Осыпи горной породы, кавернообразования, прихваты колонны бурильных труб, поглощение промывочной жидкости, нефтеводогазопроявления

Осложнения в процессе бурения, классификация осложнений и аварий

ЛЕКЦИЯ 9

Нарушения непрерывности технологического процесса строительства (бурения и испытания) скважины, происшедшие при соблюдении требований технического проекта и правил ведения буровых работ, вызванные явлениями горно-геологического характера, такими как поглощение, нефтегазопроявления, выбросы, осыпи, обвалы, желобные выработки, искривления ствола, открытое фонтанирование и другими, а также последствия стихийных бедствий — относятся к осложнениям.

Однако, несмотря на то что осложнения считаются в сущности ожидаемой ситуацией и для их преодоления предусмотрены технологические приемы, иногда они переходят в категорию аварий.

Аварией считают нарушение непрерывности технологического процесса сооружения скважины, требующее для его ликвидации проведения специальных работ, независимо от затраченного времени и не предусмотренных техническим проектом.

В процессе бурения в скважине могут возникать следующие виды осложнений:

· поглощение промывочной жидкости или тампонаж-ного раствора;

· нефтегазоводопроявления; обваливание и осыпание пород, слагающих стенки ствола;

· сужение ствола;

· прихват колонны труб;

· растепление многолетнемерзлых пород;

· самопроизвольное искривление скважины.

Осыпи, обвалы пород, сужения ствола скважины

При бурениинередко случаются осыпи и обвалы пород стенок скважины. Осыпями называют такое осложнение, когда систематически значительное количество более или менее крупных частиц породы отделяются от стенок скважины, падают в ее ствол, подхватываются потоком промывочной жидкости и выносятся на дневную поверхность. Если же значительная масса породы внезапно выпадает в скважину, перекрывает кольцевое пространство или все сечение ствола и восходящий поток не в состоянии быстро удалить эту породу на поверхность, осложнение называют обвалом. Обычно видимым признаком обвала породы является резкое повышение давления в насосах.

Одна из причин осыпей и обвалов — изменение напряженного состояния в породе при разбуривании. Причинами уменьшения прочности и устойчивости стенок скважины могут быть набухание глинистых пород под влиянием проникшего в них водного фильтрата; ослабление сил сцепления между частицами породы.

В результате осыпания и обваливания пород локально расширяется ствол скважины, т.е. образуются каверны; существенно затрудняется транспортировка частиц разбуренных и осыпавшихся пород на дневную поверхность, так как уменьшаются скорость восходящего потока и его подъемная сила; возрастает аварийность с бурильными трубами из-за увеличения стрелы прогиба труб и напряжений изгиба в них в расширенной части ствола.

Сужения ствола скважины могут явиться следствием либо выпучивания горных пород, либо их обваливания, либо образования толстых фильтрационных корок на проницаемых участках стенок, либо налипания на стенки частиц осыпавшихся и разбуренных пород, увлажненных промывочной жидкостью. Внешне сужение проявляется в повышении давления в насосах при промывке, существенном увеличении усилия, необходимого для перемещения колонны труб, иногда промывка вообще становится невозможной.

Для предотвращения осыпей и обвалов целесообразно использовать ингибированные промывочные жидкости, гидрогели или жидкости на углеводородной основе с минерализованной водной фазой, которые не вызывают существенного уменьшения прочности пород, и поддерживать плотность выбранной жидкости на уровне, достаточном для сохранения устойчивости стенок скважины.

Прихваты колонны труб

Нередко для подъема колонны из скважины требуется приложить усилие, значительно превышающее вес колонны. Такое осложнение называют затяжкой. Если же для страгивания колонны с места требуется приложить усилие, при котором напряжения в трубах приближаются к их прочности, либо усилие, близкое к предельно допустимому для вышки или талевой системы, осложнение называют прихватом. Если для устранения прихвата приложить чрезмерно большое усилие, осложнение усугубится аварией.

Существует несколько причин прихватов.

1. Большая разность между давлением столба промывочной жидкости в скважине и пластовыми давлениями в проницаемых породах. На отдельных участках колонна труб всегда прижата к стенкам скважины боковой составляющей собственного веса. Если участок сложен проницаемыми породами и покрыт фильтрационной коркой, то при прижатии колонны фильтрационная корка уплотняется и может стать почти непроницаемой. В результате на ту часть поверхности труб, которая не прижата к стенке, будет действовать сила давления промывочной жидкости. На ту же часть поверхности, которая прижата к стенке, может действовать только сила пластового давления, направленная в сторону скважины. Если давление в скважине больше пластового, возникает гидравлическая прижимающая сила, величина которой примерно пропорциональна дифференциальному давлению и площади контакта; она зависит также от длительности нахождения колонны в покое.

2. Образование желобов в стенках скважины на участках искривления, сложенных достаточно прочными породами. Желоба обычно вырабатываются бурильными замками при СПО. Во время подъема долото и другие элементы колонны, диаметры которых больше диаметра замка, могут заклиниваться в желобах.

3. Обваливание горных пород.

4. Образование сальника из кусков толстых фильтрационных корок, содранных со стенок скважины или из частиц осыпавшихся и разбуренных пород.

5. Большая липкость фильтрационных корок.

6. Заклинивание в результате падения в скважину посторонних предметов.

Основные мероприятия по предупреждению прихватов: применение промывочных жидкостей с малой водоотдачей, возможно меньшим содержанием грубодисперсной твердой фазы; тщательная очистка промывочной жидкости от шлама на виброситах и гидроциклонах; снижение избыточного давления в скважине; предотвращение желобообразования; уменьшение площади контакта УБТ со стенками скважины; применение забойных шламоуловителей для удаления крупных кусков породы из потока вблизи забоя. Колонну нельзя оставлять в покое на длительное время; если бурение прекращено, ее следует систематически проворачивать ротором или поднять долото хотя бы в башмак промежуточной обсадной колонны.

Затяжки и небольшие прихваты обычно ликвидируют расхаживанием колонны и проворачиванием ее ротором при интенсивной промывке скважины. Если таким способом прихват ликвидировать не удается, прибегают к более сложным работам.

Эффективный способ ликвидации прихватов — резкое встряхивание колонны с помощью забойных гидроударников, вибраторов, небольших гидравлических ударов, взрыва шнурковых торпед малой мощности. Если причиной прихвата является скопление кусков пород, его часто удается ликвидировать установкой водяных, а в карбонатных породах — солянокислотных ванн или нагнетанием воды под давлением 20 — 25 МПа.

Поглощение может возникнуть в двух случаях:

а) если в горной породе имеются более или менее крупные раскрытые трещины, каверны или другого рода полости, а давление, создаваемое на стенки скважины в процессе бурения или цементирования ее, больше пластового в данной породе, т. е.

, (9.1)

где Р_ст - статическое давление столба жидкости в скважине на данную породу, Па; Р_гя - гидродинамическое давление на ту же породу при спуске колонны труб, восстановлении циркуляции, промывке или цементировании, Па; Р_пл - пластовое давление в породе, Па;

б) если под влиянием давления, создаваемого на стенки скважины, раскрываются естественные микротрещины, которые в нормальных условиях сомкнуты, либо происходит гидроразрыв породы и в ней образуются новые крупные трещины, т. е.

, (9.2)

где Р_Р - давление разрыва породы (или раскрытия микротрещин), Па.

В случае поглощения многократно возрастает объем жидкости, расходуемый на бурение скважины; снижается темп углубления; возрастает стоимость бурения скважины.

При поглощении статический уровень жидкости устанавливается на несколько десятков, а иногда даже сотен метров ниже устья скважины. Вследствие этого снижается противодавление на ее стенки и из пород с более высоким коэффициентом аномальности может начаться приток пластовых флюидов. Если при снижении уровня жидкости обнажаются неустойчивые горные породы, то колебания давления и периодическое осушение и увлажнение таких пород, вызванное изменением положения уровня, могут стать причиной их осыпания или обваливания. Таким образом, одно осложнение — поглощение — может способствовать возникновению других.

Естественная трещиноватость, кавернозность, прочность горных пород и пластовые давления — это природные факторы, не зависящие от воли человека; управлять ими в процессе бурения невозможно. Предотвратить поглощения второго рода можно только регулированием давления в скважине, а поглощения первого рода — также увеличением сопротивления растеканию жидкости по трещинам породы, например, заменой воды в качестве промывочной жидкости на глинистую суспензию возможно малой плотности.

Причинами возникновения высоких гидродинамических давлений могут служить большая скорость восходящего потока в кольцевом пространстве скважины, высокие реологические показатели промывочной жидкости, большие скорость или ускорение спуска колонны труб, попытки быстрого восстановления циркуляции промывочной жидкости, поршневой эффект в случае образования сальника на долоте и т. д.

Поглощение не возникнет при соблюдении условия

, (9.3)

где Р_п - давление поглощения, Па; в первом из названных выше случаев Р_п = Р_пл; во втором Р_п = Р_р; k_б = 1,1 ¸ 1,3 — коэффициент безопасности.

Если в (9.3) подставить статическое давление и все члены уравнения разделить на давление столба пресной воды, то получим

, (9.4)

где r_оэ - эквивалентная относительная плотность промывочной жидкости; r_в - плотность пресной воды, кг/м³; z_n - глубина зоны поглощения, м; k_n - индекс давления поглощения на этой глубине. Если известны пластовое давление и давление разрыва пород, поглощение во многих случаях можно предотвратить, соблюдая соотношения между плотностью промывочной жидкости и скоростями проведения технологических операций (промывка, спуск колонны труб), которые нетрудно получить, решив уравнение (9.3). Скорости, при которых левая часть уравнения равна правой, условимся называть предельными.

Статическое давление в скважине снижают уменьшением содержания твердой фазы, аэрацией. Снизить гидродинамическое давление можно уменьшением скоростей и ускорений технологических операций ниже предельных значений, динамического напряжения сдвига и пластической вязкости. Перед началом восстановления циркуляции в скважине целесообразно разрушить образовавшуюся в промывочной жидкости тиксотропную структуру вращением колонны труб; восстанавливать циркуляцию следует, постепенно увеличивая подачу насосов до заданной величины.

Интенсивность поглощения может колебаться в широких пределах — от сотых долей до нескольких десятков литров в секунду. Поглощение называют полным, или катастрофическим, если вся промывочная жидкость, закачиваемая буровыми насосами в скважину, растекается по трещинам и полостям породы, а на устье скважины не возвращается. Если же часть жидкости вытекает на устье, поглощение называют частичным. Для изоляции зоны надо знать ее местоположение и интенсивность поглощения. Положение зоны наиболее точно можно определить глубинными аппаратами — индикаторами скорости потока. Используют также косвенные методы, основанные на данных кратковременных гидродинамических исследований или на результатах нагнетания в зону поглощения порций жидкости, содержащих некоторое количество твердых частиц с известными размерами.

Под интенсивностью поглощения обычно понимают объем поглощенной жидкости за единицу времени. Если поглощение частичное, интенсивность его можно оценить приближенно по скорости снижения уровня в металлической приемной емкости буровых насосов, если емкость оснастить уровнемером с самописцем. При полном же поглощении интенсивность приходится определять путем специальных исследований.

Для устранения поглощений, помимо названных выше уменьшения плотности промывочной жидкости и снижения скорости технологических операций в скважине, применяют следующие способы: а) добавляют к промывочной жидкости небольшое количество спе­циальных волокнистых или гранулярных материалов, которые способны закупоривать трещины шириной менее 1—2 мм; б) кольматируют каналы поглощения задавливанием в них некоторого объема промывочной жидкости с высоким предельным статическим напряжением сдвига, или быстросхватывающегося тампонажного раствора; в) уменьшают размеры каналов поглощения намывом в них грубозернистых инертных материалов (песок, гравий, керамзит и т. п.), а затем изолируют их с помощью тампонажных растворов; г) перекрывают зоны обсадными трубами.

Газонефтеводопроявления

Пластовые жидкости (газ, вода, нефть) могут поступать в скважину, прежде всего, если пластовое давление хотя бы в одном из проницаемых горизонтов больше давления, создаваемого промывочной жидкостью. Приток может возникнуть при недостаточном контроле за плотностью промывочной жидкости и за ее дегазацией, при понижении уровня жидкости в скважине в результате поглощения или во время подъема колонны труб. Интенсивность притока зависит от разности между пластовым давлением и давлением в скважине, проницаемости приствольной части горизонта, свойств пластовых жидкостей и других факторов и нередко бывает весьма значительной.

Некоторое количество пластовых жидкостей поступает в скважину вместе с частицами разбуриваемой породы; объемная скорость такого поступления примерно пропорциональна механической скорости проходки. Пластовые флюиды могут поступать в скважину также в результате диффузии через проницаемые стенки ее, под влиянием капиллярного и осмотического давлений. Интенсивность такого притока обычно невелика и не представляет опасности, если нет длительных перерывов в циркуляции и если на дневной поверхности промывочную жидкость хорошо дегазируют.

В покое давление, создаваемое тиксотропной промывочной жидкостью, уменьшается по мере того, как часть твердой фазы выпадает из взвешенного состояния и зависает на стенках скважины и колонны труб. Если давление против кровли газоносного объекта станет ниже пластового, отфильтровывание дисперсионной среды прекратится и в скважину может начаться поступление пластового газа. При длительных перерывах циркуляции из верхней части газоносного объекта в скважину может поступить довольно значительное количество газа; тогда образуется пачка газированной промывочной жидкости. После восстановления циркуляции по мере продвижения газированной жидкости к устью содержащийся в ней газ расширяется, объемное соотношение газ — жидкость возрастает. В результате давление, создаваемое столбом газированной промывочной жидкости на стенки скважины, уменьшается, особенно на сравнительно небольших глубинах (до 1000—1500 м); разность между пластовым давлением и давлением в скважине возрастает, что способствует интенсификации притока газа из объекта. Как только порция газированной жидкости оказывается на глубине нескольких сот метров от негерметизированного устья скважины, начинается бурное расширение пузырьков газа; при этом часть промывочной жидкости может быть выброшена из скважины, а давление на стенки скачкообразно уменьшится. Подобные выбросы могут переходить в открытое фонтанирование.

О начавшемся притоке пластовой жидкости можно судить по ряду признаков: уменьшению плотности промывочной жидкости; увеличению уровня ее в металлической приемной емкости буровых насосов; увеличению скорости течения в желобе на выходе из скважины; переливу через устье после прекращения промывки, а иногда даже во время ее; увеличению избыточного давления на устье скважины с закрытым превентором; увеличению газосодержания в потоке, выходящем из скважины. При газировании значительно возрастает условная вязкость промывочной жидкости. В случае притока пресной воды снижаются условная вязкость и статическое напряжение сдвига, возрастают водоотдача, из утяжеленной жидкости нередко выпадает утяжелитель.

Газонефтеводопроявления не только нарушают процесс бурения, но и являются причиной тяжелых аварий. При интенсивных проявлениях возможны случаи разрушения устьев скважин и бурового оборудования, возникновения взрывов и пожаров, сильного загрязнения окружающей среды и даже человеческих жертв. Основной способ, позволяющий управлять состоянием скважины в случае начинающегося притока пластовой жидкости и предотвращать нерегулируемые выбросы промывочной жидкости — герметизация устья специальным противовыбросовым оборудованием.

Для предотвращения выбросов и открытого фонтанирования в случае начавшегося газонефтеводопроявления необходимо:

1) герметизировать устье скважины превенторами;

2) систематически контролировать качество промывочной жидкости, выходящей из скважины, прежде всего плотность и газосодержание;

3) перед вскрытием горизонтов с повышенными коэффициентом аномальности заблаговременно увеличивать плотность промывочной жидкости в скважине для поддержания небольшого избытка давления над пластовым;

4) иметь на буровой запас промывочной жидкости для вскрытия горизонта с повышенным коэффициентом аномальности, в объеме не менее двух-трех скважины;

5) при подъеме колонны труб доливать в скважину промывочную жидкость с таким расчетом, чтобы уровень ее всегда находился у устья;

6) в составе бурильной колонны иметь обратный клапан или над вертлюгом - шаровой кран высокого давления;

7) не допускать длительных простоев скважины без промывки.

Если приток не удалось устранить быстро и выброс перешел в открытое фонтанирование, то к работе по ликвидации аварийного осложнения привлекают специализированную противофонтанную службу.

Дата добавления: 2014-01-03