книги / Предупреждение и ликвидация аварий в бурении

Аварии при цементировании обсадных колонн

Разрушение тела обсадных труб. При цементировании обсад­ ных колонн, спускаемых на большие глубины, нередки случаи об­ рыва колонн из-за резкой разницы температуры колонны и зака­ чиваемого раствора. Такие явления характерны для тех случаев* когда низ обсадной колонны опирается на забой или нижнюю сек­ цию колонны, или частично прихвачен, а верх ее жестко посажен на клинья или элеватор. В подобных случаях необходимо учиты­ вать изменение длины колонны от температуры, а также колонна должна быть в натянутом состоянии. Закачка в нагретую колонну холодного бурового или цементного растворов ведет к изменению длины колонны с последующим вырывом трубы из ее муфты.

На районы с повышенным температурным градиентом (место­ рождения Ставрополья и др.) приходится основное число аварий по указанным причинам. При цементировании обсадных колонн возможны случаи разрушения тела трубы под действием давле­

выше допустимых. Разрушаются главным образом обсадные ко­ лонны большого диаметра. Подобная авария произошла в сква­ жине глубиной 2172 м, которую бурили турбобуром с промывкой забояводой.

Перед спуском обсадной колонны бурильная колонна не дохо­ дила до забоя на 20—30 м из-за скопления шлама на забое. В скважину спустили промежуточную комбинированную обсаднуюколонну, состоявшую из труб диаметром 219 и 273 мм. Вопреки проектным и техническим требованиям к спускам колонны по­ следние две трубы были спущены без промывки. В результате этого башмак колонны оказался посаженным в шлам, и циркуля­ цию бурового раствора перед цементированием восстановить не удалось. После подключения цементировочного агрегата при дав­ лении 160—190 кгс/см2 циркуляция была восстановлена. Закачали цементный раствор. При закачке продавочной жидкости из сква­ жины вместо бурового стал выходить цементный раствор. Прода­ вочной жидкости было закачано 5 м3 вместо 96 м3 по расчету. Каротаж обнаружил продольный разрыв 273-мм трубы на глу­ бине 406 м. Вследствие большого внутреннего давления обсад­ ная труба лопнула. Причиной разрыва обсадной колонны по­ служило высокое давление, возникшее в результате посадки об­ садной колонны в шлам из-за грубого нарушения технологии

ееспуска.

Оставление цементного раствора в обсадной колонне. В двух

скважинах на глубинах немного более 500 м в обсадной колонне был обнаружен цементный раствор, хотя эксплуатационные обсад­ ные колонны были спущены на глубину соответственно 2160 и 2940 м. По нашему мнению, причиной оставления цементного рас­ твора можно считать несовершенство конструкции обратного кла-

62

пана. В одной колонне клапан имел только четыре отверстия диа­ метром 10 мм. Во второй колонне зазор между стенкой муфты и тарелкой клапана был всего лишь 4 мм. Такие конструкции кла­ панов не обеспечили свободного прохождения бурового и цемент­ ного растворов.

Кроме того, был большой разрыв во времени между оконча­ нием закачки цементного раствора и началом закачки продавочной жидкости. В обеих скважинах этот интервал составлял не менее 20 мин. Известно, что при прекращении подачи жидкости в скважину скорость движения цементного раствора через обрат­ ный клапан уменьшается вследствие противодавления от увеличи­ вающегося столба цементного раствора. Уменьшение скорости и увеличение температуры и давления на забое, очевидно, привели к таким изменениям структуры раствора, находившегося около обратного клапана, что создались условия для закупорки его от­ верстий.

Известен случай оставления цементного раствора в эксплуата­ ционной колонне (продавочной жидкости удалось закачать всего 1,5 м3) из-за быстрого схватывания его вследствие плохого пере­ мешивания ускорителя схватывания с водой. В результате этого

водной части цементного раствора оказался избыток ускорителя,

ав другой — недостаток. В данном случае разрыв во времени между окончанием закачки цементного раствора и началом за­ качки продавочной жидкости составил 50 мин.

Вобсадных колоннах часто остается цементный стакан высо­ той 100—200 м. Цементный стакан такого размера легко разбури­ вается, но иногда при разбуривании нарушается целостность об­ садной колонны.

Причинами оставления цементного раствора в колонне явля­ ются ошибки при расчетах количества продавочной жидкости (часто не учитывается коэффициент сжимаемости жидкости, кото­ рый зависит от количества находящегося в ней воздуха или газа), несовершенство конструкций продавочных пробок (при применении

деревянных пробок почти всегда возникают осложнения), исполь­ зование неопрессованных цементировочных головок и др. Контро­ лировать количество продавочной жидкости следует двумя спосо­ бами: по объему жидкости и по увеличению давления от посадки пробки на стоп-кольцо. Второй способ более точный при соответст­ вующей конструкции продавочной пробки.

Другими причинами оставления цементного раствора в обсад­ ных колоннах могут быть: несоответствие качества тампонажного цемента температурным условиям скважин, приводящее к прежде­ временному схватыванию цементного раствора; применение для затворения цемента воды, загрязненной солями и другими жидко­ стями и веществами, сокращающими сроки схватывания цемент­ ного раствора; отсутствие контроля за качеством приготовления цементного раствора.

63

Аварии с зацементированными обсадными колоннами

Смятие обсадных колонн. При выполнении всех технических требований по спуску и цементированию обсадных колонн все же наблюдаются случаи смятия их после цементирования. Смятие происходит выше зоны подъема цементного раствора и в зоне за­ цементированного участка обсадной колонны, а также в зоне фильтров. Смятие колонн наблюдается в интервалах, сложенных неустойчивыми породами, склонными к обвалам, а также при сни­ жении уровня в колонне ниже допустимого. Смятие колонн в не­ устойчивых породах, которые не отделены от колонны цементным камнем, можно объяснить следующим.

Буровой раствор, находящийся за колонной, отстаивается, а иногда уходит в пласты. В результате этого снижается давле­ ние на стенки скважины, что способствует миграции воды, нефти и газа в затрубное пространство и в естественные трещины. Раз­ личные тектонические нарушения, неблагоприятное строение струк­ тур (крутые углы падения, надвиги и т. д.), неправильный выбор технологии проходки скважин, нарушения ее, большая разница

вдиаметрах долот и обсадных колонн влияют на состояние ствола скважины и способствуют обвалам пород и смятию труб.

Сростом глубины залегания неустойчивых пород увеличива­ ется высота столба бурового раствора за колонной над цементным камнем, в связи с чем повышается опасность смятия колонн. Из­ вестны случаи [31], когда в результате проникновения нефти и газа

взатрубное пространство выше цементного камня снижалось дав­

ление на породы, окружающие ствол, и стенки скважины под дей­ ствием горного давления были разрушены. В движении участвуют огромные массы глинистых пород. Сжатие пород настолько велико, что иногда происходит одновременное смятие обсадных колонн диаметрами 219 и 146 мм.

На месторождении Ачи-Су, например, известны случаи смятия 219 и 146-мм колонн по причинам, описанным выше. Смятие двух обсадных колонн на одной и той же глубине свидетельствует об огромной силе, возникающей при движении неустойчивых пород. Это необходимо учитывать при выборе конструкции скважины, особенно при выборе высоты подъема цементного раствора в затрубном пространстве.

Одним из важнейших мероприятий по предохранению колонн от смятия в интервале нахождения неустойчивых пород является перекрытие цементным камнем неустойчивых и газо-нефте-водопро- являющих горизонтов.

Как было сказано, второй причиной смятия обсадных колонн выше зацементированного участка является уменьшение уровня жидкости в них ниже допустимого. Подобные аварии встречаются там, где считают, что снижение уровня жидкости допускается на

64

2/з длины колонны. Пределы понижения уровня жидкости необхо­ димо рассчитывать в зависимости от условий проходки скважины, удельного веса бурового раствора, диаметра, толщины стенки и механических свойств материала обсадной колонны.

Смятие обсадных колонн в пределах зацементированных уча­ стков происходит на расстоянии 50—60 м от фильтра и в прифильтровой зоне. Промысловые документы показывают, что подобные аварии бывают также в местах, где продуктивные горизонты сло­ жены неустойчивыми породами и при эксплуатации скважины вы­ носится большое количество песка.

Смятие колонн в нижней части Г. М. Саркисов [64] объясняет следующим образом: «Действительно, если работа скважины со­ провождается выносом большого количества песка, то продуктив­ ный горизонт у фильтра постепенно разрушается, и в некоторый момент эта зона может перейти в текучее состояние. Если при этом пропускная способность фильтра окажется недостаточной, то про­ изойдет как бы закупоривание фильтра (полное или частичное), движение грунтовой массы затормозится, получится явление удара, при котором и разовьются динамические усилия поперечного на­ правления. Это может случиться при продавке скважины (в про­ цессе освоения), особенно если при этом создаются значительные депрессии, связанные с высокими скоростями потока, при которых могут прийти в движение (по направлению к фильтру колонны) значительные массы пород прифильтровой зоны. Известны случаи трудного освоения скважин вследствие пробкообразования при продавках скважин, причем бывает и так, что в процессе освоения скважины колонна нарушается. Динамические усилия, возникаю­ щие при ударе, могут быть в зависимости от конкретных условий как локализованными на небольших участках, так и распределен­ ными. Нарушения колонн как в самом фильтре, так и над ним мо­ гут быть результатом совместного действия этих динамических на­ грузок со статическими».

Далее Г. М. Саркисов отмечает, что существуют три часто наблюдаемых вида нарушений: одностороннее и двухстороннее смятие и отвод колонны. Эти нарушения происходят главным об­ разом в зоне фильтра, что указывает на их связь с нагрузками, действующими на фильтр. Для предупреждения аварий в зоне фильтра необходимо строго соблюдать режим нагружения ко­ лонны.

Т. Е. Еременко [18] считает, что «поломки труб в зоне фильтра вызываются в преобладающем количестве случаев не горизон­ тально направленными силами бокового давления грунта значи­ тельной величины, а силами, направленными главным образом вер­ тикально». Последние приводят к растяжению с последующими разрывами в муфтовом соединении, к продольному изгибу, потере устойчивости фильтра его слому и сплющиванию. Указанные де­ формации Т. Е. Еременко объясняет следующим образом. Продук­ тивные пласты сложены из мелких тонкозернистых глинистых

песков. Чередуясь с песками, глинистые слои в некоторых местах увеличиваются в мощности и становятся границей между нефтя­ ными пластами. Граница эта имеет условный характер и не может быть прочной разобщающей перемычкой. Пласты в процессе вскрытия вследствие испытываемого ими противодавления и влия­ ния глинистой корки остаются в спокойном состоянии. Затем при эксплуатации около фильтра появляются зоны пониженной депрес­ сии, которые могут привести к прорыву одной или нескольких раз­ деляющих их глинисто-песчаных перемычек, и в пласт прорвется жидкость или газ вышележащего пласта. При движении вниз про­ рвавшиеся жидкость или газ увлекают за собой песок пласта, ко­ торый, оседая на выступах цементной оболочки, будет увеличивать осевую нагрузку на фильтр.

Таким образом, песчаная пробка, создавая вертикальную на­

При сломе от продольного изгиба труба сплющивается. Окружаю­ щий колонну песок из нарушенного опускающегося пласта может достигать высоты, равной мощности всех эксплуатируемых выше­ лежащих продуктивных пластов. Вес этой массы песка вместе с весом цементной оболочки и колонны вызывает вверху растяги­ вающее, а внизу сжимающее напряжения.

В верхней части колонны, растянутой оседающей песчаной мас­ сой, наиболее слабым местом будет муфтовое соединение, в ниж­ ней части — фильтровая или перфорированная часть колонны. При этом максимальные усилия будут прежде всего передаваться верх­ ним отверстиям, которые наиболее разработаны потоком. Нару­ шение колонны может быть и от действия горизонтальных сил, возникающих от бокового давления пород. Они могут проявляться при значительном снижении противодавления на продуктивные пласты. Нефть и газ, устремляясь при резкой депрессии к отвер­ стиям в обсадной колонне, разрушают глинистую и цементную обо­ лочки, окружающие эти отверстия. Если отверстий окажется мало, то равнодействующая сила давления нефти и газа и пришедших в движение пород будет приложена на небольшую площадь, что вызовет смятие колонны у отверстия.

Для предупреждения поломок обсадных труб Т. Е. Еременко предлагает следующее.

1. При вызове притока нефти из пласта в момент освоения скважины не допускать значительного опорожнения колонны от жидкости, отдавая предпочтение замене жидкости в колонне нефтью или другими растворителями глинистой корки, если она не была удалена в период подготовки скважины к цементиро­ ванию.

2.Применять для фильтра трубы более высокой прочности на разрыв с гладкими снаружи соединениями.

3.Применять в каждом конкретном районе заливку скважин цементным раствором выше продуктивного пласта.

66

Как видно из изложенного, смятие обсадных колонн в зоне зацементированных участков происходит в результате движения неустойчивых пластов, залегающих в месте установки фильтров и над ними, что создает нагрузки, превышающие допустимые по расчету на смятие.

Отвинчивание и обрыв обсадных труб. Обсадные трубы отвин­ чиваются как в верхней части колонны, так и в нижней. Напри­ мер, в скважину глубиной 1970 м была спущена обсадная 219-мм колонна и зацементирована на 240 м от башмака. После углубле­ ния скважины ниже башмака на 14 м колонна оборвалась на глу­ бине 161 м. При подъеме колонны на шести верхних трубах было обнаружено частичное развинчивание в местах заводского крепле­ ния муфты к трубе. Последняя труба была поднята с муфтой, на которой была хорошая резьба. Колонну извлекли специально из­ готовленным колоколом при натяжении с усилием 36 тс. Причиной этой аварии явилось слабое крепление муфт с трубами.

Основные причины отвинчивания труб в верхней части колонны следующие.

1. Недостаточно прочное соединение муфты с трубой по резьбе. Отвинчивание происходит в основном в тех соединениях, где муфта свинчивалась с трубой на заводе и главным образом при спуске обсадной колонны на элеваторах. Если же обсадную колонну спу­ скают с применением клиньев, то в верхней части колонны трубы почти не отвинчиваются. При проверке качества крепления муфты с трубой с помощью цепных ключей среди партии обсадных труб, полученных с завода, почти всегда встречается несколько труб со слабым креплением муфты. Кроме того, надо иметь в виду, что в соответствии с техническими условиями на обсадные трубы дли­ ной до 6 м муфты навинчиваются вручную, а не на муфтонаверточном станке. Применение клиньев при спуске обсадных колонн позволяет докреплять муфты на трубе, чем создается прочное со­

свинчиваемую трубу.

2. Отсутствие связи колонны со стенками скважин. При отсут­ ствии за колонной цементного камня механическое воздействие бурильной колонны на стенки обсадных труб расслабляет резьбо­ вые соединения, что со временем приводит к окончательному вырыву муфты из трубы. Вращение бурильной колонны, особенно в искривленных скважинах, значительно влияет на состояние резь­ бовых соединений. Кроме того, на участках колонны обсадных труб, где нет цементного кольца за трубами и где муфты перед спуском недокрепляли, также создаются благоприятные условия для расслабления резьбовых соединений.

Отвинчивание обсадных труб в нижней части колонны проис­ ходит по различным причинам. Например, в скважину на глубину 355 м был спущен 325-мм кондуктор и зацементирован до устья. После разбуривания цементного стакана продолжали углубление

скважины. Во время спуска второго долота бурильные трубы ос­ тановились в обсадной колонне на глубине 323,4 м. С помощью свинцовой печати и последующим каротажем был установлен раз­ рыв кондуктора в интервале 321,7—323,4 м. При этом было выяв­ лено смещение одной части колонны относительно оси другой на 15 мм. После ремонта обсадной колонны бурение продолжалось до глубины 1550 м. Затем при спуске четырехшарошечного долота бурильные трубы снова остановились в обсадной колонне на преж­ нем месте и, несмотря на все попытки, спустить их ниже места разрыва не удалось. Дальнейшее углубление скважины велось только трехшарошечными долотами со средними зубьями, которые свободно доходили до забоя. Для пропуска долота в интервале разрыва периодически слегка поворачивали бурильную колонну цепными ключами. Трехшарошечные долота с мелкими зубьями через зону разрыва не проходили. После спуска промежуточной колонны бурение скважины продолжалось.

Изучением причин этой аварии было установлено, что обрыв кондуктора произошел вследствие спуска колонны без приварки муфтовых соединений нижних труб, хотя это предусмотрено про­ ектом и планом спуска.

Таким образом, нарушение правил спуска колонны, т. е. спуск без приварки первых нижних труб, привело к обрыву колонны.

Отвинчивание обсадных труб в нижней части колонны происхо­ дит из-за отсутствия связи низа колонн со стенками скважины. Это возможно в следующих условиях.

1. Когда башмак обсадной колонны посажен в неплотные по­ роды, которые легко поддаются разрушению потоком бурового ра­ створа. Такими породами являются каменная соль, слабосцементированные пески, глинистые породы и др. При бурении ниже башмака эти породы размываются и между цементным кольцом и породой образуется свободное пространство. Постепенное воз­ действие бурильной колонны на обсадную, особенно при разгрузке в момент бурения, приводит к отвинчиванию нижних труб. Пра­ вильно проведенные спуск и цементирование колонны, а также наличие плотного цементного кольца у башмака предотвращают

ееразрыв обсадной колонны.

2.Когда цементный раствор поднят выше башмака обсадной колонны и низ колонны оказывается незацементированным. Связь

обсадной колонны со стенками скважины при этом отсутствует. Обсадные трубы, находящиеся в подвешенном состоянии, легко подвергаются механическим воздействиям со стороны колонны бу­ рильных труб.

3. Когда углубление скважины продолжают при недостаточно окрепшем цементном камне за колонной, в результате чего це­ ментное кольцо разрушается и цемент выпадает на забой. При этом нарушается связь стенок скважины с обсадными трубами и происходит обрыв нижних труб.

При нарушении связи колонны со стенками скважины обрыву

68

труб способствуют разбуривание стоп-кольца трехшарошечными долотами, отсутствие приварки нижних труб и неиспользование предохранительных резиновых колец на бурильных трубах. Все это особенно проявляется при продолжительном бурении ниже башмака обсадной колонны. Например, обсадная 219-мм колонна была спущена на глубину 2500 м, а затем скважину углубили еще на 1500—2000 м. Вследствие большого числа вынужденных спусков бурильной колонны, а следовательно, и большого числа запусков турбобуров на забое происходило частое вращение бурильной ко­ лонны. При отсутствии предохранительных колец на бурильных трубах сравнительно большие усилия от их вращения передава­ лись на обсадную колонну и приводили к отвинчиванию или об­ рыву нижних труб.

Часто при цементировании обсадных колонн поднимают це­ ментный раствор против пластов каменной соли. Так, в Восточной Сибири, где мощность солевых отложений достигает 1000 м и бо­ лее, при цементировании обсадных колонн диаметрами 273, 219 и 168 мм цементный раствор поднимали на 500 м от башмака ко­ лонны, причем приблизительно на 300 м против толщи пластов ка­ менной соли. Как впоследствии выяснилось, цементный раствор против пластов соли не схватился. Известно, что добавки в не­ больших количествах соли к цементному раствору ускоряют время его схватывания, а наличие мощных пачек каменной соли пре­ пятствует схватыванию цементного раствора, приготовленного на пресной воде. При цементировании обсадной колонны это не было учтено и отдельные интервалы остались незацементированными.

Отвинчивание и обрыв обсадных колонн чаще наблюдаются в искривленных скважинах и приурочиваются к местам резких пе­ регибов колонны.

Изгибы обсадных колонн после цементирования происходят вследствие довольно значительных разгрузок во время обвязки устья скважины. Как известно, перед обвязкой устья скважины частично разгружают обсадную колонну. Значительная разгрузка ее приводит к передаче дополнительных усилий от веса обсадной колонны на нижние трубы, что ведет к изгибу нижней части ко­ лонны над цементным камнем. Изгибы приурочены к участкам, не­ прочно укрепленным со стенками скважины, и часто к таким ин­ тервалам, где диаметр колонны в несколько раз меньше диаметра скважины. Такими местами являются интервалы, сложенные по­ родами, легко поддающимися размыву или обвалам.

Часто изгиб обсадной колонны происходит против башмака предыдущей колонны, обычно перед кондуктором, если цементный раствор поднят не до башмака предыдущей колонны и последняя полностью разгружена. Если под башмаком или немного ниже его есть каверна, то отвинтившаяся колонна отклоняется. Например, после спуска 325-мм кондуктора на глубину 650 м скважину бу­ рили долотами № 11. При глубине 3170 м была спущена 146-мм эксплуатационная колонна и зацементирована. После ОЗЦ устье

69

скважины оборудовали для последующей эксплуатации. При этом разгрузили обсадную колонну и сняли превентор. Для проведе­ ния работ в скважине на бурильных 73-мм трубах спускали 100-мм шаблон, который ниже 1045 м пропустить не удалось. Причиной аварии, как было установлено, явилась полная разгрузка обсад­ ной колонны, которая привела к изгибу ее в интервале, соответст­ вующем верейскому горизонту. Попытки пропустить бурильную колонну ниже 1650 м оказались безрезультатными. Подобные же явления наблюдались и в ряде других скважин.

Бурильные или компрессорные трубы, спущенные в скважины с изогнутыми обсадными трубами, при подъемах оказываются сильно изогнутыми. Часто в изогнутых обсадных колоннах оста­ ется несколько бурильных труб вследствие развинчивания резьбо­ вых соединений, вызванного движением труб по изогнутой колонне. Иногда происходит заклинивание бурильных или компрессорных труб, извлечь которые не удается.

Расчеты показывают, что при определенных условиях небез­

опасно снимать натяжение обсадной колонны после ее цементиро­ вания и озц.

В табл. 3 приведены критический вес и возможная длина сво­ бодной части обсадной колонны для 146 и 168-мм труб с различ­ ной толщиной стенок, при которых может произойти изгиб ниж­ ней части незацементированной обсадной колонны, а также ее на­ рушение.

Таблица составлена по данным расчета, в котором обсадная колонна, спущенная в скважину и зацементированная в нижней части, рассматривалась как вертикальный закрепленный на одном конце стержень. Расположение обсадных колонн в скважине при­ нималось концентричным по всей длине. Несмотря на сделанные допущения и приближенный характер подсчета критических на­ грузок, фактические данные, полученные по ряду аварийных скважин, приблизительно равны указанным величинам. Поэтому рекомендуется не разгружать эксплуатационную колонну сверх допустимых величин, приведенных в табл. 3, а главное, нельзя до­ пускать разгрузки колонны во время оборудования устья сква­ жины.

70