Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями. Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями состоит из 76 страниц, 1 таблицы, 15 рисунков, введения, заключения, списка использованных источников
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
1.4 Применение забойных двигателей в сложных горно- геологических условиях Стратегическим направлением развития нефтяной и газовой промышленности России является повышение эффективности геологоразведочных работ, освоение новых месторождений северных и восточных регионов страны, наращивание мощностей подземных хранилищ газа, разбуривание и эксплуатация морских месторождений. Решать проблемы прироста запасов полезных углеводородов, осваивать новые залежи и повышать коэффициент извлечения газа, газоконденсата и нефти из истощенных месторождений невозможно без строительства скважин, а также сокращения простаивающего фонда. Одним из основных и сложных этапов в цикле строительства скважин является вскрытие продуктивного пласта, от качества выполнения которого зависит дебит эксплуатационных и приемистость нагнетательных скважин. Как показывает анализ литературных источников, для решения задач по максимальному сохранению коллекторских свойств пласта при первичном вскрытии, требуется дальнейшее совершенствование техники и технологии 29 бурения скважин, в том числе совершенствование технических решений по использованию ВЗД. Северные районы осадочных бассейнов Сибири являются уникальными с гидрогеологической точки зрения [18]. Здесь бессолевой тип разреза меняется на соленосный по направлению от полуострова Ямал в пределах Западной Сибири через структуры Енисей-Хатангского к Анабаро- Лаптевскому бассейну, где развиты солянокупольные структуры. Кроме того, в районе Иркутской области в пределах Непско-Ботуобинской нефтегазоносной области Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции Осинский горизонт, который является основным нефтегазопоисковым объектом территории, имеет преимущественно карбонатный состав, в подошве и кровле его, наряду с карбонатами, развитие получили соленосные и сульфатные породы. Строительство скважин в соленосных отложениях сопровождается многочисленными осложнениями, как в процессе прохождения неустойчивых глин, так и при бурении солей, а так же после их крепления обсадными колоннами. Исследование технологий строительства глубоких скважин и боковых стволов на нефтяных месторождениях с соленосными отложениями с использованием гидравлических забойных двигателей, является весьма актуальным. Извлекаемые запасы нефти на Верхнечонском месторождении оцениваются в 196 млн т, а суммарные запасы нефти на Толоканском и Юрубчено-Тохомском месторождениях составляют более 170 млн т. Однако все резервы углеводородов, сосредоточенные в Восточной Сибири, можно с уверенностью считать трудноизвлекаемыми в связи со сложным геологическим строением недр региона. Так, процесс углубки скважин на Дулисьминском месторождении Иркутской области ведется при несовместимости условий бурения. Несовместимые условия бурения являются следствием распространения экзогенной трещиноватости на глубинах до 300 м в интервале Верхоленской свиты, которая имеет очень сложное строение, обусловленное также 30 переслаиванием контрастных по проницаемости пород, и поэтому процесс бурения интервала Верхоленской свиты ведется при катастрофических поглощениях бурового раствора, что неизбежно влечет за собой колоссальные экономические затраты. Так, например, на скважине № 1106 катастрофическое поглощение бурового раствора открылось на глубине 50 м. Бороться с таким типом поглощения и на такой глубине утяжелением бурового раствора не представляется возможным, и закачивание кольматационного материала также не приносит требуемого эффекта. Вследствие этого сооружение секции кондуктора на скважинах Дулисьминского месторождения занимает до 20 дней. При этом, основная часть новых месторождений нефти и газа разрабатывается в северных широтах на вечной мерзлоте. Одним из приоритетных направлений вовлечения в эксплуатацию трудноизвлекаемых запасов нефти и восстановлении дебита старого фонда является использование горизонтальных скважин (ГС), что особенно актуально для морского шельфа. Бурение скважин - достаточно консервативная отрасль промышленности, однако бурное развитие в последние два десятилетия техники и технологии проводки ГС предопределяет главенствующую роль данного способа освоения месторождений в ближайшем будущем. Опыт проводки скважин на месторождениях в условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД) показывает, что если в качестве промы- вочного агента применяется обычный глинистый раствор, то, как правило, давление, создаваемое столбом данной жидкости, значительно превышает пластовое давление. В результате происходит закупоривание пор и каналов пористой среды продуктивного пласта глинистым наполнителем промывочной жидкости, при этом резко снижаются фильтрационно- емкостные свойства коллектора; процесс углубления скважины может осложниться частичной или полной потерей циркуляции с последующим оттеснением углеводорода от призабойной зоны пласта. 31 Одним из путей достижения поставленной цели может быть применение соответствующих промывочных жидкостей, а также режимов и схем промывки забоя, позволяющих обеспечить снижение до минимума перепада давления в системе «скважина-пласт», предотвратить глубокое проникновение фильтрата промывочной жидкости в пласт и максимально сохранить проницаемость коллектора. С другой стороны применение технологий строительства скважин с наклонно направленным и горизонтальным окончанием ствола (ГОС) позволяет повысить продуктивность скважин на месторождениях, находящихся на поздней стадии эксплуатации. Практика строительства скважин с ГОС показала, что для получения лучших результатов проводки, наиболее целесообразным является применение винтовых забойных двигателей, обеспечивающих достаточно высокий крутящий момент при относительно низкой частоте вращения долота. Эффективное применение ВЗД отмечается при строительстве скважин с ГОС, при бурении вторых стволов, при проведении буровых работ внутри обсадных колонн и насосно-компрессорных груб, при разбуривании цементных и песчаных пробок, а также при выполнении целого ряда ремонтно-восстановительных работ. Таким образом, с учетом проведенного анализа имеющихся технических решений в области бурения с ВЗД, а также горно-геологических условий Красноярского края и соседних регионов, было принято решение выполнить поиск технических решений по применению забойных двигателей при: наклонном и горизонтальном направленном бурении; бурении глубоких скважин гидравлическими забойными двигателями в условиях соленосных отложений; бурении скважин на месторождениях в условиях аномально низких пластовых давлений и поглощения бурового раствора. 32 2 НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИНТОВЫХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 2.1 Наклонное и горизонтальное бурение При разработке продуктивных пластов нефтегазовых месторождений актуальной остается проблема сооружения горизонтальных, наклонно- направленных, многозабойных скважин. Сооружение таких скважин позволяет добиться увеличения дебита, нефтеотдачи пласта, нормализации пластового давления, а также уменьшения обводненности нефти. Но даже небольшие неточности в сооружении горизонтального ствола могут привести к большим материальным затратам. Поэтому сооружение горизонтальных скважин требует особо внимания к качеству проведения процессов. Особенно важным фактором в последние годы является использование ГЗД для сооружения наклонно-направленных скважин, с помощью которых бурится большинство скважин исходя из общего объема. На практике в последние годы применяются забойные двигатели как правило диаметрами 240, 195, 172 мм. При бурении под направление и кондуктор используются двигатели диаметром 240 мм. Для сооружения эксплуатационной колонны применяют двигатели диаметром 195 мм и 172 мм [12]. 2.1.1 Наклонное бурение Наклонное бурение забойными двигателями обеспечивающий непрерывный процесс искривления ствола скважины. Подавляющее большинство наклонно-направленных скважин бурят с применением винтовых забойных двигателей. Эти двигатели имеют гораздо большую мощность, чем турбобуры, более низкую частоту вращения вала, что благоприятно сказывается при наборе кривизны. 33 Отклоняющие устройства [12-14]. Назначение отклоняющих устройств — создание на долоте отклоняющего усилия или наклона оси долота к оси скважины в целях искусственного искривления ствола скважины в заданном или произвольном направлении. Их включают в состав компоновок низа бурильных колонн (КНБК). Они отличаются своими особенностями и конструктивным выполнением. В турбинном бурении в качестве отклоняющих устройств применяют кривой переводник, турбинные отклонители типа ТО и ШО, отклонитель Р-1, отклонитель с накладкой, эксцентричный ниппель и др.; в электробуренин — в основном механизм искривления (МИ); в роторном бурении — отклоняющие клинья, шарнирные отклонители и др. Рассмотрим некоторые отклонители. Кривой переводник (рисунок 6) — это наиболее распространенный и простой в изготовлении и применении отклонитель при бурении наклонно- направленных скважин. Он представляет собой толстостенный патрубок с пересекающимися осями присоединительных резьб. Резьбу с перекосом 1-4 нарезают, в основном, на ниппеле, в отдельных случаях — на муфте. Кривой переводник в сочетании с утяжеленными бурильными трубами длиной 8-24 м крепят непосредственно к забойному двигателю. Рисунок 6 - Кривой переводник. 34 Отклонитель Р-1 (рисунок 7) выполняется в виде отрезка утяжеленной бурильной трубы, оси присоединительных резьб которой перекошены в одной плоскости и в одном направлении относительно ее оси. Рисунок 7 - Отклонитель Р-1. В составе упругих компоновок этот отклонитель имеет длину 6-8 , а жестких – 3-4 м. Угол искривления принимается равным 2-3 о Отклонитель с накладкой представляет собой сочетание кривого переводника и турбобура с накладкой. Его применяют для достижения значительных зенитных углов при помощи односекционных турбобуров. Высота накладки не должна выдаваться за габариты долота. Отклонитель с накладкой рекомендуется применять в тех случаях, когда непосредственно над кривым переводником необходимо устанавливать трубы малой жесткости (например, немагнитные или обычные бурильные трубы). Применение в этом случае отклонителей других типов снижает интенсивность искривления ствола, а в ряде случаев не позволяет увеличить зенитный угол ствола выше 20-25 о Отклоняющее устройство для секционных турбобуров представляет переводник, соединяющий валы и корпуса, верхней и нижней секции турбобура под углом 1,5-2,0°, причем валы соединяются с помощью муфты. Турбинные отклонители (ТО) (рисунок 8) конструктивно выполняются посредством соединения нижнего узла с верхним узлом через кривой переводник, а валов через специальный шарнир. 35 Рисунок 8 - Турбинный отклонитель ТО-2: 1 - турбинная секция: 2 - шарнирное соединение; 3 - шпиндельная секция. Серийно выпускаются турбинные отклонители и шпиндели- отклонители (ШО). Он представляет собой осевую опору турбобура, выполненную в виде отдельного узла, искривленного под определенным углом относительно оси турбобура. Эти отклонители имеют следующие преимущества: кривой переводник максимально приближен к долоту, что увеличивает эффективность работы отклонителя; значительно уменьшено влияние колебания осевой нагрузки на величину отклоняющей силы на долоте, что позволяет получить фактический радиус искривления, близкий к расчетному. Недостаток турбинных отклонителей - малая стойкость узла искривленного соединения валов нижнего и верхнего участков отклонителя. Эксцентричный ниппель (рисунок 9) представляет собой металли- ческую опору, приваренную к ниппелю турбобура. Металлическая опора может быть облицована резиной. Для обеспечения лучшей проходимости турбобура с эксцентричным ниппелем и долотом по стволу скважины нижний и верхний концы опоры скошены. Упругий отклонитель (рисунок 10) представляет собой специальную с резиновой рессорой накладку, являющуюся сменной деталью, легко заменяемой при износе. Металлическую накладку приваривают к ниппелю турбобура. Изменяя толщину резиновой рессоры, регулируют интенсивность 36 искривления ствола. Упругий отклонитель можно применять во всех случаях бурения наклонно направленных скважин, в том числе в породах, где возможны заклинивание и прихват бурильного инструмента и эксцентричный ниппель не может быть использован. Рисунок 9 - Ниппель забойного двигателя с накладкой: 1 — турбобур; 2 — накладка; 3 — долото. Рисунок 10 - Отклонитель упругий: 1 - забойный двигатель; 2 — отклонитель; 3 — рессора резиновая; 4 — долото. 2.1.2 Бурение горизонтальных скважин Рациональная область применения скважин с малым радиусом - это пласты с низким пластовым давлением. Бурение обычно производится с помощью установок для капитального ремонта скважин. 37 Забуривание криволинейного ствола может производится путём выре- зания окна в обсадной колонне или в интервале сплошного выреза обсадной колонны [12]. Независимо от метода вырезания обсадной колонны, на требуемой глубине устанавливается цементный мост или специальный якорь, на который, в свою очередь, закрепляется отклоняющий клин, ориентированный по необходимому азимуту. Бурильная компоновка в общем случае состоит из специального забурочного долота, центратора, шарнирного узла и гибкой бурильной колонны. Путём подбора соотношения размеров элементов КНБК достигается бурение по заданному радиусу кривизны. Способ бурения в большинстве случаев – роторный, однако применяются и способы, предусматривающие применение принудительно изгибаемого с помощью специального устройства удлинённого вала забойного двигателя взамен гибкой бурильной колонны с шарнирным сочленением секций. Путём бурения скважин с малыми радиусами кривизны не удается достигнуть значительных смещений забоя от вертикали, поэтому в основном применяются техника и технология бурения скважин со средним и большим радиусом кривизны. Как показывают теоретические расчеты и практика бурения, для проводки скважин со средним радиусом кривизны до определённых пределов можно использовать отклонители традиционного типа, но укороченные. Например, при замене турбинной секции отклонителя ТО-172 винтовым двигателем такого же диаметра радиус искривления R теоретически может быть уменьшен до 180 м, однако для достижения R=90 м потребовалось бы уменьшение общей длины отклонения до 4 м. Очевидно, что при этом резко снизятся энергетические характеристики отклонителя. Отсюда следует, что для получения радиусов искривления, относящихся к средним, требуется применение других типов отклонителей. В последние годы разработаны специальные отклонители на базе винтовых забойных двигателей для бурения долотами диаметром 120,6 – 215,9 мм с искривлением по среднему и малому радиусам [12-14]. 38 Кроме того, перспективными для бурения со средними радиусами искривления являются шарнирные отклонители. При бурении ими может быть достигнута интенсивность искривления до 10°/10 м [12,13,16]. Основной объем бурения приходится на участки с большим радиусом искривления (интенсивность изменения зенитного угла не более 2°/10м). Для набора зенитного угла и коррекции направления скважины используется в этом случае ориентируемые и неориентируемые КНБК. В практике бурения у нас и за рубежом применяется большое число различных ориентируемых и неориентируемых КНБК для бурения участков скважины с большим радиусом искривления. Разнообразны и конструкции элементов КНБК [12,15]. Наиболее важными группами устройств и КНБК для бурения участков профиля с большим радиусом кривизны являются ориентируемые КНБК на базе кривого переводника с постоянным углом перекоса и неориентируемые забойные компоновки различных конструкций. Ориентируемые КНБК обычно содержат кривой переводник (с постоянным или переменным углом перекоса) или эксцентричный элемент. Имеются конструкции самоориентирующихся отклонителей. Неориентируемые компоновки могут содержать определенном образом установленные на забойном двигателе или утяжеленных буровых трубах опорно-центрирующие элементы различного диаметра, шарнирные узлы, а также сочетание шарнира с опорно-центрирующими элементами. Ориентируемые КНБК на базе кривого переводника с постоянным углом перекоса общеизвестны [12]. Наиболее простой в изготовлении компоновкой является кривой переводник в сочетании с утяжеленными буровыми трубами и коротким турбобуром. Недостатками этой КНБК является возникновение больших упругих деформаций турбобура и снижение его энергетических параметров, непостоянство интенсивности искривления при изменении зенитного угла а и даже полное прекращение набора угла при определенных его величинах [14]. Кроме того, указанная 39 компоновка не обеспечивает и постоянства интенсивности изменения азимута при заданном угле установки отклонения. Большая длина нижнего плеча компоновки становится причиной его повышенной чувствительности к изменениям вращающегося момента на долоте. Перечисленные недостатки КНБК с кривым переводником послужили причиной поиска конструкции отклонителей на базе забойных двигателей более устойчивыми показателями искривления скважины. В результате были созданы турбинные отклонители и механизмы искривления для элек- тробуров, в которых место перекоса осей отклоняющей компоновки приб- лижено к долоту [15]. С увеличением объёма наклонного бурения все более широкое применение на практике находят неориентируемые забойные компоновки, с помощью которых реализуется интервалы набора, стабилизации и уменьшения зенитного угла проектного профиля наклонных скважин. Использование в компоновке низа бурильной колонны неориентируемых отклонителей (калибратор, центратор, стабилизатор и др.) наряду с повышением качества проводки и удешевлением стоимости бурения наклонной скважины позволяет сократить длину искривленного участка ствола реализуемыми ориентируемыми компоновками и максимально уменьшить количество рейсов с ним и, следовательно, затраты на бурение. Надёжное управление искривлением наклонных скважин с использованием неориентируемых КНБК является одним из основных и решающих вопросов в проблеме качественной проводки наклонных скважин. Регулировать характеристику неориентируемой КНБК можно двумя способами: за счёт изменения места установки опорно-центрирующих эле- ментов при неизменном диаметре или путём изменения диаметра при пос- тоянном месте установки. При бурении с забойными двигателями это сопряжено с рядом сложностей. Существующие соотношения диаметров долот и забойных двигателей таковы, что передвижные центраторы |