Несмотря на многолетний опыт бурения и постоянно совершенствующиеся технологии, в процессе строительства скважин все еще приходится сталкиваться с осложнениями и авариями, особенно при спуске обсадных колонн. Как для бурения интервала, так и для спуска обсадных колонн статистически характерно, что более половины всех временных и финансовых затрат приходится на ликвидацию последствий такой аварии, как прихват – дифференциальный и механический. На его долю приходится от 60 до 80 % всего аварийного времени [1]. Поэтому эта проблема все еще остается актуальной, и каждый день появляются новые идеи, которые приближают нас к идеалу безаварийного бурения.
Среди множества факторов, способствующих возникновению прихвата, можно выделить один, который характерен для каждого из типов и вносит немалый вклад в формирование аварийной ситуации и последующее ее усугубление, – механическое трение инструмента или обсадной колонны о стенки скважины. Высокий коэффициент трения создает дополнительное противодействие при спуске обсадных колонн в наклонно направленных и горизонтальных стволах, особенно при эффекте «складывания». Эти последствия высокого коэффициента трения проявляются как в процессе бурения, так и при спуско-подъемных операциях (СПО), вызывая затяжки и посадки бурильного инструмента.
- Необходимы технологии, позволяющие предотвращать возникновение прихватоопасных ситуаций, снижать коэффициент трения на границе «фильтрационная корка-металл» вне зависимости от содержания смазки в водных системах буровых растворов и при этом удовлетворять следующим требованиям:универсальное применение во всех системах буровых растворов;
- отсутствие негативного влияния добавки на параметры бурового раствора;
- добавка не должна влиять на коллекторские свойства продуктивных пластов;
- простота в использовании;
- относительная дешевизна.
Использование химически инертных твердых смазывающих добавок представляет собой перспективное решение для предотвращения проблем, связанных с сопротивлением со стороны стенок скважины при спуске обсадных колонн в наклонно направленных и горизонтальных скважинах. Эти добавки могут улучшить смазывающие свойства буровых растворов, снижая трение между обсадной колонной и стенками скважины. Твердые смазывающие добавки представляют собой микрошары малого диаметра (100–700 мкм) из различных материалов: стеклянные, керамические, полимерные. Сами по себе шары химически инертны и их ввод в буровой раствор не требует каких-либо дополнительных химических реагентов и специального оборудования. Находясь в составе бурового раствора, они не меняют его свойства и внедряются в фильтрационную корку, способствуя снижению коэффициента трения.
В данном исследовании произведена оценка возможности и степени эффективности применения твердых смазывающих добавок (микрошаров) в качестве реагента для бурового раствора, с целью снижения вероятности возникновения дифференциальных прихватов в процессе строительства скважин.
Материалы и оборудование
На данный момент не существует единого прибора, который позволяет однозначно определять характеристику прихватоопасности бурильного инструмента. Перечень оборудования для определения степени прихватоопасности промывочной жидкости достаточно ограничен. Примерами такого оборудования являются: СНС-2 для имитации и оценки степени адгезионного сцепления между буровым раствором и металлической поверхностью бурового инструмента [2]; применение фильтр-пресса для формирования фильтрационной корки и оценка степени ее липкости к металлической поверхности при помощи прибора КТК-2 [3].
Наиболее универсальным методом для оценки характеристики таких процессов является применение установок для исследования дифференциального прихвата (Differential Sticking Tester). Данный прибор позволяет моделировать процесс дифференциального прихвата напрямую, путем создания перепада давления на границе металлической поверхности бурильного инструмента и сформированной при этом перепаде фильтрационной корки, и определять усилие, необходимое для «отрыва» элемента инструмента. Несмотря на необходимые затраты времени и сложность применяемого оборудования, данный прибор является одним из наиболее точных для моделирования внутрискважинных фильтрационных и адгезионных процессов.
Поэтому в данном исследовании основным прибором, с помощью которого производилась оценка противоприхватной характеристики промывочных жидкостей, является Fann Differential Sticking Tester.
Исследование производилось на основе биополимерного карбонатного типа бурового раствора, который часто применяется при бурении горизонтальных секций горизонтальных и наклонно направленных скважин.
Методика проведения эксперимента
В рабочую камеру прибора заливается заранее приготовленный буровой раствор; в крышку прибора устанавливается диск с плоским торцом, который имитирует положение и движения бурильного инструмента. После сборки аппарата в рабочую камеру подается давление 33 атм (477,5 psi) [4], открывается нижний клапан и в течение 10 минут осуществляется фильтрация бурового раствора для формирования фильтрационной корки, записывается объем фильтрата за этот промежуток времени. После, с помощью воздействия рычага на шток диска, последний приводится в движение и диск соприкасается со сформированной фильтрационной коркой. Для постоянного контакта диска и корки на рычаг вешается груз. В данном состоянии аппарат выдерживается еще 10 минут, затем нагрузка со штока снимается. Если шток диска остается в нижнем положении, то произошел прихват, если диск со штоком поднимается, то прихват не образовался. При наличии прихвата с помощью динамометрического ключа производится от 5 до 7 замеров крутящего момента Tu с интервалом между замерами в 30–40 секунд. На основании полученных данных крутящего момента определяется характер прихватоопасности сформированной фильтрационной корки и соответствующего ей бурового раствора и вычисляются значения коэффициентов прихватоопасности, которые будут применяться для анализа в дальнейшем.
Результаты
В первом эксперименте рассматривается влияние ввода микрошаров на коэффициент прихватоопасности бурового раствора. За основу взят полимер-карбонатный буровой раствор с концентрацией карбоната кальция 100 кг/м3. Изменение коэффициента прихватоопасности оценивалось при добавлении микрошаров в концентрации 10 кг/м3, при различных перепадах давления, имитирующих разные ситуации на границе «скважина-пласт».
Рисунок 1. Зависимость коэффициента прихватоопасности буровых растворов без и с добавлением твердых смазывающих добавок
В результате многократного проведения эксперимента и отсеивания наиболее отклоняющихся значений были получены графики, представленные на рисунке 1. В обоих случаях со снижением перепада давления наблюдается небольшой рост коэффициента прихватоопасности. Это следует из выражения самого коэффициента и говорит только о степени снижения минимального необходимого момента для создания подвижности при снижении перепада давления на фильтрационной корке.
При добавлении микрошаров в буровой раствор значения коэффициента прихватоопасности становятся ниже при всех значениях перепада давления по сравнению с буровым раствором без микрошаров на 10–15 %. Это свидетельствует о значительном снижении риска прихвата благодаря использованию твердых смазывающих добавок.
В обоих случаях при перепаде давления более 15–20 атм коэффициент прихватоопасности стабилизируется на низких значениях. Однако при добавлении твердых смазывающих добавок этот уровень достигается раньше и сохраняется на более низких значениях.
Добавление твердых смазывающих добавок в буровой раствор существенно снижает коэффициент прихватоопасности, особенно при умеренных и высоких перепадах давления. Это подтверждает эффективность применения таких добавок для минимизации риска прихвата бурового инструмента и повышения общей безопасности бурения.
Также было рассмотрено влияние концентрации добавляемых в буровой раствор микрошаров на степень прихватоопасности бурового раствора при различной изначальной прихватоопасности. Для этого при одинаковой концентрации твердой фазы, в составе бурового раствора применялись различные понизители фильтрации – крахмал и полианионная целлюлоза низкой вязкости (ПАЦ НВ).Рисунок 2. Зависимость коэффициента прихватоопасности буровых растворов с различными понизителями фильтрации
Без добавления твердой смазки полианионная целлюлоза обеспечивает значительно более низкий начальный коэффициент прихватоопасности (≈ 0,1–0,12 без микрошаров) по сравнению с крахмалом (≈ 0,55–0,6 без микрошаров).
Для крахмала наблюдается выраженное снижение коэффициента прихватоопасности с ростом концентрации микрошаров. Это говорит о том, что микрошары эффективно компенсируют высокую исходную прихватоопасность бурового раствора с крахмалом. Для ПАЦ НВ: коэффициент изначально низкий, и добавление микрошаров приводит к его дальнейшему незначительному абсолютному снижению. В системах, где исходный риск прихвата уже минимален, микрошары играют вспомогательную роль, дополнительно снижая и без того низкий коэффициент прихватоопасности.
Если рассматривать относительное снижение коэффициента прихватоопасности, то в системе с изначально высокой прихватоопасностью наблюдается более медленное снижение коэффициента при увеличении концентрации микрошаров. При концентрации 8 кг/м3 для обоих вариантов коэффициент снизился на 50 %; снижение на 75 % раствор с ПАЦ достигает уже при концентрации 12 кг/м3, а раствор с крахмалом – только при 18 кг/м3. Также для раствора с ПАЦ при концентрации микрошаров более 12 кг/м3 прихватоопасность становится нулевой.
Выводы
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о значительном снижении коэффициента прихватоопасности (до 13 % при концентрации 10 кг/м3) бурового раствора при введении твердых смазывающих добавок. Наибольшая эффективность данного метода наблюдается в системах с изначально высокой прихватоопасностью, например, при использовании понизителя фильтрации на основе крахмала. В случае применения высокоэффективных понизителей фильтрации, таких как полианионная целлюлоза (ПАЦ НВ), которые сами по себе снижают риск прихвата, микрошары обеспечивают дополнительное, хотя и менее выраженное улучшение. Применение твердых смазывающих добавок в качестве реагента для снижения вероятности возникновения прихвата является целесообразным. Оптимальным подходом для минимизации риска прихватов при строительстве скважин является комбинирование микрошаров с подходящим понизителем фильтрации.
Литература
1. Корабельников М.Т. Техническое решение по снижению затрат на ликвидацию прихватов бурильной колонны в скважине / М.Т. Корабельников, С.Н. Бастриков, Н.А. Аксенова / SOCAR Proceegings. – 2021. – № 2. – С. 47–51.
2. Загвоздин, И.В. Исследование влияния параметров буровых растворов на вероятность возникновения дифференциальных прихватов / И.В. Загвоздин, С.В. Каменских // Булатовские чтения. – 2017. – Т. 3. – С. 97–103.
3. Хузина, Л.Б. О смазочных добавках для буровых растворов / Л.Б. Хузина, С.И. Голубь // Бурение и нефть. – 2019. – № 5. – С. 30–33.
Model 21150 Differential Sticking Tester: Instruction Manual / Fann Instrument Company. — Part No. 206907. — Rev. D. — Houston, Texas: Fann Instrument Company, 2010. — 26 с.
