содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

§ 13. ФРИКЦИОННЫЕ И АДГЕЗИОННЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПО ПОРОДАМ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРИХВАТ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

Оценка фрикционных и адгезионных сил, противодействующих движению бурильного инструмента в скважине, показывает, что сопротивление движению труб, обусловленное контактированием с фильтрационной коркой, имеет подчиненное значение по сравнению с противодействием, возникающим при движении по породам, слагающим стенки скважины.

Так, усилие сдвига по фильтрационной корке, полученной из бурового раствора, содержащего 20% дружковского глинопорошка, обработанного 5% УЩР при перепаде давления 30 кгс/см2, составляет 3,4 тс/м2 поверхности контакта. При тех

же условиях это усилие по песчанику составляет 32 тс/м2. Низкая механическая прочность структур корок обусловливает легкость разрушения их инструментом, сдирающим или выдавливающим корку при его спуске или подъеме в процессе бурения, изгибе нагруженной колонны, искривлении ствола, движении инструмента в наклонно-направленных скважинах и т. п. В результате происходит желобообразование, сопровождающееся увеличением площади контакта. Когда затяжки и прихваты не вызваны заклиниванием инструмента выбуренной сужениями ствола или образованием сальников на долоте и бурильных трубах, противодействие движению инструмента следует считать суммарным эффектом, обусловленным контактом как с породой, так и с глинистой коркой.
 

В проницаемых породах часто приходится иметь дело не с величиной PN, а со значительно меньшей величиной P'N, поскольку часть перепада давления расходуется на преодоление

гидродинамического сопротивления R в фильтрационной корке или же породе:

P'n = Pn — R

Чем больше проницаемость, тем меньше значение R и тем ближе значение PN к P'n, при этом растет и водоотдача, а следовательно, и толщина корки. Угол охвата р и периметр контакта с породой /п увеличиваются как с ростом толщины глинистой корки, так и по мере вдавливания трубы в глинистую корку.

Однако при низкой проницаемости, когда мала водоотдача и весьма велики значения р, /п и R, значение P'n — min, но усилие прихвата Fc может иметь значительную величину вследствие высокой прочности структур корки Рт или трения по прочным и плотным горным породам.

В непроницаемых пластах при тех же условиях действует полное гидростатическое давление. Если погружение труб в глинистую породу велико (большие значения р и Ln) как, например, в глинах, то силы сопротивления могут достигнуть весьма значительной величины и вызвать тяжелые прихваты. В твердых непроницаемых породах несмотря на высокие коэффициенты трения эта опасность не возникает из-за весьма малой площади контакта.

Из сказанного следует, что как ни велики значения водоотдачи, коркообразования и перепада давления, они не позволяют однозначно характеризовать процесс прихватообразования, как это делают некоторые авторы [66]. Для этой цели необходима совокупная оценка ряда действующих факторов. Так, важна физико-химическая характеристика пород, в частности их гидро-фильность. Выше указывалось, что в зависимости от этого критерия могут существовать три механизма движения бурильного инструмента по стенке скважины: 1) механизм внешнего трения, возникающий в случае, когда буровой раствор не взаимодействует с породой и на ней не откладывается корка; 2) механизм структурный, когда движение сдерживает прочность структур, возникающих при контакте пород с буровым раствором или существующих в фильтрационной корке; 3) смешанный механизм, когда фрикционные сопротивления возникают как по корке, так и по проницаемой породе. Если первый случай типичен для участков стволов, сложенных сравнительно малогидрофильными породами (карбонатными, кристаллическими, песчаниками и т. п.), а также для глинистых пород, проходимых с промывкой углеводородными жидкостями или с продувкой газообразными агентами, то второй характерен для глинистых пород в водных промывочных средах, а третий — для высокопроницаемых песчаников.

Широко распространен также смешанный механизм затормаживания инструмента, когда на малогидрофильных, но проницаемых породах нарастает достаточно толстая глинистая фильтрационная корка. В этом случае сопротивления, обусловленные трением по породе и разрушением корки, суммируются. Хотя сопротивление структур корки, выраженное условным коэффициентом трения, невелико по сравнению со значением его при движении по породе, существенную роль играет увеличение площади контакта, на которую распространяется действие перепада давления.

Из табл. 20 видно, что с увеличением толщины корки с 5 до 10 мм усилие сдвига инструмента возрастает незначительно, но при перепаде давления 30 кгс/см2 оно возрастает в 8 раз.

Прихваты, образующиеся в непроницаемом глинистом разрезе, имеют особенности, обусловленные структурным механизмом сопротивлений, созданием высокоструктурированных прослоек паст на поверхностях контакта глины с буровым раствором на водной основе. При этом происходят капиллярные осмотические и диффузионные процессы, ведущие к развитию влажности, набухания, самодиспергирования и лиофильной коагуляции.

Глинистые породы вследствие образования коагуляционных структур, несмотря на отсутствие фильтрации, подчиняются закономерностям, характерным для движения инструмента по фильтрационным коркам. Это относится также и к образованию структурно-неоднородных слоев, т. е. таких структур, прочность которых возрастает по мере углубления в породу вследствие

меньшего обводнения. Как было показано на рис. 39, из образцов проходимых глинистых пород можно приготовить несколько образцов дисперсных паст с разной влажностью и установить значения сопротивлений движению инструмента в данном интервале скважины. Глинистые породы, слагающие ствол скважины, можно разбуривать ингибированными буровыми растворами с малой водоотдачей, обусловливающей минимальную толщину обводненных слоев при значительной их прочности, или растворами со значительными водоотдачей и смачивающей способностью, дающими толстые пограничные слои обводненной пасты с менее прочной структурой. Как показывает опыт, преимущество имеют ингибированные растворы с малой активностью к глине и небольшой водоотдачей.

Другой специфической особенностью структурированных глинистых паст, образующихся на поверхности ствола, является их высокая адгезионная способность. В определенном диапазоне влажности прочность глинистых паст на сдвиг меньше, чем прочность на отрыв, что отличает их от фильтрационных корок. Превышение сил адгезии над предельным статическим напряжением сдвига в этом случае увеличивается в 1,5 раза. Это обусловливает необходимость их учета при оценке сопротивлений по наиболее невыгодному варианту. Из двух наиболее опасных ситуаций — при бурении в высокопроницаемых породах и вскрытии непроницаемых, но размокающих глинистых толщ — адгезию следует учитывать именно в последнем случае, хотя при движении инструмента в стволе сдвиговые деформации играют значительно большую роль, чем отрыв.

В соответствии с рассмотренными механизмами сопротивления движению инструмента благоприятствующими факторами являются: доведение перепадов давления до минимума, снижение плотности буровых растворов и их водоотдачи, ингибирование и введение смазочных добавок. Положительная роль последних заключается не только в создании смазочных слоев на поверхностях трения и влиянии на механические свойства фильтрационных корок и пород, но и в создании гидравлического тракта в зоне контакта, способствующего выравниванию действующего перепада давления.

Антифрикционное действие смазочных добавок возрастает при переходе от водорастворимых веществ к гидрофобным углеводородным добавкам и их смесям. Например, 5—6% нефти снижают силы сопротивления в 2—3 раза, а в смеси с серебристым графитом  в 4—5 раз. Наиболее интенсивно смазочное действие синтетических жирных кислот (СЖК) и их производных, а также окисленного петролатума (смада). В сочетании с 1,5—2% графита добавка 1,5—2% смада часто снижает фрикционные сопротивления на один порядок и более. Эта добавка позволяет уменьшить сопротивление движению инструмента с 8,5 до 0,85 тс на 1 м прихваченной части труб, т. е. в 10 раз.
 

Полученные фрикционные и адгезионные характеристики при движении стали бурильных и обсадных труб по глинистым коркам и горным породам в различных средах буровых растворов могут быть использованы в технологических и инженерных расчетах при оценке сил сопротивления движению, усилий прихватов, затяжек и посадок бурильного инструмента и обсадных колонн в скважинах [40, 54 , 57 ].

Эти данные могут быть полезны при расчетах осевых нагрузок на долото с учетом сил сопротивлений движению бурильного инструмента в скважине, а также при выборе грузоподъемности бурового оборудования и буровых установок [57].

Физико-химические методы регулирования фрикционных и адгезионных свойств глинистых корок и горных пород при контакте с бурильным инструментом позволяют определить пути и средства снижения этих усилий и предупреждения прихватов бурильного инструмента в процессе проводки глубоких скважин. Исследованные смазочные добавки позволяют не только снизить фрикционные и адгезионные контактные взаимодействия бурильного инструмента со стенками скважины, но и значительно улучшить работоспособность шарошечных долот, условия работы забойных гидравлических двигателей и т. д. [90].

Все это в целом способствует повышению технических показателей бурения, снижению аварийности с долотами и бурильным инструментом, улучшает условия проводки глубоких скважин. Например, применение смазочной добавки (смад) в объединениях Перм-нефть, Дагнефть, Саратовнефтегаз, Укрнефть и многих других позволило улучшить работоспособность долот, повысить проходку на долото на 30—35% и более и значительно снизить (на 25—30%) время на ликвидацию прихватов бурильного инструмента и осложнения при бурении в глинистых отложениях [39, 41, 47].

Таким образом, из изложенного следует, что одним из путей снижения сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважинах, повышения работоспособности бурильных труб и породоразрушающего инструмента является улучшение смазочных свойств буровых растворов. Исследованные смазочные добавки недефицитны, и технология их применения проста и доступна. Применение смазочных добавок не только снижает трение бурильного инструмента по глинистой корке и горным породам, но и благоприятно сказывается на работе бурового долота, состоянии стенок скважин, способствует увеличению межремонтного периода работы турбобуров, снижает гидравлические сопротивления в циркуляционной системе скважины 190]. Кроме того, существенно снижается число прихватов бурильного инструмента, появляется возможность управлять трением, адгезией и силами прихвата физико-химическими методами. Широкое и повсеместное внедрение смазочных добавок к буровым растворам на водной основе является эффективным залогом повышения технико-экономических показателей бурения.