Введение к работе
Актуальность проблемы
В современных условиях финансового и экономического кризиса, падения цен на нефть ещё более актуальными стали вопросы, связанные с сокращением затрат на строительство скважин. Нефтяные и газовые месторождения Западной Сибири разрабатываются с помощью наклонных и горизонтальных скважин. Профили тех и других содержат протяжённые по длине тангенциальные участки, бурение которых осуществляется по двум технологиям. Первая, традиционная, основана на применении неориентируемых компоновок (НК). Вторая технология предусматривает бурение комбинированным способом всей скважины компоновкой, содержащей винтовой забойный двигатель-отклонитель (ВЗДО), управляемый с помощью телесистемы, обычно, зарубежного производства, например, фирм «Halliburton», «Schlumberger» и др. (стоимостью более 1 млн. долларов).
Многие буровые предприятия идут на дополнительные затраты средств и времени, связанные с эксплуатацией дорогостоящих систем и управлением ВЗДО, и применяют данную технологию при бурении всех скважин, включая простые, с трёх-четырёхинтервальным профилем, по причине отсутствия до настоящего времени надёжных неориентируемых компоновок. В современных условиях особенно важно снизить затраты на строительство скважин, в данном случае за счёт создания простых, дешевых и надёжных НК, и закрепить за ними приоритет в части бурения тангенциальных, или близких к ним, участков наклонных и любых других скважин. При бурении горизонтальных участков в пласте также имеются перспективы использования НК, включающих, например, гидравлические центраторы, или самоориентирующиеся отклонители, в сочетании с простыми средствами контроля за параметрами скважины.
Цель работы
Сокращение времени бурения и уменьшение затрат при строительстве нефтяных и газовых скважин за счёт применения простых и надёжных неориентируемых компоновок. Время бурения сокращается вследствие уменьшения числа замеров параметров траектории скважины и отсутствия необходимости ориентирования отклонителя; затраты – за счёт отказа от дорогостоящих компоновок и телесистем на участках работы НК и уменьшения износа долот и забойных двигателей вследствие улучшения условий их работы.
Основные задачи исследований
1. Обоснование расчетной схемы и аналитической модели для изучения работы неориентируемых компоновок.
2. Анализ существующих и разработка новых методов расчёта НК.
3. Обоснование дифференцированного подхода к выбору критерия оптимизации геометрических параметров компоновки.
4. Разработка системы расчётных характеристик НК (СРХ), позволяющей
дать оценку их качества на стадии проектирования, и прогнозировать ожидаемый уровень стабильности показателей работы компоновки.
5. Установление причин неудовлетворительной работы типовой стабилизирующей компоновки, традиционно применяемой на месторождениях Западной Сибири.
6. Разработка научно-обоснованных проектных решений, по всем типам
НК, представляющим интерес применительно к условиям бурения в Западной Сибири.
5. Промысловая проверка разработанных принципов создания эффективных неориентируемых компоновок и разработка рекомендаций к их промышленному внедрению.
Научная новизна диссертационной работы
– выполнено научное обоснование возможности применения детерминированной расчетной модели НК на основе использования системы показателей устойчивости (СПУ), формируемой по входным параметрам модели;
– предложена система расчётных характеристик (СРХ), формируемая по входным и выходным параметрам модели НК, позволяющая прогнозировать
качество компоновок на стадии их расчёта; на её основе предложена новая концепция проектирования компоновок низа бурильной колонны;
– применён дифференцированный подход к выбору критерия оптимизации геометрических параметров компоновок, в соответствии с которым введена классификация НК, включающая три группы: 1) НКС – стабилизирующие НК; 2) НКА – компоновки, допускающие асимметричное разрушение забоя; 3) НКФ – компоновки, критерий расчета которых допускает возможность фрезерования стенки скважины;
– метод начальных параметров применён к задаче расчёта многопролётной статически-неопределимой балки с опорами, расположенными в разных уровнях и неизвестной длиной крайнего пролёта, т.е. к расчёту НК;
– выполнен расчёт системы вал-корпус турбобура в составе неориентируемой компоновки методом конечных элементов с применением программного комплекса «ANSYS». До появления подобных вычислительных средств постановка задач такого уровня была нереальной. Расчёт НК в «ANSYS» позволил теоретически установить ряд особенностей их работы, а также включить в рассмотрение новую расчётную характеристику качества НК – сближение вала с корпусом турбобура, связанную с разной формой изгиба их осей;
– проиллюстрирован расчёт НК методом конечных разностей;
– разработан новый метод исследования НК, работающих с использованием механизма фрезерования стенки скважины – метод возможных поперечных перемещений долота;
– введено понятие о критическом диаметре калибратора;
– получило дальнейшее развитие с широким приложением ко всем типам НК понятие о показателях устойчивости КНБК, введённое впервые специалистами ВНИИБТ А.С. Повалихиным, А.С. Огановым и др.;
– статистическими методами установлена возможность существования однородных (в отношении показателей работы НК) месторождений, позволяющая их объединение в представительную выборку, что облегчает изучение работы и создание новых типов неориентируемых компоновок.
Практическая ценность и реализация
Содержание и структура работы подчинены идее её максимального
приближения к промысловой практике, которой она и была инициирована.
Предложенный новый метод проектирования компоновок позволяет на стадии проектирования оценить их качество, включая ожидаемый уровень стабильности показателей работы. На базе этого метода разработаны рекомендации по компоновкам, полнота представления которых даёт возможность выбора наиболее эффективных НК на данном месторождении с учётом технических возможностей предприятия.
Выполнен анализ промысловых данных, разработаны компьютерные программы и проведены теоретические исследования, результатом которых явились рекомендации по созданию и применению следующих видов НК.
1. Компоновка – типовая: шарошечное долото диаметром 215,9 мм, калибратор, ниппельный центратор СТК, турбобур диаметром 195 мм; может содержать переводник. Даны рекомендации по диаметрам калибратора и центратора в зависимости от расстояния между ними и долотом.
2. НК с долотами PDC, турбобуром Т1-195 и ниппельным СТК. Размеры долот: 214,3; 215,9; 220,7; 222,3 мм. Рекомендованы оптимальные сочетания диаметров калибратора и центратора и расстояний между ними и долотом.
3. Стабилизирующая компоновка с центратором, расположенным между шпинделем и нижней секцией турбобура.
4. Компоновка с долотом диаметром 295,3 мм, турбобуром диаметром 240 мм и с одним, или двумя, передвижными центраторами З-ЦДП.
5. Компоновка: долото шарошечное или PDC, турбобур диаметром 195 мм, два центратора, нижний – стандартного размера в верхней части шпинделя, верхний – плавающий, уменьшенного размера, расположен в конце средней секции.
6. Компоновки с ВЗД и передвижными центраторами.
При использовании разработанных компоновок сокращается время работы телеметрических комплексов, уменьшается износ долот, калибраторов, забойных двигателей. Рекомендации используются при бурении наклонных скважин в ОАО «Сургутнефтегаз» и буровых организациях ООО «Бургаз».
Апробация результатов исследований
Результаты исследований докладывались и обсуждались на: семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского государственного нефтегазового университета (2005 - 2008 гг.); региональной научно-практической конференции, посвященной 5-летию Института Нефти и Газа (Тюмень, 2005 г.); XIII и XIV Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Тюмень, 2004 г., 2006 г); Международной конференции, посвященной 50-летию ТюмГНГУ (Тюмень, 2006 г.); научно-технических советах ООО «Бургаз», ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «Центр горизонтального бурения » (2006 - 2008 гг.).
Публикации
Результаты выполненных исследований отражены в 33 печатных работах, в том числе 2 монографиях, 2 учебных пособиях (с грифом УМО НГО), 19 статьях (из них 11 изданий, рекомендованных ВАК РФ), 6 материалах конференций, получено три патента РФ и одно авторское свидетельство.
Объем и структура работы
Диссертационная работа изложена на 285 страницах машинописного текста, содержит 78 таблиц, 99 рисунков. Состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 172 наименований.
