Содержание к диссертации
Введение 6
1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ БУРЕНИИ
СКВАЖИН ВИНТОВЫМИ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ
(ВЗД) 16
1.1 Место и роль гидродинамических процессов бурящихся с при
менением ВЗД скважин 16
Сложившаяся практика гидравлических расчётов при бурении скважин 23
Некоторые методы определения рациональных технологических параметров при бурении скважин винтовыми забойными двигателями 28
2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЗД 42
Существующие подходы к математическому моделированию рабочего процесса ВЗД 42
Характеристика ВЗД при использовании в качестве рабочего агента глинистого раствора 55
К расчёту характеристики ВЗД при использовании в качестве рабочего агента газожидкостной смеси 64
2.3.1. Водовоздушная смесь 64
2.3.2 Аэрированный глинистый раствор 68
3. ТУРБУЛЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛИНИСТЫХ РАС
ТВОРОВ В ТРУБЕ 73
3.1 Кондукционный метод измерения пульсаций скорости в пото
ках жидкостей и методика проведения экспериментальных ис
следований 74
3.2. Экспериментальные исследования турбулентных характери- 87
стик потоков глинистых растворов
Исследования переходного режима 88
Исследования турбулентных характеристик 98
3.3. О применении сведений о структуре турбулентного потока бу
ровых растворов при решении некоторых задач, возникающих
при проводке глубоких скважин 105
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОЛЬЦЕВОМ ПРОСТРАНСТВЕ БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ 112
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УТЯЖЕЛЁННЫХ БУРИЛЬНЫХ ТРУБ (УБТ) И РАЗРАБОТКА МЕТОДА СТАБИЛИЗАЦИИ КОМПОНОВКИ НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ (КНБК) С ВИНТОВЫМ ЗАБОЙНЫМ-ДВИГАТЕЛЕМ 116
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЫВКИ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН ВЗД 129
Алгоритм расчёта по определению параметров промывки при бурении вертикальных скважин 129
Алгоритм расчёта параметров промывки, компоновки, эксцентриситета и скорости спуско-подъёмных операций при проводке наклонных скважин 137
Алгоритм расчёта параметров промывки, эксцентриситета и скорости спуско-подъёмных операций при бурении горизонтальных скважин 141
7. ГИДРОДИНАМИКА ПРИ ПРОМЫВКЕ БУРЯЩЕЙСЯ
СКВАЖИНЫ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСЬЮ 144
Забойное давление при бурении скважин водовоз душной смесью и совпадении осей ствола скважины и колонны бурильных труб 146
Забойное давление в случае бурения скважин аэрированным глинистым раствором при условии, что смесь является квазигомогенной 151
Забойное давление при промывке бурящейся скважины газожидкостной смесью с учётом эксцентриситета колонны бурильных труб относительно оси ствола скважины 155
Определение режима при течении газированной вязкопластич-ной жидкости между двумя цилиндрами 158
Номограммы для определения забойного давления при бурении скважин 160
Забойное давление, обусловленное движением газожидкостной смеси между двумя концентрично расположенными цилиндрами в случае неравенства между расходным и истинным газосодержанием, а также турбулентного режима течения 160
О возможности пренебрежения силами трения при определении забойного давления, обусловленными движением газожидкостной смеси. Сравнительные расчёты по номограммам 166
Номограмма для определения забойного давления в случае «квазигомогенной» газожидкостной смеси 169
7.6. Забойное давление наклонной и горизонтальной бурящихся
скважин в случае промывки их аэрированной вязкопластичной
смесью и эксцентричном расположении колонны относительно
оси скважины 179
Наклонно направленная скважина 179
Горизонтальная скважина 182
7.7 Определение скорости и расхода газожидкостной смеси для
выноса выбуренной породы 185
7.7.1 Определение скорости в любой точке газожидкостной смеси
при движении её в кольцевом пространстве 185
7.7.2. Определение скорости оседания частиц в вязкой и вязкопла
стичной жидкостях 189
*
Определение расхода жидкости и газа, необходимых для выноса выбуренной породы при турбулентном режиме течения и совпадении осей колонны труб и скважины 195
Определение расхода при промывке бурящейся скважины в случае эксцентричного расположения колонны относительно
оси ствола и турбулентного режима течения 198
Определение расходов жидкости и газа при ламинарном течении газожидкостной смеси в эксцентричном кольцевом пространстве 206
Гидродинамические соотношения при движении вязкопластич-ной газожидкостной смеси в эксцентричном кольцевом пространстве 213
Установившееся течение однородной (дегазированной) вязко-пластичной жидкости в эксцентричном кольцевом пространстве 214
Определение расходов жидкости и газа при структурном течении аэрированной смеси в эксцентричном кольцевом пространстве 243
Определение технологических параметров и эксцентриситета при промывке бурящейся скважины газожидкостной смесью 247
8. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК И ПРО
ГРАММ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН ВЗД 252
Основные выводы 263
Литература 265
Введение к работе
После шестидесятых годов двадцатого столетия поиск резервов в нефтегазовой отрасли привёл к разработке несколько технических средств, позволившими ускорить процесс бурения нефтяных и газовых скважин и удешевить стоимость метра проходки. К таким средствам относится созданный в нашей стране низкооборотный высокомоментный винтовой забойный двигатель. Работы по созданию винтовых забойных двигателей (ВЗД) были в основном завершены к началу 90-х годов прошлого столетия, однако совершенствование технологического процесса бурения с применением ВЗД сдерживалось низкой долговечностью двигателей, а также недостаточным исследованием гидродинамических процессов, происходящих как в винтовом двигателе, так и в стволе бурящейся скважины в процессе её промывки многофазными и газожидкостными смесями. В начале 21 века в результате развития технологии изготовления деталей ВЗД с использованием современных достижений науки и техники появилось новое поколение двигателей повышенной долговечностью, что позволило значительно расширить масштабы их применения во всех технологических операциях при различных режимах бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Это привело к необходимости создания новых эффективных методов расчёта параметров циркуляционной системы бурящихся с применением ВЗД скважин различного профиля.
Известно, что качество ствола бурящейся скважины обусловливается параметрами её промывки в процессе бурения, т.е. расходом и реологическими свойствами буровых растворов. Необходимо отметить, что перепады давления в винтовом забойном двигателе соизмеримы с энергетическими затратами во всей циркуляционной системе. В предшествующих работах расход промывочной жидкости определяется по задаваемой на основании накопленного опыта бурения средней скорости восходящего потока и рекомендуемыми паспортными характеристиками ВЗД при работе его на воде, что ограничивает применение предлагаемых гидравлических программ, т.к. большинство скважин прово-
дятся с помощью буровых растворов, всё большее применение находят газированные промывочные смеси. При этом реологические свойства промывочных жидкостей также задаются исходя из опыта бурения в конкретном регионе. Та-
Ф кой эмпирический подход при строительстве скважины отрицательно сказыва-
ется на механической скорости бурения, качестве ствола и продолжительности последующей её эксплуатации.
Для выбора рациональных параметров промывки бурящейся скважины немаловажное значение имеет расположение колонны бурильных труб относительно оси скважины. Так, например, при промывке скважины однородной жидкостью отношение потерь давления при концентричном положении колонны к соответствующей величине, возникающей при максимальном эксцентриситете, составляет примерно 2,5. В случае газожидкостных смесей влияние эксцентриситета на забойное давление мало исследовано, но можно предположить, что оно будет значительным.
^ Наличие эксцентриситета является источником зарождения застойных
зон, что отрицательно влияет на качество ствола и эффективность крепления скважин.
Одним из основных назначений промывочной жидкости является вынос
0 выбуренной породы из любой точки кольцевого пространства. При наличии
эксцентриситета скорость движения жидкости в наиболее широкой части может быть на порядок и более выше скорости в относительно узкой части пространства между колонной бурильных труб и скважины. Это обстоятельство приводит к движению жидкости при одновременном существовании ламинарного и турбулентного режимов течения в различных частях эксцентричного кольцевого пространства. Необходимо знание внутренней структуры турбулентного потока буровых растворов, т.к. турбулентные пульсации могут являться причиной размыва и разрушения стенок скважины со всеми вытекающими негативными последствиями.
Известно, что режим течения определяется геометрическим размерами поперечного сечения канала, расходом (скоростью) и реологическими свойст-
вами жидкости. Следовательно, расход, реологические свойства жидкости и эксцентриситет колонны бурильных труб относительно оси ствола скважины должны быть такими, чтобы обеспечить вынос выбуренной породы из наиболее узкой части эксцентричного кольцевого пространства и структурный режим течения в наиболее широкой части между колонной бурильных труб и стенкой скважины.
Актуальность темы диссертационной работы обосновывается тем, что, с одной стороны, удельный вес бурения винтовыми забойными двигателями в общей проходке на буровых предприятиях непрерывно растёт, по отдельным источникам сейчас он составляет около 60%. С другой стороны, в бурении скважин важнейшей задачей является сохранение целостности проходимых пластов, решение которой зависит от правильного выбора режимов промывки и свойств промывочной жидкости. Бурение горизонтальных участков скважин, при восстановлении скважин методом бурения боковых стволов, при капитальном ремонте проводится в основном с применением ВЗД. Отметим, что до начала работы над диссертацией мы не располагали характеристиками современных ВЗД с применением в качестве рабочего агента как однородных так и газированных буровых растворов.
Отсутствие комплексного подхода к расчёту рациональных параметров промывки скважин многофазными жидкостями и газированными смесями при бурении винтовыми забойными двигателями определило цели и задачи настоящей работы.
Основной целью работы является повышение технико-экономических показателей бурения нефтяных и газовых скважин винтовыми забойными двигателями на базе научно обоснованного применения гидродинамических методов для выбора режимов промывки.
Основными задачами работы являются:
1. Определение рабочих характеристик ВЗД нового поколения при использовании в качестве рабочего агента глинистого раствора и газожидкостной смеси.
Исследование возможности применения методов математической статистики для определения технологии бурения с применением ВЗД.
Определение внутренней структуры глинистых растворов при турбулентном режиме течения.
Разработка алгоритмов расчёта и программ на ЭВМ по определению параметров промывки при бурении винтовыми забойными двигателями вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин с учетом эксцентриситета колонны бурильных труб относительно ствола скважины и особенностей, возникающих при спуско-подъемных операциях.
Определение забойного давления в бурящейся скважине при промывке водовоздушной смесью и аэрированным глинистым раствором при концентричном и эксцентричном расположении колонны бурильных труб в наклонной и горизонтальных скважинах.
Определение необходимых расходов при использовании водовоздушной и вязкопластичной газожидкостными смесями, необходимых для выноса выбуренной породы при ламинарном и турбулентном режимах течения в случаях концентричного и эксцентричного расположения колонны бурильных труб относительно оси ствола скважины.
Объектом исследования данной работы является система гидродинамических закономерностей технологического процесса промывки глубоких скважин вязкими и вязкопластичными газированными и дегазированными жидкостями.
Предмет исследования - вертикальные, наклонно направленные и горизонтальные скважины, бурящиеся винтовыми забойными двигателями при концентричном и эксцентричном расположении бурильной колонны относительно ствола.
Методическую и теоретическую основы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области гидродинамики симметричных и асимметричных потоков неньютоновских и многофазных
жидкостей при различных режимах течения, общих положений гидравлики применительно к бурению нефтяных и газовых скважин, а также гидравлических особенностей рабочего процесса в двигательной секции винтового забойного двигателя. Работы проводились на базе специально разработанных методик и экспериментальных установок, обеспечивающих целенаправленное исследование гидродинамических процессов в трубе и между двумя цилиндрами, двигательной секции винтовых двигателях, промысловых исследованиях и испытаниях новых алгоритмов расчёта рациональных параметров промывки при бурении скважин.
В числе информационных источников диссертации использованы научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчётов, материалов научных конференций, семинаров, результаты собственных расчётов и экспериментов. Значительный вклад в развитие методологической и теоретической базы исследований проблем, связанных с гидродинамическими особенностями движения многофазных систем, внесли А.А. Арманд, Н.А., Гукасов, СИ. Криль, С.С. Кутателадзе, Л.С Лейбензон, В.А. Мамаев, А.О. Межлумов, Е.М. Минский, А.Х. Мирзаджанзаде, Б.И. Митель-ман, Д.Ю. Мочернюк, Г.Э. Одишария, Н.И. Семенов, М.А. Стырикович, А.А. Точигин, Р.И. Шищенко, G.C Howard, СЕ. Jack, B.V. Randall; в разработку теории рабочего процесса винтового забойного двигателя - Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, М.Т. Гусман, Ю.А. Коротаев, A.M. Кочнев, С.С. Никомаров; в создание технологии бурения скважин с применением ВЗД - П.И. Астафьев, В.О. Белоруссов, Т.Н. Бикчурин, Ю.В. Вадецкий, А.Г. Калинин, В.А. Каплун, И.К. Князев, В.И. Крылов, Б.А. Никитин и целый ряд других авторов. Заранее при-ноим извинения авторам, работы которых в силу тех или иных причин не попали в поле нашего зрения, частично они приведены в списке литературы.
В диссертации впервые выводятся с помощью теории размерностей и подобия соотношения для определения потерь давления и числа оборотов выходного вала в ВЗД нового поколения при использовании в качестве рабочего агента воды, глинистого раствора и аэрированных смесей.
По разработанной автором методики проведения с помощью кондукци-онного анемометра экспериментальных исследований внутренних характеристик турбулентных потоков неньютоновских жидкостей, каковыми являются буровые растворы, при непосредственном участии автора были измерены продольные и поперечные составляющие пульсационнои скорости, определены их корреляционные и спектральные характеристики. Анализ этих связей позволил наглядно представить масштаб и внутреннюю структуру потока для выяснения вопросов, связанных с диссипацией турбулентной энергии, обнаружить возвратное относительно оси потока пульсационное течение, существование вихрей различного масштаба, продольная пульсационная составляющая которых имеет широкий частотный спектр. Результаты измерений спектральной плотности турбулентных пульсаций позволили установить, что в потоках вязкой жидкости и исследованных глинистых растворов средний размер вихрей одного порядка. Это указывает на подавление неньютоновских свойств растворов.
Автором, совместно с проф. Н.А. Гукасовым, исследованы гидродинамические процессы в кольцевом пространстве бурящейся скважины при различных режимах течения вязких и вязкопластичнных жидкостей. В результате были выведены расчётные зависимости для определения скорости движения вязкой и вязкопластичной жидкостями отличающиеся тем, что скорость определяется в любой точке эксцентричного кольцевого пространства. Выведены также соотношения для определения расхода жидкостей, обеспечивающего вынос выбуренной породы из наиболее узкой части эксцентричного кольцевого пространства.
Развивая ранее известные достижения гидродинамики газожидкостных смесей, автором проведены теоретические исследования по определению забойного давления при использовании аэрированных промывочных сред: воды и глинистых растворов, являющимися неньютоновскими жидкостями. Найдены методы определения режимов течения газированной вязкопластичной жидкости между двумя цилиндрами. Получены формулы для определения забойного давления при промывке водовоздушнои смесью и совпадении осей ствола
скважины и колонны труб, а также при промывке газожидкостной смесью с учётом эксцентриситета. Выведены расчётные зависимости для определения забойного давления в случае промывки аэрированным глинистым раствором при бурении как наклонных, так и горизонтальных скважин. Необходимо отметить, что в последнем случае газожидкостная смесь рассматривалась и как «квазигомогенная», когда не имеет место проскальзывание газа, а также в случае неравенства расходной и объёмной концентраций газа.
Для определения скорости и расхода газожидкостной смеси для выноса выбуренной породы автором впервые решены задачи:
- определение перепада давления в ВЗД;
- определение скорости оседания частиц в вязкой и вязкопластичной
жидкостях;
определение скорости в любой точке газожидкостной смеси при движении её в кольцевом пространстве;
определение расходов жидкости и газа при ламинарном и турбулентном режимах течения в случае совпадении осей колонны труб и скважины и эксцентричном расположении колонны;
- определение технологических параметров и эксцентриситета при промывке скважины вязкопластичной газожидкостной смесью.
Расчётные соотношения, полученные в диссертации отличаются ещё и тем, что предлагаются как для случая, когда бурильная колонна представляет собой цилиндр постоянного диаметра, так и с учётом наличия утяжелённых бурильных труб. Также разработаны методы стабилизации компоновки низа бурильной колонны с винтовым забойным двигателем с установкой в определенном месте двойного опорно - центрирующего устройства.
Все выведенные уравнения могут быть использованы автономно. Для оперативного определения давления на забое по выведенным уравнениям построены соответствующие номограммы, позволяющие просто и с высокой точностью находить искомую величину.
Предлагаемые методы гидравлических расчётов при бурении скважин винтовыми забойными двигателями отличаются тем, что скорость в кольцевом пространстве и реологические свойства промывочной жидкости определяются, а не задаются исходя из опыта бурения, как это делается по существующим гидравлическим программам.
Приведенные в диссертации системы уравнений, позволяют рассчитывать расходы жидкости и газа, реологические свойства и другие показатели промывки, обуславливающие высокое качество ствола скважины и максимально возможности скорости бурения.
Практическая ценность состоит в том, что результаты исследований могут быть использованы специалистами организаций и предприятий нефтегазовой промышленности, занимающихся проектированием, бурением и капитальном ремонтом скважин с применением винтовых забойных двигателей, а также инженеров-конструкторов при проектировании новых ВЗД в случае использования в качестве рабочего агента воды, вязкопластичных глинистых растворов и газожидкостных смесей. Для прогнозирования и управления процессом промывки при бурении скважин ВЗД с учётом полученных новых методов расчёта с участием автора разработаны программы на ЭВМ, зарегистрированные в Реестре программ для ЭВМ в Российском агентстве по патентным и товарным знакам. Положения, разработанные в диссертации, успешно использовались при бурении винтовыми забойными двигателями с применением газированной промывочной жидкости наклонно направленной скважины № 327 Сибирского месторождения ООО «ЛУКОЙЛ-БУРЕНИЕ ПЕРМЬ» (Пермская область), наклонных скважин № 172-Южно-Афанасиевская Долинского УБР и № 545-Бугруватовская Прикарпатского УБР ОАО «Укрнефть» (Украина), горизонтальной скважины № 2474 Черепановской площади (Удмуртская республика). Предложенные методы и программы на ЭВМ применялись ООО «ПермНИПИ-нефть» при составлении проектов на бурение скважин на Тэдинском и Тобой-ском месторождениях (Архангельская область), а также на Шершневском и Ап-тугайском месторождениях (Пермская область).
Выводы выполненных исследований и рекомендации, высказанные в работе, могут быть использованы также научными работниками, изучающими гидродинамические процессы многофазных систем.
Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях учёного совета Всесоюзного научно-исследовательского института буровой техники (г. Москва, 1971, 1972 гг.), учёного совета Пермского филиала Всесоюзного научно-исследовательского института буровой техники (г. Пермь, с 1977 по 1986 год, ежегодно), Третьем Всесоюзном семинаре по гидравлике промывочных жидкостей и цементных растворов в бурении, посвященному памяти П.П. Шумилова (г. Октябрьск, 1971 г.), Четвёртом Всесоюзном совещании по тепло- и массообмену (г. Минск, 1972 г.), Пятой международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, 2002 г.).
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 36 работах, в том числе двух монографиях и одном обзоре.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту, можно определить следующим образом.
Для управления процессом промывки бурящейся винтовыми забойными двигателями скважин в работе сформулированы и обоснованы новые принципы совершенствования гидродинамики вязких, вязкопластичных дегазированных и газированных жидкостей и методов расчёта циркуляционной системы многопрофильных скважин.
Принципы создания математических моделей для определения рабочих характеристик винтовых забойных двигателей при работе на глинистых растворах и газожидкостных смесях.
Принципы экспериментального исследования внутренней структуры турбулентного потока вязкопластичных глинистых растворов, при использовании которых получены результаты, доказывающие независимость потерь давления от динамического напряжения сдвига при турбулентном режиме течения.
Принципы управления гидродинамическими процессами в пространстве между колонной бурильных труб и стенкой скважины (вертикальной, на-
клонно направленной и горизонтальной) с учётом несовпадения их осей с определением рациональной скорости движения в любой точке пространства и расхода дегазированной и газированной промывочных жидкостей, обеспечивающих полную очистку от выбуренной породы.
4. Новый подход к определению забойного давления бурящейся скважины при использовании водовоздушной смеси и аэрированного бурового раствора отличающийся учетом наличия эксцентриситета между осями бурильных труб и ствола скважины.
В структуру диссертационной работы входят разделы, отражающие:
критический анализ состояния проблемы управления гидродинамическими процессами при бурении нефтяных скважин винтовыми забойными двигателями;
гидродинамические процессы в современных ВЗД;
исследование турбулентных характеристик потоков буровых растворов;
- гидродинамические процессы в кольцевом пространстве бурящейся
скважины;
гидродинамику при промывке бурящихся скважин разных профилей газожидкостной смесью;
алгоритмы расчёта параметров промывки и применение разработанных методик и программ на ЭВМ при бурении скважин ВЗД;
результаты опытного бурения с применением результатов проведенных исследований и разработанных соответствующих алгоритмов и программ на ЭВМ.
