Способ освобождения прихваченной бурильной трубы

006033 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к обслуживанию скважин и, более точно, к способу дополнительного использования ультразвуковой энергии в случае прихвата трубы под действием перепада давлений с целью уменьшения площади контакта с фильтрационной коркой бурового раствора перед приложением освобождающего усилия. Предпосылки создания изобретения Во время бурения нефтяных и газовых скважин буровой раствор проходит через внутреннее пространство бурильной колонны и затем обратно вверх к поверхности через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенкой ствола скважины. Буровой раствор служит для выполнения различных функций, включая смазку бурового долота и трубы, унос обломков выбуренной породы из забоя скважины к поверхности буровой установки и приложение гидростатического давления к пласту, подвергаемому бурению, для предотвращения выхода нефти, газа или воды в ствол скважины во время операций бурения. Существуют многочисленные возможные причины прихвата бурильной колонны во время бурения. Прихват под действием перепада давлений, одна из причин инцидентов с прихваченной трубой, обычно происходит при бурении проницаемых пластов, когда давления в стволе скважины превышают пластовые давления. Когда при таких условиях бурильная труба остается в состоянии покоя у стенки ствола скважины в течение достаточного времени, вокруг трубы образуется фильтрационная корка бурового раствора. Давление, действующее со стороны бурового раствора, в этом случае будет удерживать трубу у стенки с коркой. К некоторым предупреждающим признакам, которые заставляют обращать внимание на возможность прихвата под действием перепада давлений, относятся наличие прогнозируемого низкого давления в сочетании с истощенными нефтеносными пластами-коллекторами, наличие длинных, неустойчивых секций оборудования низа бурильной колонны в наклонно направленной скважине, отсутствие борьбы с поглощением бурового раствора и увеличенное содержание песка, и увеличенные тяговое усилие, посадка или крутящий момент, необходимые для обеспечения начала движения колонны труб. К признакам фактического наличия прихвата под действием перепада давлений относится период времени отсутствия движения колонны труб; колонну труб невозможно привести во вращение или переместить, но при этом циркуляция осуществляется беспрепятственно. Способы освобождения бурильной колонны, прихваченной под действием перепада давлений,включают приложение крутящего момента и вибрации при максимальной нагрузке крутящим моментом,использование точечного заряда для освобождения труб, если вибрация не приносит успеха, и уменьшение плотности бурового раствора, что может иметь последствия с точки зрения стабильности ствола скважины. Тяговое усилие, необходимое для освобождения трубы, может превысить эксплуатационные возможности буровой установки и даже вызывать выход из строя буровой установки. Было бы очень предпочтительным, если бы существовал способ, позволяющий уменьшить требуемое освобождающее усилие с тем, чтобы существующая буровая установка обеспечивала бы приложение тягового усилия без возникновения причин возможного выхода из строя. Использование энергии волн в нефтяной промышленности известно, тем не менее, наиболее распространенным случаем использования ультразвуковой энергии является очистка электронных микрокристаллов в полупроводниковой промышленности и ежедневная чистка ювелирных изделий в домашних условиях. Помимо использования акустических и ультразвуковых методов для измерений характеристик керна в лаборатории, для каротажа и сейсмических исследований в полевых условиях, в работе Tutuncu иSharma было показано, что акустическая энергия позволяет уменьшить давление, необходимое для отрыва фильтрационной корки бурового раствора, в пять раз. См. Tutuncu A.N. и Sharma M.M., 1994, "Mechanisms of Colloidal Detachment in a Sonic Field", 1st AIChE International Particle Technology Forum, Paper63e, 24-29. К другим областям использования ультразвуковой энергии относятся подача энергии посредством скважинных инструментов к углеводородам для облегчения извлечения нефти из скважины путем уменьшения вязкости нефти. См., например, патенты США 5109922 и 5344532. В патенте США 5727628 раскрыто использование ультразвука для очистки водяных скважин. В последние годы также предпринимались попытки осуществить освобождение трубы путем использования энергии колебаний. В патенте США 4913234 раскрыта система для подачи энергии колебаний с целью осуществления освобождения секции скважинной трубы, которая содержит орбитальный генератор, имеющий корпус, удлиненный винтообразный статор, установленный в указанном корпусе,удлиненный винтообразный ротор, установленный с возможностью свободного вращения с прецессионным качанием в указанном статоре, средства для подвешивания указанного генератора с возможностью вращения внутри указанной бурильной трубы вокруг продольной оси бурильной трубы в непосредственной близости от ее прихваченного участка и приводные средства для приведения указанного ротора во вращение для обеспечения орбитальных поперечных акустических колебаний указанного корпуса таким образом, чтобы указанный корпус осуществлял колебания в поперечном направлении вокруг внутренней-1 006033 стенки трубы, тем самым создавая квадратурные вибрационные усилия, действующие в поперечной плоскости на трубу для осуществления освобождения ее из ствола скважины. В патенте США 5234056 раскрыт способ освобождения бурильной колонны, который включает упругое подвешивание генератора колебаний с механическим приводом к опорной конструкции на эластомерной опоре, имеющей линейную постоянную упругую характеристику, присоединение указанного генератора к верхнему концу бурильной колонны, при этом эластомерная опора обеспечивает малое сопротивление при передаче энергии колебаний у указанного верхнего конца бурильной колонны, приведение указанного генератора в действие для выработки большой энергии звуковых колебаний при продольных колебаниях для обеспечения сильного колебательного смещения верхнего конца бурильной колонны в продольном направлении, и действие бурильной колонны в качестве акустического рычага,который преобразует сильное колебательное смещение верхнего конца бурильной колонны в большое вибрационное усилие в том месте, где бурильная колонна прихвачена в стволе скважины, в результате чего облегчается освобождение бурильной колонны. Часто в тех случаях, когда бурильная труба оказывается прихваченной под действием перепада давлений, результатом является то, что трубу приходится разрезать, и невозможно достичь заданной зоны при использовании оптимального маршрута. В данной области техники было бы чрезвычайно желательно, если бы существовал способ, который представляет собой средство уменьшения величины усилия, необходимого для освобождения прихваченной бурильной трубы. Такой способ мог бы обеспечить потенциальную, очень большую экономию времени и денег при бурильных операциях. В соответствии с настоящим изобретением было установлено, что дополнительное использование ультразвуковой энергии может способствовать уменьшению площади контакта трубы, в результате чего уменьшается необходимое освобождающее усилие, и часто возможности существующей буровой установки оказываются достаточными для использования ее при создании тягового усилия. Настоящее изобретение позволяет сократить время бурения и предотвратить зарезку бокового ствола в скважине (уход в сторону боковым стволом), операцию, которая связана с высокими затратами, особенно в морской глубоководной среде. Краткое изложение изобретения В соответствии с вышеизложенным согласно настоящему изобретению предложен способ уменьшения величины усилия, необходимого для освобождения прихваченной бурильной трубы, который включает следующие операции: спуск источника ультразвуковых колебаний, предпочтительно имеющего среднюю частоту не менее 20 кГц, вниз через бурильную колонну до места контакта, вызывающего прихват; обеспечение воздействия ультразвуковых колебаний не место контакта; уменьшение площади контакта; приложение уменьшенного освобождающего усилия для освобождения трубы. Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет схему, иллюстрирующую одно возможное положение бурильной трубы, прихваченной под действием перепада давлений; фиг. 2 представляет схему полой цилиндрической фильтрационной камеры, используемой при экспериментальной работе; фиг. 3 представляет график, показывающий уменьшение усилия вытягивания (освобождающего усилия) в зависимости от времени обработки ультразвуком для полого цилиндрического образца из алоксита, поврежденного буровым раствором для вскрытия, на котором образована фильтрационная корка бурового раствора при повышенном давлении и комнатной температуре; фиг. 4 представляет график, показывающий уменьшение усилия вытягивания (освобождающего усилия) в зависимости от времени обработки ультразвуком для полого цилиндрического образца из песчаника Вегеа. Подробное описание изобретения В соответствии с настоящим изобретением разработан способ освобождения прихваченной бурильной трубы, особенно в случае прихвата ее под действием перепада давлений, за счет дополнительного использования ультразвуковой энергии с целью уменьшения величины необходимого освобождающего усилия. Фиг. 1 представляет схему, иллюстрирующую один пример расположения бурильной трубы, прихваченной под действием перепада давлений. Бурильная колонна 4 оказывается заделанной в фильтрационную корку 3 бурового раствора на стенке ствола скважины в зоне напротив проницаемой зоны 2 при большой величине перепада давлений бурового раствора, что ведет к прихвату трубы в зоне контакта. При условиях динамической циркуляции фильтрационная корка бурового раствора разрушается как под действием потока жидкости, так за счет механического воздействия бурильной колонны. Когда скважину оставляют в статичном состоянии при отсутствии вращения трубы, может образоваться статичная фильтрационная корка бурового раствора, которая приводит к увеличению общей толщины корки бурового раствора. В данном случае колонна труб может оказаться заделанной в толстую фильтрационную корку бурового раствора на стенках скважины, особенно в том случае, когда ствол 1 скважины сильно-2 006033 отклоняется от вертикали и/или когда оборудованию низа бурильной колонны не придана надлежащая устойчивость. Статичная фильтрационная корка бурового раствора на стенках скважины препятствует воздействию давления в стволе скважины (при избытке) с задней стороны трубы. За задней стороной колонны труб/оборудования низа бурильной колонны создается зона низкого давления, которая стремится прийти в равновесие с более низким пластовым давлением. На трубе/оборудовании низа бурильной колонны начинает увеличиваться перепад давлений. Со временем зона трубы, закрытая фильтрационной коркой бурового раствора, увеличивается. Произведение избыточного давления (значения перепада давлений) на площадь контакта представляет собой силу сопротивления, которая может препятствовать освобождению трубы. Увеличение силы сопротивления происходит очень быстро с момента ее возникновения, и данная сила со временем будет возрастать. К типовым действиям, используемым для освобождения колонны труб, относятся приложение крутящего момента и вибрации при максимальной нагрузке крутящим моментом. Циркуляция обычно не ограничивается в случае прихвата под действием перепада давлений. Следовательно, может быть обеспечена циркуляция жидкостей для разрушения фильтрационной корки через зону, вызвавшую прихват трубы. Указанные жидкости содержат добавки, которые могут обеспечить обезвоживание и растрескивание фильтрационных корок бурового раствора на стенках скважины, и добавки, которые могут обеспечить смазку бурильной колонны. Растрескивание фильтрационной корки бурового раствора будет способствовать передаче давления бурового раствора с обеспечением его воздействия на заднюю сторону колонны труб и устранению перепада давлений на колонне труб, что приводит к минимизации трения. В этом случае сила прихватывания будет уменьшаться на эквивалентную величину, как показано в уравнении 1.(1),где- коэффициент трения,А - площадь контакта,Р - избыток (перепад давлений). Для освобождения трубы освобождающее усилие должно быть равно или превышать Fs. Однако иногда невозможно создать достаточное усилие из-за ограничений, обусловленных бурильной колонной и/или буровой установкой, и в этом случае бурильная колонна должна быть разрезана, что приводит к большим финансовым потерям и невозможности достичь заданной зоны, следуя предпочтительным маршрутом. В некоторых случаях уменьшение плотности бурового раствора может быть полезным, но это может привести к снижению устойчивости ствола. Конструкция бурильной колонны представляет собой главный фактор. Прочность бурильной трубы ограничивает максимальный допустимый вес и, следовательно, способность приложения тягового усилия. Даже если бурильная труба будет иметь достаточно прочную конструкцию, тяговое усилие, необходимое для освобождения трубы, может превысить эксплуатационные возможности буровой установки. В частности, при использовании небольших буровых установок при работах, выполняемых на суше, существует возможность выхода буровых установок из строя из-за приложенных усилий, превышающих максимальное тяговое усилие. Скважинные ясы также создают возможность приложения большой ударной силы в месте прихвата при сравнительно малом тяговом усилии. Тем не менее, иногда приложенные усилия недостаточны для освобождения прихваченной трубы. Сам яс также может оказаться прихваченным. В соответствии с настоящим изобретением уменьшение площади контакта прихваченной трубы приводит к уменьшению тягового усилия, которое необходимо приложить. Поскольку величина А уменьшается, сила прихвата также уменьшается (см. уравнение 1). Следовательно, существующие трудности, возникающие при освобождении прихваченной трубы, сводятся к минимуму. В соответствии с настоящим изобретением источник ультразвуковых колебаний заключен в корпус из трубы, которая обеспечивает возможность его размещения в бурильной колонне. Источник ультразвуковых колебаний представляет собой свипирующий акустический преобразователь большой мощности,который работает или при постоянной частоте, составляющей приблизительно 20 кГц, или частота может изменяться от нескольких Герц до 40 кГц. Инструмент образован из переменного числа цилиндрических керамических преобразователей, которые передают акустическую энергию в радиальном направлении. Сам излучатель представляет сплошной кусок стали, к которому присоединен или присоединены пьезоэлектрический возбудитель или пьезоэлектрические возбудители. Акустический инструмент соединен посредством обычного каротажного кабеля с мощным усилителем. Усиление мощности зависит от соотношения площадей поперечных сечений инструмента. Для демонстрации возможностей изобретения были проведены эксперименты по динамической фильтрации при использовании полых цилиндрических кернов из полностью насыщенного соляным раствором песчаника Berea и алоксита с известным распределением пор по размерам. Фиг. 2 представляет собой схематичный чертеж полой цилиндрической камеры для динамической фильтрации, использованной в экспериментах. Испытания с полым керном отображают реалистичные геометрические характеристики ствола скважины. Камера спроектирована и выполнена для работы с кернами (колонками породы) с наружным диаметром 4 дюйма и длиной 8,3 дюйма. В камере можно ис-3 006033 пользовать полые цилиндрические керны с различными внутренними диаметрами. Для данного изобретения были использованы образцы с внутренним диаметром 0,9 дюйма. Для ультразвуковой очистки был использован аппарат Digital Sonifier модели 450, производимый компанией Branson Ultrasonics Corp., Danbury, Коннектикут. Система состоит из блока питания, органов управления, преобразователя и рупора. Персональный компьютер был использован для обеспечения связи с системой и для сбора данных из системы. Полые цилиндрические керны из песчаника Berea сначала были повреждены путем использования буровых растворов (промывочных жидкостей) и/или буровых растворов для вскрытия, имеющих различные составы, при различных перепадах давлений. Буровой раствор для вскрытия был использован для осуществления статической фильтрации. Фильтрацию выполняли в камере при перепаде давлений, составляющем 600 фунтов на квадратный дюйм, в течение приблизительно 12 ч. Толщина корки варьировалась от 2 до 3 мм. Обеспечивали циркуляцию бурового раствора с поступлением его в полый цилиндрический керн и выходом из кольцевого пространства при давлении циркуляции, составляющем 500 фунтов на квадратный дюйм, и 50 см 3/мин. После этого насос выключали, и статическая фильтрация начиналась при 500 фунтах на квадратный дюйм и продолжалась достаточно долго для прихвата трубы, и статический фильтрат собирали. После этого ультразвуковой рупор со средней частотой 20 кГц использовали для выполнения обработки ультразвуком со стороны внутреннего пространства трубы, которая прилипла к стенке керна. Осуществляли мониторинг проницаемости, перепада давлений, амплитуды при обработке ультразвуком, мощности и температуры в зависимости от времени обработки ультразвуком и проводили исследования величины энергии, необходимой для почти полного восстановления проницаемости и вытягивающего усилия. Нижеприведенные примеры служат для иллюстрации изобретения, раскрытого здесь. Примеры предназначены для того, чтобы служить только в качестве средства иллюстрации, и их не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения каким-либо образом. Для специалистов в данной области техники будут очевидны многие изменения, которые могут быть осуществлены, не отходя от существа раскрытого изобретения. Экспериментальное исследование Эксперименты были предназначены для демонстрации полезности ультразвука при уменьшении вытягивающей силы для освобождения прихваченной трубы. Для проведения экспериментов было спроектировано специальное устройство с полым цилиндром для динамической циркуляции, которое описано выше и показано на фиг. 2. Осуществляли непрерывный мониторинг давления в камере, температуры,скорости потока, мощности, поданной к рупору, и амплитуд путем использования программного обеспечения для сбора данных. Расстояние между поврежденной поверхностью и рупором изменяли для изучения влияния расстояния от источника. Как показано на фиг. 2, система включает камеру из нержавеющей стали, два подвижных поршня и держатель ультразвукового рупора. Она может работать при давлении свыше 5000 фунтов на квадратный дюйм, а также может работать при повышенной температуре при заданном перепаде давлений. Два шприцевых насоса (производимые и поставляемые на рынок компанией ISCO, Inc., Небраска) были использованы для нагнетания бурового раствора и для одновременного регулирования перепада давлений с точностью + 1 фунт на квадратный дюйм с целью измерения проницаемости образца. Система сбора данных была использована для регистрации и мониторинга давления, скорости потока и объема нагнетаемого бурового раствора в реальном масштабе времени. Во время обработки ультразвуком также выполняли регистрацию и мониторинг амплитуды, мощности и времени в реальном масштабе времени. Полые цилиндрические керны из песчаника Berea и алоксита с наружным диаметром 4 дюйма,внутренним диаметром 0,9 дюйма и длиной 8,3 дюйма помещали в устройство с полым цилиндром для динамической фильтрации, и наружные фильтрационные корки бурового раствора были образованы за счет циркуляции бурового раствора или бурового раствора для вскрытия при условиях, аналогичных условиям нагружения на месте между обсадной трубой и стенками полого цилиндра, как показано на фиг. 2. Непрерывные измерения проницаемости позволяли отследить тот момент, когда раствор полностью закупорил поровые пространства образца. После этого ультразвуковой рупор помещали в трубу, имитируя ситуацию с прихваченной трубой в лаборатории, как показано на фиг. 2. В первом испытании не было использовано никакой обработки ультразвуком. Инициировали приложение вытягивающего усилия, и прикладывали его к прихваченной трубе с постепенным увеличением величины усилия до тех пор, пока не происходило освобождение трубы. Усилие, необходимое для освобождения трубы, регистрировали для данного случая. После этого другие идентичные испытания были проведены для сценариев с прихваченной трубой, но на этот раз обработка ультразвуком проводилась в течение интервалов времени,составляющих соответственно 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 мин. После обработок ультразвуком, проводившихся в течение различных интервалов времени, прикладывали небольшое вытягивающее усилие и затем усилие постепенно увеличивали до тех пор, пока не происходило освобождение трубы. Обработку ультразвуком повторяли при трех энергетических уровнях (30% амплитуды, 50% амплитуды и 70% амплитуды). Итоговые результаты для цилиндра из алоксита при различной амплитуде и временах обработки ультразвуком представлены на фиг. 3. Фиг. 3 представляет собой график, показывающий умень-4 006033 шение вытягивающего (освобождающего) усилия в зависимости от времени обработки ультразвуком для полого цилиндрического образца из алоксита, поврежденного буровым раствором для вскрытия, при этом фильтрационная корка бурового раствора была образована при повышенном давлении и комнатной температуре. Отношение вытягивающих усилий представляет собой отношение освобождающего усилия после обработки ультразвуком к освобождающему усилию перед обработкой ультразвуком. Наиболее быстрое уменьшение освобождающего усилия было отмечено при приложении 70% (наибольшей мощности); тем не менее, любой уровень амплитуды и любая продолжительность обработки ультразвуком способствовали уменьшению освобождающего усилия по сравнению со случаем без обработки ультразвуком. Результаты для полых цилиндрических кернов из песчаника Berea показаны на фиг. 4. Различные образцы были использованы для исследования влияния увеличения времени обработки ультразвуком. Во всех испытаниях, за исключением испытания с продолжительностью обработки ультразвуком, составляющей 40 мин, для освобождения трубы прикладывали вытягивающее усилие. Тем не менее, чем продолжительнее было время обработки ультразвуком, тем меньше была величина требуемого усилия. И, в завершение, при обработке ультразвуком с продолжительностью 40 мин не потребовалось никакого вытягивающего усилия; освобождение было мгновенным после обработки ультразвуком. В основе таких результатов испытаний лежит уменьшение площади контакта. Поскольку обработка ультразвуком приводила к уменьшению толщины фильтрационной корки бурового раствора, она вызывала уменьшение площади контакта. Таким образом, из уравнения (1) Fs =А Р следует, что при сохранениии Р постоянными А уменьшается, следовательно Fs уменьшается. Полученные в результате соотношения вытягивающих усилий для полых цилиндрических образцов из алоксита и песчаника Berea показаны на фиг. 3 и 4. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Вспомогательный способ освобождения бурильной трубы, прихваченной вследствие образования фильтрационной корки бурового раствора, обеспечивающий уменьшение усилия, необходимого для освобождения бурильной трубы, и включающий следующие операции: спуск ультразвукового рупора вниз по бурильной трубе до места контакта бурильной трубы с фильтрационной коркой бурового раствора; воздействие ультразвуковой энергией на место контакта до уменьшения площади контакта в такой степени, которая будет достаточной для существенного уменьшения усилия, необходимого для освобождения трубы. 2. Способ по п.1, в котором труба прихвачена под действием перепада давлений. 3. Способ по п.1, в котором воздействие с ультразвуковой энергией на место контакта осуществляют таким образом, чтобы по меньшей мере одна ультразвуковая волна была направлена по существу перпендикулярно к фильтрационной корке бурового раствора. 4. Способ по п.1, в котором ультразвуковая энергия имеет частоту, изменяющуюся в диапазоне от 2 до 40 кГц. 5. Способ по п.1, в котором ультразвуковая энергия имеет частоту, составляющую приблизительно 205 кГц. 6. Способ по п.1, в котором ультразвуковая энергия имеет постоянную частоту приблизительно 20 кГц. 7. Способ по п.1, в котором подаваемая мощность составляет от 50 до 450 Вт. 8. Способ по п.7, в котором подаваемая мощность составляет от 100 до 250 Вт. 9. Способ по п.8, в котором подаваемая мощность составляет менее 200 Вт. 10. Способ по п.1, в котором давление находится в диапазоне от атмосферного давления до 10000 фунтов на квадратный дюйм. 11. Способ по п.10, в котором давление находится в диапазоне от атмосферного давления до 5000 фунтов на квадратный дюйм. 12. Способ по п.11, в котором давление находится в диапазоне от 100 до 700 фунтов на квадратный дюйм. 13. Способ по п.12, в котором давление находится в диапазоне от 200 до 600 фунтов на квадратный дюйм.