Научные и методические основы разработки и реализации технологии проводки скважин с депрессией на пласт в глубоком бурении Гераськин, Вадим Георгиевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. На современном этапе развития нефтега-юдобываэдей промышленности особое значение приобретает задача по-юка, выявления и реализации резервов повышения технико-экономичес-апс показателей в бурении.

Это приобретает особо важное значение при бурении глубоких !ква^,гин, стоимость строительства которых в настоящее время очень вешка, а продолнительность цикла строительства более 1,5-2 лет, пос-сольку в будущем разведка и разработка месторождений утлеводородно-.-о сырья связана о бурением глубоких скважин. (Перспективность этого направления подтверждена открытием в последнее время крупных иесторслдений в Прикаспийской низменности, на шельфах Баренцева моря, эстрова Сахалин и др.).

Эта задача актуальна и для шных регионов глубокого бурения (ПО "Грознефть", "Краснодарнефтегаз", "Кубаньгазпром", "Азнефть", "Дагнефгь", "Ставроиольнефтегаз" и др.), являющихся районами бурения глубоких скважин в наиболее сложных геолого-технических условиях.

Вэшить эту. проблему- возможно на основе технического перевооружения отрасли (создание новых буровых установок,оборудования и инструмента)^ также путем разработки принципиально новых,пэ имевших аналогов в мировой практике технологий проводки скваяин применительно к стандартному отечественному оборудованию. Следует тлеть ввиду, что технически перевооружать отрасль - очень дорогостоящий,трудотл- . кий и достаточно долгий путь,поэтому приоритет,очевидно, должен быть отдан её технологическому перевооружению.

Одним из путей повышения технико-экономических показателей в глубоком бурении является разработка и внедрение технологии бурения в области изменяющегося и регулируемого дифференциального давления йРв области положительных,равновесных и отрицательных его значений.

'& настоящему времени в отечественной практике бурения и за ру-беяом накоплен некоторый опыт бурения при положительных и равновесных значениях дР, в то время как в области отрицательных дифференциальных давлений объем проведенных теоретических и практических исследований невелик, а имеющиеся результаты носят отрывочный и зачастую противоречивый характер. Однако все они свидетельствуют о том, что именно.при бурении с депрессией на пласт показатели работы долот (механическая скорость л проходка на долото) могут зозрасти кратно (в два и более раз) при одновременном снижении стоимости буровых работ.

При разработке технологии бурения в области отрицательных д.Р невозможно обойтись без разушогр компромисса при выборе плотности бурового раствора, величина которой с одной стороны способствовала бы достижению максимально возмогшее показателей работы долот и снижению затрат на метр проходки в результате сокращения количества рейсов, баритового утяжелителя и химических реагентов, а с другой -обеспечивала бы сохранение устойчивости стенок ствола скважины на весь период бурения и крепления интервала (скважины).

Это может быть достигнуто в результате решения оптимизационной задачи по стоимостному критерию - минимуме стоимости метра проходки в условиях имеющихся ограничений геолого-технического характера.При этом для получения достоверных и реализуемых на практике решений необходимо, чтобы основные составляющие целевой функции (стоимости метра проходки) - механическая скорость проходки и часовая стойкостз долот, а также время устойчивости стенок скважины были бы выражены обобщенными зависимею тями,адекватными условиям бурениями не требовали бы адаптации опытных коэффициентов при изменении условий бурения, как это имеет место при попытках оптимизации с использованием эмпирических уравнений.

Таким образом, з соответствии с современными требованиями широ— ого распространения научно—технического прогресса возникает необходимость решения актуальной народно-хозяйственной проблемы - повышено эффективности бурового процесса при одновременном удешевлении уровых работ с использованием стандартного отечественного бурового іборудования а инструмента на основе научно-технического обобщения і разработки принципиально новых технологий проводки скважин с деп->есслей на пласт при учете технико-технологических и горно-геологи-геских условии бурения.

Это и определило цель и задачи исследования. Цель работы - кратное повышение эффективности технологического процесса проводки глубоких скважин при одновременном удешевлении стоимости буровых работ с использованием стандартного отечественного бурового оборудования и инструмента на основе научно-теоретического обобщения, разработки и совершенствования прикладных расчетов гидромеханических процессов, происходящих на забое и в стволе буря-цейся скваяикы, формирования на этой основе оптимизационной задачи по минимизации затрат на бурение и решения её при комплексном учете горно-геологических и технико-технологических условий бурения.

Основные задачи работа. I. Обобщение и разработка метопических основ оптимизации процесса бурения скваяины по стоимостному критерию на математических моделях,отражающих физическую сущность гидромеханических процессов,происходядих на забое и в стволе бурящейся сквакинк при изменяющемся дифференциальном давлении в области полокительных, равновесных и отрицательных его значений.

1. йизработка, планирование и проведение многочисленных промысловых планируемых экспериментов с целью решения задач Ш 3, 4 и 5.

2. Исследование совместного влияния на механическую скорость проходки параметров режима бурения, промывки и дифференциального

давления в области полояительных,равновесных и отрицательных дифференциальных давлений на основе анализа и обработки данных проведенных многочисленных промысловых планируемых экспериментов в интервале глубин от 0 до 5500 м при изменении осевой нагрузки на долото от 10000 до 30000 Н.частоты вращения долота от 0,5 до 3 с .расхода 6j рового раствора от 0,005 до 0,08 mVc и дифференциального давления от -6,0 до -»13,0 Ща. йзработка обобщенной модели процесса углублє

кия.

4. Промысловые и теоретические исследования совместного влияни

на часовую стойкость опор долота Т₀ режимных параметров бурения (ос вая нагрузка на долото, частота вращения долота) и прочностных свой ств горной породы; теоретические и промысловые исследования по выяэ лению влияния на Т₀ дифференциального давления, йзработка обобщенных моделей часовой стойкости опор долота. Теоретические и промысловые исследования по установлению обобщенной зависимости оптимальное времени пребывания долота на забое при опережающей сработке вооружения.

5. Промысловые и теоретические исследования совместного влияния на время устойчивого состояния стенок ствола скважины 1L днфВе-ренпиального давления (в области отрицательных и равновесных его знг чэяий).прочностных свойств горных пород и тектонических особенностей разбуриваемых площадей.косвенннм признаком которых является угол залегания пластов.Установление обобщенной зависимости TL от злиявдих факторов.

6. Вазработка методических основ составления программ для ЇЇЗЗМ, опытно-промышленное опробование и внедрение на бурящихся скваагагах оптимизированного варианта выбора режимных управляемых параметров бу рения и промывки,а такяе мпнимально-возмояной плотности бурового рас твора, обеспечивающих кратное повышение показателей работы долот и сниаение стоимости метра проходки.

7. На основе разработанного методического обеспечения оптимизации процесса бурения решаются прикладные задачи (на ПЗШ) по оперативному определению: градиентов давления со стороны стенки скважины; прочностных свойств горных пород; оптимальных величин расхода бурового раствора и показателя фильтрации, а также задач по определению оптимальных режамных параметров, обеспечивающих минимизацию затрат на кагдое долбление и скважину в целом.

Задачи заботы решаются в условиях уже наложенных ограничений техническими характернетиками стандартного отечественного бурового оборудования и инструмента (однако учитывают их перспективные разработка и применение импортного оборудования),а также.при априорном выборе типа, рецептуры буровых растворов и систем их очистки.

Общая методика исследования. Методические основы базировались на математической теории планирования промыслового многофакторного эксперимента; на теоретических исследованиях и анализе гидромеханически: процессов на забое и в стволе бурящейся скважины; статистических методах обработки получаемых результатов и поиска оптимальных решений; с помощью ЮТ. При проведении исследовании использована теория подобия, методические основы физики твердого тела, станции технического контроля процесса бурения (ДАТАт-UWlT; "Стар? и др.), а также новейшее оборудование для измерения реологических параметров бурового раствора, включающее ротационный-вискозиметр Тапп".

Научная новизна. Разработано обобщенное методическое обеспечение оптимального выбора регулируемых параметров режима бурения,промывки и плотности буровых растворов, позволяющее работать с депрессией на пласт, направленное на существенное (кратное) повышение технико-экономических показателей з глубоком бурении; яа этой основе дано решение проблемы повышения эффективности бурового процесса с использованием стандартного отечественного оборудования и инструмента (с учетом их перспективных разработок).

_ На .основе проведенных нами планируемых промысловых многсфакторкых экспериментов разработана обобщенная критериальная модель буримоети, не требующая идентификации опытных коэффициентов,отображающая взаимосвязь и механизм совместного влияния на механическую скорость проходки параметров .режима бурения (осезая нагрузка на долото,частота вращения долота), режима промывки (расход бурового раствора и скорость истечения из насадок долота V_u ) прочностных характеристик горных пород и дифференциального давления дР для положительных .разновесных и отрицательных его величин. Установлено, что роль \^ з повышении механической скорости проходки V возрастает в областях отрицательных д Р. Для достижения одного и того же значения V при положительных дР требуется значительно большая величина \ , чем при отрицательных дифференциальных давлениях при прочих равных условиях.

Получено уравнение для определения оптимальной величины расхода бурового раствора,обеспечивающего максимум механической скорости проходки с учетом влияния расхода на изменение дифференциального давления за счет изменения потерь давления в кольцевом гірос транс тве. Для удобства применения полученного уравнения в практических расчетах построена номограмма и разработана программа для ПЗЗМ.

Б промысловых условиях исследовано совместное влияние на часовую стойкость опор долота параметров режима бурения и прочностных характеристик горнах пород. На основе обработки и анализа полученных результатов разработано обобщенное критериальное уравнение часовой стойкости опор шарошечных долот. На основе его анализа выявлено различное влияние на сработку опор исследуемых факторов в условно неглубоких (до 2500 м) и глубоких (более 2500 м) интервалах: в первом случав часовая стойкость функционально зависит от прочностных характеристик горной породы и параметров режима бурения (осевая нагрузка, частота вращения), во втором - только от параметров репима бурения.

Для обоих случаев получены уравнения регрессии.

Исследовано влияние на часовую стойкость опор Т₀ дифференциального давления дР (отрицательных и положительных его значений).Разработана теоретическая модель влияния дР на Т₀; проведены промысловые эксперименты,результаты которых подтвердили правильность предпо-сылок.на которых базировался вывод модели. Показано,как практически регулировать часовую стойкость опор долот при изменении дифференциального давления.

Теоретически и в промысловых условиях исследован процесс сработ-ки вооружения долота;получена теоретическая модель,позволяющая определить оптимальное время пребывания долота на забое, обеспечивающее минимум стоимости метра проходки при опережающей темпе сработки его вооружения.

В промысловых условиях исследован процесс изменения устойчивости! стенок ствола скважины от влияющих факторов: дифференциального давления в области отрицательных и равновесных его значений,прочностных свойств горных пород, фильтрации бурового раствора,а такае' (впервые) тектонических особенностей строения разбуриваемых площадей, косвенным признаком которых является угол наклона пластов к горизонту. Разработано критериальное уравнение, отображавшее изменение Т_ от влиявдих факторов. Цроведены многочисленные промысловые эксперименты, результаты которых подтвердили теоретические предпосылай, вадвигаэ-кнв при разработке модели.

Исследован (в промнслсвЕХ условиях)" процесс влияния.фильтрации бурового раствора на механическую скорость проходки. Получено уравнение для определения оптимальной величины фильтрации, обеспечнвак>-щей при прочих одинаковых условиях максимальнс-возмогные значения механических скорое те! при условии обеспечения минимальной глубины проникновения фильтрата в породу (максимальную устойчивость стенок скважины).

Исследован процесс изменения величин потерь давления в кольцевом

пространстве в зависимости от расхода бурового раствора и конструк-

иди компоновки низа бурильной колонны (в частности,от наличия з ней опорно-центрирущих устройств). Экспериментально получена зависимость позволяющая уточнить имещиеся методики расчетов потерь давления в кольцевом пространстве при наличии опорно-центрирупцих элементов в компоновке низа бурильной колонны.

Получено решение ряда прикладных задач. 1&зработано уравнение для определения прочностных характеристик горных пород в процессе бурения скважин по наземным параметрам, регистрируемым стандартными приборами, установленными на буровой, при известных значениях дифференциального давления. Показано, что при сравнении расчетных и фактических (лабораторных) значений прочностных характеристик горных пород эти данные практически совпадают. Для удобства расчета разработана программа на ПЭВМ, йеработано уравнение для определения градиентов давления со стороны стенок сквакины, учитывающее тектонические особенности строения разбуриваемых площадей. Для удобства расчетов разработана программа на ПЭВМ.

На базе перечисленных выше обобщенных критериальных моделей бури-мости.часовой стойкости опор долота и времени устойчивого состояния стенок сквакины разработаны, промьшшенно опробованы и внедрены во многих производственных объединениях методические основы технологии бурения с депрессией на пласт,определяющие выбор минимально-возможной плотности бурового раствора, в также оптимальных режимных параметров бурения и промывки (осевая нагрузка,частота вращения.расход бурового раствора), обеспечивавдих минимизацию затрат на метр проходки на каждом долблении и на весь интервал бурения (скважину) при условии сохранения устойчивости стенок скважины на весь период углубления.креп-ления и учете технико-технологических особенностей условий бурения. Для удобства расчета разработаны программы для ПЗЗМ и графоаналитический метод выбора минимально-возмогной плотности бурового раствора.

В работе защищаются следующие положения.

1. Принципы рационального выбора регулируемых реяимных парамет-ров бурения,промывки и плотности бурового раствора при бурении с депрессией на пласт на базе обобщенных формализованных физических представлении о Функциональных назначениях управляемых параметров с учетом их влинния на технико-экономические показатели бурения.

2. Установленные количественные закономерности совместного влияния на механическую скорость проходки,часовую стойкость опор долота я устойчивость стенок отзола сквазины параметров разима бурения.про-мывки и дифференциального давления в области отрицательных,равновесных и положительных его значений давлений.

3." Принципы расчетов оптимального времени бурения при сработке вооружения долота, величия прочностных характеристик горных пород я величин градиентов давления оо стороны стенок скваяины.

4. Комплексный методический подход к оптимизированному выбору режимных параметров бурения и промывки (осевая нагрузка,частота вращения .расход бурового раствора) и минимальнс-зозмояной плотности бурового раствора,обеспечивающих кратное позыпенпе показателей работы долот при одновременном снижении стоимости проводки скзазин и обеспечении устойчивости стенок скважины на весь период ее бурения и крепления.

Практическая-ценность и реализация работы в промышленности-.

Основные исследования выполнены по координационным планам работ,имок-щшл ваяное народно-хозяйственное значение,в том числе в соответствии с целевой комплексной программой ОЦ.0С5,утзеряденной ІКНТ и Госплан і» СССР от 29.12.81 й 515/271 "Создание и освоение технологических процессов а технических средств для бурения нефтяных и газовых скважин со скоростью,превышающую достигнутую з 2-3 раза" и заказом-нарядом й 0453 "Технология бурения скваяин с вращением бурильной колонны глубиной 4,5-7 тыс.м в объединении "Грозкефть" с использованием современных технических средств", выполненного з рамках программы ОЦ.005;

постановлением ШНТ СССР от 30.10.85 is 555 и Комплексной программой работ создания я внедрения з бурювых организациях Миннефтепрома ин-тегрированных'(организгцдонно-произво'дстзенншс) систем управления производством и технологическими процессами бурения нефтяных скважин, в том числе на основе микропроцессорной техники, на І986-І990 гг. (включая промывку.поддержание свойств бурового раствора,предупреждение осложнений; 0.08.02, задания 31.22-31.24).утвержденной 25.07.86; комплексным договором Ш0"57Рение'' (S 89.238) "Поисковая работа по созданию системы методического и программного обеспечения проектирования, планирования ж управления процессами углубления и промывки"; договором 33 "Разработка технологического регламента на технологию промывки скважин в сложных горно-геологических условиях на площадях Мингбулак, Іумхана и др. ПО "Узбекнефть"; договором 88.17.0849.88/20 "Разработать технологию промывки и углубления скважин на базе совместного выбора режимных параметров бурения и гидравлической программы с учетом геологических условий на площади ПО"Краснодарнефтегаз";договорами с ШУКубаньгазпром" (89.008,90*044,90.241,92.033,93.12)направ-лекныш на выявление и реализацию резервов повышения технико-экономических показателей при бурении глубоких скважин, договором с П0"Саха-линморнефтегаз" (92.182)"Разработка методического обеспечения програм для ПЭВМ по вопросам опттлизации процесса бурения.промывки и креплена скважин"; договорами с отраслевыми научно-исследовательскими тренажер ным центром (0БУЩ) НПССоюзгазавтоматика" (89.126,90.026,91.074, 92.188,93.13).направленными на разработку методического обеспечения тренажеров и автоматизированных обучапцих задач по вопросам технологии бурения и оптимизации процесса углубления скважин и др.дсговорами Результаты работы реализованы в промышленности следующим образом.

3. Разработан и внедрен технологический регламент на технологию промывки скважин на площадях Ш0"Союзсургеогермия"(РД 5І-480576І-2-37,

4. Разработана и внедрена инструкция по технологии промывки и уг-

дубления скважин на площадях 1Ю"Краснодарнефтегаз"(РД 39-0147009-727-88).

3. Е&зработаны и внедрены технологические дополнения к техническим проектам по скважинам в ПО"Краснодарнефтегаз","Кубаньгазпром",^пСаха-линморнефтегаз".

4. Разработаны и внедрены в ПО"Кубатагазігром",^пКраснодарнефтегаз" и "Сахалинморнефтегаз" технологические рекомендации по определению градиентов порового давления з процессе бурения скважин .

5. Разработана и внедрена в П0"Грознефть" "Методика оптимизации процесса углубления в условиях изменяющегося дифференциального давления в системе "Зквааина - пласт".

6. Разработан и внедрен в П0"Грознефть" "Научно-методический метод оперативного определения аномально-высоких пластовых (поровых) давлений АВП(о)Д.

7. Для Отраслевого Научно-исследовательского учебно-тренажерного Центра (ОЕГЩ) Концерна "Газпром" разработано методическое пособие

и технологический алгоритм обучающей задачи о совместном влиянии рэ-яимных параметров бурения,гидравлической мощности в насадках долота" и дифференциальных давлений на среднюю механическую скорость при роторном бурении (регистрационный номер 09.01.827.

8. Для ОЕУЩ Концерна "Газпром" разработано методическое пособие и технологический алгоритм обучавдей задачи о влиянии технико-технологических и горно-геологических условий на износостойкость буровых долот (регистрационный номер 09.01.368).

9. Для 0Н7ТЦ Концерна "Газпром" разработано методическое пособие'' и технологический алгоритм обучающей задачи о влиянии геолого-технических условий бурения на время устойчивого состояния ствола скваяи-ны (регистрационный номер 09.01.224).

ГО. Для 0Н7ТЦ Концерна "Газпром" разработано методическое пособие и технологический алгоритм обучающей задачи по выбору оптимальных

режимных параметров роторного бурения и показателей гидравлической программы по. критерию минимума стоимости метра проходки (регистрационный номер 09.01.384).

11. Для ОНУТЦ Концерна "Іазпром" разработано методическое обеспечение и технологический алгоритм, для тренажера-имитатора по вопросам предупреадения ослошений, связанных о нарушением устойчивости стенок скважины в зонах с аномально высокими поповыми давлениями (регистрационный номер 05.01.585).

12. Для СНУТЦ Концерна "Іазпром" разработано методическое обеспечение и технологический алгоритм для тренажера-имитатора по вопросам предупреадения осложнений,связанных с прилипанием бурильного инструмента (регистрационный номер 05.01.586).

13. Для ОНЛЦ Концерна "Іазпром" разработано методическое обеспечение и технологический алгоритм для тренажера-имитатора по вопросам рациональной отработки буровых долот (регистрационный номер 05.01.587

14. Разработаны и внедрены в П0"1рознефть","Краснодарнефтегаз", "Кубаньгазпром", Калининградской нефтегазо-разведочной экспедиции и ПО "Сахалинморнефтегаз" программы для-ПЭВМ по выбору оптимальной плотности бурового раствора и режимных параметров бурения и промывки, обеспечивающих кратное повышение показателей работы долот при одновременной минимизации стоимости метра проходки на каждом долблении

и на всю скважину вцелом и при учете имеющихся ограничений горногеологического и технико-технологического характера.

15. Разработаны и внедрены в ПО "Краснодарнефтегаз", "Кубаньгаз
пром", "Сахалинморнефтегаз", Калининградской нефтегазо-разведочной
экспедиции программы для ПЗВМ по расчету реологических характеристик
буровых растворов, упрощенный вариант гидравлической программы, а
также программы по определению по наземным параметрам прочностных
характеристик горных пород.

йсоноьзгческнй эффект от внедрения технологических дополнений, програш для ПЗВМ п практических рекомендации составил на метр проходки от 20 до 55 руб., а в целом от внедрения всего комплекса разработок по теме диссертационной работы - более I млн.руб.(в ценах до 1992 г.).

Адгобация работа. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях,совещаниях и семинарах:на научно-технической конференции молодых ученых а специалистов ЗЫЙБТ (г.Москва,I9S2,1983 и 1988 гг.), ВВШКІнефтя (г.Краснодар,1987,1988 и 1989 гг.).Грозненского нефтяного института (г.Грозный,1986 г.),на Всесоюзном семинаре буровых мастеров (г.Мооква,1982 г., г.Тюмень, 1984 г.),.на семинаре секции бурения Чеченс-йігушского областного правления НТД НШ совместно с ШГГрознефть" (г. Грозный,І98Ї. г.),на расширенном заседании технического совета Грозненского опытно-показательного УБР ПОТроз-нефть" (г.Грозныи,1984 г.),на техническом совете ПО"Ставропольнефте-газ" (г.Ставрополь,1984 г.)",на техническом совете ШО"Союзбургёотер-мпя" (г.Ыахачкала,ГЭ84 г.),на смотре-конкурсе областного совета НТО (г.Краснодар,1987 г.), на Всесоюзной конференции "Проблемы строитель ства нефтяных и газовых скваотн" во ВНИШяефти (г.Краснодар,1990 г. на техническом совете ПО"Сахалинморнефтегаз" (г.0ха,І993 гЛ,на техническом совете НПО"Союзгазавтоматика" в Отраслевом Научно-исследовательском тренажерном Центре (г.Кашшинград,І989,І990,І99І,І992 и 1993 ггЛ, на коллоквиуме лаборатории бурения и заканчивания сквагшн Коми филиала ВНИИГАза (г.Ухта,1986 г.),на Всесоюзной конференции "Гидравлика буровых и тампонашых систем" (г.йвано-Фрашсовс,1988 г.) а также координационных совещаниях ВЕШКЙіефти (г.Лдзноморск,1987, 1988,1989 и 1990 гг.), на заседании секции Ученого Совета по технологии буровых работ ВНИИБТ (г.Москва,1994 г.),на Техническом Совете предприятия "Кубаньгазпром" (г.Краснодар,1994 г.),на Научно-техническом совете ОВУТЦ Концерна "Газпром" (г.Калининград, 1994 г.).

Исходные материалы и личный зклад. В диссертационной работе использованы результаты промысловых и теоретических исследований, проведенных автором в 1978-1986 гг. в Грозненском 7БР П0"1рознефть" на доляностях бурового мастера і заместителя главного технолога УБР, а с 1987 г. - во ВНИИКРнефти в лаборатории методического обеспечения проектирования строительства сквадин на должностях старшего и ведущего научного сотрудника. Автор был руководителем и ответственным исполнителем 17 заказов-нарядов и договоров, имевших целевым направлением повышение эффективности процесса углубления скважин и обучение работников буровых предприятий на основе научно-методического обеспечения.

'Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 44 работах (в том числе в 3 авторских свидетельствах).

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций; библиографии, включающей »*3 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, и приложений. Работа изложена на Оо стр.учитываемого машинописного текста, включает 69 рисунков и АЬ таблиц. Приложения помещены з отдельном томе на 7а _СТр.

В процессе работы над диссертацией и при внедрении её результатов и рекомендаций автор сотрудничал с А.Г.Аветисовым, Б.В.Байдаком, Г.Т.Вартумяном, А.ГЛ.Іусманом, А.И.Пенъковым, З.И.Рябченко, С.Л.Симо-нянцем, Л.И.Щеголевским.а таете с другими сотрудниками ВНИИКРнефти

и ВНИИБТ.

Автор благодарит Г.Г.Іабузова за плодотворное обсуждение основных результатов работы.

Автор выратает глубокую-признательность профессору А.И.Булатову за помощь в научной работе, поддержку и общее руководство.