Введение к работе
Актуальность проблемы
Бурение скважин в настоящее время является необходимым элементом нефте- и газодобычи, а также геологоразведочных работ. Природные и экономические условия предъявляют все более жесткие требования к глубине и точности проводки скважин. Поэтому возникает необходимость постоянного совершенствования техники и технологии направленного бурения.
Основной задачей технологии направленного бурения является проектирование, контроль и оперативное управление процессом проводки скважины. Ошибки, допущенные при проводке, могут привести к признанию скважины непригодной к эксплуатации из-за недопустимо большой кривизны или недопустимо большого отклонения от проектного профиля.
Для иллюстрации того, что ошибки при проводке скважины обходятся весьма дорого, отметим, что по данным1 на 1975 год себестоимость 1м проходки составляла около 500 руб.; в период с 1961 по 1975 год себестоимость выросла в 3-4 раза за счет усложнения условий проходки скважин.
В связи с задачами наклонно направленного бурения несомненный научный и практический интерес представляет совершенствование математической модели процесса искривления скважины при бурении. С помощью такой модели можно решать прямую задачу о прогнозировании траектории скважины при бурении, задавая различные варианты компоновки низа бурильной колонны (КНБК) и технологического режима бурения. Можно решать и обратную задачу, подбирая такую КНБК и такой режим бурения, которые обеспечили бы проводку скважины по заданному профилю.
В настоящее время достаточно широко распространены методы прогнозирования траектории скважины, основанные на плоской модели искривления оси скважины в предположении плоского изгиба компоновки в вертикальной плоскости. Использование таких методов позволяет изучать зенитное искривление скважин.
Практикуемое распространение этих методов на случай пространственного искривления скважин носит ограниченный характер. Поэтому для описания пространственного искривления скважин, часто встречающегося в буровой практике, требуются дальнейшие теоретические исследования.
' Григорян Н.А., Григорян B.C. Экономика бурения наклонных скважин. М.:Недра,1977. С. 52.
В диссертационной работе предприняты такие исследования и предложены новые методы решения прямой задачи прогнозирования плоского и пространственного искривления оси скважины при бурении.
Работа является инициативной и выполнена в продолжение некоторых
разделов темы 0.50.01.03.02 "Разработать технологию,
высокоэффективный буровой инструмент, механизмы и материалы для бурения крепких абразивных пород при температуре до 250 С и давлении до 200 МПа", порученной ВНИИ буровой техники постановлением Госкомитета СССР по науке и технике и Госплана СССР от 9 декабря 1988 г. №468/247/130.
Цель и задачи
Целью настоящей работы является развитие методов решения задачи о прогнозировании траектории скважины при турбинном наклонном бурении. В рамках поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Разработать алгоритмы построения плоской и пространственной траектории оси скважины для КНБК в виде однородного стержня при бурении в изотропной однородной среде.
-
Распространить пространственное решение на случай более сложной модели КНБК, позволяющей учесть наличие в КНБК турбобура, центраторов, кривого переводника, калибратора, а также наработку зазоров в радиальных опорах шпинделя и секций турбобура.
Методика исследовании
Поставленные задачи решались путем анализа и обобщения фондовых и литературных источников, проведения теоретических исследований и вычислительных экспериментов, сравнения полученных результатов с данными других авторов — теоретиков и практиков.
Ценная помощь в предоставлении технических и экспериментальных материалов, а также в критической оценке полученных результатов была оказана специалистами Пермского филиала ВНИИБТ и производственно-технологического отдела ЗАО ЛУКойл-Бурение-Пермь.
При проведении расчетов использовались алгоритмические языки численных и аналитических вычислений Pascal и Mathematica.
Научная новизна
1. Сформулировано соотношение, называемое в работе "условие гладкости оси скважины", отражающее тот факт, что при установившемся бурении угол между касательной к оси скважины на забое и направлением бурения равен нулю. Это соотношение позволяет получить аналитическое решение задачи прогнозирования зенитного искривления скважины. Попутно указан эффективный способ определения величины коэффициента
фрезерования f, имеющего важное значение для решения задач прогнозирования.
-
Для описания взаимодействия долота с забоем предложен новый вид граничных условий, позволяющий учесть влияние силы трения скольжения боковой поверхности долота о стенку скважины на пространственное искривление скважины при бурении в изотропной однородной среде.
-
Для прогнозирования траектории скважины использована расчетная схема "ротор-статор", в которой турбобур представляется в виде системы двух кусочно-однородных стержней, взаимодействующих посредством радиальных опор.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается следующим образом.
Для аналитического решения проведено сравнение результатов с решением по известной модели М.П. Гулизаде и др. и показано, что решение Гулизаде является частным случаем предложенного и совпадает с ним для достаточно больших зенитных углов и жестких КНБК.
Результаты итерационного решения для случая КНБК в виде однородного стержня и зенитного искривления скважины сходятся к аналитическому решению с уменьшением шага процесса. Иными словами, аналитическое плоское решение является частным случаем пространственного итерационного.
Для обоснования необходимости замены простой расчетной схемы КНБК "стержень" более сложной расчетной схемой "ротор-статор" проведен ряд расчетов по прогнозированию искривления скважины при бурении КНБК на основе турбобура 2ТСШ-240 с передвижным центратором. Показано, что результаты расчетов попадают в интервал достоверности с вероятностью 0.95, построенный на основании статистической обработки данных промышленных испытаний такой КНБК.
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в новом универсальном представлении процесса искривления скважины при турбинном наклонном бурении. Предложенная модель является универсальной в том смысле, что она не зависит ни от величины зенитного угла скважины, ни от степени сложности КНБК или сложности пространственной формы оси скважины. На этой теоретической основе разработан комплекс программ и решены следующие практические задачи
Для общего случая произвольного пространственного искривления скважины
1. В аналитическом виде найдены коэффициенты разрешающих
уравнений метода локальных вариаций, что позволяет достаточно быстро и надежно находить равновесное положение низа бурильной колонны в произвольно искривленной скважине с учетом наличия в КНБК кривых переводников - отклонителей, шарниров, зазоров в радиальных опорах шпинделя и двигателя турбобура. Рассмотрен вопрос о воздействии неконсервативных сил (например, сил трения) на систему и предложен способ учета их влияния.
Для случая плоского зенитного искривления скважины
2. Решена задача об определении зависимости между кривизной оси
скважины с одной стороны, и нагрузкой на забое, коэффициентом
фрезерования, изгибной жесткостью и погонным весом КНБК, зенитным
углом и эффективным радиусом скважины с другой. Приведены численные
решения для компоновки без центраторов и для компоновки с одним
центратором. В последнем случае решение, конечно, зависит и от расстояния
от центратора до забоя.
3. На примере компоновки без центраторов приведен простой
графический способ определения величины коэффициента фрезерования по
кривизне скважины.
Предлагаемый программный комплекс может быть использован для подбора оптимальной КНБК и нагрузки на долоте для выполнения заданной траектории скважины; для анализа сил реакции со стороны стенки скважины и оценки опасности прихвата; для создания обучающей компьютерной программы-тренажера; для решения других практических задач.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
на Всероссийской конференции молодых ученых "Математическое моделирование физико- математических процессов" (Пермь, 6-9 октября 1996г.);
на научных семинарах кафедры разведочного бурения Московской государственной геологоразведочной академии (Москва, 1997г.), рук. семинара д-р техн.наук, проф. Н.В.Соловьев;
на заседании научно-технического совета Пермского филиала ВНИИБТ (Пермь, 10 июля 1997г.);
на научных семинарах кафедры механики сплошных сред Пермского государственного университета, рук. семинара канд.техн.наук, доц. Ю.А.Дубравин (Пермь, 1993-1997гт.)
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в шести опубликованных работах.
Структура и объем работы