книги / Предупреждение и ликвидация аварий в бурении

знакопеременного изгиба, а также повышается коррозионно-уста­ лостная стойкость резьбового соединения вследствие применения специальной смазки «Герметик» при соединении трубы с замком.

Около 15% аварий произошло по другим причинам. В началь­ ный период освоения бурения трубами из легких сплавов*был ряд случаев слома труб в высаженной части из-за размыва в зоне установки шламового фильтра под квадратом. Прочность труб иногда ослаблялась образованием выточек под муфтой, и трубы ломались. Такие аварии характерны для роторного бурения.

Следует отметить, что основная масса аварий происходит при бурении и проработке (более 43%), третья часть всех аварий с трубами из легких сплавов происходит при ликвидации аварий.

Падение бурильной колонны вследствие ее подъема на одном штропе

Падение бурильных колонн из-за подъема на одном штропе происходит вследствие недосмотра за операциями. Рассмотрим следующий пример. Скважина имела глубину 2325 м при проект­ ной глубине 2500 м. В процессе бурильной колонны при спуске элеватора за 36-ой свечой крюк был опущен немного ниже, чем следовало, в результате чего не смогли одновременно перенести штропы с освобожденного элеватора и вставить их в проушину элеватора, стоявшего на роторе, на котором висела бурильная колонна. При подъеме талевой системы с крюком успели вставить штроп в одну проушину элеватора, а в другую не успели. В ре­ зультате этого бурильная колонна весом около 50 тс оказалась приподнятой на одном штропе на высоту 20—25 см над столом ро­ тора. Это вызвало сильный изгиб трубы под элеватором. При по­ садке колонны на ротор труба начала изгибаться под элеватором в другую сторону. После посадки бурильной колонны на стол ротора труба сломалась и 1430 м бурильных труб с турбодолотом упали на забой. Так как необсаженная часть скважины выходила из-под башмака кондуктора более чем на 2000 м и имела каверны, бурильные трубы сильно изогнулись. Расхаживание и работы домкратом не дали положительных результатов.

Обрыва труб, следовательно, и падения бурильной колонны в скважину при подъеме ее на одном штропе можно избежать, если применить один из способов, описанных в разделе «Предуп­ реждение падения бурильных колонн».

Падение бурильной колонны из-за поломки и неисправности спуско-подъемного инструмента

При расхаживании бурильной колонны во время прихвата ее или остановки в скважине на уступе часто штроп вертлюга выпа­ дает из зева крюка, вследствие чего бурильная колонна может

31

упасть на забой. Эта неисправность объясняется неудовлетвори­ тельной конструкцией защелок крюка, не обеспечивающей надеж­ ность их в работе. Примером подобной аварии является следующий случай. В скважине диаметром 243 мм на глубине 2101 м (при забое 2503 м) сломалась в утолщенном конце бурильная 114-мм колонна. При помощи колокола подняли 450 м труб, затем про­ изошла затяжка. При натяжении с усилием до 160 тс колонна оборвалась, получился прыжок ее вместе с ведущей трубой и вертлюгом. Штропом вертлюга была открыта защелка, и вертлюг с бурильной колонны начал падать. При ударе о ротор ведущая труба оборвалась по телу у переводника. Бурильная колонна упала в скважину и встала в два ряда на глубине 1349 м. Извлечь бурильные трубы не удалось, и скважина была ликвидирована.

Вмомент этого удара сломался ствол подъемного крюка в шейке

урезьбы. Колонна вместе с зевом крюка, элеватором и штропами ударилась о ротор. При ударе сломалась собачка элеватора, и бу­ рильная колонна с метчиком на конце упала в скважину. После­ дующими работами было установлено, что упавшая колонна спу­ стилась на 33 м ниже головы ранее оставленной в скважине ко­ лонны. Авария была ликвидирована через 11 мес.

Можно привести много других примеров сложных аварий, выз­ ванных падением колонн из-за слома и неисправности спуско­ подъемного инструмента. Причинами всех этих аварий являются несовершенство конструкции защелки подъемного крюка, поломка боковых серег и ствола крюка, а также срез болтов планки, предохраняющий гайку ствола от поворота, поломки хомута сто­ порного устройства крюка [1].

Вредких случаях причиной падения бурильных колонн явля­ ется поломка штропов. Штропы вообще работают безотказно, но при чрезмерных нагрузках они рвутся, в результате чего буриль­

ная колонна падает в скважину.

Причиной падения бурильной колонны в скважину может быть самопроизвольное открытие элеватора из-за выработки посадоч­ ных мест (т. е. мест, на которые опирается муфта) или сработки шарнирного пальца элеватора.

Падение бурильной колонны в скважину может быть вызвано также несовершенством конструкции или неисправностью элева­ торов. Недостатки их конструкции вскрывает, например, следую­ щий случай. Бурильная 141-мм колонна при спуске в скважину на глубине 1400 м встала на уступ. Талевая система продолжала двигаться и отошла от элеватора на 50—60 см. При включении муфты тихого хода для подъема талевой системы колонна сорва­ лась с уступа и стала падать. От удара муфты по элеватору выс-

32

кочили две шпильки, отсоединились оба штропа и открылась створка элеватора. Колонна упала на забой.

У элеваторов защелка легко открывается, а пружина быстро деформируется.

При остановке бурильной колонны на уступе во время спу­ ска элеватор отходит от муфты. При движении его по трубе за­ щелка поднимается, открывается крышка элеватора и при после­ дующем срыве колонна падает в скважину. Подобные аварии произошли, например, при разбуривании кембрийских отложений в скважинах с проектными глубинами 2500—3000 м, где встреча­ лась толща каменной соли мощностью от 800 до 1200 м с неболь­ шими пропластками доломитов. Из-за разной твердости пород и способности солей растворяться в воде почти в каждой скважине образовывалось множество уступов, которые были причиной оста­ новки бурильных колонн, а следовательно, и причиной многих ава­ рий с падением колонн.

В другом случае при бурении четырех разведочных скважин проходка за 2 мес составляла 3000 м, но за это время было 11 ава­ рий с падением бурильных колонн в скважину и с потерей более 5 тыс. бурильных труб.

Падение бурильной колонны из-за неисправности тормозной системы

Основными неисправностями тормозной системы, приводящими к падению бурильных колонн в скважину, являются: разрыв тор­ мозной ленты, чрезмерный износ тормозных колодок, износ шар­ нирных соединений, заклинивание тормозного рычага, неисправ­ ность предохранительного устройства тормозного рычага, рас­ стройство резьбового соединения натяжного болта тормозной ленты и разрыв тормозных шкивов лебедки.

При длительной эксплуатации лебедок происходит разрыв тор­ мозных лент по микротрещинам, которые возникают в больших шарнирах тормозных лент, около заклепок и в прилегающих к ним зонах. Разрывы обычно происходят в момент резкого тор­ можения. Под действием резких динамических нагрузок в металле лент около шарниров возникают усталостные напряжения, приво­ дящие к образованию микротрещин, а затем к разрыву тормозных лент.

Причиной падения бурильных колонн в скважину может быть также износ тормозных колодок. При сильном износе (с уменьше­ нием толщины колодки до 18 мм и менее) резкое торможение приводит к срыву отдельных колодок, которые, попадая между бандажом и другой тормозной колодкой, уменьшают величину охвата бандажа и, следовательно, резко сокращают силу торможе­ ния, от чего происходит удар колонны о ротор с последующей поломкой бурильной колонны и падением ее в скважину.

Сильный нагрев бандажей и колодок также сокращает усилия торможения.

При спуске бурильной колонны большое значение имеют гид­ равлические тормоза. Отключение их при спуске колонны на большой глубине приводит к резкому снижению тормозных усилий и, как и в предыдущем случае, к удару колонны о ротор со всеми вытекающими последствиями. Отключение гидравлического тор­ моза происходит вследствие сработки кулачковых муфт, которые в период передачи максимального крутящего момента отходят друг от друга.

Заклинивание тормозного рычага приводит к авариям. Чаще всего эти аварии бывают вызваны обрывом цепей на большой ше­ стерне подъемного вала лебедки, особенно однородных цепей, из-за малого расстояния между зубчатыми колесами и валом.

Причиной аварии может быть и недосмотр за состоянием цеп­ ных передач.

От состояния шарнирных соединений тормозной системы зави­ сят своевременность и надежность торможения. При изношенных шарнирах образующиеся люфты приводят к увеличению свобод­ ного хода тормозной рукоятки, которая, быстро опускаясь, в опре­ деленный момент не в состоянии будет затормозить движущуюся с большой скоростью бурильную колонну. Износ шарнирных сое­ динений обусловлен тяжелыми условиями работы, их плохой смаз­ кой, попаданием на них раствора, воды, частиц разрушенных тормозных колодок.

Резьбовые соединения натяжного болта тормозной ленты на­ рушаются из-за динамических нагрузок и тяжелых условий их эксплуатации.

Основными причинами аварий вследствие неисправности тор­ мозной системы является слабый контроль за состоянием ее узлов; несоблюдение правил эксплуатации и плохой уход за узлами тор­ мозной системы; отсутствие периодичности осмотра и проверки дефектоскопом наиболее напряженных узлов и сочленений.

Кроме перечисленных, известны также случаи падения буриль­ ных колонн из-за оставления их на весу при незакрепленной спе­ циальным фиксатором тормозной рукоятке лебедки или при фик­ сации только подвешиванием груза.

Падение бурильной колонны при сломе или разрушении сопряжений ее элементов во время спуско-подъемных операций

Падение бурильных колонн в скважину при спуско-подъемных операциях происходит из-за слома труб по телу или из-за разру­ шения сопряжений элементов бурильных колонн, т. е. вырыва резьбы замкового ниппеля или муфты, разрушения соединений элементов бурильной колонны (замков, муфт) по трубной резьбе.

34

При сломе или разрушении в скважину падает часть бурильной колонны.

Обычно сломы и разрушения происходят под действием дина­ мических напряжений, которые возникают при резкой посадке колонны на ротор или на уступ. Иногда бывает достаточно незна­ чительного динамического напряжения, чтобы целостность буриль­ ной колонны нарушилась, и она упала в скважину. Задержка процесса торможения колонны перед посадкой на ротор может привести к увеличению напряжения в трубе в несколько раз против статического напряжения от собственного веса. Например, для колонны длиной 300 м при ударе с высоты 10 см напряжение растяжения увеличивается более чем в 5 раз против статического напряжения от собственного веса.

Прочие причины падения бурильных колонн

Встречаются случаи падения бурильных колонн в скважину из-за несоблюдения требований эксплуатации спуско-подъемного инструмента. Например, для подъема очередной свечи из сква­ жины глубиной 1510 м была резко включена лебедка, и цепь IV скорости лебедки лопнула. Талевая система пошла вниз; буриль­ щику удалось затормозить ее, когда крюк остановился на расстоя­ нии 70—90 см от ротора. Штропы заклинились в проушинах эле­ ватора и выдвинулись из них на 20—30 см. Вместо того чтобы устранить заклинивание штропов в проушинах элеватора медлен­ ным подъемом талевой системы или освобождением штропов из проушин элеватора без подъема талевой системы, включили III скорость и начали поднимать бурильную колонну. Заклиненные штропы резко начали выворачивать элеватор. Защелка элеватора лопнула, он раскрылся, и колонна длиною 285 м упала в сква­ жину. Нарушения техники подъема бурильной колонны привели к аварии.

Иногда бурильщики не учитывают состояние ствола скважины, спускают бурильную колонну в опасных интервалах на предельно возможной скорости, не принимая мер предосторожности. Встре­ чаются случаи подъема или спуска бурильной колонны с помощью элеваторов, у которых штропы могут выйти из зацепления вслед­ ствие того, что не успели установить шпильку в элеватор. Напри­ мер, в скважину глубиной 2168 м спустили бурильную колонну. Во время свинчивания 39-й свечи талевая система сильно раска­ чалась и одна шпилька выскочила. При следующем быстром спу­ ске свечи колонна резко встала на уступ. Штроп со стороны эле­ ватора, где не было шпильки, выскочил из проушины, и колонна сорвалась с уступа. При этом изогнулась труба под элеватором, выскочила вторая шпилька и другой штроп вышел из проушины элеватора, который ударился о ротор и разбился на части.

Бурильная колонна длиною 983 м со смятой верхней частью муфты упала на забой и увлекла с собой нижнюю половину крышки элеватора. Если бы верховой рабочий своевременно за­ метил, что шпилька выскочила, то авария не произошла бы.

Известны случаи падения бурильных колонн из-за поломки штропа. Причиной поломок штропов являются длительная экс­ плуатация их без отжигов и при значительной сработке. Непра­ вильная установка воронки на устье скважины иногда приводит к остановке на ее торце, в результате чего элеватор отходит от муфты замка, раскрывается и бурильная колонна падает в сква­ жину. Аварии по этой причине чаще всего происходят при неотцентрированной вышке.

Из изложенного следует, что, помимо конструктивных недо­ статков труб, причинами аварий являются неудовлетворительный технический надзор и недостаточная квалификация работников бу­ рения, а отсюда несвоевременная профилактика бурильных ко­ лонн, слабое крепление замковых соединений при спуске буриль­ ных колонн, плохое состояние поверхностного оборудования, при­ менение бурильных колонн с недопустимой сработкой элементов, несоответствие прочности колонны условиям бурения, слабая по­ становка учета работы и износа бурильных колонн.

§ 2. ПРИХВАТЫ БУРИЛЬНЫХ КОЛОНН

Прихват — это такая авария, при которой находящуюся в сква­ жине бурильную колонну нельзя извлечь без проведения допол­ нительных работ. В настоящее время, как нами было отмечено, это самый многочисленный и тяжелый вид аварий.

Значительное число прихватов происходит в результате закли­ нивания низа бурильной колонны при ее спуске в призабойной зоне. В основном аварии этого вида приурочены к зонам сужения в твердых породах и к нерасширенным участкам ствола, которые разбуривали очень быстро. При разборе причин таких аварий вы­ ясняется, что бурильщики, допустившие прихват, не изучали харак­ тер сработки предыдущего долота и условия его работы. Во многих случаях проработки нерасширенной части и мест сужений начи­ нали в этих зонах, а не выше их.

Как правило, если труба зашла ниже ротора на 3—8 м и оста­ новилась, т. е. зависла в суженной части, то ее поднимают до муфты, отвинчивают и присоединяют ведущую трубу для после­ дующей промывки и проработки места остановки колонны. Это и является ошибкой, так как подъем бурильной колонны до муфты — это неполное извлечение колонны из места сужения. При дви­ жении в суженной части колонна останавливается не вначале участка ее, а обычно далеко зайдя в него. В большинстве случаев колонна останавливается при заходе в суженный участок на 15— 30 м, поэтому подъема колонны на 3—8 м недостаточно для того, чтобы освободить ее из места сужения. Восстановление циркуляции

36

при этом ведет к уплотнению породы вокруг колонны и к услож­ нению аварии. Поэтому целесообразно при заклинивании подни­ мать бурильную колонну не до первой муфты, а на возможно большую длину и начинать проработку не менее чем на 12—15 м выше места посадки.

Известно, что с увеличением глубин скважин стенки их менее устойчивы и основное число осложнений в стволах вследствие осы­ пей, обвалов, сужений приходится на интервалы бурения ниже 3000 м. Самым надежным сохранением устойчивости стенок сква­ жин является перекрытие интервалов осложнений обсадными колоннами, поэтому выбору интервалов спуска обсадных колонн следует придавать большое значение. Экономия обсадных труб может привести к тяжелым авариям, являющимся нередко причи­ ной списания скважины по техническим причинам.

Необходимо отметить, что с ростом объемов бурения алмаз­ ными долотами увеличилось число случаев заклинивания долот в призабойной зоне. Например, в 1969 г. в тресте Полтаванефтегазразведка более 30% прихватов произошло вследствие заклини­ вания долот. Много аварий из-за заклинивания долот происходит

с большой скоростью.

Усилия при посадке в нерасширенных и суженных участках ствола достигают 8—15 тс. Этого достаточно, чтобы освободить колонну расхаживанием и другими простейшими способами лик­ видации прихватов.

Известны случаи заклинивания долот на забое из-за недоста­ точной промывки в связи с плохой работой насоса или плохого состояния выкидных задвижек, или в связи с негерметичностью резьбовых соединений бурильной колонны. Одной из причин ава­ рий этого вида являются небольшие зазоры между стенкой сква­ жины и элементами бурильной колонны вследствие применения несоответствующих компоновок низа ее.

В последние годы увеличился объем бурения в соляных отло­ жениях, залегающих на глубинах свыше 2000 м. При этом отме­ чено, что отдельные виды соляных отложений при определенных значениях перепада давления (горного и гидростатического), тем­ пературы и других факторов деформируются, что приводит к су­ жению ствола скважины. Это вызывает частые проработки сква­ жины, неоднократные прихваты бурильных колонн, а во многих случаях самопроизвольное забуривание вторых стволов, Известны случаи самопроизвольного забуривания в этих отложениях по два—четыре ствола в каждой скважине (Восточно-Полтавская площадь).

Неустойчивые соляные отложения характеризуются повышен­ ной пластичностью, низкой температурой плавления и имеют, как правило, кристаллизационную воду. Перемещение пород проис­ ходит со скоростями до 0,25 мм/ч. К неустойчивым соляным

37

отложениям относятся магниевые соли, представляющие соедине­ ния водных хлоридов магния или содержащие хлористый кальций. Как правило, породы, слагающие эти отложения (бишофит, кар­ наллит), сильно гигроскопичны. Поэтому вскрытие их с примене­ нием бурового раствора ухудшает устойчивость этих отложений. Неустойчивыми являются также и отложения каменной соли, со­ держащие примеси глины, характеризующиеся низкой вязкостью межкристаллической прослойки.

При длительных простоях (50—100 ч) бурильной колонны без циркуляции бурового раствора в неустойчивых соляных отложе­ ниях происходят прихваты колонны главным образом во время спуска, после продолжительной консервации скважины, или послетого, как в скважине много дней не проводили работы.

Другой причиной прихватов бурильной колонной, и во многих районах самой распространенной, является прилипание бурильной колонны к стенке скважины. Различные исследователи объясняют в этом случае механизм прихватов по-разному. В работе [74] ска­ зано, что «.. .основной причиной прихвата инструмента является Образование толстой и липкой глинистой корки на стенках сква­ жины, когда даже при кратковременном прекращении бурения или вращения бурильной колонны происходит сильное прилипание ин­ струмента».

Ф. А. Дадашдамиров и А. А. Шамсиев [16] пришли к выводу, что одной из основных причин прихвата бурильной колонны яв­ ляются гидростатическое давление и плотное прилегание какой-то части бурильной колонны к стенке скважины.

С. Ю. Жуховицкий и А. П. Войцеховский [19] главной причиной прихвата считают влияние перепада давления, существующего между давлением глинистого раствора, находящегося в стволе скважины, и пластовой жидкостью. По их данным, величина уси­

хваты бурильных колонн могут быть также и в результате непо­ средственного воздействия полной величины гидростатического да­ вления. В их работе изложен аналитический метод количественной оценки прижимающей силы в условиях скважины, когда решаю­

исследователей приведено сравнение зависимости прижимающих сил от действия перепада давления, от полной величины гидроста­ тического давления и от веса бурильной колонны. В результате сравнения авторы сделали следующие выводы:

1) прижимающие силы от веса бурильной колонны и от полной величины гидростатического давления зависят не только от гра­ ничных условий, но и от формы участка;

38

превышать величину нормальной составляющей веса труб в пре­ делах данного участка и, по всей вероятности, в отдельных слу­ чаях может прижать колонну к стенке скважины и способствовать проявлению прижимающего эффекта от гидростатического да­ вления;

4)порядок величин прижимающих сил как при действии пол­ ного гидростатического давления, так и в случае, когда действует перепад давлений, таков, что попытки вырвать прихваченную ко­ лонну непосредственным приложением усилия к колонне обре­ чены на неудачу;

5)хотя прижимающая сила от веса колонны мала по сравне­ нию с двумя другими видами прижимающих сил, учет ее необхо­ дим не только для выделения интервалов, опасных в смысле при­ хвата, но и для оценки усилия, которое потребуется для освобож дения бурильной колонны после снятия перепада давлений (т. е.

после промывки скважины водой или нефтью).

Как видно из изложенного, в настоящее время нет единого мнения о причинах прихвата бурильной колонны. Над получением правильного представления о причинах прихватов работают мно­ гие исследователи.

Факторами, способствующими быстрому прилипанию бурильной колонны являются:

—рост перепада гидростатического давления над пластовым;

—время стояния бурильной колонны без движения;

—площадь соприкосновения бурильной колонны со стенками скважины;

—толщина глинистой корки;

—силы трения и наличие смазывающих добавок в буровом

растворе;

— наличие пористых и проницаемых пород против места на­ хождения бурильной колонны.

Основное число прихватов вследствие прилипания происходит там, где бурение ведется с применением глинистых растворов. С увеличением глубин скважин число прихватов возрастает. Пе­ реход в отдельных районах на бурение с применением различных видов буровых растворов с малым содержанием глинистой основы привел к снижению прихватов. Бесспорно, что глинистые растворы больше всего способствуют возникновению прихвата.

Значительно содействуют прихвату труб большая скорость фильтрации, большая плотность и высокое содержание твердой фазы в буровом растворе, а также длительные простои бурильной колонны, особенно против проницаемых пород, и применение УБТ большой длины, так как последние создают незначительные зазоры между стенками скважины и трубами. Надо отметить, что при бу­ рении скважин на глубинах более 3500 м в основном все случаи

39

прилипания бурильных колонн происходят во время нахождения колонн в скважине без движения. При этом состояние резко усу­ губляется отсутствием циркуляции бурового раствора.

Причины простоя колонн без движения разнообразны: ремонт вертлюга, привода насосов и лебедки; устранение неправильного наматывания каната на барабан лебедки; скручивание талевой системы из-за неправильной оснастки или большой скорости подъ­ ема пустого элеватора с резким торможением; заклинивание верт­ люга; заклинивание ключа АКБ-ЗМ на трубе; продолжительное время отвинчивания и опускания в шурф ведущей трубы; длитель­ ное время подъема грунтоноски с керном; порыв редукторной и других цепей лебедки и т. д.

Нередко бурильщики оставляют ниже башмака обсадной ко­ лонны небольшую часть бурильной колонны (100—200 м), припод­ нятую высоко над забоем и занимаются ремонтом и другими ра­ ботами внутри буровой, надеясь, что в таких случаях колонна не может быть прихвачена. Многие факты убеждают, что оставление даже небольшой части колонны в открытом стволе скважины без движения приводит к прихвату, казалось бы в невозможных условиях.

Нами приведены наиболее часто повторяющиеся причины ос­ тановок, из-за которых произошло много аварий. Время, в те­ чение которого оказывается прихваченной бурильная колонна, стоящая без движения, различно — от 10 мин до нескольких часов.

Следует сказать о большой опасности возникновения прихватов в продуктивных горизонтах, особенно в газовых. Как известно, газ обладает вязкостью почти в 10 000 раз меньшей, чем нефть, а сле­ довательно, и значительной подвижностью по сравнению с нефтью. При вскрытии продуктивного горизонта в одинаковых условиях газ быстрее нефти оттесняется в пласт и эффект прилипания бу­ рильной колонны наступает значительно быстрее. Исследования прихватов при разбуривании продуктивных горизонтов показы­ вает следующее.

Прихватов, вызванных прилипанием при остановках колонны во время бурения до продуктивного горизонта, может и не быть, если в разрезе нет пористых и проницаемых коллекторов. Известно много случаев, когда продолжительные простои бурильной колонны без движения над продуктивным горизонтом не приводили к при­ хватам, а при вскрытии его остановка на 5—10 мин приводила

кприхвату.

Взоне продуктивного горизонта с хорошей пористостью и про­ ницаемостью происходит движение жидкости в пласт, что создает благоприятные условия для прижатия колонны под действием перепада давления. Установлено также, что прихваты в продук­

тивном горизонте в основном происходят при перепадах больше 30 кгс/см2. С ростом величин перепада увеличивается и число прихватов.

40