Взаимодействие замков с сальниками - недостающий элемент модели сил сопротивления перемещению труб в скважине Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.24.053.6

А.Я. Соловьев, к.т.н., доцент ГОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет, e-mail: [email protected]

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАМКОВ С САЛЬНИКАМИ - НЕДОСТАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ МОДЕЛИ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ТРУБ В СКВАЖИНЕ

Статья содержит количественные данные сравнительной оценки составляющих общей силы сопротивления перемещению колонн в скважине, свидетельствующие о доминировании замковых сопротивлений там, где имеются сальники. Показано, что обработка промывочной жидкости даже наиболее эффективными лубрикантами последнего поколения не в состоянии значимо влиять на замковые сопротивления, из-за чего вероятность возникновения прихватов в скважинах, осложненных сальникообра-зованием, остается высокой вне зависимости от показателей смазочной способности применяемого бурового раствора, определяемых по стандартным методикам испытаний. Предложена простая и совместимая с промысловым оборудованием методика оценки сопротивлений перемещению колонн, учитывающая взаимодействие замков труб с сальниками. Даны конкретные примеры использования предлагаемой методики

Несмотря на то, что ассортимент смазочных добавок, предлагаемых нефтехимической промышленностью буровикам, в настоящее время насчитывает порядка восьмидесяти наименований и удовлетворяет практически любым условиям применения, прихваты и затяжки бурильного инструмента продолжают занимать лидирующее место в статистике непроизводительного времени буровых предприятий [1]. Данная ситуация обусловлена многообразием причин прихватов и сложностью взаимовлияния провоцирующих их факторов, из-за чего каждая конкретная аварийная ситуация на скважине, сопряженная с повышением сопротивлений движению в них колонн, имеет индивидуальные особенности и требует своих мер профилактики и ликвидации. В этой связи достаточно сложно сформулировать

универсальную систему требований к буровым лубрикантам, так как заранее неизвестно доминирующее направление их работы, определяемое особенностями конкретной ситуации, происходящими из предыстории бурения. С учетом сказанного, процедура отбора лубрикантов на стадии планирования бурения сводится к комплексной оценке их эффективности по методикам, моделирующим различные ситуации в скважине, каждая из которых соответствует доминированию отдельных составляющих сопротивления движению колонн. Методические аспекты оценки эффективности лубрикантов в скважинах, где отсутствуют сальники, нет скоплений шлама и фильтрационных корок подробно освещены нами в первой части работы [2]. В остальных случаях силу сопротивления движению колонн в

скважине можно представить в виде суммы следующих составляющих:

Р£С=^+РА+РР+^,

где Рм - сила трения,обусловленная прижатием труб к стенке скважины под действием собственного веса, РА - сила адгезии частиц сальника к металлу труб, Рр - сила трения, обусловленная прижатием труб к стенке скважины под действием дифференциального давления, Рг - усилие, необходимое для среза и деформации сальника торцевыми поверхностями соединительных замков труб. Методы испытаний буровых лубрикантов, предназначенные для оценки составляющих Рм, РА и Рр рассмотрены нами во второй части работы [2]. Использование комплекса упомянутых методик позволяет максимально досто-

верно прогнозировать эффективность лубрикантов для широкого спектра условий применения, исключая возможность возникновения аварийных ситуаций в случаях одновременного действия нескольких провоцирующих прихват факторов. Однако все методики этого комплекса, используемые для оценки уровня прихватоопасности, основаны на воспроизведении структуры сальников, образующихся при отфильтровывании дисперсной фазы суспензионных промывочных жидкостей, что в большом числе случаев не соответствует реальности. Эти случаи возникают, когда в процессе проработки или СП О структура отложений на стенках скважины, сложившаяся в процессе продолжительного бурения, нарушается долотом или другими элементами бурильной колонны, например, замками бурильных труб. В результате, даже если на внешней поверхности сальника надлежащим образом был сформирован слой смазочного компонента, эффективно препятствующий прилипанию инструмента до проработки или СПО, то после них в контакт с металлом может вступать также внутренняя часть сальника, обедненная смазочным материалом, что сводит на нет весь противоприхватный эффект от обработки промывочной жидкости лубрикантом. Налипшие при этом на инструмент части сальника при рас-хаживании колонны еще более уплотняются и продолжают увеличиваться в размерах за счет глинистых отложений, сохранившихся на стенках скважины после проработки, и, в конечном счете, в стволе скважины образуется пробка, перекрывающая поток промывочной жидкости и блокирующая перемещение колонн. Очевидно, что в данном случае механизм противоприхватного действия используемого лубриканта не имеет принципиального значения, так как доминирующей составляющей общей силы сопротивления перемещению колонн в скважине ^ здесь будет FZ. Данная составляющая по определению является функцией объемных свойств сальника, поэтому наличие в его структуре прослоек или включений смазочного материала не в состоянии значимо влиять на прихватоопасность при низкой его концентрации, что предопределяет неэффективность для предупрежде-

ния прихватов этого типа применения любых лубрикантов вне зависимости от механизма их функционального действия. Данный теоретический тезис весьма спорный, так как отсутствуют достоверные данные лабораторных экспериментов, воспроизводящие описанную выше ситуацию, прямой причиной чего является полное отсутствие методик моделирования составляющей Р^ Это тем более странно, так как детекция указанной составляющей лежит в основе современных методов бурового су-первайзинга в той их части,которая относится к предупреждению аварий, связанных с ухудшением проходимости колонн по скважине. Методология соответствующих промысловых исследований достаточно хорошо освещена в работе [3], общий смысл которой сводится к сопоставлению данных фактических замеров усилий на крюке с результатами их моделирования без учета составляющей Р^ Таким образом, отклонение веса на крюке от теоретического уровня, предсказанного откалиброванной для данной скважины математической моделью, дает величину Р^ возрастание которой свидетельствует о появлении аномальных образований на стенках скважины в результате зашламления ствола, диспергирования шлама, налипания сальников на инструмент, нарушения прочности стенок скважины, образования фильтрационных корок в интервалах коллекторов и т.д. Основным положением этой методики, имеющим принципиальное значение, является то, что, какой бы ни была действительная причина прихвата, она обязательно отразится на величине Р^ причем задолго до его возникновения. На этом положении базируется основное правило интеллектуального супервайзинга -«обнаруживать осложнения на стадии возникновения и тормозить их развитие, вместо того, чтобы потом ликвидировать аварию, вызванную несвоевременной реакцией буровой бригады на проблемы со стволом скважины». Данное правило доказано практикой буровых работ, однозначно подтверждающей, что если вовремя не предупредить образование сальников в скважине, то избежать серьезных негативных последствий, обрабатывая промывочную жидкость специальными добавками (ингибиторами, лубрикантами), невозмож-

но. Практическим решением проблемы затяжек и посадок инструмента безальтернативно является проработка и интенсивная промывка ствола скважины, однако в случае несвоевременного выполнения этих операций, например, когда супервайзинг на скважине не проводился или указаниями службы супервайзинга бурения пренебрегли, прихват этими мерами предотвратить зачастую не удается. Ни в одном из практических примеров, приведенных в [3], не указано на возможность предотвращать развитие сальникообразования посредством ввода лубрикантов, что косвенно доказывает справедливость тезиса, высказанного нами выше. В итоге, технология интеллектуального бурения скважин на сегодняшний день предусматривает обязательные процедуры по отслеживанию FZ в процессе бурения, включающие периодические замеры момента на роторе при отрыве долота от забоя и веса на крюке при подъеме и спуске бурильной колонны, проводимые при каждом наращивании. На основе этих данных рассчитываются два коэффициента трения - скольжения и вращения, используемые для калибровки модели скважины. Анализ динамики замеряемых параметров во времени на аварийных скважинах показывает, что момент на роторе (в противоположность весу на крюке) практически не меняется в процессе развития сальникообразования, поэтому аномальный рост коэффициента трения скольжения, опережающий увеличение коэффициента трения вращения,указывает на проблемы со стволом скважины и является достаточным основанием для немедленного задействования мер противодействия прихватам, несмотря на отсутствие характерных посадок и затяжек инструмента при СПО.

Соответствующие расчетные модули, предназначенные для раннего обнаружения осложнений, связанных с возрастанием сопротивлений движению колонн в скважине, имеются во всех основных программных комплексах, используемых для проектирования и супервайзинга бурения скважин. Так, например, в составе инженерного пакета "Drilling Office" (Schlumberger) эти задачи решает модуль "DrillSAFE", включающий утилиту для калибровки расчетной модели "FF Calibration", по-

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ бурение \\ 19

Рис. 1. Схема сил, действующая при измерении обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений на приборе КТК-2 с использованием фильтрационной корки диаметром 75 мм

зволяющую определять фактические коэффициенты трения по данным замеров на устье скважины. Аналогом этого модуля в инженерном пакете "WELLPLAN" (Landmark) является "Torque/Drag". Таким образом, для практики бурения приоритетность минимизации составляющей FZ не вызывает сомнений, однако в отношении эффективности технологических приемов, используемых с указанной целью, однозначного мнения до сих пор нет. Анализ научных работ, посвященных этой тематике, показывает, что существуют три основных направления противодействия прихватам: 1) повышение ингибирующей способности промывочной жидкости; 2) повышение эффективности очистки ствола скважины от шлама; 3) применение специальных противоприхватных реагентов. При этом наблюдается тенденция к объединению всех перечисленных функций в одном реагенте, выраженная в повышении год от года доли рынка, занимаемой полифункциональными лу-брикантами, совмещающими функции понизителей фильтрации, ингибиторов и регуляторов реологических свойств промывочных жидкостей [1]. Соглашаясь с комплексным подходом к предотвращению прихватов колонн, нельзя не отметить, что положительные результаты промыслового применения полифункциональных лубрикантов обусловлены скорее интегральным эффектом всего комплекса их характеристик,

имеющим профилактический характер, нежели гипотетически существующим «противоприхватным эффектом», под которым подразумевается возможность предотвращать прихват при наличии наихудшего сочетания технологических предпосылок к его возникновению. Поэтому, учитывая отсутствие интерпретации полученных результатов в научных работах, касающихся разработки противоприхватных реагентов, можно усомниться в объективной реализации ими «противоприхватного эффекта» в указанной формулировке. Основываясь на нашем тезисе о неэффективности лубрикантов в условиях сальников с нарушенной структурой, за наихудшее сочетание технологических предпосылок к возникновению прихватов мы предлагаем принимать условия, когда для своего движения колонны труб вынуждены срезать торцевыми поверхностями замков сальники, сформировавшиеся на стенках скважины. В этом случае несущая, ингибирующая и кольмати-рующая способности промывочной жидкости, служащей сырьем для получения сальника, выводятся из состава влияющих факторов при рассмотрении сил сопротивления движению колонн, что создает предпосылки, необходимые для оценки эффективности реагентов, претендующих на роль противоприхватных. Таким образом, разработка методики экспериментальной проверки лубрикантов, моделирующей указанные

условия, является актуальной задачей буровой технологии, решение которой необходимо для устранения противоречий между практикой работы бурильной колонны, где доминирует FZ, и моделированием, где данная составляющая вообще не рассматривается. Существующие методики оценки уровня прихватоопасности при использовании бурового раствора [2] не воспроизводят контакт торцов замков труб с сальником, поэтому необходимо менять схему моделирования. При всех своих достоинствах Sticking Tester в этом плане не имеет перспектив применения, в отличие от КТК-2, который без каких-либо доработок пригоден для замеров усилия, необходимого для объемной деформации сальника замком бурильной трубы. Для адаптации прибора к фиксации указанного усилия необходимо лишь увеличить размер фильтрационной корки, служащей моделью сальника, так чтобы она выступала за торцы цилиндра КТК-2, который в этом случае моделирует замок бурильной трубы. С этой целью может с успехом использоваться корка диаметром 75 мм, получаемая на фильтр-прессе API с диаметром фильтра 87 мм. Схема сил, действующих на модель замка при использовании такой модели сальника, представлена на рис.1. Показателем фрикционных свойств корки, определяемым прибором КТК-2 по стандартной методике [2], т.е. когда диаметр фильтрационной корки меньше длины измерительного цилиндра, является коэффициент липкости, характеризующий фрикционные сопротивления движению гладких труб при плоскопараллельном сдвиге и представляющий собой отношение составляющих веса цилиндра, действующих вдоль (F) и

по нормали (N) к поверхности корки:

(1).

Коэффициент липкости корки можно выразить в виде тангенса угла наклона ложа к плоскости горизонта (ср) в момент страгивания цилиндра относительно корки:

, Q-sin(cp) . , .

принимая F=Q*sin(q>) и N=Q*cos(q)), где Q - вес цилиндра. При этом предполага-

ется, что в момент страгивания F=Fs (3), где Рэ=г.Б - сила сопротивления, численно равная произведению касательных напряжений, действующих на границе контакта (т), на площадь этой границы (Б), т.е. силе трения. В случае использования 75 мм фильтрационной корки (рис.1) сила сопротивления определяется как сумма силы трения и усилия, необходимого для среза приторцевой части сальника Рэ^Б+Рг (4). Поэтому, с учетом (4), величина, определяемая по уравнению (2), может быть выражена в виде:

где второе слагаемое в правой части назовем коэффициентом замковых сопротивлений (кж), характеризующим сопротивления, обусловленные замками бурильных труб. Таким образом, в результате измерений на приборе КТК-2 по предлагаемой методике получаем обобщенный коэффициент фрикционных сопротивлений кфс^д(ф)=клк+кж (5). В отличие от коэффициента статического трения, значение которого для

а)

А*

01

г у

1 у

б)

/

г*

1 *

Г-

30 4) кошлнти ынн

10

Рис. 2. Изменение обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений (а) и коэффициента липкости (б) во время контакта при испытании глинистой суспензии до (БАЗА) и после обработки смазочной добавкой (Б+АСОЛ)

конкретной взаимодействующей системы тел постоянно, обобщенный коэффициент фрикционных сопротивлений динамически меняется во время контакта по мере уплотнения корки, а, кроме того, обе его составляющие в разной степени зависят от времени статического контакта, что не позволяет выделить их в чистом виде. Однако на протяжении контакта цилиндра с коркой преобладают различные составляющие (5), поэтому величины клк

и кж можно оценить, последовательно снимая несколько значений к0)фс, соответствующих определенному времени, отсчитываемому с момента начала взаимодействия элементов системы трения. Таким образом, находя ряд значений кйфс при последовательном увеличении времени контакта, получают кривую кинетики обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений, пример которой для адаптивного лубриканта АСОЛ-П представлен на рис.2(а).

котутеко

www.komitex.ru

Геотекстильные полотно ГЕОКОМ для:

• строительства и ремонта автомобильных и железных дорог

* обустройства нефтяных, газовых и других месторождений

» городского благоустройства

ОАО «КОМИТЕКС»

167961, г. Сыктывкар, ул. 2-я Промышленная, 10. тел. (8212) 286-51 Зг 286-547, 286-575 факс (8212) 28-65-60 л^агket@koлnitex.rujwww.k0mitex.ru

Рис. 3.Деформация корки в процессе измерения обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений на приборе КТК-2

Для сравнения на рис.2(б) показаны кривые кинетики коэффициента липкости, полученные с применением фильтрационных корок, образованных из тех же образцов раствора, но уже на фильтр-прессе АНИ половинной площади, т.е. по стандартной методике измерений на КТК-2. Сопоставление рис.2(а) и 2(б) показывает, что в присутствии лубриканта кфс закономерно превышает клк во всем исследованном диапазоне времени контакта в 2-3,5 раза, а при его отсутствии разница между этими показателями фрикционных свойств фильтрационных корок составляет лишь 7-14%. При испытании базовой суспензии модель замка потеряла способность перемещаться под действием собственного веса через 20 минут контакта, тогда как модель трубы сохранила эту способность вплоть до 30 минут времени контакта. Наиболее важный вывод из выполненных исследований - это подтверждение нарушения смазочного слоя на поверхности сальника в результате механического контакта с замком, что видно по возрастанию кфс после 30 минутного взаимодействия. В результате, если для модели трубы лубрикант обеспечивал постоянство предельного коэффициента липкости во время контакта, то для модели замка тенденция к прихвату в присутствии лубриканта сохраняется. Положительный эффект от обработки лубрикантом обеспечивается в течение первых шести циклов измерений, именно столько поверхность сальника способна сохранять смазывающую способность в условиях периодического воздействия замком бурильной трубы.

Выполненный детальный анализ полученных результатов показал, что в присутствии лубриканта поверхность модели сальника в процессе взаимодействия с моделью замка меняет свою форму, как показано на рис. 3. Причиной этого является то, что в процессе среза сальника замком край последнего приподнимается выше уровня статической деформации корки, стремясь к уровню ее недеформированной поверхности. При повторных замерах кфс после возвращения модели замка к первоначальному положению, происходит срез той части сальника, которая была уплотнена на предыдущем цикле испытаний, поэтому при времени контакта более 30 минут компонента кзс нелинейно возрастает, причем не столько во время контакта, сколько с ростом числа циклов замера. При небольших временах контакта (10-20 минут), когда торец замка деформирует относительно рыхлую внешнюю поверхность корки, а кривизна ее приторцевой части еще мала, увеличение кзс по указанному механизму незначительно, ввиду чего величина кфс снижается во времени, так как при каждом последующем замере объем деформируемой части сальника уменьшается за счет выработки в нем желоба. Начальный участок кривой кинетики кфс, лежащий в диапазоне времени контакта от 0 до 10 мин, характеризуется наиболее интенсивным уплотнением корки в контактной зоне, поэтому объем деформируемой части сальника и соответственно кзс растет от замера к замеру, так как темп погружения модели замка в модель

сальника выше скорости формирования желоба.

Таким образом, форма кривой кинетики обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений, включающая три характерных участка, отражает совместное протекание процессов уплотнения корки в зоне контакта, формирования желоба торцами замков, а также уплотнения поверхности желоба и разрушения имеющегося на ней смазочного слоя. Однако данная форма кривой имеет место только при наличии сплошного смазочного слоя в зоне контакта цилиндра с коркой, т.е. когда испытывается глинистая суспензия, обработанная адаптивным лубрикантом. Если это условие не выполняется (например, в случае испытания базовой глинистой суспензии), выделение деформации (среза) приторцевых зон сальника в самостоятельную составляющую фрикционных сопротивлений не имеет смысла, так как пластическая деформация сальника в результате слипания глины с металлом распространяется на большую часть зоны контакта. Как следствие, кривая кинетики кфс базовой глинистой суспензии характеризуется нелинейным ростом сопротивлений по логарифмическому закону. При всей своей простоте практическое использование (5) сталкивается с серьезными препятствиями. Главным из них является то, что величина клк, входящая в это выражение, не может рассчитываться по (2) на основе величины <р, замеренной при наличии Fr, так как для компенсации прочности сальника осевая составляющая веса цилиндра должна возрасти, чему соответствует угол <pr. Таким образом, замеряемый прибором КТК-2 угол страгивания, фактически равен сумме ф^>т+рг (6), где фх - угол страгивания, соответствующий условию Fs=F=rS. Проблема в том, что углам ф и фт соответствуют различные прижимающие усилия N, из-за чего подстановка (4) в (2), дающая (5), формально не может быть произведена. Кроме того, такая подстановка приводит к получению коэффициента Fr/N, который не может использоваться для оценки замковых сопротивлений, так как они по определению не зависят от прижимающего усилия, входящего в расчет как вспомогательный параметр, не имеющий конкретного значения. В этой связи, для

оценки замковых сопротивлении правильно использовать не кж, а определять величину Fr, что может выполняться с использованием (4) при известном клк. Технически реализовать такой расчет возможно на базе двух видов испытаний на КТК-2, один из которых выполняется по стандартной методике и служит для определения клк , а другой выполняется по предлагаемой методике и позволяет расчитать величину Рг. Последовательность расчета при этом такова: 1) для выбранного значения времени контакта определяют коэффициент липкости фильтрационной корки, используя (2);

2) находят величину обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений для того же времени контакта;

3) рассчитывают прижимающее усилие, действующее при определении кфс;

4) используя расчитанное прижимающее усилие и клк, по уравнению (1) вычисляют силу трения (Р), а подставляя в него вместо клк значение кфс, находят также общую силу сопротивления перемещению модели замка 5) по уравнению (4) вычисляют Рг; 5) повторяют расчет для всех точек кривых кинетики показателей фрикционных свойств фильтрационной корки. Результаты соответствующих расчетов, выполненных по данным рис.2, показаны на рис.4.

Сравнение составляющих силы сопротивления перемещения замка друг с другом показывает, что Рг превышает Р в среднем - в 1,6 раза, в максимуме в 2,2 раза. При этом доля составляющей Рг в общей силе сопротивления - в среднем 60%, и она нелинейно возрастает во время контакта, достигая 69% при его продолжительности 50 мин. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: • обработка промывочной жидкости лубрикантом, эффективно снижающим составляющие Рм , РА и Рр , не обеспе-

ОА

0.3

I *

I £

3 !

У ё

0.1

>

<0 CmiaiptMU О УСИЛ1Ч ерю» Свльммгл

/ о

/ 1 *

10

SO 30 40

Время контакта, мнн

so

во

Рис. 4. Изменение составляющих силы сопротивления перемещения замка трубы по сальнику во времени по результатам моделирования на приборе КТК-2

чивает предотвращение прихвата при наличии в стволе скважины отложений, способных образовывать сальник, и использовании колонн, оснащенных замковыми соединениями;

• в случае наличия сальников в стволе скважины расхаживание в ней колонн, включающих элементы с диаметром большим или меньшим диаметра труб, ведет к прогрессивному увеличению сопротивлений и провоцирует прихват вне зависимости от наличия лу-брикантов в составе промывочной жидкости;

• эффективность лубриканта при наличии сальников в стволе скважины ограничивается созданием технической возможности проработать проблемный интервал за счет увеличения в 2-3 раза времени или числа циклов контакта замка с сальником, в течение которого сопротивления движению находятся ниже критического уровня;

• при разработке рецептур промывочных жидкостей необходимо использовать методики, позволяющие оценить сопротивления, возникающие

при контакте замков с сальниками, так как при наличии высокоэффективных лубрикантов в составе раствора доля этих сопротивлений в общем балансе превышает 50%.

Поскольку, в соответствии со сделанными выводами, в рассматриваемых условиях проработка ствола скважины является одновременно основным средством предупреждения прихвата и фактором его провоцирующим, результаты ее применения плохо прогнозируемы. Поэтому для бурения скважин, характеризующихся высокой вероятностью образования сальников, перспективна разработка технологий их разрушения, не предусматривающая механического воздействия. Если такие технологии не задействованы, необходимо использовать методы интеллектуального супервайзинга, удаляя отложения из скважины до того, как они успели консолидироваться в сальник, а также комплексно повышать качество промывочной жидкости в направлении активного препятствования сальнико-образованию.

Литература:

1. Мойса Ю.Н., Фролова Н.В., Бармотин К.С., Бородин А.М. Приоритетные направление работ в области разработки и производства анитиприхватных добавок для буровых растворов. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2007, №2, с.31-35.

2. Соловьев А.Я. Буровые смазочные добавки - мифы и реальность. Территория НЕФТЕГАЗ, 2009, №5-6, с.14-21,18-22.

3. Lenamond C. A Graphical Hole Monitoring Technique to Improve Drilling in High-Angle and Inclined Deepwater Wells in Real-Time. AADE 2003 - National Technology Conference "Practical Solutions for Drilling Challenges", April 1 - 3, 2003, Houston, Texas. Ключевые слова: прихват, лубрикант, сальник, коэффициент трения, фрикционные сопротивления, замки труб, супер-вайзинг.

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ бурение \\ 23