Бурения скважин в осложненных условиях

· высокие скорости циркуляции промывочной жидкости, ускоряющие эрозию пород.

В таблице 25 приведены разновидности нарушения целостности стенок скважины с указанием характерных признаков по принадлежности к типу вскрываемых пород и последствий.

Таблица 23: Нарушения целостности стенок скважины

Разновидность нарушения целостности стенок скважин	Тип пород и условия возникновения нарушения	Последствия
1	2	3
Раскрытие естественных и образование новых трещин	Вскрытие сбросовых и трещиноватых зон, обусловленных структурообразовательными процессами, а также пород любой разновидности при критических значениях давления в скважине в условиях АВД флюида пласта, выдавливания пород и т.п.	Поглощения, потери циркуляции и устойчивости стенок скважин осыпи и обвалы при сопутствующих им условиях
Образование каверн	Вскрытие рыхлых слабосвязанных пород, подверженных эрозионному размыву и поверхностному осыпанию ввиду незначительных сил сцепления между частицами и физико-химических процессов, происходящих при контакте ствола с буровым раствором	Снижение скоростей движения бурового раствора, образование застойных зон и скопление шлама в зоне каверн, потеря ствола, а также некачественность цементирования обсадных колонн, большой расход цемента
Образование желобов	Вскрытие пород любой разновидности в условиях наклонного бурения, искривления ствола и длительного воздействия бурильных труб на стенки скважины в период СПО или бурения	Прихваты бурильного инструмента, посадка и недоспуск обсадных колонн
Набухание	Вскрытие пород, содержащих монтмориллонит и ему подобные минералы, вступающие в физико-химическое взаимодействие с фильтратом (на водной основе)	Уменьшение диаметра ствола, заклинивание долот, недоспуск обсадных колонн
Сужение	Вскрытие высокопроницаемых пород, способствующих интенсивной и глубокой фильтрации жидкой фазы раствора, вследствие чего происходит нарастание глинистых корок большой величины	Уменьшение диаметра ствола, затяжки и посадки инструмента; заклинивание долота или обсадных колонн; прихват бурильных труб из-за перепада давления
Вытекание	Вскрытие высокопластичных пород, склонных под действием эффективных напряжений деформироваться со временем, т.е. ползти и выпучиваться в ствол скважины	То же, что и при образовании желобов, а также возникновение осыпей и обвалов
Осыпание	Вскрытие малосвязанных, слоистых и агрегатированных пород, разрушающихся и выпадающих в скважину в условиях их физико-химического взаимодействия, экранирования мономолекулярным слоем жидкости сил связей между отдельными агрегатами, колебаний величин противодавления и перепада температуры, газопроявлений, поглощений и действия бурового инструмента	Прихваты бурильных труб, обсадных колонн и спускаемых в скважину измерительных и регистрирующих приборов и устройств; постоянные недоспуски инструмента до забоя, вследствие чего долото достигает забоя частично изношенным; рост каверн
Обваливание	Вскрытие рыхлых и перемятых пород в сильной степени трещиноватых, в особенности с крутым углом залегания, в условиях, сопутствующих осыпанию, а также в условиях глубокого распространения фронта фильтрации или высокой первоначальной водонасыщенности	То же, что и при вытекании, а также пробкообразование и потеря циркуляции бурового раствора (прихваты обычно носят тяжелый характер)
Обрушение	Вскрытие пород любой разновидности, за исключением высокопрочных и монолитных, в условиях образования глубоких каверн и опасных сводов, крутых углов залегания пластов, непрекращающихся осыпей, обвалов, газопроявлений, миграции пластовых вод, поглощений, действия тектонических сил, аномально высоких давлений флюида, горных ударов и т.п.	То же, что и при осыпании и обваливании, а также потеря и забуривание нового ствола

2.2.1 Осыпи и обвалы горных пород

Осыпи - медленно текущий процесс разрушения стенок скважины. В процессе бурения могут обнаруживать себя только с ростом плотности и вязкости бурового раствора из-за повышения содержания твердой фазы;

Обвалы - быстро текущий процесс разрушения стенок скважины. В ствол скважины в течении короткого промежутка времени попадает большая масса горной породы.

При обвалообразовании может произойти:

· скачки давления на буровых насосах;

· затяжки и посадки при движении бурильной колонны;

· недохождение долота до забоя после его замены или наращивания;

· прихват бурильной колонны осевшим шламом при недостаточной интенсивности промывки скважины или остановке циркуляции;

· полное перекрытие кольцевого пространства;

· кавернообразование.

Осыпи и обвалы происходит при бурении уплотненных глин, глинистых сланцев и аргиллитов. На процессы разрушения стенок скважины значительно влияют геологические факторы: большие углы падения пластов, пористость, трещиноватость, газо и водонасыщенность пород. Геологические факторы не поддаются регулированию, хотя их надо учитывать при определении причин каверно- и обвалообразования и разработке методов предупреждения и борьбы с этими осложнениями.

К одной из основных причин обвалов, осыпей относят набухание и размокание глинистых пород [11].

В процессе циркуляции происходит увлажнение горной породы буровым раствором или его фильтратом. В результате увлажнения снижается прочность уплотненной глины, аргиллита или глинистого сланца. Проникновение свободной воды, которая содержится в больших количествах в растворах приводит к набуханию и размоканию глинистых пород. При этом скорость распада глин обуславливается величинами степени гидратации глинистых частиц и скорости гидратации массы глин, которая почти равнозначна скорости диффузии воды.

Одним из серьезных последствий осыпей и обвалов является образование каверн в стволе скважины.

Каверна - участок ствола скважины, имеющий диаметр, превышающий номинальный диаметр стола скважины на определенном интервале. Наличие каверн в стволе скважины значительно осложняет процесс строительства скважины по следующим причинам:

· затрудняется вынос выбуренной породы на дневную поверхность, так как в интервале каверны падает скорость восходящего потока бурового раствора;

· возможен слом бурильного инструмента при попадании в каверну наклонно-направленного ствола скважины.

· большая кавернозность ствола скважины затрудняет точное определение объема кольцевого пространства и требует повышенного расхода тампонажного раствора;

· значительная по размерам каверна 35-50 см диаметром может стать местом хранения посторонних предметов, упавших сверху или пришедших с забоя скважины, с последующим их выпадением в открытый ствол и заклинкой бурильной или обсадной колонны;

· при креплении обсадных колонн в интервале каверн не происходит полного замещения бурового раствора тампонажным раствором, что значительно снижает качество цементного камня, а в некоторых случаях приводит к его полному отсутствию.

Определение фактического диаметра скважины позволит выявить участки нахождения каверн в стволе скважины, изучение профиля ствола скважины перед спуском обсадных колонн, точного определения объема скважины и кольцевого пространства, высоты подъема тампонажного раствора, глубины установки муфты ступенчатого цементирования (МСЦ), центраторов, скребков. Для определения фактического диаметра скважины применяют специальные приборы-каверномеры и профилемеры, с помощью которых записывают кривую, характеризующую профиль ствола скважин, которая называется кавернограммой.

2.2.2 Мероприятия по повышению устойчивости стенки скважины

При бурении в неустойчивых породах и пластичных глинах целесообразно применять ингибированные буровые растворы. Растворы этого типа снижают интенсивность перехода выбуренной породы в глинистый раствор и повышают устойчивость стенки скважины. В состав раствора входит неорганический электролит или полиэлектролит. Уменьшение размокаемости и диспергирования выбуренных частиц горной породы происходит за счет [12]:

· ввода в суспензию электролита;

· добавки солей поливалентных металлов, переводящих растворы в гидроокиси;

· обработки высокопрочными соединениями, увеличивающими глиноемкость буровых растворов;

· использование модифицированных сульфатов;

· обработки раствора полимерными соединениями.

Все буровые растворы ограниченно термостойки и, чем выше коллоидность разбуриваемых пород, тем ниже термостойкость раствора. Надо учитывать, что химические фрагменты-стабилизаторы в высокощелочной среде работают хуже.

Алюминатные растворы - это буровые глинистые промывочные растворы из кальциевой глины, которые содержат ингибирующую добавку - высокощелочной алюминат натрия, стабилизированный лигносульфонатами. Алюминатные растворы бывают пресными и соленасыщенными. Пресные используют для разбуривания глинистых отложений в условиях невысоких (до 100 °С) забойных температур. В качестве реагента-стабилизатора используют только сульфид спиртовую барду (ССБ), применяемую совместно с алюминатом натрия. Алюминатные глинистые растворы (АлГР) обладают устойчивостью в широком диапазоне хлорнатриевой минерализации и небольшими показателями фильтрации.

Известковые растворы с высоким рН - это сложные многокомпонентные системы, включающие кроме глины и воды четыре обязательных компонента: известь, каустик, понизитель вязкости, защитный коллоид. В их состав также могут входить нефть или дизельное топливо, утяжелитель и различные добавки специального назначения.

Известковые растворы используют при разбуривании высококоллоидных глинистых пород и аргиллитов. В результате применения известковых растворов повышается их глиноемкость, снижаются пептизация выбуренной глины, набухание и вспучивание сланцев, слагающих стенки скважины, уменьшается опасность прихватов.

Известковые растворы имеют ограниченную солестойкость (до 5 % по NaCl).

Основной недостаток известковых растворов - невысокая термостойкость (100-120 °С).

На приготовление 1 м³ известкового раствора (в пересчете на сухое вещество) требуется (в кг): глины 80-120, УЩР 5-10, лигносульфоната 50-30, каустика 5-3, воды 913-915, утяжелителя - до получения раствора требуемой плотности.

Снижение фильтрации достигается добавками 1-3 кг/м КМЦ (или гипана) или 20-30 кг/м³ КССБ-4.

Значения показателей растворов могут изменяться в широких пределах.

Безглинистые солестойкие растворы (БСК) состоят из бурого угля, каустической соды, воды и гидроксида поливалентного металла; применяются при проводке скважин, осложненных наличием хемогенных отложений, осыпающихся и склонных к обвалам терригенных пород.

Крепящее действие основано на образовании в определенных температурных условиях нерастворимых в воде цементирующихвеществ - гидросиликатов и гидроалюминатов двухвалентных металлов.

Крепящий эффект раствора БСК лучше проявляется при достаточно высокой концентрации каустической соды (не менее 0,2 %) и избытке в жидкости нерастворенного гидроксида двухвалентного металла - Са(ОН)₂, Ва(ОН)₂ и др.

Недостатки этих растворов - низкая термостойкость и высокая щелочность.

Кальциевые растворы - ингибирующие глинистые промывочные растворы, содержащие кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов-понизителей вязкости, фильтрации и регуляторов щелочности специальные вещества, носители ионов кальция.

Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.

Известковый раствор с низким рН - кальциевый буровой раствор, содержащий в качестве ингибитора-носителя ионов кальция гидроксид кальция, более высокая растворимость которого обеспечивается пониженным значением рН раствора (9-9,5), предназначен для разбуривания глинистых отложений; термостоек до 160 °С.

Хлоркальциевый раствор (ХКР) - ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция.

Установлено, что оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3000-5000 мг/л.

Хлоркальциевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Присутствие в фильтрате бурового раствора ионов кальция способствует значительному сокращению осыпей и обвалов при разбуривании неустойчивых аргиллитоподобных отложений.

Из-за отсутствия эффективных кальциестойких реагентов термостойкость раствора ограничена (100 °С).

Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчивых глинистых сланцев. Существует ряд разновидностей калиевых растворов, различающихся составом и некоторыми свойствами.

Хлоркалиевые растворы содержат в качестве ингибирующего электролита хлорид калия, а в качестве регулятора щелочности - гидроксид калия.

Раствор предназначен для эффективного повышения устойчивости стенок скважины при бурении в неустойчивых глинистых сланцах различного состава.

Калиево-гипсовый раствор содержит в качестве ингибирующих электролитов соединения калия и кальция, в частности гипс.

Калиево-гипсовые растворы используют для разбуривания высококоллоидальных глин, когда хлоркалиевый раствор недостаточно эффективен. Термостойкость зависит от используемого защитного реагента, но не превышает 160 °С.

Показатели раствора: плотность 1,08-2,2 г/см, условная вязкость 20-30 с, показатель фильтрации 4-8 см³/30 мин, CHC₁ = 6-36 дПа, СНС₁₀ = 12-72 дПа, рН = 8-9.

Кроме бурения с применением ингибирующих буровых растворов в качестве профилактических мер при осыпании и обвалообразовании рекомендуется выполнение следующих мероприятий:

· организация буровых работ, обеспечивающих максимальные скорости проходки;

· использование буровых растворов, имеющих высокую плотность и минимальную водоотдачу;

· бурение скважины возможно меньшего диаметра;

· обеспечение скорости восходящего потока бурового раствора не менее 1,5 м/сек;

· регламентирование скорости спуско-подъемных операций.

2.2.3 Профилактические мероприятия по предупреждению набухания горных пород

Явление набухания происходит при разбуривании уплотненных глин. Набуханием называется приращение объема частиц диспергированных материалов. Набухание - процесс поглощения дисперсной среды дисперсной фазой, сопровождаемый увеличением объема последней. Увеличение объема глинистых минералов и пород при набухании обусловлено процессами мономолекулярного адсорбционного слоя, протекающего с выделением теплоты. Набухание также сопровождается развитием давления, называемого давлением набухания или расклинивающим давлением. Знание механизма набухания имеет большое практическое значение. С набуханием глины тесно связаны процессы приготовления глинистых промывочных суспензий, сохранение номинального диаметра ствола скважины, вскрытие и освоение продуктивных коллекторов, имеющих глинистые включения [13].

Основными мерами предупреждения и ликвидации набухания являются [14]:

· бурение в интервале возможных суспензий с промывкой утяжеленными растворами, в фильтрате которых содержатся химические вещества, способствующие увеличению предельного напряжения сдвига и уменьшению структурно-адсорбционных деформаций;

· организация работ, обеспечивающая высокие скорости бурения;

· после приготовления бурового раствора, отвечающего требованиям указанными в п.1, следует заполнить им скважину и выждать некоторое время, необходимое для протекания физико-химических процессов, уплотняющих стенку скважины. Это нужно делать потому, что процесс бурения связан с резкими колебаниями давления при СПО;

· поддержание максимально допустимой плотности бурового раствора;

· недопущение значительных колебаний плотности бурового раствора.

2.2.4 Желобообразование

Желобообразование - процесс одностороннего изнашивания, разрушения стенки скважины. Таким образом, желоб - это вертикальная выработка необсаженного, невертикального интервала ствола скважины. Изнашивание и разрушение стенки скважины происходят от многократного контакта ее с бурильной колонной при спуско-подъемных и технологических операциях. При этом образуется выработка особой формы - в виде замочной скважины (желобообразного овала) [16]. Сечение выработки соответствует диаметру бурильных замков, т.е. она существенно меньше диаметра скважины, а глубина выработки зависит от прочности горных пород, интенсивности искривления, частоты и длительности контакта бурильной колонны со стенкой скважины, а также прижимающего усилия. В зависимости от условий желобная выработка может формироваться на стороне как лежачего, так и висячего бока скважины. Наиболее интенсивно процесс желобообразования идет на участках резкого изменения направления оси ствола скважины (особенно зенитного угла).

Геологические причины желобообразования.

1. Наличие в разрезе пород осадочного комплекса (аргиллит, глины, мергели, сланцы, алевролиты, а также отложения солей). Отмечается, что глубина желоба в глинах и глиносодержащих породах, как правило, больше чем в песчаниках и алевролитах. Процесс желобообразования не зависит от глубины скважины.

2. Наличие в стволе скважины кавернозных участков при чередовании с участками с номинальными диаметрами ускоряет процесс желобообразования, т.к. в этом случае соединительные элементы бурильных труб при движении более интенсивно срезают породу на участках между кавернами. Рост желоба может происходить до тех пор, пока глубина его не достигнет глубины каверны. После этого темп роста желоба снижается [15].

Технологические причины желобообразования.

1. Большая интенсивность искривления ствола скважины. Исследованиями установлено, что при темпе роста кривизны более 0,6⁰ на 10 метров, процесс желобообразования происходит практически во всех породах кроме скальных.

2. Применение буровых растворов с высокой водоотдачей и низкими ингибирующими свойствами.

3. Вибрация колонны бурильных труб.

4. Большое число СПО.

К организационным причинам образования желобов относят проектирование заложения искривленных участков ствола скважины в породах, склонных к кавернообразованию.

Развитие желобов в стволе скважины весьма опасно в связи с возможностью возникновения следующих видов осложнений:

· затяжек, посадок, заклинивания, прихвата бурильной и обсадной колонны;

· повышенного загрязнения ствола скважины шламом разбуренных пород из-за ухудшения условий его выноса из скважины, накопления шлама в застойных зонах;

· ошибок при креплении скважины, вызванные неправильной оценкой объема ствола скважины;

· некачественное крепление участка ствола скважины в интервале желобов по причине неполного замещения (вытеснения) бурового раствора тампонажным раствором.

Косвенным признаком развития осложнений данного типа может служить изменение нагрузки на крюке (рост ее при затяжках и снижение при движении бурильной колонны к забою), а также повышение момента при вращении бурильной колонны.

Необходимо помнить, что при желобообразовании возможно появление мгновенных больших затяжек при подъеме инструмента. Попытки освободить инструмент дополнительными натяжками приводят к еще большему затаскиванию его в желобную выработку. Циркуляция бурового раствора при этом происходит без роста давления промывки и легко восстанавливается, но не способствует освобождению инструмента.

Для точного выявления интервала желобных выработок и их размеров в скважине проводят инструментальные измерения с помощью прибора - профилемера, который фиксирует поперечные размеры ствола скважины Д₁ и Д₂ во взаимно перпендикулярных плоскостях. Работа с профилемером аналогична измерению поперечных размеров стола скважины каверномером.

Для желобных выработок с помощью профилеграммы определяют величину, характеризующую в определенном масштабе наибольший поперечный размер ствола скважины. Полусумма этой величины и диаметра долота составляет средний диаметр желобной выработки:

dcp= (53)

Объем скважины в данном интервале:

V_c=, (54)



где l- длина желобной выработки.

Методы ликвидации желобных выработок сводятся к проведению следующих мероприятий:

1. Проработка интервала желобообразования специальными компоновками низа бурильной колонны - КНБК. Это одно из основных мероприятий устранения желобной выработки. Успешно применяются следующие КНБК [9], [15]:

· долото, эксцентричное радиально упругое устройство (ЭРУУ), турбобур, центратор, режущая вставка ЭРУУ, упругая подушка. Эксцентриситет, то есть разность между наибольшим радиусом ЭРУУ и радиусом долота, принимают равным 8-12 мм. При работе долото совершает планетарное движение: вращение вокруг собственной оси обеспечивается турбобуром, а вокруг оси скважины ротором с малой частотой. Увеличение диаметра скважины в зоне проработки зависит от скорости подачи инструмента и частоты вращения КНБК. Рассмотренная КНБК эффективна во всех случаях, где требуется проработка ствола, по сравнению с использованием обычных калибраторов, т.к. устраняются возможные подклинивания, зависания и прихваты.

· пикообразное долото, диаметр которого выбирается меньше диаметра скважины, УБТ, четырехлопастной спиральный центратор с диаметром в 1,1-1,25 раза больше ширины желоба, но меньше номинального диаметра скважины, бурильные трубы, специальный расширитель, колонна бурильных труб.

· интенсивность разрушения желоба оценивают по объему и форме выносимого из скважины шлама, а также по крутящему моменту.

2. Для разрушения желобных выработок используют взрывы специальных гибких торпед, а также торпед типа ТДШ (торпеды из детонирующего шнура) [15].

Гибкие торпеды изготавливают из резинового шланга диаметром до 50 мм. Их заполняют прессованным гексогеном или тротилом в виде шашек. Масса торпед типа ТШ-43 и ТШ-50 длиной 1 м составляет 2-3,6 кг. Длину торпеды не рекомендуется делать более 15 м. Торпеды спускают в скважину на каротажном кабеле. Наибольший эффект разрушения желобной выработки может быть достигнут только при точном определении места воздействия взрывом. Допустимое расстояние места взрыва до башмака обсадной колонны определяется из условия:

Lд>l_з + 3d_3; (55)

где l₃ - длина заряда, м;

d₃ - диаметр заряда, м.

После окончания взрывных работ скважина прорабатывается и выполняется профилеметрия.

3. Ликвидация желобной выработки установкой цементного моста с последующим его разбуриванием связана с риском забуривания второго ствола скважины. При разбуривании цементного моста рекомендуется применять КНБК, которой бурился основной ствол в этом интервале.

Для предупреждения и снижения интенсивности желобообразования рекомендуется выполнение следующих профилактических мероприятий:

· снижение числа циклов СПО в результате применения технологии, позволяющий увеличить проходку на долото;

· вызов циркуляции бурового раствора производить плавно, избегая скачков давления в стволе скважины;

· избегать ограничений по длине рейса;

· по возможности исключить искривление ствола скважины в интервалах, склонных к желобообразованию;

· не допускать резких перегибов оси ствола скважины;

· использовать буровые растворы возможно большей плотности, обладающие ингибирующими свойствами;

· вводить в компоновку бурильной колонны расширители и протекторы;

· бурение интервала потенциального желобообразования вести долотами меньшего диаметра с последующей расширкой ствола скважины до проектного диаметра. Диаметр долота для бурения ствола скважины меньшего диаметра определяется:

Д₁=Д_д-h_ж; (56)

где Д_д- диаметр долота, предусмотренный проектом, м.

h_ж - максимальная глубина желоба, м.

Значение h_ж устанавливают по данным профилеметрии.

При разработке конструкции скважины рекомендуется предусматривать перекрытие интервала, склонного к желобообразованию, обсадными трубами сразу после вскрытия.



3. Аварийность в бурении

3.1 Понятие об аварии

В процессе бурения скважины на нефть и газ возникают различного вида аварии.

Под аварией в бурении следует понимать нарушение технологического процесса строительства скважины, вызываемое потерей подвижности колонны труб или ее поломкой с оставлением в скважине элементов колонны труб, а также различных предметов и инструментов, для извлечения которых требуются специальные работы.

Характерными поломками являются: поломки по телу или по узлам соединения бурильных, утяжеленных, ведущих, обсадных и насосно-компрессорных труб, бурильных замков, переводников; поломки забойных двигателей, амортизаторов, расширителей, центраторов, долот, вспомогательных и ловильных инструментов и т.д. Кроме того, в скважинах могут оставаться долота, забойные двигатели, геофизические и другие приборы и инструменты.

Часто бурильные и обсадные колонны неожиданно оказываются прихваченными или заклиненными в скважине, происходит смятие или нарушение обсадных колонн, которыми перекрывается часть ствола скважины.

Нередки еще газонефтеводопроявления, которые надолго останавливают процесс строительства скважины.

Все указанные выше нарушения технологического процесса строительства скважины, для устранения которых ведутся дополнительные работы независимо от времени, затраченного на их ликвидацию, считаются аварией в бурении.

Нарушения непрерывности технологического процесса строительства (бурения и испытания) скважины, происшедшие при соблюдении требований технического проекта и правил ведения буровых работ, вызванные явлениями горно-геологического характера, такими как поглощение, нефтегазопроявления, выбросы, осыпи, обвалы, желобные выработки, искривление ствола, открытое фонтанирование и другими, а также последствия стихийных бедствий - относятся к осложнениям.

3.2 Классификация аварий

Аварии в скважинах происходят почти со всеми видами труб и колонн, инструментами, приборами и т.д. Они на сегодня часты в цикле строительства скважины.

Для удобства анализа, разработки мер предупреждения и ликвидации аварий все они разделены на виды.

Вид аварий - это характерные, много раз повторяющиеся, схожие между собой, существенно не отличающиеся друг от друга аварии.

Аварии в бурении подразделяются условно на следующие виды: аварии с элементами колонны бурильных труб; прихват бурильных и обсадных колонн; аварии с долотами; аварии с обсадными колоннами и элементами их оснастки; аварии из-за неудачного цементирования; аварии с забойными двигателями; падение в скважину посторонних предметов; прочие аварии [12].

Аварии с элементами колонны бурильных труб - оставление в скважине элементов колонны бурильных труб (ведущих, бурильных и утяжеленных труб, переводников, муфт, замков, центраторов) из-за поломок по телу на гладком участке или в зоне замковой резьбы или по сварному шву; вследствие срыва по резьбовому соединению, а также в результате падения в скважину названных выше элементов, из-за развинчивания по резьбе или ввиду поломок спускоподъемного оборудования или инструмента, обрыва талевого каната, при подъеме на одном штропе и т.д.

Прихват бурильных и обсадных колонн - непредвиденная потеря подвижности колонны труб вследствие: прилипания под действием перепада давления; заклинивания в желобах, в местах сужений или посторонними предметами; в результате обвала, осыпания горных пород со стенок скважин или оседания шлама за счет нарушения режима промывки, а также из-за образования сальника на бурильной колонне.

Аварии с долотами - оставление в скважине долота, бурильной головки, расширителя, а также их элементов и частей.

Аварии с обсадными колоннами и элементами их оснастки - аварии со спускаемыми, спущенными и зацементированными колоннами либо с их частями, вызванные разъединением по резьбовым соединениям, обрывом по сварному шву и телу трубы, смятием или разрывом по телу трубы, падением колонны или ее части, повреждением труб при разбуривании цементного стакана, стоп-кольца, обратного клапана, направляющей пробки или неисправностью элементов оснастки низа обсадной колонны.

Аварии из-за неудачного цементирования - прихват затвердевшим цементным раствором колонны бурильных труб, на которых спускалась секция обсадных труб или хвостовик; отказ в работе и повреждение узлов подвески секции обсадной колонны, нарушающие процесс крепления и дальнейшую проводку скважины; оголение башмака, неподъем в затрубном пространстве или оставление в колонне цементного раствора, для удаления которого требуются дополнительные работы по устранению нарушения, а также негерметичность обсадных и бурильных колонн труб, послужившие причиной некачественного цементирования.

Аварии с забойными двигателями - оставление турбобура, электробура, виброударника, винтового двигателя или их узлов в скважине вследствие поломок или разъединения с бурильной колонной.

Аварии в результате падения в скважину посторонних предметов - падение в скважину вкладышей ротора, роторных клиньев, параллелей и вкладышей ключей ПКР, челюстей ключей АКБ, кувалд, ключей, ручных инструментов, приспособлений и их частей и других предметов, с помощью которых велись работы на устье скважины.

Прочие аварии - аварии, возникающие при производстве промысловых исследований в скважине (обрывы и прихваты кабеля, приборов, грузов, шаблонов, торпед, перфораторов и других устройств, применяемых при исследовании скважин и вспомогательных работах), открытые нефтяные и газовые фонтаны; падение и разрушение вышек, морских оснований, падение элементов талевой системы (кроноблок, крюкоблок); взрывы и пожары на буровых, приводящие к выходу из строя оборудования и остановке бурения.

Началом аварии считается момент ее возникновения, хотя он может быть обнаружен и позже, а окончанием аварии - восстановление условий для продолжения бурения. Авария в скважине, происшедшая в период ликвидации ранее возникшей аварии, регистрируется, но не учитывается. Время на ее ликвидацию суммируется со временем, необходимым для ликвидации первоначально возникшей аварии. Такой же порядок учета распространяется и на случаи возникновения всех последующих аварий при ликвидации первой.

Аварии при испытании скважины в процессе бурения (с испытателями пластов) или после окончания бурения учитываются как аварии, происшедшие при испытании скважин.

3.3 Факторы, влияющие на возникновение аварий

Выделяют три группы факторов - технические, технологические и организационные.

Технические факторы.

У всех материалов из которых выполнены буровые установки, бурильные и обсадные колонны, забойные двигатели, долота и т.д. имеются определенные прочностные и другие характеристики (механическая прочность, твердость, коррозистойкость, морозостойкость, упругость). Указанные характеристики при реальном изготовление изделий могут отклоняться от требуемых, снижая в целом прочность конструкции и ее работоспособность.

Причиной аварии может стать применение деталей и механизмов со скрытыми конструктивными дефектами или изготовленными с нарушениями ГОСТа, ТУ.

Усталость материала, возникшая в процессе длительной эксплуатации под действием различных нагрузок, меняющихся по направлению и значения также может стать причиной разрушения конструкций, механизмов, деталей.

Применение технических средств, функциональные возможности которых не соответствуют установленным требованиям при выполнении намеченных работ.

Использование машин и механизмов с системой управления и контроля не соответствующих психофизическим возможностям человека.

Технологические факторы.

· Нарушение рациональных параметров режима бурения (расход промывочной жидкости, осевая нагрузка, давление, частота вращения долота).

· Нарушение параметров процесса бурения (сжимающие и растягивающие нагрузки на БК, крутящий момент на долоте, несоблюдение скоростей СПО).

· Несоблюдение рациональной последовательности правил крепления скважины.

· Неправильный выбор типа промывочной жидкости, использование которой не обеспечит выполнение гидростатических, гидродинамических и других функций.

· Неточное знание геологических и гидродинамических условий, свойств флюидов в разбуриваемых горизонтах.

· Некачественная подготовка ствола скважины к геофизическим исследованиям.

Организационные причины.

· Низкая квалификация исполнителя буровых работ.

· Низкая исполнительская дисциплина технического персонала, допускающая возможности отношений от проекта на строительство скважины, регламентов, режимно-технологических карт, инструкции по эксплуатации бурового оборудования и инструмента.

· Невыполнение профилактических мероприятий по предупреждению аварии, простоев.

· Неудовлетворительное материально-техническое обеспечение.

· Несоответствие длительности вахты и их сменности естественному биологическому режиму организма человека.

· Неудовлетворительные бытовые условия жизни буровой бригады в вахтовом городке.

3.4 Виды аварий

3.4.1 Аварии с элементами бурильной колонны

К аварии с элементами бурильной колонны относятся:

· поломка ведущей трубы и УБТ;

· поломка по телу бурильной трубы, по ее сварному шву, по ее резьбовой части;

· поломка элементов бурильной колонны (переводника, калибратора, центратора, расширителя и т.д.).

Причинами аварий с бурильной колонной и ее элементами являются: усталость металла, которая возникает главным образом под действием следующих основных переменных нагрузок: колебаний бурильной колонны, изгиба, крутильных ударов, растяжения, сжатия.

Усталость металла ускоряют следующие факторы:

· дефекты материала труб (структурная неоднородность металла и расслоение), конструктивные дефекты, резкие переходы в сечении, царапины, острые надрезы - являющиеся очагами концентраций напряжений.

· применение безупорного соединения трубы с замком и муфтой.

· некачественная сборка бурильных труб (несоосностьрезьбовых соединений и труб) неудовлетворительное крепление замков, неправильный выбор натяга резьбы

· использование в работе элементов бурильной колонны с повышенным износом и скрытыми дефектами.

· механические повреждения клиньями ПКГ, ключами, породой, посторонними предметами в скважине.

· коррозионное повреждение элементов бурильной колонны (кислотная сероводородная, полиминеральная агрессия).

· превышение крутящего момента при свинчивании резьбовых соединений.

· создание осевой нагрузки на долото частью веса бурильной колонны.

· несоответствие соотношения диаметров долота, УБТ, забойных двигателей и диаметра бурильных труб.

· несоответствие типа долота крепости разбуриваемых пород.

· работа бурильной колонны в скважинах, имеющих большие каверны, особенно при роторном бурении.

· возникновение резонанса при совпадении частоты колебаний бурильной колонны от пульсаций давления на выкиде насосов с частотой собственных колебаний колонны.

· применение труб несоответствующего класса при бурении на данной глубине.

· эксцентричность вышки, ротора по отношению к оси скважины.

· резкие посадки при спуске.

· неблагоприятные геологические условия бурения - частое переслаивание пород, различных по крепости, большие углы падения пластов.

· нарушение запроектированных режимов бурения.

Указанные причины вызывают поломку ведущих труб по телу и восьминиточной резьбе, бурильных труб по утолщенному концу и телу с переменной толщиной и конусной части бурильных замков, УБТ по телу и присоединительной резьбе.

3.4.2 Виды поломок и разрушений бурильных труб и элементов бурильной колонны

Рисунок 18: Виды аварий с бурильными трубами

Рисунок 19: Слом по телу трубы

Поперечный слом по телу трубы происходит вследствие различных повреждений, приводящих к концентрации напряжений на отдельных участках поверхности труб, которые вызывают усталостные напряжения в металле.

К повреждениям труб относятся вмятины от инородных тел (породы, шарошек, «сухарей» попадающих в кольцевое пространство), поперечные риски и трещины.

Слом по телу трубы может происходить в результате комбинации натяжения и момента вращения.

При этом на тело трубы действуют следующие нагрузки:

· растяжение;

· изгибающая нагрузка;

· момент вращения (от ротора, верхнего привода, реакция от забойного двигателя).

Обычно местом разрушения становится участок тела трубы, имеющий указанные выше повреждения и дефекты.

Порыв бурильных труб от растяжения происходит при достижении предельно допустимой нагрузки (смотри рисунок 20).

Рисунок 20: Порыв бурильных труб от растяжения

Слом в результате скручивания происходит от превышения момента, при котором напряжение в теле трубы достигает предела текучести материала. В большинстве случаев разрушение труб происходит по спирали. Направление спирали совпадает с направлением вращения бурильной колонны. Угол подъема спирали составляет около 45⁰ к оси трубы, что соответствует наибольшим нормальным напряжениям при кручении. Слом по спирали достаточно часто происходит при ловильных работах (смотри рисунок 20).

Рисунок 21: Слом бурильной трубы по спирали

В продольном направлении трубы ломаются из-за дефектов изготовления труб (наличия в теле трубы раковины, расслоений), а также из-за нарушения режима проката и термообработки, при которых образуются внутренние напряжения, приводящие к усталостным поломкам.

Причины аварий бурильных труб сборной конструкции.

Бурильные трубы сборной конструкции, имеющие на концах утолщения (высадку - внутреннюю или внешнюю) на которых нарезается коническая резьба, широко применяются, хотя конструкция их имеет определенные недостатки. Кроме поломок, присущих трубам с приваренными замками (промыва труб в зоне дефекта, разрушения в продольном и поперечном направлениях, а также по спирали), бурильным трубам сборной конструкции свойственны поломки, приуроченные к утолщениям и местам нарезки трубной резьбы на концах труб.

Технология изготовления труб сборной конструкции не позволяет достигнуть равномерного охлаждения во время закалки, и, как следствие, образуются мелкие трещины, направленные вдоль и поперек тела трубы, которые способствуют ускоренному развитию усталости металла, так как являются очагами концентрации напряжений. В соединении труба - замок также концентрируются большие напряжения от знакопеременных нагрузок. Наибольшие напряжения концентрируются около первого витка резьбы, находящегося в полном сопряжении с резьбой бурильного замка. Такая концентрация напряжений в соединении замок - труба и наличие микротрещин приводит во время работы к поломкам, приуроченным к этому участку трубы.

Увеличение толщины стенки трубы в зоне резьбы не предохраняет от распространения трещин в теле трубы, но несколько увеличивает время работы трубы до излома.

Аварии со срывом резьбы элементов бурильной колонны.

Большое число аварий происходит по причине срыва замковой резьбы в бурильных замках, УБТ и переводниках.

Вокруг замков и муфт, при помощи которых соединяются бурильные трубы, создаются зоны концентраций напряжений. При знакопеременных нагрузках, действующих на бурильную колонну, наибольшие напряжения концентрируются около первого витка резьбы на трубе, находящегося в полном сопряжении с резьбой бурильного замка. Слом по утолщенному концу трубы происходит и в других сечениях, расположенных на других участках трубы, или одновременно в нескольких сечениях. Но наибольшее число сломов приходится на первый полно сопряжённый виток резьбы. Эта часть резьбы является наиболее опасным местом.

Процесс нарезания резьбы способствует образованию мест концентрации напряжений в теле трубы, особенно при мелких радиусах закругления. При действии большого числа циклических нагрузок в местах концентрации напряжений образуются трещины. Чем меньше радиус закругления, тем больше возможность образования трещины при прочих равных условиях. Поэтому в трубных резьбах происходит больше изломов, чем в замковых резьбах, т.к. крупная резьба, соединяющая замковый ниппель и замковую муфту, не образует резких переходов. Кроме того, соединение ниппель - муфта происходит при определенном натяге до упорного контакта. А при соединении трубы с замком трубной резьбой упор отсутствует и на участках перехода резьбы от полного сопряжения к неполному концентрируются опасные напряжения. Имеет место также слом в утолщенном конце трубы, который приходится в основном на третью - пятую нитку резьбы от сбега ее на трубе. На аварийной трубе остается от трех до пяти ниток резьбы.

Одной из основных причин аварий из-за разрушения и срыва резьбовых соединений является износ после многократного свинчивания и развинчивания. В процессе работы резьбовые соединения бурильной колонны подвергаются различным знакопеременным нагрузкам. При этом одна часть резьбового соединения перемещается по другой. Величина относительного перемещения зависит от жесткости и плотности зоны свинчивании. Недокрепление резьбового соединения способствует перемещению витков резьбы относительно друг друга, что значительно ускоряет износ резьбы. На износ резьбы влияет также качество бурового раствора и его давление при прокачке по бурильной колонне. Большие давления бурового раствора имеют место при турбинном бурении с гидромониторными долотами. Чем больше давление бурового раствора и содержание в нем твердой фазы, обладающей абразивными свойствами, тем скорее изнашивается резьбовое соединение.

В результате износа плоскость соприкосновения витков резьбы уменьшается, увеличиваются зазоры и абразивный буровой раствор под действием большого перепада давлений начинает двигаться по резьбовому соединению с большой скоростью - происходит размыв витков резьбы. При размыве резьбовых соединений выделяются две зоны:

· зона прохождения жидкости через зазоры винтовой линии;

· зона истечения жидкости или зона разрушения.

Первая зона характеризуется изменением высоты профиля резьбы и наличием разрушений по винтовой линии первых двух витков. Во второй зоне происходит разрушение тела трубы потоком раствора.

Разрушение резьбовых соединений и их преждевременный износ могут происходить из-за несоответствия размеров элементов резьбы (особенно по конусности), так как значительное отклонение размеров приводит к неравномерному распределению нагрузки по виткам резьбы и, следовательно к интенсивному износу.

Разрушение по телу муфт и замков. Причинами разрушений могут быть: превышение допустимых нагрузок (особенно имеет место при ликвидации аварий) и неправильная термообработка. Разрушение от напряжений, превышающих допустимые, происходит как вдоль, так и поперек тела муфт и замков. Вначале образуются трещины - потом разрушается тело муфты или замка. Приложение значительных усилий, превышающих допустимые, приводит к слому в первую очередь тех соединительных муфт, прочность которых ослаблена усталостными напряжениями, повышенным износом или коррозией металла. Соединительные муфты разрушаются в основном в средней части. Характер слома муфт и факторы, ускоряющие слом, те же, что и при сломе трубы по трубной резьбе. Отличие лишь в том, что в бурильных трубах на утолщенных концах резьба наружная, а у муфт внутренняя.

Отличаются случаи продольных и поперечных разрушений замков и соединительных муфтвследствие неправильной термообработки. Поперечные сломы замковых деталей происходят по впадине первой нитки резьбы ниппеля и на участке, заключенном между резьбовыми концами муфты или ниппеля. Могут происходить также продольные сломы по образующей. Разрушения от неправильной термообработки опознаются по характеру слома и по периоду возникновения. Места слома в поперечном направлении имеют мелкозернистую структуру. Аварии с такими соединениями происходят обычно в начале эксплуатации - при первых 2 - 3^х спусках.

Размыв бурильных труб и элементов бурильной колонны по телу. Размыв бурильной трубы по телу происходит из-за наличия дефектов на ее внутренней поверхности, нарушающих однородность. К таким дефектам относятся раковины, плёны, включения инородных материалов и другие повреждения, связанные с технологией изготовления труб. Возникновение аварии от размыва труб ускоряется совместным действием усталостных напряжений в металле и коррозии. Дефекты в теле трубы являются местами концентрации напряжений. Под действием циклических нагрузок в этих местах образуются трещины, которые размываются буровым раствором. Помимо этого, в местах дефекта на стенке трубы меняется направление движения раствора, образуются завихрения, и труба начинает интенсивно разрушаться. Наблюдаются случаи, когда на наружной поверхности трубы образуются кольцевые выемки в местах перехода к муфтовой части замка.

У труб с приваренными соединительными концами, размывы происходят по трещинам усталостного характера, которые возникают в основном вблизи сварного шва. На этих участках образуются завихрения бурового раствора, способствующие размыву и разрушению тела трубы.

Усталостный слом тела трубы

Рисунок 22: Усталостный слом тела трубы

Происходит при многократном действии циклических нагрузок различных комбинаций (растяжения, сжатия, вращающего момента, изгиба, внешних и внутренних давлений). При этом с каждым циклом нагрузок могут увеличиваться существующие трещины и порезы, а также образовываются новые. Слом происходит на участке тела трубы, имеющей указанные дефекты и в интервале зажима роторными клиньями. Порезы от клинового захвата являются причиной 30-35 % слома бурильных труб, т.к. приводят к уменьшению толщины стенки трубы и образованию многочисленных участков концентрации напряжений.

Трещина зарождается в некотором микроскопическом объеме, который называется очагом усталостного разрушения и разрастается по трубе и соединительным элементам.

Знакопеременный изгиб является основным фактором, приводящим к образованию остаточных напряжений во время вращения бурильной колонны. Явления усталостного разрушения развиваются также в результате крутильных ударов и колебаний бурильной колонны. Крутильный удар характерен для роторного бурения, особенно при бурении долотами режуще-истирающего типа, которые требуют приложения большего вращающего момента.

В процессе эксплуатации элементы бурильной колонны подвергаются различным видам износа (абразивный, коррозионный, износ замковых резьбовых соединений). В результате износа на теле трубы и резьбовых соединениях появляются надрезы, вмятины, выбоины, что изменяет их геометрические размеры и прочностные характеристики.

Абразивному износу от трения бурильной колонны о стенки скважины подвергаются замки, УБТ, переводники и тело бурильной трубы. Скорость износа зависит от абразивности горной породы, частоты контакта и силы, прижимающей бурильную колонну к стенке скважины.

Коррозионный износ бурильных труб. Основными коррозионными агентами, действующими на бурильную колонну являются: кислород, сероводород, двуокись углерода, растворенные соли и кислоты. Скорость коррозии определяется активностью среды, характеризующийся показателем концентрации водородных ионов рН (при рН<7 кислая среда, скорость коррозии возрастает, при рН>7 - уменьшается), температурой среды, скоростью движения промывочной жидкости, неоднородностью материала труб, величиной напряжения материала бурильных труб и других факторов. Наличие мелких трещин и других ослабленных участков, зон с повышенной напряженностью, насечек от клиньев и ключей, механических надрезов и других поверхностных дефектов способствует образованию раковин. Раковины образуются и при электрических процессах, например, между парой сталь-алюминий.

Если одним видом коррозии является сульфидное растворение. Уязвимым местом для этого вида коррозии является резьба переводников и замков.

Для защиты от абразивного и коррозионного износа рекомендуется:

· создавать щадящие условия работы бурильной колонны (равномерное растяжение колонны по длине за счет применения УБТ, часть веса которого используется для растяжения бурильной колонны);

· для защиты от взаимного истирания бурильных и обсадных труб применять протекторные кольца, одеваемые на трубы;

· осуществлять ввод смазывающих добавок в буровой раствор;

· осуществлять постоянную очистка бурового раствора от абразивной твердой фазы;

· осуществлять систематический контроль щелочности (рН) бурового раствора;

· в особых случаях применять бурильные трубы, изготовленные из специальных сплавов;

· вводить в буровой раствор ингибиторы коррозии и реагенты, снижающие коррозионное воздействие сероводорода.



3.4.3 Падение бурильной колонны [17]

Падение бурильной колонны вследствие ее подъема на одном штропе. Этот вид падения происходит вследствие недосмотра при СПО.

Рассмотрим следующий пример. Скважина имела глубину 2325 м при проектной глубине 2500 м. В процессе спуска бурильной колонны на 36-ой свече крюк был опущен намного ниже, чем следовало, в результате чего не смогли одновременно перенести штропы с освобожденного элеватора и вставить их в проушину элеватора, стоявшего на роторе, на котором висела бурильная колонна. При подъеме талевой системы с крюком успели вставить штроп в одну проушину элеватора, а в другую не успели. В результате этого бурильная колонна весом около 50 тс оказалась приподнятой на одном штропе на высоту 20-25см над столом ротора. Это вызвало сильный изгиб трубы под элеватором. При посадке колонны на ротор труба начала изгибаться под элеватором в другую сторону. После посадки бурильной колонны на стол ротора труба сломалась и 1430 м бурильных труб с турбодолотом упали на забой. Так как необсаженная часть скважины выходила из-под башмака кондуктора более чем на 2000 м и имела каверны, бурильные трубы сильно изогнулись. Расхаживание и работы домкратом не дали положительных результатов.

Падение бурильной колонны из-за поломки или неисправности спускоподъемного инструмента.

Причины падения:

· выпадение штропа вертлюга из зева крюка при расхаживании бурильной колонны во время ее прихвата или остановки ее на уступе;

· поломка боковых серег;

· поломка ствола крюка;

· поломка хомута стопорного устройства крюка;

· поломка штропов от чрезмерной нагрузки.

Причиной падения бурильной колонны в скважину может быть самопроизвольное открытие элеватора из-за выработки посадочных мест (т.е. мест, на которые опирается муфта) или сработки шарнирного пальца элеватора.

...