Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

До настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос о природе сил взаимодействия бурильной колонны со стенкой скважины в интервалах залегания непроницаемых пластичных глин [21, 81]. Существует, например, мнение, что в случае при­жатия колонны труб под действием сил гравитации и упруго­сти к непроницаемой пластичной глине может произойти при­хват под действием полного гидростатического давления (явле­ние, подобное прижатию подводной лодки ко дну океана).

Для оценки опасности возникновения таких прихватов про­вели специальные исследования [39]. На металлокерамическом фильтре проницаемостью 800 мД при высоких температурах и давлениях формировали глинистую корку из раствора, залива­емого в стакан, помещенный в рабочую камеру установки. Дав­ление в камере создавали нагнетанием сжатого воздуха, тем­пературу — применением нагревательных элементов, регулируя ее в необходимых пределах с помощью контактного термометра. Формирование корки продолжалось в течение 1 сут, после чего снизу под металлокерамический фильтр устанавливали непро­ницаемую подкладку и камеру выдерживали под давлением еще 30 мин (для заполнения фильтратом всех пустот между металлокерамическим фильтром и непроницаемой подкладкой). Глинистая корка, помещенная на непроницаемое основание, имитировала пластическую непроницаемую глину, на поверх­ности которой в процессе циркуляции осаждаются твердые частицы из бурового раствора. Затем на глинистую корку уста­навливали плоский металлический пуансон диаметром 40 мм, на которой создавали определенное механическое давление рмех.

По истечении заданного времени контакта с глинистой кор­кой пуансон сдвигали вращением. При этом с помощью гидрав­лического динамографа непрерывно записывали величину при­ложенной силы, по максимальному значению которой вычисля­ли удельное сопротивление сдвигу металла по глинистой кор­ке а (гс/см2). На протяжении всего опыта, начиная с момента формирования корки и кончая сдвигом пуансона, в камере под­держивали постоянные температуру и давление.

При проведении экспериментов механическое давление на пуансон рмех соответствовало максимальной величине взаимо­действия бурильного инструмента и стенки скважины. Как из­вестно, наибольшее давление на стенку скважины бурильная колонна оказывает в интервалах с наименьшим радиусом кри­визны, т. е. там, где интенсивность искривления ствола Да максимальна.

Для оценки величины давления растянутой бурильной колон­ны на стенку искривленной скважины были проведены расче­ты по методике М. М. Александрова [7]. Результаты расчетов (табл. 9) показывают, что на практике в самых неблагоприят­ных условиях, когда искривление скважины достигает 10° на 100 м проходки, величина механического давления бурильной колонны на стенку скважины на единицу площади контакта между ними рмех (даже при весе инструмента ниже места искривления—100 тс и более) не превышает 600—700 гс/см2.

В табл. 10 для примера приведены результаты опытов, про­веденных на установке с использованием необработанного гли­нистого бурового раствора, приготовленного из бентонитового порошка. Во время опытов поддерживали следующие условия:

Давление, кгс/см2 . . . •…………………………………………… 30

Температура, °С……………………………………………….. 20—22

В случае использования проницаемого фильтра в условиях Рмех= 100 гс/см2 происходил прихват пуансона под действием

Таблица 9 Да, градус/100 м рмех (в гс/см*) ПРИ ширине по­верхности контакта колонны со стенкой (в см) Да, градус/100 м Рмех (в гс/см2) при ширине по­верхности контакта колонны со стенкой (в см) 3 5 7 10 3 5 7 10 2 1,16 0,70 0,50 0,35 8 4,66 2,80 1,75 1,40 4 2,32 1,40 1,00 0,70 10 5,82 3,49 2,50 1,75 6 3,49 2,09 1,50 1,05

Примечание. Рмех вычислено для случая, когда вес бурильной колонны ниже места искривления (с учетом облегчения в жидкости) равен 1000 кгс. Для других значе­ний табличные данные необходимо умножить на вес бурильной колонны (в тс) ниже ме­ста искривления.

перепада гидравлического давления ргидр и сила удельного соп­ротивления сдвигу о достигала значительной величины (см. табл. 10).

В опытах с непроницаемым фильтром величина удельного сопротивления сдвигу не превышала 670 гс/см2, хотя механи­ческое давление пуансона на глинистую корку доходило до 1590 гс/см2, т. е. в этом случае прихвата под действием гид­равлического давления в камере рГидр не происходило. Для под­тверждения этого вывода в табл. 10 приведены значения вы­численных условных коэффициентов сопротивления сдвигу: Лгидр+мех — Для условий совместного действия на пуансон ме­ханической и гидравлической нагрузок; /Смех — Для условия, когда на пуансон передается только механическое давление, а гидравлическое не влияет на силу прижатия пуансона к гли­нистой корке. Коэффициент сопротивления представляет собой отношение удельного сопротивления сдвигу к механическому или гидравлическому давлениям (или к их сумме рМех + Ргидр), т. е.

IS __________________ ° . IS о

»•мех — » Агидр.+мех — ■

Рмех Рмех "Г Ргидр

Коэффициент сопротивления, вычисленный из предположе­ния, что в прижатии пуансона к глинистой корке участвуют и механическое и гидравлическое давления — Кгидр+мех имеет очень малые величины (тысячные доли единицы) и в несколько десятков раз меньше соответствующего коэффициента для слу­чая прихвата под действием полного перепада давления (см. первую строку табл. 10). Поскольку это противоречит совре­менным представлениям о природе данного явления, можно сделать вывод, что на величину сопротивления сдвигу металла по глинистой корке в интервалах залегания непроницаемых по­род фактически влияет только механическое давление.

Таблица 10 Проницаемость фильтрата, мД а О О U я ъ. е* Я и Q. а а а и X а> S Q. о, гс/см2 Кч с X ■^гидр+мех при выдержке пуансона под нагрузкой в течение, мин 10 30 60 10 30 60 10 30 60 800 30 100 1350 3330 4650 13,50 33,30 46,50 0,045 0,110 0,123 0 30 100 40 50 50 0,40 0,50 0,50 0,002 0,002 0,003 0 30 210 80 90 90 0,38 0,43 0,43 0,003 0,003 0,003 0 30 530 210 220 210 0,40 0,42 0,40 0,007 0,007 0,007 0 30 740 260 370 310 0,35 0,50 0,42 0,008 0,012 0,010 0 30 1060 320 435 435 0,30 0,41 0,41 0,010 0,014 0,014 0 30 1590 410 620 670 0,26 0,39 0,40 0,013 0,019 0,021

Для доказательства этого вывода рассмотрим закономерно­сти определения вычисленного по экспериментальным данным коэффициента /Смех и соответствие этих изменений физическому смыслу коэффициента. ‘

В случае воздействия на пуансон только механического давления силы взаимодействия и сопротивления сдвигу по гли­нистой корке выражаются следующими уравнениями:

фобщ. мех — С/адг “Ь QTp — — f — flF.

(П) (12) (13)

мех —

XS — f — pSpMex;

где Qo6ia. мех — общая сила взаимодействия пуансона с глинистой коркой, гс; Qaflr — составляющая сила, обусловленная адгезией между металлом и глинистой коркой, гс; QTP — составляющая сила, вызванная механическим трением, гс; X — удельная сила. адгезии, гс/см2; р, — коэффициент трения металла по глинистой корке; Дмех — сила механического прижатия пуансона к корке, гс; 5 — площадь контакта пуансона с коркой, см2; рмех — сила механического давления пуансона на глинистую корку, гс/см2; сгмех — удельное сопротивление сдвигу при механической на­грузке, гс/см2; /Смех — коэффициент сопротивления сдвигу при действии механической нагрузки.

Видно, что с увеличением механического давления на пуан­сон рМех доля адгезионных сил, выражаемых удельной силой адгезии X, в коэффициенте сопротивления К мех должна умень­шаться. В то же время с увеличением механического давления должен уменьшаться и сам коэффициент /Смех в связи с тем, что коэффициент механического трения р с увеличением на­грузки меняется незначительно. Это подтверждается данными лабораторных исследований (см. табл. 10) и находится в пол­ном соответствии с представлениями о физических явлениях на контакте металл — глинистая корка. Также подтверждается, что гидравлическое давление в данном случае не участвует в дополнительном прижатии пуансона к глинистой корке, а силы взаимодействия металла с коркой формируются под действием только механического давления.

В случае использования проницаемого фильтра коэффициент сопротивления /Смех, вычисленный из предположения, что в фор­мировании сил взаимодействия пуансона с глинистой коркой участвуют только составляющие механического давления, дости­гает нескольких десятков единиц, хотя по своей физической сущности не может быть больше единицы. Следовательно, при применении проницаемого фильтра силы взаимодействия ме­талла с глинистой коркой формируются не только вследствие механической нагрузки, но главным образом под действием перепада гидравлического давления.

Фактические данные о кривизне скважины	Расчетная сила прижа­тия колонны к стенке скважины в данном интервале, кгс	Расчетная суммарная сила сопротивле­ния, кгс, при Кмех
интервал глубины, м	зенитный угол в кон­це интер­вала, градус	азимут в конце интервала, градус	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
0—75	0,5	75	258	757,9	1515,8	2273,7	3031,6	3799,5
75—100	2,5	64	782	732,1	1464,2	2196,3	2928,4	3660,5
100—175	8,0	40	1520	653„9	1307,8	1961,7	2615,7	3269,5
175—200	8,0	64	900	501,9	1003,8	1505,7	2007,6	1509,5
200—250	13,0	42	1510	402,7	807,4	1211,1	1614,8	2018,5
250—300	13,5	39	872	252,7	505,4	758,4	1010,8	1263,5
300—325	16,0	39	425	165,5	331,0	496,5	662,0	827,5
325—330	18,0	39	1230	123,0	246,0	369,0	492,0	615,0

Незначительный рост коэффициента сопротивления сдвигу с увеличением времени контакта объясняется проникновением пуансона в глинистую корку и взаимодействием с более плот­ными ее слоями. Однако во всех случаях даже после 12 ч непо­движного контакта гидравлическое давление в камере не влияло на величину сопротивления сдвигу металла по глинистой корке, лежащей на непроницаемом основании. В этих условиях силы взаимодействия пуансона с коркой формировались только под действием механического давления и не достигали величины,, способной вызвать прихват.

В табл. 11 для примера (с целью оценки величины АМех в реальных скважинах) приведены расчетные данные о величине сил сопротивления при спуске 324-мм обсадной колонны длиной 1000 м в скв. 6 Суркульско-Кумской площади, Ставрополье, кривизна ствола которой достигала 18°.

Сила прижатия колонны к стенке скважины определена по методике М. М. Александрова [7]. Суммарная сила сопротивле­ния (нагрузка на крюке сверх веса колонны с учетом облег­чения в жидкости) рассчитана для нескольких значений КМех (от 0,1 до 0,5), что охватывает все встречающиеся в практике и полученные на лабораторной установке величины этого коэф­фициента.

Фактические максимальные сопротивления при спуске ко­лонны достигали 2500—3000 кгс, что соответствует /Смех = = 0,3-^-0,4. Примерно такие же величины коэффициента сопро­тивления были получены и в результате лабораторных иссле­дований при неподвижном контакте пуансона с глинистой коркой на непроницаемом основании. Следовательно, условия, заложенные в основу лабораторных исследований, близки к условиям, существующим в реальной скважине.

На основании описанных выше исследований можно сделать вывод, что в формировании сил взаимодействия колонны труб и стенки скважины в интервале залегания непроницаемых пла­стичных глин гидростатическое давление не участвует.

Вместе с тем расчеты, проведенные в соответствии с усло­виями в скважинах, в которых произошли прихваты, показы­вают, что в результате механического давления на стенку скважины под действием веса бурильной колонны при нор­мальном профиле поперечного сечения ствола (который опреде­ляет площадь контакта, а следовательно, и суммарную величину сил адгезии) сила сопротивления страгиванию колонны вдоль оси скважины должна быть намного меньше величины факти­чески достигнутых нагрузок, прилагаемых к колонне в процессе ее расхаживания при освобождении от прихвата. Таких зна­чений силы взаимодействия могли достичь только в том случае, когда площадь соприкосновения бурильной колонны с пла­стичными глинами составляет почти половину боковой поверх­ности УБТ.

С теоретической точки зрения, прихват под действием пол­ной величины гидростатического давления может возникать, если инструмент, находясь в интервале залегания непроницаемых пород в течение продолжительного времени, будет прижат к стенке скважины под действием силы, приводящей как к пол­ному удалению жидкости из зоны контакта, так и к полному контакту инструмента с породой, исключающему проникно­вение жидкости в зону контакта и выравнивание давления. В этих редких случаях колонна труб будет прижата к стенке скважины силой, равной произведению полной величины гидро­статического давления на площадь контакта со стенкой сква­жины.

В условиях скважины прихват колонны в интервале залега­ния проницаемых отложений происходит при действии, с одной стороны, гидростатического давления столба бурового раствора, с другой — пластового давления (противодавления). Для опре­деления влияния противодавления к нижней части камеры установки [66] подсоединяли линию высокого давления. В про­цессе формирования дорки и прихвата пуансона создавали противодавление. При этом использовали бентонитовый раствор.

Как показали исследования (табл. 12), при одинаковом перепаде давлений силы сопротивления тем больше, чем больше абсолютные значения давлений в камере и под фильтром.

В случае действия высоких давлений в скважине и пласте, например 450 и 400 кгс/см2 или 950 и 900 кгс/см2, вероятность возникновения прихвата значительно выше, чем в случае дей­ствия более низких давлений, например 250 и 200 кгс/см2 (при прочих равных условиях). Это обстоятельство свидетельствует о том, что с увеличением глубины скважины, а следовательно, гидростатического и пластового давлений опасность возникно-

Давление, кгс/см2	Удельная сила сопротивления, кгс/см2, при контакте в течение, ч	неподвижном
в камере	под фильтром	0,5	1	3	5
40	0	2,0	3,4	7,0	8,4
50	10	2,1	3,9	7,5	8,7
Б	0	0,4	0,8	1,0	1,2
20	15	0,7	1,0	1,4	1,8
40	35	1,0	1,3	1,8	2,2

вения прихвата возрастает даже в тех случаях, когда в про­цессе проводки скважины поддерживается постоянный перепад давления на проницаемые пласты.

При разбуривании проницаемых отложений происходит не­прерывная фильтрация жидкой фазы бурового раствора с обра­зованием фильтрационной корки, что приводит к повышению давления флюида в приствольной зоне скважины (при незначи­тельной проницаемости коллекторов). Видимо, давление в при­ствольной зоне, именуемое некоторыми исследователями дина­мическим пластовым давлением, может существенно отличаться от начального пластового. В этом случае перепад давления приближается к нулю. Нетрудно убедиться, что процесс вырав­нивания давления будет тем интенсивнее, чем больше водо­отдача раствора. С другой стороны, при увеличенной водоотдаче раствора сила прихвата возрастает.

Снизить гидростатическое давление до пластового можно установкой жидкостных ванн для ликвидации прихватов. Время выравнивания давления для нефтеводонасыщенных пластов со­ставляет несколько часов, для газонасыщенных — значительно больше {45).

Наиболее интенсивно выравнивает давление соляровое масло (по сравнению с нефтью, водой, буровым раствором) [76]. Дав­ление при установке ванны выравнивается медленнее, если корка образована из утяжеленного раствора.

Комментарии запрещены.