Аналитические исследования технологии бурения скважин с роторным. Выпускной квалификационной работы Аналитические исследования технологии бурения скважин с роторными управляемыми системами в различных горногеологических условиях
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
с , d к – диаметры скважины и корпуса РУС в месте контакта со стенкой скважины при перекосе, м; l – расстояние от забоя до точки контакта корпуса ОНД со стенкой скважины при перекосе нижней части отклонителя, м; Р р – распорное усилие, Н; γ – угол перекоса породоразрушающего инструмента, град. Рис. 15. Схема наборакривизны РУС асимметричного разрушения забоя (Point the bit) 1 – Породоразрушающий инструмент, 2 – Корпус РУС Из формулы (6) и схемы на рис. 15 следует, что интенсивность искривления скважины задается конструктивными размерами РУС и диаметром скважины, а отклоняющая сила на породоразрушающем инструменте отсутствует. [1] В результате конструкции РУС, реализующие процесс асимметричного разрушения забоя, менее нагружены и деформированы, а потому достаточно просты по конструкции и в работе достаточно надежны, а также отличаются возможностью прогнозировать интенсивность искривления и получать ее при искривлении с высокой точностью. Процесс искривления ствола скважины вследствие асимметричного разрушения забоя при отсутствии отклоняющей силы на долоте имеет следующие положительные стороны: 1.Улучшение условий работы опор и вооружения долот, повышение их стойкости и снижение темпа износа калибрующего вооружения долота в результате отсутствия действия поперечной отклоняющей силы. 2.Лучшее использование энергетических параметров забойных двигателей за счет максимальной передачи развиваемых ими мощности и врашающего момента для разрушения горных пород на забое. 3.Возможность бурения при повышенных осевых нагрузках на долото, что позволяет повысить скорость бурения. 4. В результате совокупного влияния факторов 2 и 3 имеется возможность искривления скважины с высокой скоростью бурения, так как интенсивность искривления в данном случае не зависит от скорости фрезерования и механической скорости бурения, а значит и от параметров режима бурения. Однако процесс искривления только под действием неравномерного разрушения забоя имеет такой недостаток как ограниченная интенсивность искривления ствола, что увеличивает интервал бурения и объем работ с отклоняющей КНБК. Радиус искривления ствола за счет неравномерного разрушения забоя R a без фрезерования стенки скважины при отсутствии отклоняющей силы на долоте определяется по формуле = т т , (7) где L т – длина забойного двигателя с долотом, м; m – коэффициент уширения ствола (m=D c /D, D c – диаметр скважины, м); D, d т – диаметры соответственно долота и забойного двигателя, м; f – прогиб забойного двигателя, м. [1] Из формул (6) и (7) следует, что искривление ствола скважины в результате неравномерного разрушения забоя может произойти с постоянной интенсивностью по дуге окружности радиусом R a , если параметры, входящие в эти формулы останутся без изменения. 4.2 Анализ механизма искривления основанного на фрезеровании стенки скважины На механизме искривления реализуемого за счет фрезерования стенки скважины основана роторные управляемая системы типа «Push the bit». Проведем анализ данного механизма. Интенсивность искривления, реализуемая отклонителем фрезерующего типа, может определяться следующей аналитической зависимостью: ж б ф ф 3 57 L v v , i , (8) где v ф , v б – скорости фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия и углубления забоя, м/ч; L ж – длина жесткой базы отклонителя, м. [1] На рис. 16 приведены схемы, поясняющие процесс набора кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия Р отк При этом условием идеальной реализации данного вида искривления будет равенство нулю угла перекоса оси породоразрушающего инструмента по отношению к оси скважины. Преимуществом искривления скважины вследствие фрезерования стенки ствола скважины состоит в значительном увеличении интенсивности искривления скважин, что позволяет сократить интервал бурения и объем работ с отклоняющими КНБК. В то же время, как следует из зависимости (8) процесс набора кривизны фрезерованием существенно ограничивается величиной скорости бурения. Так, например, высокая скорость бурения приведет к ограничению или даже полному устранению процесса искривления ствола скважины. Оптимальной скоростью бурения, при которой в полной мере реализуется эффективное искривление за счет фрезерования стенки скважины, является скорость 0,8–1,0 м/ч. Соотношения скоростей v ф и v б в процессе набора кривизны фрезерованием с интенсивностью 0,5; 1,0; 1,5 и 2º на 10 м проходки могут составить соответственно 0,0044; 0,0087; 0,0131 и 0,0174. Эти соотношения скоростей фрезерования и углубления забоя независимо от величин отклоняющей силы и осевой нагрузки на долото и др. факторов являются предельными. Из этих соотношений, располагая значением скорости бурения в процессе искривления скважины можно рассчитать предельное значение скорости фрезерования стенки скважины. Р R Р Р ос Рис.16 Схемы, поясняющие процесс набора кривизны фрезерованием стенки скважины под действием отклоняющего усилия Р отк 1 – породоразрушающий инструмент; 2 – корпус ОНД v р v v б 2 1 Р р Р р L ж Р в Р в Необходимо подчеркнуть, что некоторые операции при бурении скважин, например, забуривание нового ствола, исправление уже искривленного ствола и в др. случаях невозможно обойтись без фрезерования стенки скважины. 4.3 Анализ механизма искривления совмещающего перекос долота и фрезерование стенки Гибридный механизм искривления послужил основой для роторной управляемой системы гибридного типа. Проведем анализ данного механизма искривления. Для отклонителей, реализующих совместное фрезерование и асимметричное разрушение забоя при несовпадающих по направлению действия процессов, интенсивность искривления может определяться по зависимости 2 3 , 57 ) к c ж б ф ( а ф l d D L v v i (9) Рис. 17 Схемы, поясняющие процесс искривления скважины при несовпадении по направлению фрезерования стенки скважины под действием отклоняющего усилия и перекоса породоразрушающего инструмента: 1– породоразрушающий инструмент; 2 – вал ОНД v б v ф v р γ Р р Р ос Р отк Р R γ Р р 1 2 В соответствии со схемой на рис. 17 отклоняющая сила является результатом прогиба вала-ротора отклонителя, что приводит к перекосу долота на забое в сторону, противоположную направлению фрезерования стенки скважины. На рис. 17 представлена схема, поясняющая процесс искривления под действием отклоняющей силы Р отк и перекоса породоразрушающего инструмента 1. Для полного использования способности отклоняющей компоновки искривлять ствол скважины с максимально возможной интенсивностью необходимо соблюдать следующие условия: - наличие достаточной отклоняющей силы, чтобы фрезерование стенки ствола было эффективным; - долото должно обладать достаточной боковой фрезерующей способностью и не ограничивать процесс искусственного искривления скважины. Для любой отклоняющей компоновки, реализующей совместное фрезерование и асимметричное разрушение забоя искривление ствола под действием фрезерования проявляется в 4,84 раза более активно в сравнении с неравномерным разрушением забоя скважины. Другими словами для любой отклоняющей компоновки 83% от возможного приращения искривления ствола может быть достигнуто вследствие фрезерования стенки скважины и лишь 17% – вследствие неравномерного асимметричного разрушения забоя. Если в процессе бурения отклонитель будет упруго деформирован, то доля искривления ствола скважины в результате неравномерного разрушения забоя уменьшится и при определенном значении станет равной нулю, а доля искривления за счет фрезерования стенки ствола, наоборот, увеличится и достигнет 100 %. При дальнейшем повышении прогиба отклонителя будет иметь место перекос долота в обратную, от направления действия отклоняющего усилия, сторону, что приведет к снижению интенсивности набора кривизны. Отклоняющая сила Р отк , за счет деформации бурильных труб, расположенных над кривым переводником, может быть определена по формуле (10) ) ( 2 3 2 т п отк γ sin т al EJ P , (10) где EJ т - жесткость бурильных труб, размещенных над турбобуром, да Н·м 2 ; a – смещение бурильных труб при их деформации в стволе скважины, м; Δ п и γ т – углы перекоса соответственно осей резьбовых соединений кривого переходника и турбобура в скважине, град; l – длина турбобура с долотом, м. 2 б т д d d D a , (11) где D д , d т , d б – диаметры соответственно долота, турбобура и бурильных труб, м; Угол γ определяется размерами турбобура: т т д т l d D . (12) Как следует из формулы (10), для увеличения отклоняющей силы следует увеличивать жесткость бурильных труб, устанавливаемых над кривым переходником и забойным гидродвигателем, использовать кривые переводники с большими углами перекоса осей резьбовых соединений. Определенное влияние на величину отклоняющей силы оказывает длина и диаметр забойного двигателя. Для повышения отклоняющей силы или её определенного регулирования, в практике буровых работ над турбобуром с кривым переводником обычно устанавливают УБТ. \ Под действием Р отк происходит фрезерование стенки скважины, а долото, находящееся в состоянии перекоса, обеспечивает набор кривизны и за счет асимметричного разрушения забоя. [1] 5 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ОТКЛОНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРИ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ В последнее время наибольшее распространение получили две системы наклонно-направленного бурения. Это системы с управляемым двигателем и роторные управляемые системы. Стоит отметить, что системы с управляемым двигателем используются с 1960-х гг, а роторные управляемые системы появились относительно недавно, а именно в конце 1990-х гг. В данном разделе выделены основные критерии сравнения систем с управляемым двигателем и роторных управляемых систем на примере нескольких скважин. Исходя из практики бурения наклонно-направленных скважин, можно выделить следующие основные критерии выбора систем бурения: механическая скорость проходки; реализация искривления в соответствии с проектом качество ствола скважины; эффективная длина горизонтальной секции; безаварийность проходки; стоимость оборудования. На большинстве скважин, где применялись роторные управляемые системы, отмечают увеличение механической скорости бурения по сравнению с забойным двигателем. Так, например, специалисты департамента буровых работ ОАО «Верхнечонскнефтегаз» и департамента по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger приводят следующие данные для Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения: средняя механическая скорость проходки с использованием РУС на четырех скважинах составила 16 м/ч (рекорд – 21,85 м/ч), что вдвое выше, чем при использовании винтовых забойных двигателей (ВЗД). Это позволило сократить цикл бурения горизонтальных секций на три дня – до 3,62 суток. Иными словами, на бурение 100 м с использованием РУС требуется вдвое меньше времени – 0,65 суток вместо 1,39 суток . Также можно привести пример работы компании Ultra Petroleum на месторождении Марселлус. В 2010 году компания приступила к реализации ускоренной программы бурения. Компания пробурила первую (контрольную) скважину на месторождении Марселлус с использованием управляемого объемного двигателя. Следующие 10 скважин были пробурены при помощи РУС PowerDrive Archer. В некоторых из них боковой ствол зарезали долгим поворотом на азимут 90° или более для выхода на уровень целевого горизонта при одновременном наращивании угла со скоростью до 8°/30 м. Возникновение геологических неопределенностей возле точки входа в пласт иногда требовало принятия корректирующих мер, например, часто было нужно увеличить темп набора кривизны. В результате, скважины, пробуренные с применением РУС, обеспечили существенную экономию времени бурения. Кроме того, за счет качественно пробуренного ствола, все колонны заканчивания были спущены без происшествий. Гибридная РУС также позволила глубже проникнуть в целевой объект, что привело к повышению дебитов добычи более чем вдвое. [11] При оценке механической скорости бурения также следует учитывать увеличение длины горизонтальной секции, обеспечиваемое применением РУС. Так, на упомянутом месторождении Марселлус, скорость набора кривизны составила 8°/30 м, что, по данным компании Ultra Petroleum, позволило оператору увеличить скорость проходки на 80% но сравнению со скважинами, пробуренными ранее при помощи объемных двигателей. После бурения гладкого ствола на всем изогнутом участке оператор смог перейти на РУС PowerDrive Х5, которая пробурила боковой ствол длиной 1385 м на проектную глубину всего за один проход. Высокая скорость проходки изогнутого интервала в сочетании с высокой скоростью набора кривизны и гладкостью пробуренного бокового ствола позволил сократить время бурения на 10 дней. Рис.17 - График «глубина-день» для секции диаметром 152,4 мм (без времени на спуско- подъемные операции), по данным ОАО «Верхнечонскнефтегаз» для Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения Другим немаловажным показателем является качество ствола скважины. Бурение управляемым двигателем характеризуется низким качеством ствола, волнообразными неровностями и резкими изгибами, при этом они являются практически неустранимыми недостатками метода. Причиной этого является «скользящий» режим бурения. В этом режиме вращается только долото, а бурильная колонна просто следует за направляющей компоновкой. Основные сложности в этом случае вызваны недостатком вращения колонны труб. В процессе проходки бурильная колонна скользит по лежачей стенке скважины, промывочная жидкость движется вокруг нее неравномерно, что уменьшает выносящую способность раствора и способствует повышению риска прихвата колонны. Кроме того, повышается риск желобообразования и прихвата колонны. На рисунке 18 представлены изображения, полученные с помощью каверномера. Они показывают, при бурении с использованием объемного двигателя получается ствол скважины со спиралевидной канавкой (вверху на рис. 18), в то время как роторная управляемая система создает намного более гладкий ствол. Происходит это вследствие того, что в процессе бурения роторной управляемой системой колонна вращается постоянно, что способствует качественной промывке ствола а долото направленно соосно с направлением бурения скважины. Рис.18 - Сравнение качества ствола скважины, построенного по данным каверномера: сверху – забойный двигатель с кривым переводником, снизу – роторная управляемая система Что касается эффективной длины горизонтальной секции, то здесь также отмечено преимущество РУС, как в отечественном опыте бурения, так и за рубежом. Специалисты Департамента буровых работ ОАО «Верхнечонскнефтегаз» и Департамента по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger приводят следующие данные: применение РУС позволило эффективнее пробурить скважину и размещать ее в самых продуктивных зонах пласта. При этом эффективная длина горизонтальной секции увеличилась до 70 %, в то время как на скважинах, пробуренных с использованием ВЗД, этот показатель составляет всего 30%. В результате, дебиты скважин увеличились вдвое – до 200-250 т в сутки. На рисунке 3 представлена трехмерная траектория скважины, пробуренной на месторождении сланцевого газа Марселлус. В этой скважине оператор использовал РУС PowerDrive Archer для отхода забоя от вертикали, бурения трехмерной дуги с изменением азимута более чем на 100° и последующего бурения наклонного участка. Неопределенность геологической модели заставила оператора изменить место вскрытия пласта более чем на 21 м. После определения местоположения геологического маркирующего горизонта система РУС быстро увеличила угол до 16°/30 м для достижения целевого объекта, после чего оператор переключился на интенсивность набора кривизны 2° для плавной проводки скважины в пласт-коллектор. Рис. 19 - Трехмерная траектория скважин Безаварийность проходки является тем критерием, по которому сложно сделать определенные выводы. Причина аварии, в том числе с потерей инструмента, может быть не связана прямо с типом применяемого забойного оборудования. Тем не менее, исходя из условий применения забойного двигателя, можно сделать вывод о несколько большей опасности аварии. Это связано, в первую очередь, с уже упомянутым «скользящим» режимом бурения. Основной опасностью здесь является желобообразование и неравномерное движение промывочной жидкости вокруг колонны, что способствует возникновению прихвата. Стоимостной критерий является наиболее существенным препятствием широкому внедрению роторных управляемых систем. Так, если РУС будет потеряна в скважине во время бурения, стоимость замены данного оборудования может превысить $1 млн. А замена ВЗД обойдется примерно в $200 тыс. 6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ РОТОРНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗАДАЧ НА ОСНОВАНИИ ТИПА РЕАЛИЗУЕМОГО МЕХАНИЗМА ИСКРИВЛЕНИЯ Роторные управляемые системы подразделяются по типу реализуемого механизма искривления на три группы: механизм ассиметричного разрушения забоя вследствие перекоса долота, механизм фрезерования стенки и механизм совместного фрезерования и перекоса долота (гибридные). В главе 4 был проведен анализ каждого из механизмов, из проведенного анализа можно сделать вывод, что каждый из этих механизмов имеет плюсы и минусы. Более того, необходимо определить наиболее рациональную область решаемых задач для каждого из рассмотренных механизмов искривления. Исходя из полученных данных можно сделать рекомендации по выбору роторной управляемой системы для конкретно поставленной задачи. |