Бурение

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

действуют большие напряжения. Это позволяет избежать других геологических опасностей, таких как мелкозалегающие скопления газа и рыхлые породы.

Можно запланировать набор кривизны в устойчивых формациях и держать постоянный темп набора кривизны, чтобы ограничить время контакта пород с буровым раствором в открытом стволе. Мы не хотим резких искривлений ствола в проблемных глинистых породах. Мы вращаем бурильную колонну, чтобы взрыхлить скопление шлама на нижней стенке сильнонаклонной скважины. Продвижение колонны через резкое искривление с вращением может привести к развитию дополнительных напряжений и разрушению глинистых пород.

Оседание вследствие отбора жидкости из подстилающих пластов может привести к развитию сильной трещиноватости или местных напряжений в глинистых породах. В результате возможны осложнения в интервалах глинистых пород, которые ранее удалось бы пройти без проблем.

Естественное напластование и уход долота

Естественное напластование в некоторой степени определяет траекторию скважины, поскольку долото стремится отклониться вверх по восстанию в относительно пологих пластах и вниз по падению в крутопадающих пластах. Эта тенденция усиливается, если долото проходит через чередующиеся пласты, характеризующиеся различной буримостью.

Напластование может привести к осложнениям, связанным с потерей устойчивости, поэтому желательно избегать прохождения долота через чередующиеся пласты под слишком большим углом.

Горизонтальные участки

К концу двадцатого века горизонтальное бурение перестало быть редкостью, войдя в обычную практику. Большим преимуществом этой технологии является увеличение продуктивности скважин. Стали также больше распространены многозабойные скважины. Преимущества горизонтальных скважин неоспоримы, а связанные с их использованием проблемы оказались вполне разрешимыми.

Подходы к вертикальному и горизонтальному бурению различны. Эти различия нужно признать и понять. Особенно важно, чтобы члены буровой бригады и бурильщик понимали: то, что работает в одной скважине, может не работать в другой.

Использование приборов для измерений во время бурения и другой скважинной аппаратуры

Необходимость прекратить бурение на время проведения измерений в скважине является предпосылкой к возникновению дифференциального прихвата. При планировании траектории и наклона нужно решить вопрос о том, как будут проводиться измерения.

Следует также избегать слишком продолжительных остановок в проблемных глинистых породах и выработанных песках. По мере истощения продуктивных песчаных пластов вероятность возникновения дифференциальных прихватов возрастает. Это обстоятельство нужно учитывать при планировании траектории скважины.

29

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Конструкция скважины

После выбора траектории скважины разрабатывается конструкция скважины, начиная с нижней колонны и далее вверх. Сначала выбирают размер оборудования для заканчивания скважины, а затем определяют минимальный диаметр эксплуатационной обсадной колонны для установки в ней этого оборудования.

Иногда выбирают следующий больший диаметр обсадной колонны, чтобы получить колонну одинакового диаметра.

Далее нужно определить максимально допустимую длину открытого участка ствола, который будет существовать до спуска этой обсадной колонны. Иногда предыдущую обсадную колонну доводят до кровли продуктивного интервала, чтобы затем можно было быстро, с минимальным загрязнением призабойной зоны или размывом ствола, разбурить продуктивный интервал.

Обычно максимально допустимую длину открытого участка определяет поровое давление и градиент давления гидроразрыва вскрываемых пластов. Плотность бурового раствора в открытом стволе должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить выброс, но достаточно малой, чтобы избежать поглощений.

Порядок определения максимально допустимой длины открытого участка ствола таков:

1.Нанести на график значения порового давления и градиента давления гидроразрыва.

2.Отметить на графике башмак эксплуатационной колонны или полную глубину скважины.

3.Выбрать проектную плотность бурового раствора для бурения под эксплуатационную колонну.

нижнего участка ствола, может оказаться слишком плотным для верхних участков. В таком случает верхние участки нужно изолировать обсадной колонной, чтобы можно было

30

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

использовать более плотный раствор. Глубина спуска этой обсадной колонны определяется исходя из требования изоляции слабых пластов (рис. 5-1).

4. Эти шаги повторяются до поверхности.

Аналогичный алгоритм можно использовать для разработки конструкции, обеспечивающей защиту от дифференциальных прихватов.1 Глубины спуска обсадных колонн можно выбирать таким образом, чтобы иметь возможность поддерживать репрессию ниже статистически критического уровня, например 1400 фунт/дюйм для Мексиканского залива.

Часто возможность возникновения прихватов обусловлена слишком большим желанием минимизировать затраты на обсадные колонны. Если остается открытым слишком большой участок ствола, то глинистые породы могут контактировать с буровым раствором слишком долго. Возможны также осложнения из-за того, что слишком мал интервал допустимых плотностей бурового раствора (см. главу 8).

Иногда прихваченной оказывается обсадная колонна! Вероятность такого прихвата возрастает с уменьшением зазора между колонной и стенкой ствола. Сложная геометрия ствола, скопление шлама в на нижней стенке сильнонаклонной скважины и дифференциальное давление - вот факторы, способствующие возникновению прихватов обсадных колонн. Действие всех этих факторов ослабляется с увеличением зазора между колонной и стенкой ствола.

Диаметр ствола

Диаметр ствола определяется, главным образом, диаметром обсадной колонны. Между колонной и стенкой скважины должен быть зазор, достаточный для спуска и цементирования обсадной колонны. Зазор должен быть достаточно большим для качественного цементирования. Слишком большой или слишком маленький зазор может стать причиной образования каналов в цементном камне.

Иногда бурят скважины с еще большим диаметром, принимая во внимание подвижность или ползучесть вскрываемых пород. Диаметр скважины влияет на качество очистки ствола, устойчивость стенок ствола, условия возникновения дифференциальных прихватов и возможность образования пробок. Обычно чем больше диаметр ствола, тем труднее очищать скважину, но тем меньше вероятность прихватов.

Долота

Долота выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальную скорость проходки. Это означает, что долото должно бурить быстро, но служить долго, чтобы число рейсов для замены долота было минимальным. В идеале, желательно пройти весь открытый ствол одним долотом.

При выборе долота нужно обязательно учитывать возможность возникновения прихватов. При неудачном выборе долота потребуются лишние рейсы и произойдет длительный контакт пород с буровым раствором в открытом стволе. В наклонных скважинах выбор долота влияет также на извилистость ствола.

Наматывание на долото глинистого сальника ведет к уменьшению скорости проходки и увеличению продолжительности контакта пород с буровым раствором в открытом стволе. Оно влечет за собой поршневание и образование пробки. Потеря шарошек приводит к непроизводительным затратам времени и лишним рейсам. Изменение вращающего момента изза потери шарошки может замаскировать осложнение в скважине. Если долото движется не по

31

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

запланированной траектории, то для коррекции потребуются дополнительные рейсы. При этом возрастет продолжительность контакта пород с буровым раствором в открытом стволе.

В некоторых случаях происходит прихват долота, особенно при бурении забойным двигателем.

КНБК и бурильная колонна

КНБК должна создавать достаточную осевую нагрузку на долото. Масса и диаметр КНБК должны быть достаточны для стабилизации долота и гашения вибраций. Кроме того, КНБК должна обеспечить правильный наклон и азимут в процессе бурения. Стабилизирующие КНБК большого диаметра позволяют получить прямолинейный ствол номинального диаметра. Кроме того, они полностью перекрывают сечение ствола и могут создать большое напряжение на нижней стенке ствола.

Бурить вертикальные скважины нужно с большими КНБК. Жесткость, или сопротивление изгибу, пропорционально четвертой степени диаметра2. Если удвоить диаметр УБТ, то ее сопротивление изгибу увеличится в 16 раз. Благодаря такой жесткости ствол остается прямолинейным, а осевая нагрузка на подшипники долота распределена равномерно.

Масса УБТ создает эффект маховика, поддерживающий вращение долота, и обеспечивает гашение вибраций на участке между долотом и бурильной колонной. Вертикальные, осевые и крутильные вибрации бурильной колонны поглощаются на пути к долоту, и наоборот. В то же время, при подъеме долота с забоя более тяжелые КНБК вызывают большее растяжение бурильной колонны, в результате чего возрастают поперечные нагрузки и вибрации бурильной колонны.

Кроме того, стабилизирующие УБТ большого диаметра способствуют увеличению срока службы долота, поскольку предотвращают его биение и сохраняют постоянной нагрузку на подшипники (рис 5-2) Если произойдет местная потеря устойчивости или изгиб УБТ, нагрузка на одну сторону долота станет больше, чем на другую. В таких условиях нагрузка на подшипники при вращении долота будет периодически изменяться. Результатом является повышенный усталостный износ и уменьшение срока службы подшипников, вооружения и спинок лап долота. В некоторых случаях возможен даже слом шейки долота.

32

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Часто бывает, что УБТ большого диаметра используют неохотно из-за опасения, что стенки ствола будут размываться при высокой скорости потока бурового раствора в кольцевом пространстве.

Однако такое бывает редко. Касательные усилия, создаваемые восходящим потоком бурового раствора в кольцевом пространстве, намного ниже прочности большинства вскрываемых пород.3 Результаты кавернометрии показывают, что на нижних 300 футах почти в любой скважине диаметр ствола всегда соответствует диаметру долота. Размывы встречаются выше по стволу, и они в большей степени обусловлены потерей устойчивости стенок, а не высокой скоростью потока бурового раствора.

УБТ большого диаметра используют неохотно также из-за опасения создать условия для дифференциального прихвата. Однако статистические данные свидетельствуют о том, что чаще всего дифференциальные прихваты происходят с бурильными колоннами, а не с УБТ (см. главу 9).

Использование УБТ большого диаметра может создать проблемы в сильнонаклонных скважинах. При увеличении зенитного угла осевая нагрузка от УБТ на долото становится меньше, а на нижнюю стенку ствола - больше. В результате возрастают вращающий момент и сопротивление продольному перемещению колонны по стволу. При использовании больших УБТ кольцевой зазор будет меньше, сопротивление продольному перемещению колонны через скопления шлама - больше. Больше будет и склонность к образованию пробок. Несмотря на все это, УБТ нужны для гашения вибраций и создания осевой нагрузки на забойный двигатель. Однако по мере увеличения зенитного угла можно использовать УБТ меньшего диаметра и в меньшем количестве.

33

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Очистка ствола и гидравлика бурения

Необходимо обеспечить вымывание частиц выбуренной породы из-под долота, чтобы исключить их ненужное перемалывание, и вынос их на поверхность, чтобы не создавать условий для возникновения прихвата. Недостаточный напор струи бурового раствора из насадок долота может стать причиной наматывания глинистого сальника на долото и значительного снижения скорости проходки. Вот почему иногда стремятся подвести к долоту максимальную гидравлическую мощность, которую способны развить буровые насосы, при минимальном расходе, который необходим для очистки скважины.

К сожалению, часто придается слишком большое значение очистке забоя под долотом и не придается должного значения очистке ствола. При слишком большом напоре струи возможно уменьшение скорости проходки из-за отталкивания от забоя долота, действующего как поршень. Скорость проходки уменьшается также, если приходится приостанавливать бурение для очистки скважины. Если мы не ограничены предельно допустимым увеличением гидравлических потерь в кольцевом пространстве, лучше поддерживать слишком высокую скорость потока в кольцевом пространстве, чем недостаточно высокую. Если высокая скорость струи из сопел долота не является абсолютно необходимой, лучше использовать сопла большего диаметра, чтобы можно было увеличить расход бурового раствора.

Большие расходы бурового раствора, очевидно, необходимы для очистки ствола скважины. Однако на это идут несколько неохотно из-за опасения размыть стенки ствола. Мы часто говорим о максимально больших расходах и о том, что расход должен быть достаточно низким, чтобы не размывались стенки ствола. На самом деле, размывы ствола редко происходят из-за большого расхода бурового раствора.

Увеличение диаметра ствола, регистрируемое при кавернометрии, является результатом не эрозии, а других процессов. Если бы увеличение диаметра ствола было вызвано эрозией, то максимальное увеличение наблюдалось бы на участке наибольших скоростей потока, в т.ч. вокруг УБТ. Кавернограммы обычно показывают, что диаметр призабойной части ствола всегда соответствует диаметру долота. Здесь мы имеем наименьшее сечение кольцевого пространства и, следовательно, наибольшую скорость потока. Мы знаем, что на наклонных участках ствола наибольшая скорость потока наблюдается у верхней стенки. И несмотря на это, увеличение диаметра ствола происходит в горизонтальном направлении, а не в вертикальном.

И, наконец, при увеличении диаметра ствола скорость потока должна уменьшиться. Площадь поперечного сечения ствола является пропорциональна квадрату его диаметра. Если увеличить диаметр ствола в два раза, скорость потока на этом участке уменьшится до одной четвертой прежнего значения. Если бы за увеличение диаметра ствола была ответственна эрозия, то со временем режим течения установился бы. Увеличение диаметра продолжалось бы до тех пор, пока скорость не уменьшилась до значения, при котором эрозия невозможна.

Может появиться опасение, что при увеличении скорости потока режим течения перейдет в турбулентный. Для поддержания турбулентного режима требуется высокое давление и большая гидравлическая мощность. Турбулентный поток может вызвать эрозию поверхности диспергированных, размягченных глинистых пород. В результате происходит увеличение диаметра ствола. Таким же осложняющим фактором может стать высокое давление циркулирующего бурового раствора в кольцевом пространстве, при котором возможны поглощения.

Если ожидаются поглощения, мы должны быть уверены, что насадки долот имеют достаточно большой Ø для прокачки через них закупоривающего материала без забивания.

34

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Буровой раствор

Состав бурового раствора должен быть тщательно подобран для условий в конкретной скважине. Плотность раствора должна находиться в пределах интервала допустимых плотностей, предусмотренного в проекте строительства скважины. При разбуривании глинистых пород может потребоваться введение в буровой раствор ингибиторов набухания глин. Для предотвращения прихватов могут потребоваться смазочные добавки, понизители водоотдачи и другие химреагенты. Для оптимизации очистки скважины необходимо контролировать динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость бурового раствора. Химреагенты и утяжелители дорогие, поэтому желательно свести их использование к минимуму.

Буровой раствор может стать одним из наиболее дорогостоящих элементов программы бурения. Стоимость бурового раствора трудно оценить заранее, и она часто становится причиной выхода за пределы сметы.

Руководители на буровой должны понимать, когда требуются корректировки запланированной программы буровых растворов, и должны быть в состоянии сделать эти корректировки при необходимости. Группы проектирования скважин должны придать этой программе достаточную гибкость.

Плотность бурового раствора является одним из главных факторов, от которого зависит появление условий для возникновения прихватов. На менее плотном растворе можно бурить быстрее, и каждый желает бурить быстрее, чтобы завоевать признание. Но если плотность раствора слишком мала, то создается угроза для устойчивости стенок ствола. В конечном счете это замедляет или полностью останавливает продвижение вперед. Буровикипроизводственники и специалисты в офисах компаний много спорят по поводу увеличения и уменьшения плотности бурового раствора. Когда плотность раствора многократно увеличивается и уменьшается на определенном участке ствола, велика вероятность потери устойчивости стенок и возникновения прихвата.

Рекомендации по выбору плотности бурового раствора и химических добавок к буровому раствору приведены в разделах по очистке скважин, устойчивости стенок ствола и дифференциальным прихватам.

Регулирование содержания твердой фазы в буровом растворе

Неэффективное регулирование содержания твердой фазы в буровом растворе создает условия для образования толстой глинистой корки, сильных колебаний давления вследствие поршневания при подъеме и спуске инструмента, уменьшения скорости бурения, наматывания глинистого сальника на долото и УБТ, повышенного износа оборудования, некачественного цементирования обсадной колонны и поглощений. Все указанные факторы способствуют возникновению прихватов. Важно иметь оборудование для эффективного регулирования содержания твердой фазы в буровом растворе, подобранное для конкретной скважины. Это оборудование должно быть правильно установлено и должно правильно обслуживаться. Многие инженеры-буровики и бурильщики считают, что у них на буровой установлено прекрасное оборудование для регулирования содержания твердой фазы, но на самом деле они никогда не анализировали эффективность его работы.

Программы регулирования содержания твердой фазы в буровом растворе на большинстве буровых подобны волейбольному мячу, падающему на песок. Каждый игрок думает, что этим мячом займется кто-нибудь другой, и в результате мяч остается без внимания и падает. Оборудование установлено и работает, но, возможно, никто на буровой не знает, как

35

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

оптимизировать его работу. На самом деле, они могут даже не знать, правильно ли эксплуатируется это оборудование. И часто бывает так, что оборудование действительно эксплуатируется неправильно.

Чаще всего проблемы в скважине устраняются при оптимизации работы оборудования для регулирования содержания твердой фазы в буровом растворе.

Заключение

В 1970-х годах роль буровых мастеров и бурильщиков в процессе бурения была больше, чем в 80-х и 90-х годах. К концу двадцатого века все больше решений, связанных в бурением, стало приниматься не начальниками на буровой, а инженерами в офисе. С приходом персональных компьютеров, текстовых редакторов и электронных таблиц стало больше стандартизированных программ бурения.

Хорошо документально оформленные программы бурения и проекты скважин стали копировать, сохранять под другим именем и корректировать для использования на следующей скважине. Настало время, когда проект строительства скважины, разработанной для месторождения Мексиканского залива, был использован для строительства скважины на шельфе у Западного побережья Африки. Глубины спуска обсадных колонн, программу буровых растворов, названия пластов и т.д. изменяли или корректировали с учетом условий на новой площади. К сожалению, конструкция новой скважины должна была учитывать то обстоятельство, что вскрываются молодые глинистые пород и глины, а не более древние, лучше консолидированные глинистые породы и карбонаты. Тем не менее, стало намного проще бурить в других регионах таким же образом, как и в хорошо изученном регионе.

То что работает в одном регионе, не обязательно будет работать в другом. Например, при бурении горизонтальных скважин башмак последней обсадной колонны находится обычно на полной вертикальной глубине скважины, независимо от того, насколько ушел забой от башмака. Если происходит приток, то поступившие флюиды обычно уходят обратно в пласт. Иначе обстоит дело в глубоких вертикальных скважинах. Вероятнее всего, произойдет разрыв пласта под башмаком, т.е. будет иметь место подземный выброс. Еще один пример. Когда у одного оператора в северо-западной части штата Нью-Мексико возник дифференциальный прихват, вызвали передвижную азотную установку и выдули из скважины весь буровой раствор. Твердые породы не потеряли устойчивость в отсутствие в скважине бурового раствора, и поступившая в скважину нефть не дошла до поверхности. Однако на многих прибрежных территориях, если уровень бурового раствора в скважине опустится намного ниже устья, произойдет обрушение породы в скважину или начнется проявление.

Указанная тенденция стандартизации программ бурения и возросшая роль инженеровбуровиков привели к "онемению" буровых бригад. Участие их в проектировании или в принятии оперативных решений по программе бурения стало еще менее вероятным. Они просто принимают программу бурения как она есть, и выполняют ее без возражений или предложений. В определенном смысле, буровые бригады стали смотрителями при работающем оборудовании.

Одна из первых истин, которым учат в школе управления, - "если какое-то решение влияет на человека, то желательно привлечь его к выработке этого решения". Это хорошо с точки зрения морали, и у него будет высокая мотивация выполнить это решение.

Персонал на буровой находится в наилучшем положении для принятия многих решений по программе бурения. Они же находятся непосредственно на скважине. Они - это глаза и уши,

36

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

которые видят и слышат скважину. К сожалению, многие решения, которые следовало бы делегировать буровой бригаде, принимаются другими людьми.

Сейчас предпринимаются определенные усилия, чтобы переломить эту тенденцию. Для этого во многих регионах мира реализуются различные программы обучения и инициативы. Некоторые примеры - курс Мерчинсона, курс "Эффективное использование технических возможностей" и курс "Обучение методам предотвращения незапланированных событий".

Чтобы избежать дорогостоящих последствий прихватов и других незапланированных событий, нужно больше вовлекать персонал буровой в процесс проектирования скважины и принятия решений по программе бурения. Никогда нельзя принимать проект скважины как данность. Возможности усовершенствования существуют всегда. Ошибки делает каждый, включая инженеров. Буровой мастер, бурильщик и другие члены бригады должны критически изучить проект строительства скважины и сравнить его материалы со всей информацией по соседним скважинам, которой они располагают.

Литература

1)Maurice I. Stewart Jr., U.S. Minerals Management Service, Metairie, LA: "A method of Selecting Casing Setting Depths to Prevent Differential Pressure Pipe Sticking"

2)Bill Garrett, & Gerald Wilson; "How To Drill A Useable Hole" World Oil (August 1, 1976)

3)Gray, George R. & Darley, H.C.H.: "Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids" fourth edition, Gulf Publishing Company (1980)

4)Maurice I. Stewart Jr., U.S. Minerals Management Service, Metairie, LA: "A method of Selecting Casing Setting Depths to Prevent Differential Pressure Pipe Sticking"

37

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Глава 6

Механизмы прихватов

Введение

В этой главе мы рассмотрим ту часть технологии борьбы с осложнениями, которая относится к предотвращению и ликвидации прихватов. Начнем с определения прихвата, а затем выделим три широкие категории прихватов. Ниже представлена таблица, позволяющая просто и быстро определить тип прихвата.

Когда установлен "механизм" прихвата, можно сразу же приступать к заранее спланированной последовательности действий по его ликвидации. Самое важное в ликвидации прихвата - как можно быстрее и правильно выполнить начальные действия.

Определение прихвата

Первым шагом в процессе решения проблемы является определение этой проблемы. Если проблема правильно не определена, то ее трудно решить. Приступая к ликвидации прихвата мы должны установить когда и как он возник.

Бурильная колонна считается прихваченной, когда приходится приостанавливать работу из-за того, что колонну нельзя поднять из скважины.1 Возможно, удастся доспустить колонну ниже места прихвата с вращением и циркуляцией, как это часто бывает при прохождении искривлений и поврежденных участков обсадной колонны. Но если мы не можем поднять инструмент из скважины, то налицо прихват.

Следующим шагом является определение того, как возник прихват. Другими словами, нужно установить тип или механизм прихвата.

Категории прихватов

Исторически принято разделять прихваты на обусловленные механическим взаимодействием

и дифференциальные.1 Согласно современной терминологии прихваты, обусловленные механическим взаимодействием, разделяются на две отдельные категории, а именно

прихваты шламом или обвалившейся породой и заклинивание на участках со сложной геометрией ствола. Это вызвано тем, что механизмы прихватов шламом или обвалившейся породой и заклинивания на участках со сложной геометрией ствола четко отличаются.

Этим трем категориям ставятся в соответствие механизмы прихвата.2 Механизм определяется как действующая в скважине сила, препятствующая подъему колонны.

Почти в каждом регионе мира 80 % расходов, связанных с прихватами, приходятся на менее чем 20 % прихватов. Следует определить механизмы этих прихватов на каждом участке, где производится бурение, и сосредоточить свое внимание на них.

38