Места резкого искривления ствола

Б ольшая часть прихватов на участках со сложной геометрией ствола происходит в местах резкого искривления ствола (рис. 10-1). Резкие искривления ствола приводят к образованию желобов, уступов, к высоким поперечным нагрузкам и к увеличению крутящего момента, некачественному цементированию обсадной колонны, осложнениям при спуске обсадной колонны и каротаже, слому бурильной колонны, неисправностям бурового оборудования и износу обсадной колонны в процессе строительства скважины. В этих местах велика опасность возникновения дифференциального прихвата и прихвата шламом или обвалившейся породой.

Больше всего неприятностей в местах резкого искривления ствола доставляют желоба, поэтому мы рассмотрим их в первую очередь.

Желоба

П ервой признанной проблемой, связанной с заклиниванием на участках со сложной геометрией, являются желоба. Сечение ствола с желобом напоминает по форме замочную скважину (рис. 10-2). При вращении бурильной колонны в месте резкого искривления прорезается желоб, ширина которого меньше диаметра КНБК. При подъеме инструмента из скважины бурильная колонна проходит через желоб, но КНБК пройти через него не может и заклинивается.

В 1950-х годах, при бурении вертикальных скважин в бассейне Анадарко, было проведено много исследований, связанных с желобами. Фактическая вертикальная глубина многих из этих скважин превышала 25 тыс. футов. Обычно на бурение таких скважин уходило больше года. Приходилось разбуривать твердые породы, долота изнашивались всего за 8 часов, и инструмент приходилось часто поднимать. Любое резкое искривление ствола в верхней части скважины приводило к авариям бурильной колонны и образованию желобов. Поэтому буровики всеми силами старались избежать резких искривлений ствола в верхней части скважины.

В 1980-х годах, когда стало развиваться направленное бурение, многие взволнованные буровики заявляли, что они знают, почему в вертикальных скважинах резкое искривление на 1 ° создавало

проблемы, а в горизонтальных скважинах резкое искривление на 90 ° проблем не создавало. На самом деле, все дело в условиях, которые должны существовать, чтобы образовался желоб.

Факторы, влияющие на образование желоба

Для того чтобы образовался желоб, бурильная колонна должна вращаться в месте резкого искривления, испытывая при этом достаточно большие поперечные нагрузки (рис. 10-3). Таким образом, должны выполняться четыре условия:

• Резкое искривление ствола

• Поперечные нагрузки, прижимающие бурильную колонну к стенке скважины.

• Вращение бурильной колонны

• П родолжительность вращения, достаточная для прорезания желоба.

Рис. 10-3 Факторы, влияющие на образование желоба

Чтобы образовался желоб, должны выполняться все четыре условия. Если одно из них не будет выполнено, желоб не может быть прорезан. Время, необходимое для прорезания желоба, зависит от твердости породы. Если колонна вращается достаточно долго, и есть достаточно большие поперечные нагрузки, желоб может быть прорезан даже в чрезвычайно твердой породе. Если порода мягкая, или если остальные три фактора очень сильны, для прорезания желоба требуется меньше времени.

В ажным фактором являются поперечные нагрузки. Чем сильнее колонна вдавливается в пласт, тем быстрее прорезается желоб. Поперечные нагрузки зависят от того, насколько резко искривляется ствол. Чем резче искривление, тем больше поперечные нагрузки (рис. 10-4). Кроме того, поперечная нагрузка зависит от натяжения колонны. Вот почему так опасны очень резкие искривления в верхней части глубоких вертикальных скважин - в них под местом резкого искривления находится большая часть колонны, создающая большие растягивающие нагрузки.

Обычно в глубоких вертикальных скважинах требуются тяжелые КНБК. Приподъем над забоем вращающейся колонны с большой КНБК приводит к значительному возрастанию поперечных нагрузок в местах резкого искривления ствола. Именно поэтому считается плохой практикой приподнимать над забоем колонну со вращением в глубоких вертикальных скважинах.

Резкое искривление ствола в верхней части скважины очень опасно при бурении глубоких вертикальных скважин. Однако при бурении горизонтальных скважин можно создать резкое искривление ствола и проводить через него колонну со вращением, но опасный желоб прорезан не будет. Это объясняется отсутствием большой поперечной нагрузки в месте резкого искривления ствола (рис. 10-5). Поперечная нагрузка обусловлена растяжением колонны. Обычно при прохождении мест резкого искривления ствола у забоя вращающая бурильная колонна находится в сжатом состоянии. Если при этом все-таки образуется желоб, то он будет в нижней стенке скважины. Когда мы приподнимаем и натягиваем колонну, она выходит из искривления вдавливаясь в верхнюю стенку скважины.

Сейчас число случаев заклинивания в желобной выработке меньше, чем в 1950-х и 1960-х годах, благодаря использованию меньших КНБК и более совершенных отклонителей. В настоящее время искривления ствола обычно не такие резкие, как раньше. Использование меньших КНБК позволяет снизить нагрузку на крюке. Благодаря этим обстоятельствам уменьшаются поперечные нагрузки в местах резкого искривления ствола. Следует отметить также возможность проходить каждый участок с меньшей продолжительностью вращения бурильной колонны благодаря усовершенствованным технологиям. А более долговечные долота позволяют реже выполнять СПО.

К огда следует ожидать образования желобов

Ожидать образования желобов следует тогда, когда в месте резкого искривления ствола или напротив уступа действуют большие поперечные нагрузки и велика продолжительность вращения бурильной колонны. Большие поперечные нагрузки возникают в местах резкого искривления ствола около поверхности при бурении с большой КНБК. Приподъем вращающейся бурильной колонны над забоем приводит к увеличению растяжения колонны в месте резкого искривления ствола. Если осуществляется вращение бурильной колонны, приподнятой над забоем, в течение продолжительного времени, то следует проявлять особую осторожность, чтобы не допустить образования желобной выработки.

Большую опасность в отношении желобообразования представляют наклонные скважины, вскрывшие чередующиеся твердые и мягкие пласты. Чередование пластов способствует образованию резких искривлений ствола и уступов, в которых могут быть прорезаны желоба (рис. 10-6). (см. материалы по мелким искривлениям). При расширении ствола могут обнажиться уступы, в которых могут быть прорезаны желоба. Чередование пластов, даже в очень плавных искривлениях, ведет к размывам, обнажающим уступы, где могут быть прорезаны желоба.

Признаки желобов

К признакам желобов можно отнести и условия, благоприятные для прорезания желобов. Если в наличии резкие искривления ствола, поперечные нагрузки и продолжительное вращение бурильной колонны, то это уже следует считать сигналом о существовании желоба. О наличии резких искривлений ствола можно судить по следующим признакам:

• Возрастание крутящего момента и сопротивления продольному перемещению бурильной колонны при СПО или бурении.

• Повторяющиеся повышения нагрузки на крюке при СПО. Могут наблюдаться кратковременные повышения нагрузки на крюке при прохождении бурильных замков через желоб. Короткие желоба, выработанные в твердых уступах, дают четкие кратковременные повышения нагрузки на крюке примерно через каждые 30 футов (рис. 10-7). Более длинные желоба, выработанные в местах плавного искривления ствола, тоже могут давать повторяющиеся повышения нагрузки на крюке, но они не так хорошо заметны. В длинном желобе могут находиться одновременно несколько замков. Однако затяжка может быть сильнее на каком-то одном участке желоба. Она и будет давать сигнал на поверхности при прохождении каждых 30 футов колонны. Возможны также колебания нагрузки на крюке из-за изменения общего числа замков в желобе.

• " Визитной карточкой" желобов является последовательное нарастание нагрузки на крюке при повторяющихся СПО на одном и том же участке ствола.1 Обычно в таком случае ожидают увидеть не увеличение, а уменьшение сопротивления продольному перемещению колонны из-за разработки ствола. Но если прорезается желоб, сопротивление продольному перемещению колонны, вероятно, будет возрастать из-за углубления желоба при каждом прохождении колонны (рис. 10-8). Следует отметить, что сейчас нет необходимости выполнять столько рейсов в интервале установки обсадной колонны, сколько нужно было раньше. Поэтому счастливая возможность получить предупреждение в виде указанной тенденции бывает не часто. Если выполняются последовательные СПО, нужно отслеживать эту тенденцию.

М ногие буровики бывают неприятно удивлены заклиниванием в желобе, даже если они наблюдали при бурении указанную тенденцию. Во многих скважинах наблюдались сильные повторяющиеся затяжки при подъеме инструмента, но всегда удавалось освободить колонну перемещением вниз. Бурильные замки постепенно разрабатывали желоб, затяжки уменьшались, и появлялось ложное ощущение, что проблема исчезла. Когда же к желобу подходили УБТ, происходило заклинивание, и освободить колонну перемещением вниз не удавалось.

Желоба обычно прорезаются в верхней части скважины. Когда долото только что оторвалось от забоя, ниже желоба находится большая часть колонны, вес которой будет способствовать выходу колонны из желоба и освобождению от прихвата. Когда к желобу подойдут УБТ, ниже желоба будет мало тяжелых элементов, и шансов освободить колонну разгрузкой будет меньше (рис. 10-9).

Предупреждение заклинивания в желобных выработках

Для предупреждения заклинивания в желобных выработках нужно свести к минимуму четыре фактора, способствующих желобообразованию, или устранить один из них.

• Нужно всегда избегать резких искривлений в верхней части ствола, где колонна растянута в максимальной степени. В глубоких вертикальных скважинах проходить верхние интервалы нужно осторожно, стараясь избежать резких искривлений ствола.

• Если при бурении есть основания подозревать резкое искривление ствола, нужно проработать этот участок и устранить резкое искривление.

• Если при бурении есть основания подозревать наличие желоба, то после подъема достаточно большой части колонны, можно установить в колонну расширитель для ликвидации желобов. После этого можно ликвидировать желоб за короткий рейс до подъема к этому месту КНБК. Этот метод работает только когда желоб находится достаточно высоко в скважине, и можно подвести расширитель к желобу за короткий рейс. Расширитель должен подойти к желобу раньше чем долото подойдет к забою. Практика бурения с расширителем для ликвидации желобов в бурильной колонне может создать больше проблем, чем предложить решений.

• Продолжительность вращения бурильной колонны, не разгруженной на забой, должна быть сведена к минимуму, поскольку с увеличением нагрузки на крюке возрастают поперечные нагрузки в месте возможного резкого искривления.

• Как и всегда при опасности прихвата на участках со сложной геометрией бурильщик должен следить за положением КНБК в зоне резкого искривления и соблюдать осторожность при прохождении колонны через нее.

• При подъеме КНБК через участок, где возможна желобная выработка, можно медленно вращать колонну, чтобы облегчить выход из желоба УБТ или стабилизаторов.

• Использование толстостенных бурильных труб повышенной прочности позволит увеличить нагрузку в месте прихвата, требуемую для освобождения. Обычно, если через желоб проходят бурильные замки, то должны пройти и толстостенные бурильные трубы повышенной прочности. Заклиниться могут, вероятнее всего, УБТ, долото или стабилизатор. Массу части КНБК, находящейся ниже места прихвата, использовать для освобождения ударами ясса нельзя. Если прихват произойдет выше УБТ, то для операций с яссом можно использовать лишь массу толстостенных бурильных труб повышенной прочности.

• Если ожидается чередование твердых и мягких пластов и размыв ствола, нужно рассмотреть вопрос об использовании ингибированного бурового раствора для минимизации образования уступов.

Освобождение бурильной колонны, заклинившейся в желобной выработке

При любом прихвате на участке со сложной геометрией технология освобождения бурильной колонны предусматривает расхаживание колонны и удары яссом в направлении, противоположном тому, в котором двигалась колонна до прихвата. При ударах яссом вниз можно приложить максимальный крутящий момент. При ударах яссом вверх прикладывать крутящий момент нельзя.

• Заклинивание в желобе всегда происходит при перемещении колонны вверх, поэтому для освобождения нужно приложить крутящий момент и произвести удары яссом вниз.

• Если удается сдвинуть колонну вниз, то можно повращать колонну и, возможно, вывести ее за пределы зоны прихвата.

Дополнительные приемы для освобождения бурильной колонны, заклинившейся в желобной выработке

Если приложение крутящего момента и перемещение колонны вниз не привели к освобождению, то можно применить несколько дополнительных приемов, которые иногда бывают успешными.

• Желательно использовать ясс, если это возможно, но часто ясс остается ниже зоны прихвата. Если освободить колонну вращением и перемещением вниз не удается, может потребоваться развинтить колонну выше места прихвата (предпочтительно в обсадной колонне) и спустить ловильный ясс.

• Если желоб выработан в карбонатной породе, например в известняке, можно поставить кислотную ванну для растворения породы и расширения желоба.

• Можно применить жидкостную ванну со смазывающими добавками, чтобы уменьшить трение и освободить колонну.

• Можно использовать для освобождения колонны спускаемые на канате скважинные вибраторы, способные уменьшить эффективное трение между колонной и породой, в которой выработан желоб, или обеспечить "ожижение" этой породы.

• Если удается сдвинуть колонну вниз, но нельзя поднять ее из желоба с вращением, то можно использовать расширитель для ликвидации желобов. Если желобная выработка находится достаточно высоко в скважине, можно установить в колонну расширитель для ликвидации желобов и спустить его в зону прихвата. Расширитель должен подойти к желобу раньше чем долото подойдет к забою. Если это сделать не удастся, то можно развинтить колонну выше желоба (предпочтительно в обсадной колонне) и спустить расширитель, чтобы навинтить его на оставшуюся часть бурильной колонны. Решение о применении этого метода должно быть тщательно взвешено, поскольку захват оставшейся бурильной колонны таким образом возможен не всегда.