Механизмы возникновения дифференциальных прихватов

Для объяснения механизмов дифференциального прихвата я часто привожу пример с укрыванием решетки радиатора двигателя мокрым чехлом. Однако H.D. Outmans предложил в 1974г.⁴ более точное и наглядное объяснение. Outmans использовал пример с резиновой пробкой, соскальзывающей в отверстие раковины. Когда пробка перекрывает поток воды через отверстие, гидростатическое давление прижимает ее к отверстию, что подобно прихвату (рис. 9-1). Трение между пробкой и дном раковины достаточно велико, чтобы удерживать пробку на месте. Когда пробка не находится над отверстием, трение между пробкой и дном раковины очень мало. Это объясняется тем, что между пробкой и дном раковины есть тонкий слой воды. Поэтому дифференциальное давление, которое могло бы прижимать пробку, не возникает. Гидростатическое давление, действующее на пробку снизу, уравновешивает давление, действующее на пробку сверху. Кроме того, этот тонкий слой воды действует как смазка. Когда пробка перекрывает отверстие, слой воды стекает вниз, в результате чего возникает дифференциальное давление, прижимающее пробку к отверстию. Эта прижимающая сила, обусловленная дифференциальным давлением, и отсутствие смазки приводят к появлению сильного трения.

Представим себе скважину, вскрывшую проницаемые пески. Если давление в скважине превышает пластовое давление, начнется поступление бурового раствора в пласт и образование фильтрационной глинистой корки. Фильтрационная корка обладает некоторой проницаемостью, поэтому поступление бурового раствора в пласт будет продолжаться. Однако большая часть твердых частиц выделяется из жидкости и задерживается на фильтрационной корке. Через корку проходит только чистый фильтрат бурового раствора. По мере поступления новых твердых частиц фильтрационная корка становится толще, и этот процесс продолжается, пока скорость осаждения не становится равной скорости эрозии (см. материалы по образованию фильтрационной корки, рис. 9-7).

Бурильная колонна почти всегда находится в контакте со стенкой скважины. При вращении колонны между ней и стенкой скважины будет находиться тонкий слой жидкости (рис. 9-2А). Этот тонкий слой выполняет три задачи:

• Смазка бурильной колонны.

• Передача давления от колонны к фильтрационной корке.

• Поставка фильтрата, который постоянно проникает через фильтрационную корку в зоне контакта колонны с фильтрационной коркой. За пределами зоны контакта фильтрат поступает непосредственно из бурового раствора. Следует отметить, что фильтрат будет постоянно проходить через фильтрационную корку, пока существует какая-то репрессия.

Когда бурильная колонная останавливается, новый буровой раствор перестает поступать в смазывающий слой, так что поток фильтрата через фильтрационную корку в зоне контакта прекращается (рис. 9-2В). Жидкость из тонкого смазывающего слоя продолжает поставлять новый фильтрат, пока этот источник не иссякнет. Фильтрат, находящийся в фильтрационной корке, продолжает поступать в пласт, до тех пор, пока в этой части корки не останется фильтрата.

По мере ухода фильтрата из фильтрационной корки в зоне контакта эта часть фильтрационной корки уплотняется и становится тоньше, чем остальная корка (рис. 9-2С). Такая " усадка" фильтрационной корки создает условия для более глубокого проникновения колонны в корку. Вследствие этого увеличивается поверхность контакта бурильной колонны и фильтрационной корки. Уплотненная фильтрационная корка характеризуется большим коэффициентом трения, чем раньше, когда она была насыщена фильтратом.

При прекращении циркуляции поверх устойчивой фильтрационной корки формируется неустойчивая фильтрационная корка. Данное обстоятельство также способствует увеличению поверхности контакта.

Когда исчезает смазывающий слой, исчезает и гидростатическое давление в пространстве между колонной и фильтрационной коркой. В результате появляется дифференциальное давление, прижимающее колонну к стенке скважины с фильтрационной коркой. Соответственно, возрастает трение, препятствующее перемещению колонны. Трение может возрасти настолько, что перемещение колонны станет невозможным. В этот момент возникает дифференциальный прихват!