Прихваты бурильной колонны, предупреждение и ликвидация
Введение
В процессе бурения и испытания нефтяных и газовых скважин вследствие явлений горно-геологического характера возникают нарушения технологического процесса, называемые осложнениями. Осложнением является нарушение нормального состояния скважины, в результате которого дальнейшее углубление затрудняется или должно быть временно прекращено во избежание аварии. Осложнения как нарушения непрерывности технологического процесса строительства скважины вызываются явлениями горно-геологического характера. Это поглощения буровых и тампонажных растворов, нефтегазоводопроявления, выбросы и открытые фонтаны нефти, газа или воды, осыпи и обвалы горных пород в ствол скважины и др. В проектах на строительство буровых скважин предусматриваются возможности и условия появления осложнений, разрабатываются мероприятия по их предотвращению и ликвидации. Но эти расчеты не всегда основаны на точной информации о горно-геологических условиях бурения. Проходка разведочных скважин нередко проектируется по информационным данным о горных породах и пластовых флюидах, полученным по соседним площадям. Именно этим объясняется возникновение ситуаций, когда основные технологические параметры становятся несовместимыми с условиями бурения.
Определенная часть осложнений переходит в аварии. Авария - это непредвиденное нарушение непрерывности технологического процесса бурения или испытания скважин, требующее для его ликвидации проведения специальных работ, не предусмотренных проектом. Характерными видами аварий бывают поломки бурильных или обсадных колонн с оставлением в стволе скважины отдельных элементов, потеря подвижности колонн труб, смятие или нарушение обсадных колонн и др.
Основной причиной возникновения аварий является нарушение параметров технологии бурения буровой бригадой, несоблюдение инструкций и требований проектных документов.
В соответствии с инструкцией по классификации, расследованию и учету аварий при бурении скважин на нефть и газ все аварии подразделяются на следующие виды:
- аварии с элементами бурильной колонны;
- прихваты бурильных и обсадных колони;
- аварии с долотами;
- аварии с обсадными
колоннами и элементамиих
- аварии из-за неудачного цементирования;
- аварии с забойными двигателями;
- падение в скважину посторонних предметов:
- прочие аварии.
При бурении эксплуатационных и разведочных скважин самым распространенным и наиболее тяжелым видом аварии является прихват бурильных и обсадных колонн. Ежегодно в управлениях буровых работ Тюменской области возникает 70 - 80 прихватов бурильных труб. Число прихватов на разведочном бурении также велико - 40 - 43 прихвата бурильных труб и 2 - 5 случаев прихвата обсадных колонн. Этот вид аварий является самым трудоемким. Он занимает 35 - 45% общих затрат времени на ликвидацию аварий.
1. Прихват бурильных и обсадных колонн.
Прихватом называют непредвиденное при бурении скважины нарушение процесса, которое характеризуется потерей подвижности колонны и не может быть ликвидировано при приложении допустимых нагрузок. Допустимая величина натяжения для освобождения прихваченной бурильной колонны определяется из условия, что материал труб не может быть подвергнут напряжениям, равным пределу его текучести. Расчет допустимого натяжения производится по формуле:
(2.1)
где: - предел текучести материала труб, кН;
F - площадь поперечного сечения тела гладкой части бурильной трубы,м2;
k - коэффициент запаса прочности, определяющий степень износа труб. Принимается равным 1,2-1,3.
В случае, если при ликвидация прихвата величина натяжения будет превышать , бурильные трубы подлежат списанию, так как в последующем возможны поломки труб из-за усталостных явлений и микротрещин.
В качестве признаков возможного прихвата колонны при движении в стволе скважины служат ее затяжки и посадки. Затяжка колонны возникает при подъеме в виде значительного увеличения нагрузки на крюке сверх собственного веса труб. Посадка инструмента происходит при его спуске и выражается в существенном снижении нагрузки на крюке, отмеченном гидравлическим индикатором веса (ГИВ). При прохождении сужений, желобных выработок, уступов иногда возникают ситуации, когда колонна при технически допустимой разгрузке на крюке не идет вниз. Обычно прихват труб возникает не мгновенно, поэтому его можно предотвратить. Основной причиной образования прихвата труб следует считать нарушение правил технологии бурения исполнителями работ. Как и любой другой вид аварий, прихват требует изучения обстоятельств его возникновения.
К ним относятся: состояние ствола скважины, в том числе наличие зон осыпей, обвалов, сужений ствола, расположение уступов, горизонтов, поглощающих буровой раствор, или пластов, проявляющих флюиды. Изучается состояние бурильной колонны и продолжительность ее работы, Важную рольпри возникновении прихвата играет состояние технологии промывки скважины и наличие в буровом растворе смазывающих добавок.
1.1. Разновидности прихватов, условия их возникновения и признаки
По факторам, способствующим возникновению прихватов, следует различать несколько их разновидностей.
1.1.1. Прилипание к стенке скважин под действием перепада давлений.
Это так называемые дифференциальные прихваты. Дифференциальное давление (перепад между гидростатическим и пластовым) прижимает колонну к стенке скважины. Прихват возможен при наличии в разрезе хорошо проницаемых пород (песчаников, алевролитов, известняков в продуктивной толще) с проницаемостью до 600 - 800 миллидарси.
Другими условиями возникновения дифференциального прихвата являются образование липкой фильтрационной корки на стенке скважины, возникновение механической прижимающей силы в виде нормальной составляющей веса труб в наклонно направленных скважинах и в искривленных участках ствола вертикальных скважин, оставление бурильной колонны без движения на какое-то время. Эта разновидность прихватов наиболее часто встречается на промыслах Западной Сибири. Обычно циркуляция бурового раствора при возникновении прихвата не прекращается.
1.1.2. Заклинивание низа колонны.
Заклинивание - это жесткое сопротивление колонны продольному перемещению и вращению, которое возникает при резкой посадке инструмента в желобную выработку, сужение, сильно искривленный участок ствола.
Эта разновидность также встречается часто. Преобладающими являются прихваты в суженной части ствола, а также в желобных выработках, в интервалах резкого изменения оси скважины, в интервалах интенсивного роста фильтрационных корок, при заклинивании труб посторонними предметами, шламом и утяжелителем, кусками обвалившейся породы,
В случае небольших превышений нагрузки или крутящего момента при натяжении или вращении колонны явление жесткого сопротивления называют подклиниванием.
Заклинивание низа колонны труб характерно для зон сужения ствола скважин, вызванных интенсивным нарастанием фильтрационных корок, для интервалов резкого изменения оси ствола, для интервалов твердых и абразивных пород, пройденных долотом с потерей диаметра, а также при замене компоновки низа бурильной колонны на более жесткую при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин. Обычно этот тип прихватов возникает при спуске, реже - при подъеме инструмента.
Признак прихвата при спуске - это разгрузка инструмента на 3-4 тс, а при подъеме - затяжка.
Наиболее сложной разновидностью прихвата является заклинка инструмента в образующейся на стенке скважины продольной выработке, называемой желобом. Желоб является следствием механического воздействия замков бурильной колонны на наклонные участки наклонно направленных и горизонтальных скважин. При движении колонны происходит разрушение пород типа резания замками, прижатыми к стенке горизонтальной составляющей веса определенной части бурильной колонны.
Признаками образования желобов служат возникновения мгновенных значительных затяжек при подъеме колонны. Как правило, дополнительные затяжки ведут к осложнению аварии. Инструмент при этом еще более затягивается в желоб, а циркуляция, восстанавливающаяся без затруднений, не помогает освобождению колонны.
Заклинивания инструмента посторонними предметами происходят вследствие ошибок членов буровой вахты при работе на устье. В скважину падают рабочие инструмента в виде цепных ключей, кувалд, ломов, клинья ротора, сухари АКБ и т.д. Заклинивание бурильной колонны возможно при ее спуске с большой скоростью в искривленных интервалах ствола при наличии сильно трещиноватых перемятых пород. Замками сбиваются отдельные куски пород, которые при падении по затрубному пространству заклинивают трубы.
Заклинивание колонн обычно происходит мгновенно при сохранении циркуляции.
Прихваты колонны при заклинивании ее шламом или утяжелителем возникают из-за нарушения режима промывки скважины. Накопление осадка из частиц шлама или утяжелителя в кольцевом пространстве при определенных условиях может привести к заклиниванию бурильной колонны. Признаки этой разновидности заклинивания следующие:
- постепенное повышение
давления в нагнетательной
- появление затяжек инструмента,
- постепенное прекращение циркуляции.
При турбинном бурении с двумя насосами и расходе бурового раствора 40 - 45 л/с возможен размыв резьбовых соединений.
Это приводит к тому, что ухудшаются условия промывки в нижней части ствола и увеличиваются шансы на прихват колонны.
1.1.3. Прихваты бурильной колонны обвалившимися неустойчивыми породами.
Они характерны для интервалов, состоящих из глинистых пород, склонных к осыпям и обвалам, а также к пластическому течению.Из геологических факторов, способствующих потере устойчивости пород, следует отметить наличие в разрезе перемятых, трещиноватых, тектонически нарушенных пород, склонных к быстрому набуханию под действием фильтрата бурового раствора.
Технологические факторы включают:
- низкое качество бурового раствора, прежде всего, большая величина фильтрации;
- несоответствие типа
буровогораствора
- большие колебания давления
промывочнойжидкости в
- длительное оставление
вскрытых
- механическое воздействие
замковыхсоединений
Признаки осыпей следующие:
- вынос во время циркуляции оскольчатогошлама, необработанного вооружением буровых долот;
- посадки и затяжки
инструмента, недохождение долота
дозабоя из-за накоплении
- некоторое повышение
давления нанасосах при
- интенсивный рост вязкости
и содержаниякусков породы
Обвалы, в отличие от осыпей, имеют более объемный характер. Признаки обвалов таковы:
- резкое повышение давления в нагнетательной линии, сопровождающееся иногда поглощением раствора или потерей циркуляции;
- больной интервал недохождения инструмента дозабоя;
- малая скорость проработки ствола.
1.1.4. Прихват бурильной колонны сальником.
Образование в буровом растворе крупных пластичных кусков бурового глинистого шлама, названных сальниками, происходит при проходке глинистых отложений. Сальники возникают, главным образом, при сдирании со стенок замками колонны толстых рыхлых глинистых корок, отложившихся на высокопроницаемых породах. Образованию сальников способствует загрязненность ствола скважины частицами выбуренной породы при недостаточной скорости восходящего потока жидкости. При этом в зоне работы долота возникает концентрация частиц шлама и слипание их при условии низкой смазывающей способности раствора и значительного содержания в нем твердой фазы. В процессе подъема по стволу масса сальника увеличивается, а скорость подъема падает. Сальники накапливаются в местах увеличения поперечного сечения кольцевого пространства, прилипая к элементам низа бурильной колонны над долотом, выше турбобура, выше УБТ. Прихват колонны сальником возникает чаще всего при подъеме инструмента, когда формируются условия перекрытия затрубного пространства крупными сальниками в местах сужений ствола. Прихват труб может сопровождаться потерей циркуляции.
Признаками появления сальников являются:
- возникновение посадок,
инструмента при спуске и
- уменьшение механической скорости проходки долотом, сохранившим работоспособность всех узлов;
- увеличение крутящего момента при роторном способе бурения:
- повышение давления в
нагнетательной линии в
- уменьшение веса колонны
на крюке при спуске и
- обнаружение плотных
кусков глины на замках и
других элементах бурильной
- наличие кусков породы и глинистой корки в желобах и на виброситах.
1.1.5. Прихваты испытателей пластов.
Данный вид прихватов включает прихваты следующих узлов испытателей пластов:
- прихват бурильных труб
выше пакера под действием
перепада давления вследствие
продолжительного оставления
- прихват пакера, не освободившегося при помощи ясса;
- прихват фильтра вследствие
"заиливания" при интенсивном
притоке пластовых флюидов с
частицами слабо
1.1.6. Систематизация разновидностей прихватов, приведенная выше, не означает, что причиной той или иной аварии может быть только какой-то один из факторов. Как правило, возникновению прихвата может способствовать какой-то один фактор, называемый нами определяющим. В процессе развития прихвата может проявиться действие и других факторов. Например, возник прихват низа бурильной колонны под действием перепада давлений, но из-за ухудшения промывки произошло осаждение частиц шлама с увеличением силы прихвата. Для выбора способа ликвидации прихвата необходимо изучить все обстоятельства, при которых возникла аварийная ситуация.
1.2. Прихваты обсадных колонн
Аварии с обсадными трубами занимают значительное место в практике бурения. Наибольшие затраты времени на ликвидациюихвызывают прихваты обсадных колонн. Особенно часто прихваты возникают при бурении на разведочных площадях, месторождениях, в разрезе которых имеются породы, склонные к набуханию, сужению ствола и обвалам. Строительство опорных, параметрических, структурно-поисковых, разведочных скважин на новых площадях ведется при весьма малой информации о горно-геологических условиях бурения. Поэтому конструкции скважин часто нерациональны, буровые растворы не по всем параметрам соответствуют условиям бурения. Вследствие этого породы набухают и обваливаются в процессе углубления скважины.
Основные факторы, способствующие возникновению прихвата обсадных колонн, носят организационно-технический характер:
- нечеткий план работ
по спуску колонны, не полностью
учитывающий результаты
- неудовлетворительная
- длительные остановки
при спуске, вызванные поломками
и неисправностями буровой
- отказ от предусмотренных планом промежуточных промывок;
- несовершенная технология
бурения ствола под спускаемую
обсадную колонну, включая использование
бурового раствора низкого
Помеханизму возникновения прихваты обсадных колонн аналогичны прихватам бурильных колонн, описанным в разделе 2.1.
2. Методы предупреждения прихватов колонны труб.
2.1. Общие технологические меры предупреждения прихватов
В процессе проводки скважины основное внимание уделяется контролю за технологическими свойствами бурового раствора и показателями режима промывки ствола скважины.
2.1.1. Параметры бурового раствора должны соответствовать геолого-техническому наряду (ГТН). Отклонения фактической плотности раствора отпроектной не должны быть более ± 20 кг/м3- при плотности в целом до 1450 кг/м3 и более чем ± 30 кг/м3 для растворов с большей плотностью.
2.1.2. Для контроля режима промывки на выходе буровых насосов устанавливаются манометры, регистрирующие изменение давления в нагнетательной линии. При снижении давления, в случае нормальной работы насосов, бурильную колонну необходимо поднять, установить место промоин и заменить поврежденные элементы колонны. Плановые профилактические опрессовки труб при давлении 20 МПа, а также дефектоскопия их проводятся в соответствии с профилактической картой по безаварийному ведению работ.
2.1.3. С целью контроля показателей свойств раствора буровая должна быть оснащена комплексом приборов и устройств КЛР-1 и снабжена набором химических реагентов, указанных в карте по интервальной обработке бурового раствора.
При бурении должен быть организован контроль за следующими параметрами раствора: плотность, водоотдача, условная вязкость, статическое напряжение сдвига, толщина фильтрационной корки, показатель рН, содержание песка и смазочных добавок. Регистрация показателей свойств производится в специальном журнале, где указываются также объем и время ввода в буровой раствор химических реагентов, утяжелителя, смазочных добавок.
2.1.4. Для повышения противоприхватной способности раствора необходимо постоянно поддерживать в нем требуемое количество смазочных веществ, например, нефти, СМАД-1 (смесь дизельного топлива с окисленнымпетролатумом), СГ (смесь гудронов). ГКЖ-10 или ГКЖ-11 (гидрофобизирующая кремнийорганическая жидкость), графита. За последние годы нашли применение новые смазочные добавки (рыбожировая смазка, смазки на основе синтетических жирных кислот - Спринт, ЭКОС-Б и другие), обладающие экологической безвредностью и достаточно высокой смазочной способностью. В этой работе описывается также эффективное применение стеклянных и пластмассовых шариков диаметром (0,25-0,65)×10-3 м в качестве противоприхватных добавок к буровому раствору.
Смазочные свойства буровых растворов следует определять по значению коэффициента сдвига фильтрационной корки, который определяется при помощи модернизированного прибора СНС-2. По данным [2,4] величина не должна превышать 0,3.
2.1.5. Не разрешается оставлять бурильную колонну без движения в открытой части ствола, особенно против пористых и проницаемых пород, а также пород, склонных к осыпям и обвалам. Для месторождений Тюменской области это время не должно быть более 3 - 10 минут.
При вынужденном оставлении инструмента воткрытом стволеследует вести промывку забоя и по возможности вращатьколоннуротором или ключами. В случае временного (до0,5 часа) прекращения промывки скважины необходимо поднять колоннутруб от забоя на длину ведущей трубы и систематически, синтервалом 2-5минут расхаживать и проворачивать ротором. Придлительных остановках (более 30 минут) инструмент следует поднять в обсадную колонну.
В случае, если во время СПО произошла поломка подъемного механизма при нахождении бурильной колонны в открытом стволе, необходимо колонну подвесить на ротор, навернуть ведущую трубу, восстановить циркуляцию и проворачивать колонну ротором.
2.1.6. При спуске в скважину инструмента с долотом, отличающимся формой, размерами от долота предыдущего рейса, а также более жесткой КНБК, следует проявлять осторожность. В случае возникновения посадок необходимо спуск колонны превратить, поднять ее на длину ведущей трубы и проработать интервал. Интервалы посадок, затяжек, желобов, уступов, обвалов должны быть отмечены в буровом журнале и суточном рапорте бурового мастера. Углубление скважины при возникновении затяжек, посадок, подклиниваний из-за осыпей, обвалов, выпучивания пород, интенсивного роста фильтрационной корки должно быть прекращено.
В показатели свойств бурового раствора и режима промывки необходимо внести соответствующие коррективы и провести тщательную проработку ствола скважины.
2.2. Предупреждение прилипания бурильной колонны под действием перепада давлений
Прихваты этого вида распространены при бурении в пористых и проницаемых песчаниках, алевролитах, известняках продуктивных пластов.
2.2.1. Применяемые буровые растворы должны иметь низкую водоотдачу и тонкую малопроницаемую фильтрационную корку с малым значением коэффициента сдвига. Водоотдача не должна превышать 4 - 5 см3 за 30 минут, а коэффициент сдвига - не более 0,3 [2].
2.2.2. Для снижения площади контакта труб со стенками скважины необходимо использовать утяжеленные бурильные трубы (УБТ) с профильным поперечным сечением квадратные, квадратные со смещенными гранями, круглые с канавками на поверхности, со специальными центрирующими втулками, с переводниками - центраторами.
2.2.3. Время оставления инструмента без движения в открытой части ствола не должно превышать 10 минут, а в случае нахождения колонны в только что вскрытом бурением высокопроницаемом пласте - не более 3 минут.
2.2.4. Одним из способов предотвращения прихватов в случае появления затяжек и посадок при формировании толстых фильтрационных корок является тщательная проработка ствола в прихватоопасном интервале и проведение кольматации отверждаемыми смесями.
2.2.5. При возникновении дифференциального прихвата бурильщик должен принять первоочередные меры по его ликвидации. Это наиболее простые операции, выполняемые буровой вахтой сразу же после обнаружение прихвата:
- восстановление циркуляции и ведение промывки с расходом раствора на уровне бурения предыдущего интервала;
- расхаживания колонны с допустимыми нагрузками, не превышающими 80% от предела текучести материала труб;
- периодически совершаемая
отбивка инструмента ротором
при натяжении колонны до
В случае неэффективности первоочередных мер после 2 - 3 часов попыток освобождения инструмент следует разгрузить до величины, равной 15% от собственного веса колонны, и ожидать указаний от руководителей буровой организации. Для предотвращения увеличения зоны прихвата и усложнения аварии бурильщик обязан через каждые 15 минут производить расхаживание инструмента с натяжением до собственного веса и разгрузкой на вес инструмента, находящегося в открытом стволе, а также отбивку ротором при собственном весе колонны.
2.2.6. Для быстрой ликвидации возникшего прихвата и предупреждения осложнений при проходке прихватоопасных интервалов рекомендуется включать в КНБК специальныйясс - гидроударник, приводимый в действие в случае возникновения прихвата.
2.3. Предупреждение заклинивания низа колонны
2.3.1. Заклинивание низа колонны при ее движении по стволу. Профилактика прихватов этого вида может включать следующие меры:
После окончания рейса проводится осмотр и изучение износа отработанного долота с регистрацией параметров износа.
Перед спуском нового долота бурильщик обязан иметь следующую информацию:
- величина проходки, выполненной
отработанным в последнем
- интервалы посадок и затяжек, возникших в последнем рейсе и ранее, и их величины;
- техническое состояние нового долота;
Спуск нового долота следует веста осторожно, не допуская посадок более 30 - 40 кН. При возникновении посадок необходимо спуск прекратить, колонну поднять на длину ведущей трубы, интервал посадок и затяжек проработать. Интервал проходки ранее отработанным долотом должен быть проработан с осевой нагрузкой около 30 кН. Необходимо осторожно спускать новые КНБК. Ствол скважины время от времени шаблонируется специальной компоновкой.
He разрешается вести углубление ствола скважины ниже прихватоопасных интервалов более 36 - 40 часов после их последней проработки. После того, как это время истекло, бурильная колонна поднимается на необходимую высоту и интервалы затяжек и посадок прорабатываются. В особых случаях разрывы времени между проработками ствола могут быть сокращены.
Необходимо ограничивать скорости спуска и подъема инструмента в интервалах затяжек и посадок.
2.3.2. Заклинивание труб в желобных выработках.
Рекомендации по предотвращению прихватов бурильных колонн в желобах разработаны во ВНИИКрнефть. Ниже приведены основные правила предупреждения возникновения желобов в стволе скважины, предупреждения прихвата инструмента в желобных выработках перечислены основные меры по разрушению желобов и первоочередные действия буровой бригады при возникновении прихвата.
При проектировании и проходке скважин необходимо учитывать следующие факторы:
- конструкция скважины
должна быть такой, чтобы интервалы
залегания пород, склонных к желобообразованию,
были пройдены с минимально
возможным числом рейсов
- в вертикальных скважинах
в интервалах бурения
- рекомендуется проходку
участков ствола скважины, в которых
возможно
При бурении наклонно направленных скважин целесообразно предусмотреть в профиле ствола прямолинейный наклонный участок с длиной, большей предполагаемого интервала интенсивного образования желобов. Это позволит в 2 - 3 раза снизить рост желобообразования.
Необходимо организовать периодические замеры конфигурации ствола профилемером для контроля за образованием и развитием желобов. Первый замер производится при достижении скважиной глубины 500 м ниже башмака первой промежуточной колонны, а последующие - через 200-300 м бурения.
