Бурение с очисткой скважины

Для закачки воздуха в межколонное пространство в скважину временно спускают вторую колонну обсадных труб, расположенную внутри последней обсадной колонны. При этом газ нагнетается в пространство между двумя колоннами, а буровой раствор подается через бурильные трубы. В некоторых случаях для закачки воздуха в межколонное пространство может использоваться обычное устьевое оборудование. Это позволяет избежать сложностей, связанных с переоборудованием устья под спуск параллельной колонны НКТ.

Вместе с тем может возникнуть необходимость в увеличении диаметра промежуточной обсадной колонны, чтобы вместить временную колонну и обеспечить достаточный проходной диаметр для бурения проектного участка ствола. Для этого иногда приходится увеличивать диаметр предыдущего интервала бурения по сравнению с проектным, а диаметр аэрируемого интервала – уменьшать.

 

Расход воздуха

 

Как и традиционные глинистые растворы, поток сжатого воздуха обеспечивает охлаждение долота и бурильной компоновки, очистку забоя от шлама и вынос его на устье. На шламовыносную способность обычной промывочной жидкости, помимо скорости потока в затрубном пространстве, влияет также вязкость жидкости. В отличие от традиционных промывочных агентов, скорость потока, а, следовательно, и выносная способность воздуха и воздушно-водяной смеси зависит только от расхода. В Таблице 1 приведены значения расхода воздуха и жидкости, а также давлений по всем четырем системам очистки забоя газообразными агентами, указано оборудование, необходимое для обеспечения данных параметров (технические характеристики будут рассмотрены далее в этой главе). Объемный расход воздуха измеряется при нормальных термобарических условиях и указывается в американских единицах измерения: стандартных кубических футах в минуту (SCFM).

Величина расхода воздуха в каждом отдельном случае полностью определяется параметрами скважины: проектной глубиной, механической скоростью бурения, сечением кольцевого пространства (диаметрами скважины и бурильных труб), типом пласта, размером частиц выбуренной породы, а также типом применяемого сжимаемого агента: воздуха или газа. Расход воздуха также в значительной степени зависит от профиля ствола скважины. Для очистки крутонаклонных или горизонтальных скважин от шлама требуется значительно более высокий расход воздуха, чем для вертикальных скважин.

В любом случае важно точно определить объем воздуха (газа), необходимый для эффективного удаления шлама из скважины. Считается, что для нормальной очистки забоя сжатым воздухом (воздушно-пылевой смесью) скорость движения потока в затрубном пространстве должна составлять не менее 3000 фут/мин. Фактические точные величины расхода воздуха рассчитываются исходя из площади сечения затрубного пространства, где подъем шлама представляет наибольшую сложность. Расчет объемов продувки, сделанный на данной основе, позволит обеспечить необходимую скорость циркуляции в стволе скважины, превышающую скорость осаждения шлама.  В противном случае очистка скважины от шлама будет неэффективна, в результате чего снизится общая эффективность бурения.

 

Метод очистки забоя	Расход воздуха (ст. куб. фут/мин)	Давление (фунт/кв.дюйм)	Расход жидкости (галлон/мин)	Оборудование
Воздух (воздушно-пылевая смесь)	1250–6000	200–800	Отсутствует	Компрессоры: 2-6 шт.
Воздушно-водяная смесь	1250–6000	400–1200	1-10	Компрессоры: 2-6 шт.
Пена	400–1600	400–1200	10-100	1 компрессор малой мощности
Аэрированный буровой раствор	500–1500	600-1200	100-400 (раствор)	1 компрессор

 

Таблица 1. Примерные объемные расходы воздуха и жидкости

 

На рис. 2 изображены примеры кривых, отражающие рекомендуемый расход воздуха (газа), необходимый для эффективной очистки скважины от шлама. Для получения рекомендаций по расчету объемов воздуха для конкретной скважины обращайтесь к супервайзеру компании «Эм-Ай» по бурению с очисткой скважин газообразными агентами.

 

 

 

 

 

Кривые скорости потока и давления

 

 

На рис. 3 изображены кривые, отражающие изменения давления и скорости потока воздуха в течение одного цикла циркуляции в скважине. Как показано на графиках, вследствие сжимаемости воздуха и газа, скорость потока в затрубном пространстве стремительно возрастает с падением давления, и при движении воздуха в процессе циркуляции происходит его расширение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Режимы течения

 

На рис. 4 изображены режимы течения различных флюидов, использующихся для очистки забоя: от воздуха до традиционных глинистых растворов. Как было сказано выше, величины расхода воздуха, а, следовательно, и характеристики режима потока, могут варьироваться в значительных пределах, в зависимости от геометрии скважины. Расход воздуха, необходимый для эффективной очистки бокового ствола наклонно-направленной или горизонтальной скважины, выше, чем расход воздуха, требуемый для очистки вертикальной скважины. При бурении горизонтальных скважин для очистки забоя вместо сухого воздуха рекомендуется применять воздушно-водяную смесь или пену, поскольку они обеспечивают более эффективное удаление шлама и охлаждение долота.

Рис. 4. Режимы течения газообразных очистных агентов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подземные возгорания

Подземные возгорания и взрывы представляют серьезную опасность при бурении скважин с очисткой забоя воздухом (воздушно-пылевой смесью). Подземные возгорания в процессе бурения с очисткой забоя воздухом (воздушно-пылевой смесью) происходят в том случае, когда температура и давление горючей смеси газа или нефти достигают величин, достаточных для воспламенения.  При образовании глинистой корки в стволе скважины давление в затрубном пространстве возрастает, и любая искра или перегрев могут стать причиной возгорания.  При очистке забоя воздушно-водяной смесью вероятность образования корки, а, следовательно, и воспламенения уменьшается. Обычно возгорание происходит, когда содержание метана в воздухе превышает 5–15% (как показано на рис. 5.), а кислорода – 5%. Искры образуются в результате удара твердосплавных резцов долота, УБТ и бурильных замков о стенки скважины при разбуривании твердых кварцевых песчаников. Для образования локального перегрева в скважине достаточно наличие трения или потока воздуха, движущегося через малое сечение бурильных труб (с давлением от 200 до 400 фунт/кв.дюйм). Точки локального перегрева, равно как и искры, могут стать причиной возгорания, если в скважине присутствует опасная концентрация воздуха и горючих веществ.

Рис. 5. Зависимость воспламеняемости  смеси от концентрации газа и давления

Оборудование

 

На рис. 6 и 7 изображены типовые схемы размещения наземного технологического оборудования, используемого при бурении с очисткой скважины газообразными агентами. Далее приводится краткое описание дополнительного оборудования, обеспечивающего подачу, регулирование и контроль расхода требуемых  объемов воздуха/газа для четырех типов систем очистки забоя газообразными агентами.

 

Компрессоры

Компрессоры должны быть малогабаритными, но при этом обеспечивать необходимую подачу воздуха.  

В настоящее время наиболее распространенными компрессорами высокой производительности, применяемыми для очистки скважин газообразными агентами, являются поршневые установки объемного типа и многоступенчатые компрессоры с винтовым ротором и масляным охлаждением. Производительность компрессора зависит от высотной отметки (атмосферного давления), температуры и влажности. Номинальная производительность компрессоров определяется в нормальных условиях (атмосферном давлении на уровне моря и температуре 60°F). Компрессоры, используемые при бурении с очисткой забоя воздухом (воздушно-пылевой смесью), должны быть обязательно оснащены диафрагменными расходомерами для осуществления непрерывного контроля за давлением и расходом воздуха в процессе бурения. Это необходимо для обеспечения эффективной очистки забоя и нормализации ствола скважины (предотвращения образования корки и размыва стенок). 

 

Вращающиеся устьевые головки

Вращающаяся устьевая головка предназначена для герметизации затрубного пространства на устье и отвода через выкидную линию воздуха, шлама, а также пластового газа с жидкостью. Необходимо особо отметить, что устьевая головка является отклонителем потока (дивертером), а не противовыбросовым превентором. Головки оснащены эластомерными уплотнениями, которые подвержены износу и требуют периодической замены. Во время замены уплотнений  устье скважины герметизируется посредством закрытия превенторов для предупреждения выброса. 

 

Генераторы азота

В целях предотвращения подземных возгораний и ослабления коррозии вместо воздуха рекомендуется применять инертный газ, например, азот. Несмотря на то, что в ряде случаев еще применяют жидкий азот, в настоящее время стало возможным непрерывное производство азота непосредственно на буровой площадке при помощи разработанных в последние годы сепараторов на основе молекулярных сит. Использование этих азотных установок связано с дополнительными затратами. Кроме того, производство азота в объеме, необходимом для бурения скважины, требует дополнительных мощностей для нагнетания воздуха

Рис. 7. Типовая схема размещения оборудования при бурении с очисткой забоя газообразными агентами

Насосы-генераторы воздушно-водяной смеси и пены

 

Для нагнетания пенообразователя и воды и получения пенообразного промывочного агента применяют небольшие дозировочные насосы или трехпоршневые жидкостные насосы малой мощности. При бурении с очисткой забоя воздушно-водяной смесью расход реагента составляет от 1 до 10 галлонов/мин. Замешивание и подача других реагентов, например, ингибиторов коррозии, осуществляется при помощи аналогичного оборудования. Для бурения с очисткой забоя пеной необходимы насосы с более высокой производительностью: в пределах 25–100 галлонов/мин, в зависимости от диаметра скважины и расхода воздуха.

 

Пневмобуры и долота

 

Пневмобур представляет собой ударный породоразрушающий инструмент, приводимый в действие сжатым воздухом. Пневматические буры и долота обеспечивают высокую механическую скорость бурения в твердых породах. Они наиболее эффективны при проводке вертикальных стволов в зонах, где скважины подвержены произвольному искривлению. Новейшие разработки в области синтетических алмазов позволяют наносить профилированное алмазное покрытие на карбид-фольфрамовые вставки ударных долот, что обеспечивает значительное увеличение срока службы инструмента.  

Углубление скважины при помощи высокооборотных возвратно-поступательных пневмобуров и долот  происходит за счет ударного воздействия на породу (дробления), и в отдельных случаях может обеспечить сокращение затрат на 80%.

 

Список литературы:

 

Состав и свойства буровых агентов. Дж. Р. Грэй, Г.С.Г. Дарли