автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Прогнозирование и повышение эффективности ликвидации прихватов труб под действием перепада давления

О 0 Ьоашжй ОРДЕНА ТКУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАаМИ НЕФТЯНОЙ ИЯЛШТ имени академика Ы.Д. ЩШИОЩЩВА

На правах рукописи

ХАСАЕВ аяьчин Р№ ОГЛЫ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ Э9ЮШИВН0СТИ ЛИКВИДАЦИИ ПРИХВАТОВ ТРУБ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05,15.10 - Буренка скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ГРОЗНЫЙ - 1991

/

-9 о* /

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте по технике безопасности /ВЯШТБ/.

Научный руководитель:

доктор технических наук, проф. ШИХАЛИЕВ Ф.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проф. ЯГУЮВ Н.й. канцицаг технических наук, доц. ЯШИН М.Д.

Ведущее предприятие: Джаарлинский УРБ ПО "Азнефть"

Защита состоится "ЛЬ ..Я.ФЖЪ.... 1991 г. в /А . час. заседании специализированного совета К.063.60.02 в Грозненском Ордена Трудового Красного Знамени нефтяном институте ичепи академика М.Д.Миллионщикова /364902,Грозный,пр.Революции, 1 .

диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНИ имени • ч к-^ика М.Д.Миллионщикова.

Ученый секре'М"^ ■; ш> I * и« ли э ирпввнно ] к.х.н.,доцен'

Б.И.Беленко

__ - 2 -

,ИГ\»!СТ8Ег.««

ОБЩАЯ ХАРАКШРИСШ(А РАБОТУ

bs¡< <лш

:ш1

¡ьность теми. Научно-технической целевой комплексной

программой. утвержденной ГКНТ СССР, поставлена задача - в бликай-т& годы создать и освоить технологические процессы и технически сродства для бурения нефтяных и газовых скважин со скоростью, превшавдей достигнутую а 2-3 раза. В ее решении существенная роль отводится снижению непроизводительных затрат врешни и средств за счет совершенствования мероприятий по предупреждению и ликвидации аварий, среди которих наиболее распространенными и трудоемкими являются прихваты колонн труб. Еяегодно буровые предприятия терпят огромные убытки из-за аварий, связанных с прихватами колонн труб. Несмотря на предпринятые меры предосторожности и профилактические мероприятия исключить полностью прихваты но удается. Последнее обусловлено ь«огообразней факторов, вызывающих прихват, а также слогноетью к ?гадостаточноИ изученностью процессов, происходящих пра ssom.

Решение ряда задач проблема прихватов пооыэдены работы отечественных исследователей А.Г.Лаетисова, М.М. Александрова, А.П.Войцвховского, М.А.Галииова, Ы.Л.Гулизадэ, Н.Н.Кошелева,

A.И.Малышева, А.Х.Мирзаджанзеде, Н.Р.Ыурадова, Ю.П.Ноыикосова, Н.П.Пустовойтенко, М.К.СеиД-Рэи, А.К.Санотоя, Н.Ы.Шерстнева и др., а также эарубешшх А.Лонгли, К.Панфильда, К.Пфледжора,

B.Хелмнка, Х.Аутманса и др.

Однако достигнутые успехи о решении данной проблемы но соответствуют современным требованиям к качеству бурения скважин и обеспечению условий для безаварийной проводки сквакшы с мшшшлышш затратами.

Необходимо отметить, что в настоящее время недостаточно изучен механизм и природа возникновения, развития и ликвидации прихватов, недостаточно разработаны методы и средства для прогнозирования, предупреждения и ликвидации прихватов, в результате чего ежегодно затраты на борьбу с прихватами состав, ляет десятки миллионов рублей.

Анализ производственного материала по отдельным месторождениям Азербайджана показывает, что более половины всех црихва тов возникает под действием перепада давления. Этот вед прихвата является самым сложным и недостаточно изученным. Эффектив^ ность ликвидации прихватов под действием перепада давления -низкая.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость, в проведении исследований по изучению сложного многофакторного процес са прихвата колонн труб под действием перепада давления, теоре тического и экспериментального исследования различных факторов влияющих на возникновение и ликвидацию прихватов, разработке методов распоонования, прогнозирования и повышения эффективности ликвидации прихватов.

Решение этих задач является актуальной проблемой бурения и имеет большое эиачеше для улучшения технико-экономических показателей бурения.

Црль работы. Обеспечение эффективности ликвидации прихватов колош труб вызванных действием перепада давления в системе "скважина-пласт".

Основные задачи исследований.

I, Разработка и реализация методики прогнозирования эффек тивности нефтяных ванн, устанавливаемых с целью освобоздения

[рм-иаченных колонн.

2. Исследование по повышению эффективности работ по ликвидации прихватов под действием перепада давления путей кратковре-юнного повшения и сброса давления в кольцевом пространстве ¡кважины.

3. Исследование нестационарного перераспределения давления 5 приствольной зоне скважииы и изменений перепада давления при фйтковременном повышении и сбросе давления в кольцевом пространства.

4. Разработка критериального параметра характеризующего условия всплытия нефти после установки ванны с цалыо освобождения прихваченных колонн.

5. Исследование влияния добавок стеклошариков и шариков

из полистирола в буровые раствори на силы взаимодействия прихваченной трубы и фильтрационной глинистой корки.

Научная новизна.

1. Выявлен перечень основных факторов, влиязсщих на эффективность нефтяных ванн, и определены степени их информативности

для условий* бурения скважин в Азербайджане.

2. Разработана последовательная диагностическая процедура распознования и прогнозирования эффективности нефтяных ваш, устанавливаемых для освобоэдения прихваченных колонн труб в скважине.

3. Установлена закономерность нестационарного распределения давления в приствольной зона при кратковременном повншениа и сброса давления в скваяине,

4. Определено время в течение которого зашршаэтся перераспределение давления а фильтрацюнной глинистой корка и ачасто

после кратковременного повышения и сброса давления в скважино.

5. Получен безразмерный параметр, характеризующий условия перемещения нефти в скважине после установки нефтяной ванны.

6. Рассмотрено влияние добавок о буровые растворы шариков из стекла и полистирола на силы взаимодействия прихваченной грубы и фильтрационной глинистой корки.

Практическая ценность и реализация результатов в промышленности

1. Разработана, утверждена и внедрена на буровых предприятиях ПО "Азнефть" и "Касшорнефтегаз" "Методика прогнозирования эффективности нефтяиьк ванн в провеса ликвидации прихватов".

2. Разработан на уровне изобретения способ освобовдения прихваченных труб, основанный на кратковременном повышении и сбросе давления в загрубном пространстве скважины.

3. Разработан параметр, характеризующий условия перемещения нефти, в скважине, для подбора параметров бурового раствора и буферной жидкости, обеспечивающих непроникновение нефти вверх по стволу.

4. Разработаны рекомендации по уменьшению црихватоопаснооти и повышению эффективности нефтяных ванн путем добавки в Суровые растворы шариков из стекла и полистирола.

Результаты этих работ внедрены при бурении скважин в Посчанинскоы МЛЗР ПО "Каспыорнефтегаз", Колмасской экспедиции, глубокого бурения ПО "Союэбургаз" и др.

Фактическая экономическая эффективность от внедрения разработок работы составляет 59,8 тыс.руб.

.. б -

Достоверность _толучс-нних результатов обеспечивается ходимостью результатов теоретических и экспериментальных иссле-oiv'Hfl, а также icc подтверждением промшлонныии испытания!«! оспроизподиАсосгья опытов, адекватностью выведенных иатемати-сских зависимостей,характеризуетих процэсс прихвата и экспери-онтадьных результатов, при-чснзниеа для обработки данньк основ оории подобия и методов математической статистики н теории ероятности. В частности, результаты провер;:н по 75 случая« рихватов колонн труб показали, что применение катода поадедова-альной диагностической процедуру для прогнозирования эффектности установки нефтяной ванны дает 90% правильных ответов.

Апробация работы. Основныо положения диссертации долокеш обсуждены на раде конференций и семинаров, а том числе на III творческом сеьсшаре шлодъя специалистов и ученых Мингаз-рот (г.Иомень, 1986г.), на X научно-технической конферешрш олодых ученых и специалистов В1Ш1Б (г.Баку, 1968г.}, £еспуб-иканской научно-практической конференции Академш Наук Азерб. СР "Состояние и развитие буровых работ я осложненных условиях зерба{\дкана и пути повышения их эффективности" (г.Баку, 19С8г.), а заседаниях ученого совета ВНИ1ГШ и техническом совето ПО Каспшрбурнефгвгаэ",

Публикации. Основное содержание диссертации опубликованы 8 статьях, в том числе в одном изобретении.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех пав, основных выводов и результатов, списка использованной дара тури, содержащего 77 наименования и прило&ешш (докумон-j о внедрении и экономической зффективности). Работа изложена i iöl стр., машинописного текста, включает 10 рисунков и 18

1бЛИЦ.

Содержание работы

Первая глава работы посвящена пронозированию эффективности установки нефтяной ванны в процессе ликведации прихвата колонн труб в бурящейся скважине. Краткий анализ работ, посвотен-ньк методам и способам распознования и прогнозирования прихватов колонн труб показал» что данный вопрос расматривался в ограниченном количестве работ. Изучение показало, что для определения типа прихватов колонн, прихватооласкых интервалов применяются статистические методы, позволяющие создать вероятностную модель процесса на основе главных факторов. Такие работы проведены во ВНИИБГ, ГШ, ШИИКРнефти, ЛзШШЕЖз, АзНИПИнефти группой авторов (Аветисов А.Г., Булатов А.И., Кошелев Н.И., Самотой А.К. и др.) разработана процедура распознования, прогнозирования и иродупревдения прихватов колонн статистическими методами.

Значительные работы по методическим вопросам применения статистических катодов и так ¡кэ по их приложению для решения практических задач бурения и нефтедобычи проведены под руководством А.Х.Инрзадаанзадо его учениками.

В большинство исследований по применению статистнчсских методов для решения проблем прихвата колонн труб рассматриваются распознования типа прихвата, оценки возможности возникновения прихвата, прогнозирование прихватоопасных ситуаций на стадии проектирования и др. вопросы. Однако, вопрос целесообразности установки нефтяных ванн изучен недостаточно. Поэтому не случайно, что для освобождения прихваченных колонн в 70-80? устанавливаются нефтяные ваши, которые только в 30-405» оказываются успешными, что приводит к росту затрат и времени на ликвидацию пршеватов.

В связи с этим наш рассмотрена возможность ¡йзработки методики прогнозирования успешности устанавливаемых ьефтяных ванн на

основе статистических промысловых данник.

Основываясь на анализе фактических материалов и результатов проведенных исследований наш составлено многофакторное уравнение процесса ликвидации прихватов путем установки ванн в зависимости от 12 параметров.

Статистический материал дя.т построения диагностической таблица с использованием основных информативных факторов бт собран на основании изучения происшедших прихватов в 75 скважинах, пробуренных в Азерба^цташо, в которых осуществлялась установка нефтяных ванн с целью освобождения прихваченных колонн труб. В 25 случаях установка нефтяной ванны привела ¡с освобождению прихваченных груб, а в БО случаях оказалось безрезультатной. На осцове этих материалов значения диагностических коэффициентов (Дк) и степеней информативности (3) определялись поинтервально для каадого информативного фактора в отдельности, построена диагностическая таблица. В дальнейшем аналитическим путем устенсз-яено, что порог А - успешный исход процесса равен + 1,0, а порог В - безуспешный исход процесса равен -1,0.

Процедура диагностирования сводится к определению по диагностической таблице значений диагностических коэффициентов (Дк), их пофакторному суммированию ( 21 Дк) и срапнешэ полученной вздшгины о порогам» А и и. Это означавг, что при s Дк больш порэга А вероятность осЕобоядепия прихваченной колонны путем установки нефтяной панны весы® высока, а при Z. Дк меньсэ порога В - низка. Интервал 2. Дк« заключенный меаду порогами А и В, является областью неопределенного репеник:

в < + ДЩ2) v.....+ да ty < А

Всиаикео правило имеет ввд:

1. 5 Дк I - прасват ликвидируется.

2. гДк ^ -I - прихват не ликвидируется.

3. -I <£Дк < +1 - розеине не принимается»

Диагностирование статистических данных по 75 случаям показало, что в 67 случаях получены правильные ответы, что составляет 905?, а и остальных 8 случаях (10$) получены зона неопределенности или неправильный ответы.

На основе проведенных исследований разработана, утворхде-на и внедрена на буровых предприятиях ПО "Азнефть"..и "Каспыор-нефтегаз" "Методика прогнозирования эффективности нефтяных ваш в процессе ликвидации прихватов" {г.Баку, 1988, 10 с).

Вторая глава посвягозна теоретическим и экспериментальным исследованиям по повышению эффективности работ по освобождению прихваченных труб путем кратковроые;того повышения и сброса давления в скважине.

Приводится краткий анализ, работ, посваденньк исследованию возникновения и ликвидации привата колош труб под действием перепада давления. Данноцу вопросу посвящены работы отечественных и зарубежных авторов. Анализ этих работ показал на противоречивость результатов различных авторов. В ряде работ (Малышев Л.И. и др.) предлагается для освобождения прихваченных под действием перепада давления колонн труб гидростатическое давление в скважине уменьшить либо снижением плотности бурового раствора, либо закачкой в скважину жидкостей с меньшим плотностями (нефть, вода и др.). А в других работах (Аутманс Н.) предлагается создать дополнительное давление на стенки скважины для сжатия глинистой корки с целью "выравнивания" стенок скважины, например, путем закачки а интервал прихвата утяжеленного бурового раствора.

С целью дальнейшего изучения данного вопроса были проведены исследования на экспериментальной установке. Установка моделирует явленно при;вата труб в условиях бурящейся скватишы.

- ли -

При создании экспериментальной установки и проведении опытов соблюдалось гидродинамическое, геометрическое и,физическое подобие процесса.

Как показали эксперименты, при повышении и сбросе дааления в кольцевом пространстве модели скважины усилие освобоздегмл прихваченной трубки уменьшается от 17 до Ь4%, причем, чем

больше величина повышения давления перед страгиванием, тем при меньших усилиях освободдается прихваченная трубка.

На основании проведенннх исследовштй нами установлено, что при прочих равных условиях "вдавливание" труб в глинистую корку и ее сжатие создают силу достаточную для прихвата труб, даже при условии снижения влияния перепада давления. Эта сила играет более сушественну» роль при прихвате, чем силы прилипания, липкости корки и др. Дня освобождения, "вдавленной" о глинистую корку, трубы необходимо воздействие дополнительного давления на стенки скважины достаточное для сжатия глинистой корки вне зоны прихвата. С этой целью рекомендуется проиоводип. насосами повышение и сброс давления в затрубном пространство скважины.

Показано, что для повшения эффективности нефтяных ванн необходимо, до и после закачки нефти в скважину,создать дополнительное избыточное давление на стенки скважины путем закачки в затрубное пространство яндкости при закрытом обратном клапаном в бурильных трубах и герметизации эатрубного пространства пре-венторами. Повышение дааления о последующим сбросом должно быть достаточным для сжатия глинистой корки, но меньше чем давление гидроразрыва пласта.

С целью исследования изменения перепада давления в приствольной зоне скважины после кратковременного повышения и сбросо

давления в хольцэсом пространстве решена Ьадача но нестационарно «у распределению давления в фильтрационной глинистой корке и пласте. Решенная задача позволила сделать вывод о том, что при кратковременном повышении давления в скважине повышается давление и за глинистой коркой, и в пласте. При резком сбросе давления в скважина, в глинистой корке и пласте снижение давления происходит не скачкообразно, а в течении некоторого времени, определяемого проницаемостью этих пористых сред. В это время перепад давления, действующий на стенки прихваченной трубы, уменьшается и в определен!шй момент времени изменяет свое направление и прихваченные трубы отталкиваются от стенок скважины, способствуя их освобождению. Выявленный эффект зависит от проницаемости пластов, который для ыесторовдений Азербайджана находится в пределах К « 0,3*1,6 шш*\

Получена фородла для расчета времени завершения перераспределения давления в приствольной зоне скважины и разработаны рекомендации по использования выявленного эффекта для повышения эффективности ликвидации прихватов колонн.

С целью подтверждения полученных результатов проведены эксперименты на модели пласта. Модель пласта представляла собой трубу диаметром 114 мм, заполненную по известной методике смесью кварцавого песка и цемента, на поверхности которой были установлены на различных расстояниях пять дифференциальных и образцовых манометров. Экспериментальные исследования распределения давления в модели пласта при кратковременном повышении иобросе давления в модели скважины подтвердили, выявлешый теоретическим путем, эффект сниксния перепада давлении в приствольной зоне сквахшш.

Третья глава посвпщена экспериментальным исследованиям гакоторых факторов влиящих на1 эффективность ликвидации прих-18Т0В колонн труб.

Как показала практика буровых работ одним из факторов ¡нижавдих эффективность нефтяных ванн, устанавливаемых для »спобовдения прихваченных колонн труб, является перемещение и юплытие нефти в стволе скважшы, до завершения процесса.

В результате проведенных теоретических и экоперю.кнталь-1ЫХ исследований, установлено, что интенсивность всплытия нефти з процессе ванны зависит от статического напряжения сдвига, иотности и высоты столбы бурового раствора, плотности и высо-гы столба нефти, а также диаметра скважины и труб. Выведен :оответствуиций диагностический параметр, характеризующий ^проникновение нефти через столб бурового раствора.

Предложенный параметр позволяет выбрать буферную жидкость я буровой раствор, повдаавдиэ эффективность нефтяной ванны.

Опыт проводки глубоких скважин показывает, что одним из основньк факторов,влигахик на возникновение прихватов^являются значительные силы сопротивления движению колонны труб в скважине при выполнении различны* технологических операций. В настоящее время с целью снижения сил сопротивления движению колонны труб в скважине применяются профилактические сказочные добавки в буровой раствор (нефть, графит, СМАД, сульфанол и др.). Однако, при этом не достигается значительное сшгмгние сил сопротивления. По данным зарубезашх и оточестветк исследователей введение в буровые раствори инертных шаровидных гранул из стекла повышают механическую скорость бурения и проходку на долото, а также способствуют уменьшен)!» "саг/кок" и "посадок" бурипь-ного инструмента в сквасино.

С целью экспериментального исследования влияния этих добавок на силы прихвата колонн труб проводились опыты ка лабораторной установке, В опыта; использовались стеклянные шарики илот-косгью 2200 кг/м3 диаметром но более 0,9 им и карики из ударопрочного полистирола плотность» 950-1050 кг/м3 диаметром не более 0,6 мм.

Как показали эксперименты при добавках в буровые растворы (нормальные с^«1100 кг/м3 и утяжеленные с ^»1600 кг/м3) шаровидных гранул &;з стекла и полистирола достигается значительное уменьшение сил взаимодействия прихваченной трубы и фильтрационной глинистой корки. Установлено, что при добавках в буровой раствор стеклошариков в количестве I г/л и шариков из полистирола 0,6 г/л усилие для освобождения прихваченной трубы уменызается соответственно в 3+6 и 4»8 раз.

Проведенные исследования показали, что народу со стекло-

сцрикаш, в качестве добавки в буровой раствор могут быть использованы гранулы ударопрочного, полистирола, состоящего в основной из полистироле и каучука, эффективность которых значительно выше, чем при добавках стеклошариков. Преимущества гра-цул из полистирола можно объяснить тем, что меньшая плотность позволяет увеличить объемное содержание их в буровом растворе 1,5-2 раза, а также большая упругость полистирола. Полученные результаты подтверадоотся опытио-промышюнными работами, проводимыми на площадях ПО "Каспморнефтегаэ" и ПО "Азнефть" институтом ВНШБТ.

На практике, для повышения эффективности нефтяных ванн, устанавливаемых для освобождения гфихвачешшх колош труб, в закачиваемую нефть добавляют различные поверхностно-активные вещества (сульфанол и др.), которые не дают значительного эффекта.

В связи с этил представляет интерес регулирование свойств ильтрационной глинистой корки, которая образуется на стенках кпажин, путем предварительной обработки буровых растворов портными сферическими гранулами.

С целью исследования данного вопроса нами проводились кспорименталыою исследования с использованием утяжеленных буро-ш растворов.

Результаты экспериментов показали, что в случаях предвари-•ельного введения в буровой раствор стеклоаариков в количество I г/л достигается максимальная эффективность нефтяной ванны. !ри этом, в опытах, усилие для освобождения прихваченной трубы гмоньшается на 80-90$ по сравнению с нефтяники ваннами, осуществленными без содержания стеклошариков в составе сформировавшей ¡ильтрационной глинистой корки.

Таким образом, для повышения эффективности нефтяных ванн фи бурении прихватоопасных интервалов предлагается предварительное введение в буровые растворы инертных шаровидных гранул, <оторые будут способствовать уменьшению прихватооласности, "Затяжек" и "посадок" колонии труб, а в случае происшедшего трихвата эффективность нефтяных ваш будог высокой.

ОСНОВ!ШЕ ВНБОДЦ И КЗПЬТШ.

1. Составлено физическое уравнение, характеризуодез процесс освобождения прихваченных в скважине колонн труб„ определены наиболее вероятные значения параметров, даны количественные оценки изменения параметров, выявлены степени влияния их на процесс.

2. С использованием последовательной диагностической процедуры распознования к прогнозирования Вельда разработана, утвзря-дена и внедрена иатодика прогнозирования эффективности нефтяник ваш в процессе ликвидации прихватов.

3. Выявлена закономерность нестационарного перераспределения давления в приствольной зоне скважины при изменениях давления в затрубпом пространстве скважины.

4. Установлено, что при кратковременном повышении и сбросе давления в кольцевом пространства скважины происходит значительное снижение сил, прижимающих прихваченную колонну труб к стенке скважины, за счет уменьшения перепада давления и удерживающей силы фильтрационной корки.

5. Разработан на уровне изобретают и испытан на производстве способ освобождения прихваченных колонн груб путем кратковременного повышения и сброса давления в кольцевом пространстве скважины.

6. .Предложен безразмерный параметр, характеризующий условия перемещения нефти в схвгшше за счет гравитации после установка нефтяной ваши.

7. Показано, что введение в буровой растьор инертных гранул стекла и полистирола значительно влияют на силы взаимодействия прихваченной труби и фильтрационной глинистой корки.

8. Фактический экономический эффект от внедрения основных разработок диссертационной работы, полученный за счет сокращения затрат времени и средств на ликвидации прихватов колонн груб в скважинах, составляет 59,8 тыс.рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Хасаев Э.Р. Об одной из причин прихвата труб в скважине. АНХ, 1987, т.

2. Дадашев И.А., Хасаев Э.Р., Гейдаров И.А. О возможности освобождения прихваченной колонны труб путем кратковременного повышения давления в скважине. AIIX, 1988, J.*G с 15-22.

3. Дадашев И.А., Хасаев Э.Р., Антипов А.Н. Исследовшше условий перемещения нефти поело установки ванн. АНХ, 1989, №12, с 37-40.

4. Дадашев И.А., Хасаев Э.Р. Прогнозирование эффективности нефтяных панн "Нефтяное хозяйство", М., 1990, №5.

5. Дадашев И.А., Хасаов Э.Р. Экспериментальное исследование перераспределения давления в проницаемой среда с учетом наличия проницаемой корки. АНХ, 1990, IJ7.

6. Методика прогнозирования эффективности нефтяных ванн в процессе ликвидации прихватов. Сост. Додалов И.А. и Хасасв Э.Р,, ВНИИТБ, 1988, »10.

7. Дадашев ИД., Цулиев Р,Б., Хасрев Э.Р. Пути предупреждения поступления пластового флюида в скваяину после прекрадю-ния циркуляции буропг: растворов. Инф.листок АзШШПМ, сер. "Нефтедобывающая промышленность", 1988, !i2G.

8, A.c. СССР 1620604. Способ ликвидации прихвата бурглыюй колонны в скваяине. Авторы ''.А.Дадшзеп и Э,Р.Хасаев, заявка IM398G85/2403; Заяш.ЗО.05.(39; Бш..\'2,И!Э1, л Л