Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Интенсификация процессов строительства и ремонта нефтедобывающих и нагнетательных скважин на основе теории нелинейной волновой механики многофазных сред

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Интенсификация процессов строительства и ремонта нефтедобывающих и нагнетательных скважин на основе теории нелинейной волновой механики многофазных сред"

На правах рукописи

/

Шамов Николай Александрович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ И НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ НЕЛИНЕЙНОЙ ВОЛНОВОЙ МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД

Специальность 25.00.15 - «Технология бурения и освоения скважин»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2013

005542967

005542967

Работа выполнена в лаборатории колебаний и волновых процессов Филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН» (НЦ НВМТ РАН) Научный консультант: Ганиев Ривнер Фазылович,

академик РАН, доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Мнацаканов Вадим Александрович,

доктор технических наук, Общество с ограниченной ответственностью «Газпром бурение», главный инженер

Лушпеева Ольга Александровна,

доктор технических наук, Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие Уфанефтепроект ЦТ», заместитель директора по научной работе Шакиров Рустам Анисович,

доктор технических наук. Закрытое акционерное общество «Научно-техническая фирма «Перфорационные технологии», генеральный директор Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Защита состоится 25 декабря 2013 года в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д 002.059.04 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) по адресу: 119334, г. Москва, ул. Бардина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН по адресу: 119334, г. Москва, ул. Бардина, д. 4.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Г.Н. Гранова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена анализу и решению проблем в нефтегазовой отрасли страны по строительству и ремонту скважин в сложных геолого-технических условиях. Особое внимание уделено повышению производительности бурения, качеству вскрытия продуктивных интервалов, предотвращению осложнений при бурении и заканчивании скважин, исследованию динамики твердых частиц на забое при бурении, кольматанта в процессах кольматации при первичном вскрытии пласта и декольматации при его освоении после вторичного вскрытия бурением глубоких перфорационных каналов-волноводов малого диаметра. Главным отличием данных исследований от проведенных ранее является то, что основные процессы строительства и ремонта скважин рассматриваются с позиций теории нелинейной волновой механики многофазных сред, созданной научным коллективом под руководством академика РАН Ганиева Р. Ф.

Актуальность проблемы. Основная часть эксплуатируемых месторождений нефти и газа в нашей стране находятся на завершающей стадии разработки. Новые месторождения, находящиеся на крайнем Севере, арктических шельфах, Камчатке и Сахалине, расположены в труднодоступных районах. Их освоение требует больших затрат на завоз материалов, оборудования, обустройство, создание транспортных коммуникаций, обеспечение необходимых условий для работы, отдыха и жизни приезжающих специалистов и так далее.

Одними из главных направлений решения отмеченных проблем являются повышение механической скорости бурения и проходки, сокращение количества спускоподъемных операций (СПО), предотвращение загрязнения присква-жинной зоны продуктивного пласта (ПЗП) фильтратом и твердой фазой буровых и тампонажных растворов, качественное их приготовление, создание зоны эффективной фильтрации пластового продукта при вторичном вскрытии эксплуатируемого пласта перфорационными каналами и вызове притока. Практика разработки нефтегазовых залежей свидетельствует о необратимости ухудшения фильтрационных и иных характеристик пласта в процессах бурения, цементирования обсадных колонн и перфорации, что искажает измеряемые при геофи-

зических исследованиях параметры, снижает нефтеотдачу и усиливает неравномерность выработки углеводородов.

Серьезную проблему представляет собой бурение стволов в пластах с аномально-низкими пластовыми давлениями (АНПД), особенно тогда, когда выше их находятся уже пробуренные пласты с аномально-высокими пластовыми давлениями (АВПД). В таком случае можно получить несовместимые гидродинамические условия в скважине - полное поглощение бурового раствора в пласте с АНПД и водо-, нефте-, газопроявления из пласта с АВПД.

Создание непроницаемого слоя кольматации, исследования влияния способствующих этому факторов, процессов получения герметичного заколонного пространства, сохранения естественных коллекторских свойств пласта при первичном и вторичном вскрытии по-прежнему является актуальной научно-практической проблемой, решение которой можно найти на базе использования возникающих в многофазных средах нелинейных волновых и колебательных явлений, теоретически установленных и экспериментально подтвержденных результатами работ, проводимых в НЦ НВМТ РАН.

Цель работы. Повышение качества и интенсификация процессов строительства и ремонта нефтедобывающих и нагнетательных скважин путем проведения теоретических, экспериментальных и информационных исследований влияния колебаний и волновых явлений на процессы, происходящие в многофазных средах, систематизации влияющих на них факторов, их взаимосвязей, разработки на этой основе эффективных способов и средств, обеспечивающих требуемое состояние гидродинамических связей в системе скважина - продуктивный пласт на всех этапах ее строительства.

Основные задачи исследований заключаются в решении проблем по повышению качества и интенсификации комплекса технологических операций строительства и ремонта скважин с позиции нелинейной волновой механики многофазных сред.

1. Анализ основных технологических операций по установлению взаимовлияния друг на друга сопутствующих им процессов и их результатов, способствующих получению системного эффекта от комплексного использования

4

в рассматриваемых операциях волновых явлений. Классификация факторов, влияющих на процессы кольматации и декольматации породы пласта.

2. Теоретические исследования процессов разрушения породы, кольматации ствола и изменения проницаемости его породы, уточнение механизма возникновения кавитации в многофазных средах на больших глубинах и ее роли в исследуемых процессах.

3. Определение факторов, влияющих на качество цементирования, описание механизма уплотнения тампонажного раствора в начальный период ОЗЦ, особенностей фильтрации пластового продукта после вторичного вскрытия пласта открытым стволом и бурением глубоких перфорационных резонирующих каналов-волноводов, теоретические исследования процесса декольматации при освоении.

4. Создание методики и установки для проведения экспериментов, исследования изменения свойств кольматационных растворов при волновом приготовлении, его влияния на процесс кольматации образцов породы, получение на основе результатов наблюдений математических моделей процессов волновой и струйной кольматации.

5. Разработка технологий и техники, обеспечивающих бурение на высоких оборотах, стволов в пластах с АНПД, кольматацию породы ПЗП, приготовление буровых и тампонажных растворов, вторичное вскрытие, депрессионно-репрессионную декольматацию породы при освоении и ремонте скважин, их стендовые и промысловые исследования.

6. Создание конструкторской и технологической документации на разработанные виды техники и способы их применения.

Методы решения поставленных задач.

Для выявления влияния друг на друга основных технологических операций строительства и ремонта скважин, сопутствующих им процессов на изменение гидродинамической связи ствола с пластом, разработке на этой основе соответствующих блок-схем, а также создания классификации факторов, влияющих на процессы кольматации и декольматации породы, применялся аналитический обзор источников научно-технической информации.

5

Теоретические исследования процессов породоразрушения, кольматации и декольматации в волновых полях, динамики частиц шлама породы и кольма-танта в монохроматическом и полихроматическом волновых полях, изменения проницаемости породы при кольматации, динамики процесса ударной кольматации породы импульсными струями раствора осуществлялись методом разработки приближенных математических моделей.

Путем подстановки численных значений исследуемых факторов в формулы математических моделей определялись зависимости основных параметров динамики частиц кольматанта с построением соответствующих графиков, оценивались скорости объемной фильтрации (дебита) пластового продукта и коэффициенты гидродинамической связи скважины с пластом после вторичного вскрытия пласта открытым стволом и бурением глубоких перфорационных каналов-волноводов.

Влияющие на параметры процессов приготовления глинистого раствора, волновой и струйной кольматации факторы оценивались в ходе экспериментов с применением образцов искусственного песчаника и близкой к естественной модели экспериментальной установки. По результатам наблюдений составлены математические модели параметров кольматации, на базе которых построены зависимостей этих параметров от исследуемых факторов.

Методом электрической аналогии исследованы изменения проницаемости породы в результате волновой кольматации в условиях плоскопараллельной и плоскорадиальной фильтрации, описана структура образовавшихся при этом неоднородных по проницаемости слоев и зон.

В качестве одного из методов исследований проводились экспериментальные стендовые и промысловые испытания разработанных технологий и устройств, таких как высокооборотное турбинное бурение, приготовление буровых растворов, кольматация и декольматация породы в волновых полях, бурение перфорационных каналов-волноводов в цементно-песчаном блоке.

Научная новизна

1. Аналитически обоснованы и представлены в виде блок-схем сопутствующие процессы основных технологических операций строительства и ремон-

6

та скважин, установлено их взаимовлияние друг на друга, способствующее получению системного эффекта от комплексного использования волновых явлений, а также классифицированы факторы, влияющие на процессы кольматации и декольматации продуктивной породы.

2. На основе полученных математических моделей теоретически исследовано поведение частиц горной породы на забое и кольматанта в монохроматическом и полихроматическом волновом поле, уточнен механизм ударной кольматации породы импульсными струями раствора.

3. Теоретически обоснован механизм создания акустической кавитации в условиях значительных гидростатических давлений путем возбуждения ряда низкочастотных колебаний нечетных гармоник, когда на полученный волновой процесс накладываются колебания давления более высокой частоты. Составлена математическая модель указанного волнового процесса с использованием решения обратной задачи разложению периодических функций в ряды Фурье.

4. Созданы математические модели изменения проницаемости породы в результате волновой кольматации в условиях плоскопараллельной и плоскорадиальной фильтрации и описана структура образовавшихся при этом неоднородных по проницаемости слоев и зон.

5. Предложена формула определения дебита пласта, вскрытого глубокими перфорационными каналами-волноводами, согласно которой объемная скорость фильтрации в большей степени зависит не столько от максимальной длины каналов, сколько от их количества при равной суммарной длине.

6. Разработана математическая модель процесса волновой декольматации в виде обобщенного условия ее осуществления, определяемого, в том числе усталостной прочностью породы стенки перфорационного канала, его длиной, диаметром и расстоянием от соседних каналов.

7. Получены в результате обработки экспериментальных данных математические модели, описывающие зависимости параметров процессов волновой и струйной кольматации от концентрации твердой фазы в растворе, проницаемости породы, интенсивности расходуемой энергии, перепада давления гидросреды на образце породы.

Основные защищаемые положения. Блок-схемы технологических операций строительства и ремонта скважин, устанавливающие взаимовлияние друг на друга сопутствующих им процессов и их результатов, способствующих получению системного эффекта от комплексного использования волновых явлений в рассматриваемых операциях, а также классификация факторов, влияющих на процессы кольматации и декольматации продуктивной породы.

Приближенные математические модели динамики частиц породы на забое и кольматанта в монохроматическом и полихроматическом волновом поле, ударной кольматации импульсными струями раствора, процесса волновой декольматации в виде обобщенного условия ее осуществления, создания акустической кавитации при значительных давлениях в скважине, изменения проницаемости породы в результате кольматации в условиях плоскопараллельной и плоскорадиальной фильтрации.

Механизмы диспергирования твердой фазы буровых и тампонажных растворов, разрушения породы при бурении, кольматации и декольматации проницаемой породы в условиях кавитационно-волновых явлений.

Формула определения объемной скорости фильтрации (дебита) флюида из пласта, вскрытого глубокими перфорационными каналами-волноводами.

Математические модели, полученные в результате обработки экспериментальных данных и описывающие зависимости параметров процессов волновой и струйной кольматации от объемной концентрации твердой фазы в растворе, интенсивности расходуемой энергии, перепада (градиента) давления гидросреды в образце породы, ее исходной проницаемости.

Механизм волнового воздействия на обсадную трубу и через нее на там-понажный раствор при его уплотнении в начальный период ОЗЦ.

Конструкции экспериментальных установок для исследований волновой, струйной, импульсно-волновой кольматации, а также волновой декольматации.

Методики изготовления образцов искусственного песчаника различной проницаемости, проведения исследований по приготовлению бурового раствора и осуществления кольматации образцов породы в условиях кавитационно-волновых явлений в многофазной среде модели забоя.

8

Технологии и техника для осуществления и использования в промышленности указанных выше процессов и явлений.

Практическую ценность представляют:

а) классификация факторов, определяющих характер процессов кольма-тации и декольматации, блок-схемы основных технологических операций строительства скважин, устанавливающие взаимовлияние друг на друга сопутствующих процессов и их результатов, способствующих получению системного эффекта от комплексного использования в рассматриваемых операциях волновых явлений, также результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые могут использоваться при разработке новых технологий и технических средств;

б) данные экспериментальных наблюдений, на основании которых определены интервалы эффективных значений исследуемых факторов - объемной концентрации твердой фазы, интенсивности расходуемой на кольматацию энергии, статического перепада (градиента давления) в образце породы, которые могут быть использованы в выборе технологических режимов бурения пластов при проведении их волновой кольматации;

в) технологии и техника с использованием волновых процессов, которые могут найти применение в проектах строительства и ремонта скважин, в том числе:

1) в высокооборотном бурении долотом с кавитационно-вихревой промывкой забоя, кольматацией проницаемой породы, также бурении стволов и очистке скважин от трудно извлекаемых отложений в пластах с АНПД;

2) при спуске обсадной колонны с кольматацией ствола, приготовлении тампонажного раствора на устье и его активации на забое;

3) в приготовлении бурового раствора с одновременным уплотнением тампонажного раствора в заколонном пространстве в начальный период ОЗЦ;

4) при вызове притока пластового продукта через каналы-волноводы, депрессионно-репрессионной декольматации и ПЗП скважин;

г) результаты экспериментальных стендовых и промысловых испытаний и исследований разработанных технологий и технических средств.

Реализация результатов работы в промышленности. Она осуществлялась при проведении промысловых испытаний высокооборотных турбобуров с герметичным шпинделем, содержащим узел гашения продольных колебаний долота, вихревых кавитационно-волновых кольматационных устройств, турбинных роторно-пульсационных волновых генераторов при бурении скважин и очистке их ПЗП, техники и технологии волновой депрессионно-репрессионной декольматации и освоения скважин в объединениях "Ленанефтегазгеология", "Нижневартовскнефтегаз", "Ноябрьскнефтегаз", "Варьеганнефтегаз", а также в ОАО "Башнефть", ЗАО "Лукойл-бурение-Пермь", ООО "РН-Юганскнефтегаз", ООО "НК "Приазовнефть", ЗСФ БК "Евразия", ОАО "Красноленинскнефтегаз-геология", ОАО "Белкамнефть". Испытания, проведенные на 47 скважинах, показали, что разработанные технические средства надежно и эффективно работают в промысловых условиях.

Апробация работы. Основные положения работы излагались на пятой Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении скважин" (Уфа, 1990), П-ом Международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных систем" (Уфа, 2000), Ш-ем Конгрессе нефтегазо-промышленников России "Проблемы нефти и газа" (Уфа, 2001), ХХХШ-ем Уральском семинаре РАН "Механика и процессы управления" (Миасс, 2003), Всероссийской научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования" (Уфа, 2004), Всероссийской научно-технической конференции "Ванкор 2009. Первая нефть" (Красноярск, 2009), Всероссийской научно-технической конференции "Инновационное нефтегазовое оборудование" (Уфа, 2010), И-ой Международной научно-технической конференции "Повышение качества строительства скважин" (Уфа, 2010), научных семинарах НЦ НВМТ РАН (Москва, 2011, 2012).

Структура и объем работы. Она состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников информации. Работа изложена на 307 страницах машинописного текста и содержит 133

10

рисунка, 36 таблиц. Список использованных источников информации включает 172 наименования.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 59 научных публикациях, в том числе 12 статей - в рекомендованных Высшей аттестационной комиссией изданиях, 16 публикаций - в сборниках научных трудов, других научно-технических журналах, 13 авторских свидетельств СССР и 18 патентов РФ на изобретения, подтверждающих приоритетность разработок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее цель, указаны научная новизна, основные защищаемые положения, практическая ценность, приведены сведения об апробации и публикации результатов работы.

Вопросам интенсификации строительства скважин, исследованию изменений проницаемости породы и создания необходимой гидродинамической связи их с пластами посвящены работы Ганиева Р.Ф., Агзамова Ф.А., Амияна В.А., Алекперова В.Т., Белова В.П., Гайворонского М.Н., Гильманшина И.Г., Жигача К.Ф., Касперского В.В., Кошелева А.Т., Крысина Н.И., Кузнецова Ю.С., Курочкина Б.М., Лушпеевой O.A., Мавлютова М.Р., Мамаджанова У.Д., Михайлова В.Н., Мнацаканова В.А., Никишина В.Л., Овчинникова В.П., Полякова В.Н., Урманчеева В.П., Шакирова P.A., Яремейчука P.C. и других исследователей.

Многие исследователи отмечают, что основной причиной ухудшения коллекторских свойств ПЗП при строительстве скважин являются поступления в нее твердой фазы и фильтрата буровых и цементных растворов под влиянием их значительных гидродинамических давлений на пласт, капиллярных и осмотических явлений.

В связи с этим в технологии бурения скважин применяется так называемая принудительная (регулируемая) кольматация, развитием которой многие годы плодотворно занимались Кузнецов Ю.С., Мавлютов М.Р., Поляков В.И., Горонович С.С., Ипполитов В.В. и ряд других специалистов. Особый интерес представляет кольматация с использованием нелинейных волновых явлений в

11

многофазных буровых растворах. Ее можно применять при бурении стволов не только в высокопроницаемых, но и в низкопроницаемых породах, а также в слабосцементированных пластах.

Следует также отметить, что негативные изменения проницаемости в породе наступают и после многих видов перфорации, в продуктивной породе вокруг каналов формируется слой кольматации из твердой фазы скважинной жидкости и продуктов перфорации, а также зона проникновения фильтрата.

Белов В.П. и Поляков В.Н. определили, что в результате происходящих в процессе бурения изменений в поровой среде образуются от двух до четырех неоднородных по проницаемости слоев. В данной работе стоит задача по анализу особенностей процесса изменения проницаемости в условиях попутной и принудительной кольматации, уточнению количества, структуры слоев и переходных зон между ними, математической оценке их проницаемости.

Необходимы такие технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов, когда с помощью перфорационных каналов можно преодолеть зону проникновения фильтрата, создать обширную фильтрационную область в ПЗП, избежав при этом нежелательной вторичной кольматации, а за счет использования технологии декольматации быстро восстановить естественную проницаемость породы. В результате будет обеспечена эффективная гидродинамическая связь скважины с пластом.

Процессы попутной (неуправляемой) кольматации начинаются на забое сразу же в результате контакта промывочной жидкости при разрушении породы долотом. В настоящее время недостаточно исследована область интенсификации процессов разрушения породы за счет очистки забоя и вооружений долот, в частности, на основе сочетания высокооборотного бурения с использованием волновых процессов, создаваемых на забое. Также недостаточно изучены процессы депрессионно-волновой декольматации.

В последние годы много внимания уделяется исследованию и применению в технологиях строительства, эксплуатации и ремонта скважин колебательных и нелинейных волновых процессов. Значительный вклад в создание новых знаний в этой области науки и практики, ее популяризации внесли осно-

12

воположник нелинейной волновой механики многофазных систем Ганиев Р.Ф., его ученики Украинский Л.Е., Ганиев О.Р. и другие.

Явления, происходящие в процессах породоразрушения, изменения проницаемости породы пластов при кольматации и декольматации, приготовления буровых и тампонажных растворов, подготовки ствола к спуску обсадной колонны, ее цементирования, вторичного вскрытия пластов и их освоения многообразны. Взаимовлияние друг на друга и связи между ними пока недостаточно изучены, требуют комплексного подхода к их исследованию, разработке новых технологий и технических средств. Только такой путь может дать системный эффект от применения волновых процессов в нефтяной промышленности.

Первая глава посвящена анализу основных технологических операций в строительстве и ремонте скважин по установлению взаимовлияния друг на друга сопутствующих им процессов и их последствий с целью получения системного эффекта от комплексного использования в рассматриваемых операциях волновых явлений и создания соответствующих блок-схем, в том числе по классификации факторов, влияющих на процессы кольматации и декольматации породы пласта.

При строительстве скважин должны решаться следующие задачи:

- недопущение нарушения устойчивости горных пород;

- предотвращение поглощений буровых и тампонажных растворов и проявлений пластовых сред;

- обеспечения надежной герметичной цементной крепи обсадных труб;

- прерывание гидродинамической связи скважины с продуктивными пластами на этапах бурения и цементирования;

- обеспечение эффективной гидродинамической связи с эксплуатируемыми пластами на этапах вторичного вскрытия и освоения.

Для решения указанных задач в виде блок-схем технологических операций отображены и ранжированы сопутствующие им процессы, установлены их взаимосвязи. Из блок-схемы технологии приготовления бурового раствора, видно, что кавитационно-волновое диспергирование не только улучшает его структурно-реологические свойства, но и тем самым интенсифицирует процесс

13

кольматации, в свою очередь процесс волновой кольматации сопровождается улучшением свойств бурового раствора. Наблюдаемое при осуществлении этих двух технологических операций снижение абразивности твердой фазы раствора уменьшает износ бурильного инструмента. В результате увеличится скорость бурения и проходка, снизится риск возникновения осложнений, улучшиться качество вскрытия пласта бурением и цементирования, уменьшится или прервется ГД-связь с пластом, снизятся издержки в строительстве скважин.

Использование высокооборотного бурения согласно его блок-схеме повлияет на улучшение структурно-реологических свойств бурового раствора и интенсифицирует волновую кольматацию, так как вращающееся с высокой частотой долото является эффективным смесителем многофазной среды. Если же в долоте размещен кавитационно-волновой промывочный узел, то это еще более ускорит указанные процессы. Кроме того, при высокооборотном бурении происходит увеличение частоты кольматационных циклов, что также интенсифицирует процесс кольматации. В итоге увеличится скорость бурения и проходка, снизится риск возникновения осложнений, повысится качество вскрытия пласта и цементирования, уменьшится или прервется ГД-связь с пластом.

Улучшение состояния ствола за счет применения высокооборотного турбинного его бурения с волновой кольматацией приготовленным в процессе кавитационно-волновой обработки буровым раствором, попутная со спуском обсадной колонны волновая проработка ствола с кольматацией, кавитационно-волновое приготовление тампонажного раствора на устье, волновая активация его на забое, согласно изображенной на рисунке 1 блок-схеме, снизят риск возникновения осложнений, как при спуске колонны, так и при ее цементировании. Кроме того, улучшатся структурно-реологические свойства раствора, а последующее волновое его уплотнение в заколонном пространстве позволит дополнительно повысить качество цементирования обсадной колонны, предупредит возникновение заколонных перетоков, обеспечит надежное прерывание ГД-связи скважины с пластами, снизятся издержки в строительстве скважин.

Использование технологии бурения глубоких перфорационных каналов-волноводов даст возможность сохранить герметичность цементного камня в

14

кольматации могут быть подвергнуты все указанные объекты. Классифицированные факторы, влияющие на процесс декольматации, можно подразделить на необходимые для его осуществления и усиливающие его. К первым относятся такие, как обеспечение разрушения кольматационных пробок в каналах породы и удаление их частиц из блокированных ими каналов.

Сопротивление кольматационного материала разрушению зависит от структурно-механических свойств слоя кольматации, то есть от дисперсности и спектра размеров слагающих пробку частиц, плотности упаковки, наличия дефектов в ней, сил сцепления в местах контактов частиц в кольматационной пробке.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям процессов разрушения породы, кольматации ствола и изменения его проницаемости, влияния на них основных факторов, причин возникновения кавитации в многофазных средах на больших глубинах и ее роли в исследуемых процессах.

В данной области строительства скважин рассмотрим следующие технологии с использованием волновых и колебательных явлений или устранением нежелательных их проявлений. Волновые явления в технологии приготовления бурового раствора, в процессах кольматации при вскрытии бурением пластов с АНПД и АВПД и породоразрушения на забое бурильным инструментом являются благоприятными факторами, а продольные, поперечные и крутильные колебания компоновки низа бурильной колонны - нежелательными и вредными.

Обобщение результатов длительной практики использования забойных двигателей на основе анализа технической информации выявило немало преимуществ высокооборотных турбобуров перед низкооборотными винтовыми, таких как устойчивость к зашламовыванию, создание более стабильного ствола, лучшая управляемость при бурении наклонных и боковых стволов, высокий межремонтный ресурс, в десятки раз меньшие вибрации, ускоряющие износ долота и снижающие эффективность работы телеметрического оборудования.

Основные факторы, способные повлиять на увеличение механической скорости, проходки при высокооборотном турбинном бурении долотами и ре-

сурса их работы в сравнении с применением низкооборотного бурения винтовыми двигателями в диссертации подробно изложены.

Рассмотрим особенности образования лунки разрушения в породе забоя заостренным зубком при высоких оборотах шарошечного долота. В момент упругого удара ¡-того зубка в породе возникает волна давления (рисунок 2) начальной амплитудой:

где р„ - условная плотность породы забоя; с„ - скорость распространения звука в породе; скорость /-того зубка в момент удара.

где со, - угловая частота вращения шарошки; г, - радиус по вершине зубка относительно оси шарошки; п,, - число оборотов долота в минуту; (), - глубина внедрения ¿-того зубка в породу; /ш- передаточное отношение шарошки.

Рисунок 2 - Процесс образования лунки разрушения в породе забоя Амплитуда давления зубка на породу при ударе составит:

Под воздействием ударной волны в породе под зубком возникают напряжения сжатия и растяжения, образуется сеть трещин и микротрещин.

Р„ =

то ■ Г< ' лпд . /Г7 71

V . = «г эта. =—-I г.л/1 -сое" а. =—-1,„Л2о,г — о, , ,, , 3() ... ,м 30 ,„м

Приведена математическая модель процесса волновой декольматации в виде обобщенного условия ее осуществления, определяемого АХЧ волнового поля, перепадом давления между скважиной и пластом при депрессии, сопротивлением отрыву частицы от слоя кольматации, ее диаметром и глубиной нахождения в поровом пространстве породы, усталостной прочностью породы стенки перфорационного канала. При депрессии на частицу действуют сила давления пластовой жидкости, периодическая вынуждающая сила полуволны пониженного давления, а в противоположном направлении силы, обусловленные рассеянием звуковой энергии на частицах кольматанта и уменьшением потенциальной энергии волны, сопротивлением движению частицы по каналу в породе.

Для эффективной очистки трещины разрыва с защемленным проппантом от остатков эмульсии и свободных частиц проппанта необходимо создать в процессе волновой обработки такое понижение давления в скважине, которое обеспечило бы объемную скорость фильтрации из трещины, не меньшую ожидаемой скорости фильтрации (дебита) при эксплуатации после ГРП:

я к А Р h £

_ тр тр тр трЪтр -

— ; — Уатах >

U I

r^i тр

где птр - количество вертикальных трещин разрыва (обычно две); ктр - средняя проницаемость проппантовой структуры трещины; АРтр - перепад давления в трещине при фильтрации пластовой жидкости; hmp - высота трещины; £тр - ширина; 1тр - длина; /¡3- динамическая вязкость эмульсии разрыва.

В четвертой главе приведены описания методики и установки для проведения экспериментальных исследований изменения свойств буровых кольма-тационных растворов при волновом приготовлении, его влияния на процесс кольматации образцов породы, получение на основе обработки результатов наблюдений математических моделей процессов волновой и струйной кольматации.

Методика включала выбор параметров кольматации и основных факторов на них влияющих, планирование эксперимента, подготовку и исследование об-

комплекс типа УБРО (рисунок 12) может быть использован для расширения горизонтальных стволов ротором с созданием депрессии на пласт и системой обратной промывки для удаления шлама закольматированной породы после предварительного бурения пилотных стволов с применением волновой кольмата-ции. На рисунке изображены струйный насос 1 комплекса УБРО, гидравлический пакер 2, его "плавающая" манжета 3, кавитационно-волновой генератор 4, клин-отклонитель 5, бурильные трубы 6, долото 7 с всасывающими отверстиями, продуктивный пласт В. Технология и техника вскрытия пластов с АНПД могут быть применены также в бурении проппантовых пробок, депрессионно-волновой очистке трещины гидроразрыва пласта от частиц осадочного и не защемленного проппанта.

Разработаны принципиальные схемы конструкций режуще-скалывающих долот с вихревым кавитационно-волновыми промывочным и кольматационным узлами (патент № 2313655) для повышения скорости бурения и эффективности кольматации ствола.

В качестве источников для создания монохроматического поля колебаний давления и повышения интенсивности породоразрушения при бурении созданы встроенные в конструкцию турбобура шпиндельный типа ГИШ и надтурбин-ный типа ГИД роторно-пульсационные генераторы (а.с. № 1432887).

Разработаны четыре варианта технологических схем по приготовлению буровых растворов путем их высокоскоростного перемешивания и кавитацион-но-волнового диспергирования твердой фазы, а также устройства для их осуществления (а.с. № 1432887, патент № 2313655). На рисунке 13 показана технологическая схема волнового приготовления бурового раствора и одновременного уплотнения тампонажного раствора в заколонном пространстве, на которой изображены турбинная секция 1 роторно-пульсационного генератора 2, кавита-ционно-волновые генераторы 3, контейнер с глубинным манометром 4, обсадная колонна 5, буровой раствор 6, тампонажный раствор 7.

В процессе кавитационно-волнового диспергирования растворов куганак-ской глины при проведении экспериментальных исследований наблюдалось существенное улучшение их структурно-реологических свойств.

35

но-ориентирующий узел 4, направляющий гидрофиксатор 5, гидронагружатель 6, гибкие трубки 7, винтовой двигатель 8 с долотом, отклонитель 9, якорь 10.

Проведены экспериментально-стендовые исследования. На рисунке 16 показаны каналы, пробуренные в цементно-песчаном блоке, а на рисунке 17 - в обсадной трубе. Сделана попытка испытаний в скважинных условиях. Пробурен пробный канал в скважине длиной 2 м, но из-за поломки ВЗД вследствие заводского брака в вале шпинделя испытания были отложены.

Разработан также ряд технологий и устройств для депрессионно-репрессионной волновой декольматации ПЗП, проведения волновой очистки и исследований отдельных пропластков, созданных на основе изобретений по а.с. № 1432887, патентам № 1762602 и № 2213862 с целью получения эффективной ГД-связи скважины с пластом и интенсификации фильтрационных процессов между ними. В частности, на рисунке 18 приведена схема волновой обработки при очистке ПЗП боковых стволов устройством типа УОБС, на которой изображены струйный насос 1, пакер 2, всасывающий фильтр 3, обсадной хвостовик 4, его фильтр 5, кавитационно-волновой генератор 6, глубинный термоманометр 7, продуктивный пласт 8.

Создан способ очистки ПЗП устройством типа УПН через колонну НКТ со спуском на гибких длинномерных трубах. На рисунке 19 изображены струйный насос 1, пакер 2, всасывающий фильтр 3, глубинный термоманометр 4, обсадная труба 5, гибкая труба 6, колонна насосно-компрессорных труб 7, продуктивный пласт 8.

Так приемистость нагнетательных скважин в результате волновой декольматации изменялась от 0 до 264 м3/сутки, от 80 до 427 м3/сутки, от 20 до 432 м3/сутки. Дебит нефти добывающих скважин от 1,2 т/сутки до 2,4 т/сутки, приемистость боковых стволов от 5-8 до 71-150 м3/сутки, от 0 до 330-400 м3/сутки. В скважинах, очищенных устройством, спускаемым на гибких трубах, приемистость изменялась от 0-55 до 40-206 м3/сутки.

Рисунок 18 - Устройство УОБС Рисунок 19 - Устройство У ПН

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. По результатам проведенного анализа основных технологических операций, взаимовлияния сопутствующих им процессов и их результатов с использованием волновых явлений в многофазных средах разработаны блок-схемы, применение которых при создании новых технологий позволит получить на практике системный технологический эффект в интенсификации технологий строительства и ремонта добывающих и нагнетательных скважин. Классифицированы факторы, определяющие характер процессов волновой кольматации и декольматации.

2. На основе данных теоретических и экспериментальных исследований наиболее значимых факторов получены следующие результаты:

а) разработаны математические модели:

1) динамики частиц горной породы на забое и кольматанта в монохроматическом и полихроматическом волновом поле, ударной кольматации пу-

тем взаимодействия импульсных струй бурового раствора с поверхностью породы (а.с. № 1594264 Би);

2) изменения проницаемости и структуры образовавшихся при этом неоднородных по проницаемости слоев и зон;

3) процесса волновой декольматации в виде обобщенного условия ее осуществления;

4) зависимости параметров процессов кольматации, а именно, ее степени, давления начала фильтрации через слой кольматации, объема выделившегося при кольматации фильтрата бурового раствора, от значений объемной концентрации твердой фазы в растворе, интенсивности расходуемой энергии, перепада давления на образце песчаника, его исходной проницаемости;

б) разработана и изготовлена экспериментальная установка, создана методика проведения исследований и обработки результатов по кавитационно-волновому приготовлению стабильных буровых растворов, волновой и струйной кольматации песчаников;

в) в результате проведенных исследований:

1) объяснены механизмы процессов, происходящих при приготовлении буровых растворов, породоразрушении, кольматации и декольматации в волновых полях;

2) на базе установленного влияния кавитационных явлений на процессы породоразрушения на забое, кольматации и декольматации породы ПЗП предложена гипотеза создания акустической кавитации в условиях значительных гидростатических давлений за счет возбуждения ряда низкочастотных колебаний нечетных гармоник и наложения колебания давления более высокой частоты (а.с. № 1540107 Би), составлена математическая модель указанного волнового процесса;

3) определено, что для осуществления эффективной волновой кольматации необходимы объемная концентрация твердой фазы в пределах от 3,5 до 6,0%, интенсивность затрачиваемой на кольматацию энергии от 3,7 до 6,0 МВт/м2, статический перепад давления на образце песчаника длиной 58 мм в интервале от 1,0 до 1,5 МПа;

4) выявлено, что процесс волновой кольматацип сопровождается диспергированием твердой фазы, увеличением объема связанной воды в глинистом растворе, снижением фильтратоотдачи, повышением его эффективной вязкости, ростом седиментационной устойчивости твердой фазы раствора. Такое изменение свойств раствора в свою очередь существенно повышает интенсивность процесса самой кольматации, и тем самым подтверждает достижение системного эффекта, что позволит снизить расход химреагентов и глинопорош-ков, повысить качество полученных "наработкой" растворов в процессе бурения пропластков глины;

5) установлено, что улучшились антифрикционные свойства буровых растворов вследствие диспергирования их твердой фазы, снизился темп гидроабразивного износа бурового оборудования на примере кавитационно-волновых излучателей от 1,5 до 2,5 раз, который также подтверждает достижение системного эффекта, выражающегося в повышении производительности процесса бурения;

6) доказано, что волновая кольматация наиболее эффективна при бурении слабосцементированных и низко проницаемых пород, в условиях высоких скоростей бурения и проработки ствола скважины, например, перед цементированием.

3. Разработаны технические средства, обеспечивающих скоростное бурение с предупреждением возникновения и подавлением продольных, крутильных и поперечных колебаний бурильного инструмента, локальным понижением давления в интервале вскрытия пласта с АНПД и одновременной волновой кольматацией проницаемой породы, а именно:

а) высокооборотный турбобур с системой стабилизации его роторного узла и герметичным шпинделем (патенты № 22316006 1Ш, № 22316007 1Ш) с узлом демпфирования колебаний, прошедший стендовые исследования и промысловые испытания в ремонте скважин, где скорость бурения им цементных мостов, "взрыв"-пакеров, фрезерования стенок обсадных труб была в 5,5-13 раз выше по сравнению с результатами применения винтовых двигателей;

б) принципиальные схемы конструкций режуще-скалывающих долот с вихревым кавитационно-волновыми промывочным и кольматационным узлами (патент №2313655 1Ш);

в) технологии локальной очистки от фильтрационной корки и волновой кольматации породы стенки скважины, волнового уплотнения слоя кольмата-ции стенки скважины и несколько вариантов устройств (кольмататоров) с приближенными к забою кольматационными кавитационно-волновыми узлами (патент № 2313655 ШЛ), прошедшие экспериментальные исследования и промысловые испытания в разных регионах страны;

г) встроенные в конструкцию турбобура надтурбинный и шпиндельный роторно-пульсационные генераторы (а.с. № 1432887 817) в качестве источников для создания монохроматического волнового поля в буровом растворе, прошедшие пробные промысловые испытания, при которых скорость бурения выросла в 1,9 раза, проходка на долото более чем в 1,7 раза;

д) технологии бурения стволов в пластах с АНПД при полном поглощении буровых растворов и несколько вариантов устройств (патенты 2364705, 2213862) с различными компоновками и системами промывки.

4. Разработаны технологии и техника для приготовления буровых и там-понажных растворов, цементирования скважин, в том числе:

а) высокоскоростного перемешивания растворов и кавитационно-волнового диспергирования их твердой фазы (а. с. № 1432887 Я и, патент № 2313655 1Ш), так на 4-х скважинах у наработанных при разбуривании глинистых пластов растворов плотность увеличилась в 1,1 раза, условная вязкость от 1,07 до 1,4 раза, СНС в 1,17 раза, фильтратоотдача снизилась от 1,5 до 2 раз. Такое изменение свойств растворов в свою очередь существенно повысило интенсивность процесса кольматации проницаемых пропластков, полностью прекратились поглощения растворов, обвалы породы, образование каверн и прихваты бурового инструмента, тем самым подтвердилось достижение определенного системного эффекта;

б) комплекс технологий по улучшению качества и интенсификации процесса цементирования за счет осуществления волновой кольматации ствола, в

42

том числе при спуске обсадной колонны, приготовлении тампонажного раствора путем гидромеханического смешивания, кавитационно-волнового диспергирования его твердой фазы на устье, применения кавитационно-волновой активации на забое скважины, волнового уплотнения тампонажного раствора в за-колонном пространстве (а.с. № 1432887 8и, патент № 2313655 1Ш) в начальный период ОЗЦ.

5. Разработаны технология и техника вторичного вскрытия продуктивного пласта, в том числе:

а) бурения глубоких дугообразных перфорационных каналов-волноводов малого диаметра (патенты № 2213195 ГШ, № 2213197 1Ш), предложена формула для аналитической оценки ожидаемого дебита пласта, вскрытого указанными каналами, проведены экспериментально-стендовые исследования;

б) первичного вскрытия пласта бурением пилотного ствола с применением волновой кольматации и вторичного вскрытия открытым стволом путем его расширения (патент № 21161247 ГШ).

6. Разработан ряд технологий и техники волновой депрессионно-репрессионной декольматации ПЗП (а. с. № 1432887 й и, патенты № 1762602 ГШ, № 2213862 1Ш) и исследований пластов, основная часть из которых прошла успешные промысловые испытания на 19-ти скважинах.

7. Разработаны несколько вариантов устройств (патенты № 2364705 ГШ, № 2213862 ГШ) для бурения проппантовых пробок, депрессионно-волновой очистки скважины и трещины ГРП от частиц осадочного и не защемленного проппанта.

8. Подтверждены стендовыми и промысловыми испытаниями большинство результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором при работе над данной диссертацией совместно с коллегами на основе применения теории нелинейной волновой механики многофазных сред. Разработанные на их базе технологии и устройства могут быть рекомендованы для более широкого применения в нефтегазовой отрасли.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ И ИЗОБРЕТЕНИЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шамов H.A. Технология и технические средства улучшения гидродинамической связи скважины с пластом. / H.A. Шамов, A.B. Лягов, Э.Я. Зина-туллина [и др.] // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2006. -№1.- С. 45-57.

2. Шамов H.A. Совершенствование технологии вторичного вскрытия и освоения скважин / H.A. Шамов, A.B. Лягов, Е.Л. Маликов [и др.] // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 6. - С. 160-173.

3. Шамов H.A. Техника и технология создания сверхглубоких перфорационных каналов / H.A. Шамов, A.B. Лягов, Д.В. Пантелеев [и др.] // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - №2. - С. 131-176.

4. Шамов H.A. Теоретические исследования динамики частиц выбуренной породы при наложении волнового поля / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, Р.Х. Саетгараев // НТЖ «Бурение и нефть». - 2013. - № 07-08. - С. 18-20.

5. Шамов H.A. Технология депрессионно-волновой очистки прискважин-ной зоны пласта через колонну НКТ / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, Р.Х. Саетгараев // НТЖ «Бурение и нефть». - 2013. - № 07-08. - С. 22-24.

6. Шамов H.A. Волновые процессы в технологиях подготовки ствола скважины и цементировании обсадной колонны / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, Р.Х. Саетгараев // Журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». 2013. № 8. С. 42-46.

7. Шамов H.A. К механизмам разрушения породы при высокооборотном шарошечном бурении и волновых явлениях на забое / H.A. Шамов, В.Ю. Артамонов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - №3. -С. 34-45.

8. Шамов H.A. Волновые процессы в технологии уплотнения цементных растворов в затрубье / H.A. Шамов, В.Ю. Артамонов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - №3. - С. 26-33.

9. Шамов H.A. Волновые процессы в технологии приготовления буровых растворов / H.A. Шамов, В.Ю. Артамонов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - № 3. - С. 56-65.

10. Шамов H.A. Влияние на механическую скорость бурения и проходку частоты вращения долота / H.A. Шамов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. - № 3. - С. 46-55.

11. Шамов H.A. Применение волновой кольматации в бурении скважин / H.A. Шамов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2013. -№ 3. - С. 66-74.

12. Шамов H.A. Теоретические исследования движения твердых частиц при волновой кольматации поровой среды / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, Р.Х. Саетгараев // Журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». 2013. - № 9. - С. 42-46.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения:

13. Гидравлический генератор колебаний: а.с. 1312819 СССР: В06 В1/18 / H.A. Шамов, Р.Ф. Ганиев, М.Р. Мавлютов, Ю.С. Кузнецов [и др.]. -№3895027/24, заявл. 12.05.85, опубл. 1987, Бюл. № 19. -2с.: ил.

14. Вихревой генератор: а. с. 1311076 СССР: В06В 1/18 / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, Р.Ш. Муфазалов. - № 3894808/28, заявл. 14.05.85, опубл. 1987. Бюл. № 18.-2 е.: ил.

15. Вихревой электрогидравлический генератор: а.с. 1327354 СССР: В06 В1/20 / H.A. Шамов, Р.Ф. Ганиев, М.Р. Мавлютов, Ю.С. Кузнецов. -№3926823/24, заявл. 12.07.85, опубл. 1987. Бюл. № 28. - 2с.: ил.

16. Вихревой электрогидравлический генератор: а.с. 1417271 СССР: В06 В1/20 / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, И.Т. Шамова. - № 4112829/24, заявл. 20.08.86, опубл. 1988. Бюл. № 30. - 2 е.: ил.

17. Вихревой генератор: а.с. 1418974 СССР: В06 В1/20 / H.A. Шамов, Ю.С. Кузнецов, А.П. Катков [и др.]. - № 4112814/24, заявл. 20.08.86, опубл. 1988. Бюл. №31.- 1 е.: ил.

29. Способ раскольматации зафильтрового пространства скважин и устройство для его осуществления: пат. 1762602 Рос. Федерации: Е21 В43/25 / H.A. Шамов. - №4737823/23, заявл. 18.09.89, опубл. 1992. Бюл. №34. - 3 е.: ил.

30. Устройство для заканчивания буровых скважин: пат. 2011803 Рос. Федерации: Е21 В43/11 / H.A. Шамов. - №4748649/03, заявл. 18.09.89, опубл. 1994. Бюл. №8. - 6 е.: ил.

31. Способ заканчивания строительства скважин: пат. 2161247 Рос. Федерации: Е21 В43/10 / H.A. Шамов, Х.И. Акчурин, В.И Вяхирев [и др.]. -№2000110003/03; заявл. 18.04.00, опубл. 2000. Бюл. №36. - 10 е.: ил.

32. Способ вторичного вскрытия продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин: пат. 2212525 Рос. Федерации: Е21 В43/11 / H.A. Шамов, Х.И. Акчурин. - №2002106766/03, заявл. 15.03.02, опубл. 20.09.03. Бюл. №26. - 5 е.: ил.

33. Способ вскрытия продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин: пат. 2213195 Рос. Федерации: Е21В 7/06 / H.A. Шамов. - №2002128187/03, заявл. 23.10.02, опубл. 2003. Бюл. №27. - 5 е.: ил.

34. Устройство для вторичного вскрытия продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин (варианты): пат. 2213195 Рос. Федерации: Е21В 7/08 / H.A. Шамов. - №2002128188/03, заявл. 23.10.02, опубл. 2003. Бюл. №27. - 12 е.: ил.

35. Обратный клапан: пат. 2213845 Рос. Федерации: Е21В 34/10 / H.A. Шамов. -№2002128185/03, заявл. 23.10.02, опубл. 2003. Бюл. №28. - 7 е.: ил.

36. Устройство для промывки и освоения скважин (варианты): пат, 2213862 Рос. Федерации: Е21 В43/25 / H.A. Шамов. - №2002128186/03, заявл. 23.10.02; опубл. 2003. Бюл. №28. -11 е.: ил.

37. Шпиндель забойного двигателя: пат. 2231606 Рос. Федерации: Е21 В4/02 / H.A. Шамов. - №2002128190/03, заявл. 23.10.02; опубл. 2004. Бюл. №18. - 10 е.: ил.

38. Турбинная секция турбобура: пат. 2231607 Рос. Федерации: Е21 В4/02, F03 В13/02 / H.A. Шамов. - №2002128191/03, заявл. 23.10.02; опубл. 2004. Бюл. №18.-5 е.: ил.

симпозиума "Наука и технология углеводородных систем", т. 1 - Уфа: Госуд. изд-во научно-техн. лит-ры "Реактив", 2000. - 296 с.

48. Шамов H.A. Вибротехнологии и техника для освоения и ремонта скважин / H.A. Шамов, Х.И. Акчурин // III Конгресс нефтегазопромышленни-ков России. Секция Н. "Проблемы нефти и газа". Уфа, 23-25 мая 2001 г.: науч. тр. - Уфа: Госуд. изд-во научно-техн. лит-ры "Реактив", 2001. - С. 61-62.

49. Шамов H.A. Вибротехнологии в бурении скважин / H.A. Шамов, Х.И. Акчурин // III Конгресс нефтегазопромышленников России. Секция Н "Проблемы нефти и газа". Уфа. 23-25 мая 2001 г.: науч. тр. - Уфа: Госуд. изд-во на-учно-техн. лит-ры "Реактив", 2001. - С. 62-64.

50. Шамов H.A. Роль кавитационных явлений в изменении коллекторских характеристик прискважинной зоны пласта и создание кавитации в условиях значительных гидростатических давлений / H.A. Шамов // Труды XXXIII Уральского семинара РАН "Механика и процессы управления", раздел "Механика жидкости и газа" - Миасс: Изд-во Урал. отд. РАН, 2003. - С. 63-66.

51. Шамов H.A. Взаимодействие прерывистых струй суспензии с проницаемой стенкой / H.A. Шамов // Труды XXXIII Уральского семинара РАН "Механика и процессы управления", раздел "Механика жидкости и газа" - Миасс: Изд-во Урал. отд. РАН, 2003. - С. 67-71.

52. Шамов H.A. Особенности динамики твердых частиц суспензии в moho- и полихроматическом звуковых полях / H.A. Шамов И Труды XXXIII Уральского семинара РАН "Механика и процессы управления", раздел "Механика жидкости и газа" - Миасс: Изд-во Урал. отд. РАН, 2003. - С. 72-79.

53. Шамов H.A. Повышение надежности и эффективности работы оборудования для строительства и ремонта скважин / H.A. Шамов, Е.Г. Асеев, A.B. Лягов [и др.] // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-техн. конференции -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. - С. 3-8.

54. Шамов H.A. Депрессионно-волновые и иные средства повышения приемистости и продуктивности скважин / Е.Г. Асеев, H.A. Шамов, A.B. Лягов [и др.] // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: пробле-

мы и решения: Материалы Всероссийской научно-техн. конференции - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. - С. 8-13.

55. Опыт колтюбингового бурения горизонтальных скважин в АНК "Башнефть" / H.A. Шамов, Н.З. Гибадуллин, A.B. Лягов [и др.] // НТЖ «Время колтюбинга». 2004. № 8. - С. 40-45.

56. Шамов H.A. Использование кавитационных явлений в нефтепромысловом деле. / H.A. Шамов, A.B. Лягов, К.И. Халиков // Проектирование и эксплуатация нефтегазового оборудования: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-техн. конференции / Редкол.: Шаммазов А.М.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004,-С. 116-120.

57. Поведение частиц кольматанта в моно- и полихроматическом звуковых полях при бурении стволов в поглощающих и проявляющих пластах. / H.A. Шамов, P.P. Ашимов // НТЖ «Нефтегазопромысловый инжиниринг». - 2005. -№ 3. - С. 15-17.

58. Кавитационно-волновая кольматация, ее механизм и особенности применения в технологии бурения скважин / H.A. Шамов, Р.З. Насыров // НТЖ «Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса». - 2008. - № 6. - С. 55-59.

59. Шамов H.A. Стендовые исследования устройства для бурения глубоких перфорационных каналов / H.A. Шамов, A.B. Лягов, C.B. Назаров [и др.] // Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения: Материалы Всероссийской научно-техн. конференции - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 29-32.

Соискатель ¿''//.у^/О- H.A. Шамов

Подписано в печать: 20.11.2013

Заказ № 9828 Тираж - 100 экз.

Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Шамов, Николай Александрович, Москва

Филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН»

На правах рукописи

0S2014Ö0403

ШАМОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ И НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ НЕЛИНЕЙНОЙ ВОЛНОВОЙ МЕХАНИКИ

МНОГОФАЗНЫХ СРЕД

Специальность 25.00.15 - «Технология бурения и освоения скважин»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, академик РАН Р.Ф. Ганиев

МОСКВА-2013

Содержание

с.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 7

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА СВКАЖИН...... 19

1.1 Обобщение результатов исследований изменения состояния

пласта при строительстве скважин..................................................... 19

1.1.1 Основные процессы и факторы, влияющие на изменение

связи скважины с пластом................................................................ 19

1.1.2 Приготовление промывочных жидкостей для бурения.............. 21

1.1.3 Роль высокооборотного бурения в интенсификации процессов строительства скважины.................................................................. 22

1.1.4 Влияние кольматации на связь скважины с пластом.................. 24

1.1.5 Факторы, влияющие на качество цементирования скважин........ 27

1.1.6 Вторичное вскрытие продуктивных пластов.......................... 28

1.1.7 Декольматация коллектора пласта....................................... 30

1.1.8 Существующие представления о процессах кольматации и декольматации проницаемых пород................................................... 31

1.1.9 Обобщение результатов проведенных исследований............... 38

1.2 Системное использование волновых явлений в технологиях строительства и ремонта скважин...................................................... 41

1.2.1 Основные цели и задачи строительства и ремонта скважин....... 41

1.2.2 Кавитационно-волновое приготовление буровых растворов...... 41

1.2.3 Волновая кольматация породы ствола в процессе его

бурения....................................................................................... 43

1.2.4 Высокооборотное бурение с волновым воздействием на

породу........................................................................................ 43

1.2.5 Волновые процессы в цементировании скважин..................... 45

1.2.6 Вторичное вскрытие пласта каналами-волноводами................ 46

1.2.7 Волновая декольматация породы при вызове притока

из пласта..........................................................................................................................................................................47

1.3 Факторы, влияющие на процессы кольматации и декольматации............................................................................................................................................................48

1.3.1 Факторы, определяющие процесс кольматации............................................48

1.3.2 Факторы, определяющие процесс декольматации......................................55

1.4 Выводы......................................................................................................................................................57

ГЛАВА 2. ВОЛНОВЫЕ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В

ПРОЦЕССАХ БУРЕНИЯ. ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ..................................................................59

2.1 Влияние на процесс бурения частоты вращения долота,

вибраций и волновых явлений на забое..............................................................................................59

2.1.1 Особенности применения высокооборотного бурения............................59

2.1.2 Математическая модель динамики частиц шлама породы

в волновом поле на забое..................................................................................................................................66

2.2 Характер движения частицы кольматанта в волновом поле....................76

2.2.1 Математическая модель динамики частицы кольматанта......................76

2.2.2 Механизм коагуляции и ее роль в процессе кольматации......................89

2.2.3 Влияние статического перепада давления между скважиной и пластом на движение частицы в поровом канале........................................................................91

2.2.4 Продолжительность формирования слоя кольматации............................94

2.2.5 Определение условий осуществления и ограничения процесса кольматации......................................................................................................................................................................95

2.2.6 Динамика частиц кольматанта в полихроматическом поле..................98

2.2.7 Волновое уплотнение слоя кольматации................................................................100

2.2.8 Изменение проницаемости породы в результате кольматации. Структура слоев и зон неоднородности породы..........................................................................101

2.2.9 Описание механизма кольматации породы в волновом поле............108

2.3 Характер кольматации импульсными струями раствора............................112

2.4 Волновые процессы в технологии приготовления буровых растворов..........................................................................................................................................................................117

2.5 Природа возникновения кавитации при бурении скважин............ 122

2.5.1 Создание кавитации в звуковом поле в условиях

значительных гидростатических давлений........................................... 122

2.5.2 Влияние кавитации на процесс породоразрушения.................. 127

2.5.3 Роль кавитации в процессах диспергирования твердой

фазы при кольматации и приготовлении буровых растворов..................... 130

2.6 Выводы........................................................................... 131

ГЛАВА 3. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАКАНЧИВАНИИ,

ВТОРИЧНОМ ВСКРЫТИИ И ОСВОЕНИИ СКВАЖИН......................... 134

3.1 Спуск и цементирование обсадных колонн.............................. 134

3.1.1 Анализ факторов, влияющих на качество цементной крепи....... 134

3.1.2 Волновая кольматация ствола в процессе спуска колонны.......... 135

3.1.3 Волновое приготовление тампонажного раствора.................... 135

3.1.4 Волновая активация тампонажного раствора на забое............... 137

3.1.5 Волновое уплотнение тампонажного раствора........................ 137

3.2 Вторичное вскрытие эксплуатируемого пласта.......................... 142

3.2.1 Состояние пласта перед вторичным вскрытием....................... 142

3.2.2 Вторичное вскрытие пласта с АНПД расширением открытого ствола.......................................................................................... 144

3.2.3 Бурение глубоких перфорационных каналов-волноводов........... 146

3.3 Исследование динамики процесса волновой декольматации......... 154

3.3.1 Математическая модель процесса декольматации.................... 154

3.3.2 Влияние кавитации на процесс декольматации....................... 163

3.3.3 Механизм волновой декольматации породы........................... 164

3.3.4 Очистка скважин от трудноудаляемых отложений................... 165

3.4 Выводы............................................................................ 169

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЙ НА ПРОЦЕСС КОЛЬМАТАЦИИ...................... 171

4.1 Выбор модели для проведения исследований............................ 171

4.2 Разработка оборудования для проведения исследований............... 174

4.2.1 Создание установки с кавитационно-волновым излучателем...... 174

4.2.2 Разработка установки с роторно-пульсационным излучателем.... 176

4.3 Разработка методики проведения исследований......................... 178

4.3.1 Основные положения методики........................................... 178

4.3.2 Вибрационные процессы в изготовлении образцов породы........ 181

4.3.3 Планирование экспериментальных исследований.................... 182

4.3.4 Оценка погрешности измерений.......................................... 185

4.3.5 Определение числа повторных наблюдений в опыте................. 187

4.4 Исследования процессов кольматации породы.......................... 188

4.4.1 Определение амплитудно-частотных характеристик

волнового излучателя колебаний давления........................................... 188

4.4.2 Исследование влияния волнового приготовления бурового раствора на его свойства и параметры кольматации................................ 192

4.4.3 Проведение экспериментов по волновой кольматации............. 200

4.4.4 Продолжительность процесса кольматации........................... 202

4.4.5 Интенсивность фильтрации при кольматации........................ 203

4.4.6 Результаты исследований процесса волновой кольматации........ 204

4.4.7 Проведение экспериментов по струйной кольматации.............. 209

4.4.8 Результаты исследований процесса струйной кольматации........ 210

4.4.9 Сравнение зависимостей давления начала фильтрации от изменения факторов при волновой и струйной кольматации..................... 213

4.4.10 Влияние попутной кольматации на проницаемость породы...... 215

4.4.11 Определение глубины слоя кольматации.............................. 216

4.4.12 Режимы волновой кольматации породы в скважине............... 217

4.5 Анализ результатов исследований. Выводы.............................. 219

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ

СРЕДСТВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И

РЕМОНТА СКВАЖИН. ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................... 221

5.1 Технология и техника интенсификации процесса бурения............ 221

5.1.1 Высокооборотный турбобур с системой стабилизации.............. 221

5.1.2 Турбобуры с роторно-пульсационными генераторами волн........ 229

5.1.3 Бурильный обратный клапан.............................................. 232

5.1.4 Долота с кавитационно-волновым промывочным узлом............ 233

5.1.5 Средства бурения пластов с низкими пластовыми давлениями.... 234

5.1.6 Средства приготовления буровых растворов.......................... 240

5.1.7 Средства локальной очистки ствола и его кольматации............. 244

5.2 Технологии и техника цементирования скважин........................ 251

5.2.1 Спуск обсадных труб с кольматацией ствола.......................... 251

5.2.2 Приготовление тампонажного раствора................................ 252

5.2.3 Активация тампонажного раствора на забое скважины............ 253

5.2.4 Уплотнение тампонажного раствора в скважине..................... 254

5.3 Технологии и техника вторичного вскрытия пласта.................... 255

5.3.1 Бурение перфорационных каналов-волноводов....................... 255

5.3.2 Вскрытие пласта открытым стволом.................................... 263

5.4 Технологии и технические средства волновой декольматации пласта и очистки от отложений продуктивного интервала........................ 264

5.4.1 Репрессионно-волновая обработка пласта.............................. 264

5.4.2 Депрессионно-волновая обработка пласта.............................. 265

5.4.3 Репрессионно-волновое низкочастотное и депрессионно-волновое высокочастотное воздействие на пласт................................... 268

5.4.4 Депрессионно-волновое и репрессионно-волновое низкочастотное воздействие на пласт.................................................. 271

5.4.5 Очистка и освоение боковых стволов скважин........................ 273

5.4.6 Освоение и гидродинамические исследования пластов............ 275

5.4.7 Очистка и освоение скважин с применением колтюбинга.......... 277

5.4.8 Очистка скважины от незащемленного проппанта......................... 280

5.5 Выводы........................................................................... 282

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.............................. 286

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ... 291

ВВЕДЕНИЕ

Часть длительное время эксплуатируемых месторождений нефти и газа в нашей стране близки к полному истощению. Новые месторождения, находящиеся на крайнем Севере, арктических шельфах, Камчатке и Сахалине, расположены в труднодоступных районах. Их освоение требует больших затрат. Усложнение и удорожание получения жидкого и газообразного углеводородного сырья в последние годы, сокращение добычи нефти и газа в освоенных районах, возросшие требования к проведению экологических мероприятий делают необходимым существенное повышение качества вскрытия продуктивных пластов, сокращения сроков бурения и заканчивания скважин, применения в них новых эффективных и недорогих технологий и технических средств.

Одними из главных направлений решения этих проблем являются повышение механической скорости бурения и проходки, сокращение количества спускоподъемных операций (СПО), предотвращение загрязнения прискважин-ной зоны продуктивного пласта (ПЗП) на большую глубину фильтратом и твердой фазой буровых и цементных растворов, качественное их приготовление. А также создание эффективной зоны фильтрации пластового продукта при вторичном вскрытии эксплуатируемого пласта перекрывающими область его загрязнения перфорационными каналами и при последующем освоении. Состояние ПЗП оказывает существенное влияние на гидродинамику и продуктивность пласта, проведение геофизических исследований, особенно разведочных скважин, так как физические свойства ее заметно изменяются по сравнению с состоянием исходной пластовой системы. Практика разработки нефтегазовых залежей свидетельствует о необратимости ухудшения фильтрационных и иных характеристик пласта в процессах бурения, цементирования обсадных колонн и перфорации, что искажает измеряемые при геофизических исследованиях параметры, служащие базой для оценки продуктивности, снижает нефтеотдачу и усиливает неравномерность ее выработки.

Изменения фильтрационных характеристик в ПЗП обусловлены отчасти

свойствами исходной пластовой системы и в большей степени технологическими воздействиями на нее в процессе бурения, цементирования, перфорации и освоения скважин. Потери буровых растворов при поглощениях или проявлениях химически агрессивных к ним пластовых сред ведет к задержкам сроков и удорожанию строительства скважин.

Вопросам интенсификации строительства скважин, исследованию изменений проницаемости породы и создания необходимой гидродинамической связи их с пластами посвящены работы Ганиева Р.Ф., Агзамова Ф.А., Амияна В.А., Алекперова В.Т., Гайворонского М.Н., Гильманшина И.Г., Кошелева А.Т., Крысина Н.И., Кузнецова Ю.С., Курочкина Б.М., Лушпеевой O.A., Мавлютова М.Р., Мамаджанова У.Д., Михайлова В.Н., Мнацаканова В.А., Никишина В.Л., Овчинникова В.П., Подгорнова В.М., Полякова В.Н., Паусса К.Ф., Репина H.H., Сидоровского В.А., Урманчиева В.П., Шакирова P.A., Яремейчука P.C. и многих других исследователей.

По мнению многих исследователей, работающих в данном направлении уменьшение вредного воздействия на физические свойства пласта может быть достигнуто путем создания слоя принудительной (управляемой, регулируемой) кольматации в проницаемой породе на глубину от единиц до нескольких десятков миллиметров, препятствующего образованию значительной области загрязнения твердой фазой и фильтратом в ПЗП, выдерживающего колебания давления при СПО. Необходимо только, чтобы созданный на границе пласта со скважиной кольматационный слой без особых затруднений преодолевался каналами, образуемыми при перфорации обсадной колонны, или разрушался за счет механического, химического, гидродинамического и иных воздействий в процессе подготовки и осуществления вызова притока пластового флюида. Наряду с этими, другими требованиями к характеристикам кольматационного слоя является такие, как одновременное с созданием при бурении новой поверхности стенки скважины его формирование и возможность осуществления декольматации, не ухудшение условий для проведения геофизических исследований.

В связи с этим в технологии бурения скважин применяется так называемая принудительная кольматация, развитием которой многие годы плодотворно занимались Кузнецов Ю.С., Мавлютов М.Р., Поляков В.Н, Горонович С.С., Ипполитов В.В. и ряд других специалистов [8, 9, 69, 70, 74, 80, 91, 92, 99, 106, 116, 163]. Наиболее полно требованиям к процессу и слою кольматации отвечают технологии гидродинамической кольматации, включающие такие способы ее осуществления, как струйный и волновой. Эти виды кольматации достаточно эффективны, степень снижения проницаемости достигает от 70 до 99%, технически несложны в осуществлении, хорошо вписывается в существующие технологии бурения скважин. Наиболее универсальной является волновая кольматация с использованием нелинейных волновых явлений в многофазных системах. Ее можно применять при бурении стволов не только в высокопроницаемых, но и в низкопроницаемых породах, а также в слабосцементированных пластах.

Следует также отметить, что негативные изменения проницаемости в породе наступают и после многих видов перфорации, в продуктивной породе вокруг каналов формируется слой попутной кольматации из твердой фазы сква-жинной жидкости и продуктов перфорации, а также зона проникновения фильтрата. По мнению авторов [34] средняя величина коэффициента гидродинамического совершенства скважин составляет около 0,6. То есть они функционируют на 60% от своих потенциальных возможностей.

Белов В.П. и Поляков В.Н. определили, что в результате происходящих в процессе бурения изменений в поровой среде образуются от двух до четырех неоднородных по проницаемости слоев. В рамках данной работы следует рассмотреть особенности процесса изменения проницаемости в условиях попутной и принудительной кольматации, уточнить количество, структуру слоев и переходных зон между ними, математически оценить их проницаемость. Процессы попутной (неуправляемой) кольматации начинаются сразу при контакте промывочной жидкости при образовании новой поверхности ствола долотом.

^ В последние годы много внимания уделяется исследованию и примене-

нию в технологиях строительства, эксплуатации и ремонта скважин колебательных и нелинейных волновых процессов. Значительный вклад в создание новых знаний в этой области науки и практики, ее популяризации внесли основоположник нелинейной волновой механики многофазных систем Ганиев Р.Ф., его ученики Украинский Л.Е., Ганиев О.Р. и другие [36, 37, 38, 39].

По результатам обзора на