

Фактические максимальные сопротивления при спуске ко­ лонны достигали 2500—3000 кгс, что соответствует /Смех = = 0,3-f-0,4. Примерно такие же величины коэффициента сопро­ тивления были получены и в результате лабораторных иссле­ дований при неподвижном контакте пуансона с глинистой коркой на непроницаемом основании. Следовательно, условия, заложенные в основу лабораторных исследований, близки к условиям, существующим в реальной скважине.

41

На основании описанных выше исследований можно сделать вывод, что в формировании сил взаимодействия колонны труб и стенки скважины в интервале залегания непроницаемых пла­ стичных глин гидростатическое давление не участвует.

Вместе с тем расчеты, проведенные в соответствии с условияхми в скважинах, в которых произошли прихваты, показы­ вают, что в результате механического давления; на стенку скважины под действием веса бурильной колонны при нор­ мальном профиле поперечного сечения ствола (который опреде­ ляет площадь контакта, а следовательно, и суммарную величину сил адгезии) сила сопротивления страгиванию колонны вдоль оси скважины должна быть намного меньше величины факти­ чески достигнутых нагрузок, прилагаемых к колонне в процессе ее расхаживания при освобождении от прихвата. Таких зна­ чений силы взаимодействия могли достичь только в том случае, когда площадь соприкосновения бурильной колонны с пла­ стичными глинами составляет почти половину боковой поверх­ ности УБТ.

С теоретической точки зрения, прихват под действием пол­ ной величины гидростатического давления может возникать, если инструмент, находясь в интервале залегания непроницаемых пород в течение продолжительного времени, будет прижат к стенке скважины под действием силы, приводящей как к пол­ ному удалению жидкости из зоны контакта, так и к полному контакту инструмента с породой, исключающему проникно­ вение жидкости в зону контакта и выравнивание давления. В этих редких случаях колонна труб будет прижата к стенке скважины силой, равной произведению полной величины гидро­ статического давления на площадь контакта со стенкой сква­ жины.

В условиях скважины прихват колонны в интервале залега­ ния проницаемых отложений происходит при действии, с одной стороны, гидростатического давления столба бурового раствора, с другой — пластового давления (противодавления). Для опре­ деления влияния противодавления к нижней части камеры установки [66] подсоединяли линию высокого давления. В про­ цессе формирования .корки и прихвата пуансона создавали противодавление. При этом использовали бентонитовый раствор.

Как показали исследования (табл. 12), при одинаковом перепаде давлений силы сопротивления тем больше, чем больше абсолютные значения давлений в камере и под фильтром.

В случае действия высоких давлений в скважине и пласте, например 450 и 400 кгс/см2 или 950 и 900 кгс/см2, вероятность возникновения прихвата значительно выше, чем в случае дей­ ствия более низких давлений, например 250 и 200 кгс/см2 (при прочих равных условиях). Это обстоятельство свидетельствует о том, что с увеличением глубины скважины, а следовательно, гидростатического и пластового давлений опасность возникно-

42

вения прихвата возрастает даже в тех случаях, когда в про­ цессе проводки скважины поддерживается постоянный перепад давления на проницаемые пласты.

При разбуривании проницаемых отложений происходит не­ прерывная фильтрация жидкой фазы бурового раствора с обра­ зованием фильтрационной корки, что приводит к повышению давления флюида в приствольной зоне скважины (при незначи­ тельной проницаемости коллекторов). Видимо, давление в при­ ствольной зоне, именуемое некоторыми исследователями дина­ мическим пластовым давлением, может существенно отличаться от начального пластового. В этом случае перепад давления приближается к нулю. Нетрудно убедиться, что процесс вырав­ нивания давления будет тем интенсивнее, чем больше водо­ отдача раствора. С другой стороны, при увеличенной водоотдаче раствора сила прихвата возрастает.

Снизить гидростатическое давление до пластового можно установкой жидкостных ванн для ликвидации прихватов. Время выравнивания давления для нефтеводонасыщенных пластов со­ ставляет несколько часов, для газонасыщенных — значительно больше {45).

Наиболее интенсивно выравнивает давление соляровое масло (по сравнению с нефтью, водой, буровым раствором) [76]. Дав­ ление при установке ванны выравнивается медленнее, если корка образована из утяжеленного раствора.

§ 4. ВРЕМЯ НЕПОДВИЖНОГО КОНТАКТА

Изменение силы трения во времени при неподвижном контакте трущихся пар может быть выражено формулой (28, 37]

43

Следует иметь в виду, что под термином сила трения под­ разумевается суммарная величина сил сопротивления движению одной поверхности относительно другой.

Увеличение силы трения покоя во времени объясняется ростом фактической площади контакта. В этом случае чем больше нормальная нагрузка при данной номинальной площади контакта, тем быстрее будет достигаться максимум сил трения. Применительно к контакту металлической поверхности с фильт­ рационной коркой такое объяснение не всегда допустимо, так как между коркой и трубой, несмотря на значительное дав­ ление в зоне контакта, находятся пленки жидкости (воды или смазки) и в этом случае фактическая площадь контакта может не увеличиться [231. Рост сил сопротивления во времени при контакте металла с фильтрационной коркой связан в большей степени с изменением свойств корки, прилегающей к металлу (ее обезвоживание, упрочение структуры), а также с умень­ шением ее проницаемости.

Кривая зависимости изменения силы прихвата от времени контакта имеет параболический характер, причем со временем интенсивность роста сил прихвата убывает, приближаясь к не­ которому критическому значению. Многочисленными исследова­ ниями [48, 57, 58, 66, 84, 85] установлено, что силы прихвата наиболее интенсивны в первые минуты контакта. Вследствие этого наиболее результативны мероприятия по ликвидации возможного прихвата, проводимые именно в этот период. К ним, в первую очередь, надо отнести непрерывное расхаживание колонн труб и ее вращение. При прочих равных условиях сила прихвата с увеличением перепада давления возрастает, а с уве­ личением времени формирования корок — уменьшается. По­ следнее обстоятельство, по-видимому, обусловлено уплотнением корок во времени, снижающим их проницаемость до минималь­ ных значений, а также выравниванием пластового давления до величины гидростатического.

§ 5. СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Под влиянием прижимающих нагрузок (механических и от дей­ ствия перепада давления) при страгивании или движении ко­ лонны труб вдоль оси скважины на контакте металл—корка возникают силы сопротивления, связанные как с механическим трением, так и с адгезионным взаимодействием поверхностей. Силы трения проявляются только в присутствии нагрузки на трубы, нормально направленной к стенке скважины, и в про­ стейшем случае выражаются известным законом Амонтона:

где р — коэффициент трения; А — нормальная нагрузка.

44

Силы адгезии, под которыми понимают сцепление между двумя приведенными в состояние контакта поверхностями раз­ личных по своей природе материалов, остаются и после снятия нормальной нагрузки. Согласно адсорбционной теории, адгезия возникает под действием сил сориентированного взаимодействия (Ван-дер-Ваальсовы силы), обусловленного наличием у молекул постоянной асимметрии в распределении электрических зарядов или постоянного дипольного момента, т. е. вектора, направлен­ ного от отрицательного заряженного конца молекулы к поло­ жительно заряженному и численно равного произведению за­ ряда е на расстояние между зарядами I:

в месте контакта металла с коркой, не превышает определен­ ного значения, так как чем дальше от поверхности твердого тела находится молекулярный адсорбционный слой, тем меньше энергия адсорбции, т. е. та энергия, которую нужно приложить для разрушения адгезионной связи.

Как показывают лабораторные исследования [85], адгезион­ ные силы могут составлять 40—60% от суммарных сил /^бщ взаимодействия металла с коркой (табл. 13), поэтому даже после полного снятия действия перепада давления Ар (с целью ликвидации прихвата) к колонне бурильных труб необходимо приложить дополнительную силу сверх ее веса, чтобы преодо­ леть действие адгезионных сил.

При изучении изменения адгезионных Дадг и механических FMex сил [85] установили, что при перепаде давления до 50 кгс/см2 более интенсивно возрастают Faar, а затем — FMe%(см. табл. 13).

Для исследования сил взаимодействия^ металла с фильтра­ ционной коркой изготовили прибор ПС-ГК [Ю]. Фильтрационная

45

Рис. 4. Схема прибора ПС-ГК-:

/ — лимб; 2 — глинистая корка: 3 — пуансон

давления до 30 кгс/см2 и пе­ реносилась на столик прибора (рис. 4), после чего стальной плоский пуансон диаметром 30 мм выдерживался на кор­ ке в течение определенного времени под нагрузкой Р. По­ сле замера величины внедре­ ния в корку пуансон сдвигали вращением лимба, жестко свя­ занного с ним, причем момент, необходимый для страгивания пуансона, определялся силой

Q, приложенной к лимбу.

В этом случае

/?— радиус лимба, см. Но

F = fnr\

тогда

QR = - J rfnr2

и

/ = 0 ,4 7 7 ^ -,

г3

где f — сила удельного сопротивления сдвигу металла по филь­ трационной корке, кгс/см2.

Как было отмечено, общая сила сопротивления слагается из сил трения и адгезии, причем первая из них проявляется при наличии нагрузки на пуансон, а вторая — при отсутствии нагрузки. Поэтому для раздельного определения сил адгезии и трения замеры проводили как под нагрузкой, так и без нее. И в том, и в другом случаях пуансон выдерживали под опре­ деленной нагрузкой в течение одного и того же времени.

Перепад давления, при котором формируется корка, суще­ ственно не влияет на силу сопротивления сдвигу, хотя и опре­ деляет ее плотность. Так, глубина погружения пуансона в корку, сформированную при 30 кгс/см2, на 30% ниже, чем при; пере­ паде давления 10 кгс/см2.

46

47

В табл. 14 приведены результаты исследований по изучению влияния различных смазывающих и поверхностно-активных до­ бавок на величину сил сопротивления при сдвиге пуансона по корке. Установлено, что в растворах малой плотности содер­ жание нефти в качестве смазывающей добавки выше 10% нера­ ционально, силы сопротивления значительно снижаются (на 40— 45%) при обработке раствора кремнеорганическими жидкостями ГКЖ-94, ПФМС и водорастворимым неионогенным ПАВ ОП-Ю в количестве 0,5%, что, видимо, связано с образованием на границе металл — корка гидрофобной адсорбционной пленки.

§ 6. ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА

Сила, которую необходимо приложить к колонне бурильных труб для ее освобождения, определяется зависимостью [66]

где L — длина прихваченной части; Ъ— длина хорды, соответ­ ствующей дуге прихвата; ц — коэффициент трения; ДрС — сред­ ний перепад давления в зоне прихвата; Ь\ — длина дуги по

поверхности трубы, находящейся в контакте с фильтрационной коркой; стадо — значение силы адгезии на границе фильтрацион­ ной корки с металлом; F — сила нормального давления трубы на стенку скважины (составляющая веса инструмента).

Как видно из приведенной формулы, сила прихвата про­ порциональна площадям контакта:

S1 — Lb и S2 — Lbv

Длина прихваченной части труб зависит от протяженности участка ствола, покрытого фильтрационной коркой, искривле­ ния скважины, кавернозности, компоновки низа бурильной ко­ лонны, величины разгрузки бурильного инструмента после при­ хвата. Длину хорды и дуги Ъ и &1 определяют наружным диа­ метром трубы и глубиной внедрения ее в фильтрационную корку. Максимальных значений Ъ и Ьх достигают в случае при­ хвата инструмента в желобообразной выработке на стенках скважины.

Для предупреждения прихватов рекомендуется применять специальные устройства и инструмент, уменьшающие фактиче­ скую площадь поверхности контакта труб со стенками сква­ жины. Например: УБТ с фасонным поперечным сечением (квад­ ратные, круглые со спиральными канавками на поверхности, квадратные со смещенными гранями), центраторы, стабилиза­ торы, переводники-центраторы [78]. Считается, что правильное использование этих устройств и инструментов позволяет решить следующий комплекс задач:

1)уменьшить или устранить искривление ствола скважины;

2)уменьшить или предотвратить непосредственный контакт УБТ со стенками скважины;

3)уменьшить износ труб;

4)увеличить жесткость низа бурильных колонн;

5)обеспечить маятниковую подвеску нижней части труб. Опыт показывает, что в случае применения противоприхват-

ных технологических оснасток бурильной колонны резко сокра­ щается число прихватов. Например, в объединении Азнефть в 90 глубоких скважинах использовали центрирующие приспо­ собления, в результате чего число прихватов уменьшалось в 8 раз [74].

В1964 г. при бурении скв. 32 в Колхидской конторе бурения

б.треста Грузнефть в интервале 3976—4150 м применяли сек­ ционный турбобур со спиральными противоприхватными канав­ ками на поверхности [27]. В течение 30 рейсов долота не было зависания турбобура, несмотря на малые зазоры и утяжелен­ ный буровой раствор:

4 9 '

Разработанные в АзНИИбурнефти [50] конструкции УБТ с канавками на втулках и УБТ квадратного сечения со смещен­ ными гранями использовали при бурении глубоких скважин, что способствовало резкому уменьшению числа прихватов, а иногда и полному их отсутствию.

Для предотвращения попадания колонны труб в желоба в зоне соединения УБТ и бурильных труб устанавливают спи­ ральные стабилизаторы, диаметр которых больше ширины желоба. Широкое распространение в СССР получили метал­ лические стабилизаторы со спиральными ребрами на поверх­ ности. В США для этих целей применяют резиновые стабили­ заторы.

Применение центрирующих устройств позволяет повысить эффективность установки жидкостных ванн в результате воз­ можности лучшего проникновения используемого при этом ра­ бочего агента в зону контакта.

Для роторного способа бурения во ВНИИКРнефти разра­ ботано руководство, позволяющее определять компоновку низа бурильной колонны как при бурении в нормальных условиях, так и при разбуривании пород, склонных к осыпям и обвалам. Использование этого руководства в промысловых условиях по­ зволяет значительно сократить объем работ по определению рационального типа компоновок низа бурильной колонны.

§ 7. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ

Согласно высказыванию ряда специалистов [70], в возникновении прихватов существенную роль играют такие факторы, как про­ ницаемость породы в зоне прихвата А)з и физико-механические свойства фильтрационных корок А15, характеризующие физиче­ ские свойства среды. Известно, что фильтрационные корки интенсивно формируются на высокопроницаемых участках

где h — толщина корки; а — коэффициент, зависящий от формы поровых каналов, размеров зерен, свойств бурового раствора и т. д.; t — время формирования корки.

Механизм процессов, происходящих при образовании филь­ трационных корок, наиболее полно объяснен В. С. Барановым, который впервые ввел понятие «сжимаемость глинистых корок» и объяснил проявление этого свойства различным действием химических реагентов.

Фильтрационная корка неоднородна по плотности и влаж­ ности. На состав корки существенно влияет состав бурового раствора (содержание глины, утяжелителя, размеры их частиц),

50