Разработка методов предупреждения прихватов и поломок бурильных труб на участках искривления ствола глубоких скважин

Прихватом бурильной колонны называется ситуация, когда сумма сил от весовой составляющей колонны труб и сил сопротивления ее движению вверх либо превышает грузоподъёмность буровой установки, либо достигает таких значений, когда в одном из сечений колонны запас прочности уменьшается ниже допустимой величины. Аномальным вариантом прихвата также является случай, когда бурильный инструмент из-за возросших сил сопротивления не движется вниз при разрешённых значениях разгрузки инструмента в процессе его расхаживания.

Прихваты бурильных колонн, поломки бурильных труб связаны, как правило, с аномальными силовыми и моментными воздействиями на элементы бурильных колонн, из которых наиболее опасными являются силы трения и изгибающие моменты, возникающие в трубах. Наличие желобов способствует увеличению сил сопротивления движению колонны труб в скважине.

В данной работе получили дальнейшее развитие научно-методические положения, разработанные различными исследователями в области изучения механизма прихватов, причин поломок труб и разработке мер по их предупреждению.

Основное внимание уделено анализу технологической ситуации и прогнозированию возникновения предаварийной (предкризисной) ситуации на основе учёта влияния извилистости ствола, осложненного желобами, на силы сопротивления в скважине. Разработаны научно-методические основы расчёта этих сил, реализованные в виде «Инструкции по расчету дополнительных усилий в бурильных колоннах при бурении наклонно направленных скважин», в которых впервые учтено влияние желобов на силы сопротивления.

Разработаны и предложены принципиально новые рекомендации по прогнозированию прихватов, а также по предупреждению прихватов и поломок бурильных труб.

Предупреждение аварий с бурильными трубами в желобах сводится к решению трёх задач:

— предупреждение образования прихватоопасных желобов в вертикальных и наклонно направленных скважинах на этапе проектирования траектории и технологии бурения скважины;

— распознавание превращения желобов в прихватоопасные и приведение их в прихватобезопасное состояние;

— контроль за фактическим напряжённым состоянием всех элементов бурильной колонны в процессе проводки скважины в условиях наличия желоб-ных выработок и предупреждение поломок труб из-за локального уменьшения запасов прочности;

— планирование и осуществление мер по выведению скважины из предкризисного состояния в отношении возможных прихватов.

Решение перечисленных задач стало возможным благодаря полученным в последнее время новым научным данным о механизме формирования желобов и разработке новой методики расчёта сил трения в наклонно направленных или «извилистых» скважинах.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Прихваты бурильных колонн и вызванные ими поломки бурильных труб всегда сопровождали и, вероятнее всего, будут и в дальнейшем сопровождать строительство глубоких скважин. Из всего многообразия прихватов большая часть прямо или косвенно связана с желобообразо-ванием: заклинивание труб и прихваты под действием перепада давления (диффернциальные прихваты).

Анализ аварий и осложнений, связанных с жёлобобразованием, например, в филиале «Севербургаз», показал, что, несмотря на наметившуюся тенденцию уменьшения затрат времени на ликвидацию последствий аварий и осложнений, временные затраты на ликвидацию прихватов и аварий составляют многие сотни часов на 1000 м проходки. Из сказанного следует, что разработка научно обоснованных мер по предупреждению прихватов является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка методов предупреждения прихватов и поломок бурильных колонн на участках искривления ствола глубоких скважин.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе предусмотрено решение следующих задач:

— экспериментальное изучение процесса жёлобообразования при трении пары «сталь — порода» в условиях, моделирующих условия трения бурильных труб в скважине;

— аналитическая оценка процесса формирования желобных выработок и силового взаимодействия бурильных труб на искривлённых участках скважины;

— разработка методики расчёта напряжённого состояния бурильной колонны в извилистой скважине;

— разработка методик прогнозирования возможного прихвата и поломок бурильной колонны с реализацией их в виде компьютерных программ и технических средств и технологий по предупреждению прихвата.

Научная новизна:

Экспериментально установлено, что в результате интенсивного нагрева горной породы трением стального кольца о породу в среде глинистого раствора наблюдается послойное разрушение породы с образованием кольцевого желоба, а при трении в водной среде вследствие интенсивного охлаждения стального кольца порода не разрушается и желоб не образуется.

Доказано, что при определенных сочетаниях радиуса кривизны скважины, осевых усилий в бурильной колонне и длины трубы на искривленных участках скважины интенсивность термоциклического воздействия на породу при трении бурильных труб о стенки скважины при спускоподъемных операциях достаточна для образования желобов, диаметр которых равен диаметру трубы.

Установлено, что прихваты бурильных колонн в искривленных скважинах, в которых имеются желоба диаметром, равным диаметру трубы, или когда в процессе бурения возникли условия для их образования, объясняются возникновением и нарастанием клинового трения на замках бурильных труб при условии, что ширина желобов увеличивается во времени вследствие обрушения стенок желобов, а глубина желобов достаточна для проявления клинового трения. Обоснован и впервые предложен «показатель извилистости скважины» как нарастающая сумма (сверху вниз) относительных сил прижатия труб к стенке скважины, при этом по разности показателей извилистости фактического и проектных профилей можно объективно оценить качество ствола и прогнозировать возможное аномальное нарастание сил трения в скважине.

Практическая ценность:

— Методика расчёта осевых, прижимающих сил и моментов вращения в бурильной колонне с учётом влияния желобов, образовавшихся на искривленных участках скважины, применение которой обеспечивает существенное повышение точности расчетов колонн на прочность.

— Методика расчёта бурильных колонн в реальной скважине, осложнённой извилистостью траектории ствола, и реализующая ее компьютерная программа, применение которых обеспечивает расчёт напряжённого состояния бурильной колонны в бурящейся скважине и предупреждение разрушения бурильных труб.

— Методика по проектированию профиля наклонно направленных и горизонтальных скважин и реализующие её компьютерные программы, использование которых обеспечивает обоснованный выбор оптимального профиля на основе многовариантного экспертного анализа.

— Комплекс технических и технологических рекомендаций по предупреждению прихватов и аварий бурильных колонн в наклонно направленных и извилистых скважинах, применение которого обеспечивает прогнозирование предкризисной в отношении прихвата обстановки в скважине и выведение её из этого состояния.

Защищаемые положения:

1. Методика расчета параметров желобов на искривленных участках скважины, основанная на том, что желоба образуются в результате термоциклического воздействия на породу в процессе трения тела бурильных труб при спускоподъёмных операциях, обеспечивает существенное повышение точности расчётов усилий и моментов в колонне труб и прогнозирование прихвата бурильных и обсадных колонн в желобных выработках.

2. Методика расчета усилий и моментов, действующих на бурильную колонну в извилистой скважине, предусматривающая организацию итерационного расчетного цикла для уточнения сил трения на искривленных участках ствола скважины, обеспечивает существенное повышение точности расчета напряжений, запасов прочности элементов бурильной колонны с учётом клиновых сил в желобах и предупреждение разрушения бурильных колонн.

3. Комплекс предложенных технологических и технических мер, включающий выбор безопасного профиля наклонно направленной скважины, применение специальных КНБК, модернизацию базовой части бурильной колонны в процессе углубления скважины, применение укороченных стандартных труб, контроль за изменением темпа нарастания осевых сил и момента на вращение инструмента, обеспечивает прогнозирование и предупреждение прихвата колонн в желобах.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием комплекса методик, включающего: анализ и обобщение данных, опубликованных в отечественной и зарубежной литературеэкспериментальное исследование процесса формирования жёлобааналитические исследования силового взаимодействия бурильных труб со стенкой скважиныпроведение численных экспериментов на компьютерных моделях процессов подъёма и спуска скважины. Полученные при проведении экспериментальных исследований результаты анализировались и обрабатывались методами математической статистики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом аналитических исследований и экспериментов в стендовых и производственных условиях, близкой сходимостью расчетных показателей с данными практики бурения, положительными результатами внедрения полученных в работе рекомендаций.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались: на Всероссийской научно-практической конференции «Передовые технологии строительства скважин» в г, Пермь (ноябрь 2004 г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Севергеоэкотех» при Ухтинском государственном техническом университете в 2005;2007 годах, научно-технических семинарах «СеверНИПИгаз» и филиала «Севербургаз» (г. Ухта).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 8 статьях, в том числе 7 — в журнале «Строительство нефтяных скважин на суше и на море» .

Структура и объём работы.

Диссертационная работа изложена на 159 стр., состоит из 6 разделов (глав), содержит 70 рисунков, 4 таблицы.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору П. Ф. Осипову за большую и постоянную помощь в постановке и решении задач исследований по теме диссертации.

Неоценимую помощь в подготовке диссертационной работы оказали кафедра бурения УГТУ во главе с профессором В. Ф. Буслаевым, коллеги по Службе заказчика по ГРР и строительству скважин ООО «Севергазпром» во главе с Н. И. Кузнецовым, коллеги ООО «Вуктылгазгеофизика» во главе с директором А. В. Скобелевым, к которым автор испытывает чувство глубокой благодарности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Экспериментально подтверждена теория о термоциклическом механизме формирования желобов при трении бурильных труб о породу на искривлённых участках скважины, в соответствии с которой максимальный диаметр желоба не может быть больше диаметра трубы.

2. Установлено, что желобообразование не зависит от твёрдости породы.

3. Аналитически решена задача по определению глубины и ширины жёлоба в зависимости от параметров трубы и радиуса искривления скважины.

4. Установлено, что с увеличением длины трубы максимально возможная глубина жёлоба увеличивается, и для конкретного радиуса искривления существует своя критическая длина трубы, соответствующая началу жёлобообразования.

5. Разработана методика расчёта сил трения при движении колонны труб в наклонно направленных и горизонтальных скважинах, основанная на потрубном учёте действующих сил, в том числе клиновых сил между замками бурильных труб и кромками желобов.

6. Установлено, что механический прихват бурильных колонн может происходить в результате расширения во времени желобов до размеров, близких к диаметру замков или УБТ в результате, например, гидратации глин.

7. При выборе участков искривления скважины в наклонно направленных скважинах не рекомендуется размещать их в глинистых породах.

8. Разработан комплекс программных средств для выбора оптимального профиля по критерию минимума сил прижатия и для расчёта напряжённого состояния бурильной колонны на стадии проектирования и в реальной скважине с извилистым профилем, описанным инклинометрическими измерениями.

9. Обоснована и предложена для практического использования методика определения показателя извилистости ствола по данным инклинометрии, на основании которого можно оценить степень риска в отношении возможных прихватов бурильной колонны.

10. Предложена методика косвенной оценки уровня сил сопротивления движению бурильной колонны в реальной скважине методом, основанном на анализе изменения нагрузки на долото во времени при бурении без подачи инструмента (методом «выработки забоя»).

11. Предложен комплекс технических и технологических мер по предупреждению аномального увеличения сил сопротивления движению и вращению колонны труб, включающий выполнение тепловых расчётов в зоне трения, нормирование скорости движения колонны, корректировку КНБК и элементов бурильной колонны.

12. Разработана методика прогнозирования предкризисной ситуации, предшествующей прихвату инструмента, путём оперативного анализа динамики изменения усилий при подъёме и спуске инструмента в сочетании с моделированием этих процессов расчётным методом.

13. Разработана технология выведения бурящейся скважины из предкризисного состояния, предусматривающая расширение желобов до диаметра замков или УБТ с помощью специальных желобных райберов и технологии расширения.

14. На промысловом опыте доказана возможность прогнозирования мест разрушения бурильных труб на основе оперативного анализа запасов прочности и выносливости по длине бурильной колонны с помощью компьютерной программы расчёта напряжённого состояния бурильных труб в извилистой скважине при роторном бурении.