книги / Справочник мастера по сложным буровым работам

И П ПУСТОВОЙТЕНКО А П СЕЛЬВАЩУН

СПРАВОЧНИК

МАСТЕРА

по сложным буровым работам

ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ,

ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

МОСКВА « Н Е Д Р А » 1983

УДК 622.248.05

Пустовойтенко И. П., Сельващук А. П. Справочник мас­ тера по сложным буровым работам.— 3-е изд„ перераб. и доп. М., Недра, 1983, с. 248.

Третье издание (2-е изд.— 1971) значительно перерабо­ тано и дополнено сведениями по новому оборудованию, инст­ рументу и приспособлениям, применяемым при ликвидации аварий и осложнений. Изложены причины аварий, осложне­ ний, а также методы и средства их предупреждения и ликви­ дации. Рассмотрены конструкции ловильного инструмента, приспособлений и устройств для ликвидаций аварий. Описаны способы определения местоположения и интенсивности погло­ щений.

Для инженерно-технических и научных работников буро­ вых предприятий нефтяной и газовой промышленности.

Табл. 58, ил. 78, список лит.— 48 назв.

Р е ц е н з е н т — инж. С. Н. Шандин (Миннефтепром).

1. АВАРИИ И ИХ ПРИЧИНЫ

1.1.ПОНЯТИЕ ОБ АВАРИЯХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Впроцессе бурения нефтяных и газовых скважин аварией считают нарушение технологического процесса, вызываемое прихватом или по­ ломкой с оставлением в скважине инструментов, элементов бурильной колонны или других предметов, для извлечения которых требуются спе­

циальные работы.

Аварии делят на следующие виды: аварии с бурильной колонной, прихваты бурильной колонны, аварии с обсадными колоннами, аварии вследствие неудачного цементирования, аварии с забойными двигате­ лями, аварии с долотами, аварии вследствие падения в скважину по­ сторонних предметов и прочие аварии.

А в а р и и с б у р и л ь н о й к о л о н н о й — оставление в скважине элементов бурильной колонны или ее частей (ведущих, бурильных и утяжеленных труб, переводников, муфт, замков, центраторов, амортиза­

по резьбовому соединению и из-за падения в скважину названных эле­ ментов.

П р и х в а т ы б у р и л ь н о й к о л о н н ы — непредвиденная потеря подвижности колонны вследствие прилипания под действием перепада давления, заклинивания в желобах в местах сужений или посторонними

спущенными или зацементированными обсадными колоннами либо с их частями, вызванные разъединением по резьбовым соединениям, обрывом по сварному шву и телу трубы, смятием или разрывом по телу трубы, прихватом, падением колонны или ее части, повреждением труб при разбуривании цементного стакана, стоп-кольца обратного клапана, на­ правляющей пробки или неисправностью элементов оснастки низа об­ садных колонн.

А в а р и и в с л е д с т в и е н е у д а ч н о го ц е м е н т и р о в а н и я — прихват затвердевшим цементным раствором колонны бурильных труб, на которой спускалась секция обсадных труб или хвостовик; отказ в ра­ боте и повреждение узлов подвески секции обсадной колонны, наруша­ ющие процесс крепления и дальнейшую проводку скважины; оголение башмака, недоподъем в затрубном пространстве или оставление в ко­ лонне цементного раствора, если требуются дополнительные работы по устранению нарушения.

А в а р и и с д о л о т а м и — оставление в скважине долота, буриль­ ной головки или его элементов и частей.

А в а р и и с з а б о й н ы м и д в и г а т е л я м и—оставление в скважине турбобуров или электробуров, винтовых двигателей или их узлов в ре­ зультате развинчивания по резьбе или поломок.

А в а р и и в р е з у л ь т а т е п а д е н и я в с к в а ж и н у п о с т о р о н ­ них п р е д м е т о в — падение в скважину вкладышей ротора, ротор­ ных клиньев, ключей, кувалд, узлов пневматических клиньев, пневмати­ ческих буровых ключей и других ручных инструментов, приспособлений

ских и других приборов, а также устройств, применяемых при иссле­ довании скважин и проведении в них вспомогательных работ, а также аварии с испытателями пластов при опробовании скважин в процессе бурения и аварии I и II категорий, расследуемые в соответствии с ин­ струкцией Госгортехнадзора СССР.

Началом аварии считается момент ее возникновения, хотя он может быть обнаружен и позже, а окончанием аварии — момент восстановле­ ния условий для продолжения бурения. Авария в скважине, происшед­

для ликвидации первоначально возникшей аварии. Такой же порядок учета распространяется и на случаи возникновения всех последующих аварий, возникших при ликвидации первой.

Аварии происходят в основном вследствие брака в работе или ис­ полнителей технологического процесса, или изготовителей инструментов, оборудования и механизмов.

Основное число аварий в бурении возникает в результате наруше­ ния требований технических и технологических проектов и только не­ значительная часть — в результате брака заводов-изготовителей.

Следует отметить, что несовершенство технических и технологиче­ ских проектов, а также конструкций инструментов, оборудования и ме­ ханизмов, несмотря на их качественное выполнение, способствовало воз­ никновению значительного числа аварий.

1.2. АВАРИИ С БУРИЛЬНОЙ КОЛОННОЙ

Многочисленными теоретическими исследованиями и практикой дока­ зано, что аварии вследствие поломки элементов бурильной колонны выз­ ваны в основном усталостью металла.

Явления усталости возникают главным образом под действием сле­ дующих основных переменных нагрузок: изгиба, колебаний бурильной колонны, крутильных ударов.

Усталость металла ускоряют следующие факторы:

1)дефекты материала труб — расслоение и структурная неоднород­

ность металла, незаметные (на глаз) инородные включения в металле и конструктивные дефекты, т. е. резкие переходы в сечении, острые надрезы, царапины и т. д.;

4

2)малые радиусы закругления восьминиточных резьб (трубных);

3)применение безупорного соединения трубы с замком или соеди­

падения пластов; б) работа колонн в средах с агрессивными химическими добавками

(соли, кислоты, щелочи), способствующими возкникновению коррозии;

тия, т. е. при бурении без УБТ или с УБТ незначительной длины, тогда

телу с нормальной толщиной; конусной части ниппелей бурильных зам­

упереводника для бурильных труб, конуса и ниппеля УБТ.

Убурильных колонн, состоящих из труб с высаженными внутрь концами, замки н муфты образуют около себя зоны концентрации боль­ ших напряжений при знакопеременных нагрузках, действующих на бу­ рильную колонну. Наибольшие напряжения концентрируются около пер­ вого витка резьбы на трубе, находящегося в полном сопряжении с резь­ бой бурильного замка. Сломы по утолщенному концу происходят и на Других участках резьбы. Увеличение толщины стенки трубы путем вы­ садки не предохраняет от распространения образования трещин в теле трубы.

Если крутящие моменты очень велики, то возможно разрушение труб по спирали и в поперечном направлении. Спиральный слом труб возникает в скважинах, диаметр которых не более чем на 100 мм пре­

5

близительно 45° к оси трубы, что соответствует наибольшим нормальным напряжениям при кручении.

В поперечном направлении трубы ломаются от скручивания в ре­ зультате приложения чрезмерных крутящих моментов, В месте слома труба имеет форму скручивания по спирали, однако ломаются трубы по спирали и в поперечном направлении только при ликвидации аварий.

Бурильные замки и соединительные муфты разрушаются по телу при ликвидации аварий вследствие приложения значительных нагрузок. Концы разрушенных деталей имеют увеличенные диаметры и воронко­ образную форму. Такие аварии происходят в основном с бурильными замками диаметром 118 мм и менее, а также с соединительными муфтами диаметром 140 мм и менее.

Разрушение муфт и замков по телу в поперечном направлении от­ мечается также при неправильной их термической обработке: торцы сло­ манных деталей в поперечном направлении обладают мелкозернистой структурой.

В утяжеленных бурильных трубах, так же как и в бурильных зам­ ках, отламываются кольца ниппеля и муфты. Причины этих поломок ана­ логичны причинам слома замковых деталей по резьбе и труб по утол­ щенному концу.

Ведущие трубы сборной конструкции ломаются преимущественно по трубной резьбе и, за редким исключением, в зоне, прилегающей к ней. Причиной таких аварий является несовершенная конструкция соединения ведущей трубы с переводником, в результате которой изгибающий мо­ мент действует только на опасное соединение, происходит быстрое раз­ витие усталости металла и труба разрушается.

В последнее время стали широко применять трубы с приваренными соединительными концами, которые ломаются и промываются по свар­ ному шву и телу.

Лабораторные исследования показали, что причинами промыва тела труб и их сварного шва могут быть посторонние включения в металле, расслоения и другие дефекты трубных заготовок.

Аварии с трубами в виде поломок их по сварным швам могут быть вызваны также недоброкачественным изготовлением труб, т. е. отсутствием соосности трубы и привариваемого полузамка, низкой удар­ ной вязкостью сварного шва по сравнению с ударной вязкостью металла трубы, что объясняется образованием (в большинству случаев в свар­ ном соединении) окисных пленок, трудностью получения высококачествен­ ной термической обработки сварного шва, недостаточной площадью свар­ ного шва по сравнению с площадью сечения труб.

Основной причиной многих аварий со сломом труб по сварным швам

способом с трубами типа ТБПВ.

При использовании бурильных труб из легких сплавов можно на­ блюдать ослабление их прочности и разрушение внутренней поверхности вблизи муфтовых соединений вследствие эрозии. Эрозия возникает под

6

действием турбулентного движения промывочной жидкости в зоне муф­ товых и замковых соединений, где внутренняя поверхность более шеро­ ховата, чем в остальной части трубы. Кроме того, конструкция муфто­ вых и замковых соединений труб способствует образованию местных со­ противлений, а следовательно, и более сложному характеру движения жидкости, которая интенсивно размывает трубу на этом участке.

Основные причины разрушения резьбовых соединений — их размыв и износ вследствие многократного свинчивания и развинчивания. При работе на забое бурильная колонна подвергается различным знакопе­ ременным напряжениям, отчего одна часть резьбового соединения пере­ мещается по другой. Нагрузки, передаваемые на резьбу, зависят от стецени жесткости и плотности свинчивания. Если трубы свинчиваются автоматическими ключами, то часть резьбовых соединений незначительно перемещается относительно друг друга. Недокрепление соединения спо­ собствует интенсивному перемещению плоскостей резьбы относительно друг друга, что ускоряет износ резьбы.

На износ резьбы влияют также Качество и давление промывочной жидкости в момент прокачки. Чем больше давление в жидкости и чем больше в ней инородных тел, обладающих абразивными свойствами, тем скорее изнашивается резьба. В результате размыва плоскость соприкос­ новения витков резьбы уменьшается, увеличиваются силы, действующие на ослабленную резьбу, и она разрушается. Неотцентрированный фонарь

они работают в более тяжелых условиях, чем замковые соединения бу­ рильных труб. К тому же резьбовые соединения в утяжеленных буриль­ ных трубах менее прочны, чем в замках, переводниках и долотах.

Аварии вследствие заедания или ослабления прочности резьбы при размыве возникают реже, так как места размыва на внешней части тела соединяемых элементов можно легко обнаружить.

Резьбовые соединения разрушаются вследствие заедания трубной резьбы под действием на нее увеличенных нагрузки и температуры, воз­ никающих на поверхности резьбы в процессе свинчивания и работы замка в скважине. Одной из причин разрушения резьбовых соединений может быть и применение недоброкачественной смазки.

Разрушения резьбовых соединений также могут быть вызваны несо­ ответствием размеров элементов резьбы (особенно по конусности), по­ скольку значительные отклонения размеров резьбы приводят к неравно­ мерному распределению нагрузки по ее виткам и, следовательно, к ин­ тенсивному износу.

Падение бурильных колонн в скважину происходит в основном вслед­ ствие нарушения технологических требований к спуску и подъему ко­ лонны, а также в результате неисправностей спуско-подъемного инстру­ мента и механизмов. Наиболее часто встречаются следующие нарушения

инеисправности:

1)подъем бурильной колонны на одном штропе;

7

2) несоответствие грузоподъемности элеватора массе колонны и на­

иколонна падает в скважину;

4)несовершенство конструкции защелки подъемного крюка;

5)поломка боковых серег и ствола крюка;

6)неисправность тормозной системы — разрыв тормозной ленты и тормозного шкива, чрезмерный износ тормозных колодок, отключение гид­ родинамического тормоза, износ шарнирных соединений тормозной си­ стемы, заклинивание тормозного рычага, неисправность предохранитель­ ного устройства тормозного рычага, нарушение резьбового соединения натяжных болтов тормозной ленты;

7)слом и разрушение сопряжений элементов бурильной колонны во

8) работа штропами несоответствующей грузоподъемности и при на­ личии износа выше нормы.

В процессе эксплуатации поломки и разрушения сопряжений эле­ ментов бурильной колонны происходят в местах ослабленной прочности трубы или соединения.

Нарушение трудовой и технологической дисциплины: недостаточная автоматизация спуско-подъемных операций (отсутствие АКБ, клиньев, встроенных в ротор, конструктивные недостатки элеваторов и защелок крюка), отсутствие достаточного опыта членов буровой бригады — глав­ ные причины, приводящие к падению колонн в скважину.

Таким образом, можно отметить, что аварии происходят не только вследствие недостатков конструкции бурильных труб, но и в результате слабого технического надзора и недостаточной квалификации работни­ ков. Это приводит к несвоевременной профилактике бурильных колонн, слабому креплению замковых соединений, неудовлетворительной сборке бурильных колонн, спуску их в скважину с недопустимой сработкой от­ дельных элементов, плохому состоянию поверхностного оборудования, не­ соответствию прочности колонны условиям бурения, слабому учету ра­ боты бурильных колонн.

1.3. ПРИХВАТЫ

При бурении скважин происходят прихваты бурильной колонны, ко­ торые подразделяют на следующие группы.

1. Прилипание бурильной колонны к стенке скважины.

Этот вид прихвата происходит под действием перепада давления, в результате которого избыточное давление прижимает бурильную ко­

бурильную колонну нормальные силы и тем самым исключают переме­ щение колонны в любую сторону.

8

Признаками прилипания в начальной стадии его возникновения служат увеличения крутящего момента бурильной колонны и силы сопротивле­ ния ее осевым перемещениям, поэтому указанные арматуры необходимо регистрировать и постоянно наблюдать за их изменениями. Своевремен­ ное выявление признаков прилипания является важным фактором преду­ преждения прилипания бурильных колонн.

Прилипание отличается от других групп прихватов неизменяющимся характером циркуляции бурового раствора и отсутствием признаков пе­ ремещения и вращения прихваченной части колонны.

Прилипает, как правило, бурильная колонна в неподвижном состоя­

нии.

На степень прилипания влияют: а) время нахождения бурильной

щина, прочность и т. д.); г) величина площади соприкосновения буриль­ ной колонны со стенкой скважины; д) проницаемость пород в скважине: е) сила трения между элементами бурильной колонны и стенками сква­ жины.

2.Прихват бурильной колонны сальником.

Вместах перехода от большего диаметра находящихся в скважине элементов бурильной колонны к меньшим изменяются скорости потока промывочной жидкости над долотом, турбобуром, УБТ и замками. По­ мимо этого, изменение потока прмывочной жидкости происходит в зоне каверн и в местах увеличенных диаметров скважин. Если скважина об­

сажена промежуточной колонной, состоящей из двух труб, то и в зо­ нах перехода с большего диаметра на меньший скорость движения про­ мывочной жидкости также снижается.

Вследствие уменьшения скорости промывочной жидкости в месте перехода концентрируются частицы шлама, которые при благоприятных условиях (наличие липкой глинистой корки, промывочной жидкости с большим содержанием глинистой фазы и большой вязкостью и т. д.) слипаются (с течением времени) во все большие комки и прилипают к трубам и стенкам скважины. Накопление комков в отдельных интер­ валах приводит к закупорке кольцевого пространства, в результате уве­ личивается давление на комки, они уплотняются и вызывают прихват бурильной колонны.

В других случаях сальники в процессе спуска образуются в резуль­ тате сдирания глинистой корки со стенок скважины элементами буриль­ ной колонны. Корка превращается в полутвердую массу, которая, дви­ гаясь по стволу, задерживается на забое или на участках резкого су­ жения скважины, где через нее проходят долото и бурильная колонна под действием собственного веса. Образовавшийся плотный сальник при восстановлении циркуляции начинает выталкиваться до препятствия (су­ жение ствола, увеличение диаметра элементов бурильной колонны), где он останавливается, уплотняется перепадом давления и прихватывает ко­ лонну иногда с прекращением циркуляции.

Признаками образования сальников служат: появление затяжек во время спуско-подъемных операций бурильной колонны, возрастание дав­

9

ления циркулирующей промывочной жидкости, уменьшение механической скорости бурения даже при несработанном долоте, постоянство показа­ ний амперметра при вращении бурильной колонны во время электробуре­ ния.

Причины образования сальников: наличие рыхлой, толстой глинистой корки в скважине; малая скорость восходящего потока промывочной жидкости вследствие малой подачинасосов, увеличения размеров скважины на определенных участках, цегерметичности бурильной колонны; примене­ ние в качестве промывочной жидкости глинистого раствора и других агентов с высокими вязкостью, липкостью и напряжением сдвига; загряз­ нение ствола скважины шламом (ввиду плохой очистки промывочной жидкости), кусками глинистой коркн (вследствие сдирания ее замками)

идругими предметами.

3.Прихват бурильной колонны обвалившимися неустойчивыми по­ родами.

Ствол скважины теряет устойчивость в результате изменения напря­ женного состояния пород, которое может зависеть от геологических фак­ торов и технологии проводки скважины.

Геологическими факторами, способствующими обвалообразованию, яв­ ляются большие углы падения пластов, трещиноватость и перемятость

пород, литологический состав, структура и механические свойства по­ роды и др. Наибольшее число обвалов происходит в глинистых породах вследствие их способности быстро набухать под действием фильтрата

веса промывочной жидкости или водо-, нефте- и газопроявлений; низкое качество промывочной жидкости, особенно наличие большой фильтрации; резкие колебания давления промывочной жидкости в стволе скважины; большое время воздействия промывочной жидкости на породы, склонные

кобвалам.

4.Заклинивания делят на следующие подгруппы.

4.1.Заклинивание долот пли элементов бурильной колонны в сужен­

ной части ствола скважины (особенно в призабойной зоне). Часто такие аварии случаются, когда после трехшарошечного долота без про­ работки ствола спускается четырехшарошечное долото для отбора керна. Нередки случаи заклинивания бурильной колонны при увеличении жест­ кости ее низа. Бурение в твердых абразивных породах сопровождается значительным износом долота. Спуск последующего долота без прора­ ботки интервала бурения предыдущим долотом приводит также к его заклиниванию. При разбуривании магниевых солей очень часто буриль­ ная колонна оказывается прихваченной в результате сужения ствола скважины, вызванного текучестью каменных солей. Наличие гипсовых пропластков в разрезе отдельных месторождений также может вызвать прихваты.

10