книги / Предупреждение и борьба с авариями в бурении

5. КОЛОННА БУРИЛЬНЫХ ТРУБ

Поврежденный элеватор с изношенными опорным плечом и за­ твором подвержен некоторым боковым усилиям с тенденцией к его открытию. Элеватор раскрывается также и в том случае, если колонна бурильных труб падает через элеватор вследствие неожи­ данно встреченного препятствия во время спуска. Удар специальной муфты по элеватору может вызвать его открытие. Существует много причин, способствующих подобным падениям бурильных труб, но большинство из них связано с неполадками в буровой установке. Так, например, применяют иногда превентерные установки с вну­ тренним диаметром значительно больше диаметра последней, спу­ щенной в скважину колонны. По этой причине на колонном фланце для герметизации остается уступ, о который ударяются долото или специальные замки бурильных труб; этот порог удаляют с про­ филактической целью путем замены сальника соответствующим переходником или же оставляют колонный патрубок немного длин­ нее, придав ему в этом месте форму воронки.

Характерной аварией для колони бурильных труб (или обсад­ ных колонн) является срыв с клиньев и падение в ствол скважины (полет); в нормальном положении допускается, что специальная муфта даже при условии, что клинья неудовлетворительно захва­ тывают и поддерживают трубы, представляет собой некоторый предо­ хранитель. В действительности колонна бурильных или обсадных труб вследствие падения с определенной высоты накапливает неко­ торый запас энергии, высвобождающейся в виде продольных коле­ баний, подобно сжатой рессоре. В результате какого-нибудь- падения с резкой остановкой эти колебания возникают на обоих концах колонны бурильных труб с достаточно большой амплитудой, которая может выбросить наружу клинья из гнезда.

В одном случае 800 м 5716" бурильных труб упали в ствол сква­ жины вследствие проскальзывания через клинья, вызвав очень трудные ловильные работы.

Необходимо отметить, что с увеличением длины колонны буриль­ ных труб, подвешенной на клиньях, опасность проскальзывания повышается. Поэтому, кто знает это положение, тот правильно оценивает значение сохранения и поддержания в исправном состоя­ нии клиньев.

На активной поверхности клиньев обычно монтируются плашки с мелкой. нарезкой во избежание вмятин на бурильных трубах. Грязь, которая накапливается на зубцах плашек, сглаживает на­ резку и сводит на нет зажимной эффект *.

Для сохранения клиньев в смысле чистоты в нормальном состоя­ нии необходимо, чтобы бурильные трубы были хорошо очищены от глинистого раствора в момент их подъема из ствола скважины. Это достигается обмыванием их водой, когда позволяет глинистый

1 Особенно в зимнее время.

171

раствор, либо применяют очиститель свечей, когда раствор трудно удалить с поверхности труб. Наилучший результат можно получить, комбинируя оба эти метода, когда устье скважины прикрыто очистителем, а вода для промывки направляется в приемную емкость на устье скважины.

Тыльная поверхность клиньев должна постоянно очищаться и смазываться, чтобы легко скользить по наклонной плоскости. Во избежание заклинивания клинья должны приближаться и врезаться в бурильную трубу, что и происходит при скольжении по наклонной поверхности.

При спуске очень тяжелых колонн существует опасность смятия обсадных труб в момент заклинивания. Этот недостаток устра­ няется применением клиньев, имеющих нарезку или зубцы на тыль­ ной стороне для торможения скольжения.

Падение труб в ствол скважины составляет категорию техниче­ ских аварий, весьма различных и во многих случаях неожиданных. Их очень легко, избежать, соблюдая элементарные правила бурения.

На одной скважине следовало спустить колонковое Зг/г" долото. Бурильщик для сокращения времени решил втащить колонковое долото на буровую канатом вспомогательной катушки, дав распо­ ряжение недостаточно опытному рабочему в смене.

После того как колонковое долото было зацеплено крюком ка­ ната, рабочий поднял его с помощью катушки на буровую, а затем опустил для закрепления в клиньях. Не имея достаточного опыта, он опустил колонковое долото вниз с очень большой скоростью, так что остальные два рабочих, стоявших у устья скважины, не имели времени для установки клиньев. Бурильщик стал ругать моториста, а тот, не разобравшись в происшедшем, стал отпускать канат.

В результате колонковое долото упало в скважину с крюком и канатом, но все было извлечено при помощи «ерша», и авария была ликвидирована.

Отсюда вытекает правило: ничего не спускать в скважину при помощи каната вспомогательной катушки.

6.КВАДРАТНАЯ ШТАНГА

Внастоящее время широко распространена конструкция квад­ ратных штанг с навинченными на концы переходниками. Верхний переходник с левой резьбой соединяет квадратную штангу с верт­ люгом. Это соединение наиболее подвержено переменным на­ грузкам.

Всвязи с этим возникает типичный усталостный износ, проявляю­

щийся на уровне последнего нагруженного витка резьбы .при нор­ мальном завинчивании. Этот износ является почти основной причи­ ной поломок рабочей трубы. Подобные поломки сопровождаются обычно падением всей колонны бурильных труб в ствол скважины

172

и представляют собой одну из наиболее тяжелых технических ава­ рий благодаря возникающим серьезным осложнениям: обрыв до­ лота, потеря циркуляции раствора, прихват бурильного инстру­ мента, смятие бурильных труб или даже вторичные порывы.

сварного шва.

В связи с этим не рекомендуется производство демонтажа рабо­ чей трубы на устье скважины. Наиболее надежное средство предот­ вращения обрывов заключается в отказе от операций по креплению концов рабочей трубы. Единственной возможностью предупреждения подобного вида аварий является использование рабочих труб, выко­ ванных из целой болванки, т. е. без составных частей (отдельных •переходников).

Г л а в а III

ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Долото играет в процессе бурения важную роль, так как оно является инструментом, разрушающим горную породу па забое ■скважины.

Можно считать, что достижение оптимального предела в кон­ струкции шарошечных долот будет выполнено, если можно будет

173

пробурить скважину, применив одно естественное долото. Для осу­ ществления этого необходимо решить следующие проблемы:

а) повышенная износоустойчивость, т. е. повышение качества материала изготовления;

б) возможность эффективного бурения горных пород с различ­ ными физико-механическими характеристиками, т. е. проблема

в) получение максимальной эффек­ тивности в использовании долота.

В конструкции шарошечных долот все время отмечается непрерывный про­ гресс. Поэтому можно ожидать в этой области больших изменений и усовер­ шенствований в недалеком будущем.

Техника турбинного бурения соз-

^дала условия эксплуатации шарошеч­ ного долота, которые не могли быть применены в роторном бурении.

Содной стороны возникли замеча­

мела, гипса); долота типа С — для средних горных пород (песчани­ ков с извеетковистым цементом, плотного мергеля, сланцев, слабых известняков); долота типа Т — для твердых горных пород (твердых известняков, кремнистых сланцев, доломитизированных известня­ ков); долота типа К — для очень твердых пород (магматических пород, кремнистых доломитов).

Преобладание горных пород с определенной твердостью заста­ вило применять конструкции долот промежуточного типа (СТ, ТК и т. д.). При бурении средних или мягких пород шарошки работают с самоочищением, а благодаря небольшой эксцентричности воздей­ ствуют на забой ударным и режущим способами.

В табл. 28 приведены характеристики шарошечных долот, изго­

и менее: долото состоит из лап 1 (скрепляются сваркой), шарошек £,

474

имеющих с внешней стороны соответствующие зубцы, а внутри ее беговые дорожки для внешнего вращения подшипника, внешнего подшипника а, среднего подшипника Ь и внутреннего подшипника (малого) с.

Таблица 28

Шарошечные долота, изготавливаемые в РНР

Внутренние дорожки вращения нарезаны на центральной оси шарошки.

Роликовые подшипники а жс устанавливаются на оси одновре­ менно с шарошкой (смазанные вазелином), а шарики среднего под­ шипника вводятся по одному через канал е, закрывающийся проб­ кой, внешний конец которой заваривается в d.

Средний подшипник служит запорным, фиксируя шарошку на цапфе и устраняя осевое перемещение.

Поверхность зубьев армируется твердым сплавом, методика армирования меняется в зависимости от технологии производства заводов и степени твердости разбуриваемых горных пород. Внешнее армирование делается значительно мощнее в зависимости от твер­ дости разбуриваемых формаций.

Шарошечное долото представляет собой сложный механизм. Поэтому в связи с несоответствующим использованием, а также благодаря дефектам в изготовлении применение шарошечных долот

исключением отдельных частных случаев.

Когда колонна бурильных труб ударяется сильно о забой (при

175

Известны редкие случаи поломок шарошек, связанные с несоот­ ветствующей термообработкой. Этой причиной можно объяснить возникновение аварии с долотом, если она произошла в начале работы долота на забое или даже во время его спуска в ствол сква­ жины.

Очень часто в плоскости С — С происходит раздробление ша­ рошки, соответствующее сечению минимального сопротивления и связанное с профилем дорожки вращения малого подшипника. Вследствие этого шарошечные долота новых конструкций не имеют последнего. Малый подшипник заменен простым подшипником сколь­ жения.

2. АВАРИИ, ВЫЗВАННЫЕ НЕСООТВЕТСТВУЮЩИМ ПРИМЕНЕНИЕМ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ

Наиболее тяжелые аварии с шарошечными долотами происходят вследствие неудовлетворительного способа их использования.

Заклинивание шарошек возникает благодаря прекращению вра­ щения шарошек на забое скважины, т. е. происходит прихват их на осях. С этого момента зубцы долота не воздействуют больше на породу вдавливанием (перекатыванием), а работают только резанием. В этом случае при нормальной нагрузке на долото невозможно получить вращения колонны бурильных труб и потому приходится снижать эту нагрузку. Отсюда и произошел термин «долото не При­ нимает нагрузки».

Такое состояние легко выявить, так как стол ротора при враще­ нии резко останавливается и необходимо поднимать долото с забоя; во время вращения стола ротора наблюдаются толчки, вызывающие удары в рабочей трубе; механическая скорость долота очень сильно уменьшается.

Эти сигналы наблюдаются до полного износа выступающих зубьев. Затем стол ротора приобретает спокойный ход, но проходка практически остается на нуле. При бурении далее долото изнаши­ вается за счет прогрессирующего истирания шарошек и, когда вскрывается опорная цапфа, в ствол скважины вываливаются ролики и шарики подшипников, шарошки высвобождаются и •остаются на забое.

Причины, вызывающие заклинивание шарошек, связаны в основ­ ном с присутствием металла на забое скважины. Во время наращи­ вания труб при бурении или же после извлечения колонны буриль­ ных труб на поверхность имеется возможность при открытом устье скважины упустить в нее различные металлические детали: инстру­ менты, клинья, цепи от ключей, звенья от роторной цепи, куски каната и т. д.

В то же время от предыдущего долота на забое могут остаться куски или ролики и шарики. Известны случаи, когда на забое сква­ жины систематически оставались шарошки вследствие недостаточной очистки его от металлических остатков.

176

Эти остатки металла легко проникают между зубцами шарошек, препятствуя вращению долота. Такая авария является специфичной именно для роторного бурения, где бурильщик имеет возможность форсировать бурение в приведенных выше условиях. Опыты пока­ зывают, что для создания аварии такого вида необходимо максимум два часа.

При турбинном способе бурения возникновение такой аварии является невозможным. В момент заклинивания шарошек турбина уже не может вращать долото па забое и приходится поднимать бурильный инструмент на поверхность.

Прихваты долота на забое в результате образования сальника, возникающего в процессе бурения пластичных пород (мергели, глины, мел и т. д.), происходят вследствие неудовлетворительного режима бурения, а именно чрезмерной вязкости глинистого рас­ твора и недостаточной промывки скважины. При этом шарошки забиваются глиной, играющей роль защитного слоя. Этот слой препятствует охлаждению долота и ведет к перегреву металла, вследствие чего происходит повреждение подшипников. Это явле­ ние объясняет голубоватый оттенок материала поднятых на поверх­ ность долот, специфичный для перегрева стали, а также смятие зубьев шарошек несмотря на то, что первоначальная твердость материала была нормальной.

Износ беговых дорожек подшипников вследствие общего износа долота приводит на конечной стадии отработки последнего к закли­ ниванию шарошек. Ролики в отсутствие одного из направляющих каналов при увеличении поверхности вращения располагаются по отношению к образующей канала вращения в наклонном поло­ жении, вызывая заклинивание шарошки на цапфе.

Износ долот. Продолжительность работы долота на забое свя­ зана в первую очередь со сроком службы опор подшипников. Хорошо изготовленный подшипник с конструктивной точки зрения более долговечен по сравнению с зубцами шарошек, так как это условие

Долговечность опоры зависит и от применяемого режима буре­ ния, определяющего износ подшипников, зубцов долота и т. д. Если износ беговых дорожек превышает допустимый предел, проис­ ходит интенсивное заклинивание шарошек.

По конструктивным и технологическим соображениям шарошка имеет радиальный люфт. При нагрузке на долото весом утяже­

В эксцентричной позиции работа шарошки затрудняется близ­ лежащими зубцами.

Внешний износ шарошек происходит во время бурения или про­ работки ствола в твердых породах и особенно при турбинном буре­

нии х.

Если требуется поднять долото с забоя при турбинном бурении, необходимо заранее остановить циркуляцию раствора через колонну бурильных труб или по возможности резко ее сократить при помощи спускного вентиля на выкиде насоса, иначе возникает опасность оставления шарошек на забое, так как шпиндель турбины про­ должает вращаться, что вызывает чрезмерный износ лап долота с внешней стороны шарошек, заклинивание внешнего подшипника

ит. д.

Внастоящее время нельзя заметить сигналы, позволяющие

предотвратить такую аварию. Можно возобновить работу долота на забое, если только не слишком поздно, на что укажет возможное заклинивание шарошек.

Износ долота по диаметру указывает на то, что нужно заменить его долотом другого типа, предназначенным для бурения более твердых формаций (например, долото типа С заменяется долотом типа Т и т . д.).

Каков бы ни был дефект долота, авария возникает при оставле­ нии на забое шарошки, что немедленно сигнализируется па поверх­ ности ненормальной работой долота и колонны бурильных труб.

Если принять необходимые меры вовремя, ликвидация аварии не встречает трудностей. Если же работа долота продолжается на забое или же производятся различные попытки уточнения для большей

Для предотвращения аварий, вызванных поломкой шарошечных долот, необходимо соблюдать следующие меры.

1. Проверка долота перед спуском в скважину: замер диаметра, замер радиального или аксиального люфта каждой шарошки; уста­

внимание на места сварки; осмотр качественности смазки долота.

2. В процессе работы долота на забое следует осуществлять максимально возможную прокачку глинистого раствора; вязкость глинистого раствора должна быть минимальной.

3.Рекомендуется производить систематический предохранитель­ ный контроль забоя магнитным фрезером.

4.Завинчивание и отвинчивание долота производить с долотодержателем, установленным в гнезде ротора.

1 Особенно в наклопных скважинах.,

178

5. Полезно установить минимальную механическую скорость бурения, по достижении которой работа долота на забое должна прекращаться; практически это выражается процентом от началь­ ной скорости проходки *.

6.Если наблюдается один из специфичных признаков заклини­ вания и можно сделать прямой вывод об образовании сальника на долоте (завал долота), делают попытку освободить его путем поднятия на 5 ж выше забоя. Затем долото проворачивают с боль­ шим числом оборотов на роторе около 10 мин. при максимальной производительности насосов. Снова пытаются работать долотом на забое и, если все же продолжается ненормальное состояние, долото извлекают на поверхность.

7.Падение колонны бурильных труб на забой зависит от тру­ довой дисциплины, степени профессиональной подготовки буровой бригады и состояния буровой установки.

Необходимо отметить следующие частные случаи.

Если предшествующее долото сильно уменьшилось по диаметру, существует опасность заклинить новое долото в стволе меньшего диа­ метра. Поэтому необходимо замерять долото шаблоном и записывать

вбуровом журнале уменьшение диаметра поднятого долота с забоя. Во время спуска долота может возникнуть неожиданный завал

ствола, например образование пробки из осыпавшихся кусков породы. В иных случаях до определенной глубины бурят долотом режущего типа, создающим, как известно, неравномерный ствол, пороги, уступы и т. д.

Спуск шарошечного долота в такой ствол без принятия необхо­ димых мёр предосторожности может привести к аварии.

Кроме того, необходимо систематически следить за индикатором веса на буровой и проверять его.

8. После спуска долота на забой рекомендуется произвести, обкатку долота в течение 10—15 мин. при числе оборотов стола ротора 60—80 об/мин с большой подачей промывочной жидкости и при постепенном повышении нагрузки на долото, начиная от нуля до нормальной. Тщательная обкатка дает следующие преиму­ щества.

Становятся известными возможные дефекты долота, появив­ шиеся во время спуска его в ствол скважины.

Обеспечивается промывка забоя перед переходом на нормальный режим бурения.

Производится пригонка беговых дорожек шарошек в забойных, условиях.

9. Необходимо предохранять ствол скважины от падения в него металлических объектов. После извлечения долота на поверхность долотодержатель должен оставаться все время в гнезде ротора, а при спуско-подъемных операциях рекомендуется применять очи­ ститель бурильных свечей.

1 За исключением изменепия твердости формации.