Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Технико-технологические решения по обеспечению проектной траектории наклонно направленных скважин

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Технико-технологические решения по обеспечению проектной траектории наклонно направленных скважин"

На правах рукописи

ТРОХОВ ВЛАДИСЛАВ ВАЛЕРЬЕВИЧ

V

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПРОЕКТНОЙ ТРАЕКТОРИИ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ухта 2015

1 АПР 2015

005566640

005566640

Диссертация выполнена на кафедре бурения ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет». Научный руководитель: Светлана Александровна КеГш -

кандидат технических наук, доцент Официальные оппоненты: Владимир Тимофеевич Лукьянов —

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Ставрополь

Сергеи Алексеевич Краснов —

кандидат технических наук, заместитель начальника отдела технологий Департамента качества строительства и эксплуатации скважин ООО Буровая Сервисная Компания «РИНАКО» г. Москва

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Пермский национштьный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится 23 апреля 2015 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.291.01 при Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300 г. Ухта Республики Коми, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета и на сайте http://wvv-w.ugtu.net/ в разделе «Диссертации».

Автореферат разослан З^О- 0.3 . 2015 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.291.01, кандидат технических наук, профессор

Н. М. Уляшева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Опыт проводки наклонно направленных скважин показывает, что фактические траектории не вполне соответствуют проектному профилю.

На отклонение ствола скважины от проекта влияет целый ряд геологических, технических и технологических факторов. Степень влияния этих факторов на выполнение проектной траектории остается недостаточно изученной, тем не менее, оценка их значимости позволяет прогнозировать те технико-технологические условия, которые обеспечат проводку фактического ствола скважины в заданном коридоре отклонения от проектной траектории.

Прямолинейно наклонный участок (стабилизации зенитного угла или горизонтальный) является одним из самых протяженных и ответственных при проводке проектной траектории. Его бурение выполняется сочетанием двух способов. Часть участка бурится направленно двигателем-отклонителем (слайдинг), часть вращением двигателя-отклонителя ротором с небольшой скоростью - 30-40 оборотов в минуту. Технология сочетания слайдинга и вращения компоновки ротором применяется сравнительно недавно, поэтому исследования в этом направлении представляют научный и практический интерес.

Решение задачи выполнения проектной траектории невозможно без поиска оптимальных размеров элементов компоновки нижней части бурильной колонны. Разработка требований к упругим свойствам и линейным размерам отдельных секций КНБК является важным этапом ее проектирования, определяющим функциональные возможности КНБК.

Из выше сказанного следует, что разработка технико-технологических рекомендаций и оптимизация параметров компоновки нижней части бурильной колонны по выполнению проектной траектории является актуальной задачей, решение которой позволит повысить технико-экономические показатели бурения наклонно направленных скважин.

Цель работы

Разработать технико-технологические решения по обеспечению проектной траектории наклонно направленных скважин за счет оптимизации технологии проводки участка стабилизации и параметров компоновок нижней части бурильной колонны.

Основные задачи исследований

1. Анализ теории и практики проводки наклонно направленных скважин, в том числе участка стабилизации с применением винтовых забойных двигателей-отклонителей.

2. Методическое обоснование применения нейросетевой технологии для факторного анализа по обеспечению проектной траектории скважины.

3. Разработка технико-технологических рекомендаций по обеспечению проектной траектории наклонно направленных скважин на участке стабилизации с применением нейросети.

4. Исследование и оптимизация компоновок нижней части бурильной колонны для обеспечения проектных параметров траектории.

Научная новизна

1. На примере группы месторождений Тимано-Печорской провинции с использованием нейросетевой технологии установлена степень влияния на отклонение фактической траектории от проектной на участке стабилизации по зенитному углу следующих параметров: весовая значимость твердости пород — 1,0; осевого люфта вала шпинделя винтового забойного двигателя-отклонителя — 0,95; величины зенитного угла скважины —0,90.

2. Установлена степень влияния на отклонение фактической траектории от проектной на участке стабилизации по азимуту следующих параметров: весовая значимость величины зенитного утла — 1,0; осевой нагрузки на долото — 0,87; уширение ствола — 0,83.

3. Определены области изменения угла перекоса между силовой и шпиндельной секциями двигателя, позволяющие активно менять радиус искривления скважины или стабилизировать его: при изменении утла перекоса от 1,0° до 1,4° темп прироста радиуса искривления составляет 200-300%; при изменении от 1,4° до 3,0° - 10-20%. Увеличение разности между диаметрами долота и двигателя, увеличивает темп прироста радиуса.

Основные защищаемые положения

1. Факторный анализ, выполненный по группе месторождений Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции с применением нейросетевой технологии, позволил выявить степень влияния на стабилизацию одновременно зенитного угла и азимута скважины следующих параметров: весовая значимость величины зенитного угла — 1,0; твердости пород — 1,0 и осевого люфта вала шпинделя забойного двигателя — 0,95.

2. Применение «обученной» и протестированной нейросети для прогноза позволило определить требования к геологическим и технико-технологическим условиям проводки участка стабилизации, выполнение которых обеспечивает отклонение фактической траектории от проектной в заданном коридоре допуска.

3. Установлено, что радиус искривления скважины слабо зависит (изменение 10-15%) от величины зенитного угла и места установки опорно-центрирующего устройства выше двигателя-отклонителя при следующих параметрах КНБК: зазор между диаметрами долота и двигателя должен быть не более 10-11%, а отношение длины нижней секции двигателя к длине верхней не менее 0,33.

Практическая значимость

1. На основе прогноза с применением нейросетевой технологии разработаны оптимальные условия для проводки участка стабилизации, выполнение которых обеспечивает проводку траектории в коридоре значений по зенитному углу ±0,2°, по азимуту ±1,5°:

- для одновременной стабилизации зенитного угла и азимута зенитный угол должен быть не менее 39°, а участок стабилизации планировать к бурению в отложениях пород твердостью 4-^5;

- осевой люфт вала шпинделя забойного двигателя не должен превышать 4^5 мм, кавернозность пород не более 1,14;

- радиальный люфт вала шпинделя забойного двигателя должен быть не более 1 мм, отношение длины нижнего плеча двигателя-отклонителя к длине верхнего должно быть больше =0,33, вращение КНБК ротором производить 70^80% от общей длины участка.

2. Использование винтового забойного двигателя диаметром 240 мм с долотом диаметром 269,9 мм и двигателя 195 мм с долотом 215,9 мм обеспечивает незначительное изменение радиуса кривизны (11% и 10% соответственно) при изменении места установки верхнего опорно-центрирующего устройства от 6 до 15 метров.

3. При изменении угла перекоса осей между шпиндельной и двигательной секциями двигателя-отклонителя от 1,0° до 1,4° темп прироста радиуса искривления скважины составляет 200-300%; при изменении от 1,4° до 3,0° - 10-20%. Увеличение разности между диаметрами долота и двигателя, увеличивает темп прироста радиуса.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях «Севергеоэкотех» при Ухтинском государственном техническом университете в 2011, 2012 и 2014 г.г., на научно технической конференции преподавателей и сотрудников УГТУ (2012 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело», г. Пермь в 2012 г.; Республиканском научно-практическом форуме «Инновационные технологии - основа развития национальной экономики», Сыктывкар, в 2012 и 2013 годах; Республиканском молодежном инновационном конвенте «Молодежь - будущему Республики Коми», г. Ухта, 2014 год. Использовались при разработке дипломных работ и магистерских диссертаций на кафедре бурения Ухтинского государственного технического университета.

Структура н объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 109 наименований, содержит 143 страницы текста, включая 50 рисунков и 40 таблиц. Публикации

Основные результаты исследований опубликованы в 8 статьях, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю: профессору, кандидату технических наук Светлане Александровне Кейн за постоянный контроль и неоценимую помощь в подготовке работы.

Автор признателен ректору Ухтинского государственного технического университета профессору, доктору технических наук Николаю Денисовичу Цхадая за создание оптимальных условий для подготовки работы.

Автор благодарен кафедре бурения Ухтинского государственного технического университета и лично заведующей кафедрой, кандидату технических наук, профессору Н. М. Уляшевой, кандидату технических наук, доценту Ю. Л. Логачеву, а также доктору технических наук, профессору А. С. Повалихину за консультации и советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ теории и практики проводки наклонно направленных скважин, в том числе участка стабилизации с применением винтовых двигате-лей-отклонителей.

Среди работ, выполненных в этом направлении, следует отметить исследования ученых, таких как, Балденко Д. Ф., Балденко Ф. Д., Белоруссов В. О., Беляев В. М., Булатов А. И., Буслаев В.Ф., Вудс Г., Гержберг Ю. М., Гноевых А. Н, Гулизаде М. П., Гри-гулецкий В. Г., Калинин А. Г., Кейн С. А., Копылов А. С., Лубинский А., Лукьянов В. Т, Мелентьев Н. Я., Повалихин А. С., Прохоренко В. В., Солодкий К. М., Сулакшин С. С., Султанов Б. 3., Хегай В. К., Юнин Е. К. и других.

Авторами отмечается, что отклонение фактической траектории от проектной определяется в общем случае большим числом причин и факторов, при этом в определенных условиях первоочередное значение имеют причины геологического характера, в других — велико влияние выбранной техники и технологии. Выяснить, какова степень влияния разных факторов и учитывать их приоритет при проектировании важнейших участков траектории скважины является интересной и важной задачей.

На основе анализа промысловой информации, собранной по группе месторождений Тимано-Печорской провинции, показано, что при проводке участка стабилизации зенитного угла на его отклонение от фактической траектории наиболее существенное влияние имеют следующие факторы: твердость пород, уширение ствола, величина зенитного угла на участке стабилизации, осевой и радиальный люфт вала шпинделя забойного двигателя, отношение длин плеч нижней и верхней секций забойного двигате-ля-отклонителя, доля участка направленного бурения от общей длины участка стабили-

зации, осевая нагрузка.

Таким образом, для выявления степени влияния этих факторов на величину отклонения фактической траектории от проектных параметров участка стабилизации и прогноза геологических технико-технологических условий, при которых выполнение участка будет обеспечиваться в заданном коридоре, необходимо провести промысловые исследования, на основе которых выполнить факторный анализ.

Вторая глава посвящена разработке методического обоснования применения нейросетевой технологии для выполнения факторного анализа по проводке участка стабилизации в пределах проектных параметров.

Выявление степени влияния большого числа причин и факторов на конечный результат является задачей многофакторного анализа, который традиционно принято выполнять методами математической статистики. Методы математической статистики работают в том случае, если между функцией и аргументом установлена корреляционная или функциональная связь. Если такая связь не наблюдается, или она не установлена, то в этом случае целесообразно использовать нейросеть.

Искусственные нейронные сети являются удобным и естественным базисом для представления информационных моделей. Нейросеть может быть достаточно формально определена, как совокупность простых процессорных элементов (часто называемых нейронами), обладающих полностью локальным функционированием, и объединенных однонаправленными связями (называемыми синапсами). Сеть принимает входной сигнал, и пропускает его сквозь себя с преобразованиями в каждом процессорном элементе. В процессе прохождения сигнала по связям сети происходит его обработка, результатом которой является определенный выходной сигнал. На вход нейрона поступает некоторое множество сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синоптической силе, и все произведения суммируются, определяя уровень активации нейрона. На рисунке 1 представлена модель, реализующая эту идею.

Множество входных сигналов, обозначенных хи хг, хэ...х„, поступает на искусственный нейрон. Каждый сигнал умножается на его вес , \У2 , ..лу„ и поступает на суммирующий блок, обозначенный СУМ. Каждый вес соответствует "силе" одной синоптической связи.

Рисунок 1 Схема работы нейронной сети с активационной функцией

Суммирующий блок, соответствующий телу биологического элемента, складывает взвешенные входы алгебраически, создавая выход NET. Сигнал NET далее, как правило, преобразуется активационной функцией F и дает выходной нейронный сигнал OUT.

Активационную функцию можно считать нелинейной усилительной характеристикой искусственного нейрона. Коэффициент усиления вычисляется как отношение приращения величины OUT к вызвавшему его небольшому приращению величины NET

Нейронные сети не программируются в привычном смысле этого слова, они обучаются. Обучение заключается в нахождении коэффициентов связей между нейронами. При обучении нейронная сеть способна выявлять сложные зависимости между входными данными и выходными, а также выполнять обобщение. В случае успешного обучения сеть сможет вернуть верный результат на основании данных, которые отсутствовали в обучающей выборке, а также неполных и/или «зашумленных», частично искаженных данных.

Информационная модель процесса, реализованная нейросетью, позволяет на основе исходной информации выявить влияние входных параметров на выходные, затем по обученной сети осуществить прогноз и, таким образом, принять объективно более обоснованные технологические решения.

Таким образом, нами принято решение об использовании искусственной нейронной сети для выполнения факторного анализа для выявления степени влияния параметров на отклонение фактической траектории от проектной. Затем по обученной и протестированной нейронной сети осуществить прогноз условий проводки участка стабилизации в заданном коридоре отклонения от проекта.

В третьей главе разработаны технико-технологических рекомендации по обеспе-

чению проектной траектории наклонно-направленных скважин на участке стабилизации с применением нейросетевой технологии.

Участок стабилизации является одним из важнейших при реализации проектной траектории. Его проводка осуществляется сочетанием двух способов: работа отклоняющей компоновкой с винтовым забойным двигателем-отклонителем (ВЗДО) и вращение этой же компоновки ротором, что позволяет сократить число сттуско-подъемных операций и улучшить технико-экономические показателя бурения скважин. Доля проходки, выполненной с вращением компоновки, меняется от 60% до 80%.

Для обучения и тестирования нейросети, была собрана и подготовлена информационная база, в которую включена промысловая информация по бурению наклонно направленных скважин на месторождениях Тимано Печорской провинции: Харьягиском, Юрьяхинском, Южно-Шапкинском (Средне-Серчеюский купол), Северо-Кожвинском, Южно-Лыжском и Ошском месторождениях.

В качестве входных параметров (факторов) нейросети использовались данные инклинометрии скважин (утол, азимут, длина по стволу скважины); данные о геологическом строении разреза (твердость пород, каверзность); данные характеристик забойных двигателей-отклонителей (угол перекоса осей нижней и верхней секций отклонителя, длины верхнего и нижнего плеч ВЗДО); данные контроля за состоянием ВЗДО до спуска в скважину и по окончании рейса (радиальный и осевой люфты вала шпинделя ВЗДО), данные по рейсу ВЗДО (количество часов и метров, пробуренных направленно); показания индикатора веса. Всего использовалась информация по 13 скважинам, пробуренным на шести месторождениях (таблица 1).

Компоновки низа бурильной колонны, используемые при бурении участка стабилизации на исследуемых месторождениях, представлены на рисунке 2.

На рисунке 2 использованы следующие обозначения: 1) долото; 2) винтовой забойный двигатель-отклонитель; 3) обратный клапан; 4) опорно-центрирующий элемент; 5) безопасный переводник; 6) немагнитные утяжелённые бурильные трубы с телесистемой; 7) утяжелённые бурильные трубы; 8) ясс.

о

о. «

а

3

ю

о

5

а й 2 О.

I

и

к

I

а з

5

Радиальный люфт, мм - - - - о - гч ГО го гч о ГЧ Г 1

Осевой люфт, мм 1Л гч СО гч гч «з- ш го го тГ 1/-1

Осевая нагрузка, т 1Л ГЧ ОС о^ тГ ос Г-. г-. О ЧО О0 г-

Общая длина участка, м 1000 т 0901 о «л «л о г-гч о 1Л г- о г- ^ г» 00 о о ГО 1040 1470 о гч ОО 1030

Количество метров направленного бурения, м ш «л ГЧ ГЧ о г-- С\ го г- «л о гч гч г- гч 00 СТ\ О0 ■чг о-* ОО ГО •о ГО

Геометрические характеристики винтового забойного двигателя-отклонителя Длина верхней секции, мм 6372 3995 4620 6813 6668 6860 6980 6670 7800 7022 7000 7950 8099

Длина нижней секции, мм 2350 2514 3104 2771 2758 2060 2070 2070 2120 2090 2360 2435 2430

Угол перекоса верхней и нижней секций, град 1,39 1,01 0,81 0,85 0,84 1,50 о •л о «л^ 1,50 о 1,42 о «л о ю

Коэффициент кавернозности 1,06 1,01 1,04 1,05 »л гч гч гч 1,11 1,11 ГО го

Средневзвешенная твердость пород т-Г сч •л ОО ■Л N0 »л о о гО т" го" гч

Азимут, град 78,9 149,3 189,5 255,0 87,7 110,0 175,8 358,6 220,2 222,1 191,7 175,8 206,3

Зенитный угол, град 30,7 18,6 26,5 28,9 41,4 Г-1 27,0 25,0 44,1 31,6 30,1 24,4 29,5

\ Параметры Месторождение \ Ю-Юрьяхинское 1 Ю-Юрьяхинское 2 Ю-Юрьяхинское 3 Ю-Юрьяхинское 4 Ю-Шапкинское и о ж и 3 * о и С-Кожвинское 2 С-Кожвинское 3 Ю-Лыжское 1 Ю-Лыжское 2 Ю-Лыжское 3 Ю-Ошское 1 Ю-Ошское 2

Рисунок 2 Компоновка нижней части бурильной колонны

Технология работы с нейросетью включала следующие этапы: 1) формирование системы входных параметров, влияющих на выходные; 2) анализ степени влияния входных параметров на выходные (определение весовых значимостей), 3) разработка технико-технологических рекомендаций на основе прогноза, полученного обученной нейросетью.

На первом этапе выполнялась предварительная обработка входных параметров (факторов); формирование обучающего множества для построения нейронной сети; обучение нейронной сети с помощью программы-нейростимулятора; тестирование нейронной сети и проверка ее прогнозной способности; выявление наиболее значимых факторов.

Предварительная обработка включала следующую последовательность операций: 1) формирование обучающей последовательности (определение списка входных факторов, влияющих на выходной); 2) приведение входных параметров к безразмерному нормализованному виду (от -1 до +1); 3) преобразование параметров к бинарному виду.

Входной вектор включал восемь нормализованных величин: XI — относительная твердость пород; хг - относительное уширение ствола; хз -относительный зенитный угол на участке стабилизации; Х4 — отношение длин плеч нижней и верхней секций ВЗДО; Х5 - доля участка стабилизации, пробуренная с вращением ВЗДО ротором; Хб — относительная осевая нагрузка; Х7 и хв — относительный осевой и радиальный люфты вала шпинделя забойного двигателя.

Были определены выходные критерии нейросети.

1) Критерий У], характеризующий относительное отклонение траектории по зенитному углу, равный среднему значению отношения разницы фактического афакт и проектного апр значений зенитного утла к его проектному значению апр.

2) Критерий Уг, характеризующий относительное отклонение траектории по азимуту, равен среднему значению отношения разницы фактического 4>,/1акт и проектного <рпр значений азимута к его проектному значению <рпр.

С помощью «обученной» и протестированной нейронной сети, формирующей правильные прогнозы, были определены весовые значимости входных факторов, которые представлены на диаграммах рисунков 3 и 4.

Был выполнен прогноз входных параметров, обеспечивающих выполнение проектной траектории, так, чтобы отклонение по зенитному углу не превышало ±0,2°, а по азимуту ±1,5°, то есть абсолютную ошибку показаний телесистемы.

^ ¿г ^

^ у .

> ч> V» Л"

Ж

»а> ей1

у ^

0е

Рисунок 3 Диаграммы значимости входных параметров для критерия «относительное отклонение по зенитному углу» 1

0.83

0.6

0.4

0.2

^ У У*

-V ■»

Л? ^

<<• > о ^

о4 о^

Рисунок 4 Диаграммы значимости входных параметров для критерия «относительное отклонение по азимуту»

Прогнозная модель построена на последовательности значений входного вектора, включающей все возможные сочетания его значений, равного 28, где 8 — число входных параметров. Это позволило найти входной вектор, при котором будут обеспечены требуемые значения отклонений (таблица 2).

После анализа мы принимаем к проектированию вектор, удовлетворяющий одновременно двум заданным критериям: У(У1;Уг).

Таблица 2 — Прогнозные значения входных параметров

Параметр XI Х2 Хз Х4 Х5 Х6 Х7 Х8

У1 = 0,0022 0,36 0,118 0,316 0,332 0,284 0,558 0,662 0,68

У 2 = 0,0042 0,354 0,142 0,438 0,396 0,18 0,65 0,346 0,116

Входной вектор {Х!=1-к} составлен с учетом весовых значимостей входных параметров. Таким образом, входной вектор должен иметь следующий вид (в безразмерных относительных значениях) Хрек = {Хз; Х1; Х4; Х2; Х7; Хб; Хв; Х5}, то есть, для выполнения двух выходных критериев одновременно, в первую очередь необходимо обеспечить зенитный угол на участке стабилизации, вторым по значимости фактором является твердость пород, третьим - осевой люфт вала шпинделя ВЗДО.

Совершив обратное преобразование к абсолютным значениям, получили следующие рекомендации, выполнение которых обеспечивает проводку траектории в коридоре значений по зенитному углу ±0,2°, по азимуту ±1,5°:

1. зенитный угол на участке стабилизации должен составлять не менее 39°, что обеспечивает не только стабилизацию зенитного угла, но и стабилизацию азимутального искривления;

2. участок стабилизации рекомендуется планировать к бурению в породах категории 4^5 (классификация твердости горных пород по Л. А. Шрейнеру);

3. кавернозность пород должна быть не более 1,14;

4. осевой люфт вала шпинделя не должен превышать 4^5 мм, радиальный люфт (в большей степени приводит к азимутальному искривлению) не должен превышать 1 мм;

5. отношение длины нижнего плеча двигателя-отклонителя к длине верхнего должно составлять =0,33,

6. количество метров, пройденных отклонителем с вращением ротором, должно составлять 70-5-80% от общей длины участка.

Четвертая глава посвящена исследованию и оптимизации параметров компоновок нижней части бурильной колонны для обеспечения проектной траектории.

Решение задачи проводки траектории скважины невозможно без поиска оптимальных размеров элементов компоновки нижней части бурильной колонны. Критерием оптимизации геометрических размеров отклоняющей компоновки является равенство нулю отклоняющей силы на долоте и равенство нулю угла между осью долота и осью скважины. В этом случае КНБК вписывается в скважину с радиусом искривления R и фрезерование забоя происходит в направлении оси скважины.

Использована математическая модель, разработанная во ВНИИБТ, по которой упруго-напряженная КНБК описывается дифференциальным уравнением изгибающих моментов четвертого порядка. Расчетная схема реализована A.C. Повалихиным в программном продукте «Буровая навигация», который был использован для исследования и поиска оптимальных параметров компоновки.

В состав компоновок, как правило, включены винтовые забойные двигатели-отклонители, калибраторы, немагнитные трубы с телесистемой, безопасный переводник. Характеристики компоновок нижней части бурильной колонны, для которых проводились исследования, приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Характеристики компоновок нижней части бурильной колонны

Величина Значение

КНБК №1 КНБК №2 КНБК №3 КНБК №4 КНБК №5 КНБК №6

Диаметр долота, мм 139,7 139,7 215,9 215,9 269,9 295,3

Диаметр ВЗДО, мм 106 127 172 195 240 240

Длина первой секции ВЗДО, м 1,8 1,8 2,6 1,9 2,9 2,9

Длина второй секции ВЗДО, м 3,6 3,6 5,3 6,7 5,8 5,8

Жесткость на изгиб, кН*м2 656,6 1372 3920 8271,2 15366,4 15366,4

Диаметр УБТ, мм 108 108 178 178 203 219

Выполнены исследования зависимости радиуса искривления от величины зенитного угла, величины угла перекоса осей двигателя-отклонителя, отношения длины нижнего плеча к длине верхнего; отношения диаметра двигателя к диаметру долота и места установки верхнего опорно-центрирующего устройства. Результаты расчетов приведены на графиках рисунков 5 — 8.

300

10 15 20 25 30 35 40

Зенитный угол, град

Отношение длины нижней секции к длине верхней

0,25 -«»0,33 -л .0,4

Рисунок 5 Зависимость радиуса искривления от величины зенитного угла (долото 295,3 мм, двигатель 240 мм) На рисунке 5 приведены зависимости радиуса искривления от величины зенитного

угла для разных отношений длины нижней секции к длине верхней секции забойного

двигателя-отклонителя диаметром 240 мм, долото 295,3 мм.

Анализ пределов изменения радиуса искривления, представленный в таблице 4,

позволяет сделать заключение, что при отношении длин секции, равном 0,33 и 0,4

работа КНБК происходит устойчиво, радиус искривления изменяется на 13 и 15 %.

Таблица 4 - Пределы изменения радиуса искривления для разных отношений длины нижнего плеча к длине верхнего

Диаметры двигателя и долота Отношение длины нижней секции к длине верхней секции двигателя-отклонителя Наибольший радиус искривления Наименьший радиус искривления Отношение наибольшего радиуса к наименьшему

Долото - 295,3 мм Двигатель - 240 мм 0,25 1527 1150 1,33

0,33 523 463 1,13

0,4 437 375 1,15

Исследования влияния отношения длин секций для разных компоновок представлены на рисунке 6, а анализ пределов изменения радиуса искривления приведен таблице 5.

Отношение длины нижней к длине верхней секции двигателей

Рисунок 6 Зависимость радиуса искривления от отношения длины нижней секции к длине верхней секции двигателя-отклонителя

Таблица 5 - Пределы изменения радиуса искривления в зависимости от отношения

длины нижней секции к длине верхней секции двигателя-отклонителя

Диаметры двигателя и долота Наибольший радиус искривления, м (отношение длин секций) Наименьший радиус искривления, м (отношение длин секций) Отношение наибольшего радиуса к наименьшему Относительная разность диаметров, %

Долото - 139,7 мм Двигатель - 106 мм 206 (0,3) 192 (0,5) 1,13 17

Долото - 139,7 мм Двигатель —127 мм 112(0,5) 99 (0,3) 1,07 9

Долото - 215,9 мм Двигатель -172 мм 263 (0,38) 190 (0,49) 1,38 20

Долото -215,9 мм Двигатель — 195 мм 158 (0.28) 131 (0,5) 1,21 10

Долото - 269,9 мм Двигатель - 240 мм 193 (0,3) 184 (0,38) 1,05 11

Долото - 295,3 мм Двигатель - 240 мм 370 (0,38) 205 (0,3) 1,80 19

Сравнение данных показывает, что важным параметром, влияющим на работу

компоновки, является зазор между диаметрами долота и двигателя. Так, при относительном зазоре 9 - 11% радиус искривления меняется на 5 — 7%, при большем зазоре изменение радиуса искривления может достигать 80% (долото 295,3 мм, двигатель 240 мм).

Угол перекоса осей между силовой и шпиндельной секциями двигателя является главным инструментом по изменению радиуса искривления скважины. На рисунке 7 и в таблице 6 приведены зависимости радиуса искривления от угла перекоса для разных сочетаний между диаметрами долота и забойного двигателя.

Рисунок 7 Зависимость радиуса искривления от угла перекоса осей между шпиндельной и силовой секциями забойного двигателя

Анализ результатов, представленный в таблице 6 показывает, что при изменении угла перекоса осей между шпиндельной и двигательной секциями двигателя-отклонителя от 1,0° до 1,4° темп прироста радиуса искривления скважины составляет 200-300%; при изменении от 1,4° до 3,0° - 10-20%. Увеличение разности между диаметрами долота и двигателя, увеличивает темп прироста радиуса.

Таблица 6 — Изменение радиуса искривления в зависимости от угла перекоса осей двига-теля-отклонителя

Угол Радиус Увеличение Угол Радиус Увеличение

перекоса, искривления, радиуса при перекоса. искривления, радиуса при

град. м увеличении угла перекоса на 0,1° град. м увеличении угла перекоса на 0,1°

Долото - 215,9 мм, ВЗДО - 172 мм Долото-215,9 мм, ВЗДО- 195 мм

1 630 139 1 289 38

1,2 353 53 1,2 213 20

1,4 248 18 1,4 174 17

1,6 212 18 1,6 140 15

1,8 178 16 1,8 111 10

2 146 2 92

Долото - 295,3 мм, ВЗДО - 240 мм Долото - 269,9 мм, ВЗДО - 240 мм

1,2 685 146 1,2 279 33

1.4 392 59 1,4 213 19

1,6 274 32 1,6 175 15

1.8 211 20 1,8 146 10

2 171 16 2 126 И

2,3 138 13 2,3 104 12,5

2,6 112 11 2,6 89 8

3 90 3 72

Результаты исследования зависимости радиуса искривления от места установки опорно-центрирующего устройства приведены на рисунке 8, анализ полученных данных

в таблице 7.

600 -

3400

200

—295/240 ~ 269-240 -А- 215/195

139/127 13М06

100

й 9 32 1.5

Расстояние до верхнего опоршьцкнтркрукяцаге устройства, м

18

Рисунок 8 Зависимость радиуса искривления от расстояния до верхнего опорно-центрирующего устройства

Можно отметить, что для компоновки с долотом 215,9 мм и двигателем 195 мм место установки мало влияет на величину радиуса искривления, также достаточно устойчиво происходит работа КНБК №№ 1, 2, 5.

Таблица 7 — Пределы изменения радиуса искривления при изменении места установки верхнего опорно-центрирующеш устройства

Диаметры двигателя и долота Наибольший радиус искривления Наименьший радиус искривления Отношение наибольшего радиуса к наименьшему Относительная разность диаметров, %

Долото — 139,7 мм Двигатель - 106 мм 195 175 1,11 17

Долото - 139,7 мм Двигатель -127 мм 102 92 1,11 9

Долото — 215,9 мм Двигатель —172 мм 217 185 1,17 20

Долото -215,9 мм Двигатель - 195 мм 157 151 1,04 10

Долото — 269,9 мм Двигатель - 240 мм 226 192 1,18 11

Долото — 295,3 мм Двигатель - 240 мм 500 358 1,40 19

Основные выводы и рекомендации

1. Промысловая информация, собранная по 13 скважинам 6 месторождений Тимано-Печорской провинции (Харьягиском, Юрьяхинском, Южно-Шапкинском (Средне-Серчеюский купол), Северо-Кожвинском, Южно-Лыжском и Ошском), позволила выделить наиболее существенные параметры, влияющие на отклонение фактической траектории от проектной - это твердость горных пород; уширение ствола скважины; величина зенитного угла; осевая нагрузка; угол перекоса осей нижней и верхней секций двигателя-отклонителя; осевой и радиальный люфты вала шпинделя; длина нижней и верхней секций двигателя-отклонителя; доля и время бурения участка стабилизации с вращением компоновки ротором, и использовать их для факторного анализа при работе с нейросетью.

2. Факторный анализ, выполненный с использованием нейросетевой технологии, позволил выявить степень влияния на отклонение фактической траектории от проектной на участке стабилизации по зенитному углу следующих параметров: весовая значимость твердости пород - 1,0; осевого люфта вала шпинделя винтового забойного двигателя-

отклонителя — 0,95; величины зенитного угла скважины — 0,90, а также степень влияния на отклонение фактической траектории от проектной по азимуту: весовая значимость величины зенитного угла — 1,0; осевой нагрузки на долото — 0,87; уширение ствола-0,83.

3. Использование «обученной» и протестированной нейросети для прогноза по выполнению двух выходных критериев одновременно, позволило рекомендовать условия для проводки участка стабилизации в заданном коридоре значений: по зенитному углу ±0,2°, по азимуту ±1,5°.

4. Поиск оптимальных размеров элементов компоновки нижней части бурильной колонны, выполненный по методике ВНИИБТ, позволил сделать выявить следующее: при зазоре между диаметрами долота и двигателя не более 10-11% и отношении длины нижней секции к длине верхней секции не менее 0,33 изменение радиуса искривления скважины в зависимости от величины зенитного угла и места установки верхнего опорно-центрирующего устройства происходит не более чем на 15-20%, что позволяет более корректно проектировать профиль скважины и обеспечивать его выполнение при проводке.

5. Определены области изменения утла перекоса между силовой и шпиндельной секциями двигателя, позволяющие активно менять радиус искривления скважины или стабилизировать его: при изменении угла перекоса от 1,0° до 1,4° темп прироста радиуса искривления составляет 200-300%; при изменении от 1,4° до 3,0° - 10-20%. Увеличение разности между диаметрами долота и двигателя, увеличивает темп прироста радиуса.

Основные положения диссертации опубликованы:

В журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Кейн, С. А. Выполнение проектной траектории на участке стабилизации за счёт использования информационных технологий / С. А. Кейн, В. В. Трохов, Е. А. Овешников // Научно-технический журнал «Инженер-нефтяник».-2013.-№ 4,- С. 15-21.

2. Кейн, С. А Разработка технико-технологических рекомендаций по повышению качества выполненния проектной траектории наклонно направленных скважин / С. А. Кейн, В. В. Трохов, // Научно-технический журнал «Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море». — 2015. -№1.- С. 4-7.

3. Кейн, С.А. Оптимизация параметров компоновок нижней части бурильной колонны для обеспечения проектной траектории наклонно направленных скважин / С.А. Кейн, В.Ю. Близнюков, В.В. Трохов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». -2014,-№6,- С.330-342.

В других изданиях и материалах конференций:

4. Трохов, В. В. Анализ опыта работы винтовых отклонителей на Салюкинском месторождении / В. В. Трохов, С. А. Кейн // Сборник научных трудов [Текст]: материалы научно-технической конференции (17-20 апреля 2012 г., г. Ухта): в 3 ч.; ч. I; под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ. -2012. - С. 129-131.

5. Трохов, В. В. Анализ и выявление факторов, влияющих на изменение параметров компоновки низа бурильной колонны / В.В. Трохов, Д.В. Радьков // XIII Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2012»: материалы конференции (21-23 марта 2012 г., г. Ухта): в 6 ч.; ч. 5. - Ухта: УГТУ, 2013. - стр. 50-54

6. Трохов, В. В. Расчёт отклоняющих компоновок нижней части бурильной колонны для участков уширения ствола скважины / Д. В. Носов, В. В. Трохов // XIV Международная молодежная конференция «Севергеоэкотех-2013»: материалы конференции (20-22 марта 2013 г. г. Ухта): в 5 ч.; ч. 2. - Ухта: УГТУ. - 2013. - С. 49-53.

7. Трохов, В. В. Влияние геологических и технологических факторов на работу двигате-ля-отклонителя / Р. Р. Шиябеев, В. В. Трохов // XV Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2014» [Текст]: материалы конференции (26-28 марта 2014 г., г. Ухта): в 5 ч.; Ч. 5. - Ухта: УГТУ. - 2014. - С. 78-80.

8. Трохов, В. В. Влияние характеристик траектории на выбор геометрических размеров двигателя-отклонителя / С.А. Петров, В. В. Трохов // XV Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2014» [Текст]: материалы конференции (26-28 марта 2014 г., г. Ухта): в 5 ч.; Ч. 5. - Ухта: УГТУ. - 2014. - С. 49-51

Отпечатано в типографии Ухтинского государственного технического университета Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Подписано в печать 17.03.2015 г. Заявка ЛЬ 4956.