Розвиток наукових основ буріння скерованих свердловин з мінімальними витратами енергії

Зі збільшення коефіцієнта кавернозності від 1 до 1,2 для КНБК з керованим відхильником бокове зусилля на долоті зменшується на 11-35%, що для компоновок з ОЦЕ відбивається в зміні функціонального призначення компоновок і зводиться до втрати параметрів проектного профілю свердловини.

Для забезпечення стабільної роботи неорієнтованих КНБК з вибійним двигуном в умовах ступінчастої внаслідок ерозійного руйнування та зносу по діаметру ОЦЕ стінки свердловини запропоновано його вдосконалену конструкцію.

Технологічною перевагою вдосконаленого ОЦЕ є можливість зміщення радіального зазору осі КНБК вище осі похило-прямолінійного і горизонтального стовбурів свердловини на 1-5 мм безпосередньо після того, як колону опущено на вибій. Після закінчення довбання та зняття навантаження на долоті, ОЦЕ під власною вагою робочої частини займає стійке положення, яке відповідає нульовому радіальному зазору і не перешкоджає виконанню спуско-підіймальних операцій. Це для типових центруючих пристроїв є неможливим.

Математична модель КНБК з вибійним двигуном і даним центруючим пристроєм реалізується шляхом розв'язання диференційних рівнянь. За результатами теоретичних досліджень встановлено, що використання в похило-прямолінійних і горизонтальних стовбурах свердловини ОЦЕ зі зміщенням осей КНБК вище осі виробки на r=(0,5-3.5) мм забезпечує збільшення відхиляючого зусилля на долоті від 2 до 24 кН (рис. 9).

За рахунок цього неорієнтована одноопорна КНБК може працювати як відхилювач і використовуватися при зміні зенітного чи азимутального кутів викривлення стовбура скерованої свердловини.

Рис. 9. Залежність відхиляючої сили на долоті від радіального зазору на ОЦЕ при зміні зенітного кута : 1 - ; 2 - ; 3 -

При управлінні роботою неорієн-тованих КНБК в процесі буріння ске-рованих свердловин важливе значення має відповідність її технологічних мож-ливостей реальним умовам роботи. Під час проектування конструкції КНБК за основу беруться граничні умови, які моделюють умови її стійкості в стовбу-рі свердловини. Для покращення техно-логічних можливостей КНБК не обхід-ним є наближення граничних умов її математичних моделей, які використо-вуються на етапі проектування, до умов їх роботи в свердловині.

Інструментом для цього може бути використання величини згинального моменту, визначеного в будь-якому перерізі компоновки безпосередньо в сверд-ловині. За його величиною з використанням відповідних розрахункових методів можна проводити корегування конструкції компоновки і режимів її експлуатації.

Для вимірювання і реєстрації величини згинального моменту в будь-якому перерізі КНБК було розроблено і виготовлено конструкцію спеціального пристрою. При довжині 1,1 м і зовнішньому діаметрі 0,195 м даний пристрій можна використовувати з долотами діаметрами 244,5 мм і 295,3 мм за максимального крутного (28 кН) і згинального (226 кН) моментів. Для налаштування і визначення робочих характеристик пристрою проведено його лабораторне випробування, за результатами якого побудовано тарувальну криву, розроблено методики інтерпретації результатів вимірювань і корегування конструкцій для різних КНБК.

Пристрій і методики корегування конструкцій КНБК успішно апробовані на свердловині Микитинецька №1 ТзОВ «Газінвест» на глибині буріння 274 м. Пристрій було включено до складу КНБК (долото діаметром 295,3 мм, ОБТЗ2-178 - 6 м; експериментальний пристрій; ОБТЗ2-178). В момент проведення випробування зенітний кут стовбура свердловини становив 5⁰, густина бурового розчину - 1220 кг/м³, осьове навантаження на долото - 100 кН (за індикатором ваги).

За результатами проведених випробувань величина згинального моменту становила 4645 Нм на певній віддалі від долота. Відповідно реальне значення осьового навантаження на долоті склало 89 кН (менше від встановленого на 11%), а відхиляюча сила на долоті - 305 кН (при проектній близько 600 Н). Окрім того, було доведено, що даний пристрій є надійним технічним засобом, який дозволяє корегувати конструктивні параметри КНБК, забезпечує уточнення величини осьового навантаження на долото і реакцій на ОЦЕ.

З практики буріння скерованих свердловин із застосуванням неорієнтованих КНБК відомі моменти їх заклинювання в стовбурі свердловини, що відбувається в умовах контактування діагонально протилежних частин робочої поверхні опор з верхньою і нижньою стінками гірничої виробки. При цьому мінімізується вплив розташованої вище защемленої частини компоновки на бокову і осьову сили на долоті, реакції на ОЦЕ (рис. 10).

За результатами досліджень підтверджено, що защемлення ОЦЕ в стовбурі свердловини, не залежить від осьового навантаження на долоті й діаметра опори (214 і 215,9 мм) і стає причиною суттєвої зміни відхиляючого зусилля на долоті Q (понад 30%) та збільшення реакції R - (до 15%).

Для недопущення защемлення неорієнтованих КНБК слід враховувати умови контактування ОЦЕ зі стінками свердловини і вдосконалювати їх конструктивні параметри. Перша умова реалізується в аналітичній моделі компоновки, а друга - шляхом розроблення конструкції спеціального шарнірного пересувного центратора, який обмежує защемлення ОЦЕ в свердловині.

Рис. 10. Зміна відхиляючого зусилля на долоті і реакції на ОЦЕ від осьового навантаження: 1 - враховується защемлення ОЦЕ в стовбурі свердловини; 2 - защемлення ОЦЕ в стовбурі свердловини не враховано

Конструкція даного пристрою забезпечує оперативну заміну КНБК безпосередньо на буровій без застосування спеціального обладнання, володіє високою зносостійкістю в гірських породах з різними фізико-механічними властивостями, майже не впливає на ерозійне руйнування стінки свердловини, не створює бар'єру для затримування шламу в свердловині та має багаторазове використання.

буріння скерований свердловина енергетичний

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У результаті досліджень отримано нове вирішення науково-технічної проблеми буріння скерованих свердловин на основі аналізу енерговитрат і сформовано наступні висновки.

1. За результатами аналізу наукових досліджень, практичного вітчизняного і зарубіжного досвіду встановлено основні чинники, які визначають якість буріння скерованих свердловин з врахуванням енергетичних витрат на процеси промивання свердловини, обертання бурильної колони, роботу долота під час руйнування гірської породи та роботу КНБК при управлінні траєкторією буріння.

2. Розроблено методи і проведено оцінку розподілу енергетичних витрат, пов'язаних із роботою безопорних, одно- і двоопорних конструкцій неорієнтованих КНБК в умовах прямолінійного і викривленого, гладкого та ступінчастого стовбурів свердловини. Так за рахунок фрезування ОЦЕ стінки свердловини збільшуються витрати енергії на обертання низу бурильної колони (близько 6% на кожну опору). Під час осьового переміщення неорієнтованих КНБК у твердих гірських породах витрати енергії збільшуються на 10-80%. Визначальними чинниками, які впливають на витрати енергії при роботі неорієнтованих КНБК, є сили притискання долота і опор до стінок свердловини. Доведено, що на їх величину суттєво впливає радіус викривлення бурильної колони у верхній частині КНБК, особливо при , який зумовлює зміну відхиляючої сили на долоті від 5% до 83% і реакцій на ОЦЕ від 10% до 70%. Радіус викривлення стовбура свердловини її криволінійних ділянок змінює відхиляючу силу на долоті і реакції на ОЦЕ більш ніж на 100%.

3. Розроблено методи розрахунку енерговитрат на обертання та деформацію бурильної колони і її піднімання із свердловини будь-якої кривизни. В результаті аналітичних та експериментальних досліджень встановлено залежності енерговитрат при обертанні бурильної колони і її осьовому переміщенні з врахуванням адгезійного прилипання труб до фільтраційної кірки під дією згинального моменту, обумовленого кривизною свердловини, осьовим стискаючим, розтягаючим і поперечним навантаженнями та закручуванням колони бурильних труб у різних режимах буріння.

4. Для забезпечення максимальної ефективності очищення вибою скерованої свердловини і винесення шламу на устя за мінімальних витрат енергії розроблено методику визначення оптимальної продуктивності бурового насоса. При цьому враховується контактування шламу із стінками свердловини і фільтраційної кірки та величина зенітного кута. В результаті теоретичних досліджень та промислових випробувань встановлено, що для вимивання з вибою свердловини частинок шламу розміром менше 10 мм продуктивність бурового насоса не повинна перевищувати 30 л/c, а для 10-14 мм - відповідно 8-40 л/с.

5. За результатами лабораторних експериментальних досліджень встановлено закономірності впливу на енергетичні витрати при обертанні бурильної колони її конструктивних параметрів, інтенсивності викривлення скерованої свердловини, зенітного кута, осьових і поперечних сил, вдавлювання в гірську породу елементів КНБК. За результатами промислових випробувань встановлено закономірності зміни з глибиною в часі витрат енергії процесу буріння і промивання свердловини. Визначено основні умови енергоефективного використання гідромоніторних бурових доліт, як чинника зміни механічної швидкості буріння.

6. Для зменшення енергетичних витрат на обертання і осьове переміщення КНБК запропоновано конструкції керованого відхильника, пристрою для буріння похило-скерованих свердловин та шарнірного ОЦЕ. Для вдосконалення неорієнтованих КНБК у відповідності до реальних вибійних умов їх роботи розроблено конструкцію спеціального пристрою, який дозволяє визначати величини осьової і відхиляючої сил на долоті і реакції на ОЦЕ. Всі конструкції пристроїв захищені патентами України, а останній - виготовлений, і під час дослідно-промислової перевірки показав високу ефективність.

7. За результатами виконаних досліджень розроблено керівні документи: методика розрахунку енерговитрат процесу буріння нафтових і газових свердловин роторним способом; методика проектування і вибору подачі бурового насоса у процесі буріння свердловини; інструкція на визначення енергетичних витрат при бурінні скерованих нафтогазових свердловин; технічні рекомендації та комп'ютерна програма проектування КНБК з урахуванням жолобів і каверн в свердловині; технічні рекомендації з вибору енергоефективних неорієнтованих КНБК, які пройшли дослідно-промислову перевірку та впроваджені в ПАТ «ДАТ Чорноморнафтогаз» та ТзОВ «Газінвест».

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чудик І. І. Вплив кривизни стовбура свердловини на статичні форми рівноваги неорієнтованих КНБК / І. І. Чудик, А. А. Козлов // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2006. - № 1(13). - С. 50-54.

2. One of cases of inefficient energy expenditure during well drilling operations. The international symposium - 2008 [Текст]: матеріали Міжнар. симпозіуму, (Baia Mere, Romania, 21-23 may 2008). - Baia Mere. - Р. 47.

3. Чудик І. І. Врахування каверно- і жолобоутворення при проектуванні неорієнтованих КНБК [Текст] / І. І. Чудик, А. А. Юрич, А. А. Козлов // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 2(23). - С. 45-50.

4. Чудик І. І. Розрахунок контактних зон бурильних труб зі стінками свердловини і фільтраційною кіркою [Текст] / І. І. Чудик, В. В. Буй // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2007. - № 4 (25). - С. 84-88.

5. Чудик І. І. Оптимальна подача промивальної рідини на вибій свердловини при бурінні свердловини [Текст] / І. І. Чудик, Р. Б. Бабій // Нафтогазова енергетика. - 2007. - № 3 (4). - С. 71-75.

6. Чудик І. І. Експериментальні дослідження процесу промивання свердловини [Текст] / І. І. Чудик, С. П. Мелінишин // Нафтогазова енергетика. - 2008. - № 1(6). - С. 27-30.

7. Чудик І. І. Методика розрахунку енергії деформації та обертання бурильної колони у вертикальному стовбурі свердловини [Текст] / І. І. Чудик, В. В. Гриців // Нафтогазова енергетика. - 2008. - № 2(7). -С. 60-64.

8. Енергоємність буріння свердловин і шляхи її зменшення [Текст]: матеріали другої міжнародної науково-технічної конференції молодих вчених "Проблеми енергоефективності в нафтогазовому комплексі" (Гурзуф, АР Крим, 2007). - 2007. - С. 339-342.

9. Сравнительний анализ потерь гидравлической мощности для разных типов бурильних труб [Текст]: матеріали міжнародної науково-технічної конференції “Геопетроль 2008” (Закопане, Польща, 2008). - 2008. - C. 613-617.

10. Чудик І. І. Енергоспоживання процесу обертового буріння свердловини різними способами [Текст] / І. І. Чудик, В. Р. Осадца // Нафтогазова енергетика. - 2008. - № 4(9). -C. 39-41.

11. The graph-analytic method of optimum pumpage choice by criterion ''mechanical drilling speed''. [Текст]: scientifik bulletin. Serie C, Volume XXII. Fachcicle: Mechanics, Tribology, Machine Manufacturing Technology (Baia Mere, Romania, 2008). - 2008. - Baia Mere. - P. 47.

12. Пат. України 20126, МПК E21 В19/00. Пристрій для вимірювання зусиль в колоні бурильних труб [Текст] / Івасів В. М., Василів М. В., Артим В.І., Козлов А. А., Чудик І. І., Юрич А. Р.; заявник і патентовласник Івано-Франківський нац. техн. ун-тет нафти і газу. - № 200607356; заявл. 03.07.2006; опубл. 15.01.2007. - Бюл: № 11. - 5 с.: іл.

13. Нові можливості контролю завантаженості бурильної колони при бурінні свердловини [Текст]: матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2008” (Одеса, Україна, 2008). - 2008. - Одеса. - С.18-23.

14. Чудик І. І. Нові можливості вдосконалення неорієнтованих компоновк низу бурильної колони [Текст] / І. І. Чудик, А. Р. Юрич // Породоразрушающий и металообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. Сборник научных трудов. - 2010. - Вып. 13. - C. 117-122.

15. Чудик І. І. Енерговитрати у процесі буріння свердловини долотами різних конструкцій [Текст] / І. І. Чудик, В. Р. Процюк, І. В. Підберезький // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2009. - № 4 (33). - С. 109-113.

16. Крижанівський Є. І. Розширення технологічних можливостей та оцінювання енергоефективності роботи неорієнтованих компоновок низу бурильної колони [Текст] / Є. І. Крижанівський, І. В. Воєвідко, І. І. Чудик // Породоразрушающий и металообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. Сборник научных трудов. - 2010. - Вып. 13. - С. 25-30.

17. Крижанівський Є. І. Енергетичні втрати, зумовлені силами опору осьового переміщення неорієнтованих компоновок низу бурильної колони [Текст] / Є. І. Крижанівський, І. І. Чудик, В. Р. Осадца // Нафтогазова енергетика. - 2010. - № 1(12). - C. 39-41.

18. Крижанівський Є. І. Енергетичні втрати на обертання неорієнтованих КНБК у процесі буріння свердловини. [Текст] / Є. І. Крижанівський, І. І. Чудик, О. Ю. Витязь, О. І. Дерді // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2010. - № 2 (35). - C. 36-40.

19. Чудик І. І. Розширення можливостей неорієнтованих компоновок низу бурильної колони [Текст] / І. І. Чудик, В. Р. Осадца, К.С. Дзядик // Нафтогазова енергетика. - 2010. - № 2(24). - C. 7-13.

20. Пат. України 50920, МПК E21 В109/26. Опорно-центруючий пристрій [Текст] / Крижанівський Є. І., Воєвідко І. В., Шандровський Т. Р., Чудик І. І.; заявник і патентовласник Івано-Франківський нац. техн. ун-тет нафти і газу. - № 2001053042; заявл. 04.05.2001; опубл. 15.11.2002. - Бюл: № 11. - 4 с.: іл.

21. Пат. України 50920 А, МПК7 E21 В4/02. Пристрій для похило-спрямованого буріння [Текст] / Крижанівський Є. І., Воєвідко І. В., Чудик І. І.; заявник і патентовласник Івано-Франківський нац. техн. ун-тет нафти і газу. - № 2001021348; заявл. 27.02.2007; опубл. 15.11.2002. - Бюл: № 11. - 4 с.: іл.

22. Пат. України 18147, МПК7 E21 В7/04. Керований відхильник [Текст] / Івасів В. М., Василів М. В., Козлов А. А., Олексюк М. П., Чудик І. І.; заявник і патентовласник Івано-Франківський нац. техн. ун-тет нафти і газу. - № 200607355; заявл. 03.07.2006; опубл. 16.10.2006. - Бюл: № 10. - 4 с.: іл.

23. Підвищення технологічних можливостей неорієнтованих компоновок низу бурильної колони для буріння в ускладнених умовах / І. І. Чудик, Л. Д. Пітулей, І. В. Підберезький, Ю. В. Буй, М. В. Коваль // Наукові праці Донецького національного технічного університету. - 2011. - Вып. 14(181). - С. 127-134. - Серія гірничо-геологічна.

24. Дослідження процесів обертання бурильної колони у викривленій свердловині в середовищі бурового розчину / І. І. Чудик, Т. Г. Лавинюкова, Я. С. Гриджук, В. М. Гнатківський // Породоразрушающий и металообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения. Сборник научных трудов. - 2011. - Вып. 14. - С. 102-109.

25. Чудик І. І. Удосконалення методики розрахунку сил притискання опор неорієнтованих КНБК до стінок свердловини [Текст] / І. І. Чудик // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2008. - № 3(28). - С. 35-41.

26. Чудик І. І. Про затрати гідравлічної потужності на промивання свердловини [Текст] / І. І. Чудик // Нафтогазова енергетика. - 2007. - № 4(5). - С. 54-59.

27. Чудик І. І. Порівняльний аналіз втрат гідравлічної потужності для різних типів бурильних труб [Текст] / І. І. Чудик // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2008. - № 4(29). -С. 54-57.

28. Чудик І. І. Дослідження впливу деяких техніко-технологічних чинників на холосте обертання бурильної колони [Текст] / І. І. Чудик // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2008. - № 2(18). - С. 76-80.

29. Чудик І. І. Вплив ексцентричного розташування бурильної колони у стовбурі свердловини на його промивання [Текст] / І. І. Чудик // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2008. - № 1(26). -С. 44-48.

30. Чудик І. І. До питання визначення потужності окремих видів обертання бурильної колони в стовбурі свердловини [Текст] / І. І. Чудик // Нафтогазова енергетика. - 2008. - № 3(8). - С. 15-18.

31. Чудик І. І. Математична модель розрахунку взаємодії бурильної колони із горизонтальним та викривленим стовбурами свердловини [Текст] / І. І. Чудик; Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2009. - № 1(30). - С. 32-37.

32. Чудик І. І. До втрат гідравлічної енергії під час промивання свердловини [Текст] / І. І. Чудик // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2009. - № 2(31). -С. 43-47.

33. Чудик І. І. Енергетичні витрати в процесі буріння свердловини [Текст] / І. І. Чудик // Нафтогазова енергетика. - 2007. - №2(3). - С. 5-8.

34. Чудик І. І. Дослідження величини подачі насоса для промивання скерованих свердловин [Текст] / І. І. Чудик // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. - 2010. - № 4(37). - C. 39-46.

35. Чудик І. І. Енергетичні витрати, пов'язані з використанням бурових доліт [Текст] / І. І. Чудик // Нафтогазова енергетика. - 2010. - № 2(13). - C. 5-8.

36. Чудик І. І. Метод розрахунку сил притискання бурильної колони до стінок свердловини довільної кривизни [Текст] / І. І. Чудик // Науковий вісник ІФНТУНГ. - 2010. - № 2(24). - C. 32-36.

Размещено на Allbest.ru