Введение к работе
Актуальность работы. Осложнения при бурении скважин сопровождаются большими потерями времени и средств на их ликвидацию. Поэтому вопросам предупреждения осложнений уделяется большое внимание. Основные решения по предупреждению осложнений были получены для вертикальных и наклонных скважин с небольшими углами искривления. Бурение пологих скважин (с большими углами искривления) и скважин с горизонтальным окончанием ставит перед буровиками новые задачи. Полученные ранее решения не полностью удовлетворяют изменившимся условиям бурения.
Асимметричное напряженное состояние горных пород, окружающих наклонную и особенно горизонтальную скважину, обусловливает неравномерное смещение ее стенок в результате деформирования пород после вскрытия скважиной. Это обстоятельство существенно изменяет условия как бурения и крепления скважины, так и, в частности, работы долот. Особенно это относится к скважинам, которые бурятся в мягких и средней твердости горных породах, характеризующихся низкими значениями модуля упругости и соответственно значительной величиной упругой деформации, а также высокой склонностью к проявлению вязкости в виде упругого последействия и ползучести. В диссертации рассмотрено только упругое деформирование.
Для совершенствования технологических и технических методов предупреждения осложнений, обусловленных деформацией вскрытой скважиной горной породы, нужны количественные оценки величины и характера смещения стенок поперечного сечения ствола скважины, образованного долотом, по мере удаления от него долота. Методика таких расчетов должна базироваться на стандартных методах определения показателей механических свойств горных пород. Но такая методика отсутствует. Решение этой задачи было принято в качестве первоочередной при выполнении диссертационной работы. Надежность решений задачи о предупреждении осложнений зависит как от ее методического обеспечения, так и от достоверности используемых в расчетах харак-
теристик упругих свойств горной породы. Этот вопрос также требовал существенной доработки.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Межвузовской научно-технической программой "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Подпрограмма 206 "Топливо и энергетика", раздел 206.03 "Перспективные наукоемкие технологии поиска, освоения и транспорта и переработки углеводородного сырья". Приказ Минобразования России № 539 от 12.02.2001).
Цель работы - совершенствование прогнозирования и средств предупреждения осложнений, которые обусловлены упругим смещением стенок скважины в результате деформирования вскрытой долотом горной породы при бурении наклонных и горизонтальных скважин.
Основные задачи исследований:
-
проанализировать методы и результаты изучения механических процессов в горных породах после вскрытия их бурением наклонной скважины и предупреждения связанных с ними осложнений;
-
решить задачу и разработать программу расчета упругого деформирования поперечного сечения ствола наклонной скважины;
-
изучить проявление масштабного эффекта при определении модуля деформации (упругости) горной породы по штампу;
-
разработать метод расчета упругих характеристик горной породы по данным измерения деформаций поперечного сечения скважины;
-
усовершенствовать периферийное вооружение шарошечного долота, применительно к особенностям бурения наклонных и горизонтальных скважин.
Методы решения поставленных задач. Решение задач выполнено аналитически с постановкой (проведением) специальных экспериментов и привлечением опубликованных в печати результатов испытаний горных пород на моделях скважины, а также результатов кавернометрии наклонных скважин в Западной Сибири.
Научная новизна работы:
-
обосновано и получено аналитическое решение задачи определения упругого смещения стенки наклонной скважины, обусловленного деформированием горной породы после вскрытия ее долотом;
-
установлена существенность влияния масштабного эффекта на величину показателя модуля деформации (упругости) горной породы по штампу и уточнены характер влияния и метод определения величины модуля для расчета смещения стенок скважины;
-
аналитически решена и проверена по промысловым данным задача расчета модуля упругости и коэффициента бокового распора горной породы в естественных условиях по данным измерения в двух взаимно перпендикулярных направлениях смещения стенки наклонной скважины;
-
обосновано выполнение калибрующего вооружения шарошек с вспомогательными рядами зубков в пазах на контурах обратных конусов шарошек, обеспечивающее формирование стенки скважины без спиральных выступов и эффективную проработку ствола при подъеме с вращением.
Защищаемые положения:
-
методика расчета смещения стенок наклонной скважины над долотом и ее программное обеспечение и их применение при разработке методов профилактики осложнений при бурении наклонных и горизонтальных скважин;
-
определение модуля упругости горной породы по штампу с учетом масштабного эффекта;
-
способ определения модуля упругости и коэффициента бокового распора по данным о смещении стенки наклонной скважины;
-
техническое решение по совершенствованию калибрующего скважину вооружения шарошек, повышающего эффективность фрезерования стенок скважины при бурении с управлением кривизной и снижающего прихватоопас-ность долота.
Практическая ценность работы:
Разработана и утверждена институтом ПермНИПИнефть 27.12.2010 г. "Методика расчета упругого смещения стенок скважины после вскрытия горной породы бурением". Методика рекомендована в УГНТУ для использования в учебном процессе при выполнении расчетных работ по дисциплинам "Механика сплошных сред" и "Осложнения при бурении скважин".
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межрегиональном семинаре "Россохинские чтения" (г. Ухта, 2010), на 8-й Международной научно-технической конференции "Современные технологии освоения минеральных ресурсов" (г. Красноярск, 2010), на Всероссийской научно-технической конференции "Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения" (г. Уфа, 2010), на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г.Пермь, 2010г.) и на II Международной научно-технической конференции "Повышение качества строительства скважин" (г. Уфа, 2010).
Публикации по теме диссертации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе один патент на изобретение. Из них две статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста и содержит 32 рисунка, 19 таблиц, библиографический список из 102 наименований, а также 3 приложения.
Автор выражает особую признательность и искреннюю благодарность сотрудникам кафедры нефтегазопромыслового оборудования УГНТУ, а также лично заведующему кафедрой Матвееву Ю.Г. за помощь в подготовке работы.
