Технологія ліквідації прихватів

Буріння нафтових і газових свердловин відзначається великою собівартістю робіт, в якій найбільша питома вага належить матеріальним затратам.

На собівартість бурових робіт суттєво впливає так званий ризик їх проведення, зв’язаний з можливістю виникнення різних ускладнень і аварій. Слід відзначити, що питома вага додаткових затрат за рахунок ризику в середньому на одну свердловину обумовлений не стільки великими аваріями, а такими ускладненнями, як прихвати колони бурильних труб.

Таблиця 2.21 – Можливі зони прихватів при бурінні.

Класифікація прихватів

У відповідності зі сформованим підходом [6] прихвати класифікують через їхнє виникнення на наступні категорії:

- прилипання бурильного інструмента до стінки свердловини під дією перепаду тиску;

- заклинювання колони труб;

- прихват внаслідок звуження поперечного перерізу ствола свердловини.

Прихват внаслідок перепаду тиску виникає в інтервалах проникних шарів при залишенні колони труб без руху на якийсь час, достатнє для зіткнення труб зі стінкою свердловини, точніше, що утворилася на ній глинистою кіркою. У результаті різниці між тиском у свердловині і пластовим тиском у зоні контакту колона труб піддається дії утримуючої сили (сили прихвату), обумовленої формулою:

(2.100)

де - коефіцієнт тертя труб до глинистої кірки;

- площа контакту прихоплених труб з кіркою;

- адгезійна складова сили прихвату.

Незважаючи на удавану простоту, дана формула зовсім не пристосована для практичних розрахунків сили прихвату. Це обумовлено, насамперед, відсутністю вихідної інформації про площу контакту, коефіцієнт тертя й адгезійну складову, котрі згодом зростають, що приводить до збільшення сили прихвату. Наведену формулу можна використовувати з метою вибору технологічних передумов профілактики і ліквідації прихватів через перепад тиску.

Заклинювання колони труб приурочено в основному до зон локального викривлення зміни форми поперечного перерізу стовбура свердловини. Через заклинювання колони виникають прихвати при проведенні наступних робіт:

- при спуску інструмента в звужену частину стовбура свердловини, звичайно у твердих абразивних породах;

- при підйомі інструмента і затягування в жолобну виробку, що утворюється в пластичних породах у місцях локальних скривлень
і перегинів стовбура свердловини;

- за рахунок падіння у свердловину стороннього предмета чи уламків твердої породи.

Незважаючи на різні причини перерахованих прихватів, їх поєднують в одну групу, тому що, на відміну від прихватів, що виникають під дією перепаду тиску, сила прихвату тут зосереджена на якійсь дуже короткій ділянці бурильної колони.

При таких прихватах бурильний інструмент поводиться по-різному. При заклинюванні стороннім предметом, наприклад, може спостерігатися рух бурильної колони вверх на довжину труби. Якщо розходжуванням збити сторонній предмет у зону ОБТ, вибійного двигуна чи долота, колона стає нерухомою. Заклинювання доліт у звуженій частині стовбура свердловини супроводжуються ударом при спуску інструмента з миттєвою втратою його рухливості.

Прихвати через заклинювання виникають не тільки у відкритому стволі свердловини, але й усередині обсадної колони, наприклад, при її зминанні чи падінні стороннього предмета.

До третьої категорії відносять прихвати унаслідок утрати стійкості стінок свердловини, пластичного плину порід, сальникоутворення, осідання обважнювача і шламу.

Прихвати через осипання, обвали і повзучість пластичних порід найчастіше виникають при розбурюванні глинистих сланців унаслідок їхньої здатності до руйнування під впливом розклинюючої дії фільтрату бурового розчину. Пластичні гідрофільні глини під дією фільтрату набухають і вивалюються в свердловину. Обвалам сприяють різкі коливання тиску промивальної рідини, недостатній гідростатичний тиск у свердловині, і, особливо, тривалий вплив бурового розчину на схильні до обвалів породи. Ознаками таких прихватів є ріст тиску при циркуляції бурового розчину в початковий момент прихвату і виніс великої кількості шламу зі свердловини. Довжина зони прихвату унаслідок утрати стійкості ствола може значно коливатися. Відомі випадки, коли після своєчасного підйому бурильного інструмента зі свердловини, у результаті обвалу не доходили до вибою на багато сотень метрів.

Прихвати через сальникоутворення виникають в основному при розбурюванні глинистих порід чи проникних шарів при формуванні товстої глинистої кірки. Сальникоутворенню також сприяє забруднення ствола свердловини шламом.

Осідання обважнювача і шламу можливі при неякісному буровому розчині з низкою седиментаційною стійкістю, що призводить до нагромадження твердої фази в затрубному просторі, з наступним її ущільненням при промиванні чи розходжуванні і виникненню прихвату.

Утримуюча сила для прихватів внаслідок заклинювання і звуження поперечного перерізу ствола свердловини обумовлена силами тертя інструмента об стінки свердловини через глинисту кірку, сторонні предмети, шматки породи, шлам і ін., а також силами зачеплення і защемлення частин бурильної колони. Слід зазначити, що утримуюча сила для цих різновидів прихватів у загальному випадку має складну природу, що обумовлена станом свердловини й умовами виникнення прихвату.

Запропоновано виділяти категорію прихвату в результаті сполучення різних факторів, коли утримуюча сила утворилася з часом чи сформувалася, наприклад, за рахунок заклинювання і перепаду тиску, перепаду тиску й обвалу гірських порід і т.п. Це має визначений сенс, оскільки класифікація прихватів на категорії повинна в принципі відповісти на запитання про вибір раціонального сполучення способів ліквідації.

Класифікація способів ліквідації прихватів

Існуючі способи ліквідації прихватів базуються на застосуванні різних впливів на зону прихвату з метою усунення чи зменшення утримуючої сили до рівня, достатнього для підйому зі свердловини колони труб. З огляду на різну природу утримуючої колону труб сили, для ліквідації прихватів запропоновано використовувати ряд наступних способів [6].

Фізико-хімічні – пов’язані із закачуванням у зону прихвату порцій спеціальних рідин (ванн), що за рахунок фізико-хімічного впливу (хімічне розчинення, розрідження, зменшення сил тертя й ін.) на зону контакту “колона труб-стінка свердловини” зменшують утримуючу силу.

Гідравлічні – базуються на зміні гідравлічного тиску і створення імпульсів тиску в зоні прихвату.

Механічні – зв’язані з механічним впливом на зону прихвату шляхом створення квазістатичних, динамічних ударних і вібраційних навантажень (у тому числі і за рахунок вибуху).

Комбіновані – базуються на використанні різних сполучень фізико-хімічних, гідравлічних і механічних способів впливу на зону прихвату.

Існуючі способи ліквідації прихватів доцільно класифікувати на наступні чотири групи:

- встановлення ванн;

- механічний, гідромеханічний і інший види імпульсних впливів;

- оббурювання труб;

- встановлення моста і забурювання нового ствола.

Оскільки ліквідація кожної категорії прихвату має свої особливості, то способи ліквідації прихватів розробляють стосовно до конкретної категорії чи навіть до конкретного різновиду прихвату. У буровій практиці вже склалися загальні принципи методологічного підходу до вибору способів ліквідації прихватів

На рисунку 2.10 схематично показано алгоритм дій, що рекомендуються для ліквідації прихватів довільної категорії з вибором відповідних способів у кожному конкретному випадку прихвату на етапах 2, 3 і 4.

Рисунок 2.10 – Класифікація способів ліквідації прихватів за черговістю їх виконання

Першочергові дії при ліквідації всіх категорій прихватів зводяться до викручування колони труб ротором, а потім розходжування. Ці дії чергують до застосування інших способів. Після безуспішності першочергових і легкоздійснених робіт вибирають способи ліквідації прихвату, виходячи з характерних рис кожної категорії.

Необхідно відзначити, що такі способи ліквідації прихватів, як застосування ударних механізмів, гідроімпульсний і імпульсно-хвильовий, забезпечують досягнення відразу декількох результатів впливу на зону прихвату. Так застосування ударних механізмів, крім чисто механічного руйнування зони прихвату, знижує також коефіцієнт тертя в зоні контакту.

Імпульсно-хвильовий спосіб забезпечує динамічний вплив на схоплений інструмент, одночасно знижуючи коефіцієнт тертя й адгезійнну складову за рахунок поступового руйнування зв’язків між частинками породи чи кірки і прихоплених труб. Тому ці способи можна застосовувати при ліквідації прихватів, викликаних як прилипаннями, так і заклинюваннями.

Нарешті, такі способи, як оббурювання і підйом прихопленого інструмента частинами, потребують великих витрат часу і матеріальних засобів. У багатьох випадках дешевше і швидше перебурити прихоплений інтервал, тому буровому підприємству необхідно оцінювати економічну доцільність виконання конкретних робіт. Імовірність виникнення додаткових ускладнень, що збільшують аварію, при використанні даних способів значно вище. Можливі випадки прихвату оббурювальних труб. Якщо бурильну колону витягають частинами за допомогою розгвинчування лівим інструментом, то нерідке роз’єднання відбувається далеко від наміченого місця, там, де утруднене наступне з’єднання з прихопленою колоною, чи одночасно в двох-трьох місцях.

Крім зазначених, широко застосовуваних на практиці способів ліквідації прихвату, існують і багато інших. Наприклад: електричний, заснований на використанні явища електроосмосу; електрохімічний, результатом якого є розчинення металу прихоплених труб; електрогідравлічний, що базується на створенні високовольтних розрядів у зоні прихвату (ефект Юткина); термічний і деякі інші. Ці методи не знайшли поки широкого застосування в практиці бурових робіт на нафту і газ. Для їхнього здійснення потрібна спеціальна апаратура, пристрої і матеріали, а застосування у багатьох випадках обмежується окремими різновидами прихватів, викликаних якоюсь однією причиною.

Удосконалення технології ліквідації прихватів комплексними методами

Аналізуючи послідовність виконання операцій видно, що роботи з ліквідації прихватів в більшості випадків розпочинали із торпедування, встановлення рідинних ванн (причому по декілька разів), після чого приступали до роз’єднання колони над місцем прихвату для спуску ударного механізму рисунок 2.11. Ударами діяли різну кількість разів.

В деяких випадках роботу ударними механізмами чергували з роботою шнуровими торпедами. При ліквідації прихватів від перепаду тиску застосовували випробовувач пластів, там де дозволяли геологічні умови. Таким чином, основним принципом в більшості випадків був перехід від простого до складного способу. Тобто почергово виконували операції, з кожним разом ускладнюючи технологію. Такий підхід не завжди дає бажаний результат, оскільки втрачається час. Тому рекомендується застосовувати комплексні способи ліквідації прихватів.

Суть комплексних методів полягає в тому, що одночасно застосовують встановлення нафтових ванн і ударних механізмів. Тобто вплив ванни на зону прихвату і виникнення імпульсів в результаті роботи ударних механізмів дає можливість зруйнувати зону прихвату і звільнити весь або частину прихопленого інструменту.

Рисунок 2.11 – Смеха ударного механізму для ліквідації прихватів:

а – вихідне положення; б – положення в момент нанесення удару;

1 – поверхня передачі осьового навантаження; 2 – ковадло; 3 – корпус; 4 – бойок; 5 – рухомі гайкизамкового пристрою для регулювання сили удару;

6 – цанга

Застосування комплексних методів зумовлено складністю та невизначеністю природи формування утримуючої сили різним ступенем впливу окремих дій на величину утримуючої сили і можливістю прояву синергетичних ефектів. Досвід застосування комплексних способів дії на зону прихвату свідчить про їх більшу ефективність порівняно з традиційними способами ліквідації прихватів.

Одним із ефективних способів є спосіб, який дає можливість встановлювати ванну під підвищеним тиском зі створенням імпульсно-хвильових механічних і гідравлічних дій.

Схема ліквідації прихвату наведена на рисунку 2.12.

а) б) в)

1-буровий розчин; 2-пакер; 3-ударний пристрій; 4-зона прихвату;

5-рідинна ванна; 6-облегшений розчин; 7-пачка газу

Рисунок 2.12 – Схеми ліквідації прихватів бурильної колони

Спосіб здійснюють таким чином. У свердловину на бурильних трубах спускають пакер і механічний ударний пристрій і з’єднують з прихопленою частиною інструменту. Потім у зону прихвату закачують рідинну ванну і розвантаженням на пакер герметизують кільцевий простір з одночасним зарядженням ударного механізму, (рисунок 2. 12 (а)).

Далі з допомогою насосів створюють підвищений технологічно допустимий тиск у підпакерній зоні, що покращує умови проникнення ванни. Після витримки ванни під тиском виконують натяг бурильної колони і створюють удар, одночасно з котрим здійснюється зняття пакера і зниження тиску у підпакерній зоні, внаслідок чого на зону прихвату діють додатково гідродинамічна хвиля розрядки. При необхідності виконують повторну маніпуляцію до звільнення бурильного інструмента.

Окрім цього, для ліквідації прихватів бурильних труб від дії перепаду тиску розроблена технологія, яка забезпечує переміщення рідинної ванни у затрубному просторі при репресійно-депресійній дії на зону прихвату.

Об’єм рідинної ванни вибирають з врахуванням “перекриття ванною зони прихвату” при її нижньому і верхньому положеннях. Розрахований об’єм ванни і буферної рідини закачують у колону і з допомогою бурового насоса і облегшеного розчинів протискують у зону прихвату. Потім сполучивши внутрішній простір з атмосферою формують за рахунок перетоку рідини чи компресором у затрубному просторі пачку газу. Висоту стовпа облегшеного розчину (h) і пачки газу (h_г) вибирають з умов рівності тисків у затрубному просторі і всередині колони, а також забезпечення технологічно допустимої депресії на зону прихвату. Після цього свердловину герметизують і протискуванням буровими насосами через колону труб переміщують ванну у крайнє положення (рисунок 2.12 (в)), стискуючи пачку на усті. Створений таким чином надлишковий тиск (Р_у) на усті свердловини визначають із умови забезпечення технологічно допустимої репресії на зону прихвату. Після протискування заданого об’єму розчину зупиняють насоси і внутрішній простір колони труб сполучають з атмосферою. За рахунок різниці тисків у затрубному просторі в трубах ванна буде переміщатися вниз. При цьому тиск у зоні прихвату буде знижуватися. Відбір рідини із колони труб виконують у мірну ємність до моменту досягнення ванною крайнього положення. Це забезпечує створення у зоні прихвату технологічно допустимої депресії.

Описані операції виконують до ліквідації прихвату, а контроль здійснюють з допомогою об’ємних методів і за тиском у трубах і затрубному просторі. Після ліквідації прихвату рідинну ванну вимивають із колони протитиском на усті.

Ця технологія інтенсифікує проникнення рідинної ванни у зону контакту і сприяє її розмиванню при циклічних переміщеннях ванни. За своїми можливостями ця технологія має переваги над методом U-труб, суть якої полягає у зниженні рівня бурового розчину у свердловині. У разі виникнення прихвату під дією перепаду тиску ефективним способом зниження цього тиску до значення, меншого, ніж було до прихвату, шляхом зниження рівня бурового розчину у затрубному просторі до безпечних значень і приведення тиску стовпа рідини всередині труб до його значення затрубному просторі.