книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

вают пробку 16, которая, увлекаемая потоком рабочей жид­ кости, попадает на седло штока 5, закрывая проход жидкости. Под действием давления шток 5 опускается, сжимая пружину 21 до тех пор, пока зубья кольца 22 не попадут в зубчатый венец 20. Тогда отверстие 7 штока совпадает с отверстием 10 золотника, и рабочая жидкость устремляется в рабочую каме­ ру устройства под поршень-ударник 14, который под действи­ ем давления поднимается. Временная пробка из отверстия 2 выдавливается давлением. Поршень, разгоняясь, достигает фланца золотниковой втулки 8 и продолжает двигаться вместе с ней. Золотниковая втулка при своем перемещении закрыва­ ет отверстия 2, 7 и открывает — 6. Далее, продолжая движе­ ние, она сжимает впереди себя жидкость, замкнутую в каме­ ре, образованной выше отверстия 2, передавая энергию дви­ жения прихваченной колонне. Жидкость из этой камеры вы­ тесняется через дросселирующее отверстие 11. Далее, обрат­ ным потоком жидкости поршень разгоняется в противополож­ ную сторону, производя удар вниз.

Соотношение сил ударов вверх и вниз регулируют измене­ нием проходных сечений нагнетательных отверстий сверху и снизу поршня. Сечение нагнетательных отверстий изменяют по­ воротом штока 5.

Отверстия б и 7 на штоке имеют переменные по длине ок­ ружности сечения. При совмещении отверстий штока и золот­ ника обеспечивается мощный удар вверх и слабый вниз. Пово­ ротом штока можно получить необходимое соотношение сил ударов, вплоть до мощного удара вниз и слабого вверх.

Шток поворачивается следующим образом. При прекраще­ нии нагнетания давление прокачиваемой жидкости уменьшает­ ся. Пружина 21 поджимает шток 5. Нижние зубья зубчатой втулки 22 выходят из зацепления с зубьями зубчатого венца 20, а верхние зубья попадают на боковые поверхности зубьев венца 19 и под действием силы пружины, скользя по их по­ верхности, поворачивают шток. Затем нагнетание жидкости в скважину возобновляют. Под давлением жидкости шток пере­ мещается вниз. Нижние зубья втулки входят в зацепление с зубчатым кольцом 20 и шток снова поворачивается.

Таким образом, многократным уменьшением и восстанов­ лением давления при повороте штока получают нужное соот­ ношение сечений нагнетательных отверстий, что обеспечивает необходимое соотношение сил удара.

После ликвидации прихвата производят обратную промыв­ ку скважины. Пробка 16, подхваченная потоком жидкости, воз­ вращается на поверхность. Шток 5 под действием пружины возвращается в верхнее положение, закрывая рабочую камеру устройства, после чего можно продолжать бурение.

Одно из основных преимуществ этого гидроударника за­ ключается в возможности включения его в компоновку буриль-

161

Рис. 29. Схема глубинного эксцентрикового вибратора ВМЭ-2:

J — корпус; 2 — вал; 3 — дебаланс; 4 — полумуфта шлицевая

ного	инструмента, а также					в воз­
можности		регулирования			частоты
вынужденных			колебаний		и	силы
удара в одном			из выбранных				на­
правлений.			для создания			слож­
Устройства
ных	колебаний колонн. Конструк­
торским бюро			объединения			Сара-
товнефтегаз		совместно с Саратов­
ским	политехническим институтом
разработан		и испытан глубинный
эксцентриковый			вибратор		ВИЭ-2
с приводом от турбобура,					создаю­
щий	колебания		в радиальном				на­
правлении [17] (рис. 29).
	Технические данные ВИЭ-2
Момент дебалансов, кгс-м ...............				\		7,07
Частота вращения			вала	турбобура,			1000
об/мин......................................................
Возмущающая сила, т с .......................				мм . .	4,8
Наружный диаметр корпуса,					.		170
Длина, м м ..............................................						9000
Масса,	к г .................................................						960
Вибратор ВМЭ-2, состоит из корпуса, через который пере­
даются вибрации на прихваченный инструмент,				вала	с	наса­

женными на него на шпонках дебалансами, создающими виб­ рации, и шлицевой полумуфты, через которую вал турбобура соединяется с валом вибратора.

В объединении Саратовнефтегаз с помощью этого устройст­ ва ликвидировали прихваты на скв. 1 Озерская, скв. 8 Карпенская и скв. 84 Лебяжинская объединения Куйбышевнефть.

Результаты исследований, проведенных авторами по уста­ новлению эффективности работы в зависимости от удаления вибратора от места прихвата, показали, что при некоторой дли­ не прихваченной части колонны труб влияние вибратора может практически прекратиться. Это объясняется тем, что при попе­ речных колебаниях амплитуды неодинаковы вдоль длины ос­ вобождаемой колонны и эффективность вибраций на разных участках колонны также различна, но с увеличением расстоя­ ния от вибратора до места прихвата — амплитуды значитель­ но уменьшаются.

162

Это обстоятельство подтвердилось опытом применения дан­ ного вибратора, оказывающегося более эффективным при лик­ видации прихватов обсадных труб.

На скв. 1 Озерская, где после отвинчивания свободной ча­ сти бурильной колонны остался турбобур с бурильной голов­ кой и всего 6 м бурильных труб, вибратор работал в течение 15 ч 30 мин, что указывает на невысокую эффективность ава­ рийных работ по ликвидации прихватов бурильного инструмен­ та с его использованием.

Так как продольные колебания действуют равномерно по всей длине колонны, а интенсивность затухания продольных колебаний в колонне труб в результате действия различных диссипативных сил значительно меньше интенсивности затуха­ ния поперечных колебаний, то устройства, создающие продоль­ ные колебания, более рациональны.

Примером может служить возбудитель упругих колебаний (ВУК), разработанный Институтом механики МГУ [20].

ВУК — телескопическое устройство, состоящее из двух ос­ новных узлов: штока и корпуса. Конструкция предусматривает расцепление телескопических узлов при приложении определен­ ной растягивающей нагрузки, которую регулируют перед спус­ ком в скважину.

С помощью ВУК можно наносить удары по прихваченной колонне труб снизу вверх и воздействовать на область прихва­ та импульсно-динамическими силами сверху вниз, вовлекая бу­ рильную колонну в интенсивный колебательный процесс.

Техническая характеристика устройств
Обозначения	ВУК-170		ВУК-210
Наружный диаметр, мм. ..........................................		170	210
Длина в исходном состоянии, м ...............................		3	3 , 3
Телескопический ход штока, м ..............................		0,8	1
Присоединительные резьбы .....................................	телеско­	3-167	3-171
Диапазон регулировки сил расцепления		0—100
пического узла, т с ..............................................
Минимальный внутренний диаметр проходного от­		55	75
верстия, м м .........................................................
Время импульсного воздействия, с ..............................			0,1
Энергия силового импульса, направленного свер­			1500
ху вниз, к г с - м ..........................................................	тс . . .	150
Сила жесткого удара ясом снизу вверх,			250
Частота импульсных воздействий за 1 мин . . .			1

В зависимости от вида и характера прихвата ВУК может работать в режимах механического яса — возбудителя упругих колебаний.

Для ликвидации прихватов, вызванных заклиниванием бу­ рильной компоновки в деформированных участках ствола сква­ жины или посторонними предметами при ее спуске, необходи­ мо использовать ВУК в режиме ударного яса. В этом случае устройство устанавливают непосредственно над прихваченной

1СЗ

частью бурильной компоновки под УБТ весом 10—15 тс. Перед спуском ВУК регулируют по силе расцепления телескопическо­ го узла при помощи специального регулировочного винта. Си­ лу расцепления определяют по номограмме, приведенной в ру­ ководстве по применению устройства.

При прихватах вследствие перепада давления или осыпей и обвалов, а также при заклинивании бурильной колонны при подъеме из скважины ВУК используют в режиме возбудителя упругих колебаний, для чего его включают в аварийную ком­ поновку так, чтобы длина участка между ним и местом при­ хвата была не менее 500 м и не более величины I, определяе­ мой по формуле

I = Q/q,		(95)
где Q — осевая сила	расцепления	ВУК, кгс; q — вес 1 м бу­
рильных труб, кгс/м.
С помощью этого устройства ликвидировали прихваты на
нескольких скважинах	объединений	Оренбургнефть и Узбек-

нефть.

Одно из основных преимуществ этого устройства — широ­ кий диапазон применения, т. е. наряду с ликвидацией заклини­ ваний бурильного инструмента, оно используется и при при­ хватах, вызванных действием перепада давления или вследст­ вие осыпей и обвалов, а также для создания колебаний всей бурильной колонны. Однако ВУК имеет недостатки:

1) невозможность создания жесткого удара, т. е. работы устройства в режиме ударного яса по направлению к забою;

2)при сломе штока часть устройства остается в скважине, усложняя аварийную ситуацию;

3)сложность изготовления узла сцепления и регулировки;

4)невозможность регулирования режима работы непосред­ ственно в скважине в момент ликвидации прихвата;

5)сложность обслуживания.

В настоящее время в глубоком бурении на нефть и газ на­ ходят применение в основном устройства УЛП-190-1 (кон­ струкции ВНИИКРнефти), ГУМ (конструкции ВНИИБТ), ВУК (конструкции института механики МГУ).

§ 7. ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ, СООБЩАЕМЫЕ КОЛОННЕ ПРИХВАЧЕННЫХ ТРУБ ПРИ РАБОТЕ УСТРОЙСТВ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ

Результативность устройств, применяемых для ликвидации прихватов, зависит от развиваемых ими сил и места их прило­ жения. Важной расчетной характеристикой при этом является динамическая нагрузка, сообщаемая прихваченной части ко­ лонны. Расчет динамических нагрузок целесообразно выпол­ нять на примере устройства ударного действия [2], в котором

164

нение

назовем ударный элемент молотом, а элемент, которому пере­ дается удар и который соединен с прихваченной колонной труб, — наковальней (рис. 30). Обычно перед нанесением уда­ ра молот вводят в зацепление (заряжают), затем при созда­ нии осевой нагрузки или проворачивании происходит его срыв и удар по наковальне, при этом свободная часть прихва­ ченных труб растягивается.

При расчете растягивающих сил во время удара возникает известная задача о динамическом нагружении стержня.

В принятой расчетной схеме: h — свободный ход молота, h — длина свободной части труб от места прихвата до элемен­ та зацепления молота; 1\ — расстояние от устья скважины до наковальни.

В связи с небольшой величиной свободного хода и пола­ гая, что скважина вертикальна, а элементы верхней части ко­ лонны и свободной части прихваченных труб упругие, силами сопротивления при движении колонны труб при срыве молота

с зацепления можно пренебречь. Обычно	так как сво­
бодную часть труб отвинчивают и извлекают	вблизи места

прихвата. В первом приближении диаграмму сила — удлине­ ние при заряжении устройства можно представить в следую­ щем виде (рис. 31), где N — сила натяжения при заряжении устройства. Согласно этой диаграмме, упругая энергия дефор­ мации свободной части прихваченной колонны труб длиной /г будет равна

—	1%	All = —	(Ah + M1 — h — ДУ (h + Д/г). (96)
2		2	1х

165

Считая, что E I =E2=E, получаем

M l (\\ +	FА	у — 2 (A/x — К) Д/а — К { 2 М 1 - К) = 0.		(97)»
Исходя из этого уравнения, определяем удлинение свобод­
ной части прихваченной колонны:
Л/2 =	А/,	А1г —	h
	F,/,	+	X
		1T jT L
	FA	FA

x /' +^rO +^ +lCTO +^r)-

(98)

Принимая во внимание, что динамическая сила QH опреде­ ляется из выражения

£/^ А/, З д - д

а статическая сила, действующая на прихваченную колонну после удара и успокоения,

11

получаем после преобразований

	Qд	"	Q C T
		1	FJ.
				(99)<
	Даже при нулевом ходе h = 0
	<2Д =		2QCT	(100)-
		i	FA

F,/,

т. e. возможны устройства ударного типа с очень малыми хо­ дами, но тем не менее с высокими динамическими нагрузками1 в момент удара.

После преобразования выражение (98) можно представить

	в виде уравнения
	А/2	А/х — h	+
		1 , Fa/X

FA

166

+	Д/г — А	2A ( A ^ — A)	(1 0 1 )
	,_ I A	FA
1		1+ — -	1 F ill
	FA	FA	FA

из которого видно, что если натяжение такое, что Д/j=h, то

А/2 =	А
	(102)

1Fjk FA

	Принимая во внимание, что
	AliEFt	= N
	к
	( N — сила натяжения),
	легко получить соотношение
		NFlt	(103)
	VFlll+FAAk
	Обычно в практике FI ^ F 2, тогда
	Q	к (к + к) '	(104)
	Д /

Если учесть, что U ^ h , то получим простое выражение для определения динамической нагрузки в случае

h = А/х (при QCT= 0),

	(105)
Пр и м е р .	Определить динамическую нагрузку.
Д а н н ы е :	A = A/i = 20 см; FI=F2=F—40 см2; £=2-106 кгс/см2; lt=

=1000 м; /2= 10 м.

Ре ш е н и е :

EFMX 2-106-40-20

16-103 кгс.

100 000

Тогда

= 16-10® р/ ——— = 16-104 кгс.

Вобщем случае в качестве расчетной формулы можно ис­

пользовать выражение (99), а для частных задач, когда		Л.= 0
или h = AU, соответственно выражения	(100), (103), (104).	на­
Согласно полученным выражениям,	можно оценивать

грузки, действующие на прихваченную колонну труб в момент удара, что позволит правильно выбирать нагрузки, предотвра-

167

тить возможные порывы труб при ликвидации аварий и рас­ считывать элементы конструкции ударных устройств.

Следует отметить, что при расчете динамической нагрузки не были учтены упругие связи для колонны прихваченных труб и силы сопротивления при движении верхней части труб. По­ этому полученные зависимости следует рассматривать в каче­ стве верхней оценки, что является вполне удовлетворительным при расчетах на прочность.

§ 8. ВЫБОР СПОСОБА ЛИКВИДАЦИИ ПРИХВАТА МЕТОДАМИ ТЕОРИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ

Применяемые в настоящее время способы предупреждения и ликвидации прихватов недостаточно эффективны, так как они не всегда соответствуют конкретной ситуации в скважине. Подтверждением этого могут служить данные о ликвидации прихватов в некоторых скважинах объединения Краснодар­ нефтегаз (табл. 30), по которым наглядно прослеживается ди­ намика принятия решений об использовании того или иного способа.

Т а б л и ц а 30 Методы ликвидации прихватов

скважины№	Площадь	Причта прихвата

3	Кужорская		Под действием	Ар
25	Мирная Балка		Заклинивание	до­
3	Чамлыкская		Заклинивание
5	Лабинская		лота
			То же
7	Кавказская		Желобообразование
14	Кавказская		То же
32	Южно-Советская		Под действием	Ар
3	Лабинская		То же
30	Мирная	Балка	Заклинивание
3	Суздальская		То же
2	Восточно-Кубан­		Желобообразование
21	ская		Сальникообразова-
	Митрофановская
20	Мирная	Балка	ние	Ар
			Под действием
21	Митрофановская		Заклинивание

Способы ликвидации (действия)

а1+а1

а2+а4

а2_Ьа1_Ьа а~Ьаз

ai + a2-f-aS~f-a4 ai + ai + a 2

а1+а1+а2+а1+«Х+

+ a 2 + fl0

а1+а1+ а1+аз

al + ° 2 + fll + a2 + ai +

+ a2"fa4

fl2 + fll + a 2 + al + a 2 +

а 2

al + fl2 + fl3 *з

а1 + а1 + а1'Ьа4

аХ+а1+ а1+ а2

Затраты вре­ мени на лик­ видацию аварии, ч

38

790

1113

5012

91

1133

3360

676

246

38

210

111

378

628

168

Как видно, стратегия исполнителя базируется на совокуп­ ности накопленного опыта по ликвидации прихватов и селек­ тивном подборе наиболее эффективного способа для конкрет­ ного случая из числа известных последовательным их приме­ нением в данной ситуации. Такой метод малоэффективен и приводит к значительным потерям времени и материальных ресурсов.

Решения в сложной ситуации, обеспечивающие минимиза­ цию потерь, особенно в условиях неопределенности обстановки: в скважине, наиболее целесообразно принимать на базе мето­ дов теории статистических решений [53] по приведенному ни­ же принципу.

Неопределенность ситуации или состояние . природы при: ликвидации прихватов, как известно, обусловливаются разно­ образием геолого-технических условий и характером взаимо­ действия колонны труб с породой (действие перепадов давле­ ния, заклинивание, обвалы, желобообразования и др.). Со­ гласно существующим представлениям о причинах прихватов,, можно установить прихваты трех основных категорий (по тер­ минологии теории статистических решений — состояний при­

роды) :	под	действием перепада давления; 02 — за­
01 — прихват
клинивание (в	том	числе при спуско-подъемных операциях,
вращении, в желобных выработках);			03 — прихваты вследствие
сужения поперечного		сечения ствола	скважины (при обвали­

вании пород, сальникообразовании, оседании утяжелителя, шлама, течении высокопластичных пород и т. д.).

К наиболее распространенным способам ликвидации при­ хватов в промысловой практике можно отнести использование ванн, механических и гидромеханических импульсных воздей­ ствий, взрывов, обуривание, извлечение колонны труб по час­ тям. Эффективность каждого из этих способов во многом оп­ ределяется состоянием природы. Например, использованиеванн наиболее результативно при ликвидации прихватов, вы­ званных действием перепада давления, а устройства ударногодействия (ясов) — при заклиниваниях.

Способы ликвидации прихватов могут быть условно раз­ делены на четыре группы (по терминологии теории статисти­ ческих решений — действия): ai — установка ванн; а%— меха­ ническое, гидромеханическое и другие виды импульсных воз­ действий; а3 — обуривание труб; а\ — установка мостов и за­ буривание нового ствола.

Для наглядности выбор способа ликвидации прихвата при­ нятыми методами показан на конкретном примере (рис. 32)..

Данные

Глубина скважины L, м .............................................................	/, м	. .	4000
Расстояние от устья до верхней границы прихвата			3500
Длина колонны ниже верхней границы прихвата /1?	м . .	. .	1000

--------------- — -------------------- ----------- ----------------------------------------------------

L

'/'///Л'/////////////////////, щ У////////////■'//У///у

№	—

7?.77777777777/, У / / / / / / / / / / / / Л

*

h

///У У У /У /У У у / /У / УУУу ,

^ ;Zp	Т	с
*	И
*лрг*~

Рис. 32. Схема ситуации прихвата колонны труб
Длина желобообразной выработки в глинистых отложениях
1Ж, м ...............................................................	40
Мощность проницаемого горизонта ствола в зоне	прихвата
/ п р , м . . . ....................................................................................	20
Мощность глинистых пород в зоне прихвата /г, м	................... 60

Наиболее показательным и естественным выражением убытков от аварии являются затраты в рублях. Учитывая, од­ нако, сложность расчета в денежном выражении, в качестве критерия оценки можно использовать время, затраченное на ликвидацию прихвата в часах с начала появления аварии до момента достижения глубины забоя перед ее возникновением.

Потери времени Т на ликвидацию прихвата можно рассчи­ тывать по справочнику норм времени. В данном примере они представлены в табл. 31. Если считать, что выбор действия а* соответствует состоянию природы 0* и приводит к освобожде­ нию прихваченной колонны труб, то затраты времени следует определять по нормативному справочнику (данные, располо-

	Т а б л и ц а 31	Т
	Потери времени
			ai
в*		а2	а3	а*
0!	75	170	115	250
е2	130	55	180	300
	410	335	280	400

170