Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние крутильных колебаний бурильной колонны на транспорт шлама в горизонтальной скважине

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Алван Карим Абдул Хасан

Введение

1. Анализ теоретических и экспериментальных исследований транспорта шлама в горизонтальных скважинах

1.1 Введение

1.1.1 Области применения горизонтальных скважин

1.1.2 Исторический взгляд на горизонтальное бурение

1.1.3 Промывка скважин при горизонтальном бурении

1.2 Анализ теоретических исследований б

1.2.1 Влияние эксцентрйситета и вращения бурильной колонны на течение раствора в кольцевом пространстве

1.2.2 Влияние движения бурильной колонны на течение жидкости в кольцевом пространстве

1.2.2.1 Влияние вращения бурильной колонны на течение бурового раствора в кольцевом пространстве

1.2.2.2 Влияние колебания бурильной трубы на течение жидкости в кольцевом пространстве

1.2.3 Математические модели движения шлама в горизонтальных скважинах

1.3 Анализ экспериментальных исследований по транспорту шлама

1.4 Анализ промысловых исследований

1.5 Способы улучшения очистки горизонтальных скважин 67 1.5.1 Очистка скважин способом оптимизации свойств бурового раствора

1.5.2 Очистка скважин с помощью специальных технических средств

1.6 О влиянии движения бурильной колонны на силы сопротивления её движению

1.7 Выводы

2. Закономерности движения шлама в горизонтальных скважинах

2.1 Необходимость выявления закономерности транспорта шлама в горизонтальных скважинах

2.2 Безразмерный анализ параметров, влияющих на процесс транспорта шлама

2.3 Вынос шлама при турбулентном режиме течения раствора

2.3 Вынос шлама при ламинарном режиме течения раствора

2.5 Выводы

3. Экспериментальное исследование выноса шлама из горизонтальных скважин при наличии крутильных колебаний бурильной колонны

3.1 Цели экспериментов

3.2 Лабораторная установка

3.3 Методика проведения опыта

3.5 Статическая обработка данных экспериментов 89 3.5.1 Анализ погрешностей исследований на нескольких экспериментов

3.6 Обработка результатов экспериментов

3.7 Обсуждение результатов экспериментов 102 3.7.1 Влияние эксцентриситета внутренней трубы

3.7.2 Влияние частоты колебания 103 3.7.2.1 Критическая частота колебания

3.7.3 Влияние типа и размера частиц шлама

3.7.4 Влияние диаметра внутренней трубы

3.7.5 Влияние реологических свойств промывочной жидкости

3.7.6 Влияние противодвижений

3.8 Сравнение влияния колебательного движения с влиянием полного вращения бурильной колонны на транспорт шлама в горизонтальных скважинах

3.9 Выводы

4. Обобщение результатов экспериментов по транспорту шлама на базе безразмерных параметров

4.1 Влияние безразмерных параметров на транспорт шлама при ламинарном режиме течения

4.2 Порядок важности параметров очистки скважины

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Влияние крутильных колебаний бурильной колонны на транспорт шлама в горизонтальной скважине"

При бурении горизонтальных скважин в режиме ориентирования отклонителя в результате того, что бурильная колонна (под действием силы тяжести) находится на нижней стенке скважины и её вращение ограничено, существенно ухудшается вынос шлама, и возрастают силы сопротивления поступательному движению бурильной колонны в направлении забоя, то есть подаче колонны на забой для создания оптимальной нагрузки на долото. При этом снижаются показатели работы долот и качество управления траекторией скважины, и возрастает риск возникновения осложнений.

Поэтому исследования и разработки, направленные на решение проблемы выноса шлама и, следовательно, на создание оптимальной нагрузки на долоте и формирование качественного ствола скважины, приобретают важное практическое и теоретическое значение.

Одним из менее затратных способов улучшения очистки ствола скважины является увеличение скорости восходящего потока за счет увеличения подачи буровых насосов. Однако, увеличение подачи насосов регламентируется использованием отклоняющих компоновок с забойными двигателями, наличием разрезов пород, склонных к обвалам с низкими давлениями поглощения, отсутствием спецоборудования для герметизации устья скважины.

Поэтому, для улучшения очистки пологих и горизонтальных скважин используются и предлагаются несколько способов, требующих дополнительных устройств в наземном или подземном оборудовании и приводящих к затрате существенной доли стоимости скважины. К этим способам относятся: использование системы поперечных сопел; очистка горизонтальной скважины обратной промывкой с выносом шлама через бурильную колонну; использование наддолотных устройств с отверстиями направленные в сторону устья скважины; при помощи нестационарных режимов (здесь имеется в виду пульсирующий гидродинамический режим); создания радиальных колебаний бурильной колонны; создание крутильных колебаний (разработанный в диссертации).

Активным методом улучшения транспорта шлама в пологих и горизонтальных скважинах и снижения сил трения является вращение бурильной колонны при роторном способе бурения. Практика буровых работ показала эффективность данного метода, но вместе с тем, при бурении горизонтальных скважин требуется создание большого по величине вращающего момента на роторе, что способствует возникновению аварийных ситуаций, связанных с поломкой бурильного инструмента, а также приводит к разрушению стенок скважин вследствие вращения деформированной бурильной колонны. Таким образом, надо разработать и исследовать другой вид движения бурильной колонны, который приводит к улучшению транспорта шлама и уменьшению осевой силы сопротивления и имеет возможности его выполнения в процессе бурения горизонтальных скважин с забойными двигателями.

Автор диссертации выражает искреннюю признательность своему научному руководителю доц. В.И. Исаеву и своему научному консультанту с.н.с O.A. Маркову за постоянную помощь, внимание и поддержку при выполнении работы. Автор благодарен заведующему кафедрой бурения нефтяных и газовых скважин РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, проф. O.K. Ангелопуло, преподавателям и сотрудникам кафедры, которые оказали помощь и поддержку в процессе работы и, прежде всего проф. Е.Г. Леонову и доц. И.А. Ведищеву.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Алван Карим Абдул Хасан

Основные выводы

Крутильные колебания бурильной колонны являются новым перспективным средством улучшения очистки горизонтальных стволов.

1. Разработана параметрическая модель, которая описывает процесс транспорта шлама в пологих и горизонтальных скважинах. Модель подтверждена проведенными экспериментами и результатами работ других авторов.

2. Впервые разработана лабораторная установка для исследования влияния крутильных колебаний на транспорт шлама в горизонтальной скважине.

3. Крутильные колебания бурильной колонны позволяют обеспечить очистку горизонтальных стволов при меньших расходах промывочной жидкостей по сравнению с неподвижной бурильной колонной или при её полном вращении.

4. Для создания наилучших условий транспорта известнякового шлама по сравнению с песчаниковым следует задавать в кольцевом пространстве большие величины углов колебаний с низкой частотой.

5. Наилучшие условия транспорта песчаникового шлама будут созданы при колебательных движениях бурильной колонны с углом 60°.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Алван Карим Абдул Хасан, Москва

1. Акбулатов Т.О. Вынос частиц шлама из горизонтального ствола скважины. Известия Вузов, Нефть и газ, № 1, 2000, с. 34.

2. Алван К.А., Исаев В.И., Марков O.A. Влияние крутильных колебаний бурильной колонны на вынос шлама в горизонтальных скважинах. Доклад на 3-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 2000, с 48.

3. Алван К.А., Исаев В.И., Марков O.A. Закономерность движения шлама в горизонтальных скважинах. Доклад на 4-ой научно-техническая конференции, посевященной 300-летию инженерного образования в России. Москва, января 2001, с. 14.

4. Алван К.А., Исаев В.И., Марков O.A., Шуть Н.Ф., Юнин Е.К. Влияние крутильных колебаний бурильной колонны на вынос шлама и создание нагрузки на долото в горизонтальных скважинах. Бурение, № 3, 2001, с. 20-24.

5. Александров М.М. Силы сопротивления при движении труб в скважине. М.: Недра, 1978,208 с.

6. Брюховецкий О.С. Гидравлическая модель потока гидросмеси для условий напорного транспортирования минерального сырья. М.: Геоинформмарк, 1990, 87с.

7. Булатов А.И. Теория и практика заканчивания скважин, в 5 томов, том-1. М.: Недра, 1997, 394 с.

8. Васильченко C.B., Потапов А.Г. Условия образования шламовых дюн в наклонных участках скважины. Доклад на 2-м международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, ноября 1997.

9. Галян Д.А., Горонович С.Н., Комарова Н.М., Чадина, Н.П. Проблемы промывки при строительстве горизонтальных скважин ОНГКМ. Доклад на 3-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 2000, 148 с.

10. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей). М.: Недра, 1985.

11. Гукасов H.A. Гидродинамические особенности промывки и крепления скважин. М.: Недра, 1979, 164 с.

12. Гукасов H.A. Прикладная гидромеханика в бурении. М.: Недра, 1999, 354 с.

13. Гукасов H.A. Справочное пособие по гидродинамике в бурении. М.: Недра, 1982,277с.

14. Дейв Винчестер, Дейв Гудспет, Чарльз Боатмен, Гарри Вест.

15. Безаварийное бурение горизонтальных скважин с использованием хлоркальциевого высоковязкого бурового раствора. Нефтегазовые технологии No.l, 2000, с. 58.

16. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке методы обработки данных. М.: Издательство "Мир", 1980, 510 с.

17. Дихтярь Т.Д., Мулюков P.A., Конесев Г.В. Смазочная добавка к буровым растворам на основе синтетических жирных кислот. Доклад, на 2-м международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 1997.

18. Жидовцев H.A. Влияние схемы размещения насадок в долоте на качество очистки забоя скважины. Нефтяное хозяйство, 1975, № 5. с. 1922.

19. Заря А.Н. Концентрация гидросмеси. Известия вузов, Нефть и газ, No-9 1984, с.57.

20. Иванников В.И. Технология для интенсификации бурения горизонтальных скважин, доклад на 3-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 2000, 148 с.

21. Ипполитов В.В., Севодин Н.М., Усынин А.Ф., Штоль В.Ф., Кашкаров Н.Г. Новые способы обеспечения качества промывочных жидкостей. Газовая промышленность, 12, 1998, с. 30.

22. Калинин А.Г., Никитин Б. А. Повышение газонефтеотдачи продуктивного пласта при бурении горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин. Москва, ВНИИОЭНГ, 1995.

23. Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодкий K.M., Султанов Б.З. Бурение наклонных и горизонтальных скважин. М.: Недра, 1997, 647 с.

24. Киселев В.А., Махоро В.А. Разработка и применение специальных буровых растворов для бурения горизонтальных скважин. Нефтяное хозяйство, № 3, 1998, с. 22.

25. Кодзаев Ю.В. Бурение разведочных горизонтальных скважин. М.: Недра, 1978,222 с.

26. Крылов В.И. Крецул В.В. Гидродинамические особенности бурения горизонтальных скважин. Нефтяное Хозяйство, июнь-2000, с. 20.

27. Крылов В.И., Толстоухов A.A. Пути повышения качества очистки стволов горизонтальных скважин. Доклад на 3-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 2000, 148 с.

28. Лаврентьев B.C., Лихшин A.M., Мигуля А.И., Шамшин В.И. Очистка ствола горизонтальной скважины. Газовая промышленность, № 1, 1998, с. 41.

29. Леонов Е.Г., Исаев В.И., Лукьянов И.П. Определение расхода жидкости разной реологии для транспорта единичных твердых частиц в наклонных трубах и кольцевых каналах. ВИНИТИ, №. 1091-В 93, ДЕП.

30. Леонов Е.Г., Исаев В.И. Гидроаэромеханика в бурении. М.: Недра, 1987, 303 с.

31. Леонов Е.Г., Финатьев Ю.П., Филатов Б.С. О влиянии вращения внутреннего цилиндра на условие равновесия сферических частиц, обтекаемых турбулентным восходящим потоком в кольцевом канале. Инженерно-физический журнал, том 12, № 6, июнь 1997.

32. Макаренко П.П. Комплексное решение проблем развития газодобывающего региона. М.: Недра, 1996.

33. Мирзаджанзаде А.Х., Ентов В.М. Гидродинамика в бурении. М.: Недра, 1985,194 с.

34. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Недра, 1987. т-1.

35. Новиков B.C., Долгих А.Е., Марченко С.Н., Дерр B.C., Шерман Т.П. Ингибирующий буровой раствор для бурения горизонтальных скважин. Доклад на 3-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 2000, 148 с.

36. Овчинников В.П., Аксенова H.A., Овчинников П.В., Салтыков В.В., Сорокин В.Ф., Подшибякин В.В., Гаршина О.В., Нацепинская A.M., Татауров В.Г. Буровые растворы для вскрытия продуктивных пластов. Журнал Нефть и газ, № 4, 2000, с 21.

37. Панфилов Г.А. Анализ условий нагружения долота при бурении горизонтальных скважин. Известия вузов, Нефть и газ, № 2, 2000, с. 48.

38. Панфилов Г.А. Движение промывочной жидкости в кольцевом зазоре при радиальных колебаниях бурильной колонны. Известий вузов, нефть и газ, № 3, 2000, с. 89.

39. Пеньков А.И., Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Беленко Е.В., Острягин

40. A.И., Любимов B.C. Повышение эффективности действия смазочных добавок для буровых растворов. Нефтяное хозяйство № 5, 2000, с. 33.

41. Смолдырев А.Е. Трубопровдный транспорт. М.: Недра, 1980.

42. Султанов Б.З., Ишемгужин Е.И., Шаммасов Н.Х., Сорокин В.Н. Работа бурильной колонны в скважине. М.: Недра, 1973.

43. Тесленко В.Н., Тимохин И.М., Русаев A.A., Колесникова Т.И., Русаев

44. B.А., Иванов Ю.А. Буровые растворы на основе карбоксиметиловых эфиров целлюлозы для бурения наклонных и горизонтальных скважин. Доклад на 3-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 2000, 148 с.

45. Шадрин Л.Н. Повышение эффективности выноса выбуренной породы при проходке стволов наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Доклад на 2-ом международном семинаре "Горизонтальные скважины". Москва, 27-28 ноября 1997, с.50.

46. Шаманов С.А. Бурение и закачивание горизонтальных скважин. М.: Недра, 2001.

47. Шенбергер В.М., Зозуля Г.П., Шумаков Я.А., Харламов О.Н., Молоданов Д.В. Проектирование профиля наклонно направленной пологой и горизонтальной скважины пространственного типа. Нефть и Газ, №. 4, 2000, с. 32.

48. Armistead G., McMillin К. Wellbore cleaning, high hydraulic hp critical in high Island HT/HP wells. Offshore, Jul. 2000, p. 85.

49. Bakke D.R. Russia gears up offshore activity for biggest production gains in it's history. Offshore, May 1975.

50. Becker Т.Е., Azar J.J., Okrajni S.S. Correlations of mud rheology with cuttings-transport Performance in directional drilling". SPEDE, March 1991, p. 16.

51. Bradley W. B. Mathematical concept-stress could can predict borehole failure. The oil and gas journal - Feb. 19, 1979, pp. 92-102.

52. Byrd В., Zamora M. Fluids are key in drilling highly deviated wells. Petroleum Engineer International, Feb. 1988, p. 24.

53. Chien S.F. Settling velocity of irregularly shaped particles. SPEDC, Dec. 1994, p. 281.

54. Chin W.C. Exact cuttings transport correlations developed for high angle wells. Offshore, May 1990, p. 67.

55. Chin W.C. Advances in annular borehole flow modeling. Offshore, Feb. 1990, p. 31.

56. Clements W.R., Jelsma H.H. Horizontal wells pose special hydraulic design considerations. Petroleum Engineer International, Nov. 1989, p. 34.

57. Crook R.J. Keller S.R. Wilson M.A. Deviated wellbore cementing: part 2-solutions. SPE paper 14198, 1986, p. 40.

58. Doan Q., Farouq Ali S.M., George A.E. Flow of oil and sand in a horizontal well. The Journal of Canadian Petroleum Technology, Oct. 1998, p. 39.

59. Ford J.T., Gao E., Oyeneyin M.B., Peden J.M., Larrucia M.B., Packer D. A new MTV computer package for hole-cleaning design and analysis. SPEDC, Sep. 1996, p. 168.

60. Fraser L.J. Effective ways to clean and stabilize high-angle holes. Petroleum Engineer International, Nov. 1990, p. 30.

61. Fraser L.J. How to select drilling fluids for horizontal wells. World Oil, May 1993, p. 59.

62. Fraser L.J., Girbino A.J., Hurst B., Allamon J.P., Beato C., Shaughnessy M. Green Canyon drilling benefits from all-oil mud. Oil & Gas Journal, Mar 19, 1990, p. 33.

63. Gavignet A., Sobey I. Model aids cuttings transport prediction. JPT, Sep. 1989, p. 916.

64. Giannesini J.F. Horizontal drilling is becoming common place: here's how it's done. Production technology for horizontal wells takes new direction. World Oil, March-May 1989.

65. Green M., Pogue T. Field applications of EDR hole cleaning modeling. SPE Drilling & Completion, Nov. 1998, p. 37.

66. Haciislamoglu Mustafa, Langlinasi J. Discussion of flow of a power-low fluid in an eccentric annulus. SPE Drilling Engineering, March 1990, p. 95.

67. Hager J.M., Tian S., Adewumi V.A., Watson R.W. An experimental study of particle transport in deviated wellbore. Canadian JPT, Feb. 1995, p. 51.

68. Harvey F. Fluid program built around hole cleaning, protecting formation. Oil & Gas Journal, Nov. 5, 1990, p. 37.

69. Hemphill A.T, Larsen T.I. Hole cleaning capabilities of water- and oil- based drilling fluids: a comparisive experimental study. SPE Drilling & Completion, Dec. 1996, p. 201.

70. Hemphill A.T. Tests determine oil-mud properties to watch in high-angle wells. Oil & Gas Journal, Nov. 26, 1990, p. 64.

71. Hemphill A.T., Pogue T. Field applications of EDR hole cleaning modeling. SPE Drilling & Completion, Dec. 1999, p. 247.

72. Iyoho W.A., Azar J.J. An accurate slot-flow model for non-Newtonian fluid flow through eccentric annuli. SPE paper No. 9447, presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, held in Dallas, Sep. 12-24, 1980.

73. Keller S.R. Crook R.J. Haut R.C. Kulakofcky D.S. Deviated wellbore cementing: part 1- problems. SPE paper 11979, 1985, p. 34.

74. Kenny P., Sunde E., Hemphill A.T. Hole cleaning model: What dose the fluid-flow index have to do with it?. JPT, Nov. 1996, p. 1055.

75. King Isabelle. Using 3D numerical approach to improve understanding of drilling hydraulics. Offshore, Aug 2001, p. 189.

76. Larsen T.I., Pilehvari A.A., Azar J.J. Development of a new cutting transport model for high-angle wellbores including horizontal wells. SPEDC, June 1997, p. 129.

77. Luo Y., Berns P., Sunbury U.K., Kellingray D., Chamber D. Charts determine hole cleaning requirements in deviated wells. Oil & Gas Journal, July 11, 1994, p. 59.

78. Martin M., Georges C. Transport of cuttings in directional wells. Paper SPE No. 16083, SPE/IADC Drilling Conference, New Orleans, Mar. 1987.

79. Maurer W.C. Recent advances in horizontal drilling. Canadian JPT, Nov-1995, p. 25.

80. Mutua D.K, Rockwell M.C., Chagirwa R.M. A computer simulation model of a horizontal wellbore cleaning using a transverse axial-traveling dynamic-pressure jets system. Canadian JPT, special edition 1999, volume 38, No. 13.

81. Nguyen D., Rahman S.S. A three-layer hydraulic program for effective cuttings transport and hole cleaning in highly deviated and horizontal wells. SPEDE, Sep. 1998, p. 182.

82. Okrajni S.S., Azar J.J. The effects of mud rheology on annular hole cleaning in directional wells. SPEDE, Aug. 1986, p. 297.

83. Ooms G., Kampman-Reinhatz B.E. Influence of drillpipe rotation and eccentricity on pressure drop over borehole with Newtonian liquid during drilling. SPE Drilling & Completion, Dec. 2000, p. 246.

84. Payne M.L., Abbassian F. Advanced torque-and-drag considerations in extended-reach wells. SPE Drilling & Completion, March 1997, p. 55.

85. Philippe Parcevaux. Guides emerge for cementing horizontal strings. Oil & Gas journal, Oct. 19, 1987, p. 35.

86. Pilehvari A. A., Azar J. J., Shirazi S. A. State of the ait cutting transport in horizontal wellbores. SPEDC, Sep. 1999, p. 196.

87. Redberger P.J., Charles M.E. Axial laminar flow in a circular pipe containing a fixed eccentric core. Canadian Journal of Chemical Engineering, Aug. 1962, p. 148.

88. Rehm B. Horizontal drilling applied in slim holes. Petroleum Engineer International, Feb. 1987, p. 24.

89. Robinson L. Empirical correlation for borehole cleaning developed. Petroleum Engineer International, Sep. 1993, p. 37.

90. Roussiaux G., Ross K. Cutting's flow meter takes guesswork out of hole cleaning. Petroleum Engineer International, Sep. 1999, p. 23.

91. Sabins F.L. Problems in cementing horizontal wells. JPT, April 1990, p. 398.

92. Schlumberger -Oilfield Services. Horizontal wells: trajectory planning and directional drilling. Seminar "Recent advances in horizontal drilling". Baghdad, Aug 1994.

93. Sifferman T.R., Becker T.E. Hole cleaning in full-scale inclined wellbores. SPEDC, June 1992, p. 115.

94. Sifferman T.R., Myers G.M. Haden E.L., Wahi H.A. Drill-cuttings transport in full-scale vertical annuli. Journal of Petroleum Technology, Nov. 1972, p. 1295.

95. Tao L.N., Donovan W.F. Through flow in concentric and eccentric annuli of fine clearance with and without relative motion of the boundaries. Trans., ASME, Nov. 1955, p. 1291.

96. Thomas R.P., Azap J.J., Becker T.E. Drillpipe eccentricity effects on drilled cuttings behavior in vertical wellbores. Journal of Petroleum Technology, Sep. 1982, p. 1929.

97. Tomren P.H., Iyoho A.W., Azar J.J. Experimental study of cutting transports in directional wells. SPEDE, Feb. 1986, p. 43.

98. Uner D., Ozgen C., Tosun I. Flow of a power-low fluid in eccentric annulus. SPE Drilling Engineering, Sep. 1989, p. 269.

99. Vaughn R.D. Axial laminar flow of non-Newtonian fluids in narrow eccentric annuli. SPE Journal, Dec. 1965, p. 277.

100. Warren T.M. Trend toward rotary steerable directional systems. World Oil, May 1997, p. 43.

101. Zamora M., Hanson P. More rules of thumb to improve high-angle hole cleaning. Petroleum Engineering International, Feb. 1991, p. 22.

102. Zamora M., Hanson P. Rules of thumb to improve high-angle hole cleaning. Petroleum Engineer International, Jan. 1991, p. 44.