Обоснование и разработка технологии бурения дополнительных стволов многозабойных скважин

Зарипов, Радик Ринатович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование и разработка технологии бурения дополнительных стволов многозабойных скважин
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологии бурения дополнительных стволов многозабойных скважин"

На правах рукописи

005014575 ЗАРИПОВ Радик Ринатович

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ МНОГОЗАБОЙНЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 - Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 [;:АР т

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005014575

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкгг-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, ООО «Интеллект Дриллинг Сервисиз», директор департамента

кандидат технических наук, Альметьевский государственный нефтяной институт, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, доцент

Ведущая организация - ООО «Газпромнефть НТЦ».

Защита состоится 30 марта 2012 г. в 16 ч на заседании диссертационного Совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 29 февраля 2012 г.

Морозов Юрий Тимофеевич

Официальные оппоненты:

Повалихин Александр Степанович

Сливченко Анатолий Фёдорович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

НИКОЛАЕВ Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Изменение качественного состава сырьевой базы страны на современном этапе её развития ставит в разряд наиболее актуальных задач: поиск, разведку, разработку новых и реанимацию старых нефтегазовых месторождений. Для решения этих задач весьма перспективным является бурение многозабойных скважин (МЗС), горизонтальных скважин (ГС), боковых стволов (БС) и стволов с горизонтальным окончанием из бездействующих, аварийных и малодебитных скважин. Однако при применении существующих технологий и технических средств в процессе бурения этих скважин их стволы нередко отклоняются от проектных траекторий, что приводит к необходимости их постоянного корректирования. В интервалах корректирования формируются локальные искривления; это снижает скорость, качество дальнейшего бурения и крепления стволов, а также приводит к удорожанию скважин в целом.

В связи с вышеизложенным научный поиск новых технологических и технических решений, позволяющих осуществить работы по бурению МЗС и БС на более высоком техническом уровне и экономичными способами, является актуальной задачей для нефтегазовой отрасли.

Целью диссертаиионпой работы является повышение эффективности бурения дополнительных стволов многозабойных скважин и боковых стволов из старого фонда скважин.

Идея работы заключается в разработке технологии и технических средств для проектного регулирования искривления скважин и отбора ориентированного керна, в прогнозировании максимально возможного проектного смещения забоев горизонтальных скважин от вертикали и оценке эффективности бурения многозабойных скважин и боковых стволов из старого фонда скважин.

Задачи исследований:

1. Выполнить анализ современных методов и технических средств, применяемых для бурения МЗС и БС.

2. Разработать технологию и отклоняющее устройство с изменяемым углом перекоса и стабилизацией его корпуса в азимутальном направлении в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК).

3. Определить и исследовать максимальные проектные смещения горизонтальных скважин, учитывая вид и параметры их

профилей, а также силы сопротивления при перемещении колонны бурильных труб в стволе скважин.

4. Разработать технологию и устройство для отбора ориентированного керна в наклонных и горизонтальных скважинах для оценки геолого-структурных условий бурения и выявить влияние различных факторов на надежность отбора керна.

5. Создать алгоритм и программу расчёта экономической эффективности строительства МЗС и БС.

Методы решения поставленных задач

Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики, вычислительной математики и программирования, проведение и анализ результатов исследований и промысловых испытаний. Обработка экспериментальных и промысловых данных проводилась с помощью методов математической статистики.

Научная новизна работы:

1. Выявлена возрастающая зависимость момента сопротивления вращению компоновки низа бурильной колонны с разработанным отклонителем ОУПК-1 на забое скважины от величин раскрепляющей нагрузки, модулей упругости горной породы, коэффициентов трения в контактной паре «сталь-порода» и соотношений диаметров скважины и корпуса отклонителя.

2. Установлены зависимости максимальных проектных смещений горизонтальных скважин при бурении под собственным весом бурильной колонны от вида и параметров их профилей, а также коэффициентов трения между колонной труб и стенкой скважины.

3. Определены параметры точности ориентации керна для разработанного керноориентатора в зависимости от зенитных углов скважин, частот вращения породоразрушающего инструмента и массы груза-отвеса в гравитационном элементе устройства.

Защищаемые научные положения:

1. Применение в процессе набора кривизны скважины разработанного отклонителя ОУПК-1 увеличивает момент сопротивления вращению компоновки низа бурильной колонны, что обеспечивает стабильность азимутального направления ствола скважины.

2. Показатели максимального проектного смещения горизонтальных скважин при бурении под собственным весом бурильной колонны определяются видом и параметрами их

профилей, а также коэффициентами трения между колонной бурильных труб и стенкой скважины.

3. Точность отбора ориентированного керна для разработанного устройства определяется рациональным соотношением массы груза-отвеса в гравитационном элементе устройства, частот вращения породоразрушающего инструмента и зенитных углов скважин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена достаточным объёмом теоретических и экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.

Практическое значение работы:

1. Разработано устройство для искривления скважин ОУПК-1 и технология его применения.

2. Разработано устройство, позволяющее отбирать ориентированный керн в широком диапазоне зенитных углов от 15 град, до горизонтальных и восстающих интервалов скважин любого профиля, а также методика интерпретации этого керна.

3. Разработана методика определения показателей максимального проектного смещения горизонтальных скважин.

4. Разработаны алгоритм и программа расчёта экономической эффективности МЗС и БС.

Апробация работы

Основные положения и практические результаты исследований докладывались на III Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и инновации в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, СПГПУ, 2009); Всероссийской конференции, посвященной 55-летию кафедры «Бурение скважин» «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин» (г. Томск, ТПУ, 2009); Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г.Томск, ТПУ, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции "Innovations in Mineral Indusry - Geology, Mining, Metallurgy and Management" (Германия, г. Фрайберг, TUBAF, 2010); Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех» (г.Ухта, УГТУ, 2009, 2010, 2011); Международной практической конференции «Ашировские чтения» (г. Туапсе, СамГТУ, 2010); II Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин» (г.Уфа, УГНТУ, 2010); Всероссийской научно-технической

конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПГТУ, 2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе 5 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объём диссертаиионной работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 154 наименования. Материал диссертации изложен на 165 страницах машинописного текста, включает 12 таблиц, 73 рисунка и 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается её актуальность, определяются цель, идея, задачи, излагаются защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведён критический анализ применяемых технических устройств для искривления скважин. Обобщён опыт зарубежного и отечественного бурения наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин.

Значительный вклад в развитие наклонно направленного бурения и бурения ГС, БС, МЗС внесли российские и зарубежные учёные: Близнюков В.Ю., Бронзов A.C., Буслаев В.Ф., Гилязов P.M., Гречин Е.Г., Григорян A.M., Григорян H.A., Гулизаде М.П., Джоши С.Д., Зайнуллин А.Г., Кагарманов Н.Ф., Калинин А.Г., Кауфман Л.Я., Коултер Г., Круз Ф., Крылов В.И., Кульчицкий В.В., Лягов A.B., Морозов Ю.Т., Мухаметшин A.A., Нескоромных В.В., Омер Э., Органов С.А., Органов A.C., Органов Г.С, Ошкордин О.В. Повалихин A.C., Прохоренко В.В., ПуликТ., Солодкий K.M., Сулакшин С.С., Султанов Б.З., Сушон Л.Я., Фёдоров B.C., Фрайя X., Шенбергер В.М. и ряд других авторов.

Бурение МЗС в России, при всей своей выгодности, не получает широкого распространения из-за сложности проводимых работ и рисков, увеличивающихся с количеством стволов, а также отсутствия надежной техники и технологии её применения. Не разработаны научно обоснованные методики прогноза экономической эффективности технологий МЗС и БС.

Исследованиями А.Г. Калинина, Ю.Т. Морозова установлена рациональность использования МЗС для поиско-разведочного

бурения. Кроме того, актуальной является задача разработки устройств, позволяющих производить отбор ориентированного керна из наклонных и горизонтальных скважин, а также повышение выхода керна в целом.

Показана необходимость определения и исследования максимальных проектных смещений горизонтальных скважин.

Анализ технических средств для искривления скважин выявил ряд недостатков применяемых отклонителей в составе КНБК, в том числе сложность обеспечения устойчивости азимутального направления, а также отсутствие направленно-регулируемых устройств с возможностью выполнения спускоподъёмных операций (СПО) в прямолинейном положении, а при постановке на забой -принимать заданный угол искривления.

Во второй главе изложены методики теоретических и экспериментальных исследований, используемых в диссертационной работе для разработки технических устройств и технологии бурения дополнительных стволов многозабойных скважин и отбора ориентированного керна из них. Также приводится методика планирования экспериментов и статистической обработки их результатов.

В третьей главе обоснована новая конструкция КНБК для набора кривизны скважин и стабилизации их азимута с отклонителем ОУПК-1, приведены аналитические исследования применения отклоняющих КНБК и определено максимальное проектное смещение горизонтальных скважин.

Проведённый анализ наклонно направленных скважин, пробуренных на Ромашкинском месторождении Татарстана позволяет сделать следующие выводы: фактическая траектория ствола скважины отклоняется от проектной (по значениям зенитных и азимутальных углов) уже в интервале первого набора кривизны; темп изменения зенитного угла ствола скважины носит скачкообразный характер, что снижает качество дальнейшего бурения и крепления скважины. Например, максимальное относительное отклонение фактического профиля от проектного скважины № 38370 составляет 3.69%, то есть фактическое смещение расходится с проектным на 32.1 м. При этом максимальное относительное отклонение фактического зенитного угла от проектного составляет 2.49%, что равняется 9.7 град. Сложности проводки интервалов проектного профиля обусловлены геологическими и технологическими факторами, которые следует

учитывать при расчёте и выборе КНБК.

Для равномерного выполаживания скважин разработаны отклонитель - ОУПК-1 и технология его применения. Принципиальным отличием устройства является: его расположение ниже забойного двигателя непосредственно над забоем скважины; возможность установки угла перекоса, равного проектной интенсивности искривления ствола перед спуском компоновки в скважину, при этом сохраняется прямолинейность формы КНБК при СПО, что предохраняет долота и опорно-центрующие элементы (ОЦЭ) от износа; отсутствие вероятности врезания или остановки на интервалах искривлённого ствола; способность удерживать заданное азимутальное направление. На рисунке 1 показаны два основных положения отклонителя: а) устройство находится в рабочем положении с опорой на забой со смещённой отклоняющей частью с заданным углом перекоса нижнего плеча; б) устройство находится в процессе спуска в прямолинейном транспортном положении.

Рисунок 1 - Отклонитель ОУПК-1:

1 - корпус; 2 - наружный корпус; 3 - переводник; 4 - верхняя втулка; 5 - нижняя втулка; 6 - полушарнир; 7 - переводник; 8 - долото; 9 - вал шлицевого узла; 10 - корпус шлицевого узла; 11 - корпус узла шлицевого шарнира; 12 - вал узла шлицевого шарнира; 13 - упорный подшипник; 14 - упор; 15 - раскрепляющие опоры; 16 - шпиндель забойного двигателя; 17 - ограничитель; 18 - пружина; 19 - герметичное устройство

Математически условие стабилизации азимутального направления при искривлении скважины отклонителем ОУПК-1 (рисунок 2) описывается выражением:

Мс>Мтр, (1)

где Мс - момент сил сопротивления вращению отклонителя, кН-м; Мтр - внутренний момент трения внутри отклонителя и винтового забойного двигателя (ВЗД) за счёт взаимодействия кинематических пар, кН-м.

Рисунок 2 - Схема определения Мс ОУПК-1

Из анализа сил и моментов, действующих в отклонителе ОУПК-1, получена зависимость, определяющая Мс\

. Х —)

sm(arctg(~r======г))

\с1 / 4-х

где Рнаг - раскрепляющая нагрузка, кН; Ряюд - модуль упругости горной породы, МПа; /, Ь - длина раскрепляющей опоры, соответственно, сверху и снизу, м; Н- высота раскрепляющих опор, м; ц - коэффициент трения в контактной паре «сталь-порода», д. ед.; ср - угол соприкосновения корпуса отклонителя со стенкой скважины, рад.; ¿1 - диаметр корпуса отлонителя ОУПК-1, м; х - половина ширины зоны соприкосновения корпуса отклонителя со стенкой скважины, м.

Значение л можно определить из следующего выражения:

/4-х2-л/с/2/4-х2 + (3)

где т - зазор между корпусом отклонителя ОУПК-1 и стенкой скважины, м; £> - диаметр скважины, м.

Величина т определялась в вертикальной плоскости и принята равной 1 мм. Величина х в явном виде в декартовой системе координат не выражается. Её значение можно определить, к примеру, в пакете прикладных программ МаШсас!.

Установлено, что с ростом значений раскрепляющей нагрузки, модуля упругости горной породы, коэффициента трения в контактной паре «сталь-порода» и угла соприкосновения корпуса отклонителя со стенкой скважины момент сопротивления вращению КНБК с ОУПК-1 увеличивается (рисунок 3). Анализ теоретических значений момента сопротивления вращению ОУПК-1 и данных

момента сил на выходном валу ВЗД показывает надежную стабилизацию азимутального направления ствола скважины.

2,0 —

0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 Модуль упругости т.п., МПа

5 15 25 35 45 Раскрепляющая нагрузка, кН

......0/(1=142.9/127 мм -П/а=139.7/106ми--0/(1=120.6/95 мм

Рисунок 3 - Зависимость момента сил сопротивления вращению отклонителя от: а) модуля упругости горной породы; б) раскрепляющей нагрузки

Спроектировав принципиально новое отклоняющее устройство, возникла задача создать новую классификацию отклонителей, включающую в себя ранее не применяемые параметры (рисунок 4).

Отклонитель

По СТО

Прямолинейные

По жесткостным свойствам

По количеству секций

По расположению отхлонителя

По конструкции перекоса

Искривленные

По конструктивным признакам

Жесткие

-»|~Уг

Упругие

Двухсекционные

Трехсекционные

Выше ЗД

В составе ЗД

По большому I радиусу бурения ! > 190 м

По среднему (30190 м) и малому

(10-30 м) радиусам бурения

НижаЗД

Регулируемые

На устье скважины

На забое скважины

Не регулируемые

С одним искривленным переводником

С одним искривленным переводником и шарнирным устройством над верхней сеющей

В виде дополнительного переводника_

В виде центратора

С одним искривленным переводником и верхним опорным устройством

Рисунок 4 - Классификация отклонителей по основным принципиальным характеристикам

Исследования оптимальных отклоняющих КНБК для бурения БС на дестабилизирующие факторы показали характерные

особенности: максимальный темп изменения отклоняющей силы получен для КНБК, имеющих больший угол перекоса. При этом износ ОЦЭ и увеличение диаметра скважины влияют на работу КНБК в сторону роста отклоняющей силы на долоте, а уменьшение диаметра скважины снижает отклоняющую силу.

Эффективность применения предложенных оптимальных КНБК для бурения БС подтверждена результатами опытно-производственных испытаний, проведенных на Мамонтовском месторождении.

Путём алгебраических преобразований получено приближенное математическое выражение, с помощью которого можно с достаточной для практики точностью определить длину первой секции отклоняющей КНБК при заданных остальных параметрах:

¿, =(-(^2 -2-Л-Д,)+>/(12 -2-Д-Д,)2 -4-Л-(Я-</))/2, (4)

где Я - радиус кривизны ствола скважины, м; Ь2 - длина верхней секции отклоняющей КНБК, м; Д1 - угол перекоса отклонителя, рад.; Д с{- диаметр ствола скважины и отклонителя, соответственно, м.

Выполнен анализ отклоняющей КНБК, включающей нижнюю и верхнюю секцию диаметром 95 мм, долото диаметром 124 мм и расположенную в стволе скважины с радиусами кривизны 10 и 30 м. По условию её вписываемости для проводки ствола скважины по заданным радиусам кривизны длина нижней секции не должна превышать 1.3 и 2.26 м, а длина верхней секции 1.52 и 2.63 м, соответственно. При радиусе кривизны скважины 30 м значение угла перекоса нижнего отклонителя может быть снижено только до 4.3 град, за счёт уменьшения длины нижней секции с 2.26 до 1.0 м. Таким образом, проведённые расчёты показывают, что типовые забойные двигатели-отклонители, предназначенные для проводки ствола скважины по среднему и большому радиусам кривизны, а также их отдельные узлы не могут быть использованы при создании отклоняющей КНБК для реализации технологии бурения скважин по малому радиусу.

Проектирование ГС целесообразно начинать с определения максимально возможной величины проектного смещения скважины. Для детерминированности этого показателя рассчитано, при каком отклонении скважины от вертикали колонна бурильных труб уже не может перемещаться под собственным весом, уравновешиваясь силами трения. При этом приняты следующие допущения: колонна труб перемещается по нижней стенке ствола скважины; колонна

труб не вращается; жёсткость труб не учитывается; удельный вес бурильных труб не изменяется; на колонну труб действуют только силы трения; профиль скважины состоит из дуг окружности и

Для профиля 1 уравнение для определения проектного смещения скважины имеет вид (обозначения в формулах (5-9) соответствуют представленным на рисунке 5): А = ((Я, -е'"'"' +К, • [s¡n(a, + 2у)-sin(2r)• ] + U, "(cosa, -¿í-sina,))-■е^ +Я, -[cos(2y)-sin(2y)• е'""']) • ¿Г1 + L„ - sina, + R■{\-cosal)+R> ■

(5)

•(cosa,-eosa3), v '

где ц - коэффициент трения, д. ед.; у = arctgOO-

Ниже приведены полученные решения для определения максимального проектного смещения горизонтальных скважин остальных схем (рисунок 5).

Проектное смещение скважины профиля 2:

Á =((//,• е~'"*' + Л, • [sin(a, +2у)-sin(2/)• ]))• е^ + R2 • [cos(2у) --sin(2/)• e~'ia' ])•//"' +R2 - (cosa, - cosa2) + R, -(1-cosa,). (6)

Проектное смещение скважины профиля 3:

А =(Hre~"2 + Rr[cos(2y)-sm(2y)-e (7)

Проектное смещение скважины профиля 4: Л' = (((Я, ■е-""1 +/?,-[sin(a, + 2у)-sin(2/)• е'1,">] + LH -(eosa, -/j-sina,))-

■е'" "' +R}-EsinCor, + a,+2y)-s\n(2y)-e'"a'})-ef'a' +Rt •fcos(2/)-sin(2/)-

е~ма'})-М~] +Rt -0-cosa,) + LH -sinor, + Rb -(cosa, -eosa,)+R, •

t \ v®/

•(cosa, -cosar4).

Проектное смещение скважины профиля 5: А = (((Я, • е'"*' + R, • [sin(a, +2 у)- sin(2j0 • <f]) • е""1 + Щ ■ [sin(or, + +а2 +2у)-sin(2у)■ е™])• е»а> + R3 ■ [cos(2у)-sin(2/)• е*а>])• м'1 + +Rr(\-cosa])+R2- (eos ar, - eos a1)+Ri- (eos аг - eos a,). (9)

Нами выполнен графический анализ одной из полученных математических зависимостей (5).

На рисунке 6 представлена зависимость проектного смещения скважины от зенитного угла наклонного участка скважины при разных значениях коэффициента трения.

Набор зеиитного угла на 1 участке ai, град. 80 70 60 50 40 30 20 10 s, 4500

I 3500

I 2500

« 1500

0 а

1 500

в 10 20 30 40 50 60 70 80

Набор зеннтного угла на 3-й участке а3, град. Рисунок 6 - Зависимость проектного смещения горизонтальной скважины А' профиля 1 от набора зеиитного угла ствола скважины на третьем участке скважины

Из графика (рисунок 6) видно, что для увеличения показателя проектного смещения горизонтальной скважины значение первого участка увеличения зенитного угла должно быть минимальным, а максимальный зенитный угол для выхода на горизонтальный участок следует набирать на третьем участке скважины.

На рисунке 7-а представлен график зависимости проектного смещения горизонтальной скважины от радиуса кривизны третьего участка скважины. Полученные результаты показывают, что при бурении по малому радиусу кривизны значения проектного смещения скважины, пробуренной под собственном весом колонны, значительно ниже, чем при бурении по среднему и большому радиусам кривизны.

На рисунке 7-6 представлено количественное влияние коэффициента трения на показатель проектного смещения скважины.

О 100 200 300 400 500 0.0 ОД 0,4 0,6 0,8 1,0

а* Радиус кривизны Л], м б) Коэффициент трения ц, д. ед.

Рисунок 7 - Зависимость проектного смешения скважины А ' от: а) от радиуса кривизны третьего участка набора кривизны при ц = 0.2 д. ед.; б) от коэффициента трения

При коэффициенте трения, стремящемся к минимальному значению (р —► 0), проектное смещение скважины стремится к максимальному значению (А' —> оо). в области I графика (рисунок 7-6) расположено множество скважин, которые Moiyr быть пробурены по технологии обычных наклонных скважин, то есть бурение ведётся под собственным весом колонны труб. В области II находится множество скважин, которые необходимо проектировать с применением специальной технологии и технических средств горизонтального бурения.

В четвёртой главе приводятся обоснование технологии применения разработанного керноориентатора и экспериментальные исследования его отдельных узлов.

При проведении поисково-разведочных работ и эксплуатации большинства месторождений нефти и газа возникает необходимость периодического отбора ориентированных кернов с целью более полного изучения физико-механических свойств и состава слоев горных пород месторождений нефти и газа, структурных и морфологических особенностей зоны. Выполненный анализ

существующих конструкций керноотборников показал, что они не в полной мере выполняют указанную задачу.

Разработан керноориентатор для отбора ориентированного керна (рисунок 8), позволяющий получать более надёжные данные из наклонных, горизонтальных, многозабойных скважин благодаря наличию в нем гравитационного узла с двумя изолированными подшипниковыми секциями, который предохраняет керноприёмную трубу и керн от вращения, вибрации и потока промывочной жидкости.

1 2 3 5 6 7 15 3 8 9 6 3.....Ю 9 11 13......12 %

Рисунок 8 -Керноориентатор:

1 - верхний переводник; 2 - регулировочная головка; 3 - переводники промежуточные; 4 - верхний радиально-упорный подшипниковый узел; 5 - груз-отвес со свинцовыми вставками; 6 - наружный корпус устройства; 7 - труба для подвеса груза-отвеса; 8 - дренажный клапан; 9 - керноприймная труба; 10 - контрольная шкапа, 11 - переводник нижний; 12 - кернорватель твердосплавный; 13 - резцы-керноотметчики (3 штуки); 14 - ПРИ; 15 - нижний радиально-упорный подшипниковый узел

При разработке керноориентатора первоочередной задачей явилось установление закономерностей влияния различных факторов (частот вращения породоразрушающего инструмента (ПРИ), зенитных углов скважины, массы груза-отвеса) на точность отбора керна.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной модели гравитационного элемента устройства для отбора ориентированного керна (рисунок 9).

А гт 7 15 * 2 13

ь 20 17

ШЕЬЦЦУШыЩции

Рисунок 9 - Модель гравитационного элемента керноориентатора:

1 - груз; 2 - внутренняя труба; 3 - наружная труба; 4, 5, 10, 11 - втулка; 6, 12 - кольцо; 7 - опора; 8 - шкив; 10 - крышка; 13 - шкала; 14 - стрелка; 15, 16 - подшипник; 17,19,20 - винт

На рисунке 10 представлен график зависимостей погрешности

измеряемого угла ориентации керна от зенитного угла скважины при изменяемых параметрах эксперимента. Было установлено, что надежное применение устройства соответствует диапазону зенитных углов скважины в - 15-90 град.

Зенитный угол скважины, град.

Рисунок 10 - Зависимость погрешности измеряемых углов отбора керна X от зенитного угла скважины при частоте вращения наружной тубы и = ISO об/мин

Для более наглядного представления влияния частоты вращения ПРИ и массы груза-отвеса на точность отбора керна были определены следующие кривые (рисунок 11). С ростом массы груза-отвеса гравитационного элемента керноориентатора и уменьшением частоты вращения ПРИ точность отбора керна увеличивается.

100 150 200 250 300 350 0 50 100 150 200 250

а) Частота вращения ПРИ, об/мин ) Масса груза, гр.

Рисунок 11 - Зависимость погрешности измеряемых углов отбора керна X от: а) частоты вращения ПРИ при массе груза отвеса т- 75 гр., зенитном угле а = 90 град.; б) массы груза отвеса при частоте вращения наружной трубы л = 200 об/мин, зенитном угле

а = 90 град.

Для оценки дальнейшей поправки на точность отбора ориентированного керна и достоверной его интерпретации по результатам экспериментальных исследований было выведено уравнение многофакторной регрессии:

А=14.9471+0.06л-0.0554м-0.1291#, (10)

где X - погрешность угла ориентации керна, град., в - зенитный угол скважины, град.; т - масса груза-отвеса гравитационного элемента устройства для отбора ориентированного керна, гр., п - частота вращения ПРИ, об/мин. Коэффициент корреляции при этом составил Л2 = 0.81.

Разработана методика интерпретации ориентированного керна после его извлечения из керноориентатора (рисунок 12).

а) вид керна сбоку; 6) вид керна сверху

Исходя из рисунка 12-а, угол падения р кровли нефтяного пласта определяется из зависимости:

р = 90-у-д, (11)

где у - угол встречи (угол вскрытия) пласта, град.; в - зенитный угол скважины, град.

Из рисунка 12-6 и с учетом того, что при ориентации керна нанесённая метка имеет погрешность, а у скважины есть определённое значение азимутального угла, истинное значение угла простирания нефтяного пласта ц равно:

7 = 90-агЩ(—)-Л + а, (12)

где а - азимутальный угол скважины, град.; X - погрешность угла ориентации керна, град.; А - линейное расстояние (см. рисунок 12-6), м; с4- диаметр керна, м.

В пятой главе приводится разработанный алгоритм расчёта экономической эффективности строительства МЗС и БС с 1 по 6 уровень сложности заканчивания скважины (по классификации ТАМЬ), обеспечивающий возможность проведения оценки эффективности бурения скважин на стадии их проектирования и выполнять в случае необходимости корректировку проекта буровых работ (рисунок 13). Для выполнения поставленной задачи

разработана программа прогноза экономической эффективности строительства МЗС в Visual Studio 2008 на языке программирования С#.

Начало / Ввод данных

.X.

1>5

Доп скв. оборудование

Z=F+ У+В+К+1+D+G+P^X+L

Крепление К'КпМп+КШк+КрМр

Испытание скважин 1=1от

Зимнее время D=Dv+D*+M

[ К-К+ЫШ(п-Щ Z=F+ У+В+К+1+D+G+P+x]

Pr=Zn-Z

Конец

ГИС

G-Gos

Прочие затраты P=Pt+Po+Pc+Pd+Ps

Заканчивание 6-го ур. 1 S"So(n-l) Г

Общие затраты на НН скв.

Zn=(F+ V+B+K+I+D+G+P) п

B'BtBdMd(n-l)

Z=F+Y+B+K+I+D+G+P+X I

Z=F+V*B+K+1+D+G+P+X+S I

I Pr-Zn-Z I ( Конец )

Pr^Zn-Z

Конец

Рисунок 13-Алгоритм расчёта экономической эффективности МЗС: л - количество стволов скважины; г - уровень сложности скважины; - затраты на подготовительные работы к строительству скважины; Ур - затраты на подготовку площадки, сооружение подъездных путей, трубопроводов и т.д.; А - демонтаж трубопроводов, ЛЭП и т.д.; V - затраты на вышко-монтажные работы; Ут - затраты на строительство и монтаж; Ус! - затраты на разборку и демонтаж; Х- общие затраты на вырезание окна; Хо - затраты на вырезание одного окна; В - затраты на бурение; Вп, Вк, Вр, В<1 - затраты 1 м бурения под направление, кондуктор, эксплуатационную колонну и на дополнительное бурение; Мп, Мк, Мр, Мй - количество метров под направление, кондуктор, эксплуатационную колонну и под дополнительное бурение; К - затраты на крепление; Кп, Кк, Кр, Ы - затраты 1 м крепления под направление, кондуктор, эксплуатационную колонну и дополнительный ствол; / -общие затраты на испытания скважин на продуктивность; ; /о - затраты на испытания скважин на продуктивность; т - количество испытаний; О - дополнительные затраты при строительстве скважин в зимнее время; б - общие затраты на ГИС; s - количество проведенных ГИС; Р - прочие работы и затраты; Л - топогрофо-геодезические работы; Ро - затраты на осложнения; Рс - затраты на работы партии свабирования; Р<1 - дополнительные затраты; Рх - затраты на услуги сопровождения; Ь - затраты на внутрискважинное оборудование 5-го уровня; затраты на заканчивание скважины 6-го уровня сложности; ¿о - затраты на внутрискважинное оборудование 5-го уровня двуствольной скважины; 5 - затраты на заканчивание скважины 6-го уровня сложности; &> - затраты на заканчивание скважины 6-го уровня двухствольной скважины; 2п - общие затраты на наклонно направленные скважины; 1- общие затраты на МЗС; Рг - прибыль.

Основные выводы и рекомендации:

1. Проведённый анализ современных технических средств и технологий, применяемых для бурения дополнительных стволов многозабойных и боковых стволов из старого фонда скважин, показывает, что они характеризуются недостаточной работоспособностью, эффективностью, а также высокой ценой.

2. Разработаны технология и отклонитель ОУПК-1 в составе КНБК, которые обеспечивают: плавный и регулируемый набор кривизны в проектном диапазоне; стабильную интенсивность искривления по дуге окружности; сохранение заданного азимутального направления; прямолинейность формы КНБК при СПО. Установлено, что с ростом значений раскрепляющей нагрузки, модуля упругости горной породы, коэффициента трения в контактной паре «сталь-порода» и угла соприкосновения корпуса отклонителя со стенкой скважины момент сопротивления вращению КНБК с ОУПК-1 увеличиваются. При анализе КНБК на дестабилизирующие факторы выявлены характерные особенности: максимальный темп изменения отклоняющей силы получен для КНБК, имеющих больший угол перекоса, износ ОЦЭ и увеличение диаметра скважины влияют на работу КНБК в сторону увеличения отклоняющей силы на долоте, а уменьшение диаметра скважины, в том числе из-за увеличения толщины слоя шлама, снижает отклоняющую силу.

3. Установлены зависимости максимальных проектных смещений горизонтальных скважин при бурении под собственным весом бурильной колонны от вида и параметров их профилей, а также коэффициентов трения между колонной труб и стенкой скважины.

4. Разработана технология отбора ориентированного керна. Исследованиями на экспериментальном стенде установлено, что высокая точность ориентации керна достигается при зенитных углах в= 15-90 град. Анализ экспериментальных исследований показал, что с ростом массы груза-отвеса гравитационного элемента керноориентатора, зенитного угла скважины и уменьшением частоты вращения породоразрушающего инструмента точность отбора керна увеличивается. Разработан метод интерпретации ориентированного керна: угол падения следует определять по углу встречи кровли нефтяного пласта и зенитному углу скважины, а значение угла простирания пласта - по диаметру керна,

погрешности угла ориентации керна и фактическому азимутальному углу скважины.

5. Разработаны алгоритм и программа экономической эффективности строительства МЗС и БС, обеспечивающие возможность производить оценку рациональности бурения таких скважин в сравнении с одноствольными.

Содержание диссертации отражено в 21 печатной работе, основные из которых следующие:

1. Зарипов Р.Р. Исследование работы устройства для отбора ориентированного керна / Р.Р. Зарипов, Ю.Т. Морозов, А.С. Миннибаева // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -2012,-№2.- С. 10-12.

2. Морозов Ю.Т. Устройство для отбора ориентированного керна / Ю.Т. Морозов, Р.Р. Зарипов // Каротажник. -2011.- № 6. -С. 79-85.

3. Зарипов Р.Р. Совершенствование технологии бурения наклонных и горизонтальных скважин с отклонителем ОУПК-1 / Р.Р. Зарипов, Ю.Т. Морозов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2011. - № 4. - С. 22-27.

4. Зарипов Р.Р. Устройство для искривления скважин при бурении наклонных и горизонтальных скважин / Р.Р. Зарипов, Ю.Т. Морозов // Нефтесервис. - 2011. - № 2. - С. 54-55.

5. Морозов Ю.Т. Новое устройство для искривления скважин / Ю.Т. Морозов, Р.Р. Зарипов // Инженер-нефтяник. - 2011. - № 1. -С. 27-28.

6. Зарипов Р.Р. Совершенствование системы «Наклонно-направленное бурение» // V Международная научно-практическая конференция «Бурение скважин в осложнённых условиях». -Донецк: ДонНТУ, 2011. - С. 175-180.

7. Морозов Ю.Т. Аналитические зависимости интенсивностей искривления скважин от различных длин плеч отклоняющей КНБК / Ю.Т. Морозов, Р.Р. Зарипов // Инженер-нефтяник. - 2010. - № 4. -С.32-35.

8. Зарипов P.P. Experimental research of new equipment for drilling rat holes in multilateral wells / P.P. Зарипов, Ю.Т. Морозов // Сб. трудов межд. научно-практической конференции "Innovations in Mineral Indusry - Geology, Mining, Metallurgy and Management". -Фрайберг (Германия): Фрайбергская горная академия, 2010. -С.295-299.

РИЦ СГ1ГГУ. 20.02.2012. 3.114 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Зарипов, Радик Ринатович, Санкт-Петербург

61 12-5/3766

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный университет

На правах рукописи

ЗАРИПОВ РАДИК РИНАТОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ МНОГОЗАБОЙНЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 — Технология бурения и освоения скважин

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Морозов Ю.Т.

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ И МНОГОЗАБОЙНЫХ СКВАЖИН...........................................................................10

1.1 Анализ современного состояния бурения наклонно направленных скважин..................................................................................................................10

1.1.1 Горизонтальные скважины..................................................................11

1.1.2 Боковые стволы........................................................................................15

1.1.3 Многозабойные скважины...................................................................19

1.2 Анализ применяемых отклоняющих устройств..........................................24

1.3 Анализ технологии проводки наклонных и горизонтальных интервалов проектных профилей направленных скважин...............................31

1.3.1 Технология направленной проводки ориентированным КНБК.........31

1.3.2 Технология направленной проводки неориентированного КНБК.....33

1.3.3 Комбинированная технология направленного бурения гидравлическим забойным двигателем..........................................................38

1.4 Анализ применяемых методов расчёта КНБК.............................................40

1.4.1 Минимально допустимый радиус кривизны ствола скважины..........40

1.4.2 Определение отклоняющей силы на долоте при бурении с отклонителем.....................................................................................................42

1.4.3 Анализ проектирования технологии проводки наклонно направленных скважин по проектному профилю комбинированным способом бурения.............................................................................................46

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................52

2.1 Теоретические исследования........................................................................52

2.2 Экспериментальные исследования...............................................................53

2.3 Обработка результатов экспериментальных исследований.......................53

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН И ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТКЛОНИТЕЛЯ ОУПК-1.......................................................57

3.1 Анализ траектории скважин..........................................................................57

3.2 Исследования зависимости параметров искривления скважины от нагрузки на долото................................................................................................61

3.3 Определение показателей проектного смещения горизонтальных скважин..................................................................................................................62

3.4 Аналитические зависимости интенсивностей искривления скважин

от различных сочетаний длин плеч отклоняющей КНБК................................72

3.5 Обоснование конструкции и расчёт параметров отклоняющих КНБК с оптимальными размерами для условий бурения боковых стволов скважины................................................................................................................76

3.6 Анализ применяемых отклоняющих КНБК для бурения БС.....................80

3.6.1 Анализ влияния абразивного износа опорно-центрующих элементов КНБК на её работу.........................................................................83

3.6.2 Анализ влияния слоя шлама в стволе скважины на работу КНБК.....89

3.6.3 Анализ влияния увеличения диаметра ствола скважины на работу КНБК......................................................................................................91

3.7 Совершенствование технологии бурения наклонных и горизонтальных скважин при применении отклонителя ОУПК-1..................93

4.8 Анализ сохранения заданного направления КНБК с отклонителем ОУПК-1................................................................................................................100

3.9 Устройство для измерения зенитных и азимутальных углов скважин... 106 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТБОРА ОРИЕНТИРОВАННОГО КЕРНА.........................................................................111

4.1 Постановка задачи разработки устройства для отбора ориентированного керна....................................................................................111

4.2 Устройство для отбора ориентированного керна (кернориентатор).......114

4.3 Интерпретация ориентированного керна...................................................122

4.3 Разработка и создание модели для проверки работоспособности устройства для отбора ориентированного керна.............................................125

4.4 Результаты модельных исследований устройства для отбора ориентированного керна....................................................................................129

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ БС и МЗС В

СРАВНЕНИИ С ОДНОСТВОЛЬНЫМИ СКВАЖИНАМИ...............................136

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..................................................146

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................165

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БС - боковые стволы;

БГС - боковые горизонтальные стволы;

ГС - горизонтальные скважины;

МЗС - многозабойная скважина;

ГЗД - гидравлический забойный двигатель;

ВЗД - винтовой забойный двигатель;

ВЗДО - винтовой забойный двигатель-отклонитель;

ПРИ - породоразрушающий инструмент;

СПО - спускоподъёмные операции;

ОЦЭ - опорно-центрирующие элементы;

КНБК - компоновка низа бурильной колонны;

УБТ - утяжеленные бурильные трубы;

ЛБТ - легкосплавные бурильные трубы;

ОУПК - отклоняющее устройство прямолинейной компоновки.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований

Целью диссертационной работы является повышение эффективности бурения дополнительных стволов многозабойных скважин и боковых стволов из старого фонда скважин.

Задачи исследований:

1. Выполнить анализ современных методов и технических средств, применяемых для бурения МЗС и БС.

3. Определить и исследовать максимальные проектные смещения горизонтальных скважин, учитывая вид и параметры их профилей, а также силы сопротивления при перемещении колонны бурильных труб в стволе скважин.

5. Создать алгоритм и программу расчёта экономической эффективности строительства МЗС и БС.

Методы решения поставленных задач

Научная новизна работы: 1. Выявлена возрастающая зависимость момента сопротивления вращению компоновки низа бурильной колонны с разработанным отклонителем ОУПК-1 на забое скважины от величин раскрепляющей нагрузки, модулей упругости горной породы, коэффициентов трения в контактной паре «сталь-порода» и соотношений диаметров скважины и корпуса отклонителя.

Защищаемые научные положения:

2. Показатели максимального проектного смещения горизонтальных скважин при бурении под собственным весом бурильной колонны определяются видом и параметрами их профилей, а также коэффициентами трения между колонной бурильных труб и стенкой скважины.

Практическое значение работы:

1. Разработано устройство для искривления скважин ОУПК-1 и технология его применения.

3. Разработана методика определения показателей максимального проектного смещения горизонтальных скважин.

4. Разработаны алгоритм и программа расчёта экономической эффективности МЗС и БС.

Апробация работы

Основные положения и практические результаты исследований докладывались на III Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука и инновации в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, СПГПУ, 2009); Всероссийской конференции, посвященной 55-летию кафедры «Бурение скважин» «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин» (г. Томск, ТПУ, 2009); Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г.Томск, ТПУ, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции "Innovations in Mineral Indusry - Geology, Mining, Metallurgy and Management" (Германия, г. Фрайберг, TUBAF, 2010); Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех» (г. Ухта, УГТУ, 2009, 2010, 2011); Международной практической конференции «Ашировские чтения» (г.Туапсе, СамГТУ, 2010); II Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин» (г. Уфа, УГНТУ, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, ПГТУ, 2010).

Публикации

Структура и объём диссертационной работы

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Морозову Юрию Тимофеевичу, а также всем членам кафедры бурения скважин СПГГУ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ И

МНОГОЗАБОЙНЫХ СКВАЖИН

1.1 Анализ современного состояния бурения наклонно направленных

скважин

Проблема наращивания дебита скважин в условиях необходимости стабилизации, а на некоторых месторождениях падающей добычи нефти остро стоит для большинства нефтедобывающих регионов страны. Именно поэтому арсенал техники и технологии стимуляции скважин и повышения нефтеотдачи пластов, ввода в активную разработку остаточных и трудноизвлекаемых запасов нефти постоянно должен совершенствоваться. В связи с этим стратегическим направлением для улучшения сложившейся ситуации должен стать рост объёмов применения новых технологий интенсификации добычи нефти и повышения нефтеотдачи пластов с целью увеличения извлекаемых запасов нефти на уже разрабатываемых и вновь вводимых месторождениях [30].

К таким потенциально эффективным методам как с технологической, так и с экономической точек зрения следует отнести применение горизонтальных, многозабойных и многофункциональных скважин и бурение боковых стволов, в том числе и с горизонтальным окончанием [31].

Лидируя еще в 1950-60-х годах в области строительства такого рода скважин, отрасль впоследствии сосредоточилась исключительно на таких методах и технологиях повышения продуктивности скважин как площадное заводнение, химическое воздействие на продуктивный пласт, освоение преимущественно высокопродуктивных залежей и горизонтов и т.д. В результате отрасль уступила первенство ряду зарубежных фирм, которые

интенсивно осваивали бурение и эксплуатацию горизонтальных и многозабойных скважин.

1.1.1 Горизонтальные скважины

Наиболее полный анализ мировой истории развития бурения ГС выполнены в работах [10,17,18, 42,136]. Н.Ф. Кагармановым было показано, что обычные скважинные методы разработки, основанные на бурении вертикальных и наклонных скважин с применением заводнения, позволяют извлечь лишь 30-50% нефти, содержащейся в пласте. Проектирование и расчёт профилей наклонных скважин представлены в работах [4, 39, 47, 64, 87, 91, 109, 118,146].

Технология бурения горизонтальных скважин отвечает самым высоким требованиям эффективности и экологичности. Она позволяет увеличить дебиты скважин в 3-5 и даже в 10 раз, а коэффициент извлечения нефти довести до 70-80% [12, 151].

Начало бурения горизонтальных скважин положено в СССР в 1930-х годах. Достаточно много горизонтальных многозабойных скважин (110-120) пробурено в 50-е годы, из них около половины в Башкортостане [85]. Однако отсутствие в некоторых случаях положительных результатов объективно привело к снижению объёмов бурения ГС.

В семидесятых годах началось бурение ГС за рубежом в промышленных масштабах [153]. Лидером бурения ГС стал Французский институт нефти, взявший за основу исследования советских учёных. В связи с технико-технологической сложностью строительства ГС зарубежные фирмы резко увеличили ассигнования на научно-исследовательские работы по горизонтальному бурению. За короткие сроки сконструировали, провели промышленные испытания новых забойных двигателей, долот, телеметрических систем и другого оборудования, позволяющего достигнуть

высоких технико-экономических показателей, и решили проблему геофизических исследований в ГС. Развитие горизонтального бурения во Франции в эти годы стимулировался необходимостью разработки нефтяных месторождений Лак-Супериор и Кастера-Му на глубине 3 км и шельфового месторождения Распо-Маре в Италии, где высоковязкая нефть находится в карстовых ловушках. Фирма «Эльф-Акитен» установила рекорды, пробурив ГС длиной горизонтального ствола 2 км, достигнув 15-кратного увеличения дебита на месторождении Распо-Маре [136].

В то время, в СССР в результате резкого увеличения добычи нефти в Западной Сибири снизился интерес к бурению МЗС и ГС. Достижения российской науки и технологии не внедрялись [133].

Начиная с 1980-х г. возрос интерес к бурению ГС и в США. Опыт эксплуатации ГС на нескольких месторождениях уже к 1982 г. показал наиболее полное извлечение из недр углеводородов, особ

Информация о работе

Зарипов, Радик Ринатович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2012
ВАК 25.00.15

Диссертация

Обоснование и разработка технологии бурения дополнительных стволов многозабойных скважин - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы