Прихваты как следствие фильтрационных процессов

В открытом стволе через стенки скважины, сложенные устойчивыми проницаемыми породами, происходит фильтрация, в результате которой уменьшается диаметр скважины (сужение). Исследования причин сужения стволов глубоких скважин показали, что одной из наиболее часто встречающихся причин сужения является нарастание и уплотнение глинистой корки под действием высоких температур и аномальных перепадов давления между скважиной и пластом. Такие сужения приурочены к хорошо проницаемым пластам (рис. 89). Фильтрационная корка на проницаемой части стенок скважины существует как в статических, так и в динамических условиях. При постоянной скорости циркуляции и толщина динамической фильтрационной корки зависит от водоотдачи промывочной жидкости Л, перепада давлений между скважиной и пластом Ар, концентрации твердой фазы в промывочной жидкости С и диаметра скважины D. Учитывая толщину динамической корки, можно получить формулу для определения диаметра проходного сечения скважины Dф

где M = С (2—0,042 ApnB0,5 — 0,48 С); D и Dф в см; В в см3; Ap в кгс/см2; и в м/с; С — доли единицы.

При остановках циркуляции фильтрация продолжается, но уже в статических условиях. Исследования, проведенные автором совместно с М.А. Великосельским, показали, что статическая фильтрация характеризуется постепенным нарастанием толщины корки, так что через определенный промежуток времени участок ствола скважины, сложенный хорошо проницаемыми породами, заполняется пастообразной массой, состоящей из твердой фазы промывочной жидкости. При этом скорость статической фильтрации пропорциональна корню квадратному из времени фильтрации, т. е. фильтрация постепенно затухает. Проницаемость фильтрационной корки глинистых растворов с водоотдачей до 10—15 см3 обычно значительно меньше проницаемости пластов (в 10в5—10в4 раз). Поэтому при использовании глинистых растворов фильтрация мало зависит от проницаемости пласта.

Изучение процессов статической радиальной фильтрации проведено на модели скважины (рис. 90), представляющей собой перфорированную трубу диаметром 140 мм с толщиной стенок 15 мм. Зона фильтра состояла из ткани «бельтинг», покрывающей фильтрационные отверстия в трубе.

Внутри модели устанавливалась па подставку труба меньшего диаметра. Подставка позволяла располагать внутреннюю трубу с различным эксцентриситетом.

Модель наполнялась испытуемым глинистым раствором, с помощью сжатого азота создавался определенный перепад давления на фильтре. Под действием перепада давления в про-фильтровой зоне образовывалась глинистая корка, переходящая при длительной фильтрации в сальник, заполняющий кольцевое пространство. В процессе опытов измерялось количество фильтрата, вытекающего из модели в единицу времени, толщина корки, а затем сальника, их влажность. По окончании процесса фильтрации снималось давление и замерялось усилие отрыва внутренней трубы от глинистой корки. Глинистая корка, образовавшаяся в зоне фильтра, испытывалась также на сдвиг. Как показали исследования, образование сальника в скважине происходит следующим образом. На поверхности фильтра при статической фильтрации образуется и постепенно утолщается глинистая корка, через определенное время tст происходит стыковка корки с наружной поверхностью бурильной трубы. С этого момента корка превращается в сальник. При эксцентрическом расположении внутренней трубы время заполнения кольцевого пространства увеличивается, так как вначале заполняется узкий зазор, а затем происходит постепенное заполнение остальной части пространства.

Схема расположения бурильной колонны и фильтрационной корки в скважине показана на рис. 91. При эксцентрично расположенной колонне (рис. 91,б) циркуляция может быть восстановлена, но трубы остаются прихваченными в результате действия перепада давления и адгезионных сил. При более длительной статической фильтрации заполняется все кольцевое пространство и тогда основное значение приобретает удельное сопротивление фильтрационной массы на сдвиг, обусловленное адгезионными и когезионными силами. После заполнения кольцевого пространства в зоне проницаемого пласта фильтрация продолжается, но из радиальной она превращается в осевую. Обработка результатов экспериментов позволила получить формулу для определения времени tст с начала фильтрации до заполнения кольцевого пространства (стыковки) в момент окончания радиальной фильтрации

Формула (102) представляет собой зависимость между временем стыковки при центристом расположении бурильных труб в скважине и водоотдачей промывочной жидкости.

В качестве примера на рис. 92 показана зависимость времени стыковки от водоотдачи промывочной жидкости, вычисленная по формуле (102). Приняты следующие условия бурения: температура забоя 150°С; атс = 2,14; D = 19 см; d = 16,8 см; С = 0,55; Ap = 50 кгс/см2; n = 0,2. Из рис. 92 видно, что при водоотдаче 5 см3 время стыковки составляет 45 мин. При увеличении водоотдачи до 10 см3 время стыковки сокращается до 17 мин, а при 20 см3 до 8 мин. При эксцентричном расположении труб в скважине время стыковки сокращается. При этом трубы стыкуются с глинистой коркой не по всей поверхности, а по частям ее периметра. Трубы оказываются прихваченными, хотя циркуляция возможна по той части скважины, где стыковка еще не произошла.

В табл. 62 показаны результаты определения времени стыковки по фактическим данным бурения скв. 70 Левкинская (Краснодарский край). Из табл. 62 видно, что наибольшая опасность прихватов возникала при забое 4700, 4100 и 2620 м. Эти данные показывают, что наиболее вероятной причиной захватов, затяжек и посадок при бурении скв. 70 (рис. 93) является нарастание и упрочнение фильтрационных корок, чему способствовало применение известковых растворов, которые создают более прочные корки. Именно этой причиной объясняется также большой процент прихватов, возникающих при остановке циркуляции и движения колонны на 5—10 мин во время бурения скважин с высокоутяжеленными глинистыми растворами.

Формула (102) позволяет установить максимально допустимую водоотдачу для конкретных условий бурения, что представляет основную задачу при определении требований к промывочным жидкостям при разбуривании проницаемых пород.

Большое практическое значение имеет также определение усилий, возникающих при подъеме колонны бурильных труб в том случае, когда кольцевое пространство заполнено фильтрационной массой, т. е. стыковка уже произошла. Части бурильной колонны, имеющие большой диаметр (замки, УБТ, турбобур, долото) при подъеме должны срезать цилиндрический слой, равный по площади периметру выступа (замка, турбобура, долота), умноженному на высоту, т. е. мощность проницаемого пласта. Если для среза фильтрационной массы на площади 1 см2 требуется усилие q, то общее усилие для сдвига фильтрационной массы может быть определено из произведения q на площадь сдвига

где h — мощность проницаемого пласта в м; d — диаметр замка в м; q — удельное сопротивление сдвигу в тс/м2.

На рис. 94 показаны зависимости удельного сопротивления сдвигу от водоотдачи промывочной жидкости при разных перепадах давления для глинистых растворов, приготовленных из нефтеабадского глинопорошка с концентрацией 35%. Изменение водоотдачи и других параметров достигалось введением раствора УЩР, приготовленного из сухого гуматного порошка.

Из рис. 94 видно, что зависимости q от В имеют параболическую форму и увеличиваются с увеличением перепада давлений и водоотдачи. Таким образом, увеличение водоотдачи промывочных жидкостей не только ускоряет процесс заполнения кольцевого пространства фильтрационной массой, но и способствует повышению сопротивления на сдвиг этой фильтрационной массы, т. е. способствует возникновению прихватов и уменьшает возможность их ликвидации.

При обработке результатов экспериментов по изучению влияния различных факторов на величину удельного сопротивления сдвигу получена зависимость

где Kз, n — коэффициенты, зависящие, от вида химической обработки и состава твердой фазы промывочной жидкости.

Приняв G = Gдоп и B = Вдоп, получим формулу для определения допускаемой водоотдачи промывочной жидкости в зависимости от условий бурения

где Gдоп — допускаемая избыточная нагрузка при извлечении прихваченных бурильных труб в т.

В частном случае (при обработке глинистого раствора из нефтеабадской глины углещелочным реагентом) формула (105) примет вид

В табл. 63 приведены фактические дополнительные усилия при ликвидации прихватов в скважинах Ставропольского края и теоретически подсчитанные по формуле (106).

Результаты расчетов по формуле (106), показывающие значение дополнительных усилий на крюке G1 при различных водоотдачах и перепадах давлений, приходящихся на 1 м интервала проницаемого пласта для замков диаметром 0,14 м, приведены в табл. 64. Формула позволяет определить максимальную допустимую водоотдачу в зависимости от условий бурения.