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.
|
|
2.3 Бурение скважин на месторождениях в условиях аномально низких пластовых давлений и поглощения бурового раствора При вскрытии продуктивных пластов с АНПД и условиях минимальной репрессии о системе «скважина-пласт», в качестве промывочного агента используются аэрированные жидкости, пены, инертные газы и другие. Применение газа в качестве промывочной жидкости. При бурении в поглощающих горизонтах, зонах тектонических и стратиграфических несогласий, пониженного пластового давления с применением промывочной жидкости происходит ее поглощение с разной интенсивностью. Бурение скважин с применением в качестве циркуляционного агента сжатого инертного газа вместо бурового раствора позволяет, в случае отсутствия пластовой воды, пройти эти зоны с 58 достаточной очисткой забоя от выбуренной породы и без создания репрессии на прискважинную зону пласта. При бурении таким способом увеличиваются механическая скорость и срок службы долота, меньше загрязняются горные породы и продуктивные пласты; сокращается время отбора образцов шлама; практически устраняется потеря циркуляции в пластах, не содержащих воду и нефть, при использовании газов можно осуществлять заканчивание в продуктивных газовых пластах, имеющих низкие пластовые давления, с сохранением естественных коллекторских свойств; устраняются выпучивания, размыв стенок ствола и обвалы в породах, естественная структура которых нарушается при смачивании водой. Полученные преимущества позволяют уменьшить время и стоимость бурения скважин [37]. Существует несколько видов газообразных агентов, которые применяются при бурении скважин: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, азот, природный газ, сжатый воздух, туман, пены, аэрированные жидкости. Выбор определенного вида промывочного агента зависит от множества факторов, требующих детального анализа, в том числе от устойчивости пород разреза скважины, величины притока пластового флюи- да к скважине. Однако при использовании воздуха и газа процесс бурения усложняется по следующим причинам: нет противодавления в скважине, которое обеспечило бы контроль за притоком воды, нефти и газа; отсутствует возможность контролировать устойчивость стенок ствола скважины; бурильная колонна теряет плавучесть из-за отсутствия архимедовой силы, что вызывает увеличение нагрузки на лебедку на 20-25 %; увеличивается возможность образования взрывоопасной смеси в стволе скважины (при использовании воздуха) и в зоне буровой установки (при применении газа); 59 буровую установку необходимо укомплектовать дорогим специальным оборудованием (компрессоры, дивертор) [37]. В работах [31,32] приведен пример успешного применения способа бурения с очисткой забоя воздухом в компоновке низа бурильной колонны винтового забойного двигателя фирмы «Dyna-Drill» (США). Для проводки скважины использовали долото, предназначенное для бурения с очисткой забоя воздухом, двигатель с наружным диаметром 127 мм, припой переходника с углом смещения оси на 1,5 о и специального патрубка с расточкой для циклинометра. Все эти узлы были спущены в скважину на бурильной колонне диаметром 114 мм. За 3,5 часа было пробурено 6,4 м, израсходован при этом 67 м 3 газа при дарении 1,7 МПа. За второй рейс с новым долотом (оказались заклинены шарошки первого долота) было пройдено еще 10 м. Итого в процессе бурения с применением забойного двигателя было пробурено 16,4 м. Этот пример доказывает возможность использования винтового двигателя в КНБК с применением в качестве энергоносителя газовой смеси. При использовании ВЗД с продувкой воздухом, хотя конструктивно они были изготовлены для бурения с промывкой жидкостью, возникали проблемы, связанные с различием свойств этих циркуляционных агрегатов. Поскольку газ является сжимаемой системой, то давление его при движении в циркуляционной системе (и в частности в затрубном пространстве) изменяется), в связи с чем изменяется и скорость восходящего потока. Для обеспечения выносной способности, равновеликой выносной способности несжимаемой среды (бурового раствора), требуются более высокие расходы газа, которые превосходят рекомендуемые расходы ли жидкости для ВЗД, что зачастую вызывает их преждевременный износ (выход из строя). Было отмечено, что для работы этих двигателей требуемый расход газа, необходимый для эффективной очистки ствола скважины, в 2-3 раза больше, чем рекомендуемый расход по жидкости (техническая вода). 60 Трение поверхности ротора и статора при этом вызывают резкое увеличение выделяемого тепла внутри двигателя и снижают срок его службы [31]. Практика [31,32] показала, что стандартные двигатели, в которых использовался газ вместо бурового раствора, имеют ограниченный срок службы статора и ускоренный износ подшипников. Межремонтный период ВЗД обычно составляет менее 50 ч, механические скорости бурения вдвое ниже, чем при бурении роторным способом. Более того, при использовании воздуха стандартные двигатели после спуска на забой имели тенденцию не запускаться. Для увеличения срока межремонтного периода работы винтового забойного двигателя с продувкой газом требуется снижение подаваемого расхода. Данный вопрос может быть решен за счет конструктивного изменения самого двигателя, а именно [31]: некоторая часть газа может быть выведена из бурильной колонны в зарубное пространство через перепускной клапан, установленный непосредственно над двигателем, т.e. минуя двигатель, тем самым повысится его работоспособность. Однако при этом ухудшается очистка забоя от выбуренной породы. в двигателях с пустотелым ротором некоторая часть газа может быть выведена внутрь вала двигателя через центральное калиброванное отверстие (насадку), минуя рабочие органы, и далее через долото на забой и в затрубное пространство. Благодаря этому снижается расход газа через рабочие органы ВЗД, улучшается охлаждение, вследствие чего увеличивается его срок службы, И при этом весь расход газа поступает на забой, осуществляя его очистку. В случае применения стандартного ВЗД вышеуказанные проблем выявили экономическую нецелесообразность бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин с продувкой воздухом. 61 С учетом этого при выпуске ВЗД для бурения с продувкой газом необходимо соблюдать следующие требования: оптимальный срок службы двигателя должен составлять как минимум 50 ч., позволяющий пробурить требуемый интервал набора кривизны за один рейс; двигатели и элементы, их составляющие, должны быть стандартных типоразмеров; двигатель должен быть работоспособным при бурении с продувкой инертным газом в сухих разрезах скважины; компоновка двигателя (с фиксированным и регулируемыми углами перекоса и соединительных переводниках) должна обладать способностью к подбору темпа приращения кривизны порядка 10/30 м и должна иметь гибкость, для обеспечения кривизны скважин с большим и средним радиусом искривления; экономически оправданная механическая скорость бурения с продувкой газом должна быть порядка 9 - 18 м/ч. Бурение скважин с применением аэрированных жидкостей. В отечественной нефтегазовой промышленности практически все способы, а именно бурение скважин с использованием турбобуров, электробуров, ВЗД и роторным способом, были апробированы с промывкой аэрированными растворами. Данные технологии применялись для решения проблем при определенных геолого-технических условиях месторождений независимо от способа бурения с целью [20]: сокращения затрат времени и материально технических средств на прохождение интервалов зон поглощений; улучшения показателей работы долот: увеличения их стойкости, проходок на долото, механической скорости бурения и, как следствие, увеличения рейсовой скорости бурения; улучшения условий работы забойных двигателей; повышения качества вскрытия продуктивных пластов; 62 повышения качества и снижения затрат при строительстве скважин и др. Выполнение указанных задач обеспечивало существенное улучшение технико-экономических показателей проводки скважин, снижение стоимости одного метра проходки и увеличение добываемого дебита углеводородов. Технология бурения с использованием аэрированных жидкостей широко апробирована и внедрена на многих месторождениях Башкирии, Татарии, Волгоградской, Саратовской, Пермской областей и других нефтегазовых регионов страны. Наибольший объем внедрения приходится на Башкирию и Волгоградскую область. В Башкирии этот метод внедрялся в сочетании с электробурением, бурением турбобурами и ВЗД, а в Волгоградской области - с турбобурами и роторным способом [32,33]. Авторы [31,32] привели пример успешной проводки первой горизонтальной скважины с использованием электробура на Новоузыбашевском нефтяном месторождении, где выбор способа бурения, типа забойного двигателя и промывочной жидкости производился с учетом специфики проводки горизонтальных скважин на данном месторождении. Применение пенных систем в качестве промывочной жидкости [33- 41]. Пены обладают рядом преимуществ перед газообразными и аэрированными системами, а именно: повышенной устойчивостью, возможностью регулирования плотности широком диапазоне, высокой выносной способностью за счет флотационного эффекта, повышенной вязкостью, низкой фильтрационной способностью, способностью временно блокировать пористую прискважинную зону пласта/ 63 Использование пены в качестве промывочного агента при вскрытии продуктивного пласта позволяет: осуществлять бурение и вскрытие пластов при коэффициентах аномальности пластового давления; снизить дифференциальное давление на разбуриваемые породы, что увеличить механическую скорость бурения; сократить время освоения скважин и вывод на оптимальный режим эксплуатации с проектируемыми дебитами. Недостатком при использовании пен является необходимость гашения образующейся пены. В различных отраслях промышленности существует значительное число способов и устройств для разрушения пены, но поиск новых эффективных методов и разработка устройств пеноразрушения до сих пор является актуальной задачей. Излишнее пенообразование может сильно осложнить процесс приготовления раствора, закачки его в скважину, а также неблагоприятно влиять на техническое оборудование. Авторами [32] сообщается, что применение технологий бурения на скважинах Новоузыбашевского месторождения, технико-экономические показатели проколки скважин, в которых продуктивный пласт вскрывался с помощью пены, в несколько раз выше по сравнению со скважинами, пробуренными с промывкой водой, обработанной ПАВ. Так, расход долот уменьшился в 4 раза; проходка возросла и 3-4 раза; механическая скорость возросла в 1,5-2,0 раза, максимально сохранив при этом коллекторские свойства продуктивного пласта. При сравнении полученных дебитов скважин, пробуренных с применением технологии с использованием пены и стандартной технологии, оказалось, что дебит на скважине на пене составил в среднем в 3-3,5 раза больше, чем на традиционной скважине. Опыт использования пен на Дулисьминском месторождении показал следующие преимущества [37]: низкие скорости восходящего потока в затрубном пространстве и стабилизирующее воздействие пены на водовосприимчивые формации 64 позволяют углублять ствол в неустойчивых породах без размывания стенок ствола и образования каверн; исключается потеря циркуляции рабочего агента в зоне низкого пластового давления; увеличиваются механическая скорость и проходка на долото по сравнению с использованием буровых растворов; по анализу пены, выходящей из выкидной линии, можно судить о наличии нефтегазоносных пластов и пластов, содержащих соленую воду; устраняется возможность неожиданного газопроявления, так как пена поглощает газ; резко сокращаются затраты на специальное оборудование Однако использование пены имеет недостатки: низкая механическая скорость в сланцах, особенно, в липких глинах; необходимость большого количества компрессоров при наличии притоков нефти и воды свыше 3 л/мин для сохранения устойчивости пены; при газопоступлениях свыше 8-12 м /мин использование пен исключается [37]. Как показывает современная практика, благоприятными условиями ятя использования пен следует считать горные породы (например, кавернозные и трещиноватые рифовые отложения с низкими пластовыми давлениями), в которых имеются притоки воды и нефти, не превышающие 3 л/мин. Их применение наиболее экономически эффективно при углублении ствола большого диаметра [37]. Однако отсутствие необходимого специального технологического оборудования (вращающегося превентора, блока разрушения пены, компрессоров высокого давления) не позволило в дальнейшем широко применять данную технологию [39-41]. Тем не менее, отечественный и зарубежный опыт позволяет определить область эффективного применения пены в районах распространения многолетнемерзлых пород. При бурении в мерзлых породах пена, если она 65 сохраняется между трубами и породой, предотвращает смятие колонны обсадных труб, так как содержит всего 2% воды. Таблица 3 – Опыт использования пены при бурении скважины в многолетнемерзлых породах. Наименование показателей Тип циркуляционного агента Пена Промывочная жидкость Объем бурения, м 11620 11600 Число скважин 21 21 Средняя механическая скорость бурения, м/ч 3,16 2,21 Интервал бурения, м 13-1040 13-1040 Удельный вес бурения без отбора керна (в общем объеме), % 95,5 95,5 Проходка на долото, м 42 35 Баланс рабочего времени (всего), ст-ч 1181 8308 Чистое бурение, % 40,92 63,43 Вспомогательные работы, % 46,0 26,16 Подготовка к бурению с пеной, % 2,4 - Простои, % 9,1 10,41 в том числе аварии, % 4,1 5,99 Авторы работы [32] приводят отечественный пример проводки скважины с использованием пены в условиях многолетнемерзлых зонах. При сравнении результатов проводки скважин с промывкой пеной или буровым раствором, видно (таблица 3), что при бурении с пеной механическая скорость возросла в 1,4-1,6 раза, и проходка на долото увеличилась и 1,2-1,6 раза. Одновременно применение пен позволило в целом повысить производительность и экономичность буровых работ за счет сокращения 66 затрат времени и материалов на борьбу с поглощениями, улучшить условия охраны недр [42]. Таким образом, рассмотренный метод бурения с использованием ГЗД и пены показывает высокую эффективность в условиях многолетнемерзлого грунта. Это позволяет рекомендовать данный метод для буровых работ при строительстве скважин на континентальной части арктических регионов Красноярского края и соседних областей. 2.3.1 Применение ВЗД при бурении в условиях АНПД и поглощения бурового раствора с промывкой пеной В последние десятилетия в России, странах СНГ и за рубежом произошли существенные изменения как в структуре сырьевой базы, так и в характере развития буровых работ и разработки месторождений, в связи с чем современные представления о технологии строительства нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин и разработке месторождений, особенно находящихся и стадии падающей добычи, требуют серьезного совершенствования. Как показал анализ литературы, в России получили широкое распространение практически все способы бурения скважин, а также имеется опыт вскрытия продуктивных нефтяных пластов с горизонтальным окончанием ствола с промывкой в основном газожидкостными системами, практический интерес представляет исследование возможности применения винтового забойного двигателя при вскрытии продуктивных пластов в АНПД промывкой пеной. Применение пен в данных условиях обеспечит: существенное сокращение времени и материально-технических средств на проходку зон поглощений бурового раствора; значительное увеличение проходки на долото и механической скорости бурения; максимально возможный дебит углеводородов без дополнительных затрат времени и средств на его освоение; 67 объективную оценку продуктивности вскрытых пластов; минимальное загрязнение недр и окружающей среды. Исследования авторов [22-42] позволяют сделать следующие выводы о режимах особенностях эксплуатации ВЗД при использовании в качестве бурового раствора пен при различных расходах и перепадах давления: Расход жидкости является одним из основных параметров режима работы двигателя. С увеличением расхода повышаются основные характеристики мощность и частота вращения пала двигателя. Присутствие твердой фазы в глинистом растворе вызывает дополнительные гидродинамические потери. Но ввод пенообразователя и вспенивание того же глинистого раствора практически снижают потери до контрольных (по технической воде) значении. Однако увеличение расхода увеличиваются и гидравлические потери и двигателе. Рабочие характеристики ВЗД при использовании пен в качестве рабочего агента приближены к рабочим характеристикам работы ВЗД с промывкой глинистым раствором. Содержание твердой фазы в промывочной жидкости ведет к естественному снижению рабочих характеристик ВЗД. Увеличение степени аэрации пены увеличивает экстремальный режим работы двигателя, соответствующий условиям наиболее эффективного разрушения горных пород. С увеличением расхода повышаются показатели эффективности работы двигателя. Применение в качестве промывочной жидкости вспененных систем, в отличии от малоглинистого бурового раствора, незначительно снижает работоспособность ВЗД, поэтому применением при вскрытии продуктивных пластов с АНПД наклонно-направленным или с горизонтальным окончанием ствола, где использование бурового раствора может привести к глубокому блокированию коллектора или вызвать поглощение, позволит вести процесс углубления с максимальным сохранением естественной проницаемости пласта-коллектора. 68 3 ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО ПРОВЕДЕННЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ Как видно из анализа литературных источников, проблематика эффективного использования забойных двигателей в исследованиях поднимается многими авторами. Активно рассматриваются такие вопросы, как: совершенствование конструкции забойных двигателей; совершенствование компоновок низа бурильных колонн с применением гидравлических забойных двигателей; бурение скважин в породном массиве с определенными геологическими характеристиками; обеспечение безотказной и эффективной работы забойных двигателей в режиме промывки различными буровыми растворами; увеличение безремонтного пробега двигателей за счет внедрения комплекса мер; совершенствование методов контроля режима работы винтового двигателя в забойных условиях; разработка автоматизированных систем управления процессом бурения. В результате анализа установлено, что не существует универсальных технических решений по обеспечению безаварийного бурения глубоких нефтяных скважин. На выбор влияет совокупность технических, технологических и геологических факторов. Техническая характеристика бурового навигационного комплекса, включающего породоразрушающий инструмент, винтовой забойный двигатель-отклонитель, телесистему и технологическую оснастку, должна соответствовать проектной технологии бурения скважины и обеспечивать точное выполнение проектного профиля при высоких технико-экономических показателях. 69 Например, нефтедобывающие компании все чаще обращаются к сложным траекториям скважин для вскрытия удаленных объектов, пересечения трещин, преодоления ступенчатых сбросов и проникновения вглубь пласта. Хотя такие скважины бурить намного сложнее, эффективность извлечения в них зачастую выше благодаря увеличению площади контакта ствола скважины с продуктивным пластом. В результате анализа существующих технологий направленного бурения установлено, что повышение точности выполнения проектного профиля ствола скважины при минимальном количестве рейсов, возможно с использованием комбинированного способа бурения двигателем- отклонителем, основанного на сочетании режима «скольжения» и режима «вращения» бурильной колонны. Данный способ позволяет в определенных пределах осуществлять управление траекторией бурения направленной скважины с возможностью реализации искривленных и прямолинейных участков её профиля. Перспективным решением при бурении в условиях соленосных отложений является использование турбинно-винтовых двигателей, сочетающих в себе достоинства турбобуров и винтовых забойных двигателей. С использованием ТВД возможно осуществлять бурение в режиме, близком к роторному, обеспечивая при этом частоту вращения долота от 90 мин -1 (с одной турбинной секцией) до 240 мин -1 (с двумя турбинными секциями). В целом, использование ТВД при строительстве скважин позволяет обеспечить: применение высокопроизводительных шарошечных долот; повышение стойкости работы шарошечных долот; увеличение осевой нагрузки; корректировку траектории ствола скважины в заданном интервале за один рейс; общее сокращение затрат времени в цикле строительства скважины. Технология бурения на пенах применима при бурении геологоразведочных скважин в условиях многолетнемёрзлых пород и зонах с аномально низким пластовым давлением. В сочетании с винтовыми 70 забойными двигателями, такая тактика бурения позволяет, наряду с увеличением механической скорости бурения, достичь снижения операционных затрат при максимальном сохранении свойств продуктивного пласта. |