Повышение эффективности процесса бурения глубоких скважин роторным способом посредством управления динамикой бурильной колонны

Бурение скважин является одним из неотъемлемых процессов при разработке нефтяных и газовых месторождений. В связи с тем, что в настоящее время большая часть легкоизвлекаемых запасов уже исчерпана, а мировые потребности в энергоресурсах постоянно возрастают, требуется как осваивать новые месторождения, так и повышать нефтеотдачу старых. И то и другое невозможно без бурения новых скважин.

Очевидно, что сколько бы не стоили нефть и газ, их добыча оправдана только если энергозатраты на неё меньше энергетической ценности добываемых углеводородов. Затраты энергии на бурение глубоких скважин составляют существенную долю в общих энергозатратах на разработку месторождений. Однако, несмотря на весь опыт, накопленный при бурении скважин, этот процесс ещё не доведён до совершенства.

Как показывает анализ публикаций, в подавляющем большинстве математических моделей, создаваемых с целью оптимизации процесса бурения и прогнозирования эффективности отработки инструмента, совершенно игнорируется роль бурильной колонны, связывающей источник энергии, расположенный на дневной поверхности, с породоразрушающим инструментом на забое скважины. И если бурильная колонна работает в неэффективном динамическом режиме, то энергия, потребная для углубления скважины, может значительно возрастать. К тому же, динамика бурильной колонны может существенно влиять на процесс взаимодействия долота с забоем скважины, причём зачастую далеко не в лучшую сторону.

Многие авторы, аппроксимируя стендовые или промысловые данные, получают формулы для определения зависимостей между параметрами бурения, которые зачастую существенно разнятся между собой, а потому ни о какой универсальности таких зависимостей говорить не приходится. Безусловно, стендовые испытания необходимы, поскольку они позволяют получать взаимосвязь параметров в «чистом» виде", в то время как на результаты промысловых исследований влияет множество факторов, часть из которых зачастую сложно учесть. Однако зависимости, полученные в результате стендовых испытаний даже при имитации забойных условий (температура, давление и т. д.), но без учёта механических характеристик бурильной колонны, не будут описывать реальные условия бурения, поэтому необходима также и модель, обеспечивающая пересчет экспериментальных данных на реальные условия бурения с учётом динамических процессов, протекающих в БК (бурильная колонна).

Известно, что при проводке глубоких скважин довольно часто возникают интенсивные вибрации бурильной колонны, сопровождающие процесс разрушения горных пород. Очевидно, что подобное поведение бурильного инструмента характеризуется бесполезными потерями энергии (расход значительной части энергии на поддержание вибраций бурильной колонны вместо использования её по прямому назначению — на разрушение забоя скважины) и сокращением срока его службы по причине резкого возрастания усилий знакопеременного характера, что ведёт к понижению усталостной прочности [72].

Волновые процессы, протекающие в-БК, а также нелинейность зависимости момента сопротивления вращению долота при его взаимодействии с забоем от скорости вращения долота приводят к возникновению и развитию крутильных автоколебаний. В результате мгновенная скорость вращения долота, вообще говоря, отличается от скорости, сообщаемой верхнему концу БК. Следовательно (поскольку и здесь зависимости нелинейны) значения таких параметров, как, например, механическая скорость бурения, в промысловых условиях отличаются от получаемых в эксперименте, где скорость вращения долота поддерживается постоянной. Этот факт нужно учитывать при построении модели углубления забоя. Не следует здесь игнорировать и износ долота в процессе бурения.

Динамика бурильной колонны не ограничена только крутильными автоколебаниями. Более того, крутильные автоколебания могут быть косвенной причиной возникновения продольных колебаний.

Многими’авторами на основании промысловых исследований отмечается отрицательное влияние колебаний БК на эффективность процесса бурения. Экспериментально установлено, что при возникновении интенсивных продольных колебаний бурильной колонны механическая скорость проходки уменьшалась в 1,5.2 раза. При изменении частоты вращения ротора всего на 10.12%, в результате чего режим бурения выводился из резонансной зоны, интенсивные колебания прекращались, а механическая скорость резко возрастала [77]. Зафиксированные случаи колебаний, равно как и случаии их прекращения, с высокой точностью совпадают с зонами резонансных колебаний или с зонами их прекращения соответственно, которые прогнозируются расчетными методами, изложенными в работе [72]. Однако, широко распространённый «жесткий» привод ротора, когда изменять частоту его вращения можно только дискретно, накладывает ограничение на управление колебаниями бурильной колонны, вынуждает, зачастую, отрабатывать долото в условиях интенсивных колебаний. Подобные замечания можно отнести и к бурению скважин с применением забойных двигателей. Использование же различного рода амортизаторов (по сути упругих элементов) не всегда приводит к исчезновению резонанса БК, поскольку подобные виброзащитные устройства не способны эффективно гасить широкий спектр частот, возбуждаемых в процессе бурения в БК, являющейся механической системой с распределёнными параметрами.

Всё изложенное позволяет сделать вывод о недостаточной изученности влияния динамических процессов, протекающих в БК, на эффективность бурения нефтяных и газовых скважин, а потому тема настоящей работы является актуальной.

Цель работы. Повышение эффективности процесса бурения нефтяных и газовых скважин роторным способом посредством управления динамическими процессами, протекающими в бурильной колонне, путём выбора соответствующих сочетаний компоновок и режимных параметров бурения.

Основные задачи исследований.

1. Анализ существующих моделей углубления забоя скважины роторным способом.

2. Разработка более совершенной математической модели процесса углубления забоя скважины с учётом изменения её параметров во времени бурения.

3. Исследование процесса углубления забоя с целью выявления видоизменений параметров процесса бурения с течением времени.

4. Разработка метода управления динамикой бурильной колонны, позволяющего минимизировать негативное влияние динамических процессов на углубление забоя скважины.

5. Постановка и анализ задачи предотвращения интенсивных вибраций бурильной колонны с помощью специальных антивибрационных компоновок.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель динамики бурильной колонны при роторном бурении, учитывающая изменение момента на долоте во времени, связанное с износом долота, и позволяющая прогнозировать изменение режима бурения.

2. Определены закономерности изменения во времени зон различной динамики бурильной колонны в области управления режимными параметрами.

3. Уточнены зависимости механической скорости бурения от режимных параметров с учетом изменения режима динамики бурильной колонны вследствие износа долота.

4. Разработан вероятностный подход к задаче определения динамического режима бурильной колонны, который позволяет оценивать эффективность бурения при отсутствии полных и достоверных исходных данных.

5. Создан метод оценки касательных напряжений, возникающих в бурильной колонне при её работе в режиме крутильных автоколебаний, в зависимости от режимных параметров и компоновки БК.

6. Разработана математическая модель и определены условия предотвращения интенсивных продольных вибраций бурильной колонны посредством применения специальных антивибрационных компоновок бурильной колонны, нижняя часть которых включает участки с переменной площадью поперечных сечений.

Защищаемые положения.

1. Математическая модель процесса углубления забоя скважины с учётом её эволюции во времени бурения.

2. Закономерности изменения во времени зон различной динамики бурильной колонны в области управления режимными параметрами и использование этих закономерностей для выбора оптимальной стратегии бурения.

3. Уточненные зависимости механической скорости бурения от времени и режимных параметров.

4. Метод оценки касательных напряжений, возникающих в бурильной колонне при её работе в режиме крутильных автоколебаний и его применение для выбора наиболее безопасной с тоски зрения прочности компоновки.

5. Математическая модель и метод предотвращения интенсивных продольных вибраций бурильной колонны посредством применения антивибрационных компоновок, нижняя часть которых включает участки с переменной площадью поперечных сечений.

Практическая ценность работы.

1. Разработанная математическая модель углубления забоя скважины и созданная программа её реализации для персональных ЭВМ позволяют:

— прогнозировать механическую скорость бурения и проходку на долото с учётом износа породоразрушающего инструмента по мере углубления забоя скважины;

— производить оценку касательных напряжений, возникающих в бурильной колонне при наличии крутильных автоколебаний, что позволяет дать оценку с точки зрения минимума этих напряжений нескольких альтернативных компоновок БК и выбрать из этих компоновок лучшую;

— уточнить метод предотвращения интенсивных вибраций бурильной колонны с учётом износа породоразрушающего инструмента в процессе его взаимодействия с горной породой.

2. Впервые теоретически разработанный способ предотвращения интенсивных вибраций бурильной колонны посредством антивибрационных компоновок позволит более эффективно бороться с этим вредным явлением, что положительно скажется на эффективности процесса бурения. Апробация работы.

Основные научные положения работы и ее отдельные разделы были доложены и обсуждены на:

• 49-й научной конференции МФТИ, 2006 г.

Всероссийской конференции «Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности (теоретические и прикладные аспекты)», Москва, 2007 г,.

51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 2008 г.

• 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», 2009 г.

Публикации.

По теме работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК. Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, списка литературы из 100 наименований. Работа изложена на 123 страницах, включая 36 рисунков и 5 таблиц.

Основные результаты и выводы.

1. Разработанная математическая модель углубления забоя скважины, учитывающая, износ породоразрушающего инструмента в результате его взаимодействия с горной породой, позволила разработать методы определения эволюции зон различной динамики бурильной колонны в области изменения режимных параметров.

2. Установлено, что прогноз изменения геометрии зон различной динамики бурильной колонны по мере углубления скважины способствует как более точному выбору параметров режима бурения, так и более корректному предсказанию результатов отработки долот.

3. Разработаны методы определения силовых нагрузок, возникающих в бурильной колонне в различных зонах её динамики, которые способствуют более точным прочностным расчётам, а также выбору компоновки колонны из числа альтернативных компоновок, в которой, при равных прочих условиях, возникающие силовые нагрузки минимальны.

4. Сформулирована задача о предотвращении интенсивных продольных колебаний БК посредством специальных антивибрационных компоновок, состоящих, в общем случае, из труб переменного сечения, которая позволила разработать метод определения параметров компоновок низа БК, определяющих максимальные значения скоростей вращения долота, ниже которых вероятность возникновения интенсивных продольных колебаний инструмента сводится к минимуму. Представленные примеры вариантов расчета спецкомпоновок показывают необходимость дальнейших исследований в данном направлении, базирующихся на разработанной математической модели.

5. Результаты исследований, содержащихся в настоящей диссертации, подтверждается экспериментальными данными как отечественных, так и зарубежных исследователей (Вопиякова В.А., Колесникова П. И., Краснова С. А., Осипова В. В., Посташа С. А., Hood J. A, Rapold К., Robnett E. W и др).