(Лекция 14)
Под аварией в бурении следует понимать нарушение технологического процесса строительства скважины, вызываемое потерей подвижности колонны труб или их поломкой с оставлением в скважине элементов колонны труб, а также различных предметов и инструмен
тов, для извлечения которых требуется проведение специальных работ. Все аварии в бурении условно подразделяются на аварии с элементами бурильной колонны; прихваты бурильных и обсадных колонн; аварии с долотами; аварии из-за неудачного цементирования; аварии с забойными двигателями; аварии в результате падения в скважину посторонних предметов и прочие виды аварий.
Аварии с элементами бурильной колонны - оставление в скважине элементов колонны бурильных труб из-за поломок по телу на гладком участке, в зоне замковой резьбы или по сварному шву, из-за срыва по резьбовому соединению, а также в результате падения в скважину перечисленных элементов.
Прихваты бурильных и обсадных колонн - непредвиденная потеря подвижности колонны труб вследствие прилипания под действием перепада давления; заклинивания в желобах, в местах сужения ствола или посторонними предметами; в результате обвала или осыпания горных пород со стенок скважины или оседания шлама за счет нарушения режима промывки, а также из-за образования сальника на бурильной колонне.
Аварии с долотами - оставленные 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 их по резьбовым соединениям, обрывом по сварному шву и телу трубы, смятием или разрывом тела трубы, падением колонны или ее части, повреждением обсадных 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 которой спускалась секция обсадных труб или потайная колонна "хвостовик"; отказ в работе и повреждение узлов подвески секции обсадной колонны, нарушающие процесс крепления и дальнейшую проводку скважины; оголение башмака, недоподъем в затрубном пространстве или ос- тановление в колонне цементного раствора, для удавления которого требуются дополнительные работы по устранению нарушения, а также негерметичность отдельных труб обсадных и бурильных колонн, послужившая причиной некачественного цементирования.
Аварии с забойными двигателями - оставление турбобура, электробура, виброударника, 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, па
раллелей и вкладышей ключей АКБ, кувалд, ключей, ручных инструментов, приспособлений и их частей и других предметов, с помощью которых велись работы на устье скважины или над ним.
Прочие аварии - аварии, возникающие при производстве промысловых геофизических исследований в скважине (обрывы и прихваты кабеля, грузов, шаблонов, торпед и других устройств, применяемых при исследовании скважин и проведении вспомогательных работ), открытие нефтяные и газовые фонтаны; падение и разрушение вышек, морских оснований, падение элементов талевой системы; взрывы и пожары на буровой, приводимые к выходу и строя оборудования остановке бурения.
Наиболее часто аварии происходят с элементами колонны бурильных труб. Эти аварии вызваны в основном усталостью металла, возникающей при частом изменении нагрузки и направления ее действия. Усталостное разрушение вызывают и другие причины: неправильно подобранные параметры режима бурения; конструктивные недостатки элементов бурильной колонны; неблагоприятные геологические и технологические особенности бурения. Так, например, продольные колебания бурильной колонны, возникающие главным образом при бурении шарошечными долотами, зависят от степени однородности и твердости разбуриваемых пород, пульсации бурового раствора, соответствия типа и диаметра долота разбуриваемым породам, компоновки бурильной и ряда других факторов.
Если долота подобраны неправильно или параметры режима бурения не соответствуют механическим свойствам проходимых пород, то продольные перемещения влияют на прочность бурильной колонны Колебания происходят и вследствие неравномерной подачи бурового раствора при работе поршневых насосов. В результате пульсации давления на выкиде насоса бурильная колонна получает дополнительные вынужденные колебания, которые при соблюдении частоты пульсации давления с частотой собственных колебаний колонны могут вызвать явление резонанса, опасное для прочности колонны труб.
Распространению трещинообразования, ускоряющего слои элементов бурильной колонны, способствует следующие нарушения недостатки:
недостаточная длина УБТ;
установка над УБТ труб из легких сплавов без достаточной длины наддолотного комплекта сальных труб;
работа бурильной колонны в осложненных условиях с большой кривизной ствола;
несоответствие диаметра бурильной колонны диаметру долота; размыв и износ резьбовых соединений;
ненадежное крепление замкового резьбового соединения и др.
На возникновение прихвата значительно влияет наличие в разрезе мощных хемогенных толщ, комплекса переслаивающихся аргиллито* алевролитов и глинистых пород, склонных к текучести растворению^ осыпанию и обвалам; наличие зон с аномально высокими пластовыми давлениями и температурами; большие углы падения пластов и другие факторы геологического характера. Влияние этих факторов особенно ощущается при бурении первых скважин на площади.
Нередки случаи, когда работа, проведенная для предотвращений одной группы прихватов, приводит к возникновению других осложнений. Например, переход на бурение с промывкой растворами с пони* женной плотностью для предупреждения прилипания колонн обусловил возникновение осыпей и т.д.
Решающий фактор возникновения прихватов - вид промывочной жидкости. Основное число прихватов происходит в районах, где буре* ние ведется с применением в качестве промывочной жидкости глинистых растворов.
Прихваты подразделяются на следующие группы: применение колонн труб к стенке скважины; заклинивание колонн труб (суженной части ствола; в желобных выработках; посторонними предметами);
прихват бурильной колонны обвалявшимися неустойчивыми породами;
прихват бурильной колонны сальником.
Основные причины аварий с обсадными колоннами: неудовлетворительная подготовка ствола к спуску обсадной колонны, плохая подготовка труб, стыковочных муфт, разъединителей и другой оснастки обсадной колонны, спускоподъемного оборудования и цементировочной техники, а также несоответствующая технология цементирования.
Аварии с обсадными колоннами подразделяются на следующие группы:
прихваты обсадных колонн в интервалах неустойчивых пород, бурение в которых сопровождается сужением ствола или обвалом пород; обрывы колонн по соединениям труб (резьбовым и сварным); смятие обсадных колонн;
разрушение обсадных труб по телу (при разбуривании без предварительного удаления кусков металла от узлов оснастки вышестоящей секции; вызванные повышением внутренних давлений при восстановлении циркуляции; в зонах заводского дефицита;
падение обсадных колонн в результате неисправностей замков элеватора, из-за их самопроизвольного открытия при неожиданной остановке колонны на уступе скважины и др.;
аварии вследствие неудачного цементирования из-за недосмотра за правильностью сборки разъединителей, муфт ступенчатого цементирования, за их опрессовкой проверкой работы их до спуска в скважину.
Аварии с забойными двигателями (турбобурами) происходят в основном из-за слома корпуса в зоне резьбового соединения и срыва резьб.
Аварии с долотами происходят главным образом из-за: нарушения правил крепления долот; плохого состояния резьб у переводников, к которым их крепят; чрезмерно частых отбивок долот путем вращения с большим числом оборотов вперед и последующей резкой отдачей назад; плохого качества соединения лап между собой; длительной работы долота.
Причинами падения посторонних предметов в скважину являются: нарушения эксплуатации инструментов, устройств и механизмов, с которыми ведутся работы на устье; применение неисправного вспомогательного инструмента, отсутствие на устье устройств для предупреждения падения различных предметов в скважину; несоосность устья скважины с остью буровой вышки.
К прочим видам аварий относятся:
падение элементов талевой системы и обрывы талевого каната;
аварии при промыслово-геофизических работах в скважинах;
открытые фонтаны (к фонтанам приводят: бурение без противо- выбросового оборудования; неправильная эксплуатация противовыб- росового оборудования; недостаточная промывка скважины при бурении, и особенно перед подъемом бурильной колонны; плохая дегазация выходящего из скважины бурового раствора, не обеспечивающая снижения содержания газа в буровом растворе в процессе бурения; падение уровня бурового раствора в скважине при подъеме бурильной колонны из-за недолива его или поглощения жидкости вскрываемыми пластами; несвоевременное или неправильное принятие мер при водо-, нефте-, и газопроявлениях для предотвращения выбросов и открытого фонтанирования; применение некачественного бурового раствора, особенно несоответствие его плотности; некачественное цементирование обсадных колонн, на которые устанавливаются превенторы, что приводит к обрыву газа после закрытия превентора);
падение и разрушение буровых вышек.
Предупреждение аварий — это, прежде всего строгое выполнение требований, изложенных в проекте на строительство скважины (технических и технологических), а также соблюдение требований инструкций и руководящих документов, обязательных для данного района и выработанных на основании фактического опыта бурения на данной и соседних площадках.
В каждом буровом предприятии на основе действующих общесоюзных инструкций по предупреждению и ликвидации аварий, специфических особенностей работ в данном регионе и с учетом первого опыта разрабатываются мероприятия по предупреждению аварий.
При бурении глубоких скважин желательно, чтобы перед проведением ответственных работ (крепление ствола промежуточными колоннами, испытание возможных продуктивных горизонтов, начало бурения под очередную обсадную колонну и т.д.) проводилось обучение буровой бригады особенностями работы на этом этапе.
Перед спуском бурильной колонны с целью предупреждения аварий при подготовительных работах члены буровой вахты проверяют: исправность инструмента; состояние тормозной системы буровой лебедки; исправность системы противозатаскивателя; надежность крепления фундаментных болтов лебедки и редуктора; цементировку вышки по отношению к ротору; талевый канат и осматривают талевую систему. Для предупреждения аварий при спуске бурильной колонны запрещается: крепить долото при помощи ротора; применять цепные ключи для свинчивания труб (при помощи катушки буровой лебедки); свинчивать трубы пеньковым или стальным канатом при помощи катушки без использования кругового ключа или канатодержателя.
Перед свинчиванием труб замковую резьбу следует очистить и смазать специальной смазкой. Все резьбовые соединения УБТ и замковые соединения при спуске желательно докреплять с соответствующими моментами.
При спуске бурильной колонны в интервале, склонном к обвалам, необходимо проводить промежуточные промывки скважины. Рекомендуется первую промывке делать при достижении башмака последней обсадной колонны, а последующие после спуска каждых 1000 м труб.
Предупреждение аварий при бурении скважин заключается, прежде всего, в соблюдении требований технологии бурения, предусмотренных ГТН, и указаний, изложенных для конкретной скважины в проекте.
Нельзя допускать отклонений от установленной плотности промывочной жидкости более чем на ±0,02 г/см3 при фактической ее ве- личине до 1,45 г/см и более чем на ±0,03 г/см для растворов более высокой плотности. Контроль показателей свойств бурового раствора в скважинах, бурящихся в нормальных условиях, необходимо производить в следующие сроки:
плотность и вязкость - не реже чем через 1 ч; водоотдачу СНС, рН, содержание твердой фазы и песка, толщину фильтрационной корки - не реже 1 раза в смену; содержание солей в фильтрате 2 раза в неделю.
При бурении скважин в осложненных условиях, а также при раз- буривании газовых горизонтов, сроки контроля параметров бурового раствора следующие: плотность и вязкость контролируются через 10-15 мин, СНС, водоотдача и температура - через 1 ч; содержание нефти в буровом растворе - 1 раз в 10 дней, а остальные параметры в сроки, как и для скважин, бурящихся в нормальных условиях.
На всех скважинах, имеющих глубину более 3000 м, через каждый 1 ч промывки измеряется и регистрируется температура бурового раствора. Понижение ее указывает на негерметичность бурильной колонны. В случае падения температуры нужно немедленно приподнять колонну на 13-15 мин. Если снижение температуры подтвердится, то бурильную колонну нужно поднять и опрессовать.
Бурильную колонну нельзя оставлять без движения в открытой части ствола, особенно в неустойчивых породах, в продуктивных горизонтах, в проницаемых пластах, а также напротив пород, склонных к образованию осыпей и обвалов, где даже кратковременная остановка на 3-4 мин ведет к прихвату.
Для ликвидации прихватов, происшедших в результате прилипания под действием перепада давления, прихвата сальником, заклинивания в желобной выработке, а также заклинивания колонны обломками твердых тел предназначается гидроимпульсный способ ликвидации прихватов. Этот способ не применяется, если плотность бурового раствора.
Схема обвязки оборудования для проведения работ по ликвидации прихвата гидроимпульсом показана на рис. 8.18. При производстве гидроимпульса в бурильную колонну через нагнетательную головку 1 при открытой задвижке 3 закачивают на глубину Н воду или буровой раствор, плотность pi которого меньше плотности р\. За счет разности плотностей жидкости в трубах рг и затрубном пространстве pi создается перепад давления Ар
растягивающий бурильную колонну.
Растягивающая сила G у верхнего конца колонны будет
где S — площадь сечения внутренней части колонны труб.
При достижении определенного давления в трубах диафрагма 2 разрывается, давление мгновенно падает, а в бурильной колонне возникает волна разгрузки, которая, дойдя по прихваченной части колонны, действует на нее как ударная нагрузка. Переток жидкости содействует освобождению прихвата. Задвижка 3 служит для перекрытия колонны труб, чтобы не допустить большого снижения уровня раствора в затрубном пространстве. Если 25-30 импульсов при заданном
колонны труб) не дали результатов, то данный способ совмещают с установкой ванны.
Если такие методы ликвидации прихвата как ванны, гидроимпульса не дали результата, для ликвидации прихвата применяются ударные механизмы (яссы, гидравлический ударных механизм, возбудитель упругих колебаний). Эти механизмы находят широкое применение при ликвидации прихватов, вызванных заклиниванием, прилипаниями на небольшую высоту, а также обвалами. Для ускорения ликвидации прихвата в начальной его стадии целесообразно устанавливать ударные механизмы в компоновке бурильной колонны, чтобы сразу же при обнаружении прихвата включить Ясс в работу, что особенно важно при бурении в осложненных условиях.
Прихваты вследствие заклинивания колонны труб устраняют также созданием ударной нагрузки при помощи взрыва шнурковых торпед малой мощности. В этом случае ударная волна, проходя через резьбовое соединение трубы, вызывает резкое ослабление его. Если перед взрывом на трубы был приложен обратный вращающий момент, а резьбовое соединение было разгружено от веса вышележащих труб, то при взрыве происходит открепление резьбового соединения против нахождения торпеды, которое затем легко отвинчивают ротором. Этот метод позволяет в большинстве случаев освободить трубы, находящиеся выше места прихвата.
Если, несмотря на принятые меры, бурильную колонну освободить не удается, приступают к извлечению прихваченной колонны по частям.
Таким образом, сложности аварий и их разновидности в общем можно представить в виде следующей таблицы (табл. 8.2).
В случае возникновения аварии на инструментальной площадке бурового предприятия рекомендуется иметь полный набор ловильного инструмента: колокола и метчики гладкие и нарезные, труболовки, ловители, механизмы для ликвидации прихватов, устройства для удаления металлических предметов, труборезы, печати и др.