Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов разветвленными скважинами сверхмалого диаметра

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов разветвленными скважинами сверхмалого диаметра"

На правах рукописи

Лягов Илья Александрович

Обоснование и разработка технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов разветвленными скважинами сверхмалого диаметра

Специальность 25.00.15- Технология бурения и освоения

скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005554148

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Васильев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Исмаков Рустэм Адипович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, заведующий кафедрой

Мухаметшин Алмаз Адгамович кандидат технических наук, ТатНИПИнефть ОАО «Татнефть», ведущий научный сотрудник отдела бурения

Ведущая организация:

ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт»

Защита состоится 23 сентября 2014 года в 16 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О. 21-я лини, дом 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета Николай Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

В цикле строительства, реконструкции и капитального ремонта процесс вторичного вскрытия продуктивной зоны (ПЗ), исследуемого и осваиваемого объекта остается одним из основных и сложных этапов заканчивания скважин. Анализ состояния проблемы показал, что применение современных кумулятивных перфорационных систем нарушает целостность цементного камня и не всегда позволяет преодолеть образовавшиеся при первичном вскрытии ПЗ загрязнения, достигающее нескольких метров, тем самым ухудшая гидравлическую связь скважины с продуктивным коллектором.

Бурение боковых стволов (БС) по традиционным технологиям, позволяющее выйти из закольматированной зоны, является экономически затратным и имеет специальную область применения, так как формирует каналы относительно большого диаметра и радиуса кривизны, а технологии, использующие высоконапорные струи жидкости с абразивными материалами -технологически ограниченными, поскольку являются не управляемыми по траектории и сами загрязняют продуктивный пласт различными фильтратами и твердой фазой.

Ряд ведущих российских и зарубежных компаний в последние годы занимаются разработкой технологий радиального бурения, позволяющие вскрывать пласт сетью каналов малого диаметра большой протяженностью и устанавливать качественную гидравлическую связь пласта со скважиной без ущерба для проницаемости пласта.

В этой связи дальнейшие исследования направленные на повышения эффективности вторичного вскрытия пластов методами «щадящей» перфорации является весьма актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение качества гидродинамической связи продуктивного пласта с пробуренной скважиной на завершающем этапе её строительства и при капитальном ремонте.

Идея работы:

Применение новой конструкции перфобура для бурения сверхдлинных скважин малого диаметра и радиуса кривизны по заданной траектории.

Основные задачи исследований:

1. Исследовать упруго-напряженное состояния компоновок технической системы «Перфобур» при забуривании и в процессе бурения длинных скважин (каналов) сверхмалого диаметра различных траекторий на основании анализа результатов стендовых и скважинных испытаний.

2. Установить закономерности изменения изгибающих моментов, действующих в компоновке нижней части бурильной колонны (КНБК) перфобура различной комплектации в каналах с детерминированными радиусами кривизны, зенитными углами и геометрическими параметрами клина отклонителя.

3. Провести экспериментальные исследования по определению минимально возможного радиуса кривизны перфорационного канала, а так же изучить фрезерующие способности перфобура.

4. Разработать на основании конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния КНБК перфобура, конструктивные решения по повышению работоспособности базовых узлов перфобура, при его работе на различных этапах бурения сильно искривленных скважин сверхмалого диаметра.

Методы исследования:

Поставленные задачи решались с применением многочисленных стендовых исследований натурных образцов базовых узлов технической системы «Перфобур», анализа промысловых испытаний, а аналитические решения выполнены с применением известных и апробированных алгоритмов и методик исследований поперечно-продольной деформации бурильных компоновок, характеризуемых системами уравнений кинетостатики гибких балок в классической постановке задач.

Научная новизна заключается в установление качественных и количественных закономерностей изменения изгибающих моментов, действующих в КНБК перфобура различной

конфигурации и комплектации в зависимости от места установки и диаметра центраторов как при забуривании, так и в процессе бурения разветвленных скважин (перфорационных каналов) сверхмалого диаметра и радиуса кривизны с различными зенитными углами, а так же в определении допустимых соотношений диаметров долот, центрирующих элементов и места их размещения в КНБК перфобура.

Основные защищаемые положения:

1. Разработанные математические модели упруго напряженного состояния компоновок технической системы «Перфобур» при забуривании и в процессе бурения длинных каналов малого диаметра различного профиля позволяют рассчитать габариты и места установки центраторов, а также показатели функционального назначения специальных винтовых забойных двигателей (ВЗД).

2. Применение новой конструкции перфобура позволяет выполнять бурение перфорационных каналов с радиусами кривизны от 3,5 до 12 метров, контролируя их длину до 14 метров и траектории по зенитному и азимутальному углу, дискретно изменяя конструкцию компоновки системы, в условиях буровой.

Практическая ценность работы:

1. Создана работоспособная техническая система «Перфобур», испытанная в различной комплектации на специальном стенде.

2. Разработана новая конструкция шпинделя - отклонителя перфобура с шарнирным соединением шарового типа и аналитически обоснована ее работоспособность при восприятии изгибающих моментов, действующих в КНБК на всех этапах строительстве перфорационного канала.

3. Проведены промысловые испытания опытных компоновок при капитальном ремонте скважин №952 ОАО «АНК Башнефть» Чермасанского месторождения и №506Н ОНГКМ ООО «Газпром добыча Оренбург».

4. Исследовано с применением конечно-элементного анализа напряженно-деформированное состояние малогабаритной компоновки перфобура при бурении каналов различной траектории,

в результате которого идентифицированы наиболее нагруженные зоны базовых узлов и деталей компоновки, напряжения и деформации в которых достигают предельной величины.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных научно-технических и научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых проводимых в УГНТУ (г. Уфа, 2007, 2008, 2009 и 2010 г.г.); Международной научно-технической конференции «OIL & GAS Horizons» и «Нефть и газ -2010» проводимых в РГУНГ имени И.М. Губкина (г. Москва 20 Юг); Международный форум конкурс молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург 2011, 2013 г.г.); 52-ой Международной конференции в AGH «Научно-технический университет им. Станислава Сташица» (г. Краков, Польша 2011г.); IV Всероссийской конференции «Нефтегазовое и горное дело» (ПНИПУ, г. Пермь 2011 г.); 9-ом международном научно-практическом нефтегазовом форуме в КазНТУ (г. Алма-Аты, Казахстан 2012 г.); Конференции и выставке SPE по разработке месторождений в осложненных условиях и Арктике «SPE АЕЕ-2013» (г. Москва 2013г.); Международной конференции «Mine Planning and Equipment Selection» (г. Дрезден, Германия, 2013 г.).

В 2012г. работа, представлялась на втором Национальном конкурсе инновационных проектов (Промышленный сектор, топливный комплекс), где отмечена диплом абсолютного победителя рейтинга "100 молодых инновационных лидеров России".

Публикации:

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах, в том числе 3 публикации в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 2 статьи в зарубежных изданиях, одна из которых входит в международную базу цитирования Scopus.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы из 125 наименования,

211 страниц машинописного текста, включающего 94 рисунка, 17 таблиц и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы, приведены её научная новизна, практическая ценность и основные защищаемые положения.

В первой главе проанализированы современные методы вторичного вскрытия продуктивных пластов. Установлено, что основной объём работ выполняется с помощью кумулятивных перфораторов. Несмотря на постоянное совершенствование технологии кумулятивной перфорации даже самые современные перфорационные системы, такие как «Pure» сервисной компании Schlumberger, приводят к растрескиванию цементного камня, и как следствие получаем заколонные перетоки и обводнение продукции.

Щадящие методы перфорации, такие как, гидроабразивная, сверлящая, щелевая и др., не приводят к катастрофическому разрушению цементного камня, но и не позволяют получать глубокие каналы.

В последние годы, ведущие российские и зарубежные нефтяные компании ведут разработки по созданию технологий радиального бурения, позволяющие преодолеть зону кольматации, с длиной каналов до 100 метров, однако траектория таких каналов не всегда оптимальны.

Большой вклад в изучение различных перфорационных систем внесли: В.А. Афанасьев, Р.Г Булгаков. Н.Г. Григорян, O.A. Калинин, Ю.Д. Качмар, С.А. Ловля, A.B. Мальцев, C.B. Назаров, H.A. Петров, Л.Я. Фридляндер, Ш.Г. Шаисламов, H.A. Шамов, А.Ш. Янтурин и др.

Вторая глава посвящена методике стендовых и скважинных испытаний.

В ходе планирования эксперимента произведен выбор необходимых параметров работы винтового двигателя Д-42.9/10 в перфорационном канале и при фрезеровании обсадной колонны, в замен двигателя Д-43.5/6: осевая нагрузка на долоте Р= 2500 Н; частота вращения долота п=530 об/мин; перепад давления в КНБК

7

р=4,5 МПа; крутящий момент на выходном валу двигателя М= 660, Шм.

Проведена модернизация стенда (рисунок 1) для испытания фрезерующих способностей перфобура в обсадной колонне и при бурении боковых каналов сверхмалого радиуса кривизны в цементно-песчаном блоке по предлагаемой схеме забуривания.

Модернизация стенда включала в себя разборку, ревизию и доработку узлов насосной станции: для трехплунжерного насоса 1.3 ПТ-50Д2 изготовлен новый нагнетательный коллектор с гасителем колебаний давления, с манометром и сливным краном для регулировки расхода промывочной жидкости в циркуляционной системе перфобура.

Для эффективного забуривание перфорационного канала из обсадной колонны были изготовлены специальное импрегнированное долото и клин-отклонитель с углом 7°, выбор которого обоснован аналитическими расчетами, приведенными в 3-й главе, процесс фрезерования представлен на рисунке 2.

9 1П 16 1 2 3 4 Д|............... 7

Рисунок 1 - Схема модернизированного стенда для испытания

перфобура

I - корпус перфобура, 2 - клин-отклонитель, 3 - силовая секция винтового забойного двигателя, 4- шпиндель с центратором, 5- долото,

6 - перфорационный канал, 7 - искусственный цементно-песчаный блок, 8 - емкость, 9 -привод ходового винта - нагружателя, 10 - ходовой винт,

II - трубопровод низкого давления для слива промывочной жидкости,

12 - рукав высокого давления, 13 - насос 1.3 ПТ-50Д2, 14 - компенсатор колебаний давления, 15 - контрольно-измерительные приборы (расходомер ТПР 16М-3-1, виброметр ВК-5М, гидравлический динамометр-месдоза и манометр), 16 - гидронагружатель, 17 -расходомер РСТ-16М

Рисунок 2 - Фрезерование обсадной трубы марки С-95

Рисунок 3 - Пробуренные каналы песчано-цементном блоке, в том чис

импрегнированным долотом ДИ-56 с радиусом кривизны менее 5,3 мел

т

н

Мунйигус

Ворам

втулка Штифт срезюи

Труйа профильная

ГП-К6 /ъорь]

1 . Впухо

1 Е 1 Шггирп сремх/

С Байт»

0

Рисунок 8 - Новая КНБК перфобура с якорем и ориентирующем устройством

а - срабатывания захвата перфобура (заякоревание), б - снятие с якоря, в —профильный перекрыватель (якорь перфобура) с ориентирующей воронкой

)

У, ^ ^ г/

!

Рисунок 4 - Схема расчета работы КНБК «Перфобура» в криволинейном канале с двумя центраторами - осевая нагрузка на долото; С> - отклоняющая сила на долоте (реакция забоя); поперечная составляющая от собственного веса компоновки; зенитный угол канала; Я; - реакция стенок скважины; 1; - длины участков

1. ■ чема КНБК с 2-мя цемпраторами

к -

^-N / \ \ Г5

\

Росс/пошие оп допота м

. Р=6000 Н. угол искривления 45? место установки центраторов 0.57 м и Ц80 м от долота диаметрами 56 мм.

. Р=6000 Н. угол искривления 45" место установки центраторов 0.57 м и 1Л80 м от долота диаметрами 56 мм и 55 мм сответсвенно

Измены* сиги&шего момента по Илию компоновки с д6(/1Я ценпраторами

Рисунок 5 - Графики зависимости изгибающих моментов действующих на компоновку с двумя центраторами

Применение имирегнированного долота позволит производить забуривание перфорационного канала исключив при этом технологическую операцию по удалению части обсадной колоны.

В ходе экспериментов также было установлено, что использование КНБК со специальными короткими двигательными секциями 2Д-43.5/6.42.010 и гибкими межкорпусными и межроторными сочленениями способствует уменьшению радиуса кривизны до показателя 5,3 метра, а возможно и менее (рисунок 3), что и было достигнуто при стендовых испытаниях. Добиться такого результата удалось благодаря применению разработанного шпинделя-отклонителя с гибким валом и кривым переводником с углом перекоса 6° 30'.

Третья глава посвящена анализу проведенных ранее аналитических, экспериментальных и промысловых исследований, а так же детальному аналитическому исследованию напряженного состояния компоновок на различных этапах строительства перфорационного канала.

Для обеспечения работоспособности конструкции компоновки в процессе бурения канала, важно знать силовой характер взаимодействия базовых узлов бурильной компоновки со стенками перфорационного канала как в процессе забуривания, так и при бурении, когда компоновка находится внутри канала, при различных значениях зенитных углах в процессе изменения его траектории, а также - качественный и количественный характер взаимодействия бурильной колонны со стенками канала, так как от показателей этой связи зависит функциональность и долговечность оборудования.

Известно, что стабилизировать режим работы бурового оборудования и траекторию перфорационного канала можно путем установки опорно-центрирующих элементов.

Приведен метод выбора места установки центраторов в малогабаритных компоновках, разработанный автором совместно с сотрудниками кафедры бурения скважин во Фрайбергской горной академии (Федеративная Республика Германия). Принимая во внимание конструктивные особенности серийных двигательных

секций и сложность установки на них центраторов с учетом работ М.М. Александрова, Д.Ф. Балденко, С.Н. Бастрикова, В.М. Беляева, В.Г. Григулецкого, Б.З. Султанова, А.Г. Калинина, Ю.А. Коротаева, Е.И. Ишемгужина, A.C. Повалихина, A.C. Оганова, А.Ш. Янтурина и др. были подобраны места их установки с учетом вероятных точек контакта КНБК со стенками скважины.

Для учета изгибающих моментов были произведены расчеты напряженного состояния компоновок перфобура различных комплектаций. В настоящем автореферате приведены лишь часть исследований: расчетная схема КНБК с двумя центраторами, представленная на рисунке 4 и уравнения для участков II и V (места установки центраторов). Более подробно задача изложена в диссертации.

Дифференциальное уравнение изогнутой оси КНБК на участке II (место установки 1-ого центратора) будет иметь вид: 2 2 2 E.h.df = -p.y2+Q.yl+X2)-RvX2+2^+*L + qihx2. (1)

t£ri 1 1

Решение уравнения:

>>2 = Cl.sink]X2+C2-cosklX2+^+(e + ^-Ri)X2+^+*t-^j. (2)

2Р Р Р 2Р рк?

Дифференциальное уравнение упругой линии на участке V (место установки 2-ого центратора):

2 2 E-l3-4^ = -p.ys+Q.(Il+l2+l3+I4+xs)-Rr(l2+l3+lA+x5)-R2xs+2&-dx 5 ¿

2 2 2 2 + + ^у- + —+ + 4\hh + 4\hh + 4\hh + 4ihh + qihh + Чг1А*5 •

Решение уравнения:

(Q - R. - R, + q.l, + qj, + q.l. + q.l, )x. y5 = Ft-sink,x5 + F2 • eosk3x5 + —-!-2 4,1 412/5 +

, • h2 + <?■ ■ 'г +Чг-Ь2 , g ■ (1, +h+h+h) RJi RJз

2 P P P P P

R2x5 , , Я A h , <¡lhl2 , 4lhh__

- P P P P P Pk¡'

(3)

(4)

где EI¡- изгибная жесткость компоновки перфобура.

Для решения задачи выбирались граничные условия, обоснованные методиками ВНИИБТ, УГНТУ, БашНИПИнефть, ТатНИПИнефть.

В результате расчетов по выше указанным методикам, в программном комплексе MathCAD, были получены графические зависимости изменения изгибающих моментов действующих на КНБК различных комплектаций. На рисунке 5 представлены зависимости для компоновки с двумя центраторами.

Аналитически установлено, что при работе перфобура в канале с зенитным углом 45° компоновка с двумя центраторами будет вести себя стабильнее, а величины изгибающих моментов и напряжений - меньше, чем при бурении компоновкой с одним центратором. Также установлено, что и прогиб по верхнему переводнику меньше чем в КНБК с одним центратором. Это создает более комфортные условия работы базового оборудования технической системы «Перфобур».

В ходе последних промысловых испытаний перфобура на нефтегазоконденсатном месторождении ООО «Газпром добыча Оренбург» после бурения двух метров канала, была выведена из строя секция шпинделя-отклонителя, в связи с поломкой вала в месте соединения с долотом и поломка шарнирного соединения вала шпинделя с ротором силовой секции. Для установления причин выявленных разрушений проанализирована работа КНБК различной комплектации в искривленном канале, опираясь на существующие, апробированные методики, описывающие работу бурильной колонны в скважине и особенно работу шпиндельной секции как наиболее нагруженного узла перфобура. Для чего была построена 3D модель вала шпинделя используемого при проведении промысловых испытаний, рассмотрено его напряженно-деформированное состояние и методом конечных элементов рассчитаны эквивалентные напряжения и деформации в программе ANSYS. Анализ показал, что осевая опора шарнирного соединения разрушилась примерно в том же месте, где наблюдалась наибольшая величина прогиба вала шпинделя (рисунок 6).

8.ЯчисйиЛ

ШШИШШИ ■

у ¿»¿ЁШИИЯIII

''шяттяшш_евее

0.0*5

б

Рисунок 6 -Вал и шарнир шпинделя после проведения промысловых

испытаний

а - выход из строя шарнирного соединения вала шпинделя с ротором

силовой секции; б - схема для определения величины смещение вала шпинделя и шарнирного соединения методом конечных элементов

В результате аналитического синтеза разработана новая компоновка с работоспособным ВЗД, обеспечивающая наиболее эффективное забуривание перфорационного канала в щадящем режиме для шпиндельной секции и перфобура в целом. Разработана конструкция шпинделя-отклонителя перфобура с шарнирным соединением шарового типа и аналитически обоснована ее надежность и работоспособность при восприятии изгибающих моментов, которые действуют в КНБК на всех этапах строительстве перфорационного канала.

В четвертой главе приводятся обоснование траектории КНБК сверхмалого диаметра и определение минимального возможного радиуса кривизны.

Аналитически установлено, что использование гибких соединений в составе КНБК перфобура позволяет получить траекторию перфорационного канала с минимальным радиусом

кривизны, схожую с дугой окружности в которую вписывается компоновка.

Угол искривления ВЗД определяли из полученной на стадии разработки эскизного проекта следующей зависимости:

1взд , ьшп

Р = arc sin

(5)

2(0,5 Овзд +0,5£"д) knonDm +0,5Дд

где Ьвзд - длина статора с верхним переводником до места искривления ВЗД; DB3M - наружный диаметр ВЗД; Da - диаметр долота; Ьшп - длина шпинделя от места искривления ВЗД до конца долота; кпоп - поправочный коэффициент, учитывающий разницу форм осевых линий (прямолинейной у шпинделя с долотом и криволинейной у ствола перфорационного канала, кПОп= 1,03... 1,05).

В ходе исследований установлено, что компоновка со следующими исходными данными: ЬВЗд= 0,6 м, £>ВЗд= 0,043 м, Ид= 0,056 м, Lmif= 0,225 м, кпоп = 1,03 позволяет получить перфорационный канал с радиусом кривизны 3,5 м, а угол искривления ВЗД составит /?= 8°28' (рисунок 7 а).

Были спроектированы следующие инструментальные компоновки:

1. Компоновка с двух секционными укороченными силовыми секциями ВЗД и гибкими межкорпусными сочленениями со следующими параметрами ЬВЗд= 0,73 м, DB3/f= 0,043 м, /)д= 0,056 м, Ьщп= 0,265 м, /?= 6°30', при которых радиус кривизны перфорационного канала, пробуренного в цементно-песчаном блоке в стендовых условиях, составил 5,5...5,6 м. (рисунок 7 б);

2. Компоновка с двух секционными укороченными силовыми секциями ВЗД и двумя центраторами диаметрами 56 мм установленными на расстоянии 570 мм и 1480 мм от долота, имеет следующие параметры Ьвзд = 0,5 м, DB3m = 0,043 м, Da = 0,058 м, Lmn = 0,43 м, Р =5°, при которых радиус кривизны перфорационного канала, пробуренного в стендовых условиях составил 7,7 м. (рисунок 7 в);

3. Компоновка с односекционным удлиненным статором без гибких межкорпусных сочленений имела следующие параметры

Ьвзд = 1,08 м, Бвзд = 0,043 м, = 0,056 м, Ьшп = 0,36 м, 0 = 4°, при которых радиус кривизны перфорационного канала, пробуренного в стендовых условиях, составил 12... 13 м. (рисунок 7 г).

На рисунке 7 представлены прогнозируемые профили перфорационных каналов с рассчитанными радиусами кривизны, полученными компоновками с различными базовыми узлами перфосистемы.

й!хт щщяшшт хашя Зо 50 »

Рисунок 7 - Прогнозируемые профили перфорационных каналов при угле отклонителя 7° а- траектория ствола радиусом 3,5 м КНБК перфобура с односекционным ВЗД Д-43.5/6 и одним центратором, угол искривления шпинделя-отклонителя (ШО) 8°28';

б - траектория ствола радиусом 5,5 м КНБК перфобура с двух секционным ВЗД 2Д-43.5/6.42.010 и гибкими межкорпусными сочленениями, угол искривления ШО с гибким валом 6°30';

в - траектория ствола радиусом 7,7 м КНБК перфобура с двух секционным ВЗД 2Д-43.5/6.42.010 и с двумя центраторами, угол искривления ШО 5° ; г - траектория ствола радиусом 12 м КНБК перфобура с односекционным ВЗД 2Д-43.5/6.42.010 без центраторов, угол искривления ШО 4°.

Произведен расчет потерь осевых нагрузок на трении, расчет действия моментов сопротивления на силовую секцию малогабаритного ВЗД, проанализировано действие перекашивающего момента. В ходе расчетов установлено, что в силовой секции ВЗД Д-43.5/6.42 возникает большой перекашивающий момент (1711 Нм), который вызывает излишнюю вибрацию роторов силовой секции, передающуюся валу шпинделя через шарниры, что также может служить причиной усталостного излома вала шпинделя.

С целью повышения работоспособности оборудования для дальнейших исследований предложено использование ВЗД модели Д-42.9/10, величина перекашивающего момента на валу двигателя которого на два порядка меньше (10 Нм), чем у ВЗД Д-43.5/6, при таких же величинах крутящего момента.

Испытание компоновки при бурении цементно-песчаного блока с использованием ВЗД Д-42.9/10 на стенде УГНТУ позволило добиться увеличения скорости проходки на 50...70% по сравнению с аналогичными испытаниями с использованием в составе компоновки перфобура силовой секции двигателя Д-43.5/6 и тем самым, достигнуть механической скорости 11... 12 м/час.

Пятая глава посвящена разработке новой конструкции перфобура. Выполнена разработка нового якоря перфобура с применением профильного перекрывателя и ориентирующей воронки, позволяющей исключить создание цементной пробки и обеспечить направление КНБК различной комплектации при её повторных спусках, для различных технологических операций: забуривание, набор и корректирование траектории канала, а также его освоение (рисунок 8).

Аналитически установлено, что изготовление перфобура модульного исполнения (рисунок 9) со специальным разгрузочным пазом в корпусе позволит повысить долговечность клина отклонителя регламентируя усилие касания долота при забуривании, а направляющий паз позволит корректировать траекторию канала и воспринимать реактивный момент от ВЗД препятствуя закручиванию КНБК.

Рисунок 9 - Модернизированный перфобур в модульном исполнении

При необходимости, направляющие пазы можно изготавливать по винтовой линии с правым или левым направлением и с различным шагом, что позволит управлять траекторией канала при его строительстве, соответственно проведя СПО, что при использовании колтюбинга не займет много времени.

Секции корпусов соединяются между собой посредством специального муфтового - ниппельного замка, обеспечивающего совпадение направляющих пазов трубных корпусов и надежное закрепление от проворота и осевого перемещения.

Длина перфорационного канала зависит от длины КНБК, которая размещается в секциях корпуса выполненных в виде модулей. При длине канала 10... 15 м вся компоновка перфобура может составлять 43...45 м, поэтому предложено корпус выполнить сборным, состоящим из верхнего, среднего и нижнего модулей, для обеспечения возможности сборки компоновки на устье скважины

при СПО исходя из габаритов вышки подъемного агрегата. При необходимости продолжения длины канала, количество средних модулей можно увеличить, причем без изменения их конструкции.

В шестой главе приводиться расчет технико-экономической эффективности проведения глубокой перфорации в сравнении с применением кумулятивной перфорации. Выполненными расчетами доказано, что применение предлагаемой технологии, позволит получить экономический эффект и окупить затраты на разрабатываемое оборудование за один год, за счет увеличения продуктивности и межремонтного периода эксплуатации скважин, а так же более эффективной и долговечной работы глубинного оборудования.

Основные выводы по работе

1. Получена аналитическая зависимость, устанавливающая взаимосвязь геометрических параметров малогабаритной компоновки технической системы «Перфобур» с кривизной траектории канала, схожую с дугой окружности в которую вписывается компоновка.

2. Аналитически (расчетным и графическим методами) выполнена оценка и экспериментально доказана возможность бурения разветвленных скважин (перфорационных каналов) с наименьшим радиусом кривизны, в зависимости от диаметра долота и линейных размеров шпиндельной секции, на основании которой построены сравнительные профили перфорационных каналов с различными радиусами кривизны: 3,5 м, 5,5 м; 7,7 м и 12 м для компоновок, спроектированных с центрирующими элементами, размещенными в конструктивно доступных местах технической системы «Перфобур».

3. Аналитическими исследованиями обосновано, что использование винтового забойного двигателя Д-42.9/10 взамен ранее ошибочно рекомендованного ВЗД Д43.5/6.42.010, позволит обеспечить надежную работу базового оборудования в перфорационном канале с малым радиусом кривизны за счет многократно меньшего перекашивающего момента и достаточной величины крутящего момента винтовой пары при сохраненных

габаритах КНБК, обеспечивая наиболее эффективное забуривание перфорационного канала в щадящем режиме как для шпиндельной секции, так и перфобура в целом.

4. Проведена модернизация стенда для испытания фрезерующих способностей перфобура в обсадной колонне и бурения боковых каналов сверхмалого радиуса кривизны в цементно-песчаном блоке по новой схеме забуривания, наиболее близко отвечающей фактическому процессу в скважине, а для обеспечения достоверных условий функционирования изучаемого процесса и проведения достаточного количества испытаний компоновок перфобура - выполнено планирование эксперимента с выбором необходимых параметров работы винтового двигателя как в перфорационном канале так и при фрезеровании обсадной колонны. Установлены следующие значения: осевая нагрузка на долоте Р= 2500 Н; частота вращения долота п=530 об/мин; перепад давления в КНБК р=4,5 МПа; крутящий момент на выходном валу двигателя М= 660, Шм.

5. Исследованы и аналитически установлены качественные и количественные закономерности изменения изгибающих моментов, действующих в КНБК перфобура различной конфигурации и комплектации в зависимости от места установки и диаметра центраторов, при забуривании и в процессе бурения длинных перфорационных каналов малого диаметра и радиуса кривизны с различными траекториями (зенитными углами).

6. Исследованием напряженно-деформированного состояния технической системы «Перфобур» с применением конечно-элементного анализа идентифицированы наиболее нагруженные зоны базовых узлов системы, напряжения и деформации в которых достигает предельных значений.

7. Разработана конструкция шпинделя - отклонителя перфобура с шарнирным соединением шарового типа и аналитически обоснована ее работоспособность при восприятии изгибающих моментов, которые действуют в КНБК на всех этапах строительстве перфорационного канала.

Наиболее значимые работы по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Шамов Н.А. Техника и технология создания сверхглубоких перфорационных каналов/ Н.А. Шамов, А.В. Лягов, Д.В. Пантелеев, А.В. Васильев, М.А. Лягова, И.А. Лягов, С.В. Назаров, Е.Г. Асеев// Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012. №2. СЛ31-174.

http ://www. ogbus.ru/ authors/Shamov/Shamov_ l.pdf

2. Матвеев Ю.Г. Аналитические исследования особенностей работы компоновки перфобура в криволинейном канале малого диаметра и радиуса кривизны/ Ю.Г. Матвеев, М.А. Лягова, Н.И. Васильев, И.А. Лягов// Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2013. №1. С.37-58. http://www.ogbus.ru/authors/MatveevUG/MatveevUG_l.pdf

3. Лягов И.А. Анализ результатов промысловых испытаний технической системы «Перфобур». Аналитический синтез базовых узлов «Перфобура» повышенной надежности для бурения сверхдлинных каналов по прогнозируемой траектории/ И.А. Лягов//Научно-технический журнал «Нефтегазовое дело». 2014. Том 12. №1. С.54-72.

В прочих изданиях:

4. Lyagov I.A. Technology of Productive Horizons Casing Perforation by Drilling of Branched Channels With Midget Diameter and Curvature Radius/ I.A. Lyagov, M.A. Lyagova// SPE Conference Paper of «SPE Arctic & Extreme Environments». - Moscow: Society of Petroleum Engineers, 2013. - P.835-873.

Лягов И.А. Технология вскрытия продуктивных пластов скважины бурением каналов малого диаметра и радиуса кривизны/ И.А. Лягов, М.А. Лягова// Сборник материалов конференции и выставки SPE по разработке месторождений в осложненных условиях и Арктике. - М.: Society of Petroleum Engineers, 2013. -C.835-873.

5. Лягова М.А. Разработка гидравлического нагружателя КНБК для перфорбурения боковых стволов / М.А. Лягова, Э.Я. Зинатуллина, И.А. Лягов// Материалы 59-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. -Уфа: УГНТУ, 2008. - Кн.1. - С.33-37.

6. Лягов И.А. Технологии строительства глубоких перфорационных каналов/ И.А. Лягов// Материалы II Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин», посвященная памяти М.Р. Мавлютова / УГНТУ. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. - С.271-276.

7. Лягов И.А. Техника и технология вторичного вскрытия продуктивного пласта разветвленными каналами/ И.А. Лягов, Н.И. Васильев, М.А. Лягова// Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012. №2. - С.37-44.

8. Лягов, И.А. Вторичное вскрытие и освоение скважин XXI века / М.А.Лягова, И.А. Лягов, В.Ш. Шаисламов // Материалы 63-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: сборник материалов конференции. - Кн.1 / Редкол.: Ю.Г. Матвеев и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2012. - С. 194.

9. Lyagov I.A. Bottomhole Formation Zone Completion through Ultra Deep Multibranch Channels: Experimental Research of a New Technology/ I.A. Lyagov //Mine Planning and Equipment Selection Proceedings of the 22nd MPES Conference. - Dresden, Germany: Springer International Publishing, 2014. - P. 1221-1229.

Лягов И.А Экспериментальные исследования технологии заканчивания скважин бурением сети разветвлённых каналов/ И.А. Лягов// Сборник материалов 22-й Международной конференции «MPES 2013» Планирование горных работ и выбор оборудования. -Дрезден, Германия: Springer International Publishing, 2014. - С. 12211229.

РИЦ Горного университета. 09.06.2014. 3.560. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2