Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидравлическая программа промывки скважин газожидкостными смесями для вскрытия продуктивных пластов бурением винтовыми забойными двигателями

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Гидравлическая программа промывки скважин газожидкостными смесями для вскрытия продуктивных пластов бурением винтовыми забойными двигателями"

На правах рукописи 003053254

ГЛУХОВ СЕРГЕИ ДМИТРИЕВИЧ

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА ПРОМЫВКИ СКВАЖИН ГАЗОЖИДКОСТНЫМИ СМЕСЯМИ ДЛЯ ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ БУРЕНИЕМ ВИНТОВЫМИ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 25.00.15 — «Технология бурения и освоения скважин»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2007

003053254

Работа выполнена в Пермском филиале Общества с ограниченной ответственностью «Буровая компания «Евразия»

Защита состоится 02 марта 2007 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 30 января 2007 года.

Научный руководитель

доктор технических наук Крысин Николай Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Агзамов Фарит Акрамович; кандидат технических наук, доцент Кукьян Антон Александрович.

Ведущая организация

Федеральное государственное унитарное дочернее предприятие «Камский научно-исследовательский институт комплексных исследований глубоких и сверхглубоких скважин» (КамНИИ-КИГС).

Ученый секретарь совета

/

Ямалиев В.У.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. При традиционном способе бурения с положительным дифференциальным давлением в системе «скважина-пласт» вскрываемые продуктивные пласты подвергаются различного вида повреждениям.

Изучение причин, снижающих продуктивность скважин, привело к активному внедрению метода их строительства в неравновесных условиях. Начиная с 1998 года специалистами ООО «ЛУКОЙЛ-Бурение-Пермь» начала реали-зовываться программа заканчивания скважин с использованием технологии первичного вскрытия продуктивных пластов при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт» (далее - па депрессии). Предложенный вариант, при котором первичное вскрытие продуктивного пласта ведется с промывкой газожидкостной смесью нефть+азот и используется полностью закрытая система циркуляции, ранее в условиях России не применялся. Наибольший эффект при использовании данной технологии достигается на нефтяных месторождениях с пластовыми давлениями ниже гидростатических и находящихся на поздних стадиях разработки.

При бурении с депрессией на пласт существует двухфазный поток, и количество параметров, подлежащих рассмотрению на стадии планирования, является значительным. Расчетные методики должны обеспечить высокую точность для получения заданной величины депрессии на пласт, распределения давлений по стволу скважины как основного условия устойчивости ствола, определения энергетических характеристик забойного двигателя и исключения аварий при проведении работ.

В большинстве случаев вскрытие продуктивных пластов на депрессии осуществляется винтовыми забойными двигателями. Энергетические характеристики ВЗД с применением в качестве рабочего агента газированных буровых растворов в настоящее время отсутствуют.

Наличие этих проблем привело к постановке вопроса о новой гидравлической программе скважин, бурящихся на газожидкостной смеси.

Цель работы: повышение показателей бурения и заканчивания скважин при вскрытии продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями газированными буровыми растворами при отрицательном дифференциальном давлении в системе «скважина-пласт».

Основные задачи работы:

1. Определение рабочих характеристик ВЗД при использовании газожидкостной смеси.

2. Разработка алгоритмов расчета и программ на ЭВМ для определения параметров промывки вертикальных и наклонно направленных скважин газожидкостными смесями при бурении винтовыми забойными двигателями с учетом эксцентричного расположения бурильной колонны в скважине.

3. Определение забойного давления в бурящейся скважине при промывке аэрированным промывочным раствором при различном эксцентриситете колонны бурильных труб в скважине.

4. Определение расходов жидкой фазы и газа для полного выноса выбуренной породы при структурном и турбулентном режиме течения вязкопла-стичных газированных смесей при эксцентричном расположении колонны бурильных труб относительно оси ствола скважины.

Методическую и теоретическую основы исследований составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области гидродинамики симметричных и асимметричных потоков неньютоновских и многофазных жидкостей при различных режимах течения, общие положения гидравлики применительно к бурению нефтяных и газовых скважин, а также гидравлические особенности рабочего процесса в двигательной секции винтового забойного двигателя. Работы проводились на базе специально разработанных методик и экспериментальных установок, обеспечивающих целенаправленное исследование гидродинамических процессов в двигательной секции винтовых двигателей, промысловых исследований и испытаний новых алгоритмов расчета рациональных параметров промывки при вскрытии продуктивных пластов.

Научная новизна:

1. Впервые экспериментально получены энергетические характеристики винтовых забойных двигателей нового поколения при использовании в качестве рабочего агента газированных смесей.

2. Впервые аналитическим путем получены формулы для расчета забойного давления при бурении скважин с промывкой нефтегазовой смесью при вскрытии продуктивных пластов на депрессии с учетом эксцентриситета колонны бурильных труб относительно оси скважины.

3. Впервые разработаны алгоритмы и программа расчета параметров промывки скважин с определением рациональной скорости движения в любой точке пространства и расхода газированных промывочных жидкостей, обеспечивающих полную очистку от выбуренной породы в вертикальной и наклонно направленных скважинах.

Практическая ценность:

1. Разработанные алгоритмы и программы использованы для определения параметров промывки при вскрытии продуктивных пластов на депрессии винтовыми забойными двигателями с применением нефтегазовых смесей при бурении скважин Черёмуховского месторождения Татарстана, Аптугайского месторождения Пермского края и Быгинского месторождения Удмуртии.

2. Разработанные программы прогнозирования и управления процессом промывки при бурении скважин ВЗД па депрессии, зарегистрированные в Реестре программ для ЭВМ в Российском агентстве по патентным и товарным знакам, используются в ООО «ПермНИПИнефть» при разработке проектов вскрытия продуктивных пластов с применением винтовых забойных двигателей.

Основные защищаемые положения:

- результаты исследований энергетических характеристик ВЗД на газожидкостных смесях;

- математические модели для определения рабочих характеристик винтовых забойных двигателей при работе на газожидкостных смесях;

- алгоритмы и программа расчета параметров промывки скважин газированными промывочными жидкостями, обеспечивающими полную очистку от выбуренной породы;

- новый подход к определению забойного давления бурящейся скважины при использовании аэрированного бурового раствора, отличающийся учетом эксцентриситета между осями бурильных труб и ствола скважины.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и получили положительную оценку: на 12-м Европейском симпозиуме «Повышение нефтеотдачи пластов», Казань, 2003г.; Всероссийском совещании по качеству строительства скважин, Анапа, 2003г.; заседаниях технических советов нефтяной компании «ЛУКОЙЛ», Москва, 2001-2003гг.; заседаниях научно-технических советов ОАО «ЛУКОИЛ-Бурение», Самара, 2004 г.; заседаниях научно-технических советов ОАО «Татнефть», Альметьевск, 2005 г.; заседаниях научно-технических советов ООО «Удмуртнефть», Ижевск, 2005 г.; заседаниях учёного совета ООО «Перм-НИПИнефть» (г. Пермь, 2004, 2005 гг.), заседаниях кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Уфимского государственного нефтяного технического университета (г. Уфа, 2006 г.), Пермского государственного технического университета (г. Пермь, 2004, 2005, 2006 гг.), 1-й научно-практической конференции «Передовые технологии строительства и ремонта скважин» (г. Пермь, 2005 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, в том числе двух патентах на изобретения и одном свидетельстве на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 разделов, основных выводов, библиографического списка, включающего 74 наименования. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, включает 11 рисунков и 22 таблицы.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору технических наук Н.И. Крысину, научному консультанту доктору технических наук

B.М. Плотникову и кандидату технических наук, доценту Т.О.Акбулатову за оказанную помощь при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, представлены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводятся результаты анализа методов определения рациональных технологических параметров промывки скважин при вскрытии продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями (ВЗД) с использованием газированных промывочных жидкостей.

Значительный вклад в развитие методологической и теоретической базы исследований проблем, связанных с гидродинамическими особенностями движения многофазных систем, внесли A.A. Арманд, H.A., Гукасов, С.И. Криль,

C.С. Кутателадзе, JI.C. Лейбензон, А.Х. Мирзаджанзаде, Д.Ю. Мочернюк, Г.Э. Одишария, Н.И. Семенов, М.А. Стырикович, A.A. Точигин,; в разработку теории рабочего процесса винтового забойного двигателя - Д .Ф. Балденко, М.Т. Гусман, Ю.А. Коротаев, A.M. Кочнев, С.С. Никомаров; в создание технологии бурения скважин с применением ВЗД - П.И. Астафьев, Т.Н. Бикчурин, Ю.В. Вадецкий, А.Г. Калинин, В.И. Крылов, Б.А. Никитин, а также с применением газированных промывочных жидкостей - A.C. Бронзов, М.А. Гейман, М.Р. Мавлютов, Е.Х. Мехтиев, P.A. Мукминов, И.И. Мусинов, Н.М. Филимонов, З.А. Хабибулин, З.М. Шахмаев, Е.В. Шеберстов и др.

Данные о влиянии аэрации на работу турбобуров приведены в работах Леонова Е.Г., Исаева В.И., Межлумова А.О. и др., в то же время результаты этих исследований не могут быть перенесены для ВЗД, являющимся объёмным гидравлическим двигателем.

Использование ВЗД требует установления рационального сочетания параметров режима бурения с учётом конкретных условий проходки продуктивных пластов. Решение этого вопроса связано с установлением энергетических параметров ВЗД и их связи с гидродинамическими закономерностями течения промывочных жидкостей в кольцевом пространстве скважины.

В настоящее время расчет программы промывки на стадии разработки проекта на строительство скважин па депрессии в отечественной и зарубежной практике бурения производят по программе «МХШЫТИ», разработанной компанией «Мауер Инжиниринг Инк.». Однако, как показывает отечественная и зарубежная практика бурения, при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт» результаты, получаемые по данной программе, не всегда совпадают с промысловыми данными. Использование только расчётных данных по промывке скважин во многих случаях являлось причиной бурения на псевдо-депрессии (Р3аб>Рпл.)-

Проведенный анализ показал, что существующие в настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом методы проектирования режима промывки скважины при вскрытии продуктивных пластов на депрессии не учитывают энергетические характеристики ВЗД, работающих на газожидкостных смесях, а также эксцентриситет между осями бурильных труб и ствола скважины. Эти и другие актуальные научные и практические проблемы положены в основу задач исследований диссертационной работы.

Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям энергетических характеристик винтовых забойных двигателей при использовании в качестве рабочего агента газожидкостной смеси. Дан анализ существующих подходов к математическому моделированию рабочего процесса ВЗД.

Строгое аналитическое описание характеристик, установление функциональных зависимостей объемных, гидравлических и механических потерь от крутящего момента для ВЗД практически не выполнимо. Сложность гидроме-

ханических процессов, происходящих в рабочих органах двигателя, привела к созданию различными исследователями методов приближенного расчета характеристик машины. Известны две формы обобщения характеристик винтовых гидромашин:

- критериальная (на основе теории подобия);

- относительная (на основе степенных зависимостей).

С учетом результатов ранее проведенных исследований характеристик ВЗД, полученных при использовании методов теории подобия и размерностей, предпочтение следует отдать, на наш взгляд, критериальной форме, тем более, что относительная форма, в конечном счете, приводит к анализу безразмерных комплексов.

Для современных отечественных ВЗД, характеризующихся повышенными энергетическими показателями, по сравнению с ранее применяемыми, а также широким значением диапазона заходности двигательной секции известна формула для определения общего перепада давления на ВЗД при работе на воде:

где

аа = (- 2,420 ■ 10 +1,261 • 10гр -1,031г2 )+ + (— 7,365-104 + 2,239-104гр -1,55Ы03 гр2)Г + + (5,005 • 107 -1,495 • 107 гр +1,040 ■ 106 г\ )г',

ЬЕ = (- 5,494 + 2,649гр -1,445 -10"' г2 )+

+ (б,750 ■ 102 -1,247 ■ Ю22р - 2,189г2 )г + (- 2,314 • Ю6 + 7,227 • 105 гр - 5,213гр У,

сц = (2,559 - 4,048 ■ Ю"1 + 3,015 • 10'2 г2)+ + (-3,026-Ю2 + 9,415-102р -7гр2)г + + (1,454-10' -5,636-10" гр + 5,606 • Ю4 г2 }т\

/ - площадь проходного сечения между ротором и статором; <2 - расход рабочей жидкости через ВЗД; V - рабочий объем двигательной секции; 5 - радиальный натяг в двигательной секции; р - плотность рабочей жидкости; М - вращательный момент в двигателе; Ар - перепад давление на двигателе; - число зубьев ротора.

Известна также универсальная расчетная формула для определения перепада давления в ВЗД при использовании в качестве рабочего агента вязкопла-стичных буровых растворов:

Др.»» ^

епж впж

где

а„ = (- 4,972 + 2,19 • 105 //* - 3,652 • 10''//)+ + (9,332-103-3,616-10У+3,857-10"//У + + (1Д8М 05 -1,03-10У +9,023-10"//)г\

b.„х = (б,754-1,772-10У + 2,883-10'//)+

+ (-1,683-103 + 6,469-10V -1,214-10"//}** + + (2,406 ■ 105 -8,587 • 10V +1.899 • 10"'// }/,

c,„ = (1,051 + 1,835 -Ю4^* -2,367-10*//)+

+ (з,586 ■ 102 - 7,775 • 104 //* - 4,798 • Ю10// }т + + (- 5,655 • 104 - 7,757 • 10 V* + 2,191 • 10" // }т\

М/

где ¡и =

У'йр

Р - плотность рабочей жидкости; р - динамическая вязкость рабочей жидкости.

Преобразовав эти соотношения, получим выражение для определения потерь давления в ВЗД при работе на газированной вязкой жидкости:

Др.

У йЧ О-сь

гЖ,

где усм - плотность газожидкостнои смеси, бсм - расход газожидкостной смеси.

или

(О

где Г = - газовый фактор, Я ж

Чж'Уж и расход и плотность жидкости и газа при нормальных усло-

виях.

После соответствующих подстановок получим А-Р = + )+ 0,81 у.1)р-Уж{р' + Г)х

ар

м/^р'7

]Гж{0,\9Г+р)+0,Пг.Гр\11{р'+гУ_

В последнее выражение входит давление р' =— (ра - атмосферное дав-

Ра

ление), которое в принципе изменяется по длине ВЗД. Для того чтобы упростить задачу, принимаем

где рйх и рвьа - давления на входе в ВЗД и выходе из него. Так как потери давления в ВЗД Ар = />„ - реъа, то можем записать

Для определения потерь давления в ВЗД при работе на газированном вяз-копластичном буровом растворе полагаем, что смесь является квазигомогенной. Тогда плотность можно найти из выражения:

_ УжЯж УгЯг

' см ~

Чж +1г

С учётом уравнения состояния получим ГЖ+Г„Г

1+

г

Расход смеси определяется по (1).

Потери давления в современных ВЗД при использовании в качестве рабочего агента вязкопластичного бурового раствора с достаточной для практики точностью определяется по формуле проф. H.A. Гукасова:

АД»,

_rrQ2

8f2

ап+Ьй

Г Ms Т' Q^Tr)

TNsQ2

Уг

0,0032 + 0,221-^4 WrQ)

-У в

0.0032 + 0,221

PbSs

где N - число шагов статора (ротора);

У г и У, ■ удельный вес соответственно глинистого раствора и воды; 1лгтл. ц, - динамическая вязкость глинистого раствора и воды; х - длина периметра ротора и статора, равная

r = 2(2Zp+lkL-| +4,

е - значение эксцентриситета D„

Ц,р+1)+2

Т - величина осевого шага ротора.

При этом потери давления в ВЗД при использовании в качестве рабочего агента газированного вязкопластичного бурового раствора предлагается определять по следующему выражению, заменив /ж - ут, дж= дсч:

1 +

Г

^впж ^епж

/2мг

0,0032 + 0,221

+уУ1г-+г.г)

4{Гж+ГаГУ1*с

-7,

0,0032 + 0.

Для проверки теоретических положений были проведены специальные стендовые исследования рабочих характеристик винтовых забойных двигателей диаметрами 75 и 106 мм, как наиболее часто применяемых при вскрытии продуктивных пластов на депрессии, с применением в качестве рабочего агента газированной воды и вязкопластичных буровых растворов. Для проведения испытаний ВЗД на газированных смесях был разработан и изготовлен стенд, включающий специально созданный герметизированный узел для приема газожидкостной смеси после ВЗД.

В качестве рабочего агента использовались техническая вода и буровой раствор. В качестве бурового раствора использовались водные растворы кар-боксиметилцеллюлозы различной концентрации.

Анализ полученных данных позволил сделать вывод о том, что с повышением газового фактора в промывочной жидкости моментоемкость винтовых двигателей уменьшается. Особенно это заметно при использовании вязкопла-стичной жидкости (рис.1 и 2). Снижение моментоёмкости ВЗД обуславливает снижение показателей бурения, особенно механической скорости.

Рис. 1. Сравнение характеристик Д0-Ю6 при работе на воде (-------)

(2 = 7,0л/с,Г = 0) и на водогазовой смеси ( ) (= 6,89л /с,Г = 24)

Р, Ша п, 1/с__

_^ п

X У у У

х N Р Г N '

Ч \ ь N ч ч

N х \ \

\ \ \ \

о.о о.з о.в о.э 1.г 1.5 1.8 г.1 2.4 2.7 ао 3.3 М. кН л

Рис. 2. Сравнение характеристик ДО-Ю6 при работе на буровом растворе

(-----) (в - %,0л/с,Г = 0) и газированном буровом растворе (-)

(6™ =7,9л/с,Г = 21)

Кривые на рис. 1 и 2 построены.™ результатам экспериментальных исследований, обработанных методом математической статистики.

В третьей главе приведены результаты теоретических исследований по расчёту забойного давления при вскрытии продуктивных пластов с промывкой газированной нефтегазовой смесью.

В диссертации приводится решение задачи по определению забойного давления при ламинарном режиме потока и совпадении осей ствола скважины и колонны бурильных труб, а также при наличии эксцентриситета между этими осями. Расчеты по выведенным соотношениям показали, что учет эксцентриситета при ламинарном движении приводит к снижению забойного давления при равных газовых факторах до 30%, что указывает на необходимость его учёта.

Выведены зависимости для определения забойного давления в случае турбулентного режима промывки и любом эксцентриситете между осями колонны бурильных труб и скважины. Расчеты по этим зависимостям при прочих равных условиях при максимальном эксцентриситете забойное давление может снижаться до 20%. Следовательно, учет эксцентриситета необходим в расчетах гидравлической программы при бурении на депрессии.

С использованием полученных соотношений в диссертации выводятся формулы для определения забойного давления наклонно направленных бурящихся скважин в случае промывки их аэрированной вязкопластичной смесью и при эксцентричном расположении колонны бурильных труб относительно оси скважины.

Таким образом, результатом проведенных исследований в третьей главе является получение расчетных зависимостей для определения забойного давления при промывке скважин газожидкостными смесями при наличии эксцентриситета между осями колонны труб и скважины. В качестве жидкой фазы рассмотрены техническая вода и нефть, как при наличии проскальзывания газа, так и квазигомогенной структуре.

Четвёртая глава посвящена исследованиям по определению расхода жидкости, обеспечивающего вынос выбуренной породы го любой точки эксцентричного кольцевого пространства.

Для нахождения скорости и расхода газожидкостной смеси для выноса выбуренной породы была решена задача определения скорости в любой точке газожидкостной смеси при движении ее в кольцевом пространстве.

Для установления гидродинамических соотношений (расхода жидкости, газа, скорости потока, величин давления) при движении вязкопластичной газожидкостной смеси в эксцентричном кольцевом пространстве в диссертации рассмотрено течение негазированной нефти в этом пространстве. Приведён пример расчета необходимого расхода для этого случая. Полученные соотношения были использованы для определения расхода и газового фактора при промывке скважины нефтегазовой смесью в случае турбулентного и ламинарного режимов течения в любой точке эксцентричного кольцевого пространства. По полученным формулам приведены алгоритм и пример расчета, показывающие правомочность предложенной системы уравнений для определения параметров промывки при проводке скважины с применением нефтегазовой смеси. Расчеты показали, что требование к обеспечению ламинарного режима в любой точке затрубного пространства при максимальном эксцентриситете приводит к необходимости выполнять промывку при значительно более высоком значении коэффициента динамической вязкости.

Для управления процессом промывки при вскрытии продуктивного пласта на депрессии с учетом новых методов расчета, разработаны программы для ЭВМ, официально зарегистрированные в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

В пятой главе приводится гидравлическая программа промывки вертикальной скважины нефтегазовой смесью при вскрытии продуктивных пластов.

Целью программы является определение расходов жидкости, газа (или газового фактора), эксцентриситета и вязкости нефти, при которых осуществляется вынос выбуренной породы из наиболее узкой части эксцентричного кольцевого пространства, поддерживается ламинарный режим течения в любой точке затрубного пространства и не происходит поглощения промывочной жидко-

сти. Поставленная задача решалась из рассмотрения пласта и скважины как единой гидродинамической системы, т.е. помимо гидрогазодинамических соотношений, характеризующих работу ствола, мы должны располагать данными исследования скважин, которые выражаются в наличии связи между забойным давлением, а также расходами газа и нефти, поступающими из пласта. Найденные значения динамической вязкости нефти, газового фактора, эксцентриситета и расхода нефти позволяют решить задачу по определению давления нагнетания, решение которой приводится в диссертации.

В работе приводится гидравлическая программа для промывки нефтегазовой смесью наклонно направленных скважин (зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ, свидетельство № 2005611048). Показано, что гидравлическая программа промывки для наклонно направленной скважины газожидкостной смесью такая же, как и для вертикальной скважины, но с поправкой на величину забойного давления.

В шестой главе приводятся результаты промысловых исследований эффективности разработанных методик и программ определения параметров промывки при вскрытии продуктивных пластов с применением газированных смесей и винтовых забойных двигателей.

Разработанные алгоритмы и программы применялись для определения параметров промывки при вскрытии продуктивных пластов па депрессии винтовыми забойными двигателями с применением нефтегазовых смесей при бурении в 2005 году группы скважин Черёмуховского месторождения Татарстана (скважины №№ 5417, 5427, 5602, 5428, 5603, 5599), Аптугайского месторождения Пермского края (скважины №№ 9, 32, 37, 41) и Быгинского месторождения Удмуртии (скважина № 43).

Применение разработанных алгоритмов и программ показало высокую эффективность при вскрытии продуктивных пластов на депрессии, в частности позволило избежать вскрытия на псевдодепресии, как установлено по замерам глубинных манометров.

Продуктивные пласты во всех скважинах вскрыты на депрессии от 0,8 до 2,4 МПа, плотность нефтегазовой смеси, применяемой для вскрытия составляла от 0,56 до 0,87 г/см3, коэффициент аэрации от 11 до 22 м3 азота на 1 м3 нефти.

Новая технология вскрытия пласта на депрессии позволила получить прирост дебита по скважинам Аптугайского месторождения в 1,7 раза с 23 до 39 т/сут.

Вскрытие продуктивного ствола на скважине № 5427 Черемуховского месторождения на депрессии позволило получить дебит нефти 14 т/сут или в 2,8 раза выше, чем средневзвешенный дебит по объекту при одинаковых эффективных нефтенасыщенных толщинах и равном пластовом давлении. По Быгин-скому месторождению увеличение дебита достигнуто в 6 раз.

Годовой экономический эффект от дополнительно добытой нефти из трех скважин составил более 67 млн. руб.

Анализ расчетных и проектных данных и сравнение их с параметрами, полученными при бурении, показал следующее:

• достигается устойчивая работа ВЗД, что приводит к увеличению механической скорости проходки, стойкости долота, а также улучшению формирования ствола скважины;

• снизилось дифференциальное давление на забой, что положительно сказалось на ускорении выравнивания давлений над и под разрушаемой породой;

• улучшился транспорт выбуренной породы к устью, исключилось накопление шлама на забое и уменьшилось число промывок и проработок ствола.

После успешной апробации разработанных методик при опытном бурении скважин предложенные алгоритмы расчета параметров промывки начали применяться ООО «ПермНИПИнефть» при составлении проектов на вскрытие продуктивных пластов в скважинах Аптугайского, Шершневского, Москудьин-ского и других месторождениях Пермского края.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана гидравлическая программа промывки наклонно направленных скважин при вскрытии продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями с применением газированных агентов на базе принципиально новых подходов к определению расхода и реологических свойств многофазных буровых промывочных жидкостей с учетом эксцентричного положения бурильной колонны в стволе скважины и наличия застойных зон в затрубном пространстве.

2. В стендовых условиях получены рабочие характеристики ВЗД при их работе на газожидкостных смесях. Установлено, что при работе ВЗД на газожидкостных смесях (при равных объёмах расхода негазированной жидкости и газированной) тормозной момент может снижаться до 35%.

3. Аналитически получены уравнения для расчета энергетических характеристик винтовых забойных двигателей при работе на различных промывочных жидкостях с различной степенью аэрации.

4. Разработаны алгоритмы и программы расчета параметров промывки скважин при вскрытии продуктивных пластов на депрессии винтовыми забойными двигателями.

5. Получены расчетные соотношения для определения забойного давления при бурении скважин с промывкой газожидкостными смесями, расходов жидкой и газообразной фаз, скорости в любой точке эксцентричного кольцевого пространства в случае ламинарного и турбулентного режимов течения.

6. Разработанные методы управления гидродинамическими процессами внедрены при бурении скважин винтовыми забойными двигателями в Пермском крае, Республике Татарстан и Удмуртии, что позволило повысить эффективность вскрытия продуктивных пластов на депрессии и получить дополнительный прирост дебитов нефти по скважинам по сравнению со средними показателями, полученными ранее в этих регионах.

7. Результаты проведенных исследований внедрены в ООО «Перм-НИПИнефть» при разработке проектов на строительство скважин в различных нефтяных регионах Российской Федерации.

Содержание работы опубликовано в 12 научных трудах, из которых № 1-4 включены в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

1. Салихов Р.Г., Глухов С.Д., Крапивина Т.Н. и др. Проблемы бурения скважин на депрессии в системе скважина-пласт // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2005. - №6. - С. 13-15.

2. Салихов Р.Г., Глухов С.Д., Предеин А.П. и др. Забойное давление при бурении скважины с промывкой нефтегазовой смесью в ламинарном режиме в случае несовпадения осей колонны труб и скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2006. - №1. - С. 15-20.

3. Салихов, Р.Г., Глухов С.Д., Предеин А.П. и др. Забойное давление бурящейся скважины с промывкой нефтегазовой смесью при турбулентном режиме в случае несовпадении осей колонны труб и скважины // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2006. - №2. - С. 7-11.

4. Салихов Р.Г., Глухов С.Д., Предеин А.П. и др. К определению забойного давления при промывке скважины нефтегазовой смесью // Строительство нефтяных и газовых скважин на сушс и на море. - 2005. — №11. - С. 22-26.

5. Салихов Р.Г., Пермяков А.П., Крапивина Т.Н., Соболева Т.И, Крысин Н.И., Глухов С.Д. и др. Проблемы и перспективы вскрытия продуктивных пла-.стов при отрицательном дифференциальном давлении в системе «скважина-пласт» - Пермь: Меркурий, 2003. - 177 с.

6. Инструкция по вскрытию продуктивных пластов при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт»/ Р.Г. Салихов, В.В. Следков, Т.И. Соболева, Н.И. Крысин, А.П. Пермяков, С.Д. Глухов и др. - М., 2004. -63 с.

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611048. Программа для определения параметров промывки газожидкостными смесями при бурении наклонно направленных скважин/ Р.Г. Салихов, С.Д. Глухов, А.П. Предеин и др.; заявка № 2005611048; заявл. 13.05.2004; за-рег. в Реестре программ для ЭВМ 20.06.2005.

8. Салихов Р.Г., Глухов С.Д., Баянов В.М. и др. Бурение горизонтальных скважин со вскрытием продуктивной части пласта на депрессии // Передовые технологии строительства и ремонта скважин: сб. науч. тр. 1-й научно-практической конференции. - Пермь, 2004. - С. 23-32.

9. Салихов Р.Г., Пермяков А.П., Глухов С.Д. и др. Проблемы и перспективы вскрытия продуктивных пластов при отрицательном дифференциальном давлении в системе «скважина-пласт» // Передовые технологии строительства и ремонта скважин: сб. науч. тр. 1-й научно-практической конференции. - Пермь, 2004. - С. 48-54.

10. Свидетельство на полезную модель №16177. Устройство для вскрытия продуктивного пласта / Р.У. Маганов, В.Ф. Лесничий, A.A. Тульни-ков, А.Р. Кузяев, Н.И. Кобяков, В.А. Фусс, Р.Г. Салихов, А.П. Пермяков, С.Д. Глухов и др.; заявка № 2000101596; заявл. 25.01.2000; опубл. 10.12.2000// Бюл. № 34.

11. Пат. № 2199646 РФ. Способ вскрытия продуктивного пласта на депрессии /В.М. Баянов, Ю.Н. Братухин, С.Д. Глухов и др.; заявка № 2002108272/03; заявл. 01.04.2002; опубл. 27.02.2003 //Бюл. № 6.

12. Пат. № 2141560 РФ. Способ разработки нефтяной залежи горизонтальными скважинами / В.А. Караваев, Н.И. Крысин, C.B. Матяшов, С.Д. Глухов и др.; заявка № 99108767/03; заявл. 27.04,99; опубл. 20.11.1999// Бюл. № 32.

Подписано в печать 23.01.07. Бумага офсетная. Формат 60x80 1/16. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100. Заказ 28. Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета. Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Глухов, Сергей Дмитриевич

Введение.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ВСКРЫТИИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗИРОВАННЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

1.1 Роль гидродинамических процессов при вскрытии продуктивных пластов.

1.2 Сложившаяся практика гидравлических расчётов при вскрытии продуктивных пластов с использованием газированных промывочных жидкостей.

1.3 Некоторые современные методы определения рациональных технологических параметров при вскрытии пластов винтовыми забойными двигателями.

2 ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ (ВЗД) ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ РАБОЧЕГО АГЕНТА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ.

2.1 Существующие подходы к математическому моделированию рабочего процесса ВЗД.

2.1.1 Газированная вязкая жидкость.

2.1.2 Газированная вязкопластичная жидкость.

2.2 Экспериментальные исследования энергетических характеристик ВЗД.

2.2.1 Экспериментальная установка.

2.2.2 Технологический план стендовых испытаний ВЗД.

2.2.3 Результаты экспериментальных исследований.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАБОЙНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВСКРЫТИИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ С ПРОМЫВКОЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ СМЕСЬЮ.

3.1 Общие сведения для гидрогазодинамических расчетов газожидкостных смесей.

3.2 Забойное давление при ламинарном режиме потока и совпадении осей колонны труб и скважины.

3.3 Забойное давление при ламинарном режиме потока и наличии эксцентриситета между осями колонны бурильных труб и скважины.

3.4 Определение забойного давления в случае турбулентного режима промывки и любом эксцентриситете между осями колонны бурильных труб и скважины.

3.5 Определение забойного давления при одновременном существовании в различных частях затрубного пространства ламинарного и турбулентного режимов промывки при бурении с промывкой нефтегазовой смесью.

3.6 Забойное давление при ламинарном и турбулентном режимов движения нефтегазовой смеси в наклонной скважине в случае наличия эксцентриситета между осями ствола и бурильной колонны.

3.7 Определение забойного давления наклонной скважины при одновременном существовании в различных частях кольцевого пространства ламинарного и турбулентного режимов промывки. 4 Определение расхода жидкости, обеспечивающего вынос выбуренной породы из любой точки эксцентричного кольцевого пространства.

5 Гидравлические программы промывки скважин нефтегазовой смесью при вскрытии продуктивных пластов.

5.1 Гидравлическая программа при промывке вертикальных скважин нефтегазовой смесью.

5.2 Определение давления нагнетания.

5.3 Гидравлические программы для промывки нефтегазовой смесью наклонных скважин.

6. Результаты промышленного применения программ при вскрытии продуктивных пластов на депрессии винтовыми забойными двигателями с использованием в качестве промывочных жидкостей нефтегазовых смесей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидравлическая программа промывки скважин газожидкостными смесями для вскрытия продуктивных пластов бурением винтовыми забойными двигателями"

Основные направления, способствующие повышению нефтеотдачи продуктивных пластов относятся к способам либо минимизирующим, либо, в определенной степени исправляющими отрицательное воздействие цементного и бурового растворов на продуктивный пласт. При традиционном способе бурения с положительным дифференциальным давлением в системе «скважина-пласт», вскрываемые продуктивные пласты подвергаются различного вида повреждениям.

Изучение причин, снижающих продуктивность скважин, привело к активному внедрению метода их строительства в неравновесных условиях. Так, начиная с 1998 года специалистами ООО «ЛУКОЙЛ-Бурение-Пермь» начала реализовываться программа заканчивания скважин с использованием технологии первичного вскрытия продуктивных пластов при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт» (далее на депрессии). Предложенный вариант, при котором первичное вскрытие продуктивного пласта ведется с промывкой газожидкостной смесью «нефть+азот» и используется полностью закрытая система циркуляции, ранее в условиях России не применялся. Данная технология позволяет в несколько раз увеличить интенсивность отбора нефти и газа, повысить эффективность проведения буровых работ. Принципиально новый подход первичного вскрытия продуктивных пластов дает наибольший эффект при использовании данной технологии на нефтяных месторождениях с пластовыми давлениями ниже гидростатических и находящихся на поздних стадиях разработки. Бурение при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт» позволяет:

- сохранить, а в ряде случаях и улучшить естественные коллекторские свойства продуктивных пластов, так как в качестве промывочной жидкости используется нефть и обеспечивается приток пластовой жидкости во время бурения, что в свою очередь уменьшает или исключает необходимость стимуляции и очистки призабойной зоны продуктивного пласта, которые, как правило, необходимо проводить при обычном бурении;

- исключить негативное воздействие на пласт бурового и цементного растворов, используемых при обычной технологии, а также воздействие избыточных давлений при бурении и креплении ствола скважины;

- свести к минимуму проблемы при бурении в истощенных пластах, такие как потеря циркуляции и прихваты бурового инструмента из-за перепада давления;

- снизить негативное воздействие на окружающую среду, так как отпадает нужда в утилизации отработанного бурового раствора;

- повысить эффективность буровых работ за счет увеличения коэффициента нефтеотдачи и увеличения объемов извлекаемых запасов нефти, вследствии снижения эффекта нарушения проницаемости (скин-эффекта) призабойной зоны продуктивного пласта. При незначительном увеличении стоимости буровых работ повысить дебит скважин, а следовательно, сократить сроки окупаемости строительства скважин;

- вовлечь в активную разработку низкорентабельные нефтяные залежи и месторождения с трудно извлекаемыми запасами нефти.

Известно, что качество ствола бурящейся скважины обуславливается параметрами ее промывки в процессе бурения, т.е. расходом и реологическими свойствами буровых растворов. Необходимо отметить, что потери давления в винтовом забойном двигателе соизмеримы с энергетическими затратами во всей циркуляционной системе. В существующих методиках 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. бурение на депрессии проводится с помощью газированных промывочных смесей. При этом реологическими свойствами промывочных жидкостей также задаются, исходя из опыта бурения в конкретном регионе. Такой эмпирический подход при строительстве скважины не может не сказаться на качестве ствола и последующей ее успешной 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 исследованы, но можно предположить, что оно будет значительным.

Наличие эксцентриситета является источником зарождения застойных зон, что отрицательно влияет на качество ствола и эффективности крепления скважин.

Одним из основных назначений промывочной жидкости является вынос 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 стенкой скважины. Это обстоятельство может привести к движению жидкости при одновременном существовании ламинарного и турбулентного режимов течения в различных частях эксцентричного кольцевого пространства.

Бурение на депрессии сопряжено с дополнительными техническими и технологическими трудностями. Успешное проведение буровых работ с депрессией на пласт зависит от объема информации о свойствах пласта и его геологической характеристики, а также правильного режима бурения при вскрытии пласта. Так как буровые работы в условиях депрессии на пласт проводятся одновременно с нефтепроявлением из скважины, при таком сочетании необходимо уделять большее внимание вопросам планирования и инженерно-технологического обеспечения.

При бурении с депрессией на пласт существует двухфазный поток и количество параметров, подлежащих рассмотрению на стадии планирования, является значительным. Расчетные методики должны иметь высокую точность для получения заданной величины депрессии на пласт, распределения давлений по стволу скважины, как основного условия устойчивости ствола, гидроочистки ствола скважины, операционные пределы для работы забойного двигателя и исключения аварий при проведении работ.

Наличие этих проблем привело к необходимости новой постановки вопроса о гидравлической программе бурящихся скважин, согласно которой расход, реологические свойства и эксцентриситет определяются из условия сохранения целостности стенок скважины и проходимых пород, а также выноса выбуренной породы с любой точки затрубного пространства, а значит и при отсутствии застойных зон.

Принципиальное отличие такой гидравлической программы от разработанных ранее должно заключаться в том, что в данном случае пласт и ствол скважины рассматриваются как единая гидродинамическая система, т.е. параметры промывки устанавливаются с учетом работы призабойной зоны, определяемой по данным исследования скважины. Необходимость в такой постановке вопроса вызвана тем, что процесс углубления сопровождается поступлением газонефтяной смеси из пласта и проведение промывки без гидродинамической взаимосвязи работы пласта и ствола может привести к различному роду осложнений (выбросы, пожары и др.).

Актуальность темы диссертационной работы обосновывается тем, что вскрытие продуктивных пластов на депрессии осуществляется в большинстве случаях винтовыми забойными двигателями. Отметим, что мы сейчас не располагаем энергетическими характеристиками ВЗД с применением в качестве рабочего агента газированных буровых растворов. Проходка горизонтальных участков скважин, при восстановлении скважин методом бурения боковых стволов, при капитальном ремонте проводится в основном тоже с применением ВЗД. Немаловажным является то, что при этом важнейшей задачей является сохранение целостности проходимых пластов, решение которой зависит от правильного выбора режимов промывки и свойств промывочной жидкости. Отсутствие комплексного подхода к расчету рациональных параметров промывки скважин газированными смесями при бурении винтовыми забойными двигателями определило цели и задачи настоящей работы.

Цель работы

Повышение технико-экономических показателей бурения скважин при вскрытии продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями на базе научно обоснованного применения гидродинамических методов для выбора режимов промывки газированными буровыми растворами при отрицательном дифференциальном давлении в системе «скважина-пласт».

Основные задачи работы

1. Определение рабочих характеристик современных ВЗД при использовании в качестве рабочего агента газожидкостной смеси.

2. Разработка алгоритмов расчета и программ на ЭВМ по определению параметров промывки газожидкостными смесями при бурении винтовыми забойными двигателями вертикальных и наклонно направленных скважин с учетом эксцентричного расположения бурильной колонны в скважине и особенностей, возникающих при вскрытии продуктивных пластов на депрессии.

3. Определение забойного давления в бурящейся скважине при промывке аэрированным глинистым раствором при концентричном и эксцентричном расположении колонны бурильных труб в вертикальных и наклонно направленных скважин.

4. Определение необходимых расходов жидкой фазы и газа при использовании вязкопластичной газированных смесей для полного выноса выбуренной породы в случае структурного и турбулентного режимов течения при концентричном и эксцентричном расположении колонны бурильных труб относительно оси ствола скважины.

Объектом исследования данной работы является система гидродинамических закономерностей технологического процесса промывки скважин вязкими и вязкопластичными газированными жидкостями при вскрытии продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт».

Предмет исследования - вертикальные и наклонно направленные 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 неныотоновских 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 двигательной секции винтовых двигателях, промысловых исследований и испытаний новых алгоритмов расчета рациональных параметров промывки при вскрытии продуктивных пластов.

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 A.A. Арманд, H.A., Гукасов, С.И. Криль, С.С. Кутателадзе, JI.C. Лейбензон, А.Х. Мирзаджанзаде, Д.Ю. Мочернюк, Г.Э. Одишария, Н.И. Семенов, М.А. Стырикович, A.A. Точигин,; в разработку теории рабочего процесса винтового забойного двигателя - Д.Ф. Балденко, М.Т. Гусман, Ю.А.

Коротаев, A.M. Кочнев, С.С. Никомаров; в создание технологии бурения скважин с применением ВЗД - П.И. Астафьев, Т.Н. Бикчурин, Ю.В. Вадецкий, А.Г. Калинин, В.И. Крылов, Б.А. Никитин и целый ряд других авторов. Заранее приносим извинения авторам, работы которых в силу тех или иных причин не попали в поле нашего зрения, частично они приведены в списке литературы.

Научная новизна

Экспериментальное определение энергетических характеристик винтовых забойных двигателей нового поколения при использовании в качестве рабочего агента газированных смесей.

Развивая ранее известные достижения гидродинамики газожидкостных смесей, проведены теоретические исследования по определению забойного давления при промывке нефтегазовой смесью, являющейся неныотоновской жидкостью. Получены формулы для определения забойного давления с промывкой нефтегазовой смесью при вскрытии продуктивных пластов с учетом эксцентриситета колонны бурильных труб относительно оси скважины.

Все выведенные уравнения могут быть использованы автономно. Для оперативного определения давления на забое по выведенным уравнениям разработаны программы на ЭВМ, позволяющие с высокой точностью находить искомые величины.

Для определения скорости и расхода газожидкостной смеси для выноса выбуренной породы автором впервые решены задачи:

- определение перепада давления в ВЗД;

- определение забойного давления при бурении с промывкой нефтегазовой смесью наклонно направленных скважин в случае наличия эксцентриситета между осями ствола и бурильной колонны; определение расхода нефтегазовой промывочной жидкости, обеспечивающего вынос выбуренной породы из любой точки эксцентричного пространства.

Преимущества и потенциальные возможности прогрессивного ВЗД дали возможность совершить качественный скачок в технологии бурения таких сложных по профилю скважин как наклонно направленных и горизонтальных, а при капитальном ремонте скважин занять лидирующее положение. Поэтому совершенствование технологии бурения с применением ВЗД должно исходить из потенциальных возможностей, присущих этому способу.

Наличие большой гаммы современных винтовых забойных двигателей наряду с усовершенствованием профилирования рабочих органов дает в настоящее время возможность изменять в достаточно широких пределах их энергетические характеристики при сохранении неизменного расхода промывочной жидкости.

Из этого следует, что основными при выборе расхода промывочной жидкости являются технологические соображения, в первую очередь обеспечение выноса шлама из любой точки эксцентричного кольцевого пространства. По этому поводу наибольшее распространение получили рекомендации, согласно которым расход промывочной жидкости следует выбирать, исходя из обеспечения очистки забоя или по заданной скорости восходящего потока по кольцевому пространству потока промывочной жидкости. С таким подходом нельзя согласиться исходя из начальных условий наличия эксцентриситета, при котором невозможно пользоваться средней скоростью. Однако систематические исследования этого вопроса проведены в недостаточном объеме.

Использование ВЗД требует установления рационального сочетания техники и технологии бурения с учетом конкретных условий при вскрытии продуктивных пластов. Решение этой проблемы в определенной степени связано с установлением энергетических параметров ВЗД и связи их с гидродинамическими закономерностями течения промывочных жидкостей в кольцевом пространстве скважины.

Еще меньше сведений о работе ВЗД на газированных смесях, применение которых при вскрытии продуктивных пластов в последнее время расширяется.

Необходимо отметить, что точное знание величины забойного давления может предопределить качество ствола скважины и предотвратить появление многих осложнений, возникающих в процессе промывки и бурения скважины. Задача по определению забойного давления при исследовании однородных жидкостей, являясь сама по себе сложной, еще более осложняется при учете эксцентричного расположения колонны труб относительно оси скважины и при использовании газированных промывочных жидкостей. При этом необходимо поддерживать на соответствующем уровне энергетические параметры гидравлического забойного двигателя.

Из всего вышеизложенного следует, что формализация процесса определения режима промывки скважины в сочетании с эффективной работой ВЗД при вскрытии продуктивных пластов является очень сложной и важной задачей для практики.

Что касается принципов управления гидродинамическими процессами в стволе скважины, то они еще далеки от формализации. Особенно это относится к бурению винтовыми двигателями. В некоторых работах расход промывочной жидкости назначается исходя из паспортных характеристик ВЗД в случае работы его на воде, а также средней скорости жидкости в кольцевом пространстве.

По поводу такого подхода можно сказать, что указанные расходы в общем случае могут не совпадать. Кроме того, не приводятся принципы расчета реологических свойств промывочных растворов.

Теоретические исследования и промысловые испытания помогли на определенном этапе находить рациональные параметры технологии процесса бурения при вскрытии продуктивных пластов с применением ВЗД для локальных условий, при которых имеется достаточный практический опыт бурения скважин ВЗД.

Практическая ценность состоит в том, что результаты исследований могут быть использованы специалистами организаций и предприятий нефтегазовой промышленности, занимающихся проектированием процесса вскрытия продуктивных пластов с применением винтовых забойных двигателей в случае использования газожидкостных смесей. Для прогнозирования и управления процессом промывки при бурении скважин ВЗД на депрессии 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. Разработанные автором алгоритмы и программы применялись для определения параметров промывки при вскрытии продуктивных пластов на депрессии винтовыми забойными двигателями с применением нефтегазовых смесей при строительстве наклонно-направленных скважин №9, 32, 37 и 41 Аптугайского месторождения Пермского края, №№ 5417, 5427, 5428, 5435, 5599, 5602 Черемуховского месторождения республики Татарстан и № 4, 3 Быгинского месторождения Удмуртии.

Предложенные методы и программы на ЭВМ применяются ООО «ПермНИПИнефть» при составлении проектов на вскрытие продуктивных пластов в скважинах Шершневского, Озерного, Трифоновского, Сафроницкого и других месторождениях Пермского края. 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 ООО «ПермНИПИнефть» (г. Пермь, 2004, 2005 гг.), на заседаниях кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Пермского государственного технического университета (г. Пермь, 2004, 2005 г.г.), на 1-й научно-практической конференции «Передовые технологии строительства и ремонта скважин» (г. Пермь, 2005 г.).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту, можно определить следующим образом.

Для управления процессом вскрытия продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями на депрессии в работе сформулированы и обоснованы новые принципы совершенствования гидродинамики вязкопластичных и газированных жидкостей.

1. Создания математических моделей для определения рабочих характеристик винтовых забойных двигателей при работе на газожидкостных смесях.

2. Управления гидродинамическими процессами в пространстве между колонной бурильных труб и стенкой скважины (вертикальной и наклонно направленной) с учётом несовпадения их осей с определением рациональной скорости движения в любой точке пространства и расхода газированных промывочных жидкостей, обеспечивающих полную очистку от выбуренной породы.

3. Новый подход к определению забойного давления бурящейся скважины при использовании 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 вскрытии продуктивных пластов на депрессии винтовыми забойными двигателями;

- гидродинамические процессы в современных ВЗД с использованием газожидкостных систем;

- алгоритмы расчёта параметров промывки и применение разработанных методик и программ на ЭВМ при вскрытии пластов на депрессии;

- результаты опытного бурения с применением результатов проведенных исследований и разработанных соответствующих алгоритмов и программ на ЭВМ.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Глухов, Сергей Дмитриевич

7. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана гидравлическая программа промывки наклонно направленных скважин при вскрытии продуктивных пластов винтовыми забойными двигателями с применением газированных агентов на базе принципиально новых подходов к определению расхода и реологических свойств многофазных буровых промывочных жидкостей с учетом эксцентричного положения бурильной колонны в стволе скважины и наличия застойных зон в затрубном пространстве.

2. В стендовых условиях получены рабочие характеристики ВЗД при их работе на газожидкостных смесях. Установлено, что при работе ВЗД на газожидкостных смесях (при равных объёмах расхода негазированной жидкости и газированной) тормозной момент может снижаться до 35%.

3. Аналитически получены уравнения для расчета энергетических характеристик винтовых забойных двигателей при работе на различных промывочных жидкостях с различной степенью аэрации.

4. Разработаны алгоритмы и программы расчета параметров промывки скважин при вскрытии продуктивных пластов на депрессии винтовыми забойными двигателями.

5. Получены расчетные соотношения для определения забойного давления при бурении скважин с промывкой газожидкостными смесями, расходов жидкой и газообразной фаз, скорости в любой точке эксцентричного кольцевого пространства в случае ламинарного и турбулентного режимов течения.

6. Разработанные методы управления гидродинамическими процессами внедрены при бурении скважин винтовыми забойными двигателями в Пермском крае, Республике Татарстан и Удмуртии, что позволило повысить эффективность вскрытия продуктивных пластов на депрессии и получить дополнительный прирост дебитов нефти по скважинам по сравнению со средними показателями, полученными ранее в этих регионах.

130

7. Результаты проведенных исследований внедрены в ООО «Перм-НИПИнефть» при разработке проектов на строительство скважин в различных нефтяных регионах Российской Федерации.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Глухов, Сергей Дмитриевич, Пермь

1. Аветов P.B. Влияние плотности бурового раствора на возникновение неустойчивого равновесия в скважине при бурении в интервалах АВПД/ Р.В. Аветов// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -2005.-№2.-с. 9-13.

2. Аветов Р.В. Влияние репрессий на возникновение неустойчивого равновесия в системе скважина-пласт при бурении в интервалах АВПД/ Р.В. Аветов// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2004. -№11.-с. 2-6.

3. Аветов Р.В. Предупреждение осложнений при бурении в условиях аномально высоких пластовых давлений/ Р.В. Аветов// Нефтяное хозяйство. -2005. №2. - с.66-69.

4. Аветов Р. В. Система обнаружение углеводородов на ранней стадии их появления при бурении скважин/ Р.В. Аветов, Д.М. Чудновский, B.C. Григорьев, О.Я. Юн// Нефтяное хозяйство. 2001. - №3. - С. 30-34.

5. Аникеев К.А. Прогноз сверхвысоких пластовых давлений и совершенствование глубокого бурения на нефть и газ/К,А. Аникеев. М.: Недра, 1971. -168 с.

6. Арманд A.A. Исследование механизма движения двухфазной смеси/ A.A. Арманд //Сб. Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. М.: Изд-во АНСССР, 1955. - С. 21- 34.

7. Арманд A.A. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе/ A.A. Арманд, Е.И. Невструева. М.: ВТИ, 1950. №2.

8. A.C. 1468055Е 21В 21/08,21/00 Способ бурения скважин в интервалах проявляющих пластов/ K.M. Тагиров, В.Е. Михайлов. Опубл. 15.02.87, Бюл. №4.

9. Бабаян Э.В. Технология бурения скважин с поддержанием заданного забойного давления/ Э.В. Бабаян, А.И. Булатов. М.: ВНИИОЭНГ, 1989. - 63 с.

10. Балденко Д.Ф. //Исследование рабочего процесса и разработка научных основ расчета и проектирования одновинтовых гидравлических машин для нефтяной и газовой промышленности: Дисс.д-ра. М., 2000. - 58 с.

11. Балденко Д.Ф. Винтовые забойные двигатели/ Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.Н. Гноевых. М.: Недра, 1999. - 375 с.

12. Басарыгин Ю.М. Заканчивание скважин/Ю.М. Басарыгин, А.И. Булатов, Ю.М. Проселков. ООО «Курс-Бизнесцентр», 2000. - 670 с.

13. Балденко Д.Ф. Анализ характеристик винтовых забойных двигателей с целью оптимального управления процессом бурения/ Д.Ф. Балденко, Ф.Д. Балденко, А.П. Шмидт//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 1995. - №1-2. - С. 2-10.

14. Балуев A.A. Бурение продуктивных пластов в условиях равновесия (депрессии) в системе скважина-пласт/ A.A. Балуев//Нефтяное хозяйство. -2001.-№9.-С. 38-40.

15. Балуев A.A. Влияние технологических параметров строительства скважин на их добывные возможности/ A.A. Балуев, A.B. Митягин, В.Г. Безруков В.Г.//Нефтяное хозяйство. 1997. - №9. - С. 29-31.

16. Богомолов А.И. Гидравлика/ А.И. Богомолов, К.А. Михайлов. М.: Стройиздат, 1972 - 237 с.

17. Булатов А.И. Справочник по промывке скважин/А.И. Булатов, А.И. Пеньков, Ю.М. Проселков. -М.: Недра, 1984. 317 с.

18. Гукасов H.A. Механика жидкости и газа/ H.A. Гукасов. М.: Недра, 1996.-445 с.

19. Гукасов H.A. Практическая гидравлика в бурении/ H.A. Гукасов. М.: Недра, 1984.-197 с.

20. Гукасов H.A. Оптимизация параметров промывки при проводке скважины винтовым забойным двигателем/ H.A. Гукасов, Ю.А. Коротаев, В.М. Плотников. М: ВНИИОЭНГ, 2002. - 300 с.

21. Гукасов H.A. Прикладная механика в бурении/ H.A. Гукасов. М.: Недра, 1999.-359 с.

22. Гукасов H.A. Характеристика винтового забойного двигателя (ВЗД) при использовании в качестве промывочной среды водовоздушной смеси/ H.A. Гукасов, В.М. Плотников// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2003. - №10. - С. 17-20.

23. Гусман М.Т. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин/ М.Т. Гусман, Д.Ф. Балденко, A.M. Кочнев, С.С. Никомаров. М.: Недра, 1981.232 с.

24. Гусман A.M.// Управление процессом очистки забоя бурящейся скважины: Дисс. .д-ра. техн наук. М., 2000. - 276 с.

25. Дегтев Н.И. Контроль и дегазация буровых промывочных жидкостей/ Н.И. Дегтев, А.И. Зинкевич. М.:, Недра. - 1978. - 152 с.

26. Инструкция по вскрытию продуктивных пластов при отрицательном перепаде давления в системе «скважина-пласт»/ Р.Г. Салихов, В.В. Следков, Т.Н. Соболева и др. М., 2004. - 63 с.

27. Инструкция по приготовлению и применению безглинистого бурового раствора на основе акриловых полимеров, лигносульфонатов и эфиров целлюлозы/ . Пермь, 1986. - с.

28. Исследование параметров промывки при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин винтовыми забойными двигателями (научно-технический отчет), инв. №14/4-121, ОАО НПО «Буровая техника», Пермский филиал ВНИИБТ, Плотников В.М., 2004.

29. Каффин К. Руководство по бурению и заканчиванию скважин при отрицательном перепаде давления/ К. Каффин, Д. Медла, В.А. Реем. М., 2000.

30. Колесников H.A. Влияние дифференциального и угнетающего давления на разрушение горных пород/Н.А. Колесников. М.: Недра, 1991. - 199 с.

31. Крылов В.И. Влияние репрессии буровых растворов и времени контакта с породой на её фильтрационные свойства// В.И. Крылов, В.В. Крецул// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2005. - №1. -с. 35-41.

32. Крылов В.И. Изменение гидродинамического давления в скважине в зависимости от скорости спуска бурильной колонны/ В.И. Крылов//Нефтяное хозяйство. 1976. - №1. - с. 13-16.

33. Лейбензон A.C. Собрание трудов/ A.C. Лейбензон. М.: Изд-во АНСССР, 1955. - т.Ш «Нефтепромысловая механика». - 669 с.

34. Леонов Е.Г. Гидроаэромеханика в бурении/ Е.Г. Леонов, В.И. Исаев.-М.: Недра, 1987.-304 с.

35. Маковей Н. Гидравлика бурения/ Н. Маковей. М.: Недра, 1986. - 536с.

36. Малеванский В.Д. Гидродинамические расчёты режимов глушения фонтанов в нефтяных и газовых скважинах/ В.Д. Малеванский, Е.В. Шеберстов. -М.: Недра, 1990.-246 с.

37. Малеванский В.Д. Открытые газовые фонтаны и борьба с ними/ В.Д. Малеванский. Гостоптехиздат. - 1968. - 212 с.

38. Мамаев В.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в трубах/ В.А. Мамаев, Г.Э. Одишария, Н.И. Семенов, A.A. Точигин. М.: Недра, 1969. - 208 с.

39. Межлумов А.О. Использование аэрированных жидкостей при проводки скважин/ А.О. Межлумов. М.: Недра, 1976. 231 с.

40. Многозаходные винтовые забойные двигатели для бурения и капитального ремонта скважин/Коротаев Ю.А., Цепков A.B., Кочнев A.M. и др. -М.: ВНИИОЭНГ, 2002. 48 с.

41. Нифантов В.И.// Разработка методов вскрытия продуктивных пластов при стрительстве и ремонте газовых скважин в осложнённых горногеологических условиях: Дисс.д-ратехн. наук. Ставрополь, 2001. -400 с.

42. Одишария Г.Э. Прикладная гидродинамика газожидкостных смесей/ Г.Э. Одишария, A.A. Точигин A.A. М.: Изд-во ВНИИГАЗ, 1938. - 157 с.

43. Особенности технологии бурения винтовыми забойными двигателя-ми/Вадецкий Ю.В., Каплун В.А., Князев И.К. и др.//Нефтяное хозяйство. 1976. - №6. - С. 7-10.

44. Патент №2199646. Способ вскрытия продуктивного пласта на депрес-сии/В.М. Баянов, Ю.Н. Братухин, С.Д. Глухов, Е.Ф. Дубровин и др.// Опубл. 2003 г. Бюл. № 6.

45. Плотников В.М. Гидродинамика промывки скважин глинистыми растворами и газожидкостными смесями при бурении винтовыми забойными двигателями/ В.М. Плотников. -М.: ВНИИОЭНГ, 2003. 200 с.

46. Плотников В.М. Управление гидродинамическими процессами при бурении скважин винтовыми забойными двигателями: Автореф. дис.д-ра техн. наук. М., 2004. - 35 с.

47. Плотников В.М. Характеристики турбулентных потоков буровых растворов в цилиндрической трубе/ В.М. Плотников. М.: ВНИИОЭНГ, 2002. - 60 с.

48. Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности ПБ 08624-03 Гогортехнадзор России. Ассоциация буровых подрядчиков. М.: ФГУП издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. М.И. Губкина, 2003. - 272 с.

49. Проблемы и перспективы вскрытия продуктивных пластов при отрицательном дифференциальном давлении в системе «скважина-пласт»/Р.Г. Са-лихов, А.П. Пермяков, Т.Н. Крапивина и др. Пермь: Меркурий, 2003. - 177 с.

50. Салихов Р.Г. Проблемы в области бурения скважин на депрессии скважина-пласт/ Р.Г. Салихов, С.Д. Глухов, Т.Н. Крапивина, А.П. Предеин// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2005. - №6. -С. 13-15.

51. Салихов Р.Г. К определению забойного давления при промывке скважины нефтегазовой смесью/ Р.Г. Салихов, С.Д. Глухов, А.П. Предеин, Н.И. Крысин// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -2005.-№Н.-С. 22-26.

52. Совершенствование и внедрение технологии бурения скважин низкооборотными забойными двигателями: Отчет о НИР (заключит.)/Пермский филиал ВНИИБТ; Руководители И.К. Князев, К.Ю. Сурьма, В.А. Каплун. 1-80; №ГР 78014580; Инв. № 339. - Пермь, 1980. - 150 с.

53. Тагиров K.M. Бурение скважин и вскрытие нефтегазовых пластов на депрессии/ K.M. Тагиров, В.И. Нифантов. М.: Недра, 2003. - 160 с.

54. Тагиров K.M. Вскрытие продуктивных нефтегазовых пластов с аномальными давлениями/К.М. Тагиров, А.Н. Гноевых, А.Н. Лобкин М.: Недра, 1996.- 183 с.

55. Тагиров K.M. Вскрытие продуктивных пластов с аномальными давлениями/ K.M. Тагиров, В.И. Нифантов// Газовая промышленность. 1987. - № 8ю - С. 16-18.

56. Тагиров K.M. Разработка методов вскрытия пластов с аномальными давлениями: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М.: ВНИИГАЗ, 1987. - 38 с.

57. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения/ Г. Уоллис. М.: Мир, 1972.-437 с.

58. Фертль У.Х. Аномальные пластовые давления/ У.Х. Фертль. М.: Недра, 1980.-399 с.

59. Хэзелтон Т. М. Сопоставление опыта бурения при пониженном и повышенном гидростатического давления в стволе скважины/ Т.М. Хэзелтон, Р. Кирвелис, Д. Пиа, Т. Фуллер// Нефтегазовые технологии. 2003. - №1. - С.57-61.

60. Шахмаев З.М. Результаты промышленных испытаний винтовых забойных двигателей/ З.М. Шахмаев, Ф.М. Валихметов// Бурение. ВНИИОЭНГ. - 1975.-№12.-С. 3-5.

61. Шевцов В.Д. Предупреждение газопроявлений и выбросов при бурении глубоких скважин/В.Д. Шевцов. М.: Недра, 1988. - 200 с.

62. Ясашин A.M. Вскрытие, апробирование и испытания пластов/ A.M. Ясашин. М.: Недра, 1979. - 344 с.

63. Saponia, J., «Engineering consideration for jointed pipe underbalanced drilling», presented at the 1995 First International Unerbalanced Drilling Conference & Exhibition, The Hague, The Netherlands, Oct. 2-4, 1995.