Глава IV СНИЖЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ДВИЖЕНИЮ
БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ЕГО ПРИХВАТОВ
§ 1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА И ПРИЧИНЫ ЕГО
ПРИХВАТОВ
По мере роста глубин скважин возрастают стоимость и сложность проводки
скважин. Аварии, связанные с прихватом бурильного инструмента и обсадных
колонн, причиняют большие убытки буровым предприятиям, резко ухудшают
показатели буровых работ, темпы разведки и разработки нефтегазоносных
структур, сдерживают ввод в эксплуатацию месторождений нефти и газа.
Практикой бурения показано, что при строгом соблюдении технологических
требований, своевременном проведении профилактических мероприятий,
химической обработки буровых растворов, контроле их качества можно
существенно снизить аварийность, связанную с прихватами бурильного
инструмента.
Большое значение имеет снижение сил сопротивления движению инструмента в
наклонно-направленном бурении, поскольку на наклонных участках бурильные
трубы прилегают к стенкам скважины В этом случае происходит трение как
по фильтрационной корке, так и по породе. Особенно велики фрикционные и
адгезионные сопротивления при значительных отклонениях ствола от
вертикали, превышающих в ряде случаев 2000 м и более.
Сопротивления, возникающие при движении инструмента в скважине, давно
привлекают внимание многих исследователей. До настоящего времени не
решены вопросы, связанные с выяснением причин и природы сил
сопротивления движению, противоречивы взгляды па механизм прихвата
инструмента, не изучены в достаточной мере структурно-механические
характеристики фильтрационных корок, не установлена их взаимосвязь с
адгезией и трением. Не выяснено влияние адгезии и трения о корки и
породы на прихват бурильного инструмента.
Дальнейшее совершенствование техники и технологии бурения глубоких
скважин ставит задачу количественной оценки сил, противодействующих
движению бурильной колонны, и изыскания эффективных средств и методов
предупреждения и ликвидации прихватов. Практикой бурения установлено,
что рост сил сопротивления движению инструмента, приводящих к прихватам,
обусловлен рядом причин, основными из которых являются:
1) несоответствие качества бурового раствора
свойствам проходимых пород;
2) неудовлетворительная очистка бурового раствора от выбуренной породы,
накопление ее в кавернах ствола и образование шламовых пробок в
скважине;
3) обвалы и осыпи, набухание и пластическое течение неустойчивых пород,
сужающих ствол скважины;
4) образование глинистых сальников на долоте, УБТ, корпусе турбобура,
замковых соединениях труб и других элементах б> риль-ного инструмента;
5) выработка желобов на стенке скважины;
6) низкие скорости потока бурового раствора в затруб-ном пространстве,
затрудняющие вынос выбуренных частиц с забоя, или нарушение циркуляции
бурового раствора в скважине;
7) заклинивание бурового инструмента в суженной или непро-работанной
части ствола вследствие смены компоновки инструмента в наклонной или
искривленной скважине, падения в ствол посторонних предметов или
обломков горной породы и т. д.;
8) нарушение продольной устойчивости бурильного инструмента при высоких
осевых нагружениях собственным весом труб;
9) смятие обсадных промежуточных колонн;
10) полет инструмента из-за обрыва бурильной колонны и талевого каната;
11) прижатие бурильного инструмента к проницаемой стенке скважины
вследствие перепада гидростатического и пластового давлений;
12) прилипание и трение бурильных и обсадных труб о фильтрационную корку
или о породы, слагающие ствол скважины.
Эти причины приводят к сложным и длительным авариям, составляющим 18—20%
от общего числа аварий в бурении.
Опыт бурения глубоких скважин показывает, что большинство случаев
прихвата инструмента происходит против поницаемых и глинистых пород, не
обсаженных колонной, и в 50—80% случаев — при статическом состоянии
инструмента. Перечисленные выше причины прихвата инструмента, как
правило, являются следствием нарушения технологии проводки скважин, но в
ряде случаев обусловлены и геологическими факторами.
Многие исследователи основной причиной прихватов считают прилипание
бурильного инструмента к глинистой корке, усиливающееся по мере
возрастания перепада давления, прижимающего трубы к стенке скважины [12,
58, 86].
Однако некоторые исследователи причиной прихвата инструмента считают не
только прилипание, но и фрикционные сопротивления между колонной труб и
фильтрационной коркой. Эти сопротивления возрастают по мере роста
перепада между гидростатическим и пластовым давлениями в скважине [12].
По мнению А. А. Шамсиева и Ф. А. Дашдамирова и других [12, 88], в
глинистом, практически непроницаемом, разрезе действует уже не перепад
давления, а полное гидростатическое давление столба бурового раствора. В
этом случае инструмент прилипает к глинистой породе, слагающей стенки
скважины.
Подобные разногласия в значительной мере объясняются недостатками
применяющихся методов оценки адгезии, а также фрикционных и
структурно-механических свойств корок и пород.
В большинстве опытов адгезию и трение измеряли при атмосферных условиях
без учета факторов, действующих в скважине: длительности формирования
корки, ее контакта с трубами, действующего перепада давления, уплотнения
корок и т. д. В ряде случаев адгезию и трение оценивали косвенными или
физически недостаточно обоснованными методами. В более поздних работах
адгезию и трение измеряли уже в среде бурового раствора с учетом
действующего перепада давления. Однако и в этих опытах не учитывали
физико-химическую природу фильтрационных корок и исходных буровых
растворов, их фильтрационное уплотнение, кинетические факторы и др.
Общим недостатком проводившихся до сих пор измерений адгезии и трения
является их неопределенность, обусловленная структурной неоднородностью
корок, вследствие чего измеряемые величины относятся к разным слоям
корки, существенно отличающимся по механическим свойствам. Таким
образом, следует обратить особое внимание на изучение
структурно-механических свойств фильтрационных корок. Не меньшее
значение имеют адгезионные и фрикционные силы, развивающиеся на
поверхности контакта бурильного инструмента с горными породами.
Использовать имеющиеся данные, которые позволили бы рассчитывать силы
сопротивления, затруднительно, поскольку, как правило, они получены в
условиях сухого трения, без учета влияния среды бурового раствора [13,
81 ]. В связи с противоречивыми взглядами на роль адгезии и трения в
балансе сил сопротивления движению инструмента в скважине и
недостаточной достоверностью имеющегося экспериментального материала в
настоящее время трудно составить четкое представление об основных
причинах и факторах, обусловливающих возникновение сил сопротивления
движению и прихваты бурильного инструмента.
Для выявления этих сил необходимо разработать физически обоснованный
метод и прибор для изучения структурно-механических, адгезионных и
фрикционных свойств различных слоев фильтрационных корок и пород, а
также провести эти измерения с учетом таких факторов, как состав и
физико-химическая характеристика буровых растворов, длительность
контакта, действующий перепад давления, вид пород, их влажность и др.