Силы сопротивления движению труб в скважине. Бурение горизонтальных и горизонтальнонаправленных скважин
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
БУРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН В последнее время все больше нефтяных компаний занимаются разработкой месторождений с трудноизвлекаемыми запасами. Месторождения находятся в труднодоступных местах, на шельфах, в заболоченных местах, под крупными реками и.д. Бурение вертикальных скважин в для этих целей не представляется возможным. Проектируются горизонтальные и наклонно-горизонтальные скважины, которые имеют значительное преимущество перед вертикальными. Но существуют и определенные сложности при проводке подобных скважин: это увеличение сопротивлений по стволу скважины, что осложняет подбор компоновок низа бурильных колонн, требует оптимизации траектории из-за высокой интенсивности набора параметров и осложненных геологических условий, связанных с неглубоким залеганием пластов, появляются проблемы с доведением необходимой нагрузки до долота из-за изгиба колонн бурильных труб, а так же сложностями при спуске обсадных колонн и эксплуатации скважины. Все эти факторы негативно сказываются на продолжительность строительства скважины и аварийность буровых работ. В последнее время начало развивается очень стремительно ГНБ в разных регионах России и зарубежья. Это районы республики Татарстан – Ашальчинское месторождение, где разрабатываются высоковязкие нефти, Республика Коми – Ярегское месторождение, Сахалин – месторождения Катангли и Уиглекуты, также промыслы Ульяновской и Самарской областей. Рассмотрим основные условия, при которых происходит бурение типичной горизонтальной скважины для анализа факторов, влияющих на качественную и быструю проводку ствола скважины. В верхних слоях земной коры пластовое и горное давление имеют небольшие значения. При проводке скважины в таких условиях наиболее вероятные осложнения, это размыв устья, грифонообразование, осыпи и обвалы стенок скважины, сужение ствола, а так же поглощение бурового раствора. П  РОФИЛЬ СКВАЖИНЫБурение рассматриваемой скважины осложнено тем, что интенсивный набор параметров происходит в интервале неустойчивых и рыхлых горных пород. Следствием этого могут быть сложности в наборе технологических параметров бурения, вероятность прихвата бурильной колонны и сложности в спуске обсадных колонн, насосно-компрессорного оборудования и в целом эксплуатации скважины. Заданная интенсивность набора зенитного угла представленной скважины составляет 3,3 гр. на 10 м. Глубина установки башмака обсадной колонны диаметром 245 мм в рассматриваемой скважине расположена в искривленном участке на глубине 166,62 м. При разбуривании оснастки обсадной колонны и последующем углублении скважины возможно смещение текучих, рыхлых и неустойчивых горных пород ниже башмака, что может повлечь потерю ствола скважины при СПО, затяжки и посадки инструмента. Помимо этого при интенсивности искривления скважины 3,3 гр/10 м появляется сложности в качественной проводке ствола скважины, т.к. снижается управляемость бурения. В данных условиях практически все время в интервале набора параметров необходимо бурить в режиме слайдирования, что непосредственно повлияет на вероятность возникновения осложнений и увеличит время бурения скважины. Компоновку низа бурильной колонны при заданной интенсивность вращать запрещено, что неблагоприятно скажется на очистке ствола скважины и его качестве, так же появиться необходимость смены компоновки низа бурильной колонны. Для снижения сил сопротивления по стволу в горизонтальных и горизонтально-направленных скважинах и устранения возможных осложнений предлагаются следующие мероприятия: Оптимизировать траекторию скважины. Рассмотреть возможность применения наклонных станков для снижения интенсивности набора технологических параметров бурения. Вывести формулу потерь нагрузки по стволу скважины для анализа факторов, влияющих на увеличение вил сопротивления. ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ СКВАЖИНЫ М  аксимальная интенсивность набора параметров не должна быть высокой, что позволить снизить силы сопротивления по стволу скважины, уменьшить вероятность осложнений и бурить весь интервал без подъемов бурильного инструмента для смены компоновки низа бурильной колонны. Возможный вариант проектирования траектории рассматриваемой скважины приведен на рисунке. Синим цветом обозначена проектная траектория, красным цветом обозначен возможный вариант изменения траектории.После изменения траектории максимальная интенсивность набора технологических параметров составила 2,6 гр./10м. Скважина имеет большой радиус кривизны, при котором возможно вращение КНБК. В интервале установки башмака кондуктора предусмотрена стабилизация траектории. Эти мероприятия оптимизации траектории позволят снизить вероятность осложнений и аварий в процессе бурения. СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ КОЛОНН ТРУБ Известно, что на искривленном участке для невесомой колонны нагрузка передается по закону: ,  где Рк - конечная нагрузка, Рн - начальная нагрузка, - коэффициент сопротивления, - угол охвата искривленного участка.В  работах, посвященных проблемам устойчивости колонн труб в скважинах, рассматривали решение только для прямолинейных и мало искривленных стволов, где справедливо уравнение Эйлера и решение задачи сводится к определению коэффициентов интегрирования в зависимости от принятия способа заделки концов рассматриваемого участка. Однако, для криволинейных участков данное уравнение упругой линии не приемлемо. Точное уравнение упругой линии:П  ри создании следящей нагрузки на прямолинейном участке ствола образуется синусоидальная кривая колонны труб, на длине одной полуволны имеется три точки касания. Потери нагрузки при этом составят:,  где  - суммарное искривление участка колонны.При рассмотрении работы колонны труб на прямолинейных участках исходим из того, что только часть колонны подвергается сжатию. Таким образом, верхняя часть рассматриваемой колонны подвергается сжатию только за счет собственного веса, а каждая последующая за счет собственного веса и нарастающего передающейся нагрузки от веса вышерасположенной колонны. Критическая нагрузка, при которой колонна теряет форму устойчивости, на каждом интервале рассчитывается по разному. В случае наклонного прямолинейного участка формула преобразуется:  Самая существенная разница в работе колонны на наклонных участках это то, что в состоянии покоя колонна на всем протяжении наклонного участка прилегает к нижней стенке. На наклонных участках суммарная нормальная составляющая от веса колонны приводит к тому, что под бурильной колонной корка проминается, а это означает, что контакт происходит не по линии, а по поверхности. В работу сил сопротивления вовлекаются межмолекулярные силы, которых не было при нулевой площади контакта, а также силы прижатия за счет несбалансированности давления. Чем больше толщина корки, тем больше поверхность контакта, следовательно, больше силы сопротивления. Кроме того, при зенитных углах свыше 40 градусов образовываются шламовые пробки. В таком случае даже в обсаженных стволах контакт происходит не по линии, а, следовательно, происходит увеличение сил сопротивления. В начальный момент создания нагрузки, при образовании синусоидальной линии колонны труб происходит разрыв связей между трубами и стенкой скважины, поверхность контакта резко сокращается, соответственно сокращаются силы сопротивления, связанные с площадью контакта. При создании нагрузки в случае применения замковых труб, по существу контакт между колонной труб и стенками скважины происходит по замковым соединениям. Дальнейшее увеличение осевых нагрузок приводит к увеличению нормальных составляющих нагрузки. Это увеличение происходит не пропорционально, так как одновременно увеличивается искривление колонны труб. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к тому, что контакты между колонной труб и стенками скважины происходят по кромкам соединений, и удельные нагрузки на контактах могут превысить критическую нагрузку разрушения стенок скважины. Образовавшийся уступ будет прогрессировать, так как приводит к увеличению зазора между колонной труб и стенками скважины, т.е. увеличивается нормальная составляющая нагрузки. Внедрение замка в стенки скважины может происходить до момента касания стенок скважины телом трубы. При продольном перемещении колонны труб на длину, не превышающую расстояние между замками, в стволе образуется желоб глубиной, не превышающей разницы радиусов труб и замков. Повторное прохождение интервала приводит к углублению образовавшегося желоба, и, следовательно, к прогрессирующему росту сил сопротивления. В вертикальном стволе нормальные нагрузки отсутствуют, отсутствуют потери нагрузки. На наклонном участке растягивающая следящая нагрузка направлена вдоль оси скважины и труб, т.е. также не приводит к образованию сил сопротивления. Силы сопротивления могут быть образованны только от распределенной на длине рассматриваемого участка нормальной составляющей веса колонны. На криволинейном участке действуют нормальные нагрузки от прижатия при передаче растягивающего усилия и от прижатия за счет собственного веса, но их направления противоположны. Таким образом, потери будут от модуля разности этих усилий. В целом для растянутого участка уравнение потерь нагрузок можно составить в виде:  где  - общая длина по вертикали растянутого участка;  - длина криволинейного участка;  - натяжение колонны в конце искривленного участка;  - угол охвата криволинейного участка;  - угол наклона прямолинейного участка.Угол охвата колонны труб на растянутом участке окажется несколько ниже, чем угол охвата оси ствола скважины за счет спрямления. Уравнение для сжатой части колонны можно записать в виде:  При анализе формул потерь нагрузок на криволинейных и прямолинейных участках, можно сделать выводы: 1. Увеличение зазора между колонной труб и стенками скважины приводит к росту искривления колонны, следовательно, к увеличению сил сопротивления и удлинению интервала создания нагрузки. 2.Увеличение веса погонного метра колонны труб в интервале набора угла позволяет сократить длину сжатой части колонны, но искривление колонны на участке набора угла растет быстрее. 3. Увеличение жесткости колонны приводит к сокращению искривления. 4. Большое значение на потери нагрузки оказывает коэффициент сопротивления. Чем больше его значение, тем выше потери в процессе проводки ствола скважины. Одна из важнейших задач в этом направлении снизить силы сопротивления. 5. Так же значительно влияет на потери нагрузки и угол охвата. Ч  ем больше участков набора технологических параметров, тем выше угол охвата. Следовательно, на этих участках появляются максимальные силы сопротивления движению колонны труб. Это может привести к изгибу бурильной колонны при создании нагрузки, что неблагоприятно скажется на качестве ствола скважины из-за образования желобов, снизятся механическая скорость бурения и повысится вероятность осложнений на этих участках. Продемонстрируем на графике распределение нагрузки по стволу скважины.Распределенная нагрузка увеличивается с увеличением зенитного угла скважины. Бурильная колонна лежит на стенке скважины, оказывая большее давление при создании нагрузки на долото. П  ри создании критической нагрузки на долото, бурильная колонна теряет форму устойчивости и ось инструмента изгибается. В этом случае распределенная нагрузка снижается и переходит в сосредоточенную. На рисунке показан изгиб колонны при создании нагрузки, превышающей критическую. В показанных точках сосредоточенная нагрузка имеет максимальное значение. В этих местах будет происходить наработка желобов. Этот фактор значительно увеличивает силы сопротивления по стволу скважины, происходит резкий скачoк потерь нагрузки.ПРИМЕНЕНИЕ НАКЛОННЫХ СТАНКОВ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНО-НАКЛОННЫХ СКВАЖИН В  целях снижения интенсивности набора технологических параметров в процессе бурения возможно применение наклонных станков. Зарезка скважины происходит под определенным углом к вертикали, что значительно упрощает траекторию скважины. Траектории рассматриваемой скважины и горизонтально-направленной скважины показаны на рисунке.Синим цветом обозначена рассматриваемая траектория, красным цветом обозначен возможный вариант изменения траектории. При проектировании горизонтально-направленной скважины произошло удлинение ствола скважины. Этот фактор компенсируется снижением времени направленного бурения скважины, т.к. снижается интенсивность набора технологических параметров. Так же снижается вероятность обвалообразования и желобообразования благодаря изменению траектории. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАСЧЕТОВ Анализ вариантов решения задачи приведен в таблице:
ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ Для снижения сил сопротивления в процессе строительства скважины возможны следующие пути решения этой проблемы. Установка центрирующих устройств в бурильную колонну; Уменьшение затрубного пространства между бурильной колонной и стенкой скважины путем применения бурильных труб увеличенного диаметра; Применение ТБТ на участках большой протяженности; Применение бурильного инструмента с 18 градусными заплечиками; Применение промывочных жидкостей, которые предупреждают образование корки и имеют, как правило, лучшие по сравнению с глинистыми растворами смазывающие свойства; Использование труб различных геометрических характеристик, что позволяет уменьшить величину сжатой части за счет использования тяжелой бурильной колонны на участке создания осевого усилия и легкой полноразмерной трубы на горизонтальном участке; Ввод в буровой раствор смазывающих добавок; Оптимизация траектории скважины путем снижения интенсивности технологических параметров бурения для возможности проводки участка скважины под секцию обсадной колонны за одно долбление без изменения КНБК; |