Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование и совершенствование технологии строительства скважин с использованием забойных показателей бурения

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Исследование и совершенствование технологии строительства скважин с использованием забойных показателей бурения"

На правах рукописи

005052188

Журавлев Алексей Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАБОЙНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БУРЕНИЯ

Специальность: 25.00.15 Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР 2013

Москва-2013

005052188

Работа выполнена в Филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. А.А.Благонравова РАН «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН)»

Научный руководитель: Оганов Александр Сергеевич

доктор технических наук, профессор Научный консультант: Аверьянов Алексей Петрович

доктор технических наук

Официальные оппоненты: -Кошелев Алексей Тимофеевич

доктор технических наук, профессор кафедры нефтегазового дела имени профессора Г. Т. Вартумяна Кубанского государственного технологического университета -Маслов Валентин Владимирович кандидат технических наук, генеральный директор

ЗАО «Сервисный центр — Буровые технологии», Ведущая оргашиация: Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Защита состоится 24 апреля 2013 года в 16:00 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: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.

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

Автореферат разослан 23 марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Г.Н. Гранова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лкггуальность работы

Учитывая высокую стоимость бурения глубоких поисковых и разведочных скважин, первоочередной задачей является повышение эффективности геологоразведочного процесса при поисках и разведке месторождений углеводородного сырья (УВС) за счет снижения рисков возникновения опасных ситуаций при проводке скважин в осложненных геолого-технических условиях. В подобных условиях особенно актуальным является решение задач, связанных с разработкой новых технологий безопасного строительства скважин и оптимизации технологических процессов проводки скважин на основе методологии управления рисками.

Значительные возможности повышения эффективности строительства скважин в осложненных геолого-технических условиях содержатся в новом научном направлении - создании технологии проектирования и управления процессом проводки скважин с использованием передаваемых на дневную поверхность, посредством беспроводного канала связи, забойных показателей бурения, применение которой позволяет прогнозировать потенциально опасные зоны исследуемого геологического разреза, оптимизировать цикл строительства скважин и минимизировать за счет безопасной проводки скважин затраты на строительство.

Однако применение разрабатываемой технологии на практике сталкивается с рядом трудностей, основными из которых являются отсутствие методики количественной интерпретации забойных показателей бурения при решении задач безопасного ведения буровых работ и отсутствие методологии оперативного управления проводкой скважин на основе критериев минимизации рисков, возникающих в процессе бурения скважин при наличии потенциально опасных объектов вскрываемого геологического разреза.

Разработка безопасной технологии строительства скважин в осложненных геолого-технических условиях за счет создания системы безопасного управления процессами строительства скважин на основе критериев минимизации рисков и раннего прогнозирования осложнений в процессе проведения буровых работ является, безусловно, актуальной проблемой. При этом решением проблемы повышения безопасности строительства скважин для нефтегазодобывающего (нефтегазоразведочного) предприятия является создание в рамках, установленных на буровых станциях геолого-технологического контроля подсистемы мониторинга и управления рисками при строительстве нефтяных и газовых скважин, позволяющей наряду с управлением процессом бурения прогнозировать и предупреждать возможные осложнения и предаварийные ситуации.

Цель работы

Обеспечение предпосылок для безаварийного строительства скважин в осложненных геолого-технических условиях за счет создания технологии управления рисками с использованием забойных технологических показателей бурения.

Основные задачи исследований

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

• анализ современного состояния и оценка эффективности строительства скважин в осложненных горно-геологических условиях;

• разработка научно-методических основ создания информационной модели строительства скважин в осложненных горно-геологических условиях на основе системной обработки геоинформации;

• разработка методологии идентификации рисков и управления их минимизацией при проводке скважин;

• разработка и изготовление опытно-промышленного образца компьютеризированного комплекса управления рисками для безопасного ведения буровых работ;

• испытание и оценка эффективности промышленного образца компьютеризированного комплекса при реализации мониторинга и управления безопасным строительством скважин.

Научная новизна работы

1. Разработаны научные основы создания технологии управления рисками для эффективной проводки скважин различного назначения, на основании которых сформулированы критерии информационной модели безопасной и эффективной проводки скважин, позволяющей за счет прогнозирования и управления рисками обеспечить безаварийное их строительство и ввод в эксплуатацию.

2. Научно обоснована вероятностно-статистическая модель строительства скважин на основе системного интегрированного анализа геолого-геофизической, технологической и гидродинамической забойной информации.

3. Обоснована и разработана технологическая схема системы проектирования и управления рисками при строительстве скважин для типового бурового предприятия.

4. Разработана научно обоснованная функциональная схема компьютеризированного комплекса для прогнозирования и управления рисками, основанные на использовании забойных параметров бурения, передаваемых на дневную поверхность с использованием беспроводного канала связи в режиме «Оп-1лпе».

Основные защищаемые положения

1. Информационная модель безопасного ведения буровых работ на основе системного анализа забойной геоинформации.

2. Технологическая схема комплексирования геолого-технологической и гидродинамической информации и концепция прогнозирования и управления рисками при строительстве скважин в осложненных горно-геологических условиях.

3. Агрегатированные модели прогнозирования и управления рисками на основе системного анализа забойной геолого-геофизической, технологической и гидродинамической информации.

4. Алгоритмы прогнозирования осложнений и предаварийных ситуаций в процессе проводки скважин и управления рисками за счет оптимизации забойных энергетических характеристик взаимодействия системы буровая скважина-долото-разбуриваемая горная порода.

5. Граничные условия прогнозирования и ранжирования потенциально опасных зон и степени риска в различных горно-геологических условиях вскрываемого геологического разреза.

Практическая ценность работы

1. Разработаны методическое и программное обеспечение системы проектирования и управления рисками при проводке скважин.

2. На основе разработанных автором основ прогнозирования рисков в процессе строительства скважин предложен оптимальный комплекс забойных показателей при бурении скважин, позволяющий в режимах «Off-Line» и «On-Line» решать задачи по эффективному и безопасному проведению буровых работ.

3. Разработан многоканальный компьютеризированный комплекс и многоуровневая иерархическая система безопасности для управления рисками в процессе строительства скважин, реализованные в геолого-технологической части компьютеризированных станций геолого-технологических исследований (ГТИ), применяемых при проводке скважин (АРМ-Технолог).

При непосредственном участии автора разработаны и апробированы следующие инструктивно-методические и регламентирующие документы:

- участие в реализации рабочего проекта на строительство разведочной скважины № 2 Еленовская площадь ООО «Астраханьгазпром»;

- регламент проведения информационного мониторинга безопасности проводки скважин на основе забойной информации (приложение 1 к диссертации);

- инструкция по применению компьютеризированного комплекса «АРМ-Технолог» при безопасном ведении буровых работ, включая «Руководство оператора» (приложение 2 к диссертации).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-практических конференциях ассоциации буровых подрядчиков Российской федерации (Москва, апрель 2010 г., май 2011-2012 гг.);

- на Всероссийской 18-ой научно-практической конференции «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин (Уфа, май 2012 г.);

- на семинарах и совещаниях НЦ НВМТ РАН (Москва, октябрь 2012 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, в т.ч. 7 печатных работ, включенных в Перечень, утвержденный ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, приложений и списка литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков,7 таблиц и приложения.

Диссертационная работа выполнена в НЦ НВМТ РАН Института машиноведения им. А.А.Благонравова РАН под научным руководством доктора технических наук профессора Оганова A.C. и доктора технических наук Аверьянова А.П., которым автор выражает глубокую признательность и благодарность.

В диссертации также представлены результаты исследований, выполненных лично автором и под его руководством в период 1998-2006 г. в ООО «Астраханьгазпром».

В ходе выполнения работы автора консультировали - д.т.н., профессор Рукавицын В.Н., к.т.н. Лугуманов М.Г. и к.т.н. Бокарев С.А., которым выражается искренняя благодарность за ценные советы и замечания по диссертационной работе. Автор благодарит ряд сотрудников РГУ нефти и газа им. И М. Губкина, ЗАО «Геоспектр», ООО «Астраханьгазпром», НПФ «Геофизика» и др., оказавшим содействие при проведении экспериментальных скважинных исследований и обработке скважинных материалов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна, основные защищаемые положения и практическая значимость результатов проведенных исследований.

В первой главе приведены результаты обобщения опыта отечественных и зарубежных исследователей при решении проблемы повышения безопасности проведения буровых работ

при строительстве скважин в осложненных геолого-технических условиях, таких как строительство скважин при повышенных термобарических условиях, бурение скважин на больших глубинах, бурение скважин на шельфе и на море, горизонтальных и многозабойных скважин и др. Проблеме повышения безопасности строительства скважин посвящено значительное количество научных работ исследователей: А.П.Аверьянов, А.Г.Аветисов, Н.Г.Аветисян, Р.В.Аветов, Ф.А.Агзамов, В.А.Акимов, О.К.Ангелопуло, В.И.Балаба, Ю.М.Басарыгин, С.А.Бокарев, А.И.Булатов, Ю.В.Вадецкий, В.Г.Зубарев, А.К.Куксов, А.Т.Кошелев, В.Н.Кошелев, В.И.Крылов, Н.И.Крысин, Ю.С.Кузнецов, Ю.В.Ливанов, М.Р.Мавлютов, В.Ф.Мартынюк, А.Х.Мирзаджанзаде, А.В.Мнацаканов, В.П.Овчинников, А.С.Оганов, Г.С.Оганов. А.В.Панков, В.Н.Поляков, А.Г.Потапов, В.Н.Рукавицын, Н.В.Степанов, В.Д.Шевцов, Н.М.Шерстнев, С.А.Ширинзаде и др.

Результаты исследований ученых и обобщение производственного опыта показывают, что практически на всех скважинах в процессе проводки происходят осложнения, и правильная стратегия выбора технологий их прогнозирования и предупреждения, в первую очередь, обусловливает безопасное и качественное их строительство в осложненных горногеологических условиях. Результаты анализа опыта проводки скважин показывают, что, например, газопроявления и поглощения бурового раствора встречаются практически в каждой скважине, а затяжки и посадки бурового инструмента и бурильной колонны имеют место практически во всех интервалах бурения. Опыт строительства скважин показывает:

- первым по значимости фактором осложнений, возникающих в процессе механического углубления ствола скважин, являются низкие величины механической скорости бурения и длительные, соответственно, временные интервалы нахождения ствола буровой скважины в необсаженном состоянии;

- вторым по значимости фактором, приводящим к катастрофическим поглощениям, связанным с гидроразрывом пласта, затяжками, посадками и прихватами бурового инструмента, являются динамические знакопеременные колебания забойного давления, оказывающие негативное воздействие на состояние стенок и приствольную зону буровой скважины. Предупреждение возможных осложнений обеспечивается выбором на стадии проектирования соответствующих технологических режимов бурения, типом долота и компоновки низа бурильной колонны (КНБК), параметрами циркуляционной системы и др., обеспечивающих максимальную механическую скорость бурения скважины в заданных однородных по бури-мости интервалах вскрываемого геологического разреза.

Особо следует отметить в имеющихся результатах исследований проблематичность достоверности определения границ изменения буримости разбуриваемых горных пород по данным исследования кернового материала, отобранного из соседних скважин, с последую-

щим лабораторным анализом прочности горных пород и данными геофизических исследований (ГИС) соседних скважин, что является основным препятствием достоверного прогнозирования потенциально опасных зон вскрываемого геологического разреза.

Оценивая современный уровень минимизации рисков, возникающих при проводке скважин, необходимо отметить, что по данным исследований, основным критерием безопасности является минимум осложнений и аварий, возникающих в процессе строительства скважин. При этом количественной оценкой минимизации рисков принята вероятность возникновения осложнений и аварий при реализации заданных технологических схем и режимных параметров бурения.

Рассмотрена методология оценки вероятности возникновения осложнений и аварийных ситуаций на основе вероятностно-статистического анализа многочисленных промысловых данных, включая оценку вероятности возникновения открытого фонтанирования и выбросов. Приведены методика идентификации рисков и результаты оценки рисков возникновения осложнений и предаварийных ситуаций на основе измерения забойных показателей бурения, таких как динамическое дифференциальное давление в системе «скважина-пласт», энергия и спектральный состав забойных динамических процессов, возникающих на забое скважины при взаимодействии долота с разбуриваемой горной породой.

Проведенный анализ современных технологий оценки и минимизации рисков, возникающих при проводке скважин в осложненных геолого-технических условиях, позволил обосновать и разработать требования к совершенствованию технолог™ безопасного ведения буровых работ на основе забойных показателей бурения и информационную модель минимизации технологических рисков, возникающих при проводке глубоких нефтегазовых скважин, представленную на рис. 1.

Отличительными особенностями разработанной информационной модели минимизации технологических рисков является использование не только технологии системного раннего распознавания осложнений и аварийных ситуаций, но и применение автоматизированного комплекса мониторинга и управления минимизацией рисков с соответствующими обратными связями.

На основе проведенного анализа отечественного и зарубежного опыта совершенствования технологий безопасного ведения буровых работ в осложненных геолого-технических условиях дано обоснование постановки задач исследований.

Во второй главе приведены научно-методические основы разработки технологии безопасного ведения буровых работ в осложненных геолого-технических условиях. На основе изучения отечественного и зарубежного опыта безопасной проводки скважин разработаны концептуальные основы безопасного ведения буровых работ с использованием забойных

технологических параметров бурення, наиболее полно отображающих забойные условия взаимодействия долота с разбуриваемой горной породой, и параметров циркуляционной системы, регистрация которых позволяет обеспечить раннее распознавание осложнений и пре-даварийных ситуаций.

На основе анализа экспериментальных скважшшых исследований в осложненных геолого-технических условиях рассмотрены основные классификационные признаки распознавания и возникновения аварийных ситуаций, на основе которых построены алгоритмы и модели распознавания осложнений и аварийных ситуаций, включая распознавание зон с аномально высокими (низкими) пластовыми давлениями.

Разработанное соответствующее программное обеспечение позволило реализовать разработанные алгоритмы в составе программного обеспечения современных компьютеризованных станций геолого-технологического контроля (СГТК), что дает возможность оперативно и своевременно принять соответствующие управленческие решения по безопасному ведению буровых работ.

С целью реализации требований, предъявляемых к разработке технологической схемы безопасного ведения буровых работ, приведены результаты математического моделирования динамической модели системы управления безопасным ведением буровых работ, позволяющие оценить величины обратных связей для регулирования режимно-технологическими параметрами бурения и оптимальные величины дифференциального давления в системе «скважина-пласт». Наряду с исследованиями поведения детерминированной модели динамического взаимодействия системы «долото-разбуриваемая горная порода», учитывающей вяз-коупругие свойства разбуриваемых горных пород, разработаны принципы статистического прогнозирования выбора управляющих режимно-технологических показателей бурения, позволяющих для вскрываемых потенциально опасных зон геологического разреза с различной степенью риска предупредить возможные осложнения и аварийные ситуации. При этом ранжирование опасных геологических объектов и прогнозирование потенциально-опасных зон геологического разреза осуществляется на основе предложенной и разработанной автором методики вероятностно-статистического анализа входной информации. В отличие от известных методов статистического прогнозирования зон опасных ситуаций, определяемых по данным анализа керна или типизации геологического разреза по данным отработки долот или механической скорости бурения, обладающих значительной методической погрешностью, автором обосновано и предложено ранжирование и идентификация вскрываемого геологического разреза по степени риска осуществлять по прогнозным величинам корреляционных моментов между' поглощающими и фильтрационными свойствами разбуриваемых

Рис. 1. Информационная модель минимизации рисков при проводке глубоких скважин в осложненных геолого-технических условиях

горных пород, определенных по данным наземных и скважинных сейсмоакустическнх наблюдений.

Разработанная методология ранжирования геологического разреза по степени риска и вероятности возникновения осложнений и аварийных ситуаций (СКАН-технология) позволяет по новому подойти к реализации стратегии раннего предупреждения опасных ситуаций еще на стадии проектирования цикла строительства скважин. Приведенные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили обосновать и разработать требования к построению и функционированию технологической схемы управления безопасным ведением буровых работ, приведенной на рис. 2.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно заключить:

• Предложена и разработана концепция и технологическая схема безопасного ведения буровых работ в осложненных геолого-технических условиях.

• По данным теоретических и экспериментальных исследований разработана система моделирования и распознавания зон осложнений и аварийных ситуаций, позволившая оценить вероятность возникновения осложнений и аварийных ситуаций.

• Предложена и разработана методология ранжирования опасных геологических объектов по степени опасности и прогнозирования глубинных границ потенциально опасных зон на основе вероятностно - статистического анализа геоданных.

• Проведенные исследования позволили разработать критерии выбора безопасных технологических режимов бурения и показали возможность оперативного управления безопасным бурением на основе минимизации динамического воздействия на ПЗП.

• Следует отметить, что к безопасным зонам вскрываемого геологического разреза относятся зоны с меньшим коэффициентом корреляции поглощающих и фильтрационных свойств разбуриваемых горных пород, когда уменьшается расчетная вероятность возникновения осложнений и аварийных ситуаций.

• По результатам проведенных исследований с участием автора разработаны и внедряется решения по безопасному ведению буровых работ, опробованные на Астраханском газо-конденсатном месторождении.

• На основе проведенных работ для оперативного руководства буровыми работами составлены соответствующие инструктивные материалы (Приложения 1 -2 к диссертации).

В третьей главе приведены научные основы разработки технологии управления безопасной проводкой скважин на основе разработанных методологий системного анализа забойной информации и минимизации рисков. На основе разработанных автором научно-методических основ управления технологическими рисками обоснованы и предложены

Рис. 2. Технологическая схема безопасного ведения буровых работ на основе измерения забойных показателей бурения

критерии выбора оптимальных режимов механического углубления ствола скважины в осложненных условиях и алгоритмы безопасного ведения буровых работ с использованием забойных показателей бурения, передаваемых по беспроводному каналу связи забоя буровой скважины с дневной поверхностью.

При использовании забойных показателей бурения, обеспечивающих раннее распознавание аварийных ситуаций и более достоверную информацию о процессах, происходящих в ПЗП, следует выделить следующие основные принципы построения адаптивной системы управления минимизацией технологических рисков:

• в качестве обратной связи забоя скважины с дневной поверхностью должен быть применен комплексный беспроводной канал связи, использующий для передачи информации как механический (акустический) канал связи по бурильной колонне, так и гидравлический — по столбу промывочной жидкости;

• критериями оптимизации режимных технологических параметров бурения должны быть выбраны скорость механического углубления ствола скважины и дифференциальное давление на забой буровой скважины;

• основными управляющими воздействиями при минимизации рисков должны быть выбраны частотный сдвиг спектров динамического дифференциального давления ДР и интервальное время распространения колебаний ДТИКГ

На основании разработанной при участии автора методики контроля процесса бурения по данным системной обработки забойных показателей бурения, когда в режиме «Оп-Ьше» с минимальной погрешностью определяются технологические параметры бурения, рассмотрены методология н технологические приемы оценки потенциально опасных зон и забойных технологических условий их вскрытия, когда представляется возможным реализовать задаваемые критерии управления процессом механического углубления ствола скважины с целью минимизации технологических рисков, связанных с вскрытием потенциально опасных зон геологического разреза.

Разработанные при участии автора алгоритмы системной обработки забойных показателей бурения апробированы в различных геолого-технических условиях проводки как разведочных, так и эксплуатационных скважин при роторном и турбинном способах бурения в геологических разрезах с различной степенью вероятности возникновения осложнений и аварийных ситуаций при решении следующих задач:

• прогнозирование потенциально опасных геологических объектов УВС, находящихся ниже забоя буровой скважины;

• прогнозирование вероятности возникновения опасных ситуаций на основе контроля забойных технологических параметров;

• определение момента вскрытия потенциально опасной зоны геологического разреза;

• определение фильтрационных и поглощающих свойств вскрываемых потенциально опасных объектов УВС;

• оперативное управление механическим углублением ствола скважины в потенциально опасных зонах;

• прогнозирование аномально высоких (низких) пластовых давлений по комплексу забойных показателей бурения.

Разработанные автором алгоритмические взаимосвязи управления минимизацией рисков в осложненных геолого-технических условиях позволили разработать требования к построению и принципы синтеза системы проектирования безопасным бурением глубоких скважин «САПР - Безопасность бурения» в режиме «Off-Line» и принципы построения системы оперативного управления безопасным ведением буровых работ в режиме «On-Line» с использованием беспроводного канала связи забоя скважины с дневной поверхностью. Функциональная схема синтеза разработанной системы проектирования «САПР - Безопасность бурения» представлена на рис. 3. Взаимодействие программных средств в системе «САПР — Безопасность бурения» представлено на рис. 4.

При проведенном синтезе системы проектирования «САПР — Безопасность бурения», прогнозирование потенциально опасных объектов геологического разреза позволяет до их вскрытия определять зоны осложнений и предаварийных ситуаций на основе системного анализа геолого-геофизической и технологической информации, что является отличительной особенностью и основной задачей функционирования системы проектирования.

Результатом работы «САПР - Безопасность бурения» является рассчитанный на ПЭВМ рабочий проект на строительство скважины, составленный в соответствии с утвержденными нормативно-справочными и инструктивно-методическими документами.

Разработанный для реализации системы «САПР - Безопасность бурения» комплекс программного обеспечения «СКАН» используется для построения моделей идентификации и прогнозирования потенциально опасных объектов, которые являются основой для выбора конструкции скважины, компоновки бурильной колонны и выбора режимных технологических параметров с целью минимизации рисков.

Показано, что дифференцированное использование режимных параметров бурения в соответствии с рассчитанными моделями вероятности возникновения опасных ситуаций, обеспечивает не только безопасное ведение буровых работ, но и увеличивает механическую скорость бурения, в среднем в 1,5-2,2 раза с одновременным сокращением сроков строительства скважин. На основе реализованной при участии автора технологии контроля забойных показателей бурения разработаны предпосылки совершенствования и создания технологии

Рис. 3. Функциональная схема синтеза системы проектирования безопасного ведения буровых работ в осложненных геолого-

технических условиях

Рис. 4. Взаимодействие программных средств в системе «САПР — Безопасность бурения»

оперативного управления минимизацией рисков, позволившие разработать функциональную схему технологии оперативного управления минимизацией рисков и соответствующие алгоритмическое и методическое обеспечение в составе разработанного компьютеризированного комплекса «АРМ-Технолог». В качестве задаваемого критерия минимизации рисков автором предложен н обоснован наиболее значимый информационный параметр безопасной технологии вскрытия потенциально опасных зон: коэффициент корреляции энергии динамического дифференциального давления, регистрируемого на входе циркуляционной системы , с данными детального механического каротажа Тб. Выбор данного критерия подтверждают также данные математического моделирования вероятностей возникновения опасных ситуаций, рассчитанные для каждого вида осложнений и предаварийных ситуаций в конкретных горно-геологических условиях в системе «буровая скважина — зона осложнений».

Показано, что дифференцированное использование режимных параметров бурения в соответствии с рассчитанными моделями вероятности возникновения опасных ситуаций, обеспечивает не только безопасное ведение буровых работ, но и увеличивает механическую скорость бурения, в среднем в 1,5-2,2 раза с одновременным сокращением сроков строительства скважин. На основе реализованной при участии автора технологии контроля забойных показателей бурения разработаны предпосылки совершенствования и создания технологии оперативного управления минимизацией рисков, позволившие разработать функциональную схему технологии оперативного управления минимизацией рисков и соответствующие алгоритмическое и методическое обеспечение в составе разработанного компьютеризированного комплекса «АРМ-Технолог». В качестве задаваемого критерия минимизации рисков автором предложен и обоснован наиболее значимый информационный параметр безопасной технологии вскрытия потенциально опасных зон: коэффициент корреляции энергии динамического дифференциального давления, регистрируемого на входе циркуляционной системы , с данными детального механического каротажа Тб. Выбор данного критерия подтверждают также данные математического моделирования вероятностей возникновения опасных ситуаций, рассчитанные для каждого вида осложнений и предаварийных ситуаций в конкретных горно-геологических условиях в системе «буровая скважина - зона осложнений».

На основе результатов опытно-промышленного опробования технологии управления безопасным бурением и аппаратно-программного комплекса «АРМ-Технолог» разработаны и утверждены в ОАО «Газпром» соответствующие инструктивные документы, включая «Руководство оператора» в составе компьютеризованной станции геолого-технологического контроля процесса бурения скважин «АРМ-Технолог». Результаты опробования разработанной технологии оперативного управления на пилотных объектах наряду с безаварийной про-

водкой показали 40%-е увеличение механической скорости бурения при 60%-м увеличении средней проходки на долото по сравнению с результатами стандартной технологии управления по весу на крюке.

На основе приведенных в данной главе результатов исследований, можно заключить:

• Предложены и разработаны принципы управления минимизацией рисков при использовании забойных показателей бурения, позволяющие повысить безопасность бурения глубоких скважин при наличии потенциально опасных зон геологического разреза.

• Разработана и опробована в производственных условиях компьютеризированная аппаратура контроля и управления механическим углублением ствола нефтегазовых скважин, позволяющая на ранней стадии осуществлять прогноз зон осложнений и предупреждать возникновение аварийных ситуаций.

• Разработаны требования к компьютеризированной системе минимизации технологических рисков за счет оптимизации забойных технологических показателей механического бурения и параметров циркуляционной системы буровой скважины.

• Разработаны и опробованы технические средства и опытно-промышленные образцы аппаратуры для реализации оперативного управления безопасной проводкой скважин в осложненных геолого-технических условиях.

• Предложены и обоснованы критерии оперативной оптимизации технологических режимов безопасного бурения, основанные на оптимальном сочетании механической скорости бурения и динамического дифференциального давления в системе «скважина — пласт».

• Степень корреляции забойных динамических процессов, регистрируемых на устье скважины, таких как динамическая составляющая осевого усилия на долото и динамическая составляющая дифференциального давления в системе «скважина — пласт», подтверждает правильность физических предпосылок о возможности минимизации вероятности возникновения осложнений и аварийных ситуаций за счет поддержания оптимальных величин их корреляции.

В четвертой главе приведены результаты опытно-промышленного применения разработанной технологии безопасного ведения буровых работ при строительстве нефтегазовых скважин в осложненных геолого-технических условиях. Рассмотрены как результаты опробования и внедрения первой очереди системы «САПР - Безопасность бурения» на стадии проектирования цикла строительства скважин, так и результаты оперативного безопасного вскрытия потенциально опасных объектов вскрываемого геологического разреза.

Представлены и проанализированы первые результаты применения компьютеризированного аппаратно-программного комплекса минимизации технологических рисков при строительстве глубоких скважин на основе использования серийно выпускаемых станций

геолого-технологического контроля СГТК и опытно-методических образцов компьютеризированного комплекса «АРМ — Технолог», разработанного совместно с отделом геолого-технологических исследований скважин ЗАО «Геоспектр», и переданных для внедрения в ряд производственных организаций ОАО «Газпром». В качестве пилотных объектов были использованы эксплуатационные скважины, бурящиеся на Астраханском газоконденсатном месторождении, и глубокие разведочные скважины № 2 Еленовской площади «Астрахань-бургаз» и № 1 Безымянной площади «Лукойл-Астраханьморнефть». На основе разработанных моделей идентификации рисков в разведочной скважине № 2 был осуществлен прогноз потенциально опасных зон с повышенным пластовым давлением, находящихся ниже забоя скважины, и по данным выбора соответствующих режимно-технологических параметров, соответствующих минимуму вероятности возникновения осложнений и аварийных ситуаций, было осуществлено в последующем их безопасное вскрытие в интервалах глубин 39343964 м, 3965-3980 м, 3986-4006 м, 4045-4070 м с получением промышленных притоков газа и конденсата. По результатам статистической обработки оптимальных технологических забойных показателей механического углубления ствола скважины в потенциально опасных зонах, реализующих критерий минимума вероятности осложнений и аварийных ситуаций, рассчитанным, согласно алгоритмам программного комплекса «СКАН», разработаны регламенты на безопасное строительство эксплуатационных скважин для Астраханского газоконденсатного месторождения.

Отличительными особенностями разработанного регламента является прогнозная идентификация вскрываемого геологического разреза по потенциально опасным зонам с их ранжированием по количественной оценке вероятности возникновения опасных ситуаций, выбором безопасной конструкции скважин и оптимальных параметров механического углубления ствола скважин и параметров циркуляционной системы.

Основу принятия технических и технологических решений по предупреждению осложнений и аварийных ситуаций составляют разработанные матрицы вероятностей возникновения опасных ситуаций для конкретных горно-геологических условий согласно критериям корреляции поглощающих и фильтрационных свойств разбуриваемых горных пород.

Технические и технологические решения, принимаемые для ликвидации осложнений и аварий, реализуются согласно разработанной автором компьютеризированной технологии ликвидации осложнений и аварийных ситуаций на основе программного комплекса, входящего в состав технологий «СКАН» и «АРМ — Технолог».

Выбор технических и режимно-технологических решений по безопасному ведению буровых работ осуществляется согласно критериям минимизации технологических рисков с использованием вероятностно-статистического подхода минимизации потерь при аварийных

ситуациях согласно байесовской теории, когда используется классификатор Байеса, позволяющий минимизировать суммарный риск при ликвидации осложнений и аварий с учетом потерь.

Учитывая характер проявления большинства осложнений, связанных с длительностью нахождения ствола буровой скважины в необсаженном состоянии, одним из основных факторов, определяющих минимальные значения вероятности возникновения опасных ситуаций, первоочередными задачами явились выбор мероприятий, обеспечивающих максимальные величины механического углубления ствола скважины, обеспечение оптимального дифференциального давления в системе «скважина-пласт» и надежная изоляция потенциально опасных зон.

Показано, что внедренная технология оперативного управления безопасным бурением позволяет не только минимизировать технологические риски за счет раннего распознавания опасных си гл аиий с использованием забойных показателей бурения, но и повысить рейсовые скорости бурения в потенциально опасных зонах с обеспечением минимальных стоимостных затрат на строительство глубоких как разведочных, так и эксплуатационных нефтегазовых скважин.

Отличительными особенностями опробованной в производственных условиях компьютеризированной технологии является наличие в организационной структуре безопасного ведения буровых работ многоуровневой иерархической системы безопасности, представленной на рис. 5, позволяющей практически исключить возникновение осложнений и аварийных ситу аций.

Показаны многочисленные результаты опробования программного обеспечения компьютеризированного комплекса, позволяющего своевременно принять в организационной структуре управленческие решения по безопасному ведению буровых работ как в режиме «OfT-Line», так и в режиме «On-Line». В режиме «Off-Line» решаются следующие задачи предупреждения и ликвидации аварийных ситуаций:

• анализ и корректирование проектных решений;

• соблюдение регламента безопасного ведения буровых работ;

• мониторинг качества ведения буровых работ;

• ведение базы данных «БД-Скважина»;

• техническое и технологическое обеспечение безопасного ведения буровых работ;

• организация мероприятий по предупреждению осложнений и аварийных ситуаций;

• принятие технологических и технических решений о проведении аварийных и ликвидационных работ.

В режиме реального времени «On-Line» решаются следующие основные задачи:

• реализация проектных решений по безопасному ведению буровых работ;

• оперативный контроль безопасного ведения буровых работ;

• оперативное прогнозирование осложнений и предаварийных ситуаций на ранней стадии их возникновения;

• оперативное управление безопасной проводкой глубоких скважин в зонах опасных ситуаций;

• проведение технологических мероприятий по предупреждению осложнений и аварийных ситуаций;

• реализация мероприятий по устранению возникших осложнений, ликвидации аварийных ситуаций и минимизации потерь.

На основании результатов промышленного применения разработанной технологии можно заключить:

• Результаты промышленного применения технологии безопасного ведения буровых работ подтвердили разработанные научно-методические и физические основы раннего распознавания осложнений и предаварийных ситуаций еще до момента вскрытия потенциально опасных зон геологического разреза.

• Впервые реализована и внедрена в производственных условиях многоуровневая иерархическая система безопасности для проводки глубоких скважин, основанная на технологии управления минимизацией технологических рисков.

• Опробование разработанной компьютеризированной системы и технологии раннего предупреждения осложнений и ликвидации предаварийных ситуаций показали достаточную их эксплуатационную надежность за счет использования забойной информации, что обеспечило безаварийную проводку разведочных скважин на пилотных объектах.

• По данным промышленного применения многоуровневой организационной структуры внедрения безопасной технологии проводки глубоких нефтегазовых скважин показаны результаты не только безопасной проводки скважин, но и получены результаты минимизации стоимостных затрат.

• Результаты исследований были использованы при реализации проектов на строительство скважин.

• Разработанные аппаратно-программные комплексы безопасной проводки глубоких скважин переданы для внедрения в ряд производственных организаций нефтегазового комплекса.

При внедрении разработанной технологии были использованы компьютерные аппаратно-программные комплексы «АРМ-Технолог», переданные в ряд производственных организаций. Внедрение разработанной технологии безопасного ведения буровых работ

21

Ввод информационных параметров с датчиков СГТК

АРМ-бурильщика

7У

АРМ-

бурового мастера

7У

АРМ-

оператора

СГТК

7У

V7

Сервер СГТК для локальной сети

\7

БД "Буровая скважина" -

Беснроводі

АРМ-ЦИТС

АРМ-ы функциональных подразделений типового бурового предприятия

Рис. 5. Структура организационного обеспечения безопасного ведения буровых работ на основе аппаратно-программного комплекса «АРМ-Технолог» (ЦИТС - центрачьная инженерно-технологическая служба)

осуществлялось на предприятиях «Астраханьгазпром», «Оренбурггазпром», «Севергазгео-физика», «Вуктулгазгеофизика», «Ставропольгазгеофизика», «Лукойлморнефть». На основании актов опробывания новой технологии и её внедрения экономический эффект составил более 145 млн. рублей.

Основные выводы и рекомендации

1. Разработана методика идентификации геологического разреза по категорийно-сти потенциально опасных объектов строительства скважин в осложненных геолого-технических условиях.

2. Разработаны модели распознавания зон осложнений и аварийных ситуаций на основе формирования сценариев развития предаварийных и аварийных ситуаций.

3. Разработана информационная модель для реализации технологии безопасного бурения, позволяющая рассчитать вероятность возникновения осложнений и аварийных ситуаций вероятностно-статистическим методом.

4. Обоснована и разработана технология ранжирования опасных ситуаций и объектов при строительстве нефтегазовых скважин на основе статистического анализа фильтрационных свойств разбуриваемых горных пород.

5. Разработана технология проектирования безопасного строительства скважин, основанная на статистическом системном анализе геолого-геодезической и забойной технологической информации, передаваемой по беспроводному каналу связи забоя скважины с дневной поверхностью.

6. На основе анализа аварийных ситуаций, возникающих при проводке скважин, вероятностных оценок риска и данных статистического моделирования, разработаны концептуальные основы управления минимизацией рисков, позволяющие в режиме «On-Line» предотвратить возможные аварийные ситуации.

7. На основе изучения закономерностей взаимодействия элементов системы долото - призабойная зона скважины как вязкоупругой модели разработаны критерии оперативного управления минимизацией рисков по предотвращению осложнений и аварийных ситуаций.

8. На основе разработанной методики определения степени риска при проектировании и проводке глубоких скважин классифицирована оценка степени риска возникновения газонефтепроявлений и открытого фонтанирования.

9. Предложены и разработаны критерии оперативного прогнозирования и управления технологическими режимами бурения, обеспечивающими безопасную проводку скважин в режиме «On-Line».

10. Установлены зависимости между показателями риска и критериями управления безопасностью ведения буровых работ с использованием забойных показателей бурения.

11. Разработана и опробована в промышленных условиях компьютеризованная аппаратура для контроля и управления безопасным бурением в реальном времени.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

1. Журавлев А.Г. Бурение скважин в неустойчивых глино-аргилитовых палеогеновых и триасовых отложениях. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции. (А.Г.Журавлев, Н.С.Вдовенко и др.). «Повышение качества строительства скважин», Уфа, 2005, ООО «Монография», с. 179-181.

2. Журавлев А.Г. Принципы построения аппаратуры и разработки технических средств для реализации управляемого вскрытия продуктивных пластов. (Я.В.Рукавицын, С.А.Бокарев, А.Г.Журавлев). НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М., ВНИИОЭНГ, 2011, № 10, с. 4-9.

3. Журавлев А.Г. Научно-методические основы разработки технологии безопасного ведения буровых работ с использованием забойных показателей бурения. (А.Г.Журавлев, Я.В.Рукавицын, С.А.Бокарев) НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М„ ВНИИОЭНГ, 2012. № 8, с. 26-33.

4. Журавлев А.Г. Идентификация рисков при проводке глубоких скважин в осложненных геолого-технических условиях. (А.Г.Журавлев, Ю.А.Карпов) НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М„ ВНИИОЭНГ, 2012, № 9, с. 1018.

5. Журавлев А.Г. Системный анализ технологической и геолого-геофизической информации для обеспечения безопасности проводки г лубоких скважин в осложненных геолого-технических условиях. (А.Г.Журавлев, Я.В.Рукавицын, Ю.А.Карпов) НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М., ВНИИОЭНГ, 2012, № 10, с. 6-13.

6. Журавлев А.Г. Концептуальные основы проектирования технологии безопасной проводки глубоких скважин в осложненных геолого-технических условиях. (А.Г.Журавлев, Я.В.Рукавицын, Ю.А.Карпов) НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М., ВНИИОЭНГ, 2012, № 11, с. 19-27.

7. Журавлев А.Г. Технология управления безопасной проводкой глубоких скважин в осложненных геолого-технических условиях. (А.Г.Журавлев, Я.В.Рукавицын, Ю.А.Карпов) НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М., ВНИИОЭНГ, 2012, № 12, с. 11-17.

8. Журавлев А.Г. Использование данных бесконтактной плотнометрии бурового раствора для безопасного ведения буровых работ. Тезисы докладов 18-ой научно-практической конференции. (А.Г.Журавлев, М.Г.Лугуманов и др.). «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин», Уфа, 2012, НПФ «Геофизика», с. 67-70.

9. Журавлев А.Г. Совершенствование технологии безопасного строительства глубоких скважин на основе оптимизации забойных параметров бурения. (А.Г.Журавлев, Я.В.Рукавицын) НТЖ «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море», М., ВНИИОЭНГ, 2013, № 3, с. 7-13.

Соискатель \ (А.Г. Журавлев

Подписано в печать. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать цифровая. Подписано в печать 20.03.2013 Тираж 100 экз. Заказ № Z1188 Типография ООО "Ай-клуб" (Печатный салон МДМ) 119146, г. Москва, Комсомольский пр-т, д.28 Тел. 8(495)782-88-39