Перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов

Потенциальный объем трудноизвлекаемых запасов нефти в России по экспертным оценкам составляет более 60% отечественной сырьевой базы, и их доля непрерывно растет.

В настоящее время добывается не более 20 млн тонн в год (около 4% от общего объема) трудноизвлекаемых запасов нефти, что объясняется отсутствием технологических решений по эффективному нефтеизвлечению для сложных геолого-физических условий, ограниченностью соответствующих научно-исследовательских работ, а также большими затратами, особенно в начальный период разработки месторождения.

Для действующих нефтегазовых месторождений повышение добычи трудноизвлекаемой нефти возможно как за счет наращивания работающего фонда скважин, так и за счет применения эффективных передовых технологий повышения нефтеотдачи пластов. Одним из наиболее перспективных направлений повышения продуктивности нефтегазовых месторождений является совершенствование методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов.

Главной задачей вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов является формирование качественной гидродинамической связи между продуктивным пластом и самой скважиной, без негативного воздействия на коллекторские качества призабойной зоны пласта, без нарушения целостности обсадных колонн и цементного кольца. С этой позиции наиболее продуктивно использование сверлящей перфорации. Однако, такой способ перфорации скважин не нашел широкого применения вследствие больших затрат времени на перфорацию каналов и малой глубины перфорационных каналов, что не позволяет обеспечить высокую производительность и ухудшает качество гидродинамической связи пласта-коллектора со скважиной.

Современный этап разработки и совершенствования техники для нефтегазового комплекса сопровождается все большим распространением в составе скважинной аппаратуры гидроагрегатов, что обуславливается надежностью и компактностью гидрооборудования. Точность прогнозирования параметров рабочих процессов гидравлических машин определяется не только применением передовых конструкторских и технологических решений, но и обоснованностью используемой методики расчета параметров и характеристик гидросистемы на этапе моделирования новой аппаратуры.

Все это определяет актуальность работ в области разработки перспективных электрогидравлических сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия нефте-и газоносных пластов и методики расчета параметров и характеристик гидроагрегатов, входящих в состав сверлящих перфораторов.

В данной работе разработан перспективный электрогидравлический сверлящий перфоратор (ЭГСП) и методика моделирования его рабочих процессов, обеспечивающая рациональный выбор рассчитываемых параметров и характеристик сверлящих перфораторов.

Диссертационная работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете в рамках реализации госбюджетной НИР «Разработка методологических основ проектирования технических комплексов с интеллектуальными системами управления для освоения скважинного фонда нефти и газовых месторождений».

Степень разработанности темы исследования.

Вопросами разработки аппаратуры для вторичного вскрытия продуктивных пластов занимались Андреев В. Е., Батурин Ю. Е., Вадецкий Ю. В., ГноевыхА. Н., Зозуля Г. П., Мищенко И. Т., Филиди Г. Н., Хайрединов Н. III., Щелкачев В. Н., Яруллин Р. К., Douglas Е., Harris М.Н., MeddesR. V., Hinton M.J. и др. Заметный вклад в развитие теории проектирования гидравлических машин и гидрофицированной техники внесли Баранов В. Н., Барышев В. И., Грибков А. М., Захаров Ю. Е., Каверзин С. В., Караханьян В. К., Попов Д. Н., Спиридонов Е. К., Фомичев В. М., Шумилов И. С., Brian R., Keith Е., Kenric Rose, и др.

Вместе с тем, обзор работ по проблемам проектирования и расчета скважинной аппаратуры показывает, что современный уровень развития методологии моделирования сверлящих перфораторов характеризуется недостаточно проработанными теоретическими и экспериментальными исследованиями, необходимыми для моделирования параметров и характеристик технических средств перфорации обсаженных скважин, что обуславливает определенные трудности при проектировании новой аппаратуры.

Цель и задачи работы.

Цель работы — разработка и исследование перспективного ЭГСП для вторичного вскрытия нефтегазоносных пластов.

Исходя из цели работы, для ее реализации были определены и решены следующие задачи:

Выводы по IV главе.

Разработана методика моделирования рабочих процессов ЭГСП, позволяющая пользователям варьировать значения исходных данных и на их основе моделировать параметры и характеристики гидросистемы сверлящего перфоратора.

Моделирование параметров и характеристик сверлящего перфоратора осуществляется в следующей последовательности:

1. Моделирование параметров и характеристик контура фиксации ЭГСП:

— определение перечня исходных и расчетных параметров контура фиксации ЭГСП;

— расчет статических характеристик контура фиксации ЭГСП;

— расчет динамических показателей контура фиксации ЭГСП.

2. Моделирование параметров и характеристик контура подачи бура ЭГСП:

— определение перечня исходных и расчетных параметров контура подачи бура ЭГСП;

— расчет статических характеристик контура подачи бура ЭГСП;

— расчет динамических показателей контура подачи бура ЭГСП.

3. Моделирование параметров и характеристик контура перфорации ЭГСП:

— определение перечня исходных и расчетных параметров контура перфорации ЭГСП;

— расчет статических характеристик контура перфорации ЭГСП;

— расчет динамических показателей контура перфорации ЭГСП.

Определен перечень исходных, расчетных и определяемых параметров сверлящего перфоратора, что значительно упрощает расчеты и сокращает время при моделировании гидросистемы перфоратора.

На основании анализа результатов моделирования параметров и характеристик сверлящего перфоратора были установлены характеристики исполнительных механизмов сверлящего перфоратора:

• выдвижение штока гидроцилиндра фиксации осуществляется не более, чем за 5 с;

• на скорость перфорации существенно влияет нагрузка на выходе, определяемая, в свою очередь, физическими свойствами перфорируемых породустановлено, что при максимально допустимой нагрузке и длине перфорационного канала 0,2 м время перфорации одного канала занимает менее 100 с;

• перемещение штока гидроцилиндра перфорации носит возвратно-поступательный характер (10 ударов/с при ходе поршня гидроцилиндра перфорации ~ 1 мм), что соответствует техническим характеристикам существующих средств для вторичного вскрытия пластов. Разработанная методика моделирования рабочих процессов сверлящих перфораторов и программные продукты для ее реализации позволяют повысить эффективность этапов проектирования изделий и снизить временные затраты на их доводку и имеют практическую ценность, а именно позволяют:

• определять конструктивные параметры, статические и динамические характеристики сверлящих перфораторов при моделировании, проектировании и доводке с целью удовлетворения требованиям к массово-габаритным характеристикам, к показателям качества переходных процессов;

• рассчитывать статические и динамические характеристики сверлящих перфораторов с учетом влияния стохастического характера изменения параметров ЭГСП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен аналитический обзор методов перфорации скважин и технических средств для вторичного вскрытия пластов, который показал, что из существующих, на данный момент, методов вторичного вскрытия наиболее перспективным, с точки зрения обеспечения эффективной гидродинамической связи продуктивного пласта со скважиной, является сверлящая перфорация.

Анализ существующих сверлящих перфораторов и их технических характеристик позволил выявить основные недостатки сверлящей аппаратуры, к которым относятся большие затраты времени на перфорацию каналов и малая глубина перфорационных каналов, что не позволяет обеспечить высокую производительность и качественную гидродинамическую связь пласта-коллектора со скважиной.

Обзор работ по вопросам проектирования и расчета сверлящих перфораторов показал практически полное отсутствие комплексных теоретических и экспериментальных исследований, необходимых для моделирования рабочих процессов средств перфорации скважин, что также определяет актуальность и необходимость работ, посвященных проектированию и совершенствованию сверлящих перфораторов, а также разработке методики моделирования рабочих процессов перфораторов.

2. На основании анализа технических средств для вторичного вскрытия пластов и их технических показателей разработаны принципиальная и компоновочная схемы перспективного ЭГСП. Предложенные схема и компоновка сверлящего перфоратора, в отличие от существующих схемных решений скважинной аппаратуры, имеют ряд функциональных преимуществ:

— обеспечивают одновременно вращательное и возвратно-поступательное движение бура, тем самым сокращая время перфорации канала в 3 — 10 раз, что увеличивает производительность перфорационных работ;

— способствуют созданию качественной гидродинамической связи пласта-коллектора со скважиной за счет увеличения глубины перфорационных каналов до 200 мм;

— позволяют извлекать сверлящий перфоратор из скважины при отсутствии питания в геофизическом кабеле за счет энергонезависимой системы расфиксации аппаратуры;

— имеют модульную конструкцию, позволяющую минимизировать временные затраты при работе на скважинах разных диаметров.

Разработана математическая модель ЭГСП, позволяющая производить моделирование рабочих процессов гидросистемы ЭГСП с учетом нагрузки на буровом инструменте, люфтов в силовой проводке контура подачи бурового инструмента. По результатам численного моделирования установлено:

— на скорость перфорации существенно влияет нагрузка на буровой инструмент, что, в свою очередь, определяется физическими свойствами перфорируемых породпри максимально допустимой нагрузке для данного сверлящего перфоратора, равной 12,88 кН, время перфорации одного канала, длиной 0,2 м, составляет менее 100 с;

— допуски на изготовление и сборку аппаратуры, закладываемые при проектировании сверлящих перфораторов, не оказывают существенного влияния на характеристики перфоратора и не приводят к увеличению люфтов сверх допустимого значения при эксплуатации ЭГСП в реальных скважинных условиях.

Разработана модель КФ ЭГСП с использованием безразмерных переменных, позволяющая обеспечивать идентичность параметров и характеристик ЭГСП различных типоразмеров.

3. В ходе идентификации статических и динамических характеристик ЭГСП разработана стохастическая математическая модель, позволяющая рассчитывать характеристики объекта с учетом стохастического разброса параметров гидропривода.

По результатам идентификации статических и динамических характеристик сверлящего перфоратора установлено, что стохастические коэффициенты уд и у р оказывают существенное влияние на параметры и переходные процессы ЭГСП: разброс параметров и переходных процессов при учете уд и у составляет 4,5. 7%.

Разработана и реализована на ЭВМ методика идентификации параметров и характеристик ЭГСП, позволяющая проводить идентификацию характеристик аппаратуры для вторичного вскрытия продуктивных пластов.

Разработан экспериментальный стенд для исследования ЭГСП и методика экспериментальных исследований рабочих процессов ЭГСП.

Верификация результатов численного моделирования выдвижения штока ГЦ фиксации подтверждает адекватность разработанной математической модели ЭГСП (сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет в среднем 95 — 97%).

4. Разработана методика моделирования рабочих процессов сверлящего перфоратора, позволяющая повысить качество проектирования и сократить сроки доводки сверлящих перфораторов для вторичного вскрытия пластов.

На основании анализа результатов моделирования рабочих процессов ЭГСП были установлены характеристики исполнительных механизмов:

• выдвижение штока ГЦ фиксации осуществляется не более, чем за 5 с, что позволяет сократить время фиксации скважинной аппаратуры в 3 — 5 раз;

• на скорость перфорации существенно влияет нагрузка на выходе, определяемая, в свою очередь, физическими свойствами перфорируемых породустановлено, что при максимально допустимой нагрузке и длине канала 0,2 м время перфорации канала занимает менее 100 с;

• частота ударов сверлящего перфоратора составляет 3900 мин" 1 при возвратно-поступательном ходе поршня ГЦ ~ 1 мм, число оборотов холостого хода равно 2000 об/мин, что позволяет сократить время перфорации канала от 3 до 10 раз.

Таким образом, разработаны перспективный ЭГСП и методика моделирования рабочих процессов сверлящего перфоратора, содержащая расчеты основных параметров, статических и динамических характеристик сверлящих перфораторов с учетом стохастического характера изменения параметров гидросистемы аппаратуры, позволяющие повысить качество проектирования и сократить сроки разработки и доводки технических средств для вторичного вскрытия пластов.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

Основные сокращения.

ГДИС гидродинамические исследования скважин гмщп гидромеханическая щелевая перфорация.

ГР гидравлический распределитель.

ГС гидравлическая система.

ГЦ гидравлический цилиндр кп контур перфорации.

КПБ контур подачи бура кппс комплексная пластическая перфорация скважин.

КФ контур фиксации.

НГДУ нефтегазодобывающее управление нкт насосно-компрессорная труба пвн перфоратор вертикально направленный.

ПВР прострелочно-взрывные работы пзп призабойная зона пласта.

ПКМР перфоратор кумулятивный малогабаритный разрушаемый ппм перфоратор пулевой модульный пщ перфоратор щелевой тп трубопровод тпк торпедный перфоратор Колодяжного.

УФПК устройство формирования протяженных каналов.

ЩГГТП щелевая гидропескоструйная перфорация эгс электрогидравлическая система эгсп электрогидравлический сверлящий перфоратор

ЭД электродвигатель ф интегральная функция Лапласа.

Дтах максимальный зазор между штоком поршня и инерционной нагрузкой Дл (/) зазор люфта.

Уд стохастический коэффициент неравномерности подачи насоса у р стохастический коэффициент давления питания.

5 абсолютная величина отклонения случайной величины от ее математического ожидания Л общий коэффициент полезного действия насоса.

Ц коэффициент расхода жидкости.

Р плотность рабочей жидкости.

Рзб плотность материала, из которого сделан золотник ГР управления.

ГЦ подачи бура.

Рзп плотность материала, из которого сделан золотник ГР управления.

ГЦ перфорации р3ф плотность материала, из которого сделан золотник ГР управления.

ГЦ фиксации а, среднеквадратичное отклонение.