Прихваты этой категории возникают, когда в скважине присутствуют твердые частицы, попадающие в кольцевое пространство между бурильной колонной и стенкой ствола и заклинивающиеся там. Обычно это шлам, куски обвалившейся породы или упавший в скважину металл. Крупные обломки легко перекрывают сечение кольцевого пространства и могут стать причиной прихвата, даже если они не мешают продолжать циркуляцию с полным расходом. Мелкие обломки, даже если они меньше зазора между бурильной колонной и стенкой ствола, также могут перекрыть кольцевое пространство и воспрепятствовать перемещению колонны. Шлам и куски обвалившейся породы могут упаковаться в кольцевом пространстве так плотно, что циркуляция станет невозможной. Таким образом возникает пробка.

Прихваты шламом или обвалившейся породой происходят наиболее часто. Обычно они возникают при подъеме инструмента, однако при продолжительном прекращении циркуляции может быть прихвачена и неподвижная колонна. Иногда такие прихваты возникают при спуске инструмента в скважину.

Прихваты шламом или обвалившейся породой создают наибольшую угрозу. Как правило, освободить колонну, прихваченную шламом или обвалившейся породой, труднее, чем колонну, заклинившуюся на участке со сложной геометрией ствола или колонну, прихваченную под действием дифференциального давления. При ликвидации таких прихватов теряется больше оборудования, и чаще приходится забуривать боковой ствол. Большая часть прихватов шламом или обвалившейся породой возникает при подъеме инструмента. Причиной прихватов шламом или обвалившейся породой является некачественная очистка или слабая устойчивость стенок скважины.

Дифференциальный прихват

Дифференциальный прихват возникает, когда под действием разности давлений в скважине и в проницаемом пласте неподвижная бурильная колонна вдавливается в фильтрационную глинистую корку, образовавшуюся на открытой поверхности этого пласта. Трение между бурильной колонной и породой пласта возрастает настолько, что сдвинуть колонну с места становится невозможно. Во всем мире дифференциальные прихваты являются вторыми по частоте возникновения. Они возникают намного чаще в скважинах, пересекающих истощенные продуктивные пласты.

Если бурильная колонна долго остается неподвижной, почти всегда возникает дифференциальный прихват.

Это явление впервые было идентифицировано Хейуордом в 1937 г., а его механизм был выявлен Хелмиком и Лонгли в лабораторных условиях в 1957 г.

В скважине часть бурильной колонны касается нижней стороны стенки искривленного ствола. Пока колонна вращается, она смазывается тонким слоем бурового раствора и давление, действующее на трубы, со всех сторон одинаково. Однако когда вращение прекращается, часть колонны, контактирующая с глинистой коркой, изолируется от действия столба бурового раствора; перепад давления по обе стороны колонны вызывает затяжки при попытке поднять колонну. Если сопротивление перемещению колонны при подъеме из скважины превышает усилие, которое может развить буровая установка, происходит прихват колонны. Таким образом, увеличение сопротивления при подъеме колонны свидетельствует о возросшей опасности прихвата из-за перепада давления.

Аутмэнз провел тщательный анализ механизма прихвата из-за перепада давления, результаты которого можно в целом описать следующим образом.

Вес в бурильной колонне распределяется так, что утяжеленные бурильные трубы всегда лежат на нижней стороне стенки ствола, поэтому прихват из-за перепада давления всегда происходит в интервале ствола, в котором находится тяжелый низ. Когда колонна вращается, УБТ опираются на нижнюю сторону стенки ствола, создавая на нее нагрузку, равную нормальной составляющей веса УБТ по отношению к стволу. Таким образом глубина внедрения УБТ в глинистую корку зависит от искривления ствола и от отношения скорости механической эрозии под УБТ к скорости гидродинамической эрозии, создаваемой потоком бурового раствора в остальной части ствола. Если искривление ствола мало или скорость вращения не очень высока, УБТ будут внедряться в глинистую корку незначительно, как показано на рис.70 , А.

Рис.70 Механизм прихвата из-за перепада давления

А — колонна вращается, УБТ внедряется в глинистую корку лишь на небольшую глубину; Б — колонна неподвижна, УБТ вдавливается в глинистую корку под действием перепада давления; В — ствол сильно искривлен, колонна неподвижна, давление между глинистой коркой и УБТ изменяется от 0 до ∆р; 1 — глинистая корка, образующаяся в динамических условиях; 2 — утяжеленная бурильная труба; 3— смазывающая пленка бурового раствора; 4 — проницаемый пласт; 5 —угол контакта; 6 — глинистая корка, образующаяся в статических условиях; 7 — межзерновое напряжение в глинистой корке, равно ∆ р: 8 –УБТ прижата к пласту; 9 — межзерновое напряжение в глинистой корке равно 0

Когда вращение прекращается, под действием веса колонны изолированная зона глинистой корки уплотняется, а вода, содержавшаяся в ее порах, выдавливается в породу. Эффективное напряжение в глинистой корке увеличивается по мере вытеснения из нее поровой воды, поэтому высокое трение между трубой и глинистой коркой является основной причиной прихвата из-за перепада давления. После очень длительных периодов неподвижности колонны поровое давление в корке становится равным пластовому давлению, а эффективное напряжение при этом определяется разностью между гидростатическим давлением бурового раствора в стволе и пластовым давлением, т. е. ((р_т—р_f).). Тогда усилие, необходимое для подъема колонны, определится как

F = A ( p_m — p_f ) u ,

где F — усилие; А — площадь поверхности контакта колонны с породой; u — коэффициент трения между УБТ и глинистой коркой/

Поскольку при нормальных промысловых условиях F не достигает предельных значений, Аутмэнз рассчитал величину F', равную половине предельного значения F. Он обнаружил, что F' возрастает не только с повышением и, (р_т – р _f) и А , но и с увеличением сжимаемости и толщины глинистой корки, искривления ствола и диаметра утяжеленных бурильных труб. Это усилие уменьшается с увеличением диаметра ствола скважины.

Усилие, необходимое для подъема бурильной колонны, становится тем больше, чем дольше колонна оставалась неподвижной, так как в статических условиях фильтрация продолжается. Таким образом, вокруг утяжеленных бурильных труб в статических условиях происходит рост глинистой корки, и угол контакта между коркой и УБТ возрастает (см. рис. 70,Б).

Предположение Лутмэнза, что прихват из-за перепада давления всегда происходит в тяжелом низе бурильной колонны, не подтверждается промысловым опытом. Адамс, изучая 56 случаев прихвата с последующими ловильными работами, установил, что в 31 случае были прихвачены бурильные трубы, а в остальных — либо только УБТ, либо УБТ и бурильные трубы. Результаты этого исследования ни в коей мере не опровергают выявленного Аутмэнзом механизма прихвата; они лишь свидетельствуют о том, что прихват может произойти в любой точке бурильной колонны, где она прилегает к проницаемому пласту с глинистой коркой на нем. Вероятность того, что прихват произойдет в тяжелом низе, возрастает из-за распределения веса бурильной колонны, вследствие чего УБТ всегда прилегает к нижней стороне ствола скважины. Однако в нижней части скважины глинистая корка значительно тоньше благодаря эрозии, вызываемой высокими скоростями сдвига, преобладающими в узком кольцевом пространстве вокруг УБТ, и это уменьшает вероятность прихвата здесь.

Особенно высока вероятность прихвата из-за перепада давления при бурении скважин с большим углом отклонения ствола от вертикали с морских платформ. В этих условиях нормальная по отношению к стенке ствола скважины составляющая веса утяжеленных бурильных труб и эрозия под тяжелым низом могут стать настолько значительными, что наружная глинистая корка вообще образовываться не будет (см. рис. 70,В). В таком случае УБТ опирается на горную породу и глинистая корка в желобе между УБТ и породой не уплотнится после прекращения вращения. Силы трения, действующие на УБТ, будут возникать частично за счет трения между УБТ и горной породой, а частично в результате проявления эффективных напряжений в зоне между глинистой коркой в желобе и УБТ. Эффективное напряжение в глинистой корке возрастает от нуля у ее передней поверхности до (p_m– p_f) у задней поверхности.