Разработка и исследование методов проектирования и работы неориентируемых компоновок низа бурильной колонны



страница1/4
Дата02.03.2016
Размер0.64 Mb.
ТипАвтореферат диссертации
  1   2   3   4

На правах рукописи



ГРЕЧИН ЕВГЕНИЙ ГЛЕБОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

И РАБОТЫ НЕОРИЕНТИРУЕМЫХ КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Специальность 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин


Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тюмень – 2009

Работа выполнена в научно-исследовательском и проектном институте технологий строительства скважин (НИПИ ТСС) при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)




Научный консультант – доктор технических наук, профессор

Овчинников Василий Павлович
Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор

Бастриков Сергей Николаевич

– доктор технических наук



Ишбаев Гиният Гарифуллович

– доктор физико-математических наук, профессор



Кутрунов Владимир Николаевич
Ведущая организация – Тюменское отделение Сургутского научно-

исследовательского и проектного института

нефти Открытого акционерного общества

«Сургутнефтегаз» (ТО «СургутНИПИнефть»)


Защита состоится 25 июня 2009 г. в 9.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.01 при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72 а, каб. 32.


Автореферат разослан __ _____ 2009 г.
Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Г.П. Зозуля

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы

В современных условиях финансового и экономического кризиса, падения цен на нефть ещё более актуальными стали вопросы, связанные с сокращением затрат на строительство скважин. Нефтяные и газовые месторождения Западной Сибири разрабатываются с помощью наклонных и горизонтальных скважин. Профили тех и других содержат протяжённые по длине тангенциальные участки, бурение которых осуществляется по двум технологиям. Первая, традиционная, основана на применении неориентируемых компоновок (НК). Вторая технология предусматривает бурение комбинированным способом всей скважины компоновкой, содержащей винтовой забойный двигатель-отклонитель (ВЗДО), управляемый с помощью телесистемы, обычно, зарубежного производства, например, фирм «Halliburton», «Schlumberger» и др. (стоимостью более 1 млн. долларов).

Многие буровые предприятия идут на дополнительные затраты средств и времени, связанные с эксплуатацией дорогостоящих систем и управлением ВЗДО, и применяют данную технологию при бурении всех скважин, включая простые, с трёх-четырёхинтервальным профилем, по причине отсутствия до настоящего времени надёжных неориентируемых компоновок. В современных условиях особенно важно снизить затраты на строительство скважин, в данном случае за счёт создания простых, дешевых и надёжных НК, и закрепить за ними приоритет в части бурения тангенциальных, или близких к ним, участков наклонных и любых других скважин. При бурении горизонтальных участков в пласте также имеются перспективы использования НК, включающих, например, гидравлические центраторы, или самоориентирующиеся отклонители, в сочетании с простыми средствами контроля за параметрами скважины.

Цель работы

Сокращение времени бурения и уменьшение затрат при строительстве нефтяных и газовых скважин за счёт применения простых и надёжных неориентируемых компоновок. Время бурения сокращается вследствие уменьшения числа замеров параметров траектории скважины и отсутствия необходимости ориентирования отклонителя; затраты – за счёт отказа от дорогостоящих компоновок и телесистем на участках работы НК и уменьшения износа долот и забойных двигателей вследствие улучшения условий их работы.



Основные задачи исследований

1. Обоснование расчетной схемы и аналитической модели для изучения работы неориентируемых компоновок.

2. Анализ существующих и разработка новых методов расчёта НК.

3. Обоснование дифференцированного подхода к выбору критерия оптимизации геометрических параметров компоновки.

4. Разработка системы расчётных характеристик НК (СРХ), позволяющей

дать оценку их качества на стадии проектирования, и прогнозировать ожидаемый уровень стабильности показателей работы компоновки.

5. Установление причин неудовлетворительной работы типовой стабилизирующей компоновки, традиционно применяемой на месторождениях Западной Сибири.

6. Разработка научно-обоснованных проектных решений, по всем типам

НК, представляющим интерес применительно к условиям бурения в Западной Сибири.

5. Промысловая проверка разработанных принципов создания эффективных неориентируемых компоновок и разработка рекомендаций к их промышленному внедрению.



Научная новизна диссертационной работы

– выполнено научное обоснование возможности применения детерминированной расчетной модели НК на основе использования системы показателей устойчивости (СПУ), формируемой по входным параметрам модели;

– предложена система расчётных характеристик (СРХ), формируемая по входным и выходным параметрам модели НК, позволяющая прогнозировать

качество компоновок на стадии их расчёта; на её основе предложена новая концепция проектирования компоновок низа бурильной колонны;

– применён дифференцированный подход к выбору критерия оптимизации геометрических параметров компоновок, в соответствии с которым введена классификация НК, включающая три группы: 1) НКС – стабилизирующие НК; 2) НКА – компоновки, допускающие асимметричное разрушение забоя; 3) НКФ – компоновки, критерий расчета которых допускает возможность фрезерования стенки скважины;

– метод начальных параметров применён к задаче расчёта многопролётной статически-неопределимой балки с опорами, расположенными в разных уровнях и неизвестной длиной крайнего пролёта, т.е. к расчёту НК;

– выполнен расчёт системы вал-корпус турбобура в составе неориентируемой компоновки методом конечных элементов с применением программного комплекса «ANSYS». До появления подобных вычислительных средств постановка задач такого уровня была нереальной. Расчёт НК в «ANSYS» позволил теоретически установить ряд особенностей их работы, а также включить в рассмотрение новую расчётную характеристику качества НК – сближение вала с корпусом турбобура, связанную с разной формой изгиба их осей;

– проиллюстрирован расчёт НК методом конечных разностей;

– разработан новый метод исследования НК, работающих с использованием механизма фрезерования стенки скважины – метод возможных поперечных перемещений долота;

– введено понятие о критическом диаметре калибратора;

– получило дальнейшее развитие с широким приложением ко всем типам НК понятие о показателях устойчивости КНБК, введённое впервые специалистами ВНИИБТ А.С. Повалихиным, А.С. Огановым и др.;

– статистическими методами установлена возможность существования однородных (в отношении показателей работы НК) месторождений, позволяющая их объединение в представительную выборку, что облегчает изучение работы и создание новых типов неориентируемых компоновок.



Практическая ценность и реализация

Содержание и структура работы подчинены идее её максимального

приближения к промысловой практике, которой она и была инициирована.

Предложенный новый метод проектирования компоновок позволяет на стадии проектирования оценить их качество, включая ожидаемый уровень стабильности показателей работы. На базе этого метода разработаны рекомендации по компоновкам, полнота представления которых даёт возможность выбора наиболее эффективных НК на данном месторождении с учётом технических возможностей предприятия.

Выполнен анализ промысловых данных, разработаны компьютерные программы и проведены теоретические исследования, результатом которых явились рекомендации по созданию и применению следующих видов НК.

1. Компоновка – типовая: шарошечное долото диаметром 215,9 мм, калибратор, ниппельный центратор СТК, турбобур диаметром 195 мм; может содержать переводник. Даны рекомендации по диаметрам калибратора и центратора в зависимости от расстояния между ними и долотом.

2. НК с долотами PDC, турбобуром Т1-195 и ниппельным СТК. Размеры долот: 214,3; 215,9; 220,7; 222,3 мм. Рекомендованы оптимальные сочетания диаметров калибратора и центратора и расстояний между ними и долотом.

3. Стабилизирующая компоновка с центратором, расположенным между шпинделем и нижней секцией турбобура.

4. Компоновка с долотом диаметром 295,3 мм, турбобуром диаметром 240 мм и с одним, или двумя, передвижными центраторами З-ЦДП.

5. Компоновка: долото шарошечное или PDC, турбобур диаметром 195 мм, два центратора, нижний – стандартного размера в верхней части шпинделя, верхний – плавающий, уменьшенного размера, расположен в конце средней секции.

6. Компоновки с ВЗД и передвижными центраторами.

При использовании разработанных компоновок сокращается время работы телеметрических комплексов, уменьшается износ долот, калибраторов, забойных двигателей. Рекомендации используются при бурении наклонных скважин в ОАО «Сургутнефтегаз» и буровых организациях ООО «Бургаз».



Апробация результатов исследований

Результаты исследований докладывались и обсуждались на: семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского государственного нефтегазового университета (2005 - 2008 гг.); региональной научно-практической конференции, посвященной 5-летию Института Нефти и Газа (Тюмень, 2005 г.); XIII и XIV Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Тюмень, 2004 г., 2006 г); Международной конференции, посвященной 50-летию ТюмГНГУ (Тюмень, 2006 г.); научно-технических советах ООО «Бургаз», ОАО «Сургутнефтегаз», ООО «Центр горизонтального бурения » (2006 - 2008 гг.).



Публикации

Результаты выполненных исследований отражены в 33 печатных работах, в том числе 2 монографиях, 2 учебных пособиях (с грифом УМО НГО), 19 статьях (из них 11 изданий, рекомендованных ВАК РФ), 6 материалах конференций, получено три патента РФ и одно авторское свидетельство.



Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 285 страницах машинописного текста, содержит 78 таблиц, 99 рисунков. Состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 172 наименований.



СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования, их научная новизна и практическая ценность.

По назначению, особенностям конструкции, критерию оптимизации приняты следующие обозначения НК: НКК – неориентируемая компоновка с калибратором, предназначенная для увеличения зенитного угла; НК-СТК – типовая стабилизирующая компоновка с полноразмерным наддолотным калибратором и ниппельным центратором; ОНКС, ДНКС – одно-двухцентраторная стабилизирующая компоновка, оптимизированная по критерию равенства нулю реакции на долоте и угла между осями долота и скважины; ОНКА, ДНКА – одно-двухцентраторная компоновка, оптимизированная по критерию равенства нулю реакции на долоте, обеспечивающая возможность асимметричного разрушения забоя; ОНКФ, ДНКФ – одно-двухцентраторная компоновка, не ограничивающая реакцию и угол на долоте, допускающая фрезерование стенок скважины. Перечисленные НК рассматривались в сочетании с долотами диаметром 215,9; 295,3 мм (шарошечные); 214,3; 215,9; 220,7; 222,3 мм (долота PDC) и забойными двигателями: турбобурами, диаметром 195, 240-мм, и винтовым забойным двигателем (ВЗД) Д-172.



В первом разделе рассмотрено состояние вопросов расчета и проектирования неориентируемых компоновок низа бурильной колонны и современные тенденции направленного бурения в Западной Сибири.

По результатам обобщения многочисленных исследований в области проектирования компоновок низа бурильной колонны для бурения наклонных и горизонтальных участков ствола скважины установлено следующее.



Кинематические модели, не могут с достаточной точностью описать искривление скважины ввиду многообразия воздействующих на этот процесс факторов, не поддающихся количественной оценке применительно к реальной скважине (А.Г. Калинин, Б.А. Никитин, К.М. Солодкий, Б.З. Султанов).

Чем меньше угол между осями долота и скважины, тем меньшее влияние оказывает осевая нагрузка на напряжённо-деформированное состояние низа бурильной колонны. По расчётам Л.Я. Сушона, П.В. Емельянова, Р.Т. Муллагалиева при отсутствии кривизны скважины у компоновки с одним центратором различия в результатах расчётов с учётом и без учёта осевой нагрузки отсутствуют. Осевую нагрузку не вводят в расчётную схему М.П. Гулизаде, О.К. Мамедбеков, С.А. Оганов, И.З. Гасанов, С.М. Джалалов и др., включают её в рассмотрение в качестве объекта исследования Е.И. Ишемгужин, Б.З. Султанов. Исследователи ВНИИБТ К.М. Солодкий, А.Ф. Федоров, А.С. Повалихин, В.В. Прохоренко и др., А.Г. Калинин (МГРИ)) также вводят осевую нагрузку в исходные уравнения.

Общепризнанный, наиболее часто применяемый критерий оптимизации

стабилизирующих НК, включает два условия: равенство нулю боковой реакции на долоте и угла между осями долота и скважины:

Rd = 0, Ugd = 0 (1)

Данный критерий был впервые предложен А.Ф. Федоровым,

К.М. Солодким, А.Г. Калининым, А.С. Повалихиным взамен критерию, содержащему только условие Rd = 0 (K. Millheim, ранние работы М.П. Гулизаде, Л.Я. Сушона, Л.Я. Кауфмана и др.). В результате, выполнению этих условий соответствуют компоновки со значительным расстоянием между долотом и первым центратором, которое может превышать суммарную длину шпинделя, долота и калибратора, особенно, при малых значениях зенитного угла. У компоновок с одним центратором существует только одно сочетание его диаметра с расстоянием от долота. Аналитическая модель требует строгого выполнения условий (1) и не даёт решений даже в тех случаях, когда величины Rd, Ugd весьма близки к нулю и соответствуют компоновкам высокого качества.

Условия (1) применены О.К. Мамедбековым, В.Н. Самедовым одновременно к долоту и калибратору. Реализовать НК в этом случае затруднительно.



Чем больше условий содержится в критерии, тем больше появляется ограничений при проектировании НК, если учитывать конструктивные особенности, такие, как размеры выпускаемых центраторов, длина шпинделя и секций ЗД и т.д. В то же время существуют расчетные характеристики, оказывающие более сильное влияние на работу НК, чем, например, наличие незначительного по величине угла между осями долота и скважины.

А.С. Повалихин и А.С. Оганов (ВНИИБТ) ввели понятие устойчивости КНБК, основанное на изучении влияния различных факторов на величину отклоняющей силы. Такими факторами являются зенитный угол, диаметры скважины, центраторов и т.д., т.е. входные параметры модели, подверженные изменению в реальной скважине. Были введены количественные оценки показателей устойчивости, и в явной форме высказана мысль о возможности учёта

реальных условий скважины расчётным путём, с помощью показателей устойчивости (А.С. Повалихин).



Экспериментальные исследования (установки кафедр бурения АзИНЕФТЕХИМ, МИНХ и ГП и др.) недостаточно информативны. Они дают мало новых сведений о работе НК, а только в той или иной степени подтверждают теоретические представления. Практически невозможно смоделировать условия скважины, поэтому трудно воспользоваться результатами эксперимента. Наиболее удобным, дешёвым, информативным является теоретический

метод исследования неориентируемых компоновок.



При одинаковых расчётных схемах возможны разные методики расчёта. Отечественные и зарубежные (особенно) исследователи часто применяют метод непосредственного интегрирования дифференциального уравнения упругой линии – оси КНБК (N.P. Callas, R.L. Callas, B.H. Walker Е.И., Г. Вудс, А. Лубинский, Е.И. Ишемгужин, Б.З. Султанов и др.). Эффективна реализация решения в безразмерной форме с использованием теории подобия (А.Ф. Федоров, К.М. Солодкий, А.Г. Калинин, А.С. Повалихин).

Общепризнан метод расчёта с использованием уравнений трёх моментов (3М), применяемый для раскрытия статической неопределимости многопролётных неразрезных балок. Особенностью задачи является разновысотность опор (центраторов). Решение впервые было опубликовано С.П. Тимошенко, предложившим ввести в уравнения поправки, учитывающие равенство углов поворота сечений балки на шарнирах (опорах), находящихся в разных уровнях. Данный метод применительно к КНБК разработан и широко используется Азербайджанской школой (АзИНЕФТЕХИМ), возглавляемой М.П. Гулизаде.

Предложено решение, основанное на отыскании минимума потенциальной энергии упругой системы (В.В. Михарев, В.Ф. Буслаев и др.). Условие равновесия, заложенное в любом методе расчёта, возможно только при минимуме потенциальной энергии, и различий в результатах расчётов быть не должно.

Наиболее важными являются вопросы проектирования компоновок, так как они представляют собой конечный результат разработки. В фундаментальной работе А.Г. Калинина, Б.А. Никитина, К.М. Солодкого, Б.З. Султанова (Справочник) есть материалы, содержащие общие принципы проектирования НК и ряд рекомендаций, но их недостаточно для непосредственного практического применения к конкретным компоновкам, и в них не учитывалась устойчивость компоновок на проектной траектории.

Недостатком НК считается невозможность изменения в течение рейса азимутального искривления скважины. Исследование наката долота привело О.К. Мамедбекова к выводу, что вращение бурильной колонны ротором может нейтрализовать это явление и уменьшить азимутальное искривление. В «ПечорНИПИнефти» разработан способ управления азимутом скважины с помощью НК, являющейся естественным отклонителем (В.Ф. Буслаев). Метод используется в объединении «Коминефть» с 1975 года.



В данной работе под новым методом проектирования, отработанным и готовым к применению, имеется в виду наличие следующих разделов:

1) расчётная схема и расчётная модель НК;

2) разработанная система расчётных характеристик (СРХ), определяющих качество НК на стадии проектирования;

3) наличие рекомендаций по геометрическим параметрам всех основных видов и типоразмеров НК (здесь, применительно к Западной Сибири), разработанных с использованием СРХ и обеспечивающих выполнение технологических задач с учётом технических возможностей реализации;

4) необходимы рекомендации по коррекции параметров НК, если они понадобятся, после опробования опытных образцов;

5) должны быть приложены программы по всем этапам расчёта на случай, если с помощью интерполяции не удаётся подобрать требуемую компоновку.

В такой постановке вопросы проектирования НК не рассматривались, даже, если собрать воедино соответствующие разделы всех имеющихся публикаций. Обычно приводятся исходные уравнения со ссылками на имеющиеся пакеты программ и отдельные примеры расчётов. На наш взгляд, в данное время важно расширить объём информации по НК, которая может быть доступна производственникам и пригодна к непосредственному применению.

В разделе также представлены результаты патентного поиска по конструкциям гидравлических центраторов и самоориентирующихся отклонителей. Достоинством данных устройств является то, что во время спуско-подъёмных операций они находятся в транспортном положении, и их опорные элементы не выходят за габариты корпуса, что улучшает проходимость компоновки в скважине. Это особенно важно при бурении пологих и горизонтальных скважин, где крайне нежелательно применение обычных центраторов.

Направленное бурение в Западной Сибири в настоящее время характеризуется широким распространением комбинированного способа бурения с использованием ВЗДО и телеметрических систем, преимущественно зарубежного производства. Отечественные системы (например, ЗИС-4) менее надежны. Специалисты ПО «Коминефть» и «Коминефтегеофизика» отмечают проблематичность применения зарубежных телесистем в связи с высокой ценой и стоимостью услуг, а также необходимостью существенного перевооружения отечественного бурового комплекса, к которому они не приспособлены. Исследованиями С.И. Грачёва установлены причины быстрого износа зарубежных телесистем с гидравлическим каналом связи, которые при бурении пологих и горизонтальных скважин являются элементом с низкой надёжностью.

При вращении ВЗДО (т.е. искривленной КНБК) сокращается срок службы

двигателя-отклонителя и долота из-за резко возрастающих динамических нагрузок на долото и радиальные опоры двигателя. А.С. Повалихин и О.К. Рогачев провели исследования процесса управления двигателем-отклонителем. При большой длине бурильной колонны её угол закручивания может достигать нескольких оборотов. Положение ВЗДО неустойчиво, угол отклонения от заданного положения может превышать 60о, образуются локальные искривления и уступы в стенке скважины, траектория скважины состоит из выпуклых и вогнутых дуг. На горизонтальном участке может произойти «выпучивание» бурильной колонны и её заклинивание. Ориентируемый отклонитель – возможный источник аварий и осложнений. Вывод авторов: телесистемы с гидравлическим каналом связи (например, «Sperry Sun») в этих условиях неэффективны из-за низкой скорости передачи информации с забоя, при бурении в пласте малой мощности нужно максимально сокращать управление

ВЗДО с поверхности с помощью бурильной колонны.

Несмотря на отмеченные недостатки, многие буровые предприятия в Западной

Сибири применяют данную технологию при бурении наклонно-направленных скважин трёх-четырёх интервального профиля. Сложившуюся ситуацию объяснил С.Н. Бастриков: снижение вложений в отечественную науку ведёт к необходимости приобретать зарубежные технические средства, технологии, материалы…единой технической политики нет, каждая компания идёт своим путём…промысловая информация, как правило, закрыта. В.И. Миракян, В.Р. Иоанесян и др. отмечают отсутствие у технологических служб буровых предприятий четкой концепции применения технических средств контроля.

В Западной Сибири пробурены тысячи наклонных скважин с применением НК. Они просты, имеют низкую стоимость, в ряде случаев могут обеспечить более высокие ТЭП за счёт сокращения времени бурения и затрат на долота и забойные двигатели. По данным С.Н. Бастрикова в некоторых УБР в 1985 г. число скважин, не попавших в круг допуска, не превысило 3 %. Но этот результат достигнут, благодаря высокой квалификации исполнителей, а не вследствие надёжной работы компоновок. Типовая стабилизирующая компоновка с полноразмерным калибратором и ниппельным центратором была создана в 70-е годы. Расчёты и рекомендации по её применению приведены в соответствующей инструкции, вышедшей в 1986 году и явившейся на многие годы руководящим документом при проектировании проводки наклонных скважин в Западной Сибири. Научными работами в области наклонного бурения руководил Л.Я. Сушон, представитель Азербайджанской школы М.П. Гулизаде. Как в инструкции, так и в его монографии, вышедшей в 1988 году, в интерпретации выполненных расчётов допущены неточности. Рекомендация по применению полноразмерных калибраторов в стабилизирующей компоновке не обоснована, так как они в расчетах не учитывались. При расположении калибратора непосредственно над долотом, как это имеет место в НК-СТК, её работа нестабильна, расчетные характеристики, определяющие качество компоновки, находятся на низком уровне.

К сожалению, в течение многих последних лет исследовательские работы

по НК в Западной Сибири, если и выполнялись, то в незначительном объёме. В итоге, компоновка НК-СТК не могла составить конкуренцию новой

технологии направленного бурения. Возможности создания надёжных неориентируемых компоновок есть, но они на сегодня не реализованы, качество НК может быть существенно повышено за счёт применения метода проектирования, позволяющего в определённой мере гарантировать стабильную работу компоновки, что и является целью данного исследования.



Каталог: common -> img -> uploaded -> files -> vak -> announcements -> techn -> 2009 -> 13-04
2009 -> Геотехнологические основы регулирования разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами
13-04 -> Материаловедческие основы прогнозирования структурной эволюции стали при импульсном термосиловом воздействии
2009 -> Повышение эффективности использования низкосортного сырья в кожевенно-меховом производстве с применением высокочастотной плазмы
2009 -> Принципы построения и методы оценки эффективности и погрешностей измерений характеристик нелинейных информационно-измерительных радиосистем ближнего действия
2009 -> Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии 05. 20. 02 электротехнологии и электрооборудование для сельского хозяйства


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница