Прогрессивные технологии сооружения скважин

БОРЬБА С ПОГЛОЩЕНИЯМИ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ

При бурении скважин одним из самых распространенных гео­логических осложнений является поглощение промывочной жид­кости. Удельный вес непроизводительных затрат времени и средств на предупреждение и борьбу с поглощениями в общем
балансе рабочего времени достаточно велик и составляет 20­30 %.

Наибольшие трудности в процессе проводки скважины вызы­вают полные потери циркуляции промывочной жидкости в пла­стах, имеющих большие трещины, пустоты и каверны.

Приведем некоторые известные классификации и методы профилактики и ликвидации поглощений промывочной жидко­сти (табл. 6.10-6.12).

Продолжение табл. 6.11

Катего­рия скважин

Удельное поглоще­ние,

М

Рекомендации о ликвидации поглощения

Рахсод там­пони­рующего материала, кг/м

Количество тампонажей

То же

Снизить удельное поглоще-

3 5 м3/ч ние до q5 = 3-ю

М

Намывом наполнителей в зону поглощения. Изоляция производится с установкой пакера над зоной поглоще­ния на 30-50 м Применяются: гипсоцемент - ные смеси (50 % цемента и 50 % строительного или вы­сокопрочного гипса с добав­лением в воду затворения замедлителей сроков схва­тывания); полимергипсовые смеси; на основе полимер­ных материалов; смесь, сос­тоящая из равных объемов гипана и минерализованного глинистого раствора (10­15 % CaCl2) с добавлением наполнителей; смеси на ос­нове тампонажного цемента с добавлением 6-8 % хло­ристого кальция или других ускорителей, а также соля- роцементобентонитовые и солярогипсобентонитовые смеси

Снизить интенсивность пог­лощения до 5-6 м3/ч намы­вом наполнителей слюда-че­шуйка, ветошь, отходы рези­ны, кордное волокно, песок, древесные опилки, хлопко­вая лузга

Целесообразно применять при намыве одновременно волокнистые, хлопьевидные и гранулярные наполнители БСС те же, что и категории 4

1

1-2 Если после 3-4 заливок интенсивность поглощения не снижается, то рекоменду­ется поглоща­ющие пласты перекрывать обсадной ко­лонной

Рассмотрим возможные пути борьбы с поглощениями промы­вочной жидкости, когда традиционные методы подбора рецептур очистного агента, в том числе газожидкостных смесей и пен, не позволяют добиться положительного результата. Прежде всего это следующие направления:

Технологии с применением перекрывающих устройств, пре­дотвращающих распространение тампонирующих смесей вглубь поглощающих каналов;

Технологии перекрытия трещин и полостей с применением высокопрочных тканевых оболочек;

Технологии ликвидации каверн и трещин с доставкой крупно­кускового материала в зону поглощения;

Технологии бурения скважин в условиях катастрофического поглощения без выхода промывочной жидкости на поверхность; технологии изоляции зон поглощений «потайной» колонной. Перед выбором конкретной технологии и технических средств проходки зон интенсивного поглощения промывочной жидкости следует провести типизацию горно-геологических факторов кон­кретного ответа (табл. 6.13).

Для восстановления циркуляции в пластах, имеющих боль­шие трещины, пустоты и каверны, могут быть использованы пе­рекрывающие устройства удерживающие цементный раствор в зоне циркуляции до его затворения.

Приспособление для перекрытия трещин (рис. 6.3) состоит из колоколовидной цилиндрической стальной защитной трубы 1, внутри которой расположены верхний 2 и нижний 12 уплотняю-

Таблица 6.13

Типизация горно-геологических факторов района работ

Горно-геологи­ческие факторы

Характеристика горно­геологических факторов

Поглощения промы­вочной жидкости

Устойчивость стенок скважин

Геологическая ха­рактеристика пород, тип коллектора

1. Рыхлые песчаные, песчано-гравийные, гравийно-щебнистые отложения, супеси, су­глинки с дресвой и щебнем

2. Разрушенные трещи­новатые, кавернозные и закарстованные скаль­ные породы

Степень поглощения зависит от грануло­метрического состава фракций, наличия глинистой составляю­щей, количества и мощности прослоев и линз глин Частичное - до 1­5 м^/ч; сильное - до 5-10 мУч

Степень поглощения зависит от характера трещиноватости, ка - вернозности, размеров полостей, наличия и состава заполнителя. Полное - до 15 м^/ч; катастрофическое - 15-20 м3/ч и более

Неустойчивые: из-за горного давления по­род, недостаточного гидростатического дав­ления промывочной жидкости, увлаж­нения пород фильтра­том, набухания и сни­жения прочности гли­нистых пород

Неустойчивые: из-за горного давления вы­шележащих пород, сильной трещиновато - сти

Образование сальни­ков: прихваты бурово­го снаряда, скаплива­ние шлама на забое, применение растворов с большой водоотдачей и образование на стен­ках скважины толстой глинистой корки

Кавернообразование, вывалы кусков породы, прихваты бурового снаряда

Гидродинамические параметры пластов

Наличие водоносных горизонтов в различ­ных типах коллекторов с разной степенью об­водненности (дебиты водоносных горизон­тов)

Обрушение стенок скважин из-за нека­чественной промы­вочной жидкости и возникающих при этом водопроявлений

Водопроявления: не­достаточное противо­давление столба жид­кости в скважине, вы­сокая проницаемость пород

Возникновение по­глощений при вскры­тии нижележащих водоносных горизон­тов и взаимодействии их с вышележащими

Возникновение пог­лощений при обру­шении стенок сква­жин

Мощные поглощения промывочной жид­кости: от полных до катастрофических

Обрушение стенок скважин из-за нека­чественной промы­вочной жидкости и возникающих при этом сообщений во­доносных горизонтов

Обрушение стенок скважин из-за нека­чественной промы­вочной жидкости и высоких скоростей спускоподъемных операций

Обвалы стенок сква­жин. Вывалы кусков породы

Внутрискважинные перетоки из водонос­ных горизонтов с бо­лее высоким гидроста­тическим давлением в слои с более низким давлением

Набухание, снижение прочности глинистых пород, ползучесть по­роды и сужение ствола скважин, затяжки и прихваты бурового ин­струмента

Кавернообразование и обильный вынос поро­ды, непрохождение бу­рового снаряда до за­боя, прихваты снаряда

Щие элементы, изготовленные на смеси цемента, резины и во­локна. Верхняя и нижняя пробки имеют центральные отверстия для прохода жидкости при спуске инструмента в скважину. Пробки соединены между собой трубками 7 и 8, выполненными из пластического материала. Снаружи трубки 8 расположен пла­стичный деформирующийся мешок, прикрепленный своими кон­цами к верхней и нижней пробкам. Трубка 8 имеет ряд отвер­стий, через которые мешок присоединяется к защитной трубке при помощи срезаемых штифтов 11, верхняя пробка имеет кони­ческое седло и ряд каналов 4, соединяющих центральное отвер­стие пробки с полостью между трубками 7 и 8, снизу пробка имеет кольцо, являющееся седлом для шара 14.

При спуске инструмента в скважину жидкость беспрепятст­венно проходит во внутрь колонны бурильных труб, через цен­тральные отверстия.

Для установки данного приспособления забой скважины дол­жен не более чем на 2-3 м быть ниже зоны поглощения. Если забой расположен значительно ниже, то устанавливается цемент­ный мост.

После того, как инструмент спустят до необходимого интер­вала, и нижняя пробка упрется в забой скважины, на защитную трубу передают часть веса колонны бурильных труб, под дейст­вием которого разрушаются штифты. Затем инструмент подни­мается, и защитная труба перемещается в верхнее положение, освобождая эластичный мешок.

Чтобы заполнить мешок тампонирующей смесью, в буриль­ные трубы опускается шар 14 и закачивается цементный раствор. Шар перекрывает центральный канал и направляет цементную смесь через каналы 4 в пространство между трубками 7 и 8, от­куда она попадает в мешок, растягивая и прижимая его к стен­кам скважины. Чтобы предотвратить обратное движение смеси из мешка в бурильные трубы, над отверстиями трубки 8 поме­щают клапаны створчатого типа.

Диаметр и длина мешка подбираются в зависимости от мощ­ности и глубины каверны или трещины.

После окончания операции по цементированию трещины за­щитная труба извлекается на поверхность, а затвердевший це­ментный раствор и детали приспособления разбуриваются обыч­ными долотами.

Известны перекрывающие устройства, которые спускаются в зону перекрытия поглощающих каналов вместе с тампони­рующей смесью, которая выдавливается в скважину вместе с перекрывающей оболочкой. На рис. 6.4 показан тампонаж - ный снаряд, в котором в качестве вяжущего вещества 8 исполь­
зуется синтетическая смола, поме­щенная в эластичную оболочку 6.

Перед спуском устройства уча­сток ствола скважины 7 против изолируемой трещины 3 увеличи­вается в диаметре до необходимого размера. В желонку 2, закрытую снизу днищем 4, выполненным из разбуриваемого материала, закла­дывается эластичная оболочка с тампонирующим материалом. Под действием давления промывочной жидкости, закачиваемой в буриль­ные трубы, днище 4 разрушает­ся, и оболочка выдавливается в скважину.

При подъеме бурильных труб оболочка под действием тяжести содержимого разворачивается на забое и заполняет расширенный участок ствола, перекрывая по­глощающие каналы. После затвер­дения вяжущего вещества образо­вавшаяся пробка разбуривается обычным способом.

Эффективно и быстро, с минимальными затратами средств можно перекрыть зону полного поглощения, представленную большими трещинами или кавернами, если использовать приспо­собление, показанное на рис. 6.5. Сущность способа изоляции с использованием этого приспособления состоит в том, что в скважине в интервале расположения трещин и каверн размеща­ются твердые тела различного размера для частичного перекры­тия поглощающих каналов с последующим цементированием пространства между телами тампонирующими смесями.

Если в процессе бурения скважины провал инструмента со­провождается потерей циркуляции промывочного раствора, то сразу же поднимают бурильные трубы и в скважину на канате 1 (см. рис. 6.5, а) спускается контейнер 3, заполненный твердыми

Телами, имеющими преимущественно сферическую форму и от­сортированными по размеру. Контейнер изготовлен из сетчатого материала, способного пропускать через себя тампонирующие растворы.

Когда контейнер достигает поглощающего интервала и сво­бодно ложится на забой скважины, твердые частицы под собст­венным весом будут заполнять неровности и трещины ствола скважины, перекрывая частично пути ухода промывочной жид-

Кости. Затем в скважину спускают бурильные трубы с наконеч­ником 6, по которым закачивается соответствующий раствор, который проникает через контейнер и заполняет пространство между твердыми частицами, образуя после твердения монолит­ный барьер, полностью предотвращающий поглощение промы­вочной жидкости в скважине.

При разбуривании разрушается центральная часть пробки, а трещины остаются перекрытыми цементным камнем, что позво­ляет в дальнейшем бурить скважину без поглощений.

Если с помощью наполнителей можно изолировать трещины не более 6 мм, то с помощью перекрывающих устройств можно изолировать поглощающие участки, представленные большими кавернами, трещинами и высокопроницаемыми породами.

Однако в этом случае необходимо точно знать местоположе­ние и мощность зоны поглощения, что требует дополнительных затрат времени и средств на проведение исследовательских работ.

Поэтому был предложен способ предотвращения потери цир­куляции и водопроявления без тампонирования зоны осложне­ния (рис. 6.6).

На долото 5 и нижнюю часть инструмента надевается непро­ницаемая оболочка 3, длина которой должна быть в два раза больше мощности зоны поглощения. Верхний конец мешка гер­метично присоединен к колонне бурильных труб с помощью ме­таллического или резинового зажима 2.

Бурильный инструмент с оболочкой спускается в скважину и по колонне труб закачивается глинистый раствор, который за­полняет мешок и прижимает его к стенкам скважины. Бурение осуществляется через дно мешка, а существующий перепад дав­ления между зоной поглощения и стволом скважины удерживает оболочку в необходимом положении. По всей длине мешка жела­тельно располагать резиновые кольца или металлические за­жимы, с тем, чтобы мешок плотно облегал колонну труб.

Диаметр мешка зависит от его качества. При использовании твердого материала диаметр мешка должен быть равен или не­сколько больше диаметра скважины в зоне поглощения. При ис­пользовании растягивающегося материала (например, резины) допускаются меньшие размеры. Глубина скважины ниже зоны поглощения не должна превышать половины мощности этой зоны.

Мешок может выполняться из брезента, нейлона или лучше из пластика, изготовленного в виде пленки (из полиэтилена, по­липропилена, полимеров и т. д.). Для предохранения нижней час­ти мешка, расположенной под долотом, при спуске инструмента
в скважину применяются различные защитные приспособления, изготов­ленные из разбуриваемого материа­ла. После бурения скважины через мешок можно спустить обсадную колонну. В таком положении мешок предотвратит уход цемента в про­цессе цементирования скважины.

Если после установки оболочки требуется спустить долото, то его размер выбирается на 6-13 мм меньше основного ствола. Долото снабжается специальным направ­ляющим устройством, поддающимся разбуриванию, чтобы не повредить перекрывающую оболочку при про­хождении через нее долота.

Устройство ДАУ для доставки брезентового мешка (оболочки) в зону поглощения (рис. 6.7) состоит из направляющих цилиндров 4 и 8, трубы 6 и предохранительной трубы 12, внутри которых передвигаются соединенные между собой направ­ляющий поршень 3, перепускное устройство 5, проводящая труба 7 и перфорированная труба 10, на которой с помощью крючьев 9 Укреплен брезентовый мешок 11. Устройство через переходник 1 Соединяется с колонной бурильных труб, направляющий пор­шень 3 удерживается в исходном положении с помощью шпилек 2. Диаметр перфорационных отверстий в мешке составляет 1­1,5 мм.

Устройство опускают в скважину с таким расчетом, чтобы нижний конец предохранительной трубы 12 находился на 0,3­0,5 м выше кровли каверны. Через бурильные трубы в скважину закачивают расчетное количество тампонажной смеси и прода - вочную жидкость, что сопровождается повышением давления на поршень 3. Шпильки 2 срезаются, и поршень вместе с перепуск­ным устройством 5 и проводящей трубой 7 перемещаются вниз,

Выдвигая перфорированную трубу 10 с брезентовым мешком из предохранительной трубы 12. Перепускное устройство 5, попадая в конусное гнездо направляющего цилиндра 8, фиксирует под­вижную часть устройства в нижнем положении. Тампонажный раствор через переходник 1, направляющий цилиндр 4, кольце­вой зазор между направляющими поршнем 3 и трубой 6 попа-

Дает в отверстие перепускного устройства, а оттуда по проводя­щей 7 и перфорированной 10 трубам в брезентовый мешок. Бре­зентовый мешок расправляется и принимает форму каверны. По окончании закачки и некоторой выдержки устройство подни­мают, и мешок срывается с крючьев 9.

В устройстве можно использовать упругие сетчатые оболочки.

Устройства для перекрытия пластов упругой сетчатой обо­лочкой (УПП) широко применяются в практике бурения нефтя­ных и газовых скважин. Они разработаны во ВНИИБТ. Имеется несколько их модификаций, из которых для условий разведоч­ного бурения наиболее приемлема УПП-4М.

Устройство УПП-4М (рис. 6.8) опускают в скважину на бу­рильных трубах, к которым оно подсоединяется с помощью пе­реходника 1 с прокладкой 2. На переходник навинчивают защит­ную трубу 4, к которой снизу на трех шпильках 10 крепят дюра­люминиевый башмак 9. Между фиксирующей муфтой 3 и баш­маком монтируется направляющая труба 5. На трубе укреплена сшитая в виде цилиндра сетчатая оболочка 7, собранная в склад­ки. Для предохранения ее от повреждения при выходе из защит­ной трубы она дополнительно защищена эластичным чехлом 6. Кроме того, чехол облегчает сборку устройства. Снизу на цен­тральной направляющей трубе свободно посажен перфориро­ванный патрубок 8, изготовленный из дюралюминия. Патрубок навинчен на башмак. На верхней части патрубка крепится ниж­няя часть сетчатой оболочки, верхний конец сетки закрепляется на центральной направляющей трубе под фиксирующей муфтой.

Собранное устройство опускают в скважину, устанавливают на расстоянии 0,5 м от забоя и промывают. Затем через буриль­ные трубы забрасывают шарик 11, включают насос и давлением бурового раствора срезают шпильки. После этого УПП припод­нимают над забоем на длину сетчатой оболочки за вычетом дли­ны центральной трубы и закачивают тампонажный раствор. Раз­меры сетчатой оболочки зависят от размера каверны и могут достигать в диаметре до 2000 мм, а в длину до 25 м.

Кассетные перекрыватели - приспособления, предотвращаю­щие распространение тампонирующей смеси в глубь пласта. Кас­сетный перекрыватель (рис. 6.9) состоит из корпуса 2, в который вставляется труба 6 с поршнем 4. Предварительно на трубу наде­вается свернутый в рулон стальной лист 8, который удержива­ется в таком положении кольцом 5 и пробкой 9. Башмак 10 за­крепляется на пробке 9 с помощью шпилек 11. Поршень фикси­руется в неподвижном положении шпильками 3.

Собранный перекрыватель соединяется с колонной бурильных труб через переходник 1 и спускается в скважину к месту уста­новки. После промывки скважины в бурильные трубы бросают шар 12 и создают давление, под действием которого срезаются шпильки 3, и поршень вместе с трубой и кассетой 8 перемеща­ется до упора в гайку 7. Дальнейшее повышение давления вызы­вает срез шпилек 11 и освобождение нижнего конца кассеты. При подъеме инструмента кольцо 5 полностью освобождает кас­сету, которая под действием упругих сил прижимается к стенкам скважины. После установки кассеты проводится тампонирование. Кассетный перекрыватель за один спуск может перекрыть интер­вал скважины длиной до 15-20 м.

Такие конструкции перекрывающих устройств, как профиль­ный перекрыватель, устройство с сеткой, ограничивающие расте­кание тампонажной смеси по крупным поглощающим каналам и удерживающие смесь возле ствола скважины до твердения, ис­пользуются в скважинах диаметром 190-215 мм.

Для проведения изоляционных работ в поглощающих сква­жинах может быть использовано устройство для создания проб­ки в каверне (трещине) скважины (рис. 6.10). Оно служит для установки разбуриваемых цементных мостов в интервале круп­ной каверны или трещины.

Устройство включает в себя полый перфорированный патру­бок (хвостовик) 4 (может быть использована легкосплавная бу­рильная труба диаметром 34 мм). Центрирующая направляющая пробка 9 изготовлена из дерева. На патрубок 4 надевается обо­лочка - водонепроницаемый тканевый мешок 6, выполненный из парашютного шелка или синтетических материалов (капрона, нейлона, лавсана).

Концы оболочки герметично закрепляются на патрубке с по­мощью хомута 5 и пробки 9. В транспортном положении мешок по всей длине облегает полиэтиленовая пленка 8, размеры мешка выбираются из расчета перекрытия тампонируемой зоны.

Устройство подвешивается к стальной бурильной колонне 1 Диаметром 50 мм с помощью болта (шпильки) 2 диаметром 5 мм (из стали 45). Внутренний диаметр бурильной трубы несколько больше наружного диаметра патрубка 4. Небольшой зазор между бурильной трубой и патрубком уплотняется с помощью сальника 3. После спуска устройства и установки его против каверны (по­глощающего интервала) бурильная колонна во избежание среза болта 2 не разгружается. Затем в бурильные трубы закачивается цементный раствор (или при необходимости тампонажная быст - росхватывающаяся смесь), который через каналы 7 заполняет ме­шок, растягивая его в стороны и прижимая к стенкам скважины (рис. 6.11). Бурильная колонна затем освобождается путем раз­грузки.

После затвердения цементного раствора тампонажный камень вместе с алюминиевой трубой разбуриваются, и скважина углуб­ляется без поглощения промывочной жидкости.

Значительно эффективнее применение в качестве пат­рубка перфорированной бу­рильной трубы. В этом слу­чае после закачки цементного раствора перфорированная часть патрубка извлекается вместе с колонной, а мешок под действием силы тяжести отрывается в районе крепле­ния его к патрубку хому­том.

Расчеты показывают, что время на ликвидацию кавер­ны глубиной 2 м составит 5 ч. Для достижения времени схватывания раствора, при­близительно 2 ч, применяет­ся поваренная или кальцини­рованная соль в количестве 1,5-2 %. При этом прочность цементного камня в этом случае несколько ниже, что также важно для снижения усилий по разбуриванию пробки.

При полном поглощении промывочной жидкости обыч­ные методы оказываются ма­лоэффективными или требуют значительных затрат средств и времени. Восстановить циркуляции будет возможно после пред­варительной закупорки трещин и пор поглощающего пласта пу­тем размещения в интервале трещин и каверн инертного напол­нителя - гравия или щебня различного размера (от 1 до 100 мм) с последующим цементированием пространства между телами
тампонирующими смесями. Эта операция должна проводиться сразу после обнаружения провала инструмента, сопровождающе­гося потерей циркуляции после вскрытия всей зоны погло­щения.

С помощью заштыбовочной машины обеспечивается подача крупнокускового легко разбуриваемого материала и цемента в зону поглощения. После схватывания производится разбурива - ние интервала.

Заштыбовочная машина размещена на мобильной платформе и может быть оперативно доставлена по месту требования.

Предлагаемая технология универсальна, экономична, может быть использована в любых горно-геологических условиях.

При отсутствии возможности восстановить циркуляцию, как исключение можно бурить с промывкой без выхода ПЖ на по­верхность при весьма пониженной производительности насосов, достаточной только для охлаждения долота и выноса выбурен­ных частиц в поглощающую зону. Технология бурения без вы­хода промывочной жидкости на поверхность в практике исполь­зуется достаточно часто, правда интервалы таких углубок редко достигают 6-10 м.

Вся сложность этой технологии заключается в повышен­ной опасности скапливания бурового шлама в межтрубном зазо­ре ствола скважины и возможном прихвате бурового инстру­мента.

Такая технология требует от бурильщика большого внимания и практикуется обычно опытным персоналом.

Практикой бурения нефтяных скважин в сильно кавернозных и трещиноватых породах восточных районов России установ­лено, что при углублении скважины в условиях поглощения ко­эффициент поглощающей способности снижается. Очевидно, поднимающийся с забоя шлам попадает вместе с водой в погло­щающий пласт и закупоривает каналы, по которым происходит поглощение.

Наиболее целесообразным способом изоляции зоны поглоще­ния является обсаживание скважины полностью, т. е. когда верх обсадной колонны выводится на поверхность.

В целях экономии металла обсадная колонна может быть спущена «впотай». Потайная колонна спускается на переходнике с левой резьбой, который затем вывинчивается, а верх колонны развальцовывается грушевидной оправкой. Однако здесь возни­кает проблема изоляции зазора между обсадными трубами и стенками скважины. Надежных уплотнительных систем для та­ких случаев не создано, и зазоры изолируют тампонированием одним из существующих составов.

Возможные схемы тампонирования зазора между «потайной» колонной и скважиной приводятся на рис. 6.12 и 6.13.

Затрубное пространство «потайной» колонны может быть за­полнено глиноцементным раствором. В этом случае длина ко­лонны над кровлей каверны должна быть не менее 30 м. Раствор нагнетается в зазор по известным технологическим схемам. При этом, если в скважине имеется столб промывочной (или пласто­вой) жидкости, тампонажный раствор внутрь «потайной» ко­лонны, как правило, не попадает. Для изоляции «потайной» ко­лонны рекомендуется глиноцементный раствор с наполнителем и максимально возможными структурно-механическими парамет-

Рами. Объем тампонажного раствора подсчитывается исходя из длины колонны.

При использовании дорогих тампонажных составов такая сис­тема заполнения зазоров существенно удорожает работы. По­этому целесообразно сверху «потайную» колонну перекрыть цен­тровочной пробкой, жестко соединенной с бурильными трубами, и зазор заполнить быстросхватывающейся смесью. Последняя доставляется в колонковой трубе и выдавливается промывочной жидкостью. Большое значение для надежного тампонирования имеет равномерность зазора между стенками скважины и «по­тайной» колонной. Соосность «потайной» колонны и скважины может быть достигнута использованием утолщенного башмака на колонковой трубе и центровой пробке.

Для предупреждения прихвата снаряд извлекается сразу же после завершения изоляционных работ.