Особенности оснащения бурильной колонны

При бурении скважин с очисткой забоя пеной в состав бурильной колонны включают обратные клапаны, один из которых устанавливают ниже ведущей трубы над верхней свечой, другой над долотом или колонковой трубой. При бурении скважин, глубиной свыше 1000 м в середине колонны необходимо устанавливать промежуточные клапаны для сокращения затрат времени на подъем колонны бурильных труб (рис. )

Обратные клапаны предназначены для поддержания давления в бурильной колонне при остановке дожимного насоса, предотвращения выброса в буровое здание ГЖС и пластовых вод, находящихся под высоким давлением, при наращивании инструмента и спуско-подъемных операциях, а также для предотвращения зашламования промывочных каналов долота или колонковой трубы. Обратный клапан обеспечивает безопасность труда обслуживающего персонала и охрану окружающей среды от загрязнения химреагентами.

За рубежом используют обратные клапаны, серийно изготавливаемые фирмами «Амоко Продакшн Ко» и «Дайна-Дрилл». На рис. приведены обратные клапаны с гильзовым затвором (а) и тарельчатый (б).

Скважины разгерметизируют при наращивании инструмента в процессе бурения (частично) и проведении спуско-подъемных операций (полностью). Частичная разгерметизация включает разгерметизацию поверхностной обвязки устья скважины (манифольда) и бурильных труб, расположенных над верхним обратным клапаном; полная – разгерметизацию манифольда и бурильной колонны. Поверхностную обвязку разгерметизируют, открыв промывочный кран в распределительном узле манифольда. Разгерметизацию бурильной колонны проводят в несколько этапов в зависимости от числа обратных клапанов в ее составе. Колонны труб на всех этапах разгерметизируют через обратный клапан, открыв запорный элемент с помощью дополнительного приспособления.

Приспособление для разгерметизации бурильной колонны конструкции Норильской КГРЭ (рис. ) состоит из корпуса 3, толкателя 1 и быстроразъемного соединения 2. В корпусе на одном конце нарезана наружная резьба 3-50, а на другом – просверлено центральное отверстие и нарезана резьба. В корпусе на резьбе установлен толкатель 1, который при вращении перемещается в осевом направлении.

Для проведения разгерметизации колонны труб в корпус обратного клапана ввинчивают дополнительное приспособление, к которому посредством быстроразъемного устройства присоединяют отводной шланг. После установки приспособления толкатель поворачивают в направлении по часовой стрелке до тех пор, пока полностью не откроются запорный элемент обратного клапана и канал для отвода потока ГЖС в приемную емкость.

Поскольку воздух, находящийся в пене под давлением, связан ее вязкими пленками, процесс разгерметизации происходит крайне медленно. С увеличением глубины скважины время на резгерметизацию колонны после каждого рейса возрастает по прямолинейной зависимости и составляет в общем балансе рабочего времени значительную долю. Для того, чтобы сократить затраты времени на разгерметизацию, на практике принято за несколько минут до окончания рейса выключать дозирующий насос и продолжать бурение, подавая в скважину только воздух через КДУ до полного удаления газожидкостной смеси из бурильной колонны. Иногда для этой операции используют техническую воду.

При бурении скважин глубиной до 150-200 м с очисткой забоя туманом, пеной или аэрированными растворами обратные клапаны в большинстве случаев не применяют.

Наращивание инструмента, спуск и подъем бурильной колонны

Перед наращиванием инструмента бурильную колонну поднимают с забоя и ставят на подкладную вилку труборазворота РТ-1200М. Оборудование выключают в следующем порядке: дожимной и дозировочный насосы, компрессор. Затем пену из поверхностной обвязки и части колонны до верхнего клапана через открытый промывочный кран сбрасывают в приемную емкость. После снятия давления в нагнетательной линии колонну наращивают, закрывают промывочный кран, включают компрессор, дозировочный и дожимной насосы, и при появлении на устье скважины непрерывного потока пены бурильную колонну спускают и начинают бурение.

Перед подъемом бурильной колонны выполняют те же операции, что и при наращивании инструмента. Затем колонну поднимают до верхнего обратного клапана, на него навинчивают приспособление для разгерметизации и закрепляют отводной шланг, который спускают в приемную емкость и крепят; отжимной шток приспособления проворачивают в правую сторону, клапан открывают и разгерметизируют колонну до промежуточного клапана. По истечении пены из отводного шланга и уравновешивания давления с атмосферным приспособление для разгерметизации снимают, колонну поднимают до следующего обратного клапана, и операции по разгерметизации бурильной колонны повторяют до полного подъема бурового снаряда.

Спуск бурового снаряда проводят в обратном порядке и на последнюю свечу навинчивают верхний обратный клапан. После установки бурильной колонны на подкладную вилку РТ-1200М буровой станок подводят к устью скважины, на ведущую трубу надевают сначала металлическое кольцо герметизатора, затем набор уплотнительных манжет и ведущую трубу навинчивают на снаряд. Снаряд поднимают лебедкой станка, убирают подкладную вилку, в корпус герметизатора устанавливают набор манжет и фиксируют их при помощи металлического кольца в специальных Г-образных прорезях для предотвращения их выброса во время бурения.

При небольших глубинах скважины после спуска бурильной колонны или наращивания инструмента процесс бурения начинают при появлении на устье скважины стабильного потока пены. При больших глубинах процесс восстановления циркуляции длителен, и ждать выхода пены на поверхность нецелесообразно. Установлено, что давление в нагнетательной линии при бурении ниже, чем при заполнении скважины пеной после спуска снаряда, что связано с противодавлением и подъемом в кольцевом канале скважинных вод. Поэтому при большой глубине скважины можно начинать процесс бурения, как только давление на манометре начинает падать, приближаясь к рабочему, что свидетельствует о выходе пены из-под торца породоразрушающего инструмента.

Для снижения затрат времени на заполнение бурильной колоны и скважины пеной в поверхностную обвязку включают иногда в качестве накопителя ресивер, в котором пена накапливается в процессе спуско-подъемных операций. По окончании спуска инструмента пену из накопителя подают в скважину, одновременно включая КДУ. После восстановления циркуляции накопитель отключают.

Породоразрушающий инструмент и режим бурения

При бурении скважины с использованием пены применяют серийно выпускаемые долота, твердосплавные и алмазные коронки. Выбор породоразрушающего инструмента зависит от твердости, абразивности и трещиноватости горных пород. Учитывая, что шарошечные долота и твердосплавные коронки имеют развитую промывочную систему и в процессе бурения редко перегреваются, их следует выбирать по критерию механической скорости. Алмазные коронки должны обеспечивать при бурении достижение максимальной механической скорости без перегрева матрицы и алмазов, поэтому при прочих равных условиях при выборе алмазных коронок необходимо отдавать предпочтение конструкциям с развитой системой промывочных каналов и более крупными алмазами.

Параметры режима алмазного бурения снарядами со съемными керноприемниками ССК-59 и одинарными колонковыми наборами, отработанные ВИТРом на месторождениях Северо-Востока, приведены в табл.

В соответствии с литологическими особенностями геологического разреза бурение с пеной велось на частотах вращения 340-800 мин^-1, более высоких, чем при бурении с водно-солевым раствором (254-460 мин^-1).

Скважины промывали газожидкостной смесью со степенью аэрации =58-200 в зависимости от условий бурения. Так, при бурении в интенсивно трещиноватых, слабосцементированных породах использовали пену со степенью аэрации  = 100…200 (подача воздуха – Q_г = 0,8…1,0 м³/мин, раствора ПАВ – Q_ж = 5…10 л/мин), в слаботрещиноватых, плотных породах  = 58…112 (Q_ж = 0,7…1,8 м³/мин, Q_ж = 12…16 л/мин).

Давление пены в нагнетательной линии при бурении скважины глубиной до 600 м стандартными коронками 01А3, 01А4 составило Р_н = 2,0…2,5 МПа, однако в условиях интенсивных водопритоков в скважину Р_н поднималось до 3,0-3,5 МПА и более. В этом случае пена, находящаяся в буровом снаряде, в результате высокого гидростатического давления столба скважинных вод сжимается, интенсивность ее циркуляции через коронку резко снижается, что может привести к прижогу коронки. Кроме того, часть пены в кольцевом канале при большом гидростатическом давлении задавливается в трещины и создается зона повышенного давления. После окончания рейса и подъема бурового снаряда происходит интенсивный выброс пены, при этом время фонтанирования пены из буферных зон составляет 0,5-0,7 ч. С целью снижения давления в нагнетательной линии в условиях водопроявлений степень аэрации пены понижает до 58-75, повысив подачу раствора пенообразователя до 12-16 л/мин. При этом концентрация ПАВ увеличивается до 1,08 % (по активному веществу).

В процессе бурения стандартными импрегнированными коронками 02И3 с мелкими фракциями алмазов образуются минимальные зазоры между торцом коронки и забоем скважины. Пена, выходящая с большой скоростью из коронки в кольцевое пространство через эти стесненные зазоры, испытывает значительные гидравлические сопротивления, теряет качество и разрушается с выделением жидкой фазы. В результате вынос шлама с забоя ухудшается, нарушается температурный режим алмазной коронки, что приводит в дальнейшем к интенсивному износу и заполированию торца коронки и снижению механической скорости бурения. Установлено, при бурении в малоабразивных плотных породах наилучшие результаты показывают коронки типа 01А3, а в абразивных, трещиноватых – 01А4.

С целью повышения эффективности алмазного бурения в осложненных геологических условиях с пеной опробованы снаряды со съемными керноприемниками ССК-59. С применением комплекса ССК-59 отработано девять коронок типа К-01 и К-02, пройдено 355 м и разработаны основы технологии бурения. Бурение ССК-59 с ППС велось на оптимальных режимах; частота вращения колонны 576-800 мин^-1, осевая нагрузка до 1000 даН, расход раствора ПАВ 12 л/мин.

Особенности технологии бурения комплексом ССК-59 с пеной заключается в следующем. При низких динамических уровнях подземных вод в скважине керноприемник спускают в колонну с помощью овершота, а при высоких уровнях вод его забрасывают и он спускается под действием силы тяжести. При необходимости принудительная досылка керноприемника и его установка в наружной трубе колонкового набора производится подачей промывочной жидкости в количестве 70-100 л/мин в течение 5 мин.

После повышения давления в нагнетательной линии до 4 МПа и его стабилизации буровой насос выключали и включали пеногенераторную установку. Рабочее давление при работе со снарядами ССК-59 составляло 2,0-3,5 МПа.

Исследованиями установлено, что при бурении скважин с применением ССК-59 (в интервале глубин 300-600 м) при подклинивании керна в керноприемной трубе и сбрасывании резиновой манжеты сигнализатора рост давления в нагнетательной линии в результате сжатия пены происходит значительно медленнее, чем при использовании в качестве очистного агента – жидкости. При перекрытии сигнализатором проходного сечения в колонковом наборе подача пены к коронке прекращается и происходит интенсивный износ коронки, сопровождающийся значительным повышением мощности, что отмечается по показаниям самопишущего ваттметра и амперметра. Для предупреждения аварийной ситуации резиновые сигнализаторы колонкового набора убирают и заменяют специальными металлическими шайбами.

При прохождении пены в узких кольцевых зазорах колонкового набора и в скважине при алмазном бурении отмечаются значительные гидравлические сопротивления, что зафиксировано по показаниям манометра в нагнетательной линии (2-3,5 МПа).

При истечении пены через стесненный зазор между кернорвательным кольцом и матрицей коронки шириной менее 2 мм с большой скоростью создается зона разрежения и происходит частичное гашение пены.. Для предупреждения разрушения пены ширину зазора следует увеличить до 3-4 мм или в торцевой части керноприемника профрезеровать четыре паза радиусом 3 мм.

Предупреждение осложнений при бурении скважин с очисткой забоя пенами

При бурении скважин с очисткой забоя пеной наблюдаются осложнения, которые по причинам возникновения можно подразделить на геологические и технические.

Геологические осложнения при бурении с пеной возникают в тех же стратиграфических интервалах, что и при использовании традиционных промывочных агентов (структурированные, малоглинистые, соляно-эмульсионные и другие растворы). К геологическим осложнениям относятся водопритоки пластовых вод, поглощения пены и обрушения стенок скважины.

При сильных водопритоках восходящий поток пены несет с собой к устью скважины пластовую воду. При высоком статическом уровне скважинных вод вовлеченная в восходящей поток вода не успевает поглощаться в трещинах в процессе движения и обильным потоком изливается на поверхность. При низком расположении статического уровня пластовых вод восходящий поток успевает освободиться от излишей воды, которая заполняет трещины. При бурении в интенсивно трещиноватых, раздробленных породах зон разломов пена часто полностью поглощается и на поверхность не поднимается.

Эти осложнения можно предупредить, подобрав рецептуру и степень аэрации пены, при которых пластовое давление будет близко к гидростатическому. При уменьшении концентрации пенообразователя и снижении степени аэрации стабильность пены резко снижается и увеличивается ее плотность, в результате значительно ухудшается выносная способность пены и увеличивается вероятность поглощения. С целью своевременного предупреждения осложнений процесс бурения контролируется не только по приборам, но и визуально – по характеру выхода пены на поверхность.

При бурении в склонных к обрушению породах рекомендуется применять многокомпонентную пену, способную стабилизировать стенки скважины и выносить крупнообломочный материал. Такую пену начинают использовать до вскрытия горизонта неустойчивых пород и применяют при бурении всего горизонта.

К техническим осложнениям относятся негерметичность бурильной колонны, попадание воздуха в нагнетательную систему КДУ, отказ обратных клапанов бурильной колонны.

При нарушении герметичности бурильной колонны происходит частичное или полное прекращение циркуляции пены, что вызывает зашламование скважины, повышение давления в нагнетательной линии, резкое увеличение крутящего момента, прижог породоразрушающего инструмента на забое. Для предупреждения таких осложнений необходимо систематически проводить проверку бурильной колонны на герметичность и отбраковку изношенных труб. При проверке на герметичность необходимо заглушить нижний конец колонны и заполнить ее жидкостью. При подъеме колонны можно обнаружить дефект по выходу жидкости из труб или их соединений.

При работе КДУ отмечались случаи попадания воздуха в камеру сжатия, всасывающую и нагнетательную системы, что вызывает снижение производительности КДУ. Возможные причины – износ клапанов насосов, отказ дозировочного насоса, расслоение всасывающих шлангов. В качестве предупредительных мер рекомендуются профилактические осмотры КДУ.

Отказ верхнего обратного клапана приводит к выбросу пены при отсоединении ведущей трубы и разгерметизации верхней части бурильной колонны. Фонтанирование пены продолжается до полного выравнивания давления во внутренней полости колонны с атмосферным. Отказ нижнего обратного клапана сопровождается фонтанированием пены через бурильную колонну в течение всего времени ее подъема. Через неисправный нижний клапан пена уходит не только из бурильной колонны, но и из всей скважины и приствольной зоны.