Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ ВОПРОСАМ ДОВЕДЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ДО ПРОЕКТНЫХ ГЛУБИН И ИЗУЧЕНИЮ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ ИХ В СКВАЖИНЕ 11
1.1. Обзор работ, посвященных вопросам доведения обсадных колонн до проектных глубин 11
1.2. Состояние изученности сил сопротивления при движении труб в скважине 20
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН НЕДОВЕДЕНЙЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН
ДО ПРОЕКТНЫХ ГЛУБИН 32
2.1. Анализ фактических данных бурения с целью изучения причин недоведения обсадных колонн до проектных глубин 32
2.2. Исследование условий нарушения целостности промежуточных колонн при секционном спуске 52
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ
ТРУБ В СКВАЖИНЕ 60
3.1. Промысловые исследования сил сопротивления при спуске обсадных колонн 60
3.2. Экспериментальная установка для изучения сил сопротивления и методика проведения исследований 77
3.3. Экспериментальные исследования сил сопротивления при движении труб в скважине 81
3.4. Сравнительная оценка результатов промысловых
и экспериментальных исследований сил сопротивления 120
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ДОВЕДЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ДО ПРОЕКТНЫХ ГЛУБИН 124
4.1. Разработка компоновок нижней части бурильной колонны, обеспечивающих проводку стволов высокого качества и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении скважин в осложненных условиях Азербайджана 124
4.2. Рекомендации по снижению сил сопротивления движению труб в скважине 135
4.3. Определение безопасного времени оставления обсадной колонны в скважине без движения 141
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕНИЕ I 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 173
- Обзор работ, посвященных вопросам доведения обсадных колонн до проектных глубин
- Анализ фактических данных бурения с целью изучения причин недоведения обсадных колонн до проектных глубин
- Промысловые исследования сил сопротивления при спуске обсадных колонн
- Разработка компоновок нижней части бурильной колонны, обеспечивающих проводку стволов высокого качества и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении скважин в осложненных условиях Азербайджана
Введение к работе
Рост технической оснащенности народного хозяйства требует значительного увеличения добычи нефти и газа. Решение этой задачи, помимо различных способов интенсификации добычи, должно осуществляться за счет вовлечения в разработку новых месторождений, открытие которых во многом зависит от успешного ведения разведочных буровых работ. Однако в процессе проводки скважин, в зависимости от геолого-технических условий, встречается ряд осложнений, которые в значительной степени определяют возможность решения поставленной задачи. В связи с этим установление причин осложнений и разработка мероприятий по их предупреждению и ликвидации является одним из основных резервов повышения эффективности буровых работ.
В последние годы во многих районах страны сравнительно часто стал проявляться такой вид осложнений, как недоведение обсадных колонн до проектных глубин. Данный вид осложнений проявляется в случае, когда силы сопротивления, возникающие при спуске обсадной колонны, превышают её вес. Эти силы различны по своей природе и являются следствием: сопротивлений, вызываемых жесткостью обсадных труб и криво-линейностью ствола скважины; местных сопротивлений (уступы, сужения, локальные искривления и перегибы ствола скважины и др.); сопротивлений, вызываемых действием перепада давлений в системе "скважина-пласт" при условии непосредственного контакта обсадной колонны с проницаемыми стенками ствола; - сопротивлений, вызываемых трением обсадной колонны о стенки скважины, причем последние, помимо пород, составляющих разрез, могут быть представлены глинистыми корками, образовавшимися на проницаемых поверхностях при фильтрации буровых растворов.
В каждом конкретном случае недоведение обсадной колонны до проектной глубины происходит в результате действия сопротивлений как одного вида, так и нескольких одновременно. Поэтому для предупреждения этого осложнения необходима научно обоснованная разработка средств и методов снижения всех сил, противодействующих движению обсадной колонны в стволе скважины. Актуальность этой проблемы приобретает особую важность на современном этапе ведения буровых работ, когда значительно возросли средние глубины бурения.
Цель работы. Исследование сил сопротивления и разработка мероприятий по их снижению с целью доведения обсадных колонн до проектных глубин.
Основные задачи работы. В связи с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи.
Разработка метода определения сил сопротивления при спуске обсадных колонн в условиях недостаточной информации, вычисление величины коэффициента сопротивления.
Экспериментальное исследование влияния различных факторов, действующих в скважине, на общий характер изменения силы сопротивления в условиях наиболее близких к реальным, определение соотношения между её составляющими, вычисление величины коэффициента трения.
Изыскание эффективных методов снижения сил сопротивления.
Разработка методики проектирования компоновок нижней части бурильной колонны, обеспечивающих проводку стволов высокого качества и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении с оптимальными осевыми нагрузками на долото в геологически ослож- ненных условиях.
Внедрение результатов исследования в промышленность и оценка экономической эффективности их использования.
Научная новизна. Разработан метод определения сил сопротивления при спуске обсадных колонн в условиях недостаточной информации, основанный на использовании средних значений нагрузок на талевую систему в процессе спуска колонны. Установлен характер изменения силы сопротивления от длины спускаемой в скважину обсадной колонны.
Впервые экспериментальное исследование силы сопротивления проведено в условиях больших перепадов давлений (до 15 МПа) и высоких температур (до 393К). Установлено, что с увеличением перепада давлений в системе "скважина-пласт" интенсивность возрастания силы сопротивления тем больше, чем выше температура. Показано, что соотношение механической и адгезионной составляющих в общем балансе силы сопротивления с увеличением перепада давлений и температуры изменяется.
Дана оценка влияния глин различного минералогического состава на изменение силы сопротивления.
Предложен буровой раствор на основе монтмориллонитовой глины, обработанный КССБ с КМЦ и содержащий композицию смазочных добавок ШАД, графит и сульфонол, обеспечивающий эффективное снижение силы сопротивления движению колонны труб в скважине.
Разработана методика проектирования компоновок нижней части бурильной колонны для бурения скважин в осложненных условиях. Реализация предложенной методики обеспечила успешный спуск обсадных колонн до проектных глубин без проведения дополнительных работ по подготовке стволов скважин.
Практическая ценность. Исследование фактических растягиваю-
7 щих нагрузок, действующих на талевую систему при спуске обсадных колонн, позволило разработать метод определения сил сопротивления, основанный на использовании средних значений этих нагрузок. Предложенный метод позволяет дать количественную оценку силам сопротивления при спуске обсадных колонн.
Разработаны практические рекомендации по снижению сил сопротивления движению колонны труб в скважине, основанные на использовании физико-химических методов обработки буровых растворов и применении специальных компоновок нижней части бурильной колонны.
Предложенные компоновки обеспечивают предупреждение искривления скважин, прихватов бурильного инструмента и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении с оптимальными осевыми нагрузками на долото в геологически осложненных условиях. Кроме того, применение этих компоновок в процессе бурения позволяет исключить из цикла строительства скважин период времени, необходимый на подготовку стволов.
Основные результаты работы получены в рамках проводимых исследований по проблемам: "Усовершенствование разработанных технологических и технических средств предупреждения и ликвидации осложнений и аварий при бурении глубоких скважин на основе лабораторных и промысловых исследований", № гос.регистрации 74Ш3726; "Исследование, разработка рекомендаций и оказание научно-технической помощи в области предупреждения и ликвидации прихватов и осложнений", № гос.регистрации 76062658 и "Совершенствование мероприятий по предупреждению прихватов бурильного инструмента и оказание научно-технической помощи буровым предприятиям", № гос. регистрации 80027289, координируемых МНП СССР.
Реализация работы. Основные результаты проведенных исследований внедрены при проводке скважин на площадях ПО "Азнефть" и
8 ВІЮ "Каспморнефтегазпром".
Разработано "Методическое руководство по проектированию компоновок нижней части бурильной колонны при бурении глубоких скважин в осложненных условиях Азербайджана" (РД 39-3-6І8-8І), утвержденное МНП СССР. Указанное руководство используется институтом "АзНИПЙнефть" при разработке технических проектов на строительство скважин на площадях ПО "Азнефть".
Некоторые положения диссертации вошли в "Инструкцию по технологии бурения, крепления, предупреждению аварий и осложнений при проводке скважин", утвержденную производственными объединениями "Азнефть" и "Каспморнефть".
Предложенные в работе компоновки нижней части бурильной колонны для бурения скважин в осложненных условиях демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены бронзовой медали.
Экономический эффект от внедрения основных результатов диссертационной работы составил 244,8 тыс.рублей.
Содержание работы. В первой главе дан краткий обзор исследований, посвященных вопросам проходимости обсадных колонн по стволу скважины и изучению сил сопротивления при их движении. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе выяснены причины недоведения обсадных колонн до проектных глубин. В частности, установлено, что одной из основных причин недоведения колонн является неудовлетворительное состояние стволов скважин из-за наличия в них местных сопротивлений (уступов, сужений, локальных искривлений, перегибов и др.). Устранение этих сопротивлений в настоящее время осуществляют в процессе подготовки скважин путем последовательного применения нескольких компоновок нижней части бурильной колонны (КНБК) с по-
9 степенным увеличением их жесткости (поэтапная подготовка). Однако, хотя такая подготовка скважин и создает определенные условия для доведения обсадных колонн до проектных глубин, она имеет и существенные недостатки, ограничивающие её применение, а именно: джтельна во времени, опасна в отношении прихвата бурильной колонны.
В этой связи более рациональным представляется совмещение процесса подготовки скважин с процессом бурения и применение таких компоновок нижней части бурильной колонны, которые обеспечивали бы предупреждение искривления скважин, прихватов бурильного инструмента и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении с оптимальными осевыми нагрузками на долото в сложных геологических условиях.
В третьей главе приведены результаты промысловых и экспериментальных исследований сил сопротивления при спуске обсадных колонн.
Предложена методика определения собственного веса обсадной колонны в условиях скважины при недостаточности информации. Знание этой величины позволило дать количественную оценку силам сопротивления при спуске обсадных колонн и вычислить значения коэффициента сопротивления.
Экспериментально изучено влияние различных факторов на адгезионное взаимодействие трущихся тел и на величину коэффициента трения. В результате оказалось возможным выявить общий характер изменения силы сопротивления при физико-химической обработке буровых растворов и разработать эффективные методы по снижению указанной силы.
Проведено сопоставление результатов промысловых и экспериментальных исследований сил сопротивления, показавшее их хорошую
10 сходимость.
В четвертой главе предложены компоновки нижней части бурильной колонны, обеспечивающие проводку стволов высокого качества и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении с оптимальными осевыми нагрузками на долото в осложненных условиях Азербайджана, Применение этих компоновок в процессе бурения позволяет исключить из цикла строительства скважин период времени, необходимый на подготовку стволов.
На основе проведенных исследований и результатов промышленных испытаний предложенных КНБК разработано "Методическое руководство по проектированию компоновок нижней части бурильной колонны при бурении глубоких скважин в осложненных условиях Азербайджана" (РД 39-3-6I8-8I), утвержденное МНП СССР.
Разработаны также рекомендации по снижению сил сопротивления движению труб в скважине.
Определено безопасное время оставления обсадной колонны в скважине без движения.
В целом, использование результатов исследований, приведенных в настоящей работе, позволяет обеспечить спуск обсадных колонн до проектных глубин без осложнений, что способствует повышению технико-экономических показателей буровых работ.
Обзор работ, посвященных вопросам доведения обсадных колонн до проектных глубин
Вопросам доведения обсадных колонн до проектных глубин посвящены работы А.И.Булатова и Л.Б.Измайлова [э] , М.П.Гули-заде и С.А.Оганова Г 42 1 , Е.А.Лебедева и Б.К.Челомбиева [бб, В.В.рсипова Г 47 J , В.В.Петрова Г 501 , Ю.И.Савенкова Г з] и др. Исследования, проведенные этими авторами, показали, что для доведения колонн до необходимых глубин большое значение имеет прохождение их по стволу скважины. Существенное влияние при этом оказывают жёсткость колонны и величина кольцевого зазора.
В работе Г 66J рассмотрен спуск обсадной колонны в искривленный ствол скважины. Сопротивления движению колонны количественно оценивали из условия вписываемости её нижней части в искривленный участок ствола. Следовательно, если силы сопротивления движению нижней части бурильной колонны будут равны силам сопротивления движению нижней части обсадной колонны, то проходимость последней будет очевидна, так как нижние части бурильной и обсадной колонн при изгибе в искривленных участках ствола будут создавать одинаковые прижимающие усилия на стенки скважины. Другими словами, определяющее значение в компоновке нижней части бурильной колонны имеет жесткость УБТ сопоставленная с жёсткостью спускаемых обсадных труб.
Авторами работ Г9, 36, 47, 71J также отмечается, что прохождение колонны по стволу скважины в значительной степени зависит от жёсткости обсадных труб.
Серьезные препятствия движению обсадной колонны в стволе скважины представляют собой местные сопротивления (уступы, сужения, локальные искривления и перегибы ствола и др.)і величины которых находятся в прямой зависимости от качества подготовки ствола перед спуском обсадной колонны.
Обзор отечественной и зарубежной литературы, а также изучение промысловых материалов указывает на отсутствие единого подхода к выбору техники и технологии подготовки скважин Г 9, 22, 33, 47, 50, 71 ] . В связи с этим в нефтяных районах со сходными геологическими условиями неоправданно велико разнообразие применяемых компоновок нижней части бурильной колонны. Так, на площадях Азербайджана со сходными геологическими условиями подготовку отволов осуществляют различными методами, используя при этом последовательно 2-4 компоновки.
В Ставропольском и Краснодарском краях применяют 2-3 компоновки, а на площадях объединения "Грознефть" - 5 компоновок, в то время как эти площади характеризуются аналогичными условиями проводки.
В объединении "Укрнефть" подготовку стволов также осуществляют с применением различного числа компоновок даже на одних и тех же площадях.
Анализ фактических данных бурения с целью изучения причин недоведения обсадных колонн до проектных глубин
Развитие разведочных буровых работ на геологически осложненных площадях и на больших глубинах вызывает необходимость совершенствования конструкций скважин. Однако применение многоколонных конструкций и большой выход из-под башмака предыдущих колонн не всегда дают желаемые результаты из-за недоведения обсадных колонн до проектных глубин, в результате чего остаются необсаженными определенные интервалы ствола с разнохарактерными осложнениями. Дальнейшее углубление таких скважин в большинстве случаев приводит к сложным авариям и осложнениям, борьба с которыми не всегда дает желаемые результаты и нередко заканчивается ликвидацией скважин по техническим причинам. В связи с этим установление причин недоведения обсадных колонн до проектных глубин и разработка мероприятий по их предупреждению является одним из актуальных вопросов глубокого бурения.
С целью выявления причин этого вида осложнений были рассмотрены фактические данные, основанные на результатах спуска 316 обсадных колонн в скважины, пробуренные в 1968-1980 годах на площадях объединений "Каспморнефтегазпром" и "Азнефть". При этом в 76 случаях (24,ОД обсадные колонны не были доведены до проектных глубин.
Проведенный анализ показал, что основными причинами, приводящими к недоведению обсадных колонн до проектных глубин, являются:
1) неудовлетворительное состояние ствола скважины - 39 случаев (5I,3f0);
2) перепад между гидравлическим давлением в скважине и давлением проницаемых пластов при условии непосредственного контакта обсадной колонны со стенками скважины в проницаемых зонах - 18 случаев (23,75);
3) осложнение ствола скважины при спуске обсадной колонны из-за уменьшения величины кольцевого зазора - 18 случаев (23,7 )-,
4) нарушение целостности обсадной колонны вследствие гидравлического удара - I случай (1,3$).
Ниже рассматриваются три первые причины.
I. Неудовлетворительное состояние ствола скважины (случаи недоспуска обсадных колонн до заданных глубин приведены в табл. 2.1) из-за наличия уступов, сужений, локальных искривлений и перегибов приводит к увеличению сопротивления движению обсадной колонны. Устранение указанных уступов, сужений и других должно осуществляться либо в процессе подготовки ствола перед спуском обсадной колонны, либо (что целесообразнее) в процессе бурения путем применения соответствующих компоновок нижней части бурильной колонны.
В данном параграфе рассматриваются компоновки нижней части бурильной колонны как в процессе бурения, так и при подготовке скважин с точки зрения обеспечения спуска обсадных колонн до проектных глубин 25, 41
Компоновки нижней части бурильной колонны, применявшиеся в процессе бурения, были следующими.
class3 ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ
ТРУБ В СКВАЖИНЕ class3
Промысловые исследования сил сопротивления при спуске обсадных колонн
Для количественной оценки сил, противодействующих движению обсадной колонны в стволе скважины, были использованы диаграммы спуска обсадных колонн, приведенные в 67 .
Анализу подвергались диаграммы, записанные при спуске 8 промежуточных обсадных колонн диаметром 299 мм в вертикальные скважины на площади Зыря. Записи осуществлялись с помощью прибора ИН (индикатор непрерывный), принцип действия которого аналогичен принципу действия индикатора веса ГИВ-2 и описывается в I 671 .
На рис. 3.1 представлена типичная запись спуска обсадной колонны на длину одной трубы, сделанная прибором ИН. Из нее видно, что в первый момент спуска колонна приподнимается (точка I) и производится торможение-остановка (точка 2). В течение некоторого промежутка времени, соответствующего участку 2-2 , она находится в покое (пока убирают элеватор). Затем производится оттормаживание (точка 2") для сообщения колонне движения (линия З-З1).
Во время спуска (линия 3-3 ) возможны скачки нагрузок (пики 4-4 ).
В конце спуска, когда верхний элеватор подходит к ротору производится торможение-остановка колонны (точка 5) и в течение некоторого промежутка времени, соответствующего участку 5-51, она находится в покое. Затем производится оттормаживание для посадки колонны на элеватор.
Таким образом, подробная запись натяжения, возникающего в неподвижном конце талевого каната при спуске обсадной колонны, дает возможность определить:
- нагрузку на талевую систему при приподнимании колонны (движении вверх) - QBB;
- нагрузку на талевую систему при остановке колонны после приподнимания - CL;
- нагрузку на талевую систему при спуске колонны (движении вниз) - QBH.;
- нагрузку на талевую систему при остановке колонны после спуска - Ц р.
Однако знание одних только величин QBB, Qj, цвн и Q2 недостаточно для определения сил, противодействующих движению обсадной колонны вверх и вниз по стволу. Необходимо знать еще и собственный вес обсадной колонны в условиях скважины.
Под собственным весом обсадной колонны в условиях скважины I 4 J подразумевается часть веса колонны, которая передавалась бы на талевую систему, если бы влияние силы сопротивления было исключено.
Разработка компоновок нижней части бурильной колонны, обеспечивающих проводку стволов высокого качества и доведение обсадных колонн до проектных глубин при бурении скважин в осложненных условиях Азербайджана
На основе проведенных экспериментальных исследований сил сопротивления можно сделать следующие выводы.
1. Сопротивления, возникающие при движении трубы по глинистым коркам, с увеличением перепада давлений до 15 МПа и температуры до 393 К интенсивно возрастают. Максимальных значений эти сопротивления достигают при перепаде давлений 15 МПа и температуре 393 К. При этом величина коэффициента трения также достигает наибольшего значения и равняется 0,230.
2. Применение бурового раствора на основе монтмориллони-товой глины позволяет уменьшить сопротивления движению трубы по коркам на 7-9 % по сравнению с растворами на основе гидрослюдистой и каолинитовой глин.
3. Химическая обработка бурового раствора на основе монтмориллонитов ой глины КССБ с КМЦ приводит к снижению сопротивлений движению трубы на 11-18 % по сравнению с обработками УЩР и УЩР с окзилом.
В этой связи можно заключить, что буровой раствор, приготовленный из монтмориллонитовой глины и обработанный комбинированно КССБ с КМЦ, является наиболее эффективным с точки зрения получения из этого раствора фильтрационных корок, оказывающих наименьшее сопротивление движению трубы. Поэтому рекомендуется применение указанного раствора при проводке глубоких вертикальных и наклонно-направленных скважин, где особенно необходимо получение минимальных значений сил сопротивления.
Эффективность предложенного бурового раствора кратно возрастает при введении в него комбинированной смазочной добавки СМАД-І - 2,0 %, графит - 1,0 % и сульфонол - 0,5 %, Эта добавка позволяет снизить сопротивления движению трубы по глинистым коркам на 27 % по сравнению с наиболее эффективной из применяемых в настоящее время на площадях Азербайджана добавок СМАД-І - 2,0 % и графит 1,0 %.
Таким образом, применение в лабораторных условиях бурового раствора, приготовленного из монтмориллонитовой глины и обработанного комбинированно КССБ с КМЦ, в сочетании со смазочной добавкой СМАД-І - 2,0 %, графит - 1,0 % и сульфонол - 0,5 % приводит к снижению сопротивлений движению трубы по фильтрационным коркам в общем на 54 %.
Для выяснения вопроса о возможности снижения сил сопротивления в промысловых условиях по данным экспериментальных исследований были проведены опыты с необработанным буровым раствором из скв. 55 площади Кюрсангя. Параметры раствора были следующими: плотность - 1200 кгДг; вязкость по СПВ-5 - 30 с; водоотдача за 30 мин - 20 сьг; толщина корки - 3 мм; статическое напряжение сдвига за I и 10 мин - соответственно 3 и 4 Па. Химическую обработку бурового раствора производили УЩР Ю % (1:0,2) с окзи-лом и водными растворами КССБ (25 % - ный) с КМЦ (5 % - ный), при этом водоотдача была снижена до 4 см5 за 30 мин.
Опыты проводили при перепаде давлений 15 МПа и температурах 323 и 393 К. Нормальная прижимающая нагрузка равнялась 100 Н.
Фрикционные свойства глинистых корок определяли после 5-минутного контакта их с трубой на расстоянии 0,5 мм от внутренней стенки модели пласта.
