Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние теории и практики управления процессом углубления скважины 10
1.1. Анализ отечественного и мирового опыта совершенствования режима бурения при реализации проектных решений 10
1.2. Анализ методик оптимизации режимов бурения 13
1.2.1. Метод внедрения штампа 14
1.2.2. Методика оптимизации режима бурения на основе базовых зависимостей 15
1.2.3. Метод, основанный на математическом моделировании процесса бурения 20
1.3. Анализ методик оптимизации режимов бурения и опыта их применения при оперативном управлении бурением 30
1.4. Цели и задачи исследований 35
2. Анализ информации, получаемой станциями геолого-технологических исследований (СГТИ) 37
2.1. Модель бурения и вопросы ее информационного обеспечения 37
2.2. Оценка соответствия характеристик современных СГТИ решению задач исследования и оптимизации режимов бурения 38
2.3. Описание СГТИ, использованной при проведении исследований режима бурения 41
2.4. Определение точности данных, измеренных с помощью СГТИ 47
3. Разработка методик и программных средств создания базы данных диаграмм бурения (М-ДБ) 51
3.1. Разработка методики и программных средств расчленения разреза на пачки пород равной буримости 52
3.2. Обоснование метода "выработки забоя" для получения диаграмм бурения 58
3.3. Разработка программы формирования базы данных М0-диаграмм бурения 76
4. Разработка программного комплекса выбора оптимальных параметров режима бурения в неоднородных породах 79
4.1. Обобщенный вычислительный алгоритм и описание программы нахождения оптимальных режимов бурения 79
4.2. Тактика выбора «безрезонансных» режимов бурения 87
4.3. Работа с программой при управлении углублением скважины 90
5. Разработка оптимизированного регламента углубления скважины и оценка эффективности его применения 91
5.1. Подготовка исходных данных по технико-технологическим и геологическим условиям бурения 91
5.1.1. Обработка механического каротажа 91
5.1.2. Технико-технологические условия бурения 92
5.1.3. Технико-технологические ограничения 93
5.2. Проверка адекватности модели бурения 93
5.3. Разработка оптимизированных регламентов углубления 95
5.4. Расчет ожидаемой экономической эффективности использования предложенного оптимизированного регламента на углубление скважины 98
Основные выводы 102
Список литературы 104
Приложение 1. Примеры зависимостей G(T) и G(H), полученных при проведении экспериментов, и построенные по результатам их обработки диаграммы бурения.116
Приложение 2. Инструкция по эксплуатации программы "М-ДБ" формирования базы данных о буримости пород 127
Приложение 3. Инструкция по эксплуатации программы "Режим-2002" оптимизации режимов бурения 137
Приложение 4. Протоколы заседаний НТС 155
- Метод, основанный на математическом моделировании процесса бурения
- Обоснование метода "выработки забоя" для получения диаграмм бурения
- Обобщенный вычислительный алгоритм и описание программы нахождения оптимальных режимов бурения
- Расчет ожидаемой экономической эффективности использования предложенного оптимизированного регламента на углубление скважины
Метод, основанный на математическом моделировании процесса бурения
К этой группе следует отнести методы анализа и моделирования процесса бурения, где используется параметр 8 - проходка долота за один оборот.
Многие исследователи обращались к величине 8, если возникала необходимость более глубокого изучения процесса. Например, B.C. Федоров [84] сравнивал полученную в эксперименте среднюю величину 8 с высотой зуба долота. Л.А. Шрейнер и Гань Чжи-Цзянь [92] результаты бурения на стенде представили в виде зависимости 8(п).
Одним из первых метод анализа процесса с помощью зависимости 8(g) применил Линген [113]. Впоследствии им воспользовались Финстра и Лювен [ПО] и, наконец, М.Г. Бингхэм [66].
Финстра и Лювен воспользовались зависимостью 8(g) при обработке ре 21 зультатов стендовых исследований влияния параметров режима бурения и забойных условий на процесс разрушения непроницаемых пород. Это позволило им не только обнаружить ряд новых фактов, но и значительно упростило обработку и изложение материала.
М.Г. Бингхэм [66] предложил анализировать процесс разрушения пород с помощью зависимости 8(g), график которой после линейной аппроксимации он назвал диаграммой бурения.
Диаграмма бурения (ДБ) - это зависимость проходки долота за один оборот 8 от удельной (приведенной к единице диаметра долота) осевой нагрузки g.
М.Г. Бингхэм утверждает, что зависимость 8(g) является критериальной по отношению к первичной зависимости механической скорости бурения от параметров режима бурения.
Воспользуемся методом анализа размерностей, чтобы проверить это утверждение М.Г. Бингхэма.
Процесс разрушения пород на забое описывается целым рядом параметров. Перечислим некоторые из них:
- механическая скорость бурения vM (параметр, характеризующий результат процесса);
- нагрузка на долото G;
- скорость вращения п;
- диаметр долота D;
- дифференциальное давление на забое рдиф\
- прочность породы, оцениваемая твердостью пород рш или прочностью на сжатие рсж (выберем последнее);
- содержание твердой фазы в растворе;
- реологические и технологические параметры раствора;
- расход промывочной жидкости Q.
Последние восемь параметров - это величины, влияющие на процесс. Из этого списка выберем только существенные. Учитывая, что реологические параметры и содержание твердой фазы в растворе в течение долбления изменяются несущественно, а также то обстоятельство, что их влияние проявляется опосредовано через рзиф, исключим указанные параметры из списка существенных. Оставляем для анализа процесса семь параметров (N=7):
Вернемся к уравнению (1.7). Комплексы І/щ , 1/щ и щ воспринимаются не только как безразмерные (обобщенные) и независимые аргументы уравнения, но и как критерии подобия. В самом деле, первый и второй комплексы-аргументы представляют собой соответственно отношение некоторой приведенной к единице площади забоя действующей разрушающей силы - напряжения - к дифференциальному давлению или прочности породы рсж. Эти комплексы представляют собой критерии динамического подобия. Третий аргумент уравнения является критерием кинематического подобия и по физическому смыслу является отношением некоторой величины, пропорциональной удельному расходу жидкости (Q/D , размерность - м/с) к некоторой величине Dn, имеющей тоже размерность скорости.
Обобщая изложенное можно сказать, что использование метода анализа размерностей позволило на формальной основе доказать критериальность диаграммы бурения в сравнении с исходной зависимостью vM=f(G, п), явно не обладающей свойством обобщенной, критериальной зависимости. Следовательно, зависимость 8 =f(g) - диаграмма бурения - является единственной зависимостью, пригодной для математического моделирования процесса разрушения забоя шарошечными (и, вообще говоря, не только шарошечными) долотами.
М.Г. Бингхэм развил метод анализа графика зависимости 8 =f(g) при бурении шарошечными долотами, по существу, до теории буримости. Основные результаты его исследований сводятся к следующему:
- Применение зависимости 8(g) позволяет систематизировать множество частных зависимостей vM(G, п), полученных в различных геолого-технических условиях.
- Для каждого типа вооружения долота существует верхнее предельное положение графика зависимости 8(g), соответствующее бурению в атмосфер 25 ных условиях с промывкой водой или продувкой газом. Графики зависимости vM(g), полученные при разных п таким свойством не обладают. Существование верхнего предельного положения зависимости 8(g) придают ей характер диаграммы, когда об особенностях конкретно протекающего процесса судят по тому, как они располагаются на диаграмме бурения. При совершенной очистке забоя зависимость 8(g) можно аппроксимировать двумя прямыми, одна из которых исходит из начала координат или из точки близко к нему расположенной, а продолжение второй, которую Бингхэм называет «рабочей» линией, отсекает от оси g положительный отрезок 0go , являющийся (при бурении новым долотом) эквивалентом прочности породы. Использованию приема замены кривой двумя прямыми он придает настолько важное значение, что свою теорию даже назвал «методом линейной аппроксимации».
При «несовершенной» очистке забоя опытные точки образуют линии, отклоняющиеся вниз от второй из упомянутых прямых.
Каждое долото может быть оценено «коэффициентом эффективности» тэф, который подсчитывается на основании углового коэффициента рабочей линии Kv при бурении долотом без износа с промывкой водой в атмосферных условиях и величины g0; тэф= Kv g0 5, причем тэф не зависит, по мнению М.Г. Бингхэма, от износа вооружения долота.
Величины углового коэффициента рабочей линии Kv (отношение AS к Ag) и go зависят от типа вооружения долота, типа бурового раствора, величины давления на забой, интенсивности промывки и скорости вращения долота. При изменении скорости вращения долота п или замене его на долото с другим скольжением зубьев (смене типа вооружения) изменяются величины угловых коэффициентов прямых, но величина g0 остается неизменной. По мере уменьшения высоты зубьев долота в результате их износа возрастает величина g0 и уменьшаются угловые коэффициенты прямых. Отношение угловых коэффициентов рабочей линии и начальной, по мне 26 нию М.Г. Бингхэма, всегда равно 2.
Опубликование теории буримости М.Г. Бингхэма стало важнейшим событием 60-х годов в области бурения.
Поиск методики моделирования процесса бурения шарошечными долотами продолжил П.Ф. Осипов. Основные результаты его исследований опубликованы в работах [57-61]. Предложенная П.Ф. Осиповым методика моделирования основана на прогнозировании видоизменения диаграммы бурения под воздействием природных и технологических факторов. Работы П.Ф. Осипова продолжил и дополнил СВ. Каменских [24-27].
На рис. 1.1 показан общий вид диаграммы бурения.
Видно, что общий вид зависимости 8(g), полученной в забойных условиях, представлен теми же элементами, что и аналогичная зависимость, полученная при бурении в атмосферных условиях. Отличаются они только тем, что вторая линия располагается ниже первой. На той и другой зависимости выделяются
Обоснование метода "выработки забоя" для получения диаграмм бурения
Информацию о буримости пород получают по результатам экспериментального бурения (тест-бурения), в процессе которого определяют зависимость механической скорости бурения vM(g) при некоторой постоянной скорости вращения долота п, а на ее основе - искомую диаграмму бурения.
Наиболее широко распространенный метод проведения тест-бурения заключается в последовательно ступенчатом изменении осевой нагрузки при фиксированной скорости вращения долота, как правило, в направлении увеличения осевой нагрузки от 0,20-0,25 до 1,00-1,10 кН/мм. На каждой фиксированной нагрузке проходят интервал длиной 0,25-1,0 м (в зависимости от текущей механической скорости бурения). Для получения контрольных точек и увеличения достоверности опыта иногда продолжают опытное бурение аналогичным образом с изменением нагрузки на долото в противоположном направлении. Считается необходимым, чтобы процесс бурения на каждой ступени приобрел характер установившегося процесса. Опыт проведения тест-бурения по описанной методике показывает, что на весь эксперимент в среднем затрачивается 1-2,5 часа времени (в зависимости от уровня механической скорости бурения) с общей проходкой несколько метров.
Недостатками такого метода проведения промыслового эксперимента являются:
- в процессе тест-бурения может произойти неоднократно изменение буримости пород, в результате чего возникают затруднения при расшифровке результатов эксперимента; опыт показывает, что по этой причине примерно 25% результатов исследований не поддаются интерпретации;
- на проведение тест-бурения затрачивается значительное дополнительное время, не предусмотренное нормативной картой на проведение буровых работ;
- средняя механическая скорость бурения за время эксперимента оказывается существенно меньше, чем при обычном бурении с заданной фиксированной нагрузкой.
Ниже излагается новый метод проведения тест-бурения, лишенный перечисленных недостатков.
Прежде всего, была обсуждена и принята гипотеза о равенстве перемещений верхнего и нижнего концов бурильной колонны при осуществлении двух базовых опытов, предусмотренных новым методом. Первый опыт предусматривает определение упругой характеристики инструмента. Второй - оценивает процесс углубления скважины.
1-й опыт. Без углубления скважины (путем простой разгрузки колонны на забой) увеличивают нагрузку на долото от gmin до gmax . При этом верхний конец инструмента переместится относительно стола ротора на расстояние h\. С помощью приборов фиксируют весь процесс, иначе говоря, записывают зависимость g(h).
2-й опыт. Зафиксировав верхний конец бурильной колонны (без подачи инструмента), осуществляют бурение методом «выработки забоя» с нагрузки gmax ДО момента, когда нагрузка на долото достигнет gmin. Долото, благодаря упругой деформации бурильной колонны, пройдет некоторое расстояние h2. Инструментально фиксируют процесс изменения удельной нагрузки на долото во времени - зависимость g(t).
Суть гипотезы заключается в утверждении, что і = h2 (под h в дальнейшем будем понимать перемещение долота, независимо от типа опыта).
Первая зависимость непосредственно зависит от упругой деформации бурильной колонны, а вид второй зависит от упругих свойств опосредованно.
Строго говоря, метод выработки забоя известен давно. М.А. Фингерит [88] использовал его в свое время для определения нагрузки на долото G0, соответствующей максимуму мощности турбобура на забое или, что то же самое, максимуму механической скорости бурения. Он доказал, что этой нагрузке в однородной породе соответствует точка перегиба зависимости G(t). Попыток использования метода прослеживания выработки забоя для непосредственного определения зависимости механической скорости бурения vM от G он не предпринял, ограничившись качественной оценкой процесса турбинного бурения.
Для опытного определения зависимости vM(g) предлагается параллельно с зависимостью g(t) находить опытным путем зависимость g(h), которую можно назвать «упругой характеристикой инструмента».
Если известны скорость вращения долота п, то нетрудно получить зависимость проходки за оборот 8 от удельной нагрузки g, иначе говоря, то, что выше было названо диаграммой бурения.
Из сказанного следует, что достаточно иметь опытные зависимости (3.4) и (3.5), чтобы получить искомую функцию 5(g). С целью практической проверки изложенной выше новой методики построения диаграмм бурения и получения конкретных видов зависимостей (3.4) и (3.5) на Южно-Ошском месторождений Республики Коми осуществлена серия экспериментов в интервале бурения 700...3800 м. На разных глубинах бурения проведено 27 экспериментов по определению зависимости «выработки забоя» и 52 опыта для определения «упругой характеристики инструмента».
При определении упругой характеристики инструмента было проведено 2 типа экспериментов:
- без вращения бурильной колонны; по 3 эксперимента одновременно на глубинах 1980 и 2113 м;
- с вращением инструмента ротором, с минимальной угловой скоростью, данным способом получено 46 зависимостей g(h) в интервале 700.. .2630 м.
Разница в зависимостях g(h), полученных различными методами на одинаковых глубинах не превышала 10%. Было установлено, что благодаря кратковременности эксперимента (не более 1 мин) углубление скважины вращающимся долотом при втором типе опыта (в условиях эксперимента) не оказало существенного влияния на результат. Следует отметить, что при проведении опыта с вращением колонны существенно уменьшается разброс экспериментальных точек, что связано с уменьшением искажающего влияния трения на измерение осевой нагрузки на долото, это можно увидеть, сравнив рис. 3.2 и 3.3.
На рис. 3.2 приведен пример упругой характеристики бурильной колонны на глубине 1980 м, полученной в процессе опыта. Зависимость g(h) имеет явно выраженный линейный характер.
Результаты экспериментального определения упругости бурильной колонны при глубине скважины 2502 м отражены на рис. 3.3. «Показатель упругости» к с увеличением глубины существенно изменился, линейный характер зависимости сохранился.
С определением вида зависимости, полученной при проведении опытов с выработкой забоя, дело обстоит несколько сложнее.
Было получено два вида зависимостей, примеры которых показаны на рис. 3.5 ирис. 3.6.
На рис. 3.5 изменение g(t) может быть описано одним уравнением.
Обобщенный вычислительный алгоритм и описание программы нахождения оптимальных режимов бурения
Для прогнозирования результатов отработки долот разработан алгоритм, основой которого является методика моделирования процесса углубления скважины гидромониторными шарошечными долотами [61]. На рис. 4.1 приведена укрупненная блок схема алгоритма нахождения оптимального режима бурения.
На основе алгоритма составлена компьютерная программа, которая позволяет спрогнозировать результаты работы долот. Ее отличительной особенностью является то, что при расчете режимов бурения учитывается влияние не только нагрузки на долото и скорости его вращения, но и резонансные колебания бурильной колонны, и интенсивность струйной промывки скважины. Программа учитывает частую смену однородных по буримости пачек пород, что повышает точность прогноза ожидаемых результатов бурения. Инструкция по работе с программой приведена в приложении 3.
Принцип работы программы основан на моделировании процесса бурения по всем заданным совокупностям режима бурения и выбора из полученных результатов лучшего - оптимального. Сочетания возможных режимов бурения определяются автоматически, путем перебора значений в заданных границами изменения нагрузок на долото и скоростей вращения ротора, а также выбранного ассортимента типоразмеров долот.
Критерии оптимальности, границы диапазонов возможных значений параметров режима бурения и типоразмеры долот задаются оператором-технологом в начале расчета.
По каждому указанному долоту расчет ведется, начиная с минимальных значений нагрузки на долото и скорости вращения ротора. Составляется массив Pok_Rab_Dol, количество элементов которого равно числу сочетаний на грузок на долото и скоростей вращения ротора. В /-ий элемент массива записывается значение ПІ и Gt с которыми ведется расчет на данном шаге, и полученное значение критерия оптимальности. В конце расчета из составленного массива находится экстремум критерия оптимальности режима бурения. Соответствующие этому значению п и G являются оптимальными параметрами режима бурения для данного долота с указанными при воде данных условиями.
Так для каждого указанного долота находится оптимальный режим бурения. После того, как рассчитаны показатели работы всех долот, выбирается лучшее. Расчет продолжается пока не будет достигнута глубина скважины, заданная оператором в начале расчета, или не кончится указанный ассортимент долот.
Первый блок алгоритма «Ввод данных». Здесь вводятся все необходимые для расчета данные:
- информация о скважине - {номер скважины; месторождение; тип привода ротора (электрический, силовой, дизельный); тип задания инклинометрии (вертикальная скважина; инклинометрия; расчетный профиль)};
- стратиграфия разреза - {подошва пачки однородных пород, м; М0-ДБ (Ks, Kv,go,nKp)} , инклинометрия (в случае если скважина не вертикальная) - {глубина, м; зенитный угол, град; азимут, град};
- геометрия скважины - {номер участка; длина секции, м; внутренний диаметр обсадной колонны, мм; коэффициент кавернозности}; геометрия инструмента - {номер секции; характеристики бурильных труб (наружный и внутренний диаметр, мм; вес погонного метра, м/кг; прочностные характеристики и т.п.); длина секции, м};
- нагрузка - {минимальная нагрузка, кН; максимальная нагрузка, кН; шаг, кН};
- скорость вращения - {минимальная скорость вращения долота, мин" ; максимальная скорость вращения долота, мин"1; шаг, мин } если указан силовой привод, {скорость; частота вращения ротора, мин"1} если привод ротора электрический или дизельный;
- долота - {марка долота (диаметр, мм; тип вооружения; ресурс опор; ресурс вооружения и т.п.); количество имеющихся в наличие долот; стоимость, руб; начальный износ; длина струи, мм; диаметр подводящего канала долота, мм};
- параметры промывочной жидкости - {глубина скважины, м; градиент пластового давления; плотность; вязкость; водоотдача; Н; К; Щ; показатели бурения - {глубина скважины, м; время СПО, час; время вспомогательных операций, час; время дополнительных работ, час}; начальная Ьнач и конечная глубина расчетов Lend, м; допустимое давление на насосах, МПа; минимальный расход, дм3/сек; шаг изменения расхода, дм3/сек;
- диаметр насадок, мм (этот параметр не указывать необязательно, если он не задан, то оптимальный диаметр насадок находится из расчетов).
Далее вызывается функция нахождения характеристик рассчитываемого долота. Из базы данных программы считываются: диаметр долота, мм; тип вооружения; ресурс вооружения, кН об/мм; удельная нагрузка вооружения, кН/мм; ресурс опор, кН об/мм; удельная нагрузка опор, кН/мм; скорость вращения вооружения, мин" ; скорость вращения опор, мин"1; признак вооружения (твердосплавное или фрезерованное долото).
Определяется значение минимальных нагрузки на долото и скорости вращения ротора. Начинается цикл по п, а внутри него цикл по G. В /-ий элемент массива записывается значение щ и Gt с которыми ведется расчет на данном шаге цикла. Инициализируются переменные:
- проходка на долото, после достижения которой пересчитываются параметры гидромониторной программы промывки, м (в программе пересчет ведется через 50 м);
- Н- проходка на долото, м;
- Т- время бурения, мин;
- SaveN- используется при расчете параметров текущей ДБ для определения факта изменения значения скорости вращения ротора из-за возможных резонансных колебаний.
Проверяется условие необходимости пересчета гидромониторной программы промывки, если проходка на долото превысила значение LookChangeJ, то вызывается процедура расчета дифференциального давления в скважине Рдиф и величины критерия оптимальности промывки J. В зависимости от полученного значения J рассчитывается величина GomHZ, используемая для учета эффекта гидромониторной промывки. На рис. 4.1 видно, что ./может быть в диапазонах (-оо; -3], (-3; 0,6], (0,6; 1,01], (1,01; +оо), для каждого диапазона зависимость GomHZ(J) различна. Если проверяемое значение ложно, то Рдиф и J остаются равными рассчитанным на предыдущем шаге.
Следующий шаг - учет резонансных колебаний. Функция расчета зон колебаний бурильной колонны подробно описана в разделе 4.2. Выходом функции является значение скорости вращения долота. Находится промежуток времени dt. Принимается, что за это время изменений в ДБ и условиях бурения не происходит.
Если достигнута новая пачка пород или поменялось (в отличие от предыдущего шага) значение дифференциального давления или скорости вращения долота, то пересчитываются параметры ДБ. В процедуре «Найти параметры Д-ДБ» указанная в блоке «Ввод данных» М0-ДБ пересчитывается к Д-ДБ. Находятся коэффициенты ЛПР, ЛОР, условная прочность пород и значение критической скорости вращения долота при нулевом дифференциальном давлении. В следующем блоке найденные g0 и пкр пересчитываются с учетом текущей величины дифференциального давления.
Расчет ожидаемой экономической эффективности использования предложенного оптимизированного регламента на углубление скважины
В качестве базы сравнения приняты фактические показатели отработки долот в рассматриваемом интервале бурения. Расчет проводился в соответствии с методикой, изложенной в РД 39-0148052-547-87, результаты приведены в табл. 5.5.
Показатели для учета в планах (отчетах) объединения
1. Объем внедрения А2 = 8,1 тыс. м
2. Увеличение (+) или снижение (-) объема капитальных вложений - нет.
3. Прирост прибыли ДП=1103,7 8,1=8939,97 тыс. руб. Чистая прибыль ДП2=8939,97 (1-0,24)=6794,38 тыс. руб.
4. Снижение эксплуатационных затрат АС=1103,7 8,1=8939,97 тыс. руб.
5. Условное высвобождение (-) или увеличение (+) численности работающих Ti=l:273,l=0,0037 человек/м
Т2=0,0037 15 =0,0033 человек/м 1637,5 3930
АЧ=(0,0033-,0037) 8100 =-16 человек 810
6. Снижение (-) или увеличение (+) материальных затрат АМ=(660-1235) 810=-5750 тыс. руб. 810
7. Удельный экономический эффект на долото: 148999,5 руб.
на метр проходки: 1103,7 руб/м.
8. Снижение себестоимости метра проходки - 227,48 руб/м.
Как видно из результатов расчета ожидаемого экономического эффекта, использование разработанного программного комплекса нахождения оптимальных режимов бурения позволит существенно снизить затраты на строительство скважин.
Экономический эффект от использования оптимизированного регламента углубления при бурении скважины на Южно-Ошском месторождении Республики Коми составит 893995 руб.
