Анализ методов снижения прихватов бурильного инструмента при бурении скважин с горизонтальным окончанием

Маскаев А.Ю. ©

Соискатель, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, Тюменский государственный нефтегазовый университет

АНАЛИЗ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ПРИХВАТОВ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ОКОНЧАНИЕМ

Аннотация

В статье рассмотрены методы снижения прихватов бурильного инструмента при бурении скважин с горизонтальным окончанием.

Показано, что перспективными представляются исследования, направленные на расширение знаний о свойствах горных пород, - песчаников, супесей, суглинков и глин - в части изучения их поведения в условиях вибрационного воздействия, а также пространственно- деформационной нестабильности грунтов.

Summary

Methods to reduce sticking drilling tool for drilling wells with horizontal.

It is shown that promising are studies aimed at increasing knowledge about the properties of rocks -sandstone, sandy loam, loam and clay, in part to study their behavior in vibraptsionnogo impacts and spatial deformation of soil instability.

Ключевые слова: бурение скважин, нефть, скважина, прихват бурильного инструмента. Keywords:well drilling,oilwell,stickingthe drilling tool.

Один из перспективных методов интенсификации добычи нефти и полноты ее извлечения из недр - разработка месторождений скважинами с горизонтальным окончанием. В случае месторождений со сложным геологическим строением продуктивных залежей и на поздней стадии их разработки с помощью указанных подходов могут быть достигнуты такие результаты, которые сложно получить другими методами и технологиями. Вместе с тем при бурении скважин с горизонтальным окончанием возникает проблема прихватоопасности бурильных колонн, для решения которой необходимо применять специальные технологии.

Анализ опыта бурения скважин с горизонтальным окончанием показывает, что одной из основных причин, приводящих к низким технико-экономическим показателям, является зависание бурильной колонны на стенках скважины, вызванное прихватом скважинного инструмента, колонны труб и другого технологического оборудования. К факторам возникновения дифференциального прихвата можно отнести значительную силу трения бурильной колонны о стенки промежуточной обсадной колонны или ствола скважины, в результате чего в некоторых случаях могут возникнуть такие условия, что процесс бурения станет просто невозможным.

Прихват - непредвиденное при бурении скважины нарушение процесса, которое характеризуется потерей подвижности колонны и не может быть ликвидировано при приложении допустимых нагрузок. Прихват бурильных и обсадных колонн при бурении эксплуатационных и разведочных скважин относится к числу наиболее распространенных и тяжелым видам аварии [1].

Одним из основных технических параметров прихвата является допустимая величина натяжения для освобождения прихваченной бурильной колонны, она определяется из условия, что материал труб не может быть подвергнут напряжениям, равным пределу его текучести.

Для расчета допустимого натяжения Рдоп используют соотношение:

P - i^F доп " k

где: 0 т - 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.

Если при ликвидации прихвата величина натяжения будет превышать ?доп, бурильные трубы подлежат списанию, поскольку в последующем вероятны поломки труб вследствие усталостных явлений и микротрещин.

©Маскаев А.Ю., 2013 г.

Характерные признаки возможного прихвата колонны при движении в стволе скважины - ее затяжки и посадки. Затяжка колонны происходит при подъеме в виде значительного увеличения нагрузки на крюке сверх собственного веса труб. Посадка инструмента имеет место при его спуске и выражается в существенном снижении нагрузки на крюке, отмеченном гидравлическим индикатором веса.

Особую роль при прихвате играют горные породы, вступающие в соприкосновение с буровым инструментом. В результате этого взаимодействия имеют место различные проявления -зоны осыпей, обвалы, сужения ствола, возникновение уступов, горизонтов, поглощающих буровой раствор, или пластов, проявляющих флюиды.

Взаимодействие горных пород с буровым инструментом для скважин с горизонтальным окончанием имеет ряд принципиальных аспектов.

При строительстве скважин с горизонтальным окончанием возникают некоторые опасности и риски, связанных с потерей устойчивости ствола в период с момента вскрытия бурением до крепления обсадной колонной. Вероятность потери устойчивости горных пород наиболее высока при больших зенитных углах искривления.

Необходимо сделать некоторые уточнения терминологического характера, в частности, относительно понятия «устойчивость горных пород».

Термин «динамическая неустойчивость грунта» предложен Е.А. Вознесенским [2], который применил микроструктурные подходы к исследованию грунта. Динамическая неустойчивость грунта трактуется этим автором как повышение вероятности разрушения грунта при динамическомнагружении по сравнению со статическими условиями. Грунты подразделяются на несвязанные (пески) и связанные (суглинок, супесь и глина).

При вибровоздействии неводонасыщенный слабосвязанный грунт сначала теряет прочность, а затем не только восстанавливает ее, но и может превысить первоначальную прочность, рис.1 [2].

Разуттро*шение 4 дагашиаюг

Периши

вжетшшвжшая

----I,  | ..........Г-(-1---Г ! г

Время

Рис. 1. Кинетика разупрочнения неводонасыщенного слабосвязанного грунта при динамическом нагружении и последующего восстановления его прочности в покое

Деформационное поведение связанных, и особенно, глинистых грунтов как наиболее распространенных имеет основополагающее значение при обеспечении устойчивости ствола скважины при строительстве скважин.

Как видно из рис. 1, динамическое (вибрационное) воздействие может оказывать раз упрочняющее действие на глинистые грунты, однако при прекращении вибрации может происходить восстановление структурно- физических связей и деформационных характеристик грунта. Таким образом, для сохранения пространственно-деформационных характеристик глинистого грунта при вибрационном воздействии на него должен соблюдаться определенный баланс между интервалами воздействия и тиксотропного восстановления при отсутствии вибрации.

Основные причины прихватов инструмента [3]:

- прилипание инструмента к стенкам скважины после остановки его движения;

- затяжки вследствие образования сальников и сужений ствола скважины в результате налипания толстых корок;

- обрушение неустойчивых пород;

- расклинивание инструмента при спуске, бурении или проработке полноразмерными долотами;

- заклинивание и прилипание инструмента в желобах;

- расклинивание инструмента вследствие попадания в скважину посторонних предметов;

- прихваты, вызванные газо-нефте-водопроявлениями и поглощениями;

- прихваты в результате осаждения выбуренной породы.

Наиболеераспространены прихваты инструмента (более 50%), вызванные прилипанием инструмента к стенкам скважины после остановки его движения.Показано, что на этот процесс в основном влияют два фактора: липкость глинистой корки и гидростатическое давление в зоне прихвата [3].

Среди методов предотвращения прихватовна месторождениях со скважинами с горизонтальным окончанием наибольшее распространение получили физико-химические (химические)и механическиеметоды, табл. [4-6].

При использовании физико-химических (химических)методов применяют растворы, которым придаютингибирующие, гидрофобизирующие и поверхностно-активные свойства. Они могутпредставлятьсобой композицию неионогенного и катионоактивного ПАВ. Комплексный ПАВ сочетается практически со всеми применяемыми в регионе реагентами.

При бурении скважин ниже башмака кондуктора обычно применяются солестойкие полимер-глинистые растворы.

Таблица

Классификация методов снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины

Методы снижения сил трения

Химические Механические

Российские Зарубежные Российские Зарубежные

Графит Нефть ПАВ СМАД-1 Т-66 и Т-80 Спринт ИНХП-21, ВНИИНП-360 СЖК (ОСЖК) РЖС Эмужьтал лтм, сг РАМБС, СДЭБ <и I- ю ал § и Огее! Ргее ЕМЕ-Эттей ЕМЕ-ЗаН ЕВЬ Центраторы (типаЦЦ, ЦТ и др) Калибраторы (КЛ, КЛС) Стабилизаторы (КС, КСС) Вибродемпферы Яссы (типа ГМ, ГУ и др) 3 Он о а и о Осциллятор марки АвТ-Обб Яссы типаи др.

Ввод смазочной добавки от объема бурового раствора, % В составе компоновки низа бурильной колонны при бурении наклонно-направленных, вертикальных и скважин с горизонтальным окончанием

0,02 о 0,01-0,03 I 0,3-0,5 го (N1 V, о" л о' 0,3-1 0,3-1 "О о' 0,5-1 о" 0,5-1 о" V, о" 1Г) о" 0,5-1 1 сц 3 | й м й а и 1 -Е11 3 1 В ей 0 1 ^ 1 е* Й  2 О 1 * 1 § ё & § В. а § я 1 ^ « 5 1 й я 8 Й

Снижение коэффициента трения, 7о X щ и К 1 а ° си &н н 11 е § I я: » й.» о § п а н  3 1 § ё II О к 3

л С1 20-30 50-60 30-50 50-60 25-50 о 30-50 <?| о СО 30-50 30-50 30-50 о п- 30-40 20-40 20-40 е си 1 II з е с» а е 1

По данным [4] для предотвращения прихватов перспективныметодыснижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины и, в частности, механическийметод.

Путем проведения специальных промысловых испытаний показано отсутствие возможности полного исключения прихватоопасности с применением поличастотных осцилляторов.

Предложенмоночастотныйскважинный осциллятор в составе компоновки низа бурильной колонны при бурении горизонтальных участков скважин (рис. 2).

Рис.2. Схемакомпоновка низа бурильной колонны при бурении горизонтальных участков

Таким образом, проведенный анализ методов снижения прихватов бурильного инструмента при бурении скважин с горизонтальным окончанием показывает, что:

- для решения указанной проблемы используется широкий круг методов, включающих физико-химические, механические методы снижения коэффициента трения и другие подходы;

- к недостаткам упомянутых выше методов относится неполный учет характеристик горных пород, что препятствует более развёрнутому пониманию причин формирования прихватов как последствий воздействия бурового инструмента на грунты.

На наш взгляд, перспективными представляются исследования, направленные нарасширениезнаний о свойствах горных пород - песчаников, супесей, суглинков и глин- в частиизучения их поведения в условиях вибрационного воздействия, а такжепространственно-деформационнойнестабильностигрунтов.

Горные породы и грунты исключительно разнообразны по генезису, составу, структуре и физико-техническим характеристикам, поэтому они очень сложны при систематизации и моделировании.

В связи с этим актуальныисследования, направленные на созданиеболее подробных и детализированных классификаций горных пород, на основании которых можно будетцеленаправленно создаватьметоды и технологии предотвращенияприхватов.

Литература

1. Вознесенский Е. А. Динамическая неустойчивость грунтов / Е. А. Вознесенский. М.: Эдиториал УРСС, 1999.-263 с.

2. Абатуров В.Г. Бурение в сложных геологических условиях. Часть 1. Аварии, их предупреждение и ликвидация: курс лекций. Тюмень: ТюмГНГУ, 1995.- 60 с.

3. ЛИКВИДАЦИЯ ПРИХВАТОВ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗГЛИНИЗИРУЮЩЕГО РЕАГЕНТА РР МАРКИ Д/ http://www.skvnedrenie.ru/?part_id=497,525.

4. ЛЮБИМОВА С. В.ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ УЧАСТКАМИ ПУТЁМ СНИЖЕНИЯ ПРИХВАТООПАСНОСТИ: авторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа - 2012.

5. Хузина Л.Б., Петрова Л.В.МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ СИЛ ТРЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕМЕСТОРОЖДЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ СКВАЖИНАМИ // Нефтегазовое дело. -2012. - № 5.

6. Петров Н.А., Кореняко А.В., Давыдова И.Н., Комлева С.Ф.ОБРАБОТКА БУРОВОГО РАСТВОРА ПРИ БУРЕНИИСКВАЖИН С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ОКОНЧАНИЕМ // Нефтегазовое дело. - 2007. - №1.