книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

где рп — потребная плотность, г/см3; Я — глубина залегания кровли продуктивной толщи, м.

Найдя рп для вскрытия продуктивной толщи с применением этой зависимости, можно определить нормированное превыше­ ние гидростатического давления над пластовым, уменьшить за­ траты на приготовление и обработку раствора, снизить вероят­ ность возникновения осложнений и аварий, связанных с при­ хватами колонн и поглощениями промывочной жидкости, а также газопроявлений.

Глава IV

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ ПРИХВАТОВ

§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ПРИХВАТА СЕКЦИОННОЙ РАЗНОРАЗМЕРНОЙ КОЛОННЫ ТРУБ ПО УПРУГОМУ УДЛИНЕНИЮ ЕЕ СВОБОДНОЙ ЧАСТИ

В настоящее время существует несколько способов определе­ ния зоны прихватов, но большинство из них требует специ­ ального оборудования или средств, обычно отсутствующих на буровой при нормальном технологическом процессе проводки скважин.

Единственным методом, известным до сих пор в практике бурения, которым можно пользоваться немедленно после воз­ никновения прихвата и без дополнительной подготовки обору­ дования и приборов, является метод определения верхней гра­ ницы прихвата по упругому удлинению свободной части ко­ лонны труб под действием растягивающей нагрузки, превыша­ ющей собственный вес колонны.

Верхняя граница прихвата одноразмерной по наружному диаметру и толщине стенок колонны труб определяется из за­ висимости

L= K~S-r K.	(«)
где L — длина свободной части колонны труб, см;	/(=1,05—

коэффициент, учитывающий наличие в колонне труб жестких замков и высаженной части; Е = 2,ЫО6 кгс/см2 — модуль Юнга

для стали; 5 — площадь		поперечного				сечения		трубы,		см2;
Р2—Pi=AP — разница	между		силами		растяжения,				приклады­
ваемыми в колонне сверх ее веса, кгс;						— упругое удлинение
колонны труб под действием силы АР, см.						Р2; ^	и	L	детально
Методика определения		значений		Рй
рассмотрена в работах [61, 64, 77, 80, 85].						труб	q	в	кг,	полу­
Вводя в формулу	(46)		массу	1	м
чаем [35]:
1										<4 7 >

где рст= 7,85 г/см3— плотность стали.

92

Известно, что в промысловой практике наибольшее распро­ странение получили следующие единицы измерения: длина, труб (Я) в м, вес их 1 м (q) в кгс, силы растяжения в ко­ лонне труб (Р) в тс, упругое удлинение колонны (>.t) в см. Приведя формулу (47) к размерностям, наиболее распростра­ ненным на практике (Я в м; q в кгс; Р в тс; Я1 в см), можно, получить новое выражение для L в м

L = 1,05	10-2-1-10^ 10~2Л1=28,1	яК	(48>
	ЮЗДР.7,85	др
Подобная формула, за исключением числового коэффициен­
та, была получена авторами работы [64].			широкого практиче­
Формула	(48) проста и доступна для

ского применения, но только для одноразмерных колонн, ис­ пользуемых в настоящее время сравнительно редко.

При бурении глубоких скважин обычно применяют равно­ прочную, нередко комбинированную по наружному диаметру и: толщине стенок колонну труб. В этом случае применять фор­

мулу (48)	невозможно. Известно, что сила АР будет вызывать
в каждой	секции соответствующее ей удлинение,	суммарное
значение которого для всей колонны составит
Х = 2	*»	(49)
1=1

где п — число одноразмерных секций в колонне труб.

Для упрощения решения этой задачи приняли, что облегче­ ние веса колонны труб в промывочной жидкости компенсиру­ ется силами сопротивления.

Тогда для многоступенчатой колонны суммарное удлинение колонны под действием силы АР равно

К =	28,1^2	|_ М Р . 4. . . . +					(50)
28,1(7!		28,1(73		28,1(7*
где Я 1 — длина	свободной		(неприхваченной)		части труб		ниж­
ней секции Li, м; qu		q2,	.... qn — вес	1 м одноразмерных по
наружному диаметру		и толщине стенок		труб	в	воздухе,	кгс;
Li, L2, L3, ..., Ln — соответствующая длина секций						труб. м.
Решив уравнение		(50)	относительно	Ни получим формулу

для определения длины свободной части секции труб, распо­ ложенной в зоне прихвата,

	/	28,17. _	_Ц_____L3		(51)
	\	АР	Яг	Яа

Если в результате расчетов окажется, что величина Я4 от­ рицательная, то очевидно, что верхняя граница прихвата рас-

93.

положена выше этой секции труб. Тогда требуется определить #2 свободной части секции L2 по формуле (51):

	/	28, a	Lg	(52)
	^2 — \	ЬР	Яг
				Яп

Вычисления продолжают до получения положительного зна­ чения Hi.

	Hi = qi	28,а	У Ч	Ln	(53)
		АР	Z j	Яп

n i +1

Верхнюю границу прихвата многосекционной колонны труб в скважине определяют из уравнения

H = H , + J<L,.

(54)

”i+i

П р и м е р .

Компоновка колонны бурильных труб снизу вверх (секции 1—4); Рг—Pi=A P = 25 тс; Л=75 см; глубина скважины 4000 м.

Из формулы (51) находим, что

fti секции	Диаметр трубы, мм	Толщина стенки трубы, мм	Длина секции, м	Вес 1 м труб, кгс
1	114	10	600	27,3
2	114	9	500	24,9
Э	140	10	1000	34,2
4	140	11	1900	37,2

Тогда из формулы (52)

	Нг =	/	28,1-75		500
		27,3 \		25	24,9
	1000	1900\		27,3 (-16,1) =
	3 4 ,2	37,2)

= — 439,5 м.

Так как значение Hi отрицатель­ но, то верхняя граница прихвата, очевидно, расположена выше первой секции труб.

28,1-75	1000	1900\	„ Л	M Л
#* = 24,9 ------------—	------ —	------ ) =	24,9-4 =	99,6 м.
25	34,2	37,2/

Длина свободной части многосекционной колонны труб или верхняя граница прихвата, согласно формуле (50), будет составлять

# = Я* + L 3+ L4 = 99,6 + 1000 -f 1900 = 2999,6 м.

Длина нижней части колонны, находящейся в зоне прихвата, составит

L— Я = 4000 — 2999,6 = 1000,6 м.

Как видно из приведенного примера, данная методика до­ статочно проста и может применяться непосредственно после прихвата. Верхнюю границу прихвата секционных колонн оп­ ределяют с достаточной для промысловых исследований точ­ ностью, благодаря чему можно принимать меры по ликвидации прихвата.

94

§ 2. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРХНЕЙ ГРАНИЦЫ ПРИХВАЧЕННОГО ИНСТРУМЕНТА

Аналитический способ незаменим в сложных ситуациях, на­ пример: при бурении наклонных скважин или скважин с боль­ шими углами искривления, в случае загустевания раствора в. трубах или наличия в них цементной пробки, шлама, утяже­ лителя и т. п.

В случае необходимости точного определения места прихва­ та используют специальные приборы.

Прихватоопределители. В практике находят применение прихватоопределители четырех типов [61, 62].

Характеристика прихватоопределителей

			Прихватоопределитель
Параметры		ПО-90	ПО-70	ПО-50	ПО-25
Предельные внутренние диаметры		труб
и их соединений,	в которых рекомен­
дуется работать	прихватоопределите-		76—115	62—76	30—50.
лем, мм	корпуса, мм	115—/165
Внутренний диаметр		61	46	36	19
Сердечник намагничивающей катушки:			253	258	238
длина, мм		226
диаметр, мм		25	20	20	18
Прибор:		452	422	412	435
длина, мм
наружный диаметр, мм		90	70	50	25
масса, кг		15—20	9—14	5—10	2—б

Работа прихватоопределителя основана на свойстве ферро­ магнитных материалов, размагничивающихся при деформации предварительно намагниченных участков труб. В предполагае­ мую зону прихвата спускают прибор для получения характе­ ристики намагниченности прихваченных труб (первый конт­ рольный замер). Затем в зоне прихвата подачей тока через; электромагнит на участки колонны через 10 м ставят магнит­ ные метки, причем на каждом участке намагничивается отре­ зок трубы длиной 15—20 см. Во время второго контрольногозамера записывают кривую магнитной индукции вдоль всего участка, где проставлены метки.

Места магнитных меток фиксируются четкими аномалиями. Меньшие аномалии фиксируют замки и муфты труб.

После	расхаживания прихваченной колонны с нагрузками,
близкими	к весу инструмента в скважине, а также после пово­
рачивания	ее	на безопасное число	оборотов магнитные метки
в результате		деформации металла	труб выше зоны прихвата

95.

«стираются. При третьем контрольном замере определяют уча­ сток с сохранившимися магнитными метками, по которому судят о расположении верхней границы прихвата.

В тресте Грознефтегеофизика разработан и широко внедрен метод одновременного определения положения замков буриль­ ных труб и взрыва торпеды, для чего в прихватоопределитель •помещают два диода. Узлы прибора для проведения комбини­ рованной операции соединяют в такой последовательности (сверху вниз): груз, прихватомер, переводник длиной 1 м, тор­ педа. Порядок работы: в скважину опускают названные узлы с незаряженной торпедой; прихватоопределитель отбивает зону прихвата; во время подъема (при входе прихватоопределителя в замок, размещенный выше верхней границы прихваченной колонны) на усилитель подается импульс тока, приводящий в действие реле времени (с задержкой, достаточной для входа торпеды в замок) и исполнительное реле, а также подающий ток на взрыв торпеды. Совместное использование прихвато­ определителя и торпеды значительно сокращает время опера­ ций по торпедированию прихваченных труб и повышает их эф­ фективность.

Аналогичное совмещенное устройство используют за рубе­ жом.

В отечественной промысловой практике находит применение индикатор зоны прихвата (ИЗП), работающий на принципе изменения силы тока в цепи при растяжении и сжатии труб.

Характеристика индикатора зоны прихвата (ИЗП)
Прибор:
диаметр, м м ......................................................................	60
длина, м м .........................................................................	2500
Масса, к г .................................................................................	10,5
Ток питания, м А .....................................................................	200— 300
Напряжение питания, В ..............................................................	300
Максимальная глубина исследований, ..................................	2500
Минимальная величина растягивающей нагрузки в точке
наблюдения, т с .................................................................	4,5— 5,5

Если сила тока, пропущенного через прихваченные трубы, не меняется, то, значит, трубы на данной глубине не прихва­ чены. При пропуске постоянного тока через обмотки электро­ магнитов (верхнего и нижнего) прибор, спущенный в сква­ жину, притянется к стенке трубы. В процессе растяжения этото участка расстояние между электромагнитами увеличивает­ ся, изменяется сила тока, что фиксируется на поверхности по показателям миллиамперметра. Место прихвата ищут через определенные интервалы по глубине. Для уточнения положения •верхней границы прихваченных труб интервалы, в которых проводятся замеры, сокращают до 1—2 м.

В другой конструкции ИЗП, сходной с описанной, исполь­ зуется электрическое устройство для определения степени на-

•96

магниченности чувствительного элемента, зависящей от прило­ женной к нему механической силы. Изменение силы, приложен­ ной к трубе и передающейся намагниченному элементу, позво­ ляет установить место прихвата.

При акустическом способе определения места прихвата верхнюю часть колонны труб поддерживают у поверхности в положении, допускающем ее вращение. Затем к ней прилагают крутящую нагрузку, которую снижают, чтобы вызвать свобод­ ные крутящие колебания колонны. Место прихвата колонны труб находят по частоте крутящих колебаний.

Следует отметить, что, несмотря на простоту основных прин­ ципов действия приборов, показания которых зависят от упру­ гой деформации труб, практическое использование их не всегда дает удовлетворительные результаты по следующим причинам:

а) разноразмерность секций колонн труб по длине и диа­ метру;

б) различия свойств промывочной жидкости и температур­ ных колебаний в сопоставляемых ситуациях при замерах;

в) отсутствие резкой границы прихвата; г) почти полное отсутствие падения напряжений у УБТ;

д) действие на колонны случайных нагрузок, которые воз­ никают в искривленных и наклонных участках стволов сква­ жины и не поддаются учету;

е) электромагнитные поля в скважине, влияющие на пока­ зания регистрирующих приборов;

ж) наличие высадок, окалины и коррозии труб; з) влияние температуры и давления на чувствительность

приборов.

В результате действия названных факторов определить зо­ ну прихвата колонны труб, особенно расположенной на боль­ шой глубине, достаточно трудно.

§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОГО УГЛА ЗАКРУЧИВАНИЯ НЕПРИХВАЧЕННОЯ ЧАСТИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Практика показала, что большинство прихватов ликвидируется при комбинированном использовании установок различных ванн и расхаживания колонны, причем результативность опе­ раций увеличивается при поворачивании колонны ротором на определенное число оборотов. При отдельных видах прихватов прокручивание — единственный способ освобождения инстру­ мента. Эта операция почти безопасна, так как обрыв труб при кручении происходит значительно реже, чем при растяжении. Кроме того, частое расхаживание труб без нарушения контакта металла со стенкой скважины не только не предупреждает, но, наоборот, увеличивает силы прихвата, так как инструмент, вдавливаясь глубже в фильтрационную корку, контактирует с

4 Зак. 76

97

более плотными ее слоями, в результате возрастает коэффи­ циент сопротивления сдвига.

Автор при исследованиях свойств глинистых корок на при­ боре ПС-ГК установил, что уменьшение времени между страгиваниями индентора (без отрыва его от корки) увеличивает коэффициент сопротивления.

Существующие методики неприменимы для расчетов закру­ чивания секционных колонн, т. е. колонн, составленных из труб,, различных по длине и диаметру, а также групп прочности сталей.

Допустимое число оборотов при закручивании прихваченной колонны, состоящей из разноразмерных бурильных труб, с учетом веса свободной части инструмента в скважине, запол­ ненной промывочной жидкостью, может быть определено сле­ дующим образом.

В общем случае степень закручивания одноразмерной ко­ лонны бурильных труб определяется зависимостью

M L	(55>
Ф = 2 -1,05-яGI ’

где ф — степень закручивания бурильных труб, об; М — кру­ тящий момент, приложенный к трубам (M =T W, где т — допу­ стимое касательное напряжение при кручении, кгс/см2; W — момент сопротивления кольцевого сечения бурильных труб, см3), кгс-см; L — длина бурильных труб, см; G — модуль уп­ ругости II рода (для стали 8-105 кгс/см2; для сплава Д16Т, из которого изготовляют ЛТБ, — 2,7-105 кгс/см2, температура ком­ натная), кгс/см2; I — полярный момент инерции кольцевого се­ чения бурильных труб, см4; т находят из уравнения результи­ рующего напряжения в верхней части подвешенной колонны бурильных труб, согласно третьей теории прочности,

а2 = |Л х * + 4 та< ^ ,

(56)

А

где сгр — растягивающее напряжение от действия собственного веса свободной части колонны бурильных труб, кгс/см2; ат — предел текучести металла труб при растяжении, кгс/см2; К — коэффициент запаса прочности.

Из уравнения (56)

т <

tfp/C2 - L ,

(57)

Растягивающее напряжение ор от действия собственного веса свободной части колонны одноразмерных бурильных труб можно определить как

<?P = MPH— р *)>

(58>

98

где L — длина свободной части колонны, см; рм и рж — соот­ ветственно удельный вес металла бурильных труб и промывоч­

ной жидкости, кгс/см3.			неравенство (57),	получаем
Подставляя	значение ар в
т < / а ? - 1	2(Рм-	Рж)/С2	- J r ,	(59)
тогда
				(60)
Решая совместно		уравнения (55) и (60) и		учитывая, что

W /I = 2/D, так как для кольцевого сечения бурильных труб

W = л	(Р*— d*)	,	а 1 = —	(D4 — <Р)
Тб	D		32	'

{D — наружный диаметр бурильных труб, см; d — внутренний диаметр бурильных труб, см), получаем

V aT ~ Li (Рм-Рж)2^
Ф <	(61)
2,	\nKGD

На основании расчетов по формуле (61) построили номо­ граммы для определения допустимого числа оборотов свобод­ ной части прихваченной бурильной колонны для групп проч­ ности сталей Д, К, Е и сплава Д16Т (рис. 15). При расчетах принимали:

Трубы.................................................................	Стальные	ЛБТ
К ..............................................................................	1,5	1,8
Рм—рж, кге/ем3 ...............................................	6 ,6 -10 -3	1,53-10—3

Пользуясь номограммами, можно определить углы закручи­ вания одноразмерных бурильных колонн с учетом совместного действия растягивающих и крутящих нагрузок.

Если бурильная колонна составлена из труб различного диаметра, изготовленных из сталей разных марок с различной толщиной стенки, то допустимый угол закручивания рассчиты­ вают следующим образом.

1. Поинтервально, снизу вверх, для каждой одноразмерной секции бурильных труб определяют допустимый крутящий мо­ мент

	Мт<	Qn -Ь Qn—i + • •	• + Qm f j	K2X
		D l - d i	V
	Wm			(62)
	2K ’

4* 99

а	Допустимое число оSoроmod
	О h 8 1Z 1В го Zk 28 б д	п 1Б zo ^

Рис. 15. Номограммы для определения допустимого числа оборотов одноразмерной колонны бурильных труб.

Сталь группы прочности:

а — Е,	<гт =5500 кгс/смг;	б — К, <ГТ=5000 кгс/смг; в — D, < т —кгс/смЧ
г — сплав	Д16Т, < т =3000 кгс/смг (Г=75°С);
Диаметр бурильных труб, мм:
1 — 73; 2 — 89; 3 — 102; 4 -		114; 5 — 127; 5 — 140; 7 — 168; 8 — 93; 9 — 147