Способ оценки прихватоопасности бурового раствора Советский патент 1992 года по МПК E21B31/00 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для предупреждения прихватов, возникающих под действием перепада давления в системе скважина - пласт.

Известен способ оценки прихвато- опасности буровых растворов, включающий измерение средних значений коэффициента трения и адгезии (липко- сти) глинистой корки, сформированной из исследуемого бурового раствора.

Однако s этом способе не учитываются геологические условия, компоновка бурильной колонны, влияющие на силу прихвата, а также изменение этой силы во времени.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому язляется способ оценки прихватоопасности буровых растворов, включающий измерение коэффициента трения, консолидации и

удельной адгезионной силы глинистой корки созданием нагрузки с последующим отрывом пуансона, а также определение давления в порах корки и угла охвата ею колонны труб, позволяющие определить плотность бурового раствора, необходимую для предуп реждения прихватов при заданных геологических условиях.

Недостатком этого способа является то, что используются средние значения удельной адгезионной силы и коэффициента трения в то время, как они зависят от времени контакта и угла охвата трубы коркой, поэтому полученная оценка прихватоопасности бурового раствора недостаточно точна.

Целью изобретения является повышение точности определения условий прихватоопасности буровых растворен путем учета изменения удельной ад.«Jb

гезионной силы и коэффициента трения по толщине глинистой корки и во времени.

Сущность способа заключается в следующем.

При примвате происходит консолидация (уплотнение) глинистой корки, сопровождающаяся отжимом поровой влаги под действием приложенной нагрузки За счет этого уменьшается объем пор, глинистая корка деформируется, уменьшаясь в объеме, и количество частиц глины в единице объема корки увеличивается Нагрузка пе- рераспре деляется на глинистые частицы корки и давление Pg на них увеличивается пропорционально уменьшению порового давления Р согласно соотношению

Р5

р - р Kk

где Р.

- приложенная нагрузка консолидации.

Как показали эксперименты, пропорционально увеличивается удельная адгезионная сила Аи , измеряемая отрывом пуансона, перемещаемого нормально поверхности корки. Разрыв корки происходит по различной глубине в зависимости от ее физико-химических свойств. Теория консолидации позволяет рассчитать распределение давления на скелет.корки Pg по толщине и во времени. Замеряя удельную адгезионную силу Аци рассчитывая величину давления на скелет Pg для интервала времени консолидации и слоя корки, по которому происходит ее разрыв, можно определить эмпирический коэффициент оЈ , связывающий эти две величины в виде уравнения

АГ « Р6.

Согласно закону трения Дерягина коэффициент трения к равен тангенсу угла наклона прямой, исходящей из начала координат и представляющей собой эмпирическую зависимость удельной адгезионной силы Аи от приложенной нагрузки консолидации Р,т.е, коэффициент трения равен отношению удельной адгезионной силы Ац к приложенной нагрузке А

Откуда

Р„

Так как Pg является функцией времени и толщины корки, то и величина /I) также является функцией этих параметров.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Бурение скважины ведется в пластах, сложенных из чередующихся непроницаемых и проницаемых- горных пород, доля которых в разрезе составляет

0%. В интервале бурения м применяется следующая компоновка бурильной колонны: долото диаметром 190 мм, УБТ мм х 100 м, бурильные трубы мм х 2150 м, 12 ммх

1700 м, 1Й мм к 402 м.

Перед бурением заданного интервала измеряют коэффициент консолидации глинистой корки, сформированной из исследуемого бурового раствора. Для

замера удельной адгезионной силы Ai прикладывают нагрузку к пуансону, установленному на глинистой корке, и выдерживают ее некоторый промежуток времени, который замеряют. Промзводят отрыв пуансона от глинистой корки, замеряют нагрузку при отрыве Аи, и толщину корки, оторвавшейся вместе с пуансоном.

Получают следующие значения

удельной адгезионной силы Аи, приведенные в таблице.

5

Толщина отрыва одинакова и составляет x/L 0,9.

Давление на скелет корки Pg определяют, используя известное соотношение Терцаги между давлением на пуансон РК и давлением в порах корки Р, являющимся функцией от времени и толщины корки.

Для случая одномерной консолидации решение уравнения Терцаги для данных условий имеет вид

P(.t),{:irjf .

(2п-1)%.

где N -JT

- -- $1 t

4 I

Рб рк то отсюда можно рассчитать . .

Замеренный коэффициент консолидации С 5,210 лг/с. Расчетное значение Р5 приведено в таблице при Р 1 МПа. Отсюда oi 0,52 и можно рассчитать лд , приведенное в таблице.

Сила прихвата не должна превышать максимально допустимой нагрузки, равной G 790 кН. Длина контакта УБТ с проницаемыми горными породами составляет Н/г - Н,, 100 м х О,1 0 м„

/1ля предупреждения прихватов можно определить какие параметры бурового раствора 0 , fU , AI. необходимо поддерживать , чтобы предупредить прихват Например плотность бурового раствора

С - коэффициент консолидации,

характеризующий динамику изменения давления в глинистой корке м ) L - толщина глинистой корки f t - время - фактор времени безразмерный Так как

Р ,

Р

Р ь

12(1 -|L)PTg(H| - H)

2 j

glH2 + HjsinoU

CX M 2(X(PKsin(X M- j PcostfdoO

gli + H()sincJZM

arccos

(R Rj) RT 2RT(),

Rc - радиус скважины м. Давление Р определяют, решая численными методами следующее дифференциальное уравнение: л2.

3-Р - с (Сг + 1 р + 1 9t r 9r r

5

EL.,

«в2

где г , 0 - координаты.

Это уравнение решается на ЭВМ при следующих граничных условиях.

Г . На стенке скважины избыточное давление по сравнению с пластовым равно нулю:

P(0,t) 0.

р4 - градиент пластового давления,1 Н (Н4-Н)/2.

2, Начальное распределение гидравлического давления в корке линейное:

г- Нс r0J -

Р(г,0) Р0 + (РГ-РЛ)

PK-Rc

3. Поверхность трубы непроницаемая:

|| sin(«-9) +

1 Я

+ -- Ј cos (-Q о

Зг

Используя приведенные выше соотношения, можно получить плотность бурового раствора Р , предупреждающую прихват, равную i860, 1810и 1б80кг/м соответственно через 1, 5 и 30 мин простоя. Исходя из технологических УСЛОВИЙ бурения и других ограничений, накладываемых на плотность бурового раствора, выбирают ее равной 1810 кг/м3, что позволяет бурить без прихватов при простоях не более 5 мин.

Формула изобретения

Способ оценки прихватоопасности бурового раствора, используемого при бурении нефтяных и газовых скважин, осуществляют следующим образом. Определяют удельную адгезионную силу, измеряемую отрывом пуансона, рассчитывают распределение давления на скелет по толщине глинистой корки и во времени. Определяют угол охвата колонны труб глинистой коркой, рассчитывают плотность бурового раствора и сравнивают ее с заданной. 1 табл.

де Н4

H«

нижняя глубина рассматриваемого интервала, м верхняя глубина интервала

fc CM)

g - ускорение силы тяжести

RT- радиус прихватываемых труб

„ ГМ

Ос м - максимальный угол охвата

трубы глинистой коркой

Способ оценки прихватоопасности бурового раствора, включающий измерение коэффициента трения, консолидации и удельной адгезионной силы глинистой корки при создании нагрузки на пуансон, определение силы его

отрыва, определение давления в порах глинистой корки и угла охвата ее колонны труб с последующим расчетом плотности бурового раствора и сравнения ее с заданной, отличаю- «

1752926

щи и с я тем, что, с целью повышения его точности за счет учета изменения удельной адгезионной силы и коэффициента трения по толщине глинистой -корки и во времени, дополнительно определяют время создания нагрузки на пуансон и толщину отрыва глинистой корки пуансоном , а плотность бурового раствора определяют по следующему уравнению:

:

2(1 -)R g(H; - H)

X« PK t t2 I P-cos6ido6

,Tsln &7M

8

К ы |

2(Pk,sin(x Ajl - | р rosVd&S gU +

где Н

H,

-нижняя глубина интервала;

-верхняя глубина интервала; RT - радиус прихватываемых

труб; Сх м - максимальный угол охвата

трубы глинистой коркой; Р - давление в порах корки; PJ, - нагрузка на пуансон; Об - эмпирический коэффициент;

G - максимально допустимая нагрузка.