Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса очистки ствола и забоя скважины от шлама 8
1.1 Области применения и специфика горизонтального бурения 8
1.2 Техника для очистки скважины
1.2.1 Вибрационные устройства 13
1.2.2 Технические средства для интенсификации очистки скважины от шлама со шнеком 15
1.2.3 Струйные насосы 17
1.2.4 Уменьшение гидравлического сопротивления 17
1.2.5 Шламоулавители 17
1.2.6 Специальные долота
1.2.7 Очистка горизонтальных стволов скважин с использованием системы поперечных сопел 24
1.2.8 Наддолотное устройство с отверстиями направленными в сторону устья скважины 25
1.3 Обзор технологий для повышения эффективности очистки горизонтальных скважин от выбуренной породы 26
Выводы по первой главе и задачи диссертационной работы 29
2 Разработка конструкции наддолотного измельчителя шлама 30
2.1 Условия выноса шлама из горизонтального участка скважины 30
2.2 Конструкция наддолотного измельчителя шлама 32
2.3 Определение закона движения барабана относительно вращающегося вала 37
2.4 Частные случаи закона относительных крутильных колебаний барабана 49
2.5 Определения закона (уравнения) вращения вала
2.6 Решение уравнения 53
2.7 Влияние подвижных элементов на неравномерность колебаний барабана наддолотного измельчителя шлама 55
Выводы по второй главе 56
3 Стендовые испытания модели колебательной системы наддолотного измельчителя шлама 57
3.1 Описание стенда 57
3.2 Планирование и методика проведения эксперимента 62
3.3 Полученные результаты 66
Выводы по третьей главе 69
4 Промысловые испытания 70
4.1 Назначение и цели промысловых испытаний 70
4.2 Опытная конструкция наддолотного измельчителя шлама 70
4.3 Определение конструкторско-геометрических параметров устройства 71
4.3.1 Определение размеров рабочих каналов и отверстий барабана наддолотного измельчителя шлама 72
4.3.2 Техническая характеристика наддолотного измельчиіеля шлама... 7(5
4.4 Бурение скважины 77
4.4.1 Результаты испытания на скв. №27В/180 77
Выводы по четвертой главе 81
Основные выводы работы 82
Список литературы
- Вибрационные устройства
- Конструкция наддолотного измельчителя шлама
- Планирование и методика проведения эксперимента
- Определение размеров рабочих каналов и отверстий барабана наддолотного измельчителя шлама
Вибрационные устройства
Горизонтальное бурение открыло третье измерение в сіроигельстве скважин, ставшее основой для появления концепции - архитекіурьі дренирования пласта [50].
По зарубежным данным производительность горизонтальных скважин значительно выше производительности вертикальных прежде всего за счеч увеличения площади дренирования пласта: в трещиноватых коллекторах - в 4-100 раз, в поровых - в 2-8 раз. В среднем, отношение продуктивное!и горизонтальных скважин к продуктивности вертикальных составляет в США -3,2, в Канаде - 4,1. В среднем накопленный отбор нефти на одну горизонтальную скважину в 2,5 раза превышает накопленный отбор на одну вертикальную [86, і 35].
Недостаточная очистка от выбуренной породы является основной причиной осложнений и аварий при проводке горизонтальных скважин, более 80% прихватов происходит по причине сужения сечения ствола скважины при оседании шлама. Вследствие осложнений и аварий вызванных неэффективной очисткой стволов с большим углом отклонения а дополнительные затраты могут достигать от 10 до 60% общих расходов на строительство скважин [1 18].
Очистка от шлама забоя и ствола горизонтальных скважин по сравнению с вертикальными затрудняется из-за радиальной направленности действующих па частицы шлама гравитационных сил и эксцентричного расположения бурильной колонны в стволе скважины.
Из-за осложнения условий выноса частиц шлама промывочной жидкостью при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин влияние промывки возрастает, а использование большинства іехнологических и конструктивных решений, связанных с транспоріированием выбуренной породы на дневную поверхность, является неэффективным.
Плохая очистка скважин от шлама приводит к таким осложнениям, как снижение нагрузки на долото, нерегулируемое изменение траектории ствола, затруднение с ориентированием бурильного инструмента, изменение характера работы забойных компоновок, поглощение промывочной жидкости, гидродинамический прихват [60].
Большой вклад в решение теоретических и практических вопросов выноса шлама из скважин с большими зенитными углами и горизонтальных внесли Ф.А. Агзамов, Т.О. Акбулатов, К. А. X. Алван, Т. С. Беккер, А. И. Булатов, М.С. Габдрахимов, Н.А. Гукасов, Б.И. Есьман, Г. П. Зозуля, В.И. Исаев, А.Г. Калинин, В.В. Крецул, В.И. Крылов, Е.Г. Леонов, А.Х. Мирзаджапзаде, Дж. Дж. Озара, С. Окражи, Г.А. Панфилов, А.Н. Попов, В.И. Рябчеико, Б. 3. Султанов, В.А. Фишер, Р. И. Шищенко и др.
В ОАО "Саратовнефтегаз" проводились исследования по определению оптимальных скоростей потока промывочной жидкости для эффективного выноса шлама из горизонтальных скважин [69]. Установлено, что скорость потока промывочной жидкости при зенитных углах 40-60 должна быть выше в 1,7-1,9 раза по сравнению со скоростью потока в вертикальном стволе, а на горизонтальном участке скорость должна быть выше в 3 раза. Для увеличения скорости потока предложено очистку скважин производить при помощи обратной промывки через бурильные трубы [99].
Наиболее опасными считаются участки ствола с зенитными углами 40-60 из-за скатывания вниз по стволу оседающего шлама и образования шламовых пробок в скважине во время остановок бурения для наращивания инструмента или проведения измерений [99]. В своем исследовании Т.Беккер, Дж.Азара и С.Окражи [25] определили зависимость выноса шлама от реологических свойств промывочной жидкости и величины зенитного угла. Было выделено три участка: - 0-45. Шлам эффективно выносится при ламинарном режиме течения, повышение реологических свойств промывочной жидкости положительно влияет на вынос шлама; 45-55. Ламинарный и турбулентный режимы влияют на вынос выбуренной породы одинаково; 55-90. Ствол лучше очищается при турбулентном режиме течения, повышение реологических свойств промывочной жидкости не улучіпает вынос-шлама.
Большинство исследователей также считают, что наилучший способ очистки ствола скважины от шлама при горизонтальном бурении - это турбулизация потока промывочной жидкости, которая препятствует осаждению и накоплению шлама в кольцевом зазоре на нижней стенке ствола. Однако турбулентный режим течения не всегда удается создать по следующим причинам: - увеличенный диаметр скважины; - ограничения подачи промывочной жидкости из-за телесистем и забойных двигателей; - интенсивный размыв стенок скважины при бурении неустойчивых пород; - повышенные реологические свойства бурового раствора [99]. При проектировании профилей горизонтальных скважин рекомендуется ограничивать длину участков ствола с зенитными углами 50-60, т.к. эти участки наиболее опасны при плохом выносе шлама [99].
Конструкция наддолотного измельчителя шлама
Для транспортировки частиц шлама в вертикальном или слабо наклонном стволе скважины необходимо, чтобы средняя скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве U-/K была выше на 10 — 15 % скорости оседания (скорости витания) самых крупных частиц шлама UUL, отсюда минимально необходимый для подъема частиц шлама расход промывочной жидкости: Є (і.иі.5Ксл„, где Sk„ — наибольшая площадь кольцевого пространства [113]. При горизонтальном бурении все частицы выбуренной породы стремятся опуститься на нижнюю стенку скважины. Возможны два механизма транспортировки шлама:
1 При достаточно высокой скорости потока турбулентные пульсации (вихри) подхватывают частицы шлама и переносят их в область высоких скоростей течения. При затухании вихря частицы начинают оседать, пока не будут подхвачены следующим вихрем. Таким образом осуществляется перенос частиц во взвешенном состоянии.
2 Если средняя величина поперечных пульсаций скорости будет меньше скорости оседания твердых частиц, то твердая фаза начнет оседать на нижнюю стенку скважины, образуя наносы. Осевшие частицы могут перемещаться по поверхности наноса, если сила воздействия на частицу со стороны жидкости будет больше сил сопротивления движению частицы. Такой механизм перемещения частицы называется перемещением во влекомом состоянии [113].
Для предотвращения оседания шлама и образования наносов необходимо, чтобы частицы выбуренной породы находились во взвешенном, а не во влекомом состоянии. Но, увеличение подачи и повышение плотности бурового расі вора может вызвать нежелательные последствия: кольмаїациіо забоя скважины; увеличение избыточного давления на проницаемые пласты, вплоть до их гидроразрыва; размыв стенок скважины при бурении неустойчивых пород.
Условие транспортирования частиц шлама по дну капала турбулентным потоком [1 13]: где О - расход промывочной жидкости, U - скорость восходящего потока промывочной жидкости в кольцевом пространстве, SKU - наибольшая площадь кольцевого пространства, Лр - перепад давления в эксцентричном кольцевом пространстве, d - эквивалентный диаметр твердой частицы,/- коэффициент сопротивления движению, е - относительный эксцентриситет бурильной колонны , 1 - коэффициент гидравлических сопротивлений, р - плотность жидкости.
Расчеты показывают, что транспортировать во взвешенном состоянии возможно частицы шлама размером не более 1 - 2 мм. Более крупные частицы даже при турбулентном режиме течения будут оседать на нижнюю степку скважины и могут перемещаться лишь во влекомом состоянии [1 131.
Для повышения эффективности очистки скважин от шлама разработано наддолотное устройство, проходя через которое, крупные частицы шлама измельчаются до размера 2 мм и меньше. Принципиальная схема наддолотного измельчителя шлама приведена на рисунке 2.2. Барабан (сетка) 4 устанавливается на валу 2 турбобура 1 и соединяется с вращающимся валом 2 при помощи пружин 5. Вращающийся вал турбобура и барабан, соединенные пружинами, образуют колебательную систему. При вращении вала турбобура за счет наличия пружин создаются крутильные колебания барабана, что обеспечивает измельчение и просеивание шлама. 1 - турбобур; 2 - вал турбобура; 3 - долото; 4 - барабан; 5 - пружины кручения Рисунок 2.2 - Принципиальная схема привода барабана (сетки) наддолотного измельчителя шлама
Па рисунке 2.3 приведена принципиальная схема работы наддолотного измельчителя шлама при турбинном бурении. Основными деталями устройства являются корпус 2, который оснащен шнеком 3 и ротором 8, и барабан 5. Шнек и ротор установлены внутри барабана, который имеет входные и выходные каналы 4. 9, отверстия 6. отбойник 7. В верхней части барабан оснащен ребрисгои поверхностью 12, которая сопрягается с торцом ротора. Устройство снабжено шнеком, который всасывает шлам и направляет его на ротор, который в свою очередь отбрасывает шлам на отбойник 7 барабана. При этом происходит измельчение шлама, мелкие частицы шлама просеиваются через барабан, крупные частицы повторно измельчаются торцом ротора.
Устройство (приложение А) состоит из барабана I, установленного на переводнике 2. Переводник свою очередь снабжен шнеком 3 и ротором 4, который установлен при помощи шпонки 5 и может совершать вращательное движение с переводником и осевые движения относительно переводника. Барабан в верхней части имеет крышку 6, которая соединяется с барабаном 1 при помощи резьбового соединения. Барабан 1 и крышка 6 установлены на переводнике 2 при помощи гаек 7 и 8. Крышка в свою очередь снабжена отверстиями 9 и радиальными каналами 15, 16. На крышке установлены упоры 10 и 11 и упор 12 на переводнике 2, при помощи этих упоров устанавливаются пружины 13 и 14, связывающие переводник 2 с барабаном 1. Барабан снабжен отражателем 17 и отверстиями 18 и 19. Переводник 2 в нижней и верхней части имеет присоединительные резьбы 20, 21.
Устройство устанавливается при вращательном бурении (роторным способом, забойными двигателями) над долотом. При бурении скважины переводник 2 вращается, приводит в действие шнек 3 и ротор 4. Вращающийся переводник 2 и барабан, соединенные пружинами 13 и 14 образуют колебательную систему. Промывочная жидкость со шламом шпек направляет во внутреннюю полость устройства. Жидкость со шламом шнек направляет в осевом направлении и радиальном направлении, при этом шлам за счет ударов частично измельчается, мелкие частицы просеиваются через сетку (отверстия сетки 2-3 мм), крупные частицы попадают в ротор отбрасываются радиальпо па отражатель, происходит дальнейшее измельчение шлама. Окончательное измельчение происходит при попадании крупных частиц в каналы 16 и дроблении их торцом ротора. Очистке раствора способствуют крутильные колебания барабана (сетки), которые происходят под действием силы инерции барабана, жидкости отбрасываемой ротором на эксцентричный отражатель и сил пружин [91].
Планирование и методика проведения эксперимента
Для решения комплексных научно-технических задач необходимо проводить стендовые испытания с целью получения оценки влияния различных факторов на исследуемые параметры.
Для подтверждения полученных выше результатов были проведены лабораторные испытания модели иаддолотного устройства.
Моделирование - это метод исследования свойств одного объекта путем изучения свойств другого, более удобного для исследования и находящегося в определенном соответствии с объектом - оригиналом [101 ].
Физическая модель характеризуется тем, что основные процессы, протекающие в пей и в оригинале, имеют одинаковую физическую природу, однако это не означает тождественность обоих объектов (такое моделирование лишено смысла). Общим для всех видов моделирования является выделение для изучения лишь наиболее существенных сторон процесса, его схематизация. Модель и оригинал должны обладать определенной общностью свойств. Полная тождественность сделала бы моделирование ненужным: так как лучше исследовать оригинал. Обычно необходимая степень соответствия заключается в пропорциональности величин, характеризующих процессы в оригинале и модели, т.е. в их подобии [119].
Физическое моделирование основано на теории подобия и анализе размерностей. Необходимыми условиями физического моделирования являются геометрическое подобие (подобие формы) и физическое подобие модели и натуры: в сходственные моменты времени и в сходственных точках пространства значения переменных величин, характеризующих явления для натуры, должны быть пропорциональны значениям тех же величин для модели. Наличие такой пропорциональности позволяет производить пересчёт экспериментальных результатов, получаемых для модели, на натуру путём умножения каждой из определяемых величин на постоянный для всех величин данной размерности множитель - коэффициент подобия [106].
Поскольку физические величины связаны определёнными соотношениями, вытекающими из законов и уравнений физики, то, выбрав некоторые из них за основные, можно коэффициенты подобия для всех других производных величин выразить через коэффициенты подобия величин, принятых за основные. В механике за основные величины обычно считают длину 1, время I и массу т. Тогда, поскольку скорость v = 1/t, коэффициент подобия скоростей К = v„/vM (индекс «н» у величин для натуры, «м» - для модели), можно выразить через коэффициенты подобия длин к, = 1. А, и времён k.t — tH/tM в виде kv = k,/kt [1061. Равенство всех критериев подобия для модели и натуры является необходимым условием физического моделирования. Однако, добиться этою равенства можно не всегда, т. к. не всегда удаётся одновременно удовлетворить всем критериям подобия, поэтому при моделировании абсолютное подобие не имеет места и лишь стремится к тому, чтобы модель достаточно хороню отображала исследуемую сторону функционирования объекта [106J. Таким образом, изучая физическую систему, обычно мысленно упрощают ее, игнорируя второстепенные процессы [119].
Основные размеры модели наддолотного устройства были определены методом физического моделирования с учетом необходимых условий геометрического подобия и физического подобия модели и натуры. Часть второстепенных процессов, не влияющих на работу колебательной системы измельчителя шлама, моделировалась приближенно. Основные размеры стенда и модели наддолотного устройства: внешний диаметр барабана 73 мм, внутренний диаметр барабана 62 мм, длина барабана 340 мм, диаметр вала 30,2 мм, масса барабана 3,13 кг, момент инерции барабана 0,0036 кг-м", частота вращения вала 50-500 об/мин, диаметр отверстий в барабане 2,5 мм, мощность двигателя 1 кВт, масса рамы 46 кг.
Стенд для лабораторных исследований модели наддолотного измельчителя шлама
На рисунке 3.2 показана схема стенда для исследования модели наддолотного устройства. Стенд предназначен для определения оптимальных параметров колебательной системы наддолотного устройства: жесікосги пружины с, частоты вращения ротора п, момента инерции барабана ./„ и зависимости от них частоты и амплитуды колебаний барабана (приложение Б). Стенд состоит из рамы 1, на которой закреплены опоры 2. На опорах 2 установлены электродвигатель 3, регулятор частоты вращения 4 и барабан 5. Двигатель передает мощность регулятору частоты вращения 4 при помощи муфты 6. Барабан закреплен на валу 7, который в свою очередь установлен на радиальных подшипниках 8. Вращение от регулятора частоты вращения 4 барабану 5 передается при помощи муфты 9. Барабан установлен на валу с зазором при помощи центраторов 11. Барабан 5 с центраторами 1 1 соединен при помощи пружин 12. Для измерения оборотов служит датчик 10, для измерения вибрации - датчик 13.
Определение размеров рабочих каналов и отверстий барабана наддолотного измельчителя шлама
Для определения размеров рабочих каналов и отверстий барабана наддолотного измельчителя шлама был проведен анализ образцов шлама из следующих наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Эксплуатационные горизонтальные скважины № 138Г, № 1401 № 141Г, площадь Шакшинская, АНК «Башнефть». Компоновка бурильного инструмента: долото 123,8 SL62P, винтовой забойный двигатель ДР-106, телесистема СТТ, СБТ-73. Бурение осуществлялось безглинистым полимерно-солевым раствором с расходом 0,010 м3/с. Осевая нагрузка на долото - 6 тонн. Образцы шлама взяты при бурении горизонтальной части ствола (рисунок 4.1), глубина 2100-2250 м, Турнсйский ярус, крепкие породы.
Эксплутационные наклонно-направленные скважины № 106 и № 107, площадь - Юбилейная, АНК «Башнефть». Компоновка бурильного инструмента: долото 215,9 TD61AXLK, винтовой забойный двигатель Д5-195, утяжеленные бурильные трубы УБТС-178 длиной 100 м, СБТ-127. Бурение осуществлялось безглинистым полисахаридным гидрофобизирующим малокарбонатным раствором с расходом 0,028 м /с. Осевая нагрузка на долото - 15 гони. Образны шлама (рисунок 4.2) были взяты с глубины 1208-1210 м, Кизел-Черепецкий горизонт, твердые породы.
Эксплуатационная скважина № 486, площадь - Белебеевская, ЛИК «Башиефть». Отход 347 м на глубину 2015 м. Геологический разрез сложен из твердых пород. Компоновка бурильного инструмента: долото 215,9 НР62ЛРК, УБТС-178 длиной 100 м. Бурение осуществлялось полигликолевым ингибированным буровым раствором с расходом 0,027 м/с, с применением винтового забойного двигателя Д5-195 с частотой вращения 90 об/мин. Образцы шлама (рисунок 4.3) были взяты с глубины 2050-2052 м (муллинский горизонт).
Эксплуатационная скважина № 3114, площадь - Леонидовская, ЛПК «Ьашнефть». Отход 455 м на глубину 1555 м. Геологический разрез сложен из твердых пород. Компоновка бурильного инструмента: долото 215,9 ТЗ-ГАУ R590, УБТС-178 длиной 100 м. Бурение осуществлялось безглинистым полисахаридным гидрофобизирующим малокарбонатным раствором с расходом 0,03 м/с, с применением винтового забойного двигателя Д5-195 с частотой вращения 90 об/мин. Образцы (рисунок 4.4) шлама взяты с глубины 1546-1548 м (Нижнефаменский горизонт).
Распределение частиц шлама по размерам (скважина № 3 1 14) Также вынос шлама исследовался при бурении горизонтальных участков скважин №452 и №331 на Туймазинской площади ЛІ IK «Башнефть». Компоновка бурильного инструмента: долото ЕНР 142.9 КС, УБТ-108 длиной 8 м, СБТ-73. Нагрузка на долото состовляла 30-50 кН, давление на стояке - 7 Ml la и 10 Мпа для скважин №452 и №331 соответственно. Бурение осуществлялось глинистым раствором с расходом 0,010 - 0,013 м /с, с применением ротора с частотой вращения 72 об/мин. Геологический разрез сложен из твердых и крепких пород. Образцы шлама (рисунок 4.5) взяты с глубины 1730 м из скважины №331 и 1 178 м из скважины №452. 45 в? 35 о ЗО d к 25 та со О 20 »_» пз 5 15 10 s О 0,5..2 3. .4 5 5 Диаметр частиц шлапла, млл
По результатам исследования наибольший размер частиц шлама составил 25 мм. С запасом выбираем диаметр входных каналов наддолотного устройства равным 30 мм. Диаметр выходных каналов (отверстия в барабане) - 2,5 мм. 4.3.2 Техническая характеристика наддологного измельчи геля шлама
Исследование влияния наддолотного измельчителя шлама на механическую скорость и проходку долота при бурении проводилось па скважине № 27В/180 площади Меллянефть АНК «Татнефть», пробуренной для целей технического водоснабжения (приложение Г). В процессе бурения скважин контролировались следующие параметры: расход промывочной жидкости, давление на стояке, механическая скорость бурения, проходка на долото, размеры выносимого промывочной жидкостью шлама.
Бурение скважины проводилось буровой установкой УРВ ЗАЗ (рисунок 4.6), насос НБ-40. Бурение осуществлялось глинистым раствором (удельный вес 1,21 г/см, вязкость 30 сек.) с расходом 4 л/с, с применением ротора Р-25 с частотой вращения 120 об/мин (рисунок 4.7). Нагрузка на долото - вес инструмента. Глубина скважины 102,5 метра. Компоновка бурильного инструмента (рисунок 4.8): - долото 215,9 MFG; - наддолотный измельчитель шлама; - утяжеленные бурильные трубы 147 мм длиной 4,65 м.
Геологический разрез разбуренного интервала: песчаник серовато-коричневый, переслаивание песчаника с мергелем и глиной, глина буровато-серая с прослоями мергеля и песчаника, песчаник красно-коричневый крепкий с прослоями глины, песчаник красно-коричневый крепкий глинистый, глина красновато-коричневая плотная, переслаивание песчаника с мергелем и глиной, глина буровато-коричневая, песчаник коричневый средней крепости.
С применением измельчителя шлама пробурено 93,5 м в интервале 9,0... 102,5 м за 26 часов. Механическая скорость составила 3,59 м/ч. Шлам, измельченный до 2,5 мм, стабильно выносился на дневную поверхность потоком промывочной жидкости. Износ долота незначителен.
