Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Анализ современного состояния проектирования и управления траекторией бурения, разработка метода расчёта разножесткостных КНБК 9
1.1. Анализ современного состояния проектирования профиля скважины 9
1.1.1. Наклонные скважины 9
1.1.2. Горизонтальные скважины 11
1.1.3. Скважины с большим смещением забоя и субгоризонтальные скважины 13
1.2. Технология проводки наклонных и горизонтальных интервалов профиля направленных скважин 19
1.2.1. Технология направленной проводки КНБК с опорно-центрирующими элементами 19
1.2.2. Комбинированная технология направленного бурения гидравлическим забойным двигателем 22
1.2.3. Системы управляемого бурения роторным способом
1.3. Особенности формирования профиля наклонного ствола скважины 28
1.4. Влияние формы ствола скважины на осложнения в процессе бурения 36
1.5. Анализ методов расчета и оптимизации размеров КНБК 61
1.6. Методика расчёта оптимальных размеров разножесткостной КНБК 65
РАЗДЕЛ 2. Определение показателя класса субгоризонтальных скважин 75
РАЗДЕЛ 3. Аналитические исследования разножесткостных КНБК с оптимальными размерами 81
3.1. Обоснование конструкции и расчёт параметров КНБК с оптимальными размерами для условий бурения субгоризонтальных скважин 81
3.2. Определение надёжности.работы разножесткостных КНБК в условиях действия доминирующих дестабилизирующих факторов
3.2.1. Абразивное изнашивание опорных элементов КНБК 88
3.2.2. Увеличение диаметра ствола скважины 95
3.2.3. Влияние слоя шлама в стволе скважины на работу КНБК.. 96
3.3. Определение надёжности работы разножесткостных КНБК в условиях комплексного действия дестабилизирующих факторов 97
РАЗДЕЛ 4. Разработка технико-технологических решений для проводки наклонно направленного ствола в сложных горно-геологических условиях 108
4.1. Проектирование КНБК в зависимости от доминирующих факторов проводки скважины 108
4.2. Применение результатов исследований для проектирования КНБК с оптимальными размерами на основе гидравлического забойного двигателя
4.2.1 Рекомендации по конструкции скважины 1-бис Грущаная 118
4.2.2 Проектный профиль наклонно направленной скважины 119
Основные выводы 126
Список литературы
- Технология проводки наклонных и горизонтальных интервалов профиля направленных скважин
- Влияние формы ствола скважины на осложнения в процессе бурения
- Определение надёжности.работы разножесткостных КНБК в условиях действия доминирующих дестабилизирующих факторов
- Применение результатов исследований для проектирования КНБК с оптимальными размерами на основе гидравлического забойного двигателя
Введение к работе
Актуальность
Освоение нефтяных и газовых месторождений, расположенных на морском шельфе, на природоохранных и в труднодоступных для обустройства буровых площадок территориях осуществляется с применением направленных скважин, профиль которых включает наклонно прямолинейный интервал большой протяжённости.
Существующая технология проводки наклонных интервалов профиля скважины основана на использовании отклоняющей силы на долоте и реализуется с помощью различных компоновок низа бурильной колонны (КНБК). В процессе бурения наклонно прямолинейного интервала профиля на границах литологических зон, в неустойчивых горных породах ствол скважины отклоняется от проектной траектории бурения, что приводит к необходимости периодического или постоянного корректирования профиля скважины. В интервалах корректирования формируются локальные искривления ствола, кривизна которых может быть значительно выше допустимых значений. Локальные искривления ствола приводят к образованию в стенке скважины желобных выработок, которые увеличивают риски в процессе бурения.и при спуске обсадных колонн большого диаметра.
При использовании КНБК с параметрами, при которых отклоняющая сила на долоте равна нулю, а ось совпадает с проектной траекторией бурения, горная порода разрушается в направлении оси долота, что создаёт оптимальные условия для работы породоразрушающего инструмента и повышает точность выполнения проектного профиля.
В процессе бурения баланс сил, действующих на КНБК, может измениться, что приведёт к нарушению заданных условий работы долота. При этом для устойчивых КНБК характерны малые следствия, не приводящие к значительным изменениям траектории бурения; а для неустойчивых - большие следствия при небольших величинах дестабилизирующих факторов. Повышение устойчивости КНБК на проектной траектории позволит свести к минимуму интервалы корректирования профиля, что особенно важно при проводке субгоризонтальных скважин в связи с высокими требованиями к качеству ствола наклонно прямолинейного интервала профиля таких скважин.
Создание научно-обоснованной методики проектирования КНБК, предназначенных для бурения прямолинейных интервалов с большими углами наклона в сложных горногеологических условиях, приобретает особую актуальность в связи с освоение нефтегазовых месторождений на шельфе морей с помощью наклонно направленных скважин с большим и сверхбольшим смещением забоя.
Цель работы
Повышение точности выполнения проектной траектории бурения и качества ствола наклонно направленных и горизонтальных скважин в сложных горно-геологических условиях за счёт увеличения надёжности работы многосекционных КНБК.
Основные задачи исследования
Анализ влияния горно-геологических и технико-технологических факторов на формирование наклонного интервала профиля при бурении КНБК с опорно-центрирующими элементами (ОЦЭ).
Анализ существующих методик расчёта и проектирования КНБК для роторного способа бурения и бурения забойными двигателями.
Разработка аналитической модели и методики расчёта оптимальных параметров КНБК с разной жёсткостью секций.
Исследование надёжности работы КНБК с оптимальными размерами в процессе бурения при изменении диаметра ОЦЭ, увеличении диаметра ствола скважины и наличии слоя шлама в скважине.
Разработка методики проектирования КНБК с оптимальными размерами для бурения наклонных участков профиля скважин с большим смещением забоя и горизонтальных скважин в условиях влияния доминирующих геолого-технологических факторов.
Разработка критерия, определяющего область преимущественного применения результатов исследований на стадии проектирования профиля скважины, КНБК и технологии бурения.
Промысловое применение КНБК с разной жёсткостью секций при бурении направленных скважин в сложных горно-геологических условиях.
Научная новизна
Разработан и научно обоснован метод оптимизации КНБК с разной жёсткостью секций, позволяющий определить линейные размеры многосекционной КНБК, при которых для заданных значений зенитного угла, кривизны ствола скважины и осевой нагрузки на долото отклоняющая сила и угол перекоса долота в скважине равны нулю.
Установлены закономерности влияния абразивного износа ОЦЭ, шлама на нижней стенке скважины и эрозионного увеличения диаметра ствола скважины на
надёжность работы КНБК с оптимальными размерами по выполнению проектной траектории бурения.
Установлено, что при одновременном износе диаметра опорно-центрирующих элементов и накоплении шлама в затрубном пространстве, надёжность работы КНБК, включающей не менее двух ОЦЭ, увеличивается.
Разработан показатель класса субгоризонтальньгх скважин, учитывающий силы сопротивления при перемещении колонны труб в стволе скважины, вид и параметры проектного профиля скважины.
Практическая значимость работы
Результаты работы являются методико-математической основой программного обеспечения ЭВМ, предназначенного для расчёта диаметра и места установки опорно-центрирующих элементов в КНБК для проводки наклонных и горизонтальных интервалов профиля скважин.
Показатель класса субгоризонтальньгх скважин позволяет на стадии проектирования профиля определить технологию бурения и комплекс необходимых для строительства скважины технических средств, обеспечивающих высокое качество ствола ^надёжность крепи.
Результаты работы были использованы при проектировании КНБК с разной жёсткостью секций на основе гидравлических забойных двигателей и УБТ, предназначенных для бурения наклонных интервалов профиля скважины в сложных горно-геологических условиях.
Реализация результатов работы
По предложенной в работе методике были разработана технология поинтервальной проводки наклонно направленных скважин на месторождениях Лимано-Плавниевой группы на территории Краснодарского края и аналогичных районах. На основе этих . расчётов была разработана Программа работ по бурению поисковой скважины № 1-бис Грущаная, основные положения которой являются составной частью группового рабочего проекта № 307-П на строительство поисковых наклонно направленных скважин №№ 1-бис, 2, 3 на площади Грущаная (вариант ПСД № 302-П) - разработан ООО «НК «Роснефть-НТЦ», утверждён 25.12.2007 г., организация-заказчик - ООО «РН-Краснодарнефтегаз», генеральная подрядная организация - Краснодарский филиал ООО «РН-Бурение».
Защищаемые положения
Критерием оптимизации размеров КНБК для бурения наклонных интервалов профиля скважины являются условия взаимодействия долота с забоем ствола, при которых отклоняющая сила и угол перекоса долота равны нулю.
Расчёт оптимальных размеров многосекционной КНБК, нагруженной продольными и поперечными распределёнными и сосредоточенными силами, необходимо осуществлять с учётом упругого взаимодействия секций между собой и с искривленным или прямолинейным стволом скважины.
Выбор варианта расчётных параметров КНБК с оптимальными размерами производится на основе анализа надёжности её работы на проектной траектории бурения в условиях влияния доминирующих дестабилизирующих геолого-технологических факторов.
Для повышения надёжности работы на проектной траектории бурения в условиях комплексного влияния дестабилизирующих факторов КНБК должна включать не менее двух опорно-центрирующих элементов.
Показатель класса субгоризонтальных скважин должен учитывать силы трения колонны труб о стенки ствола скважины, длину вертикального интервала и вид проектного профиля, определяя тем самым технологию бурения скважины и необходимые для её реализации технические средства.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на Седьмой всероссийской конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва 2007 г.); Научно технической конференции преподавателей и сотрудников УГТУ (Ухта 2008 г.); Конференции Ассоциации Буровых Подрядчиков (Москва 2008 г.); Пятом Международном семинаре «Горизонтальные скважины» (Москва 2008 г.); Конференции Ассоциации Буровых Подрядчиков (Москва 2009 г.); Восьмой Всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и сотрудников «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2009 г.).
Публикации
Основные результаты исследований автора опубликованы в 16 работах, включая 3 работы в изданиях из Перечня ВАК.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 109 наименований. Содержание диссертации изложено на 135 страницах машинописного текста, включает 90 рисунков и 16 таблиц.
Данная работа является развитием школы направленного бурения ВНИИБТ, создателями и научными руководителями которой в разное время являлись ученые: Ю.С. Васильев, А.С. Бронзов, А.Г. Калинин, A.M. Григорян, Я.А. Гельфгат, К.М. Солодкий, А.С. Оганов, А.С. Повалихин.
Особенность научного подхода ВНИИБТ при решении задач направленного бурения заключается в том, что основной целью разрабатываемых технико-технологических решений является точное и качественное вьшолнение проектного профиля скважины, параметры которого определяются условиями достижения максимального дебита скважины и нефтеотдачи пласта
Исследования автора основываются на научных положениях технологии наклонного и горизонтального бурения скважин на нефть и газ, в создание которых значительный вклад внесли отечественные учёные: П.В. Балицкий, И.Л. Барский, В.В. Безумов, В.М. Беляев, В.О. Белоруссов, В.Ю. Близнюков, А.С. Бронзов, В.Ф. Буслаев, Ю.С. Васильев, М.И. Ворожбитов, Я.А. Гельфгат, A.M. Григорян, Н.А. Григорян, В.Д. Григулецкий, М.П. Гулизаде, М.Т. Гусман, Е.Г. Гречин, С.Н. Бастриков, Г.Г. Зарипов, Ю.Р. Иоанесян, Р.А. Иоаннесян, В.В. Кульчицкий, Н.Ф. Кагарманов, А.Г. Калинин, Л.Я. Кауфман, В.И. Крылов, О.А. Марков, В.Г. Лукьянов, А.З. Левицкий, С.А. Оганов, А.С. Оганов, Г.С. Оганов, А.С. Повалихин, В.В. Прохоренко, В.Д. Поташников, O.K. Рогачев, Г.Г. Семак, К.М. Солодкий, СВ. Соломенников, С.С. Сулакшин, Б.З. Султанов, Л.Я. Сушон, А.Ф. Федоров, С.А. Ширин-Заде и др.
Автор благодарит сотрудников кафедры бурения нефтяных и газовых скважин РГУ нефти и газа д.т.н., профессора С.Л. Симонянца, д.т.н., профессора В.В. Кульчицкого, заведующего кафедрой д.т.н., профессора O.K. Ангелопуло. Искреннюю признательность автор выражает д.т.н., профессору В.И. Крылову за помощь и ценные советы при работе над диссертацией.
Автор считает своим долгом поблагодарить учёных ОАО НПО «Буровая техника» д.т.н., профессора Г.С. Оганова, д.т.н., профессора A.M. Гусмана, д.т.н., профессора С.А. Ширин-Заде, к.т.н. В.В. Прохоренко за советы, высказанные в ходе обсуждения основных положений диссертационной работы.
За поддержку и ценные замечания автор благодарит профессора Н.М. Уляшеву и других сотрудников кафедры бурения Ухтинского государственного технического университета.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. А.С. Повалихину за постоянную помощь в постановке и решении задач исследований по теме диссертации.
Технология проводки наклонных и горизонтальных интервалов профиля направленных скважин
Успешное строительство наклонной скважины на площади «Бухта Ильича» (Баку) по технологии, предложенной Р.А. Иоаннесяном, П.П. Шумиловым, Э.И. Тагиевым и М.Т. Гусманом в 1941 г., явилось началом внедрения наклонного турбобурения, ставшего основным методом направленного бурения в СССР. Проводку первых наклонных скважин осуществляли по S-образному профилю, включающему вертикальный интервал, участок направленного искривления и участок уменьшения зенитного угла до проектной глубины. В целях увеличения проектного смещения при строительстве скважин, преимущественно на морских основаниях в Каспийском море, в проектный профиль включался наклонно прямолинейный участок.
Внедрение кустового способа строительства на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири расширило область применения наклонно направленного бурения.
Опытная наклонная скважина № 501 на Усть-Балыкском месторождении была начата бурением 28.02.1965 г. Проводку скважины № 501 осуществляли по трёхинтервальному профилю, имеющему следующие параметры: - вертикальный участок 380 м; - интенсивность искривления 1.0/10м; - интервал увеличения зенитного угла до 40 от 380 м до 640 м; - длина тангенциального участка составила 2195 м. Работы по промысловому внедрению технико-технологического комплекса ВНИИБТ были продолжены в 1966 г на Усть-Балыкском месторождении при бурении скважины № 531. На этом же месторождении была осуществлена проводка наклонной скважины № 588 с большим для того времени проектным смещением 2050 м. При этом коэффициент отклонения ствола от вертикали, т.е. отношение смещения забоя от вертикали к вертикальной глубине скважины, составил 0.93 [11].
Результаты, полученные в процессе бурения опытных скважин № 501, 531 и 588 на Усть-Балыкском месторождении, послужили основанием для широкомасштабного применения технологии бурения кустовых скважин. Объем строительства кустов скважин на нефтяных и газовых месторождениях Западной Сибири в 70-х годах наращивался исключительно высокими темпами.
По форме завершающего участка различают три типа профиля наклонно направленной скважины: S-образный, тангеїщиальньїй и J-образный [43, 51, 60].
Реализация вертикального и наклонных интервалов типового профиля скважин, за исключением интервала ориентированного искривления ствола, может осуществляться с помощью стабилизирующих и искривляющих КНБК.
На нефтегазовых месторождениях Западной Сибири проводка наклонных скважин осуществляется преимущественно по четырёхинтервальному профилю, который включает вертикальный участок длиной 50-200 м, интервал увеличения зенитного угла до глубины спуска кондуктора, интервал стабилизации зенитного угла и азимута до глубины 1200-1500 м и интервал уменьшения зенитного угла до проектной глубины (рис. 1.1, профиль 7). При этом коэффициент отклонения ствола кустовых наклонных скважин достигает 1. Несмотря на сравнительную простоту принятой технологии строительства наклонных кустовых скважин в Западной Сибири фактические профили законченных бурением скважин выполняются со значительными отступлениями от проектных параметров. Нарушение проектного профиля происходит преимущественно при бурении стабилизирующими КНБК наклонно направленного участка в интервале первого долбления ниже кондуктора [94].
Основы современной технологии бурения и горизонтальных скважин (ГС) были заложены советскими инженерами в середине прошлого века. В начале 50-х годов в СССР была начата работа по созданию специальной техники и технологии бурения ГС. Первые экспериментальные скважины были успешно построены в 1952 г. на Карташёвском месторождении в Башкирии [19, 40].
В 1957 г. на Украине и в Куйбышевской (сейчас Самарская) области были пробурены первые в мире горизонтальные скважины, у которых длина горизонтальной части ствола превышала 150 м.
Начало промышленного применения горизонтального бурения за рубежом относится к семидесятым годам. Лидером в бурении ГС стал Французский институт нефти, специалисты которого опирались на исследования советских ученых по разработке нефтяных месторождений с помощью ГС и многозабойных скважин (МЗС).
Строительство ГС во Франции стимулировалось необходимостью разработки нефтяных месторождений Лак-Супериор, Кастера-Му и шельфового месторождения Распо-Маре на Адриатике, где высоковязкая нефть находится в карстовых ловушках. Французской фирме «Эльф-Акитен» удалось пробурить скважину с длиной горизонтального ствола в 2 км и достичь 15-кратного увеличения дебита одной из ГС месторождения Распо-Маре по сравнению с соседними вертикальных скважин [40].
С 1978-79 годов увеличивается объём бурения ГС в США, так как такой вид бурения стал экономически выгодным с использованием даже обычного бурового оборудования. Опыт эксплуатации ГС на нескольких месторождениях, накопленный к 1982 году, показал, что такие скважины обладают большими потенциальными возможностями для извлечения углеводородов из недр в условиях, где традиционные методы неэффективны.
Влияние формы ствола скважины на осложнения в процессе бурения
Следует отметить, что значительная часть осложнений при бурении стволов скважины Грущаная 1 происходила при прохождении КНБК глинистых отложений понта и верхней части меотиса до вскрытия песков и песчаников меотиса.
Таким образом, проведенный анализ даёт основание сделать вывод, что интервалы осложнений, преимущественно в виде посадок и затяжек, совпадают с извилистыми интервалами ствола, которые совпадают с интервалами управляемого бурения забойным двигателем-отклонителем.
В других нефтедобывающих регионах в интервалах управляемого бурения забойным двигателем-отклонителем осложнения, по тяжести сопоставимые с имевшими место при проводке скважины Грущаная 1 не отмечаются.
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что важным фактором снижения осложнений является плавная траектория бурения в интервалах залегания мягких неустойчивых горных пород, а также в интервалах многократного воздействия бурильной колонны на стенку скважины, что имеет место при проводке скважин с большим и сверх большим смещением забоя.
Анализ работы КНБК при бурении скважины Грущаная 1 Направленное искривление ствола скважины под обсадную колонну диаметром 245 мм осуществлялось следующей КНБК: - долото диаметром 295.3 мм; - калибратор со спиральными лопастями диаметром 293- -294 мм; - винтовой забойный двигатель ДРУ-240 с искривленным переводником 130"; - телесистема диаметром 172 мм. При бурении отдельных интервалов из данной КНБК исключался калибратор. При бурении роторным способом ствола скважины под обсадную колонну диаметром 245 мм применялись две конструкции КНБК. Основной объем проходки ствола скважины выполнен типовой КНБК для малоинтенсивного увеличения зенитного угла: - долото диаметром 295.3 мм; - удлинённый переводник диаметром 229 мм длиной 2.3-2.5 м; - калибратор-центратор со спиральными лопастями диаметром 294 мм; - УБТ-229 длиной 28-53 м; -УБТ-178 длиной 9-19 м. При бурении первого ствола в интервале 1924-2075 м была использована КНБК для стабилизации и малоинтенсивного увеличения зенитного угла: - долото диаметром 295.3 мм; - наддолотный калибратор со спиральными лопастями диаметром 295 мм; - удлинённый переводник диаметром 229 мм длиной 5.55 м; - калибратор-центратор со спиральными лопастями диаметром 294 мм; - УБТ-229 длиной 44 м; - УБТ-178 длиной 19 м. Типовая КНБК для малоинтенсивного увеличения зенитного угла, включающая долото, удлинённый переводник длиной 2.3-2.5 м, калибратор, УБТ-229 относится к жестким системам, так как её длина удовлетворяет соотношению: где Li - длина КНБК, м; EJ - жесткость секции КНБК на изгиб, кН м ; g - вес 1 м секции КНБК с учётом плотности бурового раствора, кН/м; D - диаметр долота, м; d - диаметр УБТ, м. Расчётная кривизна ствола скважины при бурении типовой КНБК для малоинтенсивного увеличения зенитного угла равна 5/100м. В случае замены в типовой КНБК УБТ диаметром 229 мм на УБТ диаметром 203 мм расчётная интенсивность увеличения зенитного угла, являющаяся показателем её назначения, равна 7/100м.
На рис. 1.40 для анализируемой типовой КНБК на основе УБТ диаметром 229 мм и 203 мм приведены зависимости величины отклоняющей силы на долоте и опорной реакции на ОЦЭ от радиуса кривизны ствола скважины с зенитным углом 40. Из графиков следует, что при всех значениях радиуса кривизны ствола скважины опорная реакция на ОЦЭ и отклоняющая сила на долоте существенно ниже у КНБК, собранной на основе УБТ-203. При этом опорная реакция на ОЦЭ применяемой типовой КНБК, включающей УБТ-229, превышает 2 тонны, что способствует интенсивному разрушению стенки скважины вооружением ОЦЭ в процессе проведения проработок и шаблонировок ствола в интервалах, сложенных мягкими горными породами. -0,5 -I і і— —і 1 1 і і 1 1 г
На участках направленного бурения с радиусом кривизны ствола 300-500 м, отклоняющая сила на долоте существенно увеличивается (рис. 1.40), что повышает риск забуривания нового ствола и способствует интенсивному фрезерованию долотом и калибратором стенки ствола скважины при проработках ствола в таких интервалах.
Таким образом, при использовании типовой КНБК на базе УБТ-229 предъявляются более жёсткие требования к конструкции ОЦЭ в части снижения контактного давления на стенку ствола, а также к технологии проработки ствола в сравнении с КНБК на основе УБТ меньшего диаметра.
На рис. 1.41 представлен график зависимости величины опорной реакции на ОЦЭ от зенитного угла для типовой КНБК, из которого видно, что в наклонном стволе скважины с зенитным углом 40 в сравнении с вертикальной скважиной нагрузка опорных элементов калибратора на стенку увеличивается более чем в 4 раза.
Анализируемая КНБК для роторного способа бурения относится к классу компоновок для малоинтенсивного увеличения зенитного угла, основанных на критерии, в соответствии с которым отклоняющая сила на долоте равна нулю. Считается, что при бурении такими КНБК искривление ствола скважины осуществляется за счёт фрезерования боковой поверхностью долота до момента, когда отклоняющая сила на долоте будет равна нулю. После чего дальнейшее искривление ствола будет осуществляться без отклоняющей силы на долоте.
Однако после выполнения указанного условия долото будет направлено под углом к траектории бурения, что способствует возникновению отклоняющей силы, под действием которой осуществляется постоянное фрезерование боковой поверхностью долота стенки ствола. При этом существенно снижается ресурс работы долота и при бурении мягких горных пород приводит к формированию «извилистого» ствола.
Зависимость опорной реакции на ОЦЭ от зенитного угла для КНБК, включающей долото диаметром 295,3 мм, переводник диаметром 229 мм и длиной 2,3 м, калибратор диаметром 294 мм, УБТ-229 Для выполнения условий равенства нулю отклоняющей и перерезывающей сил на долоте необходимо, чтобы и угол перекоса был равен нулю. При таких условиях на долоте горная порода будет разрушаться только в направлении оси ствола скважины или касательной к оси искривленного интервала скважины.
Таким образом, проведённый анализ работы КНБК, которые применялись при проводке основного и обводных стволов скважины Грущаная 1, позволяет сделать вывод, что одной из основных причин формирования извилистого стола является несоответствие конструкции КНБК и технологии их применения геологическому разрезу бурения. 1.5. Анализ методов расчета и оптимизации размеров КНБК
В уравнении (1.10) не учитывается изгибающий момент от продольной составляющей веса турбобура, а поперечная составляющая веса заменяется сосредоточенной силой, что снижает точность расчётов.
В работах [24, 25, 91, 98, 30] КНБК рассматривается как многоопорная балка. При этом отклоняющая сила, угол поворота оси долота определяются при условии равенства углов поворота упругой оси на каждой опоре. В указанных работах продольная распределенная нагрузка заменяется сосредоточенными силами.
Методико-математической основой инструкции по бурению турбинным способом наклонно направленных скважин в Западной Сибири является математическая модель, основанная на использовании уравнения трёх моментов для балок, расположенных на разновысоких опорах. Отклоняющая сила, угол поворота долота определяются из расчета статики КНБК. Уровни опор определяются как геометрией КНБК, так и кривизной ствола, в котором она расположена. Все опоры условно разделяются на два вида. К первому виду относятся опоры, на которых направление оси компоновки совпадает с направлением оси скважины. Это точки касания корпусом турбобура (за исключением его верхнего конца) и утяжелёнными бурильными трубами (обыкновенными бурильными трубами) стенки скважины.
Определение надёжности.работы разножесткостных КНБК в условиях действия доминирующих дестабилизирующих факторов
В табл. 3.1 приведены результаты расчёта разножесткостной КНБК на основе ГВЗД-172 с долотом диаметром 215.9 мм. КНБК включает нижний и верхний ОЦЭ, установленные на расстоянии 1.5 м и 6.85 м от долота соответственно. Для указанной КНБК был рассчитан диаметр ОЦЭ для различных бурильных труб, расположенных над верхним ОЦЭ. Оптимальные значения диаметра ОЦЭ получены для прямолинейного и искривленного (интенсивность увеличения зенитного угла 5/100м) ствола скважины с зенитным углом 30 и 60. Расчёты проводились по методике, описанной в разделе 2.2.
Диаметр нижнего ОЦЭ зависит преимущественно от радиуса кривизны ствола скважины, и для наклонно прямолинейного и искривленного ствола скважины он равен 215.8 мм и 213.8 мм соответственно.
На основании данных табл.3.1 построены графики (рис.3.1) зависимости величины диаметра верхнего ОЦЭ от жесткости на изгиб, расположенных над ним бурильных труб для случая размещения КНБК в стволе скважины с зенитным углом 60. С 5Т-127 СБ Г-140 СБТ-16 з 1 УБ1 178
На рис.3.2 построена зависимость диаметра верхнего центратора от интенсивности искривления ствола скважины для разных типов бурильных труб при размещении компоновки в стволе с зенитным углом 60.
Зависимость диаметра верхнего ОЦЭ от интенсивности искривления скважины и жёсткости бурильных труб Приведенные на рис.3.1 и 3.2 графики позволяют определить величину хода выдвижных опорных элементов верхнего ОЦЭ для проводки ствола скважины с помощью управляемых КНБК со стабилизацией зенитного угла и его корректирования на отдельных интервалах с интенсивностью увеличения зенитного угла 5/100м при использовании различных бурильных труб.
Применение оптимальных КНБК позволит осуществлять проводку интервалов со стабилизацией зенитного угла и интервалов его корректирования при оптимальном режиме работы долота, так как его ось совпадает с осью скважины, а отклоняющая сила равна нулю. При этом ствол скважины будет формироваться близким к идеальной форме, что будет способствовать:
Исследованиями А.С.Повалихина установлено, что существуют устойчивые и неустойчивые на проектной траектории КНБК с оптимальными размерами. Для КНБК устойчивого типа характерны малые следствия при небольших начальных возмущениях. Такие КНБК при изменении в процессе бурения по каким-либо причинам величины зенитного угла ствола скважины, являющегося показателем их назначения, при дальнейшем углублении стремятся восстановить проектную траекторию.
В приведенных ниже аналитических исследованиях рассматриваются только устойчивые на проектной траектории КНБК.
Предложенный метод позволяет рассчитать оптимальные размеры КНБК, но не даёт ответа на вопрос о надёжности её работы на проектной траектории бурения. Применительно к КНБК надёжностью работы является способность осуществлять бурение по проектному профилю при действии на неё внешних сил. В реальной скважине условия работы КНБК могут существенно отличаться от условий, заданных расчетной схемой. Например, диаметр ствола скважины может увеличиваться сразу же за долотом вследствие гидроэрозии стенки скважины, опорные элементы центраторов изнашиваются и внедряются в стенку ствола, а вал забойного двигателя может быть установлен с радиальным люфтом. Кроме того, в некоторых случаях при сборке КНБК не всегда могут быть выдержаны расчетные размеры. Для оценки надёжности конкретной КНБК необходимо ввести малые, но конечные отклонения от расчётной схемы, определить темп и направление увеличения отклоняющей силы и угла перекоса долота. На этой основе разработана известная система показателей, которая позволяет выбрать из множества расчетных оптимальных размеров вариант, обеспечивающий надёжность КНБК на проектной траектории бурения при воздействии основных дестабилизирующих факторов [67].
Строительство субгоризонтальных скважин осуществляется по типовой конструкции, которая предусматривает спуск промежуточной колонны диаметром 245 мм и эксплуатационной колонны диаметром 168 мм, бурение под которые осуществляется долотами диаметром 295.3 мм и 215.9 мм, соответственно [40]. При этом бурение под эксплуатационную колонну ведется ГВЗД-172 в сочетании с телесистемой с наружным диаметром 170 мм. КНБК может включать управляемый центратор (УЦ), который может быть установлен непосредственно над долотом или над нижним ОЦЭ.
Конструкция известных УЦ позволяет изменять диаметр его рабочей поверхности в забойных условиях. Например, УЦ фирмы Toolbox Drilling Solutions LTD имеет три рабочих положения его выдвижных элементов, регулируя диаметр ОЦЭ при нахождении долота на забое.
Рассмотрим несколько КНБК на основе забойного двигателя, предварительно определив оптимальные размеры: длину направляющей и верхней (расположенной между ОЦЭ) секций, диаметр ОЭЦ и УЦ. На рис.3.3. представлены зависимости диаметра УЦ от длины верхней секции КНБК на базе ВЗД-172, предназначенной для стабилизации зенитного угла ствола скважины. В зависимости от длины направляющей секции расчётный диаметр УЦ, при котором выполняется два условия оптимизации, изменяется в пределах от 200 до 215.9 мм. 2 5
Основные размеры КНБК с оптимальными размерами представлены в табл.3.3. Размеры КНБК по варианту 1а соответствуют одному условию критерия оптимизации -равенство нулю отклоняющей силы на долоте. Угол перекоса в этом случае равен 0.0049 рад, что соответствует поперечной силе на долоте, равной 58 кг. Эта сила является существенной, так как она превышает вес долота, и её необходимо учитывать при проведении расчётов. Следует отметить, что указанная поперечная сила направлена в сторону уменьшения зенитного угла.
Размеры КНБК по варианту 2а, За, 4а и 5а соответствуют критерию оптимизации, при котором отклоняющая сила и угол перекоса долота равны нулю. Нижний ОЦЭ располагается перед ВЗД на расстоянии 1.5 м, 2.0 м или 2.5 м от долота.
Применение результатов исследований для проектирования КНБК с оптимальными размерами на основе гидравлического забойного двигателя
Влияние этого фактора существенно и способствует образованию отклоняющей силы на долоте рассматриваемых компоновок, направленной в сторону уменьшения зенитного угла. Наибольшей тенденцией к уменьшению зенитного угла обладает КНБК-1, имея значение параметра Пндд = 0.58 при минимальной длине верхней секции 3 м. То есть при увеличении диаметра скважины на 2 мм возникает отклоняющая сила на долоте компоновки 1.16 кН. При увеличении диаметра ствола на 2 мм и более изменяется схема взаимодействия этой компоновки со стенками скважины, и она работает как одноцентраторная. Таким образом, для практического применения могут быть рекомендованы компоновки с длиной направляющей секции более 2 м.
Из приведённых графиков (рис.4.2-4.7) видно, что по абсолютному значению параметра ПНАД минимальное влияние на надёжность работы компоновок оказывает накопление шлама на нижней стенке скважины. Максимальное значение этого параметра - для КНБК-1 при Ьг = 3 м составляет 0.061 (рис.4.7). То есть при накоплении слоя шлама 10 мм отклоняющая сила будет 0.61 кН. При этом для всех компоновок она направлена в сторону увеличения зенитного угла.
Необходимо отметить, что для КНБК-2, 3, 4 увеличение длины верхней секции до 5 м способствует снижению надёжности работы компоновки при анализируемом факторе. Однако дальнейшее увеличение Ьг повышает надёжность её работы. Таким образом, в условиях накопления шлама длина верхней секции должна быть больше 5 м. При этом максимальная длина верхней секции может ограничиваться двумя параметрами: жесткостью секции и диаметром верхнего ОЦЭ, необходимого для оптимальных условий на долоте. По первому параметру максимальная длина верхней секции составляет 15.5 м. Превышение этой длины обуславливает работу секции, как упругого звена, а не жёсткого [38]. По второму параметру длина верхней секции не должна превышать 8.8 м, т.к. при длине 8.9 м уже диаметр УЦ составляет 215.7 м. Так что рациональной можно считать длину верхней секции в диапазоне 5м Ьг 8.8м.
Необходимо отметить, что некоторые дестабилизирующие факторы, способствуя образованию отклоняющей силы на долоте, при некотором своем значении начинают влиять таким образом, что отклоняющая сила уменьшается до нуля (рис. 4.8).
При этом схема взаимодействия компоновки со стенками скважины остаётся постоянной в пределах изменения величины диаметра верхнего центратора. На рис. 4.8 представлена зависимость отклоняющей силы на долоте КНБК-2 при длине верхней секции 4 м. При износе верхнего ОЦЭ на 20 мм и нижнего ОЦЭ на 10 мм по диаметру возникает максимальная отклоняющая сила 0.25 кН, направленная в сторону уменьшения зенитного угла. При износе верхнего ОЦЭ на 32 мм, а нижнего - на 16 мм, отклоняющая сила равна нулю. Но при этом угол перекоса на долоте КНБК составляет 0.0041 рад. Такое поведение КНБК объясняется соотношением схемы изнашивания опорных элементов компоновки и её жесткостных свойств.
Полученные графики (рис. 4.2-4.8) позволяют сделать следующие выводы. 1. Установлены закономерности поведения оптимальной КНБК с двумя ОЦЭ в условиях влияния на её работу доминирующих геолого-технологических факторов. 2. Для оптимальной КНБК с двумя ОЦЭ существует схема изменения линейных размеров, которая позволяет повысить надёжность выполнения проектной траектории бурения за счёт минимизации отклоняющей силы на долоте. 3. При уменьшении длины направляющей секции зависимость надёжности работы КНБК от расположения верхнего ОЦЭ увеличивается. При минимально возможной длине направляющей секции КНБК может по-разному реагировать на изменение условий бурения, что делает поведение такой компоновки менее предсказуемым по сравнению с остальными вариантами КНБК.
Установленные закономерности показателя надёжности КНБК на проектной траектории бурения позволят осуществлять выбор и проектирование КНБК с оптимальными размерами для стабилизации и управления траекторией бурения в условиях воздействиях основных геолого-технологических факторов.
Сделанные выводы содержат основные рекомендации по порядку проектирования КНБК, предназначенных для проводки наклонных интервалов профиля скважин в условиях действия дестабилизирующих факторов. Подобным образом можно подобрать КНБК для любых геологических условий по методике, которая заключается в следующем.
Применение результатов исследований для проектирования КНБК с оптимальными размерами на основе гидравлического забойного двигателя
Цель работы заключалась в разработке рекомендаций по конструкции скважины и технологии бурения поисковой скважины № 1-бис на площади Грущаная.
На основании промысловых данных и результатов геофизических исследований, полученных при строительстве скважины № 1 Грущаная, № 1 Новая, № 1, 2, 3 Чумаковская, № 2 Свистельниковская, были разработаны рекомендации по конструкции и бурению наклонно направленных скважин на месторождениях Лимано-Плавниевой группы и технология их проводки.
Целью поискового бурения на площади Грущаная являлось установление и последующее оконтуривание залежей углеводородов и оценка запасов промышленных категорий Ci+ Сг Разработанные рекомендации на строительство скважины Грущаная 1-бис основаны на следующих положениях:
