Предупреждение и борьба с поглощениями бурового раствора

Поглощение буровых растворов — самый распространенный вид осложнений при бурении скважин. Ежегодные затраты времени на ликвидацию этого вида осложнений по стране составляют многие тысячи часов.

Основные причины поглощения бурового раствора. Поглощение бурового раствора объясняется, во-первых, превышением давления столба жидкости в скважине над пластовым давлением (чем больше эта разность, тем интенсивнее поглощение) и, во-вторых, характером объекта поглощения.

Факторы, влияющие на возникновение поглощений промывочной жидкости, можно разделить на две группы.

• 1. Геологические — тип поглощающего пласта, его мощность и глубина залегания, недостаточность сопротивления пород гидравлическому разрыву, величина пластового давления и характеристика пластовой жидкости, а также наличие других сопутствующих осложнений (обвалы, нефтегазоводопроявления, перетоки пластовых вод и др.).
• 2. Технологические — количество и качество подаваемого в скважину бурового раствора, способ бурения, скорость проведения спуско-подъемных операций и др. К этой группе относятся такие факторы, как техническая оснащенность и организация процесса бурения.

Исследования зон поглощений. Данные о строении поглощающего пласта, его мощности и местоположении, интенсивности поглощения (водопроявления), величине и направлении перетоков могут быть получены разными методами исследований: гидродинамическими, геофизическими и с помощью отбора керна или шлама (рис. 7.3).

В зависимости от степени изученности разбуриваемого месторождения (или его части) применяют оперативный или детальный комплекс исследований.

Оперативный комплекс исследований включает следующее: определение границ поглощающего пласта (горизонта), его относительной приемистости и наличия перетоков жидкости по стволу скважины из одного пласта (горизонта) в другой (гидродинамические исследования);

нахождение фактического диаметра скважины в интервале поглощающего пласта (горизонта) с помощью каверномера; измерение пластового давления глубинным манометром.

Детальные исследования включают оперативный комплекс и промыслово-геофизические методы: гамма-каротаж, нейтронный гамма-каротаж и акустический каротаж, РГД и термометрия.

Методы предупреждения и ликвидации поглощений. В существующих методах предупреждения и ликвидации осложнений в скважине при разной интенсивности поглощений или полном прекращении циркуляции бурового раствора выделяются следующие основные направления: предупреждение осложнения путем снижения гидростатического и гидродинамического давлений на стенки скважины; изоляция поглощающего пласта от скважины закупоркой каналов поглощений специальными цементными растворами и пастами; бурение без выхода бурового раствора с последующим спуском обсадной колонны.

На рис. 7.4 приведены мероприятия, позволяющие снизить гидростатическое и гидродинамическое давление на стенки скважины с целью предупреждения поглощений. Все они сводятся к обеспечению минимальною избыточного давления на поглощающий пласт и предотвращению резких колебаний давления в стволе скважины.

Лучшим средством борьбы с поглощением бурового раствора считается его предупреждение. Рекомендации по предупреждению поглощений, разработанные на основании многолетнего отечественного и зарубежного опыта, сводятся к следующему:

• 1. Регулирование свойства бурового раствора, прежде всего его плотности.
• 2. Регулирование скорости СПО и других технологических операций, проводимых в скважине (скорость проработки, промежуточные промывки и др.).
• 3. Определение оптимального зазора между бурильными трубами и стенками скважины. За счет этого уменьшается перепад давления в затрубном пространстве и возможность сужения ствола скважины.
• 4. Изменение конструкции скважины с целью избежания воздействия утяжеленного раствора на необсаженную часть горных пород, склонных к гидроразрыву.

Рис. 7.3. Классификация методов изучения поглощающих пластов (по В. И. Крылову)

Рис. 7.4. Мероприятия, позволяющие снизить гидростатическое и гидродинамическое давления на стенки скважины

Различают следующие три категории интенсивности поглощений (в м³ /ч): малая интенсивность (?10−15), средняя интенсивность (? 40— 60) и высокая интенсивность (более 60).

Рассмотрим методы ликвидации поглощений малой и средней интенсивности. Один из видов закупорки поглощающих каналов — способ закачки в пласт структурированного, тиксотропного раствора, создающего с течением времени в проводящих каналах, поглощающего пласта, жесткую структурированную сетку. Заливка поглощающего пласта специальными тампонажными смесями — наиболее распространенный способ ликвидации поглощений. На рис. 7.5 приведена классификация тампонажных смесей для изоляции зон поглощений.

Рис. 7.5 Классификация тампонажных смесей для изоляции зон поглощения (по В.И. Крылову)

Для получения требуемого эффекта закупорки поглощающих каналов цементный раствор должен удовлетворять двум основным требованиям, а именно: быть достаточно структурированным и иметь необходимое время схватывания и затвердения. Этим требованиям удовлетворяют гельцементы (ГПЦ), специальные растворы и быстросхватывающиеся смеси (БСС).

Гельцементами называются цементные пасты, приготовленные на глинистом растворе. Параметры ГЦП зависят от соотношения цемента и глинистого раствора. Для получения ГЦП сухой тампонажный или глиноземистый цемент затворяют на приготовленном заранее растворе из бентонитовой глины.

Сроки схватывания цементных растворов регулируются добавками реагентов-ускорителей. В качестве реагентов-ускорителей наиболее широкое применение получили жидкое стекло, хлористый кальций, кальцинированная сода. Смеси цемента и других материалов, резко уменьшающих сроки схватывания раствора, закачиваемого в зоны поглощения, называются быстросхватывающимися смесями (БСС). Также применяются быстросхватывающиеся нефтецементные смеси, в состав которых входят цемент и дизельное топливо.

В каждом отдельном случае рецептуру ГЦП или БСС разрабатывает лаборатория. Время от момента затвердения до начала схватывания БСС должно быть рассчитано так, чтобы можно было успеть выполнить все операции от начала приготовления смеси до конца продавки ее в скважину, ГЦП и БСС можно закачивать в скважину через бурильные трубы. Конец бурильных труб следует устанавливать выше кровли поглощающего пласта (горизонта). Количество продавочной жидкости принимается равным внутреннему объему спущенных бурильных труб, соответствующему их длине, за вычетом положения статического уровня и еще 50 м. Во избежание прихвата бурильных труб (во время заливки) их надо все время расхаживать.

Для борьбы с поглощениями промывочной жидкости широко применяют пакеры разных конструкций, которые герметизируют и разобщают затрубное пространство с целью:

• а) предотвращения разбавления тампонирующих смесей;
• б) применения БСС с небольшими сроками схватывания;
• в) задавливания тампонирующих смесей в поглощающие каналы;
• г) определения места расположения пласта, поглощающего жидкость, методом последовательных опрессовок ствола скважины;
• д) определения возможности замены воды глинистым раствором (особенно при бурении на площадях с повышенным пластовым давлением) при создании разных перепадов давления на пласты, поглощающие жидкость.

Кроме того, если вскрыто несколько поглощающих пластов (горизонтов) на различных глубинах, то применение пакера позволяет последовательно заливать цементный раствор снизу вверх без затраты времени на ОЗЦ (ожидание затвердения цемента). При этом предотвращается влияние поглощающих пластов (горизонтов) друг на друга. Пакеры, применяющиеся при изоляции зон поглощений промывочной жидкости, подразделяются на две следующие группы: многократного действия и разового действия (разбуриваемые). Пакеры разового действия оставляются в скважине на время твердения цемента или его смеси и затем разбуриваются вместе с цементным мостом.

По принципу действия пакеры многократного действия делятся на гидравлико-механические, гидравлические и механические.

Рис. 7.6. Гидравлико-механический пакер ГМП-2: 1 — переводник; 2-поршечь; 3 -винт; 4 — головка; 5 — резиновый элемент; 6 — конус; 7 — ствол; 8 — плашка; 9 — кольцо; 10 — пружина;11 — плунжер; 12 — цилиндр; 13 — штифт; 14 — корпус клапана; 15 — переводник; 16 — шар; 17 -кулачок

Весьма распространенными являются пакеры гидравлико — механического действия. В качестве примера рассмотрим гидравлико-механический пакер конструкции ТатНИПИ ГМП-2 (рис. 7.6). Промывочные отверстия переводника 1 перед спуском пакера в скважину перекрываются поршнем 2, фиксируемым в нужном положении винтами. Вывод плашек в рабочее положение осуществляется давлением жидкости, а сжатие резинового элемента — весом колонны бурильных труб. Четыре плашки 8 насажены на общем кольце 9, которое опирается на четыре кулачка 17. Каждый кулачок крепится к плунжеру 11 двумя винтами. Плашка удерживается в транспортном положении двумя пружинами 10.

Рис. 7.7. Манжетный пакер

Нижняя часть плунжера вставлена в цилиндр 12 и закреплена штифтами 13, которые предотвращают движение плунжера вверх при спуске пакера в скважину. Снизу в ствол пакера ввинчивается обратный клапан, предотвращающий обратное движение цементного раствора (смеси) после закачки его в зону поглощения под давлением.

После спуска пакера в скважину до необходимой глубины в бурильные трубы закачивается промывочная жидкость. Центральное отверстие клапана, создавая сопротивление движению жидкости, вызывает повышение давления в стволе пакера. Под действием давления штифты 13 срезаются, и плунжер с плашками движется вверх. Конус отжимает плашки к стенкам скважины и при посадке (подачи вниз) бурильных труб плашки окончательно заклинивают пакер, а резиновый элемент сжимается, разобщая зону поглощения от затрубного пространства. Цементный раствор (смесь) закачивают в пласт, поглощающий жидкость, а пакер извлекают на поверхность. При подъеме его конус освобождает плашки, которые пружиной возвращаются в транспортное положение.

Один из типов пакеров разового действия показан на рис. 7.7. В манжетном разбуриваемом пакере ТатНИИ разобщение осуществляется при помощи четырех манжет, укрепленных на одном полом дюралюминиевом стволе. Манжеты расположены так, что две средние из них образуют дополнительную камеру самоуплотнения. Жидкость под давлением, попадая в камеру самоуплотнения, прижимает ее манжеты к стенкам скважины, что обеспечивает надежное разобщение ствола скважины при возникновении перепада давления в любом направлении.

Пакер (см. рис. 7.7) состоит из резиновых элементов 4, запрессованных между корпусом 6 и кожухом 5. Корпус 6 соединяется с переводником 1 на левой резьбе, а кожух крепится штифтами. Манжеты и кольца 3 удерживаются на корпусе гайкой 7. Направлением для пакера служит башмак 9.

Пакер на бурильных трубах спускается до необходимой глубины, скважина промывается и затем в бурильные трубы бросают шар 8, который перекрывает отверстие в башмаке. Давление повышается, срезаются верхние штифты, кожух смещается вниз, освобождая манжеты. В зону поглощения закачивают цементный раствор (смесь). Затем бросают пробку 2, которая продавливается до пакера расчетным количеством жидкости. В конце продавки пробка садится в специальное гнездо в корпусе пакера и давление резко повышается. Вращением бурильных труб вправо переводник отвинчивается от корпуса, после чего поднимают бурильные трубы. Все оставляемые в скважине детали пакера изготовляются из дюралюминия и после ОЗЦ легко разбуриваются вместе с цементом.

В случае высокоинтенсивного поглощения возможно бурение без выхода бурового раствора на поверхность. Бурить целесообразно в твердых породах (известняки, доломиты, песчаники и т. п.). После вскрытия всей зоны поглощения бурение немедленно прекращают. Далее проводят заливки ГЦП или БСС до полной ликвидации поглощения. При бурении без выхода промывочной жидкости разбуриваемый шлам поднимается с забоя и уходит в капали поглощения вместе с промывочной жидкостью. Во избежание прихвата бурильной колонны необходимо тщательно следить за стрелкой индикатора веса. Экономически целесообразно применять бурение без выхода циркуляции только при использовании воды в качестве промывочной жидкости.

Для ликвидации интенсивных поглощений (более 200 м³/ч) прежде всего снижают их интенсивность путем намыва в зону поглощения песка или шлама выбуренной породы или забрасывания и продавки инертных материалов (глина, торф, солома и т. п.). После намыва песка или забрасывания зоны поглощения инертными материалами ее заливают цементным раствором. После затвердевания цемента скважину прорабатывают и затем продолжают дальнейшее углубление.

Для ликвидации высокоинтенсивных поглощении бурового раствора, приуроченных к большим трещинам и кавернам, во ВНИИБТ было разработано перекрывающее устройство, которое представляет собой эластичную сетчатую оболочку (капроновая, нейлоновая, капроновый эластик, металлическая специального плетения и др.). Сетчатая оболочка, установленная в интервале поглощения, под действием закачиваемой тампонажной смеси с наполнителем расширяется и заполняет трещины и каверны. Расширение сетчатой оболочки происходит из-за закупорки ее ячеек наполни гелем, находящимся в тампонажной смеси. При твердении тампонажная смесь связывает оболочку с породой.

Известны и другие способы ликвидации высокоинтенсивных поглощении, а именно: спуск «летучки» (кассеты), замораживание зоны поглощения, изоляция зон поглощения с помощью взрыва и др. Все они весьма трудоемки, не всегда дают положительный результат и поэтому применяются в буровой практике редко.

Крайней мерой борьбы с поглощением промывочной жидкости считается спуск промежуточной обсадной колонны.