книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

а на формирование корки — процесс кольматации пор пласта твердыми частицами из бурового раствора и гидравлические сопротивления в системе корка — стенка скважины.

Согласно проведенным исследованиям [32], проницаемость фильтрационных корок, которые сформировались из растворов, приготовленных с использованием бентонита Дружковского ме­ сторождения и обработанных УЩР, КМЦ и окзилом, составляет (0,624-0,10) • 10-8 Д, причем с увеличением перепада давления проницаемость снижается. При утяжелении раствора от 1,34 до 2,04 г/см3 проницаемость корок снизилась от 0,21 -10-8 до 0,10-10-8 Д (при перепаде давления 30 кгс/см2). Отмечено также, что фильтрационные корки при перепаде давления 30 кгс/см2 предельно уплотняются, причем изменение их струк­ турных свойств прекращается.

Проницаемость корки, определенная с использованием рас­ четной схемы М. Маскета, равна 6,8-10-6 Д.

М. А. Галимов при испытаниях на экспериментальной буро­ вой ВНИИКРнефти с использованием кассеты с цилиндриче­ скими металлокерамическими фильтрами установил проницае­

Косвенно о влиянии проницаемости фильтрационной корки на силу прихвата можно судить по тому факту, что при умень­ шении времени формирования корки значительно увеличивается сила прихвата. Так, при контакте пуансона с фильтрационной коркой, образованной в течение 100 мин фильтрации, сила при­ хвата составляла 0,1 кгс/см2, а если корка образовывалась в течение 10 мин фильтрации— 1,6 кгс/см2. При контакте пуан­ сона непосредственно с поверхностью, на которой еще не обра­

в течение 100 мин. Следовательно, чрезвычайную опасность представляет непосредственный контакт труб в скважине с про­ ницаемыми породами, слагающими ее стенки.

Для фильтрационной корки характерна способность прояв­ лять свойства полупроницаемой перегородки. Как известно, необходимым условием для осмотического массопереноса яв­ ляется наличие областей с разной концентрацией растворов или температурой, разделенных полупроницаемой перегородкой. Движущей силой возникновения таких перетоков в системе скважина — пласт могут выступать разная степень минерализа­ ции и разность температур пластового флюида и водного ком-

51

Осмотические пары были представлены пластовой водой и рас­ твором реагента. В качестве пластовой воды использовали рас­ творы хлористого натрия и хлористого калия в соотношении 3:2 со степенью минерализации 10%, в качестве растворов реаген­ тов— 1%-ные растворы КМЦ, метаса, 5%-ные растворы ССБ, гипана, 12%-ный раствор силиката натрия и УЩР (10:2). В качестве смазочных добавок использовали нефть плотностью 0,85 г/см3 и натриевое мыло синтетических жирных кислот (СЖК) Невинномысского химкомбината.

Как видно из результатов исследования (табл. 16), во всех случаях наблюдается переток пластовой воды через глинистую корку в сторону раствора реагента, несмотря на то, что степень минерализации пластовой воды выше, чем у раствора реагента (с учетом неодинаковой плотности). Установлено также, что темп повышения уровня у реагента ниже, чем у пластовой воды. Для различных типов корок наблюдается изменение интенсив­ ности перетоков. Содержание смазочных добавок (нефть) в корке интенсифицирует перетоки пластовой воды в сторону растворов метаса, силиката натрия, КМЦ и ССБ, а при исполь­ зовании раствора гипана подобного явления не наблюдается. При добавлении мыла СЖК к глинистому раствору, применяе­ мому для формирования корок, перетоки в сторону растворов реагентов интенсифицируются по сравнению с перетоками без смазочной добавки. В случае использования смазочных добавок уменьшается разброс данных о перепаде давлений на границах исследованных осмотических пар.

Указанные перетоки свидетельствуют о существовании ано­ мального явления осмоса через фильтрационную корку, сформи­ рованную из глинистого раствора. Под действием перепада дав­ ления иммобилизованная жидкость удаляется из суспензии, в

52

результате гелеобразные глинистые частицы частично разру­ шаются и деформируются [25]. Перепад давления при формиро­ вании корки приводит к образованию анизотропной структуры, особенно по направлению к зоне фильтрата. На границе с фильтром наиболее ярко проявляется эффект ультрапористости, которая обусловливает полупроницаемость таких структур [52]. При контакте подобной фильтрационной корки с пластовой во­ дой и растворами реагентов возникают явления сорбции и осмоса (капиллярный осмос).

На первой стадии процесса преобладают сорбционные явле­ ния и интермицеллярное набухание корки, вызывая рост по­ ристости и затухание перетоков, обусловленных капиллярным осмосом. Переток пластовой воды заканчивается после насы­ щения глинистой корки электролитом, изменяющим термодина­ мическую обстановку в полупроницаемой системе. При этом нарушается первоначальное состояние фильтрационной корки — происходит коагуляция. Явные признаки коагуляции наблюдали по истечении 16 ч.

Полученные результаты показывают возможность регулиро­ вания процесса массопереноса в системе скважина — пласт, а также в самой фильтрационной корке правильным подбором реагентов для обработки буровых растворов. Величины осмоти­ ческих давлений могут колебаться от нескольких десятков до нескольких сотен килограмм-сила на квадратный сантиметр [4].

Температура в стволе в момент прихвата в результате априорного опроса отнесена к группе несущественных факто­ ров [70].

Для изучения влияния этого фактора на установке, позво­ ляющей замерять силы сопротивления при сдвиге металличе­ ского пуансона по корке в условиях действия высоких перепадов давления и температур (соответственно до 100 кгс/см2 и 200°С), провели специальные исследования. На модели пласта (рис. 5), представленной металлокерамическим фильтром 6 с проницае­ мостью 500 мД, формируется фильтрационная корка 21 из рас­ твора, заливаемого в стакан 11, помещенный в рабочую ка­ меру 3. Давление в камере создается с помощью сжатого азота, температура — нагревательными элементами с авторегуляцией. После сформирования в течение 30 мин при Лр = 40 кгс/см2 на корку устанавливают металлический пуансон 7 диаметром 30 мм, свободно соединенный со штоком 8, а через него с систе­ мой сдвоенных плунжерных пар 15, 16, выполняющих роль гидравлических уплотнителей, диском 17 и полиспастом 22. После выдержки в течение определенного времени в неподвиж­ ном контакте с коркой (при соответствующих температуре и перепаде давления) пуансон сдвигают, замеряя силу сдвига динамометром 23.

Опыты, проведенные с применением раствора с определен­ ными свойствами, показали (рис. 6), чтб увеличение темпера-

56

Рис. 5. Схема установки для исследования прихватов:

20 — нагревательные элементы; 21 — корка; 22 — полиспаст; 23 — динамометр; 24 — стой­ ка; 2 5 — редуктор газовый; 26 — баллон азотный; 27 — основание стола

57

Рис. 6. График влияния температуры на сопротивление сдвигу пуансона по корке:

Рис. 7. График влияния температуры на изменение суммарных сил сопро­ тивления и адгезионных сил:

Рис. 8. График влияния температуры на коэффициент трения и силу адге­ зии:

С увеличением температуры, наряду с интенсификацией кор­ кообразующих и фильтрационных процессов, вероятно, обра­ зуются пленки окислов и других соединений в контактной зоне, а также происходит усиление диффузионных процессов, улуч­ шающих взаимодействие металла с коркой. Следует иметь в виду, что с увеличением температуры уменьшается толщина адсорбционных слоев, вызывая сближение контактирующих поверхностей и усиление фрикционной связи металла с коркой.

Если принять, что сила сопротивления, измеренная при сдвиге пуансона под давлением в камере, соответствует сум­ марной силе трения и адгезии, а при отсутствии давления — только силе адгезии, то с увеличением температуры возрастают и суммарные силы сопротивления и адгезионные силы (рис. 7). Причем адгезионные силы составляют, например, после 6-ч кон­ такта 40—50%: от общих сил сопротивления. Как видно из рис. 8, увеличение температуры больше влияет на рост адгезион­

58

ных сил с, чем на коэффициент трения металла по фильтра­

ционной корке.

Таким образом, при прочих равных условиях, возникновение прихвата в интервалах бурения с высокими геотермическими градиентами более вероятно, чем в интервалах обычных тем­ ператур. Поэтому для предотвращения прихватов в подобных случаях должны приниматься более эффективные меры (термо­ стойкие реагенты, снижение до минимума времени оставления инструмента без движения, повышение смазочной способности

раствора).

В результате обработки данных исследования получили

изменение коэффициента трения р, однако приводит к пропор­ циональному росту сил адгезии а и, как следствие, общих сил сопротивления /:

Эти данные получены при исследованиях с применением бу­ рового раствора со следующими свойствами:

59

где Да — абсолютная величина разности углов искривления на границах участка; Дф — то же, разности азимутов искривления; «ср — среднеарифметическая величина искривления на границах участка.

На силу взаимодействия колонны труб со стенками скважины при прихвате существенно влияет прижимающая сила. Для определения прижимающей силы М. М. Александров разработал так называемый метод осевых сил, согласно которому при на­ хождении общей прижимающей силы можно учитывать только составляющие, возникающие под действием растягивающих сил Fv, т. е.

Из выражения (24) с учетом уравнения (23) видно, что пара­ метры искривления Да, Дф и аСр существенно влияют на вели­ чину прижимающей силы. В свою очередь, прижимающая сила влияет на силы трения и адгезии в зоне контакта — основные составляющие силы прихвата. С увеличением искривления сква­ жины возрастают силы сопротивления, возникающие при пере­ мещении замков бурильных труб, а также силы, обусловленные жесткостью низа колонны бурильных труб.

Поскольку указанные силы сопротивления чрезвычайно трудно определить в отдельности, целесообразно находить об­ щие силы сопротивления при движении колонны труб вверх и вниз, а также собственный вес колонны на основе показаний индикатора веса.

60