Разработка многосекционных компоновок низа бурильной колонны для проводки наклонных интервалов скважины
На правах рукописи
УДК 622.24
ШАТРОВСКИЙ АНТОН ГЕОРГИЕВИЧ
РАЗРАБОТКА МНОГОСЕКЦИОННЫХ КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ ПРОВОДКИ НАКЛОННЫХ ИНТЕРВАЛОВ СКВАЖИНЫ
Специальность: 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Ухта – 2010
Диссертационная работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина.
| Научный руководитель: | доктор технических наук Повалихин Александр Степанович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук Близнюков Владимир Юрьевич кандидат технических наук, доцент Логачёв Юрий Леонидович |
| Ведущее предприятие: | ООО «Газпром бурение» (Буровая компания Открытого акционерного общества «Газпром») |
Защита состоится «22» апреля 2010 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.291.01 при Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.
Автореферат размещен на сайте Ухтинского государственного технического университета www.ugtu.net в разделе «Диссертационный совет»
Автореферат разослан «20» марта 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор | Н.М. Уляшёва |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Освоение нефтяных и газовых месторождений, расположенных на морском шельфе, на природоохранных и в труднодоступных для обустройства буровых площадок территориях осуществляется с применением направленных скважин, профиль которых включает наклонно прямолинейный интервал большой протяжённости.
Существующая технология проводки наклонных интервалов профиля скважины основана на использовании отклоняющей силы на долоте и реализуется с помощью различных компоновок низа бурильной колонны (КНБК). В процессе бурения наклонно прямолинейного интервала профиля на границах литологических зон, в неустойчивых горных породах ствол скважины отклоняется от проектной траектории бурения, что приводит к необходимости периодического или постоянного корректирования профиля скважины. В интервалах корректирования формируются локальные искривления ствола, кривизна которых может быть значительно выше допустимых значений. Локальные искривления ствола приводят к образованию в стенке скважины желобных выработок, которые увеличивают риски в процессе бурения и при спуске обсадных колонн большого диаметра.
При использовании КНБК с параметрами, при которых отклоняющая сила на долоте равна нулю, а ось совпадает с проектной траекторией бурения, горная порода разрушается в направлении оси долота, что создаёт оптимальные условия для работы породоразрушающего инструмента и повышает точность выполнения проектного профиля.
В процессе бурения баланс сил, действующих на КНБК, может измениться, что приведёт к нарушению заданных условий работы долота и отклонению траектории бурения от проектного профиля. Повышение надёжности работы КНБК позволит свести к минимуму интервалы корректирования профиля, что особенно важно при проводке скважин с большим и сверхбольшим смещением забоя в связи с высокими требованиями к качеству ствола наклонно прямолинейного интервала профиля таких скважин.
Создание научно-обоснованной методики проектирования КНБК, предназначенных для бурения прямолинейных интервалов с большими углами наклона в сложных горно-геологических условиях, приобретает особую актуальность в связи с освоением нефтегазовых месторождений на морском шельфе.
Цель работы. Повышение точности выполнения проектной траектории бурения и качества ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин в сложных горно-геологических условиях за счёт увеличения надёжности работы многосекционных КНБК.
Основные задачи исследования
- Анализ влияния горно-геологических и технико-технологических факторов на формирование наклонного интервала профиля при бурении КНБК с опорно-центрирующими элементами (ОЦЭ).
- Анализ существующих методик расчёта и проектирования КНБК для роторного способа бурения и бурения забойными двигателями.
- Разработка аналитической модели и методики расчёта оптимальных параметров КНБК с разной жёсткостью секций.
- Исследование надёжности работы КНБК с оптимальными размерами в процессе бурения при изменении диаметра ОЦЭ, увеличении диаметра ствола скважины и наличии слоя шлама в скважине.
- Разработка методики проектирования КНБК с оптимальными размерами для бурения наклонных участков профиля скважин с большим смещением забоя и горизонтальных скважин в условиях влияния доминирующих геолого-технологических факторов.
- Разработка критерия, определяющего область преимущественного применения результатов исследований на стадии проектирования профиля скважины, КНБК и технологии бурения.
- Промысловое применение КНБК с разной жёсткостью секций при бурении направленных скважин в сложных горно-геологических условиях.
Научная новизна
- Разработан и научно обоснован метод оптимизации КНБК с разной жёсткостью секций, позволяющий определить линейные размеры многосекционной КНБК, при которых для заданных значений зенитного угла, кривизны ствола скважины и осевой нагрузки на долото отклоняющая сила и угол перекоса долота в скважине равны нулю.
- Установлены закономерности влияния абразивного износа ОЦЭ, шлама на нижней стенке скважины и эрозионного увеличения диаметра ствола скважины на надёжность работы КНБК с оптимальными размерами по выполнению проектной траектории бурения.
- Установлено, что при одновременном износе диаметра опорно-центрирующих элементов и накоплении шлама в затрубном пространстве, надёжность работы КНБК, включающей не менее двух ОЦЭ, увеличивается.
- Разработан показатель класса субгоризонтальных скважин, учитывающий силы сопротивления при перемещении колонны труб в стволе скважины, вид и параметры проектного профиля скважины.
Методы решения поставленных задач
Для решения поставленных задач использовались методы теории упругости, теоретической механики, вычислительной математики и программирования, проведение и анализ результатов промысловых испытаний и исследований.
Практическая значимость работы
- Результаты работы являются методико-математической основой программного обеспечения ЭВМ, предназначенного для расчёта диаметра и места установки опорно-центрирующих элементов в КНБК для проводки наклонных и горизонтальных интервалов профиля скважин.
- Показатель класса субгоризонтальных скважин позволяет на стадии проектирования профиля определить технологию бурения и комплекс необходимых для строительства скважины технических средств, обеспечивающих высокое качество ствола и надёжность крепи.
- Результаты работы были использованы при проектировании КНБК с разной жёсткостью секций на основе гидравлических забойных двигателей и УБТ, предназначенных для бурения наклонных интервалов профиля скважины в сложных горно-геологических условиях.
Защищаемые положения
- Критерием оптимизации размеров КНБК для бурения наклонных интервалов профиля скважины являются условия взаимодействия долота с забоем ствола, при которых отклоняющая сила и угол перекоса долота равны нулю.
- Расчёт оптимальных размеров многосекционной КНБК, нагруженной продольными и поперечными распределёнными и сосредоточенными силами, необходимо осуществлять с учётом упругого взаимодействия секций между собой и с искривленным или прямолинейным стволом скважины.
- Выбор варианта расчётных параметров КНБК с оптимальными размерами производится на основе анализа надёжности её работы на проектной траектории бурения в условиях влияния доминирующих дестабилизирующих геолого-технологических факторов.
- Для повышения надёжности работы на проектной траектории бурения в условиях комплексного влияния дестабилизирующих факторов КНБК должна включать не менее двух опорно-центрирующих элементов.
- Показатель класса субгоризонтальных скважин должен учитывать силы трения колонны труб о стенки ствола скважины, длину вертикального интервала и вид проектного профиля, определяя тем самым технологию бурения скважины и необходимые для её реализации технические средства.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
– 7-я всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», г. Москва, 2007 г.;
– научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ, секция «Бурение нефтяных и газовых скважин», г. Ухта, 2008 г.;
– 32-я конференция Ассоциации Буровых Подрядчиков «Обеспечение технологической и экологической безопасности строительства скважин на суше и на море», г. Москва, 2008 г.;
– 5-й Международный семинар «Горизонтальные скважины», г. Москва, 2008 г.;
– научно-техническая конференция преподавателей и сотрудников УГТУ, секция «Бурение нефтяных и газовых скважин», г. Ухта, 2009 г.
– 33-я конференция Ассоциации Буровых Подрядчиков «Инновационные технологии в строительстве нефтяных и газовых скважин», г. Москва, 2009 г.
– 8-я Всероссийская конференция молодых учёных, специалистов и сотрудников «Новые технологии в газовой промышленности», г. Москва, 2009 г.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 16 печатных работах, включая 3 работы в изданиях, вошедших в Перечень ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 109 наименований. Содержание диссертации изложено на 84 страницах машинописного текста, включает 90 рисунков и 16 таблиц.
Автор благодарит сотрудников кафедры бурения нефтяных и газовых скважин РГУ нефти и газа д.т.н., профессора С.Л. Симонянца, д.т.н., профессора В.В. Кульчицкого, заведующего кафедрой д.т.н., профессора О.К. Ангелопуло. Искреннюю признательность автор выражает д.т.н., профессору В.И. Крылову за помощь и ценные советы при работе над диссертацией.
Автор считает своим долгом поблагодарить учёных ОАО НПО «Буровая техника» д.т.н., профессора Г.С. Оганова, д.т.н., профессора А.М. Гусмана, д.т.н., профессора С.А. Ширин-Заде, к.т.н. В.В. Прохоренко за советы, высказанные в ходе обсуждения основных положений диссертационной работы.
За поддержку и ценные замечания автор благодарит профессора Н.М. Уляшеву и других сотрудников кафедры бурения Ухтинского государственного технического университета.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.С. Повалихину за постоянную помощь в постановке и решении задач исследований по теме диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность темы диссертации, цель работы, основные задачи и методы исследований, научная новизна и защищаемые положения.
В первом разделе проведён критический анализ известных моделей расчёта параметров КНБК, приводится методика расчёта оптимальных размеров КНБК с разной жёсткостью секций.
Исследованию вопросов проводки ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин по проектной траектории бурения, посвящены работы: П.В. Балицкого, И.Л. Барского, В.В. Безумова, В.М. Беляева, В.О. Белоруссова, В.Ю. Близнюкова, А.С. Бронзова, В.Ф. Буслаева, Ю.С. Васильева, М.И. Ворожбитова, Я.А. Гельфгата, А.М. Григоряна, Н.А. Григоряна, В.Д. Григулецкого, М.П. Гулизаде, М.Т. Гусмана, Е.Г. Гречина, С.Н. Бастрикова, Г.Г. Зарипова, Ю.Р. Иоанесяна, Р.А. Иоаннесяна, В.В. Кульчицкого, Н.Ф. Кагарманова, А.Г. Калинина, Л.Я. Кауфмана, В.И. Крылова, О.А. Маркова, В.Г. Лукьянова, А.З. Левицкого, С.А. Оганова, А.С. Оганова, Г.С. Оганова, А.С. Повалихина, В.В. Прохоренко, В.Д. Поташникова, О.К. Рогачева, Г.Г. Семака, К.М. Солодкого, С.В. Соломенникова, С.С. Сулакшина, Б.З. Султанова, Л.Я. Сушона, А.Ф. Федорова, С.А. Ширин-Заде и целого ряда других авторов.
Данная работа является развитием школы направленного бурения ВНИИБТ, создателями и научными руководителями которой в разное время являлись Ю.С. Васильев, А.С. Бронзов, А.Г. Калинин, А.М. Григорян, Я.А. Гельфгат, К.М. Солодкий, А.С. Оганов, Г.С. Оганов, А.С. Повалихин.
Особенность научного подхода ВНИИБТ при решении задач направленного бурения заключается в том, что основной целью разрабатываемых технико-технологических решений является точное и качественное выполнение проектного профиля скважины, параметры которого определяются условиями достижения максимального дебита скважины и нефтеотдачи пласта.
В известных исследованиях можно выделить два разных подхода к расчёту параметров КНБК для выполнения проектного профиля, отличающихся механизмом формирования траектории бурения:
- искривление ствола скважины за счёт отклоняющей силы на долоте;
- проводка ствола при асимметричном разрушении забоя долотом.
В последнем случае в процессе бурения прямолинейных и искривленных интервалов профиля долото разрушает забой скважины только в направлении своей оси, что является оптимальным режимом его работы.
В работах учёных ВНИИБТ (А.Г. Калинин, А.Ф. Фёдоров, К.М. Солодкий, А.С. Повалихин) получено общее решение задачи по определению оптимальных размеров стабилизирующих и искривляющих КНБК, при которых отклоняющая сила на долоте и угол его перекоса равны нулю.
Решение было получено для компоновок на основе многосекционных турбобуров и для роторного бурения, где часть КНБК от долота до точки касания стенки скважины УБТ или турбобуром имеет один диаметр, жесткость и удельный вес по всей длине.
В настоящее время для бурения наклонных и горизонтальных скважин применяют многосекционные КНБК, включающие короткие гидравлические забойные двигатели (ГЗД), телесистемы (ТС), различные элементы технологической оснастки низа бурильной колонны. В связи с этим известное решение не может быть использовано для расчёта КНБК, каждая секция которой имеет разный диаметр, жёсткость и вес единицы длины.
В расчетной схеме, учитывающей конструктивные особенности современных КНБК с опорно-центрирующими элементами, приняты следующие допущения (рис.1):
- форма изгиба оси КНБК плоская;
- ось ствола скважины прямолинейная или является дугой окружности;
- КНБК нагружена продольными и поперечными распределенными и сосредоточенными силами;
- долото является шарнирной опорой, а ОЦЭ – точечными опорами;
- каждая секция КНБК имеет различную жесткость на изгиб, диаметр и вес единицы длины.
Под секцией понимается участок КНБК, имеющий одинаковый диаметр, удельный вес и жёсткость по всей длине. На концах секции могут быть расположены ОЦЭ, нижняя секция КНБК является направляющим участком.
Рис. 1. Расчетная схема разножесткостной КНБК с тремя ОЦЭ
Для каждого участка КНБК уравнение поперечных сил имеет вид:
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
  | (4) |
Граничные и сопряжено-граничные условия на каждой опоре имеют вид:
1) при x = 0  | 2) при x = l  | 3) при x = l + l1  |
4) при x = l + l1 + l2  | 5) при x = l + l1 + l2 + lC  |
Ниже записаны значения символов и коэффициентов, входящих в уравнения.
– жёсткость на изгиб секций КНБК, кН·м2;
q; q1; q2; q3 – вес одного метра секций КНБК, кН/м;
l, l1, l2, lC – длина секций КНБК в безразмерной форме;
h1, h2, h3 – безразмерные аналоги опорных реакций на ОЦЭ.
r – безразмерный радиальный зазор;
k – безразмерный радиус кривизны ствола скважины;
lC – безразмерное расстояние от верхнего ОЦЭ до точки касания бурильной колонной стенки ствола скважины;
S – идентификатор кривизны ствола скважины (S=-1 – увеличение зенитного угла;
S=1 – уменьшение зенитного угла; S=0 – стабилизация зенитного угла).
Дифференциальные уравнения, записанные для каждой секции, решаются численным методом с учётом граничных условий. Для этого искомая функция Y разлагается в ряд Тейлора вокруг начальной точки каждой секции КНБК. Полученная система уравнений решается относительно неизвестных опорных реакций и линейных размеров КНБК.
При решении системы уравнений (1)-(4) определяются основные размеры КНБК, соответствующие заданным условиям на долоте, а также значение и направление реакций стенки ствола скважины на каждом ОЦЭ, прогиб, угол поворота, изгибающий момент и поперечная сила в сечении КНБК.
С помощью описанной модели в диссертационной работе решена задача определения размеров многосекционных КНБК, обеспечивающих оптимальные условия работы долота. Полученные варианты расчётных размеров КНБК использовались для аналитических исследований надёжности их работы при реализации проектной траектории бурения.
Во втором разделе определён показатель класса субгоризонтальных скважин.
Преимущественной областью применения компоновок с оптимальными размерами являются субгоризонтальные скважины, проводка которых осуществляется по технологии горизонтального бурения. При этом принимается, что коэффициент отклонения таких скважин должен быть больше 3 независимо от величины смещения проектного забоя от вертикали.
Коэффициент отклонения, как это следует из его определения, не учитывает вид профиля скважины и силы трения в стволе при бурении и проведении спуско-подъёмных операций, поэтому данный показатель не может являться признаком, определяющим технологию бурения.
Для конкретного вида профиля можно рассчитать, при какой длине наклонного участка профиля скважины колонна бурильных или обсадных труб уже не сможет перемещаться в наклонном стволе под собственным весом, уравновешиваясь силами трения. Полученный таким образом показатель является определяющим признаком для класса субгоризонтальных скважин, учитывающим вид, параметры проектного профиля и силы трения в скважине.
Рис.2. Расчетная схема для определения
показателя класса субгоризонтальных скважин
Для трёхинтервального профиля (рис.2) нами получено уравнение для определения длины наклонно прямолинейного участка, при которой колонна труб перестаёт двигаться под собственным весом:
, м (5)
где 
– длина вертикального участка скважины, м;
– коэффициент трения;
– угол охвата, рад.;
R – радиус участка начального искривления ствола скважины, м;
;
> arcctg().
Величина LН является показателем класса субгоризонтальных скважин, на основе которого может быть рассчитано предельное значение коэффициента отклонения. Если проектная длина наклонно прямолинейного участка больше значения LН, вычисленного по формуле (5), то скважина с таким проектным профилем относится к классу субгоризонтальных скважин. Если проектная длина наклонно прямолинейного участка равна LН, то проектный профиль находится на границе областей бурения наклонных и субгоризонтальных скважин. При меньших проектных значениях LН профиль может быть реализован по обычной схеме бурения наклонных скважин.
На рис.3 представлена зависимость показателя LН класса субгоризонтальных скважин от зенитного угла для различных значений коэффициента трения колонны труб о стенку скважины. Графики получены для предельного случая, когда длина HВ вертикального участка скважины минимальна, а кривизна участка начального искривления равна 1.5°/10м.
Скважины, у которых значение показателя LН на графике (рис.3) расположено выше точки кривой, соответствующей проектному значению зенитного угла и коэффициенту трения, необходимо проектировать с применением технологии и технических средств горизонтального бурения.
Рис. 3. Зависимость показателя LН класса субгоризонтальных
скважин от зенитного угла для разных значений коэффициента трения
Профиль субгоризонтальной скважины характеризуется следующими особенностями:
- зенитный угол наклонно прямолинейного интервала больше угла, при котором в обычных условиях бурильная колонна может перемещаться под собственным весом;
- наклонно прямолинейный интервал расположен в зоне залегания неустойчивых горных пород с низкой прочностью.
Отмеченные особенности профиля определяют следующие риски, имеющие место при бурении субгоризонтальных скважин:
- значительная часть бурильной колонны, расположенной в тангенциальном участке ствола находится в условиях сжатия, что может привести к потере её продольной устойчивости и спиральному изгибу;
- пересечение долотом пластов горной породы под острым углом способствует образованию локального искривления траектории бурения с высокой интенсивностью;
- за счёт высокого контактного давления бурильной колонны на стенку ствола в резко искривленных интервалах формируются желобные выработки;
- изменение напряжённого состояния стенки ствола в интервалах желобных выработок и низкая прочность горных пород приводят к обрушению стенки скважины и образованию каверн;
- интенсивный переход твёрдой фазы в буровой раствор за счёт диспергирования шлама и накопление его в кавернах способствуют возникновению осложнений;
- значительный вращающий момент, необходимый для вращения бурильной колонны в искривленных интервалах ствола, может привести к аварийным ситуациям с бурильной колонной.
Таким образом, необходимым условием, определяющим успешную проводку субгоризонтальных скважин, является обеспечение плавной траектории бурения, без дефектов в виде локальных искривлений и уступов в стенке ствола скважины.
В практике строительства наклонно направленных скважин при бурении роторным способом и забойными двигателями используются КНБК с опорно-центрирующими элементами различных конструкций, в том числе и с изменяемым на забое диаметром.
Современный принцип управления траекторией бурения с использованием КНБК основан на реализации отклоняющей силы на долоте. При этом ствол скважины, кроме ассиметричного разрушения, формируется за счёт фрезерования долотом стенки ствола скважины. При наличии отклоняющей силы на долоте углубление скважины под влиянием геолого-технологических факторов сопровождается образованием единичных локальных искривлений, которые могут быть причиной получения извилистой траектории бурения. Кроме того, проводка наклонного участка скважины компоновкой с отклоняющей силой на долоте снижает эффективность управления траекторией, а также технические показатели бурения.
Для стабилизации зенитного угла ствола субгоризонтальной скважины или изменения его с заданной интенсивностью необходима технология бурения, характеризующаяся нулевой отклоняющей силой на долоте и нулевым углом его перекоса относительно оси (или касательной к искривленной оси) скважины. При этом ствол скважины в процессе бурения будет формироваться близким к идеальной форме.
В третьем разделе обоснована конструкция компоновок для бурения наклонно прямолинейного участка профиля скважины и проведены аналитические исследования КНБК с расчётными размерами.
Рассмотрены различные варианты КНБК, предварительно определены их оптимальные размеры: длина направляющей и верхней (расположенной между ОЦЭ) секций, диаметры ОЦЭ. КНБК включает гидравлический забойный двигатель и телесистему. Один из ОЦЭ может быть выполнен в виде управляемого на забое центратора, что позволяет изменять показатель назначения КНБК в процессе бурения. На рис.4 представлена зависимость диаметра верхнего (управляемого) ОЦЭ от длины верхней секции КНБК, выполненной на основе винтового забойного двигателя ВЗД-172 и предназначенной для стабилизации зенитного угла ствола скважины.
Рис. 4. Зависимость диаметра верхнего ОЦЭ оптимальной КНБК
от длины верхней секции для разных длин направляющей секции
В зависимости от длины направляющей секции расчётный диаметр верхнего ОЦЭ, при котором выполняется два условия оптимизации, изменяется в пределах от 200 до 215.9 мм. График (рис.4) определяет диапазон изменения диаметра управляемого центратора за счёт выдвижных элементов.
В результате расчётов по предложенной в главе 2 математической модели и с учётом графика (рис.4) получено несколько расчётных вариантов компоновок (табл.1).
Таблица 1
Размеры расчётных вариантов КНБК
| Вариант КНБК | Д = 215,9 мм; ВЗД = 172 мм; ТС = 170 мм | |||
| L1 | Ц1 | L2 | Ц2 | |
| 1 | 1.5 | 201.3 | 6.58 | – |
| 2 | 3.75 | 211.6 | 3.33 | – |
| 3 | 1.5 | 215.8 | 6.0 | 213.9 |
| 4 | 2.0 | 215.5 | 6.08 | 209.0 |
| 5 | 2.5 | 215.0 | 7.7 | 212.8 |
 | ||||
Первые два варианта – это компоновки на основе винтового забойного двигателя с одним ОЦЭ. Причём компоновка по варианту 1 соответствует одному из двух условий на долоте, согласно которому отклоняющая сила на долоте равна нулю. Параметры КНБК по вариантам 2-5 удовлетворяют двум заданным условиям на долоте.
В процессе бурения КНБК работает в условиях, которые под воздействие технических, технологических и геологических факторов могут существенно отличаться от расчётной схемы. В этом случае необходимо проанализировать надёжность работы КНБК по выполнению проектной траектории бурения.
Для проведения аналитических исследований были приняты следующие начальные значения параметров ствола скважины. Компоновка на основе ВЗД-172 расположена в прямолинейном интервале ствола скважины с зенитным углом 80°.
Моделирование воздействия факторов, дестабилизирующих работу полученных вариантов КНБК с оптимальными размерами, осуществлялось с использованием программ «Наклонно-направленное бурение».
Для анализируемых вариантов КНБК установлены зависимости отклоняющей силы на долоте при абразивном износе ОЦЭ по диаметру, эрозионном разрушении стенки ствола скважины, накоплении шлама на нижней стенке (рис.5, 6, 7). Номера кривых на графике (рис.5, 6, 7) соответствуют номерам вариантов КНБК в табл.1.
Рис. 5. Влияние износа ОЦЭ по диаметру на отклоняющую силу на долоте
При построении графика (рис.5) была принята схема, согласно которой верхний ОЦЭ изнашивается по диаметру в два раза интенсивнее нижнего. В точке перегиба кривых 1, 2, 5 (рис.5) происходит изменение схемы взаимодействия КНБК со стенкой скважины, когда нижний ОЦЭ перестаёт быть опорой и не касается стенки ствола. В условиях абразивного износа ОЦЭ наименьшая отклоняющая сила возникает на долоте двухцентраторной КНБК с максимальной длиной секций (кривая 5).
Согласно графику (рис.6) минимальная отклоняющая сила при эрозионном увеличении диаметра скважины возникает на долоте КНБК с одним ОЦЭ, оптимизированной по двум критериям (кривая 2), в отличие от одноцентраторной КНБК по варианту 1.
Рис. 6. Влияние увеличения диаметра ствола скважины
на отклоняющую силу на долоте
В точке перегиба кривой 1 (рис.7) происходит изменение схемы взаимодействия КНБК со стволом скважины, когда верхний ОЦЭ перестаёт быть опорой.
Рис. 7. Влияние толщины слоя шлама на отклоняющую силу на долоте
При наличии слоя шлама на нижней стенке скважины наибольшая отклоняющая сила, направленная в сторону уменьшения зенитного угла, возникает на долоте компоновки с одним ОЦЭ (рис.7). Наиболее надёжной является компоновка с двумя ОЦЭ, имеющая максимальную длину секций.
Воздействие одновременно нескольких дестабилизирующих факторов способно усиливать негативное влияние друг друга на поведение КНБК (рис.8).
Рис. 8. Зависимость отклоняющей силы на долоте КНБК 2
от износа ОЦЭ по диаметру и толщины слоя шлама в стволе скважины
Но в некоторых случаях взаимовлияние дестабилизирующих факторов увеличивает надёжность работы КНБК с двумя ОЦЭ на проектной траектории бурения (рис.9).
Рис. 9. Зависимость отклоняющей силы на долоте КНБК 4
от износа ОЦЭ по диаметру и толщины слоя шлама в стволе скважины
Проведенные исследования КНБК с оптимальными размерами дают основания сделать следующие выводы.
1. Установлены закономерности изменения отклоняющей силы на долоте КНБК от основных дестабилизирующих факторов, возникающих в процессе бурения скважины: износ ОЦЭ по диаметру, эрозия стенки ствола, наличие слоя шлама в скважине.
2. Установлено, что образование слоя шлама на нижней стенке ствола скважины приводит к появлению на долоте КНБК отклоняющей силы, направленной в сторону уменьшения или увеличения зенитного угла для КНБК с одним и двумя ОЦЭ, соответственно.
3. Определены максимальные значения величины износа ОЦЭ и эрозии стенки ствола скважины, при которых изменяется схема взаимодействия КНБК со стволом скважины и, следовательно, показатель её назначения.
4. Высокой надёжностью работы при воздействии дестабилизирующих факторов обладают двухцентраторные КНБК с максимальной длиной секций.
5. Состояние нижнего ОЦЭ в составе двухцентраторной КНБК является фактором, который определяет показатель назначения КНБК в условиях интенсивного износа рабочей поверхности ОЦЭ и увеличения диаметра ствола скважины.
6. Совокупность дестабилизирующих факторов усиливает их негативное влияние на работу КНБК с одним ОЦЭ, или факторы могут компенсировать друг друга при бурении компоновкой с двумя ОЦЭ.
7. Установленные закономерности влияния износа ОЦЭ по диаметру, эрозии ствола скважин и шламовой «подушки» на работу КНБК могут быть использованы при проектировании стабилизирующих и искривляющих КНБК, в том числе и с управляемым центратором, а также при проводке наклонно направленных и горизонтальных скважин по проектному профилю.
В четвёртом разделе проведены исследования надёжности работы КНБК на проектной траектории бурения.
КНБК является упругим телом, и зависимости величины опорных реакций на ОЦЭ и отклоняющей силы на долоте от деформации компоновки имеют линейный характер. Поэтому в качестве показателя надёжности работы КНБК (ПНАД) для оцениваемого дестабилизирующего фактора (Фi) принято условие:
, (11)
где 
– величина изменения отклоняющей силы, кН;
– величина изменения фактора, мм.
Результатом оптимизации КНБК являются варианты размеров, каждый из которых удовлетворяет поставленным условиям на долоте и принятым допущениям расчетной схемы. Из множества полученных вариантов оптимальных размеров КНБК необходимо выбрать для последующего проектирования вариант, который, во-первых, обеспечивает максимальную надёжность работы КНБК при воздействии основных дестабилизирующих факторов, а, во-вторых, – точность выполнения параметров проектной траектории бурения (стабилизацию зенитного угла или его изменение с запланированной интенсивностью). Показатель надежности рассчитывается для диапазона изменения зенитного угла и дестабилизирующих факторов, при котором расчетная схема взаимодействия КНБК со стволом скважины не изменяется. Очевидно, чем ближе к нулю параметр ПНАД, тем ниже темп роста модуля отклоняющей силы при увеличении дестабилизирующего фактора и выше надёжность работы КНБК на проектной траектории. Такой параметр позволяет более наглядно оценить и сравнить между собой расчётные варианты КНБК в зависимости от длины верхней и нижней секций, заменяя наборы кривых FОТ = f(Фi) построением одной кривой ПНАД = f(L1,2).
Рассматриваемая КНБК на основе ВЗД-172 включает два ОЦЭ и телесистему диаметром 170 мм. Диаметр долота 215,9 мм.
На рис.10 представлен график зависимости ПНАД от длины L2 верхней секции в условиях износа ОЦЭ.
Рис. 10. Зависимость ПНАД от длины L2 верхней секции КНБК
в условиях износа диаметра ОЦЭ
Как следует из графиков, представленных на рис.10, для КНБК с направляющей секцией 2.5 м длина верхней секции более 5 м позволяет получить компоновку, на которую износ ОЦЭ по принятой схеме оказывает минимальное влияние на величину отклоняющей силы на долоте. При износе ОЦЭ у КНБК 4 максимальное значение параметра ПНАД составляет 0.0375. Это значит, что при износе верхнего и нижнего ОЦЭ на 10 мм и 5 мм соответственно возникает отклоняющая сила, направленная в сторону увеличения зенитного угла и равная 0.375 кН.
При длине верхней секции 6.5 м компоновка № 3 имеет нулевое значение параметра ПНАД (рис.10). Это означает, что при рассматриваемой схеме износа ОЦЭ отклоняющая сила всегда будет близка к нулю.
Уменьшение и увеличение диаметра верхнего ОЦЭ формирует одинаковую по модулю отклоняющую силу, направленную в сторону увеличения зенитного угла и его уменьшения, соответственно.
На рис.11 представлена зависимость параметра ПНАД от длины L2 секции КНБК, расположенной между ОЦЭ, при увеличении диаметра скважины сразу за долотом в результате гидроэрозии её стенок. Влияние этого фактора существенно и способствует образованию отклоняющей силы на долоте рассматриваемых компоновок, направленной в сторону уменьшения зенитного угла.
Рис. 11. Зависимость ПНАД от длины L2 секции КНБК
между ОЦЭ при увеличении диаметра скважины
По абсолютному значению параметра ПНАД минимальное влияние на надёжность работы КНБК оказывает накопление шлама в районе расположения телесистемы (рис.12).
Рис. 12. Зависимость ПНАД от длины L2 верхней секции КНБК
при влиянии накопления слоя шлама
Полученные графики (рис.10-12) позволяют сделать следующие выводы.
1. Установлены закономерности поведения КНБК с оптимальными размерами в условиях влияния на их работу доминирующих геолого-технологических факторов.
2. Для оптимальной КНБК с двумя ОЦЭ существует схема изменения линейных размеров, которая позволяет повысить надёжность работы КНБК на проектной траектории бурения за счёт сведения к минимуму отклоняющей силы на долоте.
3. При уменьшении длины направляющей секции зависимость надёжности работы двухцентраторной КНБК от расположения верхнего ОЦЭ увеличивается. КНБК при минимально возможной длине направляющей секции может по-разному реагировать на изменение условий бурения, что делает поведение такой компоновки менее предсказуемым по сравнению с остальными вариантами.
4. Для получения компоновки, работающей с максимальной надёжностью при влиянии дестабилизирующих факторов, длина направляющей секции КНБК с двумя ОЦЭ на основе винтового забойного двигателя диаметром 172 мм с долотом диаметром 215.9 мм должна превышать 2 м.
При этом для бурения в условиях интенсивного накопления шлама на нижней стенке ствола скважины целесообразно применять двухцентраторные КНБК с расстоянием между ОЦЭ более 5 м. Максимальная возможная длина секции между ОЦЭ составляет 8.8 м, так как при большей длине необходимый расчётный диаметр верхнего ОЦЭ для обеспечения оптимальных условий на долоте превышает диаметр долота.
Таким образом, установленные закономерности показателя надёжности КНБК на проектной траектории бурения позволят осуществлять выбор и проектирование КНБК с оптимальными размерами для стабилизации и управления траекторией бурения в сложных горно-геологических разрезах.
Сделанные выводы для выбранной компоновки содержат основные рекомендации для обеспечения максимально надёжной и предсказуемой её работы в условиях действия дестабилизирующих факторов. Подобным образом можно подобрать КНБК для разных геологических условий по методике, основные положения которой заключаются в следующем.
1. Выявляются доминирующие дестабилизирующие факторы конкретного региона с определёнными геологическими условиями.
2. Определяется интенсивность воздействия выявленных факторов на работу КНБК.
3. Рассчитывается несколько вариантов оптимальных КНБК с учётом заданных технических условий.
4. Определяется показатель надёжности для каждого варианта КНБК в условиях действия доминирующих дестабилизирующих факторов.
5. Определяются размеры оптимальной КНБК, работающей максимально надёжно в условиях действия анализируемого фактора, с учетом технических возможностей её сборки.
Результаты исследования диссертационной работы были использованы при разработке следующих документов:
- Групповой рабочий проект № 307-П на строительство поисковых наклонно направленных скважин №№ 1-бис, 2, 3 на площади Грущаная (вариант ПСД № 302-П) – разработан ООО «НК «Роснефть-НТЦ», утверждён 25.12.2007 г., организация-заказчик – ООО «РН-Краснодарнефтегаз», генеральная подрядная организация – Краснодарский филиал ООО «РН-Бурение»;
- Программа работ по бурению поисковой скважины № 1-бис Грущаная;
- Научно-технологический отчет о работе: «Услуги по инженерно-технологическому сопровождению бурения наклонно-направленных скважин на месторождениях Лимано-Плавниевой группы» по договору № 05-1530 (этап 1.1): «Сбор геолого-технического промыслового материала по бурению наклонных скважин, обработка, обобщение и анализ полученной информации, разработка рекомендаций по конструкции скважин и технологии бурения» от 01.07.07 между ООО «РН-Краснодарнефтегаз» и ООО «Интеллект Дриллинг Сервисиз».
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Определён показатель класса субгоризонтальных скважин, учитывающий вид и параметры проектного профиля, а также силы трения в стволе скважине при проведении спуско-подъёмных операций, и позволяющий определить технологию бурения на стадии проектирования профиля скважины.
2. Разработана методика расчёта оптимальных размеров КНБК с разной жёсткостью и диаметром каждой секции, предназначенных для бурения наклонных и искривленных интервалов профиля скважин и обеспечивающих гладкий ствол правильной формы.
3. В результате проведенных аналитических исследований определены закономерности изменения отклоняющей силы на долоте разножесткостной КНБК от диаметра ствола скважины, величины износа ОЦЭ по диаметру и толщины слоя шлама в стволе скважины.
4. Определены основные конструктивные параметры КНБК с оптимальными размерами, обеспечивающие высокую надёжность их работы на проектной траектории бурения при комплексном воздействии дестабилизирующих факторов.
5. Разработан метод проектирования компоновок для бурения в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся интенсивной гидроэрозией стенки скважины, накоплением шлама на нижней стенке ствола и высокой абразивностью, – на основании анализа показателя надёжности работы КНБК.
6. Технические решения, полученные в результате проведенных исследований, использовались при проектировании и проводке наклонно направленной скважины на площади Грущаная Лимано-Плавниевой группы месторождений.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Повалихин, А.С. Оптимизация параметров управляемых КНБК для бурения субгоризонтальных интервалов профиля направленных скважин [Текст] / А.С. Повалихин, К.М. Солодкий, А.Г. Шатровский // НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море».- № 4, 2008. – с. 6-9.
- Шатровский, А.Г. Анализ устойчивости систем направленного бурения на проектной траектории [Текст] / А.Г. Шатровский // «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море».- № 3, 2009. – с. 3-6.
- Шатровский, А.Г. К вопросу классификации скважин с большим смещением забоя и субгоризонтальных скважин [Текст] / А.Г. Шатровский // «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море».- № 6, 2009.
- Шатровский, А.Г. Силы трения при перемещении гибкой бурильной трубы в пространственно искривленной скважине [Текст] / А.Г. Шатровский: тезисы докладов седьмой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. «Новые технологии в газовой промышленности» (25-28 сентября 2007 г.). М.: РГУ нефти и газа, 2007. – с. 27.
- Шатровский, А.Г. Исследование работы КНБК для бурения по проектному профилю забойными двигателями в сложных условиях [Текст] / А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 1, 2008. – с. 21-23.
- Гаджиев, С.Б. Инженерные решения при проектировании горизонтальных скважин для эксплуатации сложнопостроенных газоконденсатных залежей [Текст] / С.Б. Гаджиев, Р.А. Виноградов, В.В. Нижарадзе, А.С. Повалихин, А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 2, 2008. – с. 9-11.
- Шатровский, А.Г. Выбор и расчет основных параметров систем управляемого бурения [Текст] / А.Г. Шатровский, А.С. Повалихин : сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (15-16 апреля 2008 г.) в 2 ч.- ч. 1 / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2008. – с. 100-106.
- Повалихин, А.С. Некоторые аспекты прогнозной оценки работы КНБК в сложных горно-геологических условиях бурения субгоризонтальных и горизонтальных скважин [Текст] / А.С. Повалихин, А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 4, 2008. – с. 24-27.
- Повалихин, А.С. Расчёт предельного радиуса кривизны ствола для различных внутрискважинных устройств [Текст] / А.С. Повалихин, А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 4, 2008. – с. 38-40.
- Шатровский, А.Г. Вопросы выполнения проектного профиля субгоризонтальной скважины [Текст] / А.Г. Шатровский: сборник тезисов V-го Международного семинара «Горизонтальные скважины» (13-14 ноября 2008 г.). – М.: РГУ нефти и газа, 2008. – с. 39.
- Повалихин, А.С. Проектирование и оптимизация КНБК на основе винтового забойного двигателя для бурения в сложных горно-геологических условиях [Текст] / А.С. Повалихин, А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 1, 2009. – с. 37-42.
- Повалихин, А.С. Некоторые вопросы проектирования автоматизированных систем направленного бурения [Текст] / А.С. Повалихин, А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 3, 2009 г. – с. 26-28.
- Шатровский, А.Г. Обобщенный метод классификации скважин с большим смещением забоя [Текст] / А.Г. Шатровский // «Вестник ассоциации буровых подрядчиков».- № 2, 2009 г. – с. 32-34.
- Шатровский, А.Г. Проектирование КНБК для бурения винтовым забойным двигателем в неустойчивых разрезах горных пород [Текст] / А.Г. Шатровский, А.С. Повалихин : сборник научных трудов: материалы научно-технической конференции (14-17 апреля 2009 г.) в 2 ч.; ч. 1 / под ред. Н.Д. Цхадая. – Ухта: УГТУ, 2009. – с. 72-79.
- Шатровский, А.Г. Вопросы проводки тангенциального интервала профиля субгоризонтальных и наклонных скважин в сложных горно-геологических условиях [Текст] / А.Г. Шатровский : сборник тезисов VIII-й Всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и сотрудников «Новые технологии в газовой промышленности» (6-9 октября 2009 г.). – М.: РГУ нефти и газа, 2009. – с. 25.
- Повалихин, А.С. Актуальные вопросы проводки прямолинейного интервала профиля наклонно направленных скважин [Текст] / А.С. Повалихин, А.Г. Шатровский // НТЖ. «Инженер-нефтяник».- № 4, 2009. – с. 18-20.
