Содержание к диссертации
Введение
1. Определение зависимостей ф,х) и u(z,x) - для "щелевидного" течения (1 -я задача) 59
Определение зависимостей т(х) и и(х) для «пакетообразного» течения (2-я задача) з
Математическая модель напорного движения в серповидном канале заколонного пространства наклонно направленной скважины 72
3. Результаты лабораторной отработки буровых растворов 79
3.1. Исследование реологии буровых растворов с низким содержа нием твердой фазы 79
3.1.1. Влияние содержания и коллоидальности твердой фазы на изменение реологических показателей 81
3.1.2. Регулирование реологии химической обработкой 84
3.2. Результаты отработки рецептур полимер-глинистых буровых растворов 89
3.2.1. Влияние биополимеров и полианионной целлюлозы на реологию малоглинистых систем 89
3.2.2. Отработка составов полимер-глинистых буровых растворов 96
3.3. Результаты исследований на экспериментальной установке 97
4. Оценка температурного воздействия на реологические свойства малоглинистых растворов 103
4.1. Изменение реологических характеристик утяжеленных полимерных растворов (на примере скважины №1 Тимано-Печор-ская) 103
4.2. Влияние температуры на реологию малоглинистых суспензий, обработанных реагентами различной природы
4.2.1. Результаты лабораторных исследований 106
4.2.2. Корректирование гидравлической программы с учетом влияния температуры на свойства химических реагентов 108
4.3. Оптимизация состава полимерного раствора, обработанного реагентами группы Кемфор 110
4.3.1. Реометрия буровых растворов 110
4.3.2. Обработка результатов лабораторных исследований 114
5. Результаты использования программы промывки скважин в осложненных условиях 117
5.1. Оптимизация состава бурового раствора для осложненных условий 117
5.1.1. Геологические особенности месторождения 118
5.1.2. Отработка состава бурового раствора 122
5.2. Разработка оптимизированной программы промывки наклонно направленной скважины, осложненной обвалами 124
5.2.1. Гипотеза возникновения прихвата в скважине, осложненной обвалами 125
5.2.2. Прогнозирование влияния реологических параметров бурового раствора и ее расхода на очистку ствола в осложненных интервалах бурения 132
5.2.3. Технологический регламент промывки наклонно направленной скважины, осложненной обвалами, на Южно-Лыжской площади 143
Выводы 146
Список литературы
- Математическая модель напорного движения в серповидном канале заколонного пространства наклонно направленной скважины
- Влияние содержания и коллоидальности твердой фазы на изменение реологических показателей
- Влияние температуры на реологию малоглинистых суспензий, обработанных реагентами различной природы
- Разработка оптимизированной программы промывки наклонно направленной скважины, осложненной обвалами
Введение к работе
Актуальность темы. Известно,- что строительство наклонно направленных, в том числе и горизонтальных, скважин обусловлено существенными преимуществами, связанными с увеличением дебитов, увеличением периода безводной эксплуатации и т.д. Однако при этом наблюдается ряд осложнений, затрудняющих качественную проводку и доведение до проектного забоя скважин. К ним относятся: чрезмерное скопление в скважине бурового шлама и образование сальников на долоте, что может привести к прихвату бурильного инструмента, интенсификация разрушения стенок скважины, сложенных потенциально неустойчивыми породами, а также увеличение скорости фильтрации в продуктивный пласт на горизонтальных участках ствола скважины, термодеструкция бурового раствора под действием высоких пластовых температур. Все эти вопросы в значительной степени связаны с технологией промывки и составом бурового раствора. В последние годы проблемам выноса шлама и вскрытия продуктивных пластов наклонным и горизонтальным стволом уделяется очень большое внимание. Как правило, при этом решается ограниченный круг вопросов, связанных либо с предупреждением формирования застойных зон, либо со вскрытием продуктивного пласта. Однако нефтегазоносные площади Тимано-Печорской провинции отличаются значительным развитием тер-ригенного комплекса и, здесь встает вопрос о необходимости оптимизации технологии промывки, обеспечивающей не только качественный вынос шлама, но и сохранение устойчивости горных пород.
Цель и задачи работы. Разработка научно-обоснованной технологии буровых растворов и промывки наклонно направленных скважин в осложненных условиях. Для выполнения поставленной цели требуется решение следующих задач:
- разработка экспериментальной установки для оценки выносящей способности вязких жидкостей;
РОС... * „АЯІ
БИБЛИОТЕКА |
*- * —і
разработка математической модели промывки скважины в наклонном стволе при эксцентричном расположении бурильных труб;
исследование влияния химических реагентов и материалов на реологию буровых растворов;
оценка температурной устойчивости растворов с малым содержанием твердой фазы;
разработка составов буровых растворов и регламента промывки для бурения скважин в осложненных условиях.
Научная новизна,
-
Доказано, что метод замены натурного эксцентричного пространства его линейной разверткой в виде куполообразной щели является корректным.
-
На основе метода линейной развертки получены уравнения, описывающие изменение скорости течения в модельном пространстве в функции координат для вязкой, вязкопластичной и псевдопластичной жидкостей.
-
Обоснован механизм возникновения прихвата бурильных колонн при промывке скважин в условиях интенсивного обвалообразования.
-
Доказано, что закупорка скважины шламом приводит к изгибу элементов бурильной колонны с остаточной (пластической) деформацией.
-
Экспериментально установлено, что на реологию полимерных буровых растворов основное влияние оказывает содержание глинистого структурообра-зователя. При этом для предупреждения формирования застойных зон его содержание не должно превышать 1,5 % (мае).
Основные защищаемые положения.
1. Метод развертки серповидного эксцентричного заколонного пространства,
основанный на замене натурного пространства куполообразным и симметрич
ным щелевидным, обеспечивает удовлетворительное математическое модели
рование течения буровых жидкостей в заколонном пространстве наклонных
скважин, а на этой основе - прогнозирование величин скоростей движения в
любой точке сечения пространства при заданном расходе промывки и реологи
чески* параметрах жидкости.
,-,: -^- :
-.<» >:'
-
Использование нового метода моделирования течения жидкости в эксцентричном заколонном пространстве для прогнозирования изменения скорости течения жидкости вдоль серединной линии обеспечивает объективную оценку влияния реологических параметров жидкости, соотношения диаметров труб и скважины, расхода бурового раствора на процесс очистки ствола и разработку на основе такой оценки оптимальной реогидравлической программы промывки.
-
Оценка влияния химической обработки, вещественного состава, содержания твердой фазы, соотношения полимерного флокулянта и минерального структу-рообразователя на реологические параметры буровых растворов обеспечивает разработку и реализацию оптимальной реогидравлической программы промывки скважин.
-
Результаты экспериментальной оценки влияния температурного фактора на реологические характеристики малоглинистых растворов, обработанных органическими стабилизаторами линейного и глобулярного строения, обеспечивают прогнозирование и целенаправленное изменение гидравлической программы промывки скважины.
Научная значимость. Развитие теоретических вопросов промывки наклонно направленных скважин в сложных горно-геологических условиях.
Практическая значимость. Разработанные составы буровых растворов позволяют обеспечить качественную промывку искривленных скважин в условиях интенсивного осадконакопления. Разработан регламент на промывку наклонно направленных скважин. Предложена энергосберегающая методика корректирования гидравлической программы промывки в зависимости от изменения реологических параметров под действием температуры. Разработан вычислительный алгоритм расчета потерь давления в эксцентричном пространстве на основе численного решения уравнения расхода в модельном сечении, который использован в качестве алгоритмической основы компьютерных программ. Для учебных целей:
- разработаны методические указания по проектированию промывки наклонно направленных скважин;
разработаны программы в среде MS Excel для использования на практических занятиях по дисциплине «Технология бурения нефтяных и газовых скважин»;
разработана программа оптимизации промывки наклонно направленных скважин в среде Borland Delphi для выполнения дипломных и научно-исследовательских работ;
разработаны методические указания по качественному исследованию выноса шлама на экспериментальной установке.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Пятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (г.Москва, сентябрь 2003 г.), Пятом международном научном симпозиуме имени академика МАУсова студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященного 100-летию горно-геологического образования в Сибири (г.Томск, 2001 г.), Седьмой международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития» (г.Москва, апрель 2003 г.), Всероссийской конференции Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы «Нефть и газ Европейского Северо-Востока» (г.Ухта, апрель 2003 г.), Межрегиональных молодежных конференциях «Север-геоэкотех-2000», «Севергеоэкотех-2001», «Севергеоэкотех-2003». Экспериментальная установка наклонно направленной скважины для качественной оценки степени очистки ствола используется для проведения лабораторных занятий по дисциплине «Технология рабочих жидкостей» для направления 553600 — Нефтегазовое дело, программа 553604 — Технология буровых растворов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 158 наименований, и четырех приложений.
Работа изложена на 161 странице машинописного текста и содержит 60 рисунков и 9 таблиц.
Работа выполнена на кафедре бурения Ухтинского государственного технического университета.
Автор-выражает благодарность научному руководителю диссертации к.т.н., доценту Уляшевой Н.М., научному консультанту д.т.н., профессору Оси-пову П.Ф: за неоценимую помощь в подготовке диссертации, а также считает своим долгом выразить признательность коллективам кафедры бурения Ухтинского государственного технического университета и отдела бурения филиала ООО «ВНИИГАЗ» - «Севернипигаз» за оказанную поддержку при выполнении работы.
Математическая модель напорного движения в серповидном канале заколонного пространства наклонно направленной скважины
Уильяме и Брюс экспериментально показали, что одной из причин низкой эффективности переноса твердой фазы является способность плоских частичек шлама совершать локальные циркуляции. Считают, что это явление обусловлено параболической формой профиля скоростей при ламинарном течении, в результате которой на плоские частицы действуют неравные между собой силы. В результате они поворачиваются на ребро и смещаются к стенкам труб, после чего опускаются на некоторое расстояние, прежде чем начинают мигрировать к центральной области кольцевого пространства. Нисходящее движение вызывается как низкой скоростью, преобладающей у стенок, так и ориентацией частиц ребром вниз.
Вращение бурильной колонны способствует увеличению коэффициента переноса, так как частицы, находящиеся в непосредственной близости от бурильной колонны начинают перемещаться по спирали. Однако, как показал Сифферман, этот эффект довольно слаб. Теоретически при турбулентном течении коэффициент переноса должен был бы увеличиваться, так как более плоский профиль скоростей исключает возможность вращательного момента. Тем не менее, результаты экспериментов не всегда подтверждают это положение, возможно, из-за разлиний в условиях их проведения (например, непостоянство размеров и форм частиц шлама) [33]. Недостатком вышеприведенных зависимостей, на наш взгляд, является опора на модель Бингама - Шведова, как единственную, качественно описывающую буровой раствор. Хотя, для описания поведения растворов, обработанных полимерами, в большей степени подходит степенная модель (Оствальда - де Ваале) или сочетание этих двух моделей - модель Гершеля - Балкли.
В горизонтальном стволе труба лежит на стенке скважины. Турбулентный поток, который обеспечивается низкой вязкостью раствора или высокой скоростью потока, будет удерживать шлам в перемешанном потоке и транспортировать наружу.
Если раствор малоподвижный или скважина размыта, профиль потока в горизонтальной скважине может стать ламинарным. Этот ламинарный поток может привести к следующим нежелательным последствиям [33]: За рубежом [39] даются эмпирические правила по борьбе с осадконакопле-нием. Остановимся подробнее на эффекте Бойкотта. Этот эффект был установлен в 1920 г. в медицине А.Е. Бойкоттом при исследовании осаждения кровяных телец [40]. Эффект Бойкотта в первую очередь определяется зенитным углом. С ростом его выпадение «шлама» усиливается. Рядом авторов [39, 41, 42, 43, 37, 38, 44, 45, 46, 47] установлены наиболее опасные углы с точки зрения образования шламовых дюн и приведены основные проблемы гидротранспорта при варьировании зенитных углов [41]. Несмотря на то, что бесспорно эффект Бойкотта занимает важнейшее место в процессе промывки сильно искривленных скважин, существуют и его противники. Так, например, авторы [48] считают, что на частицу шлама в пристеночной области действует пригружающая сила со стороны бурового раствора, а также на удержание шлама влияет наличие фильтрационных потоков между скважиной и пластом. Таким образом, существенность влияния эффекта Бойкотта отодвигается на второй план.
Эффект Бернулли вовлекает шлам в поток с большой скоростью. В вертикальном стволе два вектора скорости действуют противоположно друг другу: сила гравитации, действующая вниз и выносящая сила жидкости, направленная вверх. Эти два вектора представлены и в горизонтальной скважине, но они действуют друг на друга под углом, приближающимся к 90. При этом результирующий вектор направлен вниз.
Векторы скорости ламинарного потока являются причиной разжижения слоя раствора. Это снижение вязкости действует на шлам и уменьшает объем его выноса. Шлам, путь осаждения которого неизмеримо мал в горизонтальной скважине по сравнению с вертикальной, накапливается вокруг бурильной трубы. Это приводит к повышению сил трения, увеличению нагрузки на крюке и может ограничить возможность дальнейшего удлинения горизонтального ствола скважины.
Накопление шлама на стенке действует как вспомогательный фильтр, повышающий водоотдачу в динамических условиях или полную потерю раствора в коллектор. Это вытеснение раствора может нарушить эксплуатационные качества пласта и понизить потенциальную добычу. Усиливается опасность прихвата бурильного инструмента или потеря циркуляции. Необходимо отметить, что процессы фильтрации могут привести к дополнительному дренажу продуктивного пласта, который может стать причиной большого поступления воды в будущем, то есть интенсивному обводнению скважины.
Оценим степень влияния бурового раствора на коллекторские свойства пласта. Для этого необходимо рассмотреть механизм загрязнения пласта (рис. 1.5).
Установлено также [49], что, чем больше времени пласты подвергаются действию бурового раствора в горизонтальной скважине, тем больше внимания надо уделять выбору бурового раствора, который не ухудшает коллектора.
Тот же источник сообщает, что с экономической точки зрения 50 %- ное ухудшение, или потеря проницаемости, при потенциальном дебите горизонталь 24 ной скважины 80 м /сут. представляет значительно большую потерю продуктивности, чем в вертикальной скважине при дебите 16 м3/сут. Поэтому буровой раствор и входящие в его состав химические реагенты необходимо подвергать тщательному изучению, чтобы предупредить загрязнение продуктивной зоны пласта.
Теперь рассмотрим гравитационное осаждение, как фактор, приводящий к одному из сложных видов аварий - прихвату бурильного инструмента.
Механизм возникновения прихвата рассмотрен выше - это оседание твердой фазы буровых растворов на нижнюю стенку скважины вследствие действующего под углом к телу бурильной трубы результирующего вектора скоростей. Таким образом, происходит прихват из-за чрезмерной липкости и веса осадившейся твердой фазы, а также перепада давления. Мерами предупреждения могут служить: ввод смазочных добавок, снижение количества твердой фазы, приведения реологических показателей к таким значениям, при которых достигался бы оптимальный уровень очистки забоя и ствола скважины.
Влияние содержания и коллоидальности твердой фазы на изменение реологических показателей
Анализ уравнения (2.1) показал, что для любого сочетания d и D можно подобрать такие значения коэффициентов а и Ь, при которых: 1) длина кривой по уравнению (2.1) в пределах изменения х от 0 до nd/2 будет равна полудлине окружности скважины л /2; 2) гидравлические радиусы модели и натуры будут равны, но при этом не совпадут длины внешних границ каналов; 3) величина J составляет не более 10% от величины D-d, что обеспечивает моделирование заиленных границ канала. Из всех перечисленных критериев подобия предпочтение следует отдавать последним двум критериям. Известно, что гидравлический радиус является скорее критерием динамического подобия, нежели геометрического. Из сказанного следует, что вполне допустимо некоторое несовпадение смоченных периметров канала и площади его сечения при условии равенства гидравлического радиуса. 2.3.2. Выбор модели течения жидкости в моделируемом заколонном пространстве
В связи с отсутствием осесимметричности границ модельного пространства предлагается для описания течения жидкостей в нем воспользоваться принципом суперпозиции по скоростям движения. С этой целью предложено рассматривать течение в модельном пространстве как движение параллельных к оси у слоев (рис. 2.8). Вначале предложено определить эпюры скоростей в слое в предположении, что этот слой является частью бесконечной в направлении оси х щели, когда между слоями нет внутреннего трения (слои в направлении х движутся с равными скоростями). Отличие заключается в том, что, во-первых, ширина слоя бесконечно мала, а высота соседних щелей меняется в соответствии с уравнением (2.1). На оси х и на кривой y=f(x) скорости и равны нулю (рис. 2.8), а на срединной линии -они максимальны и равны иоу. Эпюра скоростей на расстоянии х будет симметрична относительно точки, лежащей на серединной линии с текущей координатой у/2, а эпюра будет описана уравнением u=f(z—y/2)f где у=/(х) соответствует уравнению (2.1).
Поскольку считается, что между слоями нет взаимодействия, то конкретный вид уравнения u=f(z—y/2) будет зависеть только от ту=тх на границах слоя.
Задачу определения уравнений для расчета скоростей движения на этом этапе будем называть первой задачей.
Далее решается вторая задача прогнозирования скорости и(х) в предположении, что на границах слоев нет трения, а есть только трение между слоями. Такое допущение означает, что слои движутся как «жидкие пластинки» с равными скоростями вдоль у, но с разными - вдоль х (рис. 2.9). На границе при nd/2 скорость и равна нулю, касательные напряжения ц максимальны, но в центре канала, при х=0, скорость максимальна, а т=0.
Математическая модель напорного движения в серповидном канале заколон-ного пространства наклонно направленной скважины заключается в замене натурного канала модельным, а поведение различных жидкостей (различных как по реологическому поведению и реологическим параметрам) вполне удовлетворительно оценивается по скоростям движения вдоль серединной линии, равноудаленной от границ модельного канала.
Выше дано обоснование модели сечения гидравлического канала, адекватного натурному, например, по достаточно популярному критерию подобия - гидравлическому радиусу. В обмен на это получена возможность исследования течения в декартовых координатах, что значительно упростило и сократило во времени получение решений.
Модельный канал, таким образом, представляет собой куполовидную симметричную щель, ограниченную с обеих сторон вертикальными (параллельными оси у) стенками. Их присутствие является отражением наличия заиленного (закупоренного) пространства. Размеры этой стенки предсказать невозможно, но можно в первом приближении принять для всех случаев допущение, что размер ук составляет не более 10% от максимального модельного просвета при х=0.
Анализ показал, что если в выборе параметров модельного пространства придерживаться указанного ограничения наук и при этом обеспечивать равенство гидравлических радиусов в модели и на натуре, то обнаруживается вполне определенная зависимость между относительным диаметром d/D с одной стороны, и коэффициентами avib.-c другой.
Было установлено, что эти зависимости имеют вид: 17x1 7« d (2-3) a = 1,7 + 1.765 — D Применение зависимостей (2.3) и (2.4) существенно упрощает и ускоряет выбор модельного канала, поскольку упрощает определение вида уравнения у(х). Новый подход к математическому исследованию течения буровых промы 59 вочных жидкостей в эксцентричном заколонном пространстве позволил получить расчетные формулы для определения касательных напряжений ф,х) и скоростей течения жидкостей u(z,x) в любой точке модельного пространства, в том числе в боковых "карманах", где возможно неуправляемое накопление шлама и глинистой корки.
Получены расчетные формулы практически для всех применяемых в бурении реологических моделей, в том числе для степенной и вязкопластичной жидкостей. Совместно с Осиповым П.Ф. и Задиреем В.Н. разработаны компьютерные программы, реализующие разработанные расчетные методики в средах программирования MS Excel и Borland Delphi (Приложение 3, 4).
Влияние температуры на реологию малоглинистых суспензий, обработанных реагентами различной природы
При бурении скважин на нефтегазовых площадях Печоро-Кожвинского ме-гавала, к которым относятся Южно-Лыжское, Южно-Кыртаельское, Кыртаель-ское, Северо-Кожвинское месторождения, отмечались проблемы при разбурива-нии отложений, представленных мергелями, алевролитами, аргиллитами. Причиной осложнений явилось подваливание стенок скважины и некачественная очистка ствола от выбуренной породы.
Анализ бурения вертикальных скважин на Южно-Лыжском месторождении показал, что наибольшая интенсивность кавернообразования наблюдалась в интервале 1260-2400 м (величина коэффициента кавернозности достигала величины 2,819 (скв.№21)). Для предупреждения осложнений, связанных с потерей устойчивости ствола, использовались буровые растворы, имеющие в своем составе хлорид калия. Однако, ингибирующий эффект при этом наблюдался не всегда. Как негативным, сопутствующим явлением при этом было снижение скорости бурения. Результаты бурения показали, что для сохранения влажностного баланса в литифицированных глинистых породах Южно-Лыжской площади при длительных сроках бурения вертикальных скважин основное значение имело поддержание стабильности бурового раствора (показатель фильтрации не более 8-9 см3) при соблюдении определенного уровня минерализации (не менее 0,5-1 %). Положительное влияние оказывало сохранение повышенных структурных (СНС более 100 дПа) и реологических (У.В. - 50-60 с), что способствовало не только предупреждению эрозионного разрушения стенок скважины, но и формированию тик-сотропной «рубашки» на кавернозных участках. При бурении наклонных участков ствола технология промывки помимо сохранения устойчивости стенок скважины должна обеспечивать и качественный вынос шлама.
При анализе информации по разведочным скважинам установлено, что проблема обвалов и кавернообразования на Южно-Лыжском месторождении проявлялась при прохождении зон мергелей в интервалах 1260-2400 метров. Также было установлено, что данный интервал бурения рассматривается в объеме верхнего отдела франского, верхнефранского подъяруса и фаменского ярусов, соплесской и кыртаельской толщ.
В этом интервале залегают мергели значительной мощности, являющиеся переходным образованием от известняков и доломитов к глинистым породам и состоящие из 50-80 % СаСОз и MgCOj и 20-50 % нерастворимого остатка глинисто-песчаных фракций. Ему свойственны процессы капиллярного и гидродинамического расклинивания, сопровождающиеся расслаиванием и осыпями пород.
К вышеприведенному выводу привели результаты обработки профилемеров и анализ применяемых промывочных жидкостей по десяти разведочным скважинам. По всем скважинам установлено, что интервал 1200-2300 м наиболее кавернозный и в большей степени осложнен желобами. Коэффициент кавернозиости по данному интервалу изменяется от 1,393 до 2,302.
При бурении разведочных скважин на рассматриваемом месторождении применялись различные по составу и реологическим свойствам буровые растворы. По их взаимодействию с данным геологическим разрезом было установлено, что пресные и минерализованные растворы с низкой реологией оказывали неудовлетворительное действие на стенки скважины, что приводило к постоянным проработкам по всему интервалу. Коэффициент кавернозиости достигал 2,302.
При применении ингибирующих (хлормагниевый и хлоркалиевый) растворов, было установлено, что первый раствор, работающий на скважине №24, не привел к ингибирующему эффекту, так как имел состав, не отвечающий условиям бурения. Хорошие показатели по кавернообразованию (Кк=1,234) и предупреждению обвалов показал хлоркалиевый раствор на скважине №23-Южная Лыжа с высокими структурно-реологическими характеристиками и низкими фильтрационными свойствами, однако при этом на 20-30 % снизилась скорость бурения. Бурение данного осложненного интервала хлоркалиевым раствором, проходило с редкими проработками. При обработке информации по скважине №104 Южно-Лыжского месторождения было выявлено, что катастрофические осыпи и обвалы начались в интервале 1763-1944 м. Бурение этого интервала велось на хлоркалие-вых буровых растворах. Борьба с осложнениями велась изменением реологических и химических свойств бурового раствора, так на осложненных участках повышали плотность бурового раствора от 1180 кг/м3 (проектная до 1300 кг/м3), содержание калия от 2% до 10%, так же закачивались вязкие пачки на глубине 1728 м и маловязкие жидкости (условная вязкость равна 33 с) на глубине 1617-1756 м. При этом отмечался значительный вынос шлама.
При спуске бурильной колонны отмечались постоянные проработки ствола скважины, почти по всему интервалу, так на глубинах 1763 м, 1828-1852 м, проработки, рост давления на манифольде, при подъеме затяжки инструмента. На глубинах 1703-1704 м, 1728, 1831 м признаки зарезки второго ствола. В интервале 1410-1435 м сформировался желоб, что связано, возможно, с фактическим профи-лем оси скважины, который значительно отличается от проектного как по величине зенитного угла, так и азимута. Отмечалось, что с глубины 1944 м при повышении плотности до 1300 кг/м3 бурение стало возможным, но в верхних интервалах 1650-1852 м оставались проработки.
Аварии, связанные с прихватом бурильной колонны, происходили вследствие заклинки компоновки нижней части бурильной колонны (КНБК) в желобах на глубинах 1410-1435 м, что скорее всего связано с нерациональным набором зенитного угла в неустойчивых породах (профиль скважины приведен на рис. 5.1).
Разработка оптимизированной программы промывки наклонно направленной скважины, осложненной обвалами
Для объяснения явления самопроизвольного изгиба конца бурильных труб предложена гипотеза, суть которой отражена на рис. 5.4.
Предположим, что в скважине, номинальный диаметр которой D и которая осложнена кавернами, находится утяжеленная бурильная труба диаметром сі. На забое находится осадок шлама, который надлежит вымыть, чтобы продолжить углубление скважины. На рис. 5.4 показан момент, когда инструмент с долотом с промывкой погрузился в шламовый осадок на глубину h. В связи с тем, что в реальных условиях ствол скважины всегда (даже в так называемой условно вертикальной скважине) имеет некоторый, пусть и небольшой, наклон к зениту, УБТ в момент проработки всегда находится асимметрично по отношению к скважине и поэтому будет непременно прижата к стенке скважины в кровле каверны.
Сначала, когда начинается проработка и долото начинает внедряться с вращением и промывкой в осадок, формируется новый, пока еще устойчивый ствол, и осадок выносится из «скважины». Затем, после прохождения 1,8...2,0 м, жидкость начинает фильтроваться через стенки этой скважины в шламе и шламовая масса, прилегающая к «скважине», входит в псевдоожижешюе состояние, обрушивается в нее и подхваченная потоком жидкости устремляется в эксцентричный кольцевой зазор. Размеры отдельных частиц обрушившихся пород вполне могут превысить размеры зазора между трубой и стенкой скважины. В этом случае неизбежны быстрая закупорка заколонного пространства и возникновение гидроудара. Давление ниже шламовой и асимметрично расположенной относительно трубы «пробки» возрастает до нескольких десятков МПа. Ударная волна давления достигает устья скважины и приводит к разрушению предохранительной диафрагмы на насосах.
В области кровли каверны шламовая масса, устремляясь преимущественно в сторону просвета между трубой и скважиной, формирует смещенную в ту же сторону шламовую «пробку», через которую под действием перепада давления (руд -рс) начинает фильтроваться жидкость. Такая шламовая масса, состоящая из обломков разного размера и перемешанная с раствором и глинистой коркой, окружает трубу и частично изолирует ее поверхность, обращенную к шламу, от давпения руд. Проницаемость шламовой массы во времени уменьшается за счет отложения глинистой корки на внешней границе шламовой пробки. На соприкасающейся со шламом поверхности трубы, равно как и внутри массы, давление распределяется по некоторому закону, уменьшаясь от руд - на нижней границе до/?е на верхней. В результате давление на стенки трубы там, где меньше шлама, будет существенно больше давления с противоположной стороны и возникнет гидравлическая сила Fyd, стремящаяся изогнуть трубу в сторону шламовой пробки и внедрить ее в шлам.
Примем, что руд = 20 МПа, что, вероятнее всего, меньше фактического при гидроударе. Среднее значение давления равно 10 МПа. Площадь действия давления: 0,178х1,8х10х106=3204000 Н = 320 тс. Изгибающий момент силы в сечении трубы, расположенном на уровне кровли каверны составит: 3204 кН х 0,9 м 2880 кНхм = 288000 кгсхм. Осевой момент сопротивления сечения УБТ178 равен 0,1х17,83х(1 -8,04/17,84)=541 см3.
Тогда напряжение изгиба под действием гидравлической силы будет равно 28800000/541=53235 кгс/см2=532,4 кгс/мм2, что многократно превышает предел текучести стали для любой УБТ.
Из анализа, таким образом, следует, что изгиб труб с пластической деформацией в сторону шламовой пробки (на рис. 5.4 изогнутая часть колонны показана пунктиром) вполне возможен, и предложенная гипотеза «странного» изгиба труб в описанной ситуации имеет право на существование.
Описанный механизм возникновения и действия гидравлической силы вполне может вызвать наблюдаемые нередко локальные изгибы бурильных труб не в конце, а в середине колонны. Отличие заключается в том, что в этом случае продольная составляющая от веса части колонны, расположенной ниже места закупорки, будет препятствовать деформации изгиба, создавая противодействующий момент силы. Однако, как показали вышеприведенные расчеты, активный момент изгиба может быть настолько большим, что изгиб труб в области пластической деформации в середине колонны становится вполне возможным. Более того, если шламовая масса большая по объему (размеры ее вдоль трубы более 1 м), а вес труб ниже каверны достигает десятков тс, то может иметь место двойной изгиб с остаточной деформацией у кровли каверны и на внешней границе шлама.
Описанной гипотезе можно противопоставить кажущийся, на первый взгляд, более естественным механизм изгиба под действием бокового распора шламовой пробки. Однако легко доказать, что силы бокового распора уплотненной давлением шламовой массы из-за больших сил трения между частицами произвольной формы, из которых она состоит, не в состоянии вызвать появление силы, достаточной для изгиба УБТ длиной 1,5 - 1,8 м.
Изгибы бурильного инструмента над долотом после проработок ствола с затяжками, повышением давления наблюдались и в слабонаклоненной (до 32) скважине 104-Южно-Лыжская (суточные рапорты от 29.01.02 и 30.01.02, когда выбросили 4 свечи и 7 трубок СБТ-127). Операции по восстановлению ствола после обвалов почти всегда сопровождаются колебанием и ростом давления, нередко с явными подклинками. Случались потери циркуляции с поглощением раствора после роста давления до 17 МПа на насосах (23.01.02 при глубине 1698 м).
