Введение к работе
Актуальность проблемы
Анализ применяемых в России способов бурения показал, что основным способом бурения нефтяных и газовых скважин является вращательное бурение с применением гидравлических забойных двигателей. В качестве забойных двигателей используются турбобуры и винтовые забойные двигатели (ВЗД).
В последние годы наблюдается резкое снижение объемов турбинного бурения и одновременное увеличение бурения ВЗД. Причиной снижения объемов турбинного бурения является несоответствие технических характеристик серийных турбобуров требованиям технологии наклонно-направленного бурения, а также отсутствие возможности использования российских или зарубежных телеметрических систем для повышения точности проводки направленных скважин из-за геометрических и технологических особенностей широко используемых турбобуров.
При анализе технологии бурения нами установлено, что турбобуры могут работать в более тяжелых условиях, чем ВЗД, при большем сроке службы и более качественной и прямолинейной проводке скважины.
В пользу развития турбинного бурения также говорит и то, что мировые лидеры, такие как Halliburton, имеющий собственное производство Sperry Drilling с турбобурами Turbopower, и Schlumberger, уже ведут разработки по совершенствованию технического оснащения и систем телеметрии для турбобуров. В настоящее время в нашей стране ведутся разработки как в области совершенствования технологии турбинного бурения так и модернизации конструкций турбобуров для целей строительства наклонно-направленных скважин.
В связи с развитием и внедрением программных комплексов, методов и аппаратных средств для обработки больших массивов информации в технологии бурения и освоения скважин появился резерв для внедрения способов оперативного регулирования режима бурения, разработкой которых занимались российские и зарубежные такие ученые как Алиев Т.В., Багиров
P.E., Балицкий П.В., Башкатов Д.Н., Белоруссов В.О., Би Р., Бражников В.А., Варламов В.П., Грачев Ю.В., Григорян Н.А., Дмитриев В.Н., Иоунгс Б., Калинин А.Г., Кузнецов О.Л., Кулябин Г.А., Кутузов Б.Н., Лукьянов Э. Е., Мелик-Шахназаров A.M., Погарский А.А., Рогоцкий Г.В., Симонов В. И., Симонянц Л.Е., Соломенников СВ., Спасибов В.М., Тер-Хачатуров А.А., Чиркин И.А., Шлык Ю.К., Эйгельс P.M. и др.
Цель регулирования режима бурения скважин - приведение системы бурильный инструмент - горная порода в некоторое оптимальное состояние для повышения эффективности процесса углубления скважины. Разработкой новых способов регулирования режима бурения и систем телеметрии забойных параметров бурения в нашей стране активно занимаются такие компании как БИТ АС, ВНИИГИС, ИНТЕРЛОГ и др., мировыми лидерами в этой области являются Slumberger, Halliburton, Baker Hughes, Weatherford и др. Таким образом, поиск и внедрение новых способов оперативного регулирования режима бурения скважин по информации с забоя в процессе бурения, является актуальной научно-технической задачей.
Цель диссертационной работы
Цель исследований - повышение эффективности турбинного бурения скважин путем разработки и исследования в стендовых и промысловых условиях регулирования режима бурения по изменению энергетической характеристики звука турбобура в процессе углубления скважины.
Основные задачи исследования
-
Исследовать механизм генерации звука в промывочной жидкости в бурильной колонне в процессе углубления скважины и исследовать энергетические характеристики этого звука при изменении режима бурения.
-
Разработать способ и инструментальные средства для получения информации одновременно о частоте вращения долота п и осевой нагрузке G с использованием гидроакустической системы связи в условиях помех для определения изменения нагрузочной характеристики турбобура в процессе бурения.
3. Исследовать инструментальные средства и гидроакустическую систему
связи для получения информации о режиме бурения.
4. Разработать и исследовать способ регулирования режима бурения
скважин по изменению нагрузочной характеристики турбобура в процессе
углубления скважины с использованием энергетических характеристик звука.
Объект и предмет исследования
Объектом исследования в диссертационной работе является регулирование режима бурения скважин.
Предметом исследования является изменение энергии звуковых колебаний в промывочной жидкости в бурильной колонне как следствие совокупности изменения режимных параметров бурения и нагрузочной характеристики турбобура.
В работе выдвинута гипотеза о том, что акустический сигнал несет информацию одновременно о двух параметрах - частоте вращения долота и осевой нагрузке, поэтому есть возможность определить изменение нагрузочной характеристики турбобура в процессе углубления скважины и оперативно регулировать режим бурения.
Методы исследования
-
Теоретическое исследование источников звука, возникающего в промывочной жидкости в бурильной колонне в процессе бурения скважины и исследование энергетических характеристик этого звука при изменении режима бурения.
-
Теоретическое исследование зависимости изменения параметров энергетической характеристики продольных волн в промывочной жидкости в бурильной колонне и изменения нагрузочной характеристики турбобура в процессе его работы на забое скважины.
-
Обобщение теоретических исследований для разработки способа и инструментальных средств для получения информации одновременно о частоте вращения долота п и осевой нагрузке G с использованием разработанной гидроакустической системы связи.
4. Имитационное моделирование источников спектральной
характеристики звука, возникающего в процессе бурения скважины.
5. Экспериментальное исследование инструментальных средств и
гидроакустической системы связи для получения информации о режиме
бурения.
6. Имитационное моделирование способа регулирования режима бурения
скважин, учитывающего изменение нагрузочной характеристики турбобура в
процессе бурения, с использованием энергетических характеристик звука,
распространяющегося в промывочной жидкости.
Научная новизна
В данной диссертационной работе впервые:
1. Установлено, что основным недостатком существующих способов регулирования является оптимизация по одному из выбранных параметров режима бурения, например, по расходу, по нагрузке или по частоте, связанных нагрузочной характеристикой турбобура, считающейся неизменной. Обоснована необходимость использования двухканальной системы телеизмерения с одновременной информацией о нагрузке G и частоте п.
-
Обосновано повышение эффективности турбинного бурения путем использования в канале телеметрии запатентованного способа и инструментальных средств получения информации одновременно о частоте вращения долота и осевой нагрузки на долото по энергетическим характеристикам звука бурильного инструмента, распространяющегося в промывочной жидкости.
-
Разработана и исследована математическая модель механической скорости проходки и установлено, что чувствительность механической скорости проходки к осевой нагрузке в три раза выше, чем к частоте вращения вала турбобура.
Практическая ценность
1. Промысловыми испытаниями на буровой установке БУ 3000 ЭУК, проведенными на скважинах № 1, 2, 3, 5, 8 куста 1, Северо-Тарасовского
месторождения Пурпейского УБР доказано, что в процессе бурения наклонно-направленных скважин с турбобурами ЗТСШ1-195 с однокамерными четвертьволновыми резонаторами (режекторными фильтрами) уменьшилось время бурения по скважине в среднем на 12%, а механическая скорость проходки увеличилась на 21%.
2. Разработана и исследована имитационная модель регулирования режима бурения скважин. Впервые разработан алгоритм управления РПДЭ-3 на основе критерия оптимизации режима бурения по минимальной энергии звука турбобура и долота, приводящий в итоге к повышению эффективности технологического процесса.
Основные защищаемые положения
1. Способ управления режимом бурения скважины по критерию
минимальной энергии звука, распространяющегося в промывочной жидкости, а
также рабочий алгоритм и имитационная модель этого процесса, учитывающие
изменение нагрузочной характеристики турбобура и долота в процессе
бурения.
2. Техническая осуществимость помехозащищенного и
помехоустойчивого гидроакустического канала связи для передачи глубинной
информации по акустическим спектрам звука, генерируемого турбобуром и
долотом, в полосе подавленных частот спектра звука бурового насоса,
распространяющихся в промывочной жидкости.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности Область исследования соответствует паспорту специальности 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин», а именно пункту 5 -«Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений».
Апробация результатов исследования
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции и выставке «Строительство и ремонт скважин» (Геленджик, 2010 г.), IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2010 г.); XII международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные технологии, экономика» (Санкт-Петербург, 2011 г.); XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых в Томском политехническом университете (Томск, 2012 г.); VI Ежегодной научно-технической конференции Тюменского студенческого отделения Общества Инженеров-Нефтяников (SPE) Современные технологии для ТЭК Западной Сибири (Тюмень, 2012 г.); Международном научно-практическом форуме, посвященном 50-летию открытия нефти и газа на территории Томской области и 60-летия нефтегазового образования в Сибири в Томском политехническом университете (Томск, 2012 г.); международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 2013 г.).
Публикации
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 14 печатных трудах, в том числе в трех патентах РФ, пяти изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одной монографии.
Объем и структура работы
