Современные представления о механизме прихватов бурового инструмента

Прихваты бурового снаряда весьма различны. В 1937 г. Хейворд опубликовал первую статью, в которой обсуждались причины этого вида осложнений. В 1940 г. Уоррен сделал попытку объ­яснить причины прихватов более детально. Оба автора пришли к выводу, что прихваты бурового снаряда вызывались желобообразованием в скважине, скоплением шлама вокруг бурильных труб и забивкой долота разбуренной породой с прекращением циркуляции.

В данном разделе рассмотрим механизм прихвата бурового ин­струмента, вызванного перепадом давления, поскольку остальные виды прихвата изложены в других разделах книги или механизм формирования их настолько прост, что не требует специального разбора.

На значение репрессии на пласт как причины прихвата впер­вые обратил внимание в 1944 г. А. И. Малышев [32]. В 1957 г. Хельмик и Лонгли причиной прихвата бурового снаряда в сква­жине назвали избыточное давление на пласт. В дальнейшем ис­следования в этом направлении получили развитие в работах отечественных и зарубежных авторов.

Механизм прихвата, вызванного репрессией на пласт, прояв­ляется в быстром и сильном прижатии бурового инструмента к стенке скважины. При этом вращение и осевые перемещения его в скважине прекращаются (рис. 8.1). Как правило, прихват раз­вивается при прекращении движения бурового инструмента в скважине на некоторое время, часто исчисляемое минутами, и при наличии на проницаемых породах фильтрационной корки.

В бурящейся скважине промывочная жидкость воздействует на стенки скважины непосредственно через фильтрационную корку, что и обеспечивает продавливание фильтрата раствора в про­ницаемый пласт. В случае прижатия к стенке скважины бурового инструмента (бурильных труб, УБТ, колонкового набора) при остановке его движения (вращения, осевых перемещений) филь­трация промывочной жидкости через зону контакта его с коркой снизится. В эту зону не будут поступать новые порции раствора, а перепад давления будет действовать на фильтрационную корку через буровой инструмент. По мере вдавливания последнего в фильтрационную корку площадь контакта буровой инстру­мент — корка будет расти. Одновременно с этим будут происхо­дить сжатие, уплотнение и в связи с этим снижение проницаемо­сти корки до полного прекращения перетока фильтрата в пласт. Наибольшую силу прижатия бурового инструмента к стенке скважины (Н) в условиях полного снижения проницаемости корки приближенно можно определить по формуле

где d — диаметр бурового инструмента или наибольшая линия

Рис. 3.1. Диаграмма вероятности воз­никновения прихвата Р при остановке бурового инструмента в скважине в ус­ловиях различной осредненной прони­цаемости пород Пср

Рис. 321. Схема прихвата, вызванного репрессией на пласт:

/—бурильные трубы диаметром 50 мм; 2 — фнльтрацнонная корка; 3 — проницаемые породы

(хорда) касания его с фильтрационной коркой, которая не может быть больше d, м; Н— мощность проницаемого пласта или длина площадки касания бурового инструмента с фильтрационной коркой, м; Др— перепад давления в зоне контакта, зависящий от толщины и проницаемости корки, Н/м².

Если проницаемость корки п_к велика (п_к-»-оо), то Др-Ю. При ее абсолютной непроницаемости Др = р_ст—р_пл.

Сила, необходимая для отрыва бурового инструмента от стенки скважины, может значительно превосходить тяговые уси­лия имеющихся подъемных средств. Она рассчитывается по фор­муле

где Р — сила отрыва, Н; / — коэффициент трения между буровым инструментом и фильтрационной коркой; Q — вес бурового инстру­мента, Н; 6 — зенитный угол, градус.

В момент подъема бурового инструмента прихват может быть усилен вследствие присоса бурового инструмента к стенке сква­жины. Сила присоса в этом случае зависит от скорости отрыва бурового инструмента и проницаемости фильтрационной корки. При медленном отрыве бурового инструмента этого явления можно избежать. Приближенно скорость отрыва (м/с), при которой не произойдет присос, определяется из выражения (А. X. Мир-заджанзаде, А. К. Караев, С. А. Ширинзаде)

где п_к — проницаемость корки, м²; ц, — динамическая вязкость бурового раствора, Па-с; а — ширина контакта бурового инстру­мента с коркой, м.

На трубы, вдавленные в фильтрационную корку, воздействует только часть разницы давления между скважиной и пластом. Для реальных условий величина этого снижающего коэффициента со­ставляет 0,62—0,75 [32].

Максимальное действие силы прихвата приходится на первые минуты контакта бурового инструмента с фильтрационной коркой. Сила прихвата возрастает с повышением температуры среды. Большое значение имеют адгезионные силы между металлом и породой. Установлено, что при большом содержании твердой фазы в буровом растворе, солевой и термосолевой агрессии среды, не­значительном содержании в растворе смазывающих добавок адге-зионная составляющая силы прихвата растет.

На силу прихвата оказывают влияние химические реагенты, находящиеся в растворе: например, УЩР увеличивает ее величину по сравнению с реагентами типа гипан и метас на 20—40%.

На вероятность возникновения прихвата оказывает большое влияние степень проницаемости пород (рис. 8.2). При осреднен-ной по мощности проницаемости пород менее 0,5 • 10~¹⁵ м² можно исключить прихватоопасность в условиях репрессии на пласт. По­роды мощностью 20—30 м с осредненной проницаемостью больше 1-10~⁴м² являются прихватоопасными при Др>2МПа [32].Осред-ненная по мощности проницаемость п_ср определяется по формуле

где п\, п₂,...,п_п— проницаемость слоев пород, м²; Ль Лг, ...,Л_П— их мощности, м.

Механизм прихватообразования в плотных слабопроницаемых породах (сланцах) подобен описанному, только процесс корко-образования на стенках скважины протекает несколько иначе, чем при формировании фильтрационной корки. Глинистые частицы в водной среде получают, по правилу Козна, отрицательный за­ряд. Поэтому процесс формирования корки на стенках скважины объясняется сближением заряженных поверхностей под действием внешних сил. На стенке скважины, представленной слабопро­ницаемыми породами из частиц бентонита и шлама, формируется слой, постепенно возрастающий по толщине. Наличие в стволе скважины вязкого и облегченного раствора, заполняющего прост­ранство между этими частицами, обусловливает их уплотнение и агрегирование, вызывая уже известный процесс сужения ствола скважины.

Для этого вида осложнений характерен вынос из скважины при СПО или при проработке ствола линзо- или лепешкоподоб-ного материала. Его образование связывают либо с явлением агрегирования глинисто-шламового материала в процессе транс­портирования, либо с соскабливанием корки со стенок скважины при спуске инструмента в скважину. Накопление этого материала в стволе скважины приводит к частичному или полному перекры­тию затрубного пространства, что затрудняет промывку и вы­зывает временный прихват бурильных труб. Часто это явление принимают за начало обрушения пород из стенок скважины, по­скольку из скважины выносятся и куски породы. Объясняется же это частичным сколом породы вместе с коркой при механическом воздействии колонны бурильных труб на стенки скважины. При бурении на нефть размеры таких кусков породы составляют: длина до 75, ширина до 60 и толщина до 10 мм.

Аналогичное явление, неоправданно принимаемое за обруше­ние стенок скважин, наблюдалось при бурении разведочных сква­жин на Удоканском и Депутатском месторождениях. Причиной же прихватов являлось формирование на стенках скважины рых­лой и толстой глиношламовой корки из-за использования агрега-тивно-неустойчивых глинисто-солевых промывочных жидкостей, применяемых в условиях многолетнемерзлых пород. Результаты кавернометрии показали, что коэффициент кавернообразования при этом не превышал k=l,l. Мерой профилактики в этом случае является проработка ствола скважины (шаблонирование) с за­меной раствора на агрегативно-устойчивый к искусственно со­здаваемой солевой агрессии, например гипано-солевой и др.

Прихват бурового инструмента может быть связан с непра­вильно выбранной конструкцией скважины. Чаще всего это выз­вано неоправданным переходом с большего на меньший диаметр ее ствола. На искусственно созданном в открытом стволе уступе происходит постоянное накопление шлама. Процесс этот усилива­ется при снижении скорости движения потока жидкости в рас­ширенной части ствола скважины. Это аналогично накоплению шлама в кавернах при бурении скважин в породах, склонных к кавернообразованию.

При остановках процесса углубки скважины и прекращении циркуляции промывочной жидкости накопившийся на уступах (в кавернах) шлам сползает в ствол скважины, образуя пробки, сальники.

Сальникообразование часто встречается при бурении по гли­нистым или перемежающимся с песком и гравием глинистым отложениям.

Наиболее характерен этот вид осложнений при бурении сква­жин с продувкой сжатым воздухом. В последнем случае свойства и состояние проходимых горных пород практически не имеют значения. Главная причина — повышенная влажность пород или поступление в ствол скважины подземных вод в небольшом коли­честве— до 4 л/мин. Сальники могут образовываться регулярно в течение каждого рейса бурения с продувкой воздухом даже во вполне устойчивых скальных породах при малых и весьма малых водопроявлениях в условиях, например, слабой трещиноватости.

Механизм этого явления заключается в агрегатировании пыле­вых частиц шлама до размеров, не позволяющих потоку воздуха транспортировать их к устью скважины. Шлам налипает на бурильные трубы непосредственно над колонковой трубой и не­сколько выше — на стенки скважины. Характерно при этом отсут­ствие внешних признаков сальникообразования. Процесс углубки идет нормально, циркуляция воздуха не затрудняется, вместе с ним из устья скважины продолжает поступать пыль, представ­ленная осушенным и измельченным шламом. Даже расхаживание снаряда в процессе бурения не дает никаких признаков сальника. Однако после окончания рейса бурения при подъеме снаряда на 2—3 м над забоем происходит быстрая и прочная его затяжка с последующим прихватом. Применение выбивного снаряда в этом случае не дает положительных результатов, а использова­ние механического или гидравлического демпфера приводит, как правило, к обрыву бурильной колонны. При подобного рода при­хватах необходимо попытаться опустить снаряд к забою и, при­меняя гидросистему, удары выбивным снарядом и вращение, перейти на жидкостную промывку и размыть сальник.

Скопление в стволе скважины шламовой массы и образование сальников особенно опасно при проходке наклонных и горизон­тальных скважин.