книги / Предупреждение и ликвидация аварий в бурении

И. П. Пустовойтенко

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

И ЛИКВИДАЦИЯ АВАРИЙ

В БУРЕНИИ

ИЗДАНИЕ 2-е, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

ш

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А »

М оск в а 1973

УДК 622.248

Пустовойтенко И. П. Предупреждение и ликвидация аварий

вбурении. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Недра», 1973. 312 с.

Вкниге приведена классификация аварий и факторов, влияю­ щих на их возникновение. Описаны характерные аварии, которые происходят при бурении нефтяных и газовых скважин, и выявлены

их причины.

В отличие от первого издания в данной книге более широко ос­ вещен опыт предупреждения и ликвидации аварий, описаны новые ловильные и вспомогательные инструменты, применяемые для ликви­ дации аварий в СССР и за рубежом.

С целью лучшего понимания причин аварий, освоения методов их ликвидации и устранения ошибок в технологии бурения содер­ жание книги построено на анализе фактических примеров.

■ Книга предназначена для инженерно-технических работников буровых предприятий, мастеров и бурильщиков, а также других специалистов по бурению нефтяных и газовых скважин.

Таблиц 56, иллюстраций 92, список литературы — 80 назв.

Г Л А В А I

АВАРИЙНОСТЬ В БУРЕНИИ

§ 1. ПОНЯТИЕ ОБ АВАРИИ В БУРЕНИИ

Под аварией в процессе бурения нефтяных и газовых скважин следует понимать нарушения технологического процесса, вызывае­ мые прихватом или поломкой, с оставлением в скважине инстру­ ментов, элементов бурильной колонны или других предметов, для извлечения которых требуются специальные работы.

Характерными поломками являются: поломки по телу буриль­ ных и обсадных труб или по узлам соединения их элементов; поломки соединительных муфт, замков, переводников; ведущих, утяжеленных, бурильных и насосно-компрессорных труб, долот и других режущих инструментов; узлов забойных двигателей (турбо­ буров и электробуров); вспомогательных инструментов, расшири­ телей, амортизаторов, ловильного инструмента и т. д. Кроме того, в скважинах могут оставаться долота, забойные двигатели, отдель­ ные приборы и инструменты. Часто бурильные и обсадные колонны оказываются прихваченными или заклиненными в скважине, про­ исходит смятие обсадных колонн и возникают открытые газонефтеводопроявления, приводящие к остановке бурения.

Все указанные выше нарушения технологического процесса проходки скважин, для устранения которых ведутся дополнитель­ ные работы независимо от времени, затраченного на их ликвида­ цию, считаются аварией в бурении.

Регистрация всех аварий позволяет получать полное представ­ ление о технологических и технических упущениях на данном пред­ приятии. Это в свою очередь дает возможность правильно ориенти­ ровать техническую службу предприятия на разработку профилак­ тических мероприятий по предупреждению аварий.

§2. КЛАССИФИКАЦИЯ АВАРИЙ

Внастоящее время все аварии при бурении нефтяных и газо­ вых скважин по статистической отчетности разделяются на восемь видов:

1)поломка бурильных труб, удлинителей, муфт, замков и срыв

резьбового соединения;

2)поломка долота ;

3)падение инструмента;

4)прихват инструмента;

5)аварии с обсадными трубами и неудачное цементирование;

6)аварии с турбобурами;

7)аварии с электробурами;

8)прочие.

Однако принятая классификация не дает четкого разграничения видов аварий.

На буровых предприятиях нередко одни и те же аварии относят к различным видам. Это свидетельствует о том, что принятая си­ стема классификации допускает различное толкование, а порой даже затрудняет определение вида аварий. Одной из причин этого является и не всегда правильно применяемая терминология.

К первому виду аварий не отнесены аварии с ведущими тру­ бами и переводниками. Не выделены они и в самостоятельный вид.

В связи с этим многие специалисты, основываясь на принятой классификации, относят такие аварии к восьмому виду. Однако по характеру поломки, причинам возникновения и методам ликви­ дации они существенно не отличаются от аварий первого вида. Поэтому их следует отнести к первому виду и дать общее название «аварии с колонной бурильных труб».

Оставление в скважинах шарошек, лап с шарошками в резуль­ тате поломки или расклинивания долота по сварному шву не вызы­ вает затруднений при определении вида аварии. Это — поломка долот. А оставление в скважине долота вследствие его отсоедине­ ния от бурильной колонны при спуске, а также в процессе прора­ ботки или бурения затрудняет отнесение этой аварии в ряде слу­ чаев к одному и тому же виду. Оставление долота не является его поломкой, поэтому на некоторых предприятиях аварии, вызван­ ные оставлением долота в скважине, не относят к виду «поломка долота». Долото не является элементом колонны бурильных труб, поэтому аварию, в результате которой долото остается в скважине, нельзя отнести к первому виду, хотя отсоединение долота происхо­ дит, как правило, в резьбовом соединении.

При оставлении в скважине долота в большинстве случаев его разрушают на забое теми же ловильными инструментами, что и узлы долота. Правильнее было бы этот вид аварий именовать «аварии с долотами». Тогда к нему можно будет относить аварии, вызванные поломкой долота и оставлением его в скважине.

Третий вид аварий — падение инструмента. Разное понимание термина «инструмент» привело к тому, что на одних предприятиях к «падению инструмента» относят все аварии, в результате которых в скважину упали различные инструменты, применяемые при рабо­ тах на устье (цепные ключи, кувалды, клинья); на других — паде­ ние в скважину труб и частей бурильной колонны в результате неисправности или поломки спуско-подъемных механизмов, инстру­ ментов и труб. Нередко существенно отличающиеся друг от друга

4

аварии относят к одному виду. В большинстве случаев работы на устье ведут с помощью автоматических и полуавтоматических клю­ чей. Процент аварий, вызванных падением кувалд и других пере­ численных выше инструментов (не труб), невелик. Этот вид аварий следует исключить, а падение инструментов в скважину относить к восьмому виду.

Аварии, в результате которых в скважину падает бурильная колонна или ее элементы, необходимо относить к первому виду, хотя причиной аварии является поломка спуско-подъемного инстру­ мента, механическое повреждение труб, резьбовых соединений, развинчивание элементов колонны труб и т. д. Исключение состав­ ляют прихваты, причиной которых являются уже не механические поломки и повреждения, а геологические и технологические усло­ вия, в которых бурят скважину.

Изучение причин аварий, происходящих при креплении скважин обсадными колоннами, показывает, что иногда похожие аварии, относят к разным видам. Например, известны случаи падения шаб­ лона в трубы и подъема эксплуатационной колонны из-за прежде­ временного схватывания цементного раствора. Эти аварии относят к восьмому виду. Правильнее назвать этот вид: «аварии с обсад­ ными колоннами». Сюда надо относить аварии, в результате кото­ рых был остановлен нормальный процесс спуска обсадной колонны и ее цементирование (в том числе прихваты обсадных колонн и связанное с этим перебуривание ствола скважины, обрыв труб, подъем обсадных колонн из-за падения в них шаблонов и других предметов, а также вследствие преждевременного схватывания цементного раствора).

В статистической отчетности имеется два вида аварий: с турбо­ бурами и электробурами. Правильнее бы объединить их в один вид и назвать его «аварии с забойными двигателями», что дикту­ ется схожестью характера поломок и их ликвидации. При класси­ фикации аварий с турбобурами и электробурами известны случаи отнесения их к восьмому виду аварий.

Так, к прочим видам аварий относили: падение в скважину электробура, а в другом случае оставление двигателя на забое вследствие левого вращения колонны из-за неправильного подклю­ чения фаз. Это не совсем верно. Все аварии с оставлением в сква­ жине электробуров и турбобуров или их узлов следует относить соответственно к авариям с забойными двигателями.

Классификацию аварий следует сделать более конкретной и выделить следующие виды:

1)аварии с колонной бурильных труб;

2)прихваты колонны бурильных труб;

3)аварии с долотами;

4)аварии с забойными двигателями;

5)аварии с обсадными колоннами;

6)прочие аварии.

Аварии с колонной бурильных труб — оставление в скважине

5

бурильной колонны или ее частей ввиду поломки по телу или по сварному шву, из-за отсоединения в резьбовом соединении буриль­ ных, ведущих и утяжеленных труб, соединительных муфт, замковых элементов (ниппеля и муфты) и переводников, а также падение в скважину названных выше элементов колонны бурильных труб.

Прихваты бурильных колонн — полная потеря возможности поднять или опустить бурильную колонну. Прихваты могут быть вызваны прилипанием, образованием сальников, заклиниванием труб, забойных двигателей, долот и элементов их соединяющих, осыпями и обвалами.

Аварии с долотами — оставление в скважине долота, расшири­ теля или их частей.

Аварии с обсадными колоннами — отсоединение по резьбовым или сварным соединениям, разрыв по телу; падение в скважину; смятие при спуске и в процессе работы; обрыв и отвинчивание нижних труб при углублении скважины; проседание обсадных колонн, их прихват; подъем обсадной колонны из-за преждевре­ менного схватывания цементного раствора или посадки ее в шлам для извлечения упавшего в нее шаблона; другие повреждения обсадной колонны, приводящие к дополнительным работам при креплении скважин.

Аварии с забойными двигателями — поломки узлов турбобура, электробура и других забойных двигателей, а также оставление их полностью в скважине.:

Прочие аварии — оставление в скважине различных предметов: узлов амортизаторов, центраторов, каротажного кабеля, геофизи­ ческих приборов, испытателя пластов при опробовании в процессе бурения, колонковых труб, падение в скважину ключей всех конст­ рукций, клиньев, кувалд и других инструментов, применяемых при работах на устье и в скважине; открытые газовые, нефтяные и во­ дяные фонтаны.

Началом аварии считается момент возникновения аварии, хотя обнаружен он может быть и позже. Окончанием аварии считается момент восстановления условий для продолжения бурения. Авария в скважине, происшедшая в период ликвидации ранее возникшей аварии, регистрируется, но не учитывается. Время на ликвидацию ее суммируется со временем на ликвидацию первоначально возник­ шей аварии. Такой же порядок учета распространяется на случаи возникновения второй и последующих аварий, возникших при ликвидации первой.

К авариям в бурении не относятся: поломки и повреждения бу­ рового и энергетического оборудования, установленного на сква­ жинах, поломки спуско-подъемного оборудования и фонарей вы­ шек, обрывы талевых канатов, потери ствола скважины и другие упущения, не вызывающие проведения ловильных работ.

Работы по ремонту и замене вышедшего из строя оборудования относятся к ремонтным работам, а ликвидация последствий пожа­ ров на буровых — к простоям.

6

§ 3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АВАРИИ ПО ВИДАМ

Бурение скважин с 1950 г. характеризуется увеличением объема проходки трехшарошечными долотами, переходом на бурение турбобурами и ростом глубин скважин, а следовательно, и повы­ шением сложности проходки скважин.

Распределение аварий в СССР по видам показано на рис. 1 и приведено в табл. 1. При резком увеличении объема турбинного бурения с 18,7% в 1949 г. до 84% в 1956 г. значительно снизилось число аварий с элементами колонны бурильных труб. Однако рост объема бурения трехшарошечными долотами и недостаточная при­ способленность последних к турбинному способу, особенно колон-

ковых долот, послужили основной причиной увеличения числа ава­

рий с долотами.

Улучшение качества долот, а также широкое применение одно­ шарошечных и алмазных долот в последние годы способствовали уменьшению числа аварий с долотами.

Значительный объем бурения скважин глубиной более 3000 м, резкий рост средних глубин скважин, начиная с 1965 г., привели к увеличению числа аварий с бурильными и обсадными трубами. Снижение их возможно только при коренной реорганизации труб­ ного хозяйства и особенно при улучшении профилактических ме­ роприятий, о которых будет сказано ниже.

Следует отметить рост числа прихватов, на ликвидацию кото­ рых приходится около 50% времени, затрачиваемого на ликвида­ цию аварий всех видов. Увеличение числа прихватов связано

7

Т а б л и ц а I

с ростом глубин скважин, сложностью их проходки, а также отсут­ ствием эффективных средств для закрепления стенок скважин в процессе бурения.

Отсутствие надежных и эффективных устройств, перекрываю­ щих устье скважины как при спуско-подъемных операциях, так и при отсутствии в скважине бурильных труб, является основной при­ чиной относительно большого и почти неснижающегося числа аварий, вызванных падением посторонних предметов в скважину.

§ 4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ АВАРИЙ

При проектировании буровых работ на новых площадях и вы­ боре способов проходки, вида бурового раствора, конструкции бурильных труб, размеров долот и другого оборудования и инстру­ ментов необходимо предусматривать создание безаварийных усло­ вий работы и эффективного использования достижений науки и практики.

8

Подробный анализ факторов, влияющих на возникновение аварий, приведен в работе [55]. Ниже кратко изложена их сущ­ ность.

Способ бурения. Освоение роторного способа бурения сопро­ вождалось значительным увеличением числа аварий, что на про­ тяжении ряда лет сдерживало темпы буровых работ. При исполь­ зовании многоступенчатых турбобуров существенно облегчались условия работы бурильных колонн и снизилось число аварий с трубами без существенного изменения их конструкции и каче­ ства. Особенно существенно уменьшилось число аварий при буре­ нии крепких и твердых пород, где по отдельным предприятиям число аварий с трубами снизилось более чем в 10 раз.

При бурении в мягких и средней твердости породах с переходом на турбинное бурение число аварий также снизилось, но несколько меньше. Даже при отсутствии навыков бурения турбобурами, ава­ рийность уменьшилась не менее чем в 2—3 раза. Дальнейшее со­ вершенствование турбинного бурения позволило еще больше сни­ зить число аварий с элементами колонны бурильных труб.

В последние годы во многих буровых организациях были по­ пытки возобновить роторное бурение без изменения организации трубного хозяйства. Как и следовало ожидать, этот переход привел к увеличению аварий с трубами. Только существенное изменение организации трубного хозяйства, обеспечение баз соответствующим оборудованием и инструментом для монтажа труб, проведения профилактических мероприятий и ремонта всех элементов буриль­ ной колонны дало возможность снизить число аварий с трубами при роторном бурении.

Вслед за турбинным бурением в нашей стране стали применять электробуры. Электробуры повышают энергетический коэффициент передачи мощности долоту и открывают новые возможности повы­ шения производительности труда в бурении. Потенциальные воз­ можности, заложенные в этом способе, позволяют снизить аварий­ ность. Однако для бурения скважин электробурами без всяких изменений были приспособлены существующие в роторном и тур­ бинном бурении организация буровых работ, технология и техника бурения. Кроме того, в некоторых предприятиях электробуры внед­ ряли при несовершенной их конструкции и при плохой оснащен­ ности ремонтных баз. Поэтому при бурении электробурами стали возникать те же виды аварий, что и при роторном и турбинном способах.

С применением электробуров предусматривалось внедрить автоматические регуляторы подачи долота, что должно было спо­ собствовать ликвидации аварий с долотами вообще или значительно уменьшить их. Но регуляторы подачи изготовляют в очень ограни­ ченном количестве. Кроме того, большинство лебедок существую­ щих типов не имеет узлов для их подключения. При бурении электробурами системы автоматического контроля и записи энерге­ тических параметров режима бурения применяют в единичных

9

случаях. Все это не привело к резкому сокращению числа аварий с долотами.

При бурении электробурами допускаются прихваты бурильных колонн главным образом вследствие небольшой скорости выходя­ щего потока бурового раствора. Встречаются случаи падения бу­ рильных колонн, вызванные неправильным подключением фаз элементов токоподвода, что приводит к обратному (левому) вра­ щению электробура и отвинчиванию бурильной колонны в одном из соединений. Такие аварии возникают в начальный период буре­ ния или при поднятой над забоем бурильной колонне.

Конструкция и качество выполнения узлов электробуров и дру­ гих механизмов, а также состояние техники для электробурения на данном этапе не обеспечивают полного раскрытия потенциаль­ ных возможностей, заложенных в этом способе, и главным образом возможностей снижения числа аварий.

Буровой раствор. Основой бурового раствора является глинис­ тый раствор. Наличие в нем 15—30% глины способствует возник­ новению прихватов колонн бурильных труб, т. е. самого распро­ страненного вида аварий. Издавна делали попытки применять растворы, в которых отсутствовали бы глинистые частицы или их было бы незначительное количество.

Применение воды в качестве бурового раствора привело к рез­ кому снижению прихватов колонн бурильных труб в скважинах глубиной до 2000—2500 м во многих буровых предприятиях.

Благоприятные геологические условия многих нефтегазоносных провинций, более совершенные конструкции буровых насосов, тур­ бобуров и другого оборудования и инструмента, уменьшение гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе при бу­ рении турбобурами и ряд других технологических и технических факторов способствовали массовому применению бурения с очист­ кой забоя водой. Число прихватов и время на их ликвидацию сокращаются за счет уменьшения аварий, вызванных прилипанием колонны бурильных труб.

Однако применение воды сдерживалось из-за большого числа прихватов, вызванных обвалами и сыпями, так как воздействие воды на вскрываемые породы приводило к быстрому нарушению устойчивости пород, слагающих разрез скважин.

Для прохождения осложняющих интервалов в воду стали вво­ дить различные добавки, которые придавали ей специальные свойства, что еще больше расширило область применения бу­

натные.

Переход на нефтеэмульсионные растворы в соответствующих условиях, помимо значительного улучшения условий проходки скважин, привел почти к исключению прихватов колонн бурильных труб из-за образования сальников и обвалов.

10