книги / Предупреждение и ликвидация прихватов труб при бурении скважин

Один из главнейших факторов — тип химической обработки. При существующих видах реагентов для обработки буровых растворов, применяемых в большинстве случаев комплексно, а также исходных материалов для их приготовления, разли­ чающихся по качественным и количественным показателям, трудно, а порой совершенно невозможно оценить прихватоопасность раствора. Некоторые исследователи рекомендуют харак­ теризовать прихватоопасность бурового раствора специальным показателем. Согласно одной из работ [55], таким показателем может быть величина силы отрыва металлического пуансона от фильтрационной корки, сформированной при определенном пе­ репаде давления, а согласно другой работе [58], оценивать каче­ ство раствора предлагается по коэффициенту трения и по си­

лам адгезии.

При замере величины силы отрыва металлического пуансона от фильтрационной корки не учитывают влияние сил трения, как существенных составляющих общей силы прихвата. В связи с этим данный способ может только характеризовать адгезион­ ные связи в паре металл — корка. Наиболее приемлемый пока­ затель прихватоопасности бурового раствора, отображающий физическую сущность явлений, происходящих при прихвате и освобождении инструмента, — удельная сила сопротивления со­ осному сдвигу плоского металлического индентора по фильтра­ ционной корке, образованной из раствора при температуре и перепаде давления, соответствующих условиям в скважине.

Удельную силу сопротивления можно замерить на установке, подобной описанной в работе [66]. В этой установке при соответ­ ствующих температуре и перепаде давления на модели прони­ цаемого пласта (металлокерамический фильтр) формируется фильтрационная корка и возникает прихват индентора. Кроме силы прихвата, учитываются также водоотдача (при формиро­ вании корки и прихвата) и толщина фильтрационной корки. Сила прихвата, отнесенная к площади контакта индентора с фильтрационной коркой, рассматривается как удельная сила прихвата (/Сп, кгс/см2). В этом показателе учитываются совмест­ ное действие сил трения и адгезии, перепада давления, темпе­ ратуры, качество бурового раствора и корки, количество и качество смазочной добавки к раствору (при определенном времени контакта).

После определения Ка можно вычислить общую силу, кото­ рую необходимо приложить к инструменту (сверх его веса) для

освобождения его в случае прихвата:
Q = KaS,	(33)

где 5 — площадь фактического контакта элементов компоновки низа бурильной колонны с коркой в зоне прихвата, см2.

Для сравнения прихватоопасности буровых растворов, испы­

71

тываемых при различных перепадах давления (но при одина­ ковом времени контакта), используют показатель К'п, т. е.

Кп = KJAp,

(34)

где Ар — перепад давления при проведении опыта, кгс/см2. При известных значениях S, Ар и Кп можно определить силу,

которую требуется приложить к инструменту (сверх его веса)

для	ликвидации		прихвата:
Q = K'uApS.								(35)
П р и м е р.		В	скважине	произошел прихват		колонны	бурильных	труб
при	Дд=160 кгс/см2 и 5 = 5000				см2. Исследование	прихватоопасности		буро­
вого	раствора	(находящегося		в	скважине), проведенное		на специальной

установке при Др=50 кгс/см2, позволило установить, что удельная сила при­ хвата /Си=10 кгс/см2. Для сравнения исследовали прихватоопасность буро­ вого раствора при перепаде давления в скважине 160 кгс/см2. Тогда, со­

гласно формуле	(34),
К ’п = 10/50 =	0,2.

Используя формулу (35), можно определить силу, которую необходимо приложить к прихваченному бурильному инструменту (сверх его веса) для ликвидации аварии в скважине:

Q = 0,2-160-5000 = 160 000 кгс = 160 тс.

В результате исследований прихватоопасности буровых рас­ творов по пробам, отобранным из скважин, с применением спе­ циальной установки получили некоторые значения Кп и К,а [68],

наибольшим из них были значения для растворов, обработанных УЩР, а также содержащих утяжелители и недостаточное коли­ чество смазочных веществ. Ки и К'п уменьшали дополнительной

химической обработкой раствора и вводом смазочных добавок.

Глава III

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИХВАТОВ КОЛОНН

ВПРОМЫСЛОВЫХ у с л о в и я х

§1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА КОНТАКТЕ ТЕЛ

Всоответствии с категориями процессов, протекающих при контактировании поверхностей тел, различается несколько тео­

рий, дающих представление о явлениях на границе их разд'ела. 1. Физическая теория на первый план выдвигает чисто меха­ нические явления, определяемые силами, возникающими при деформировании микроподнятий при скольжении поверхностей. Сюда в первую очередь следует отнести теорию трения весьма твердых шероховатых тел, предложенную Э. И. Адировичем и

Д.И. Блохинцевым.

2.Теория о процессах взаимодействия на участках контакта (наибольшего сближения) тел, связанных с различного рода

деформациями выступов поверхностей и поверхностных слоев тел. Это направление разрабатывалось Л. Гюмбелем, школой Ф. Боудена, И. В. Крагельским, Б. В. Дерягиным, Г. И. Епифа­ новым и др. В этой теории рассматриваются явления сдвига, среза образования борозд, оттеснения материала с образованием волны из материала, движущейся вперед и по бокам движуще­ гося тела, адгезионного схватывания поверхностей, пластиче­ ского намазывания металла, точечных свариваний поверхностей

ит. д.

3.Теория об электрических и электромагнитных явлениях,

связанных с электризацией тел при трении.

4. Химическая теория, согласно которой компоненты смазок вступают в реакцию с металлическими поверхностями и обра­ зуют новые соединения (например мыла), обладающие анти­ фрикционными свойствами и способствующие снижению коэф­ фициента трения.

Необходимо отметить, что указанные теории не объясняют всей полноты явлений, происходящих при взаимодействии тел, и направлены в основном на объяснение происходящих про­ цессов. До настоящего времени нет теории, объясняющей харак­ тер возникновения и развития сил при контактировании твердого тела с жидко-пластичным веществом, т. е. металлической по­ верхности с фильтрационной коркой. Анализ процессов, проис­ ходящих на границе металл — корка, показывает, что с опре­ деленными допущениями прихват бурильного инструмента можно объяснить теориями, согласно которым сила взаимодей­

73

ствия, возникающая на контакте, обусловлена преодолением молекулярной связи между поверхностями (сила адгезии) и механической силой трения.

Известно, что поверхности тел волнисты и шероховаты. По данным И. В. Крагельского, самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой 0,05—0,1 мкм, а наибо­ лее грубые— 100—200 мкм. Размеры частиц корки глинистых растворов в мкм:

Для коллоидной системы ...............................0,1—0,01 Для суспензий.................................................. >0,1

Сравнение размеров частиц корки и шероховатостей металла показывает, что между неровностями поверхности металла можно уложить значительное число глинистых частиц. По­ скольку глубина вдавливания трубы в глинистую корку зависит от приложенной силы, продолжительности контакта, свойств глинистой корки, характеризующих прочность ее структуры, то число контактирующих частиц корки в неровностях поверхности трубы увеличивается с ростом указанных факторов, т. е. с воз­ растанием плотности укладки частиц. Такое положение приводит к созданию единой системы: труба — фильтрационная корка — стенка скважины. Самое слабое (податливое) звено этой систе­ мы— корка, поэтому при освобождении трубы во время ликви­ дации прихвата нарушение этой системы сопровождается дефор­ мацией контактирующей части корки или в слое, близко при­ легающем к зоне контакта (в случае когезионного нарушения связи) [57].

На вз имодействие металла с коркой, особенно в первона­ чальный момент контактирования, в определенной степени влияют адгезионные силы, так как частицы корки, обладающие полярностью, взаимодействуют не только между собой, но и

сдругими телами, находящимися с ними в контакте. По мнению

Б.В. Дерягина, все твердые тела обладают, кроме механиче­ ской, молекулярной шероховатостью, которая не устраняется полировкой, так как связана с атомно-молекулярным строением тел. Поэтому даже идеально гладкие поверхности имеют опре­ деленный коэффициент статического трения. Кроме того, между двумя соприкасающимися телами возможно атомно-молекуляр­ ное взаимодействие в результате действия электрических сил отталкивания и притяжения. Силы молекулярного взаимодейст­ вия зависят от расстояния между контактирующими поверх­ ностями: чем оно меньше, тем больше возможность проявления этих сил.

Рассматривая явление прихвата труб в скважине, можно схематично разделить действующие при этом силы на силы

механического прижатия труб к стенке скважины, связанные с действием перепада давления и горизонтальной составляющей веса колонны труб, и адгезионные силы взаимодействия, зави­ сящие от качества глинистой корки, состояния контакта и среды.

74

Эти силы действуют совместно и в зависимости от условий соотношение их меняется.

§ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В СКВАЖИНЕ

Согласно методике по определению сил сопротивления М. М. Александрова, нашедшей признание у исследователей [7], под термином «силы сопротивления» понимается совокупность сил трения и сил сопротивления, обусловленных наличием на трубах бурильных замков (сгребание фильтрационной корки, зацепление за неровности горной породы на стенках скважины и т. п.), сил молекулярного взаимодействия между соприкасаю­ щимися поверхностями, сил сопротивления при движении труб в жидкости *.

При использовании указанной методики и выводе аналитиче­ ских зависимостей предполагали следующие условия.

1.Профили скважин состоят из отрезков прямых и дуг окружностей, а также пространственных кривых, которые обра­ зованы сочетанием этих элементов.

2.Колонну бурильных труб рассматривают как гибкую тяже­ лую нить.

3.Колонна бурильных труб по всей своей длине контакти­ рует со стенками скважины.

Сучетом этих допущений задача сводится к определению трения гибкой нити, перекинутой через цилиндр в плоскости его поперечного сечения. Для нахождения зависимости между натя­

жениями на концах нити Qi и Q$ может быть применен закон Эйлера

Q, =

(36)

где f — коэффициент трения; а — угол обхвата цилиндра нитью, рад.

Для случая пространственного искривления угол обхвата рассматриваемого участка ствола колонной бурильных труб определяется из выражения

Да = \ f Да2 + (Дфsin аср)2 ,	(37)
где Да — абсолютная величина	разности искривления на гра­

ницах участка; Д<р — то же, азимутов искривления; аСр— сред­ нее арифметическое значение углов искривления на верхней ав и нижней ан границах участка.

При расчетах по определению Да с использованием факти­ ческих данных экспериментальных скважин применяли таблицы

иномограммы М. М. Александрова.

*Исследования сил сопротивления проведены с участием Э. В. Бабаяна.

75

Рис. 10. График изменения суммарного угла обхвата с увеличением длины колонны:

/ — скв. 96 Величаевская; 2 — скв. 74 Колодезная; 3 — скв. 125 Колодезная; 4 — скв. 75 Коло­ дезная

Суммарный угол обхвата по всей длине	бурильной	колонны
находили как
сн =		(38)
и строили график a=<p(L), где L — длина	бурильной	колонны
(рис. 10).

Комплекс замеров, проводившихся на бурящихся скважинах, заключался в следующем.

Собственный вес инструмента определяли по показанию ин­ дикатора веса при остановке приподнятого инструмента после поворота ротором или после его движения вниз. Записывали показания индикатора веса в процессе медленного приподнима­ ния инструмента и подведения долота к забою со скоростью подачи, как при бурении. Кроме этого, фиксировали глубину скважины, состав и длину бурильной колонны, параметры про­ мывочной жидкости и подачи насосов.

Обработка промысловых данных сводилась к определению

параметра of	по	формулам:	вверх
для движения		инструмента
■ * ■ - —	+		<39)
для движения		инструмента	вниз
			(40>

где

и — 1,5

q L 4 - 2 Q

q L +

3 Q

76

<j — угол обхвата, рад; f — коэффициент сопротивления при движении колонны в скважине; q — вес 1 м бурильных труб, кгс; Q — вес УБТ, кгс; Гвв и Твп — силы сопротивления на поверх­ ности контакта бурильной колонны со стенками скважины при движении инструмента соответственно вверх и вниз, кгс

Твв = 10,83ЯД -	10Р0; Твя =10Р о-		9,24РС		(41)
где Рс и Рп — натяжения мертвого			конца	контакта	соответст­
венно при спуске	и подъеме,	кгс; Р0 — то же, в состоянии по­
коя, кгс.
Для случая использования ступенчатой бурильной колонны
при определении	o f вместо	q вводят q (:p		(средневзвешенный

вес единицы длины бурильных колонн), определяемое, напри­ мер для трехступенчатой колонны, как

_ _ _	Яi ^ i ~i~ Q j P2 Ч ~ Я з ^ л	(42)
Ч с р -	р1 + р2+ рз

где <7-, ^2, <7з — вес 1 м труб соответственно нижней, средней и верхней секций колонны, кгс; Pi, Р2, Рз — площади между ли­ нией графика о=ф(Р) и осью абсцисс, соответствующие тем же секциям колонн, см2.

	Т а б л и ц а	19
	Результаты определения сил сопротивления
		S	я	я	радО,	кя
		Глубина замера,
	Площадь					О
						н
			CQ	Я		я
		Без промывки
90	Правобережная	1260	0,437	0,456	0,423	6,0
		1520	0,504	0,514	0.506	9,0
		2320	0,250	0.251	0,917	11,0
		2615	0,179	0,208	1.060	10,2
92	Правобережная	2820	0,262	0,284	0,668	10,0
117	Колодезная	2316	0,406	0,503	0,517	11,6
		2902	0,344	0,470	0,744	19,0

о

н

ав Е*.я

5,4

7,3

9,2

88,4

94,0

12,0

20,0

С промывкой

90	Правобережная	1260	0,449	0,463	0.423	5,6	5,0	47,2
		1520	0,507	0,4Й2	0,506	8,6	5,5	52,4
		2320	0,240	0,272	0.917	10,0	9,4	74.0
-92		2615	0.142	0,189	1,060	7,4	9,1	85,7
	Правобережная	2820	0,324	0,324	0.668	11,0	9,6	91.0
.117	Колодезная	2316	0,484	0,290	0,517	12,9	7,6	85.0
		2902	0,416	0.538	0,744	21,7	20,8	109,8

77

Замеры по определению сил сопротивления проводили на скважинах Прикумского нефтеносного района, которые бурили роторным способом 214-мм долотами с использованием комби­ нированных бурильных колонн, состоящих из стыкосварных 127-мм труб и 141-мм труб с толщинами стенок 9 и 10 мм. Ком­ поновка низа бурильной колонны включала УБТ диаметром 178 мм длиной 140—175 м. Скважины проходили с использо­ ванием глинистого раствора плотностью 1,16—1,26 г/см3, обра­ ботанного УЩР и содержащего 8—10% нефти. Результаты замеров в обработанном виде приведены в табл. 19, из которой видно, что коэффициенты сопротивления изменяются от 0,142 до 0,538. Причем коэффициенты сопротивления при движении инструмента вниз fBH, как правило, больше, чем при движении вверх /вв-

В табл. 20 приведены результаты исследований на скв. 74, 75, 125 Колодезной и скв. 96 Величаевской площадей, где силы сопротивления определяли при движении инструмента вверх со скоростью 0,28—0,32 м/с, а вниз — со скоростью подачи долота при бурении.

	Т а б л и ц а	20
	Геолого-технические данные и силы сопротивления по исследуемым
		Долото				УБТ
			глубина	Диаметр
№ сква­				буриль­
	Площадь	диаметр,	расположе­	ных труб,	длина,	диаметр,
жины			ния в мо­	мм
		мм	мент иссле­		м	мм
			дования/ м
125	Колодезная	214	1550:	127; 141	151	178
			2826
75	Колодезная	214	2415;	141	162	178
			3100
74	Колодезная	214	1440;	141	170	178
			2915
96	Величаевская	214	2445;	127; 141	190; 168	178
			3110

78

На основании многочисленных исследований М. М. Алек­ сандров вывел зависимости, выражающие связь коэффициентов сопротивления /вв и /вн от угла обхвата о, которые для площа­ дей Чечено-Ингушетии представлены в следующем виде:

/ „ = —		+	0,196;	(43)
	о
/вн = М834 + 0,1713.				(44)
	а
На	рис.	11,	где представлена	корреляционная зависимость
/ = Ф (сг)	по	М.	М. Александрову, нанесены полученные при

замерах на указанных выше скважинах значения коэффициен­ тов сопротивления. При углах обхвата 0,45—0,75 рад, соответ­ ствующих интервалу глубины 1250—2350 м, коэффициенты со­ противления оказались выше значений, определяемых корреля­ ционной зависимостью. Это объясняется дополнительными со­ противлениями при движении бурильных труб, связанными с образованием сальников, сужений ствола, желобообразования-

	скважинам
	Показатели промывочной
		жидкости					Искривление
						Глубина
							ствола сква­
	р.			в	,	скважины, и	жины,
		Т, с					градус
	г/см*			см*/30 мин
						0—400	0—4,5
	1,18; 1,30	23;	38	2,2;	4,9	400—700	0
						700—1050	1
						1050—1600	4,5
						1600—3050	1—0
						0—1950	0—1,5
	1,20; 1,26	20;	27	2,3;	3,5	1950—2175	4—6,5
						2175—2375	6—2,5
						2375—2650	2,5—0,75
	1,22; 1,30	26;	50	2,5;	4,5	0—1000	0—1
						1000—1775	1—2,25
						1775—2950	1,5—3,25
						0—550	0
	1,24; 1,28	21;	25	3,0;	5,3	550—1800	0—2
						1800—(2200	2—5,5
						2200—3075	4—2,5

Т		тс	гвн. тс
	вв> w
9,7;		15,0	8,3;	12,2
11,2; 15,5			8,5;	10,3
5,2; 14,7			5,3; 10,3
10,0;		17,5	8,7; 10,0

79

Рис. 11. Корреляционная кривая (по М. М. Александрову):

1 — скв. 90 Правобережная, без промыв­ ки; 2 — то же, с промывкой; 3 — скв. 92 Правобережная, с промывкой; 4 — то же, без промывки; 5 — скв. 117 Колодезная, безпромывки; 6 — то же, с промывкой

ми в интервалах майкопских отложений, представленных пла­ стичными глинами.

Силы сопротивления при движении инструмента вниз дости­ гают 20 тс и более, а силы сопротивления порядка 5—8 тс, как правило, остаются бурильщиками незамеченными, что может привести к осложнениям, вызывающим прихват колонны труб.

§ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ СТРАГИВАНИИ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ПОСЛЕ ОСТАВЛЕНИЯ ЕЕ БЕЗ ДВИЖЕНИЯ

В случае пластического характера контакта при данной номи­ нальной площади соприкосновения двух тел фактическая пло­ щадь касания со временем возрастает. Коэффициент трения при этом также будет увеличиваться, приближаясь к макси­ мальному значению. Этот максимум наступит тем быстрее, чем больше нормальная нагрузка. Аналитическая зависимость, ха­ рактеризующая влияние продолжительности неподвижного кон­ такта на коэффициент трения, получена И. В. Крагельским [37].

В промысловых условиях силы сопротивления определяем после неподвижного контактирования труб со стенками сква­ жины в течение определенного времени, безопасного с точка зрения возникновения аварии. После времени t оставления инструмента без движения замеряли показание индикатора веса при страгивании колонны вверх. Результаты исследований представлены в табл. 21 и на рис. 12. Из приведенных данных видно, что во всех случаях увеличение времени неподвижного контакта приводит к росту сил сопротивления страгивании, чтообъясняется увеличением площади фактического контакта при вдавливании труб в корку и взаимодействии металла с более плотными слоями корки. В этих условиях происходит утонче­ ние, а иногда и удаление смазочной пленки из зоны контакта.

Силы сопротивления	интенсивно возрастают в первые 1 —
2 мин контакта. Причем	при нахождении инструмента против.

80