Возникновение удара при спускоподъемных операциях в скважине

В статье рассмотрен механизм возникновения газового удара при спускоподъемных работах. Проведено исследование причин и условий возникновения такой ситуации. Исследованы работы ряда ученых и инженеров. Показаны возможности использования системы управляемого давления.

Ключевые слова: скважины с большим отклонением, спуск колонн, коэффициент трения, открытый ствол, закрытый ствол, устойчивость ствола.

The article considers the mechanism of occurrence of gas shock during hoisting operations. A study was made of the causes and conditions for the occurrence of such a situation. The works of a number of scientists and engineers have been studied. The possibilities of using a controlled pressure system are shown.

Keywords: abnormally high pressure, well control, mathematical model, hydrodynamic pressure, managed pressure drilling.

Пласты с аномально высоким давлением представляют значительный эксплуатационный риск для процесса бурения.

При подъеме из скважины бурильная колонна ускоряется вверх до максимальной скорости, а затем ее поднимают с постоянной скоростью. Жидкость в кольцевом пространстве вынуждена вызывать давление колебания. Два механизма доминируют в возникновении удара во время спускоподъемных операций. Во-первых, забойное давление может стать ниже давления точки насыщения, в результате чего растворенный газ вырывается из раствора, вызывая внезапное снижение забойного давления. Вторая причина, что последовал приток жидкости в скважину из пласта.

Несколько факторов от которых будет зависеть возникновение удара: от скорости спуска, типа пластовой жидкости, проницаемости пласта, открытой/закрытой трубы, конфигурации и кольцевой площади поперечного сечения.

Боде и др. (1991) рассматривали методы контроля скважин в практике малого диаметра скважины. Они отметили, что обнаружение удара в стволе малого диаметра легче, чем в скважинах с большим диаметром, из-за меньших пропускных способностей кольцевого пространства. Штейн и др. (1996) выполнили 36 экспериментов по контролю скважины со стволом малого диаметра в наклонной исследовательской скважине для проверки сценариев выброса газа. Они зафиксировали скачкообразное давление с использованием воды и бурового раствора с помощью датчиков внутрискважинного давления. В тонких скважинах остановка вращения трубы также становится критическим параметром, определяющим результирующий размер выброса.

Эрге и др. (2014а, 2014б, 2015) представили математические модели для оценивания влияния эффекта вращения.

Еще одной возможной причиной колебаний давления из-за сваба и пульсации является качка. Это отмечали Чандрасекар и др. (2013). Компенсаторы качки предназначены практически минимизировать этот эффект. Кайе и др. (2010) описывали влияние лебедки и верхнего привода в управлении забойным всплеском давления.

Чен и др. (2014а, 2014б, 2014c) представили модели для локализации зоны поглощения в гидравлически сложных пластах. Рудольф и др. (1998) исследовал удар, вызванный при комбинации высокой температуры, а также высокой скорости спуска-подъема.

Налипание на долото является одним из факторов, вызывающих усиление пульсаций и давлений. Несколько авторов обратили внимание на проблему комкования, а также на проблемы в сланцевых резервуарах (Уэллс и др., 2008; Рой, С., 1993).

Точная оценка давления играет решающую роль. Большинство инструментов для измерения забойного давления требуют поддержания циркуляции, а давление прогнозируется на основе предварительно проверенных данных и математических моделей.

Несколько авторов опубликовали математические модели и экспериментальные данные для их проверки. Самуэль и др. (2003) представили данные, указывающие на давление от 500 кПа до 900 кПа. Вагнер и др. (1993) отмечали измеренное давление 650кПа к 830 кПа при средней скорости 0,5 м/с. Рэмси и др. (1983) представили данные MWD из скважины глубиной 3644 м с буровым раствором 1132 кг/м ³ . Самуэль и др. (2001) опубликовали данные из скважин Аляски и Северного моря, подтверждая динамичный характер модели удара.

Лал (1983) представил динамическую модель помпажа и сваба для прогнозирования забойного давления. Креспо и др. (2010) представили аналитическую модель для прогнозирования скачков давления в концентрическом кольцевом пространстве для жидкостей со степенным законом текучести. Чин и др. (2011) представили обширные расчетные методы для анализа.

В последние годы внедрение бурения с регулируемым давлением (MPD) сыграло решающую роль в поддержании постоянного давления.

MPD обеспечивает точный поток измерения во время спуско-подъемных работ. Производит расчеты, а также позволяет рано обнаружить удар путем непрерывного мониторинга обратного потока с помощью расходомера Кориолиса через замкнутую систему циркуляции.

Киник и др. (2014b) представили тематическое исследование, в котором автоматизированная MPD система обнаружила газовый приток во время бурения. Карими Ваджаргах и другие (2014) обсудили принятие решений по управлению скважиной во время операций MPD. Мэнцзяо и др. (2013) динамичный контроль во время бурения с MPD.

Кроме того, во время аварийно-спасательных операций гидравлические дроссели с программируемым логическим управлением, подключенные к расходомерам, позволяют поддерживать поверхностное противодавление (SBP) для компенсации давления, создаваемого при поднятии бурильной колонны. Система позволяет немедленно реагировать на выброс, сводит к минимуму размер выброса и обеспечивает циркуляцию выброса без необходимости закрытия скважины.

Рис. 1. Поведение газового удара в буровом растворе при бурении и спускоподъемных работах (Маммадов и др.)

На рис. 1 показано поведение газового выброса, полученного во время бурения, и при свабировании.

Механизм удара при свабировании имеет несколько характерных отличий по сравнению с ударом во время бурения. В первом гидростатическое давление столба бурового раствора больше, чем поровое давление. Во втором газ смешивается с буровым раствором ниже бурильной колонны.

Выводы

Исследование публикаций продемонстрировали необходимость тщательного рассмотрения и предварительного планирования буровых работ там, где вариации порового давления и давления гидроразрыва находятся в состоянии неопределенности. Обычных методов бурения и оборудования будет недостаточным при работе со сложными параметрами неопределенности в давление в переходных зонах, высокая плотность раствора, а также высокая вязкость, факторы трения и т. п.

Можно утверждать, что более активный подход к развертыванию MPD предотвратит многие проблемы, возникающие при бурении и спускоподъемных работах. Система MPD обеспечивает выполнение динамического исследования и предоставляет необходимые данные для быстрой корректировки параметров циркулирующей жидкости. Этот данные также полезны при расчете требуемой скорости движения и управляющего давления для облегчения отрицательного последствия удара. Для этих целей доступно соответствующее программное обеспечение.

Что касается параметров, связанных с растворимостью газа, тепловым влиянием на плотность и прорыв газа, их можно более тщательно отслеживать и контролировать с помощью системы с замкнутым контуром и программного обеспечения, а также мониторинга.

Литература:

1. Bode, D.J., Noffke, R.B., et alet. al.,. «Well-Control Methods and Practices in Small Diameter Wellbores», SPE-19526-PA, Journal of Petroleum Technology, 1991.
2. Cayeux, E., Daireaux, B., et alet. al.,. «Automation of Drawworks and Topdrive Management to Minimize Swab/Surge and Poor Downhole Condition Effects», 2010 IADC/SPE Drilling Confer- ence and Exhibition held in New Orleans, Louisiana, USA 2– 4 Feb 2010.
3. Chen, Y., Yu, M., Miska, S., Ozbayoglu, M., Kang, Y., Zhou, S., & Al-khanferi Nasser, M. 2014 «Modeling Transient Circulating Mud Temperature in the Event of Lost Circulation and its Application in Locating Loss Zones». 33th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, San Francisco, California, USA, 8 –11 Jun. OMAE2014–23590
4. Chin, W., Zhuang, X. «Gas volumes will generally be greater in sand than in clay because of the generally greater permeability». OTC 21115, Houston, TX 2011
5. Crespo, F., Ahmed, R., «Surge and Swab Pressure Predictions for Yield Power Law Drilling Fluids», SPE Latin American & Caribbean Petroleum Engineering Conference held in Lima, Peru, 1–3 Dec 2010.
6. Erge, O., Ozbayoglu, E.M., Miska, S.Z., Yu, M., Takach, N., Saasen, A.,May, R., «Effect of Drillstring Deflection and Rotary Speed on Annular Frictional Pressure Losses», Journal of Energy Resources Technology, 136, 042909, (2014); doi:10.1115/1.402756
7. Kinik, K., Wojtanowicz, A.K., «Identifying Environmental Risk of Sustained Casing Pressure» SPE Americas E&P Health, Safety, Security, and Environmental Conference, 21–23 March, 2011, Houston, Texas, USA (SPE-143713-MS)
8. Mammadov, E., Kinik, K., Ameen Rostami, S., & Sephton, S. (2015). Case Study of Managed Pressure Tripping Operation through Abnormal Formations in West Canadian Sedimentary Basin. SPE Western Regional Meeting. doi:10.2118/174073-ms
9. Mengjiao, Y., Vajargah Karimi, A. et alet. al., «Taking the Proper Action to Gas Influx during Constant Bottom-Hole Pressure Technique of Managed Pressure Drilling», 24189-MS OTC Conference Paper-2013
10. Ramsey, M.S. et alet. al.: «Bit Hydraulics: Net Pressure Drops Are Lower Than You Think», World Oil (Oct. 1983) 65–67.
11. Roy, S., Cooper, G.A., «Prevention of Bit Balling in Sahels: Some Preliminary Results», SPE 23870 PA, SPE Drilling and Completion, Volume 8, Issue 03, September 1993.
12. Rudolf, R.L., Suryanarayana, P. R. V., «Field Validation of Swab Effects While Tripping-in the Hole on Deep, High Temperature Wells», IADC/SPE Drilling Conference held in Dallas, Texas 3– 6 March 1998.
13. Samuel, G.R., Sunthankar, A., McColpin, G., Bern, P. and Flynn, T. (2003), «Field validation of transient swab-surge response with real time downhole pressure data», 85109-PA SPE Journal Paper
14. Steine, O.G., Rommetveit, R. et alet. al., «Well Control Experiments related to Slim Hole Drilling». IADC/SPE 35121, IADC/SPE Drilling Conference held in New Orleans, Louisiana, 12–15 March 1996.
15. Vajargah Karimi, A., Buranaj Hoxha, B. et alet. al., «Automated Well Control Decision-Making during Managed Pressure Drilling Operations» SPE Deepwater Drilling and Completions Con- ference, 10 –11 September, Galveston, Texas, USA, 2014
16. Wagner, R.R., Halal, A.S. and Goodman, M.A. (1993), «Surge field tests highlight dynamic fluid response», SPE/IADC 25771, pp. 883–892.
17. Wells, M., Marvel, T. et alet. al., «Bit Balling Mitigation in PDC Bit Design», SPE 114673 MS, IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition, 25–27 November, Jakarta, Indonesia, 2008