WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

Pages:   || 2 | 3 |

«ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБРАЗОВАНИЯ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПРИХВАТОВ (НА ПРИМЕРЕ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ) ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи



Шиповский Константин Аркадьевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ОБРАЗОВАНИЯ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ

ПРИХВАТОВ (НА ПРИМЕРЕ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ)

25.00.15 Технология бурения и освоения скважин Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Живаева Вера Викторовна СамараОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...…….....3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РОССИЙСКОГО И МИРОВОГО ОПЫТА

ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ……………………………...…………

1.1. Обзор научных работ по оптимизации процесса бурения………............

1.2. Анализ российской и мировой практики оптимизации процесса бурения………………………………………………………………………...

1.3. Проблемы бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на месторождениях Самарской области…………...……………..

1.4. Выводы по главе 1…………………………………………………………....

ГЛАВА 2. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМ

В ОБЛАСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН…………………………………………….....23

2.1. Принципы синергетического подхода……………………………………...23

2.2. Динамическая модель геолого-технологической системы «проницаемый пласт – скважина - бурильная колонна»……………………..

2.3. Обоснование критерия оптимальности и целевой функции для оценки динамической системы.…………………...………………..…….

2.4. Выводы по главе 2..………………………...…………………………..…...

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

БУРОВЫХ РАСТВОРОВ……...……………….…………………..…..................39

3.1. Постановка задач исследования ………………………………….……………39

3.2. Методика проведения эксперимента.………………………….……………...41

3.3. Фильтрационные процессы буровых растворов………………

3.4. Выводы по главе 3…………………………………………………

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ…………………………………....……...51

4.1. Статическая модель дифференциального прихвата……………………….52

4.2. Динамическая модель дифференциального прихвата………....…………..62

4.3. Геолого-технологические параметры процесса бурения…………...….……..74

4.4. Выводы по главе 4…………………………………………………...……1

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПРИХВАТОВ.......….....115

5.1. Разработка методики оптимизации процесса бурения……………………...1

5.2. Практические рекомендации по предупреждению прихватов……….....1

5.3. Расчет экономического эффекта от внедрения методики………………..1

5.4. Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………...…….…...1 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……….………………………………..........….…...........1

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Бурение скважин для добычи углеводородных ресурсов является наиболее затратной статьёй расходов для нефтегазодобывающих организаций. Прихваты бурильного инструмента и связанные с ними аварии - одна из основных проблем в сфере строительства скважин в Самарской области. Большинство инцидентов приходится на дифференциальные прихваты бурильного инструмента. Это обусловлено сложными горно-геологическими условиями, наличием зон несовместимых условий бурения, низкими пластовыми давлениями в продуктивных горизонтах из-за многолетней разработки месторождений, а также недостаточным исследованием причин возникновения прихватов бурильного инструмента.

Положительные примеры проводки скважин без осложнений в прихватоопасных интервалах указывают на необходимость поиска оптимальных технологических параметров процесса бурения для конкретного горногеологического разреза.

Анализ российского и зарубежного опыта оптимизации процесса бурения позволяет сделать вывод о необходимости развития новых методов решения указанных проблем, основанных на разработке динамических моделей технологических процессов с использованием специализированного программного обеспечения.





Таким образом, разработка динамической модели для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента и решение на её основе оптимизационных задач в области бурения скважин, представляется актуальной научно-практической задачей.

В данной диссертационной работе объектом исследования являются наклонно-направленные и горизонтальные скважины, пробуренные на месторождениях Самарской области в 2009-2013 годах.

Цель работы Предупреждение осложнений в стволе скважины, связанных с образованием дифференциального прихвата бурильного инструмента.

Идея работы Разработка динамической модели образования дифференциального прихвата, которая позволяет прогнозировать и предупреждать прихваты бурильного инструмента на основе выбора оптимальных технологических параметров процесса бурения.

Основные задачи

1. Проанализировать проблемы в области бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на месторождениях Самарской области.

2. Исследовать геолого-технологические параметры процесса бурения скважин в карбонатно-терригенном разрезе при наличии инцидентов, связанных с дифференциальными прихватами бурильных труб.

3. Исследовать статическую модель и разработать динамическую модель образования дифференциального прихвата бурильного инструмента на примере Западно-Коммунарского месторождения.

4. Провести лабораторные исследования процессов фильтрации буровых растворов, применяемых на месторождениях Самарской области.

5. Разработать практические рекомендации по оптимизации процесса бурения скважин (технология углубления, режимы промывки, свойства растворов) для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента в отложениях перми, карбона и девона на месторождениях Самарской области.

Методы решения поставленных задач Для решения поставленных задач был использован комплексный подход, включающий анализ суточных рапортов и технологических диаграмм станций геолого-технологических исследований, отчетов о геолого-геохимических исследованиях, результатов интерпретации радиоактивного, индукционного и бокового каротажей, результатов математического моделирования технологических процессов, полученных на специализированном программном обеспечении. Физическое моделирование фильтрационных процессов выполнялось на лабораторном и стендовом оборудовании, прошедшем поверку и калибровку.

Научная новизна Установлена закономерность образования дифференциальных прихватов бурильного инструмента и разработана динамическая модель системы «проницаемый пласт скважина бурильная колонна» с критерием

- оптимальности и целевой функцией для прогнозирования и предупреждения образования дифференциальных прихватов в условиях чередования непроницаемых и проницаемых пластов.

Защищаемые положения

1. Разработанная динамическая модель системы «проницаемый пласт скважина - бурильная колонна» позволяет по мере поступления новой геологотехнологической информации прогнозировать образование дифференциальных прихватов бурильного инструмента в условиях чередования непроницаемых и проницаемых пластов.

2. Величина гидродинамического давления в кольцевом пространстве на стенки скважины не должна превышать 10 - 11% от проектного пластового давления в условиях чередования непроницаемых и проницаемых пластов для предупреждения дифференциального прихвата бурильного инструмента.

Практическая значимость работы Установлен критерий оптимальности и рассчитаны значения целевой 1.

функции динамической модели образования дифференциального прихвата для оптимизации процесса бурения скважин в условиях чередования непроницаемых и проницаемых пластов отложений перми, карбона и девона.

Разработана номограмма зависимости гидродинамического давления в 2.

кольцевом пространстве от глубины скважин для выбора оптимальных технологических параметров при проектировании и бурении скважин.

Разработана методика оптимизации процесса бурения скважин для 3.

предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

Разработаны практические рекомендации по оптимизации процесса 4.

бурения скважин (технология углубления, режимы промывки, свойства растворов) для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

Личное участие автора в получении научных результатов

1. Объяснена закономерность образования дифференциальных прихватов на месторождениях Самарской области.

2. Разработана динамическая модель образования дифференциального прихвата бурильного инструмента в условиях чередования непроницаемых и проницаемых пластов.

3. Обосновано, что эквивалентная плотность бурового раствора при циркуляции является критерием оптимальности, а гидродинамическое давление в кольцевом пространстве целевой функцией для предупреждения дифференциального прихвата бурильного инструмента при вскрытии проницаемых водо - и нефтенасыщенных пластов перми, карбона и девона.

4. Рассчитаны критические величины гидродинамического давления в кольцевом пространстве на стенки скважины для предупреждения образования дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

5. Разработана номограмма зависимости гидродинамического давления в кольцевом пространстве от глубины скважин для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

6. Выполнены лабораторные исследования физико-химических свойств буровых растворов и их фильтрационных корок для прогнозирования и предупреждения образования дифференциальных прихватов.

7. Разработана методика оптимизации процесса бурения для предупреждения образования дифференциальных прихватов на месторождениях Самарской области.

8. Даны практические рекомендации по технологии углубления, режимам промывки, свойствам буровых растворов и их фильтрационных корок для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических совещаниях, конференциях и семинарах:

- VI Международная научно-практическая конференция «Нефтегазовые технологии» 14-16 октября 2009 года в г. Самара. Доклад по теме: «Внедрение новых информационных технологий в процессе строительства и реконструкции скважин ОАО «НК «Роснефть»;

- научно-технический совет ООО «СамараНИПИнефть» № НТС-ИБ-02от 13.04.2010 в г. Самара. Доклад по теме: внедрения «Результаты информационной системы "Контроль и управление строительством скважин (ИС КиУСС)" на скважинах ОАО "Самаранефтегаз" в 2009 году;

- научно-технический совет ООО «СамараНИПИнефть» № НТС-ИБ-08от 25.11.2010 в г. Самара. Доклад по теме: «О результатах разработки Стандарта ОАО «НК Роснефть» «Осуществление инженерно-технологического сопровождения процессов строительства и реконструкции скважин»;

- I научно-практическая конференция «Инжиниринг строительства и реконструкции скважин» 1-3 июня 2011 г. в г. Самара. Доклад по теме:

«Инженерно-технологическое сопровождение. Новые подходы к повышению качества и эффективности строительства скважин. Основные задачи

инженернотехнологического сопровождения скважин в свете утвержденного Стандарта Компании»;

- I научно-практическая конференция «Инжиниринг строительства и реконструкции скважин» 1-3 июня 2011 г. в г. Самара. Содоклад по теме:

«Результаты опытно-промышленной эксплуатации системы КиУСС и перспективы ее развития. Моделирование технологических процессов в ходе инжиниринга строительства (реконструкции) скважин»;

- международная научно-практическая конференция «Ашировские чтения»

26-29 сентября 2011 года, Туапсинский р-н, г. Туапсе. Доклад по теме:

«Оптимизация процесса бурения скважин на основе мониторинга техникотехнологических и геолого-геофизических параметров»;

- II научно-практическая конференция «Инжиниринг строительства и реконструкции скважин» 14-15 июня 2012 г. в г. Самара. Доклад по теме: «Опыт проведения инженерно-технологического сопровождения скважин в ОАО НК «Роснефть». Предложения по развитию системы ИТС. Моделирование процесса бурения. ИТС как система осуществления авторского надзора»;

- научно-технический совет ООО «СамараНИПИнефть» № НТС-ТИ-29от 27.07.2012 в г. Самара. Доклад по теме: «Оптимизация процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на основе мониторинга технико-технологических и геолого-геофизических параметров»;

- международная научно-практическая конференция «Ашировские чтения»

26-30 августа 2012 года, Туапсинский р-н, г. Туапсе. Доклад по теме:

«Оптимизация процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на основе мониторинга технико-технологических и геологогеофизических параметров»;

- заседание кафедры бурения скважин Национального минеральносырьевого университета «Горный» 11 сентября 2012 года в г. Санкт-Петербург.

Доклад по теме: «Оптимизация процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на основе мониторинга технико-технологических и геолого-геофизических параметров»;

- научно-технический совет ООО «СамараНИПИнефть» № НТС-ТИ-28от 30.04.2013 в г. Самара. Доклад по теме: «Рекомендации по предупреждению прихватов бурильного инструмента на месторождениях Самарской области»;

- заседание кафедры бурения скважин Национального минеральносырьевого университета «Горный» 13 июня 2013 года в г. Санкт-Петербург.

Доклад по теме: «Оптимизация процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин на месторождениях Самарской области».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Диссертация состоит из пяти глав.

В первой главе рассмотрены методы поиска оптимальных режимов бурения, разработанные российскими и зарубежными научными школами, а также сложившаяся российская производственная практика оптимизации бурения скважин.

Во второй главе выполнено теоретическое исследование процесса бурения.

Найден и обоснован критерий оптимальности и целевая функция для оптимизации технологического процесса бурения для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

В третьей главе представлены результаты физического моделирования процессов фильтрации буровых растворов в лабораторных условиях. Разработаны рекомендации по свойствам буровых растворов и их фильтрационных корок.

В четвертой главе представлены результаты статического и динамического моделирования технологического процесса бурения скважин с использованием программного обеспечения. Разработана номограмма зависимости гидродинамического давления в кольцевом пространстве от глубины скважин для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

В пятой главе представлена методика оптимизации процесса бурения для предупреждения дифференциальных прихватов бурильного инструмента.

Разработаны практические рекомендации по предупреждению прихватообразования. Выполнена оценка экономического эффекта от внедрения данной методики оптимизации процесса бурения.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РОССИЙСКОГО И МИРОВОГО ОПЫТА

ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ

Обзор научных работ по оптимизации процесса бурения скважин 1.1.

Отечественная практика оптимизации процесса бурения скважин основана на научных работах Федорова В.С. [68, 69], Шрейнера Л.А. [50], Погарского А.А.

[48, 49], Осипова П.Ф. [38, 44], Юнина Е.К. [88-94] и ряда других российских исследователей [1, 4, 6, 9, 10, 11, 17, 18, 19, 24, 26, 28, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 48, 49, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 75, 76, 87].

Федоров В.С. х годов ХХ века) является (период 40 - 60 основоположником научной школы, приоритетным направлением которой было исследование процесса бурения лопастными и шарошечными долотами по выходным параметрам их работы. В своих работах Федоров В.С. указывает, что под режимом бурения принято понимать сочетание факторов, влияющих на показатели бурения, которые могут изменяться бурильщиком с поста управления.

При бурении в неосложнённых условиях к таким параметрам относят: 1) осевая нагрузка на долото; 2) скорость вращения долота (или ротора); 3) количество промывочной жидкости; 4) качество промывочной жидкости, передаваемой на забой (удельный вес, вязкость, напряжение сдвига, фильтрация). Гармоничное сочетание данных параметров, которое позволяет получать наиболее высокую рейсовую скорость и необходимые качественные показатели бурения, при данной технической вооруженности буровой, называется рациональным (оптимальным) режимом бурения [68, 69].

Шрейнер Л.А. (период 40 - 60 - х годов ХХ века) исследовал элементарный акт взаимодействия зуба (зубца) шарошечного долота с горной породой. Была установлена классификация горных пород по характеру сопротивляемости их внедрению зуба (зубца) шарошечного долота. На этой основе выбирались наиболее эффективные силовые параметры для процесса бурения [50].

Погарский А.А. в своих работах (период 50 - 80-х годов XX века) описывал оптимизацию процесса бурения как целостную систему с использованием автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). АСУ ТП функционировала в единой вертикально-интегрированной системе министерства нефтяной промышленности СССР, добывающего объединения, кустового информационно-вычислительного центра, научно-исследовательского и проектного института (НИПИ), нефтегазодобывающего управления, управления буровых работ. Особое место в системе АСУ ТП отводилось НИПИ.

Данные организации должны были разрабатывать индивидуальные оптимизированные проекты для каждой скважины, планируемой под бурение.

Оптимизированный проект представлялся как документ, содержащий оптимальные технико-технологические рекомендации для каждой отдельной скважины по всему геологическому разрезу. При ряде применяемых технологических процессов, используемых при строительстве скважины (углубление, крепление, вскрытие и др.) внимание сосредотачивалось именно на углублении. Это определяется тем, что углубление занимает основной объем затрат времени и средств. Наибольшие трудности в оптимизации представляет процесс углубления скважины с большим влиянием внешней среды и наиболее сложным математическим описанием, а не спуск колонн с их цементажом, другие процессы строительства скважины [48].

Погарским А.А. предложена классификация типов систем, представляющих процесс бурения: детерминированная, стохастическая и слабосвязанная.

Прогнозировалось, что главной задачей управления строительством сверхглубоких скважин станет упрощение разнообразия её систем. По мнению исследователя, основная идея оптимизации заключается в том, чтобы разделить сложную систему и решать её задачи по частям – ключевым проблемам.

Погарский А.А. обращает внимание на проблемы взаимодействия в сложной системе и указывает на необходимость кооперации как способа существования системы в целом. В результате кооперации система должна приобретать новые свойства, которыми не обладали её исходные элементы [48,49].

Осиповым П.Ф. (период 60 – 90 - х годов ХХ века, начало ХХI века) была разработана блок-схема с классификацией известных на данный период методов поиска оптимальных режимов бурения, представленная на рисунке 1.1.

Загрузка...

–  –  –

Рисунок 1.1 - Классификация методов поиска оптимальных режимов бурения Синевым С.

В. в ряде работ (настоящий период времени) проведен анализ моделей бурения с оценкой возможностей их практической реализации [63, 64].

Отмечается необходимость учитывать взаимодействие бурильного инструмента со скважиной, как единого механизма. Синевым С.В. анализируются причины скачкообразного трехступенчатого характера зависимости механической скорости бурения v от нагрузки G. Сам процесс бурения уникален тем, что при нагрузке на долото работа бурильного инструмента может трижды претерпевать качественное изменение, определяемое по развитию v (G) трех ступеней (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Графики v(G) на скв. 94 Карагайского месторождения

Зарубежные исследования оптимизации процесса бурения основаны на научных работах Бингхэма М.Г., Луммуса Д.Л., Рида Р.Л., Мурра П.Л., Галле Е.М. и Вудса Х.Б., Бургони А.T., Рема В.А., Мак-Клендона М.Т., Пеннебейкера Е.С., Джавкам-Уолда и Ву и ряда других специалистов.

Бингхэм М.Г. предложил анализировать процесс разрушения пород с помощью зависимости проходки долота за один оборот от параметра осевой нагрузки – g. Метод анализа процесса бурения основан на использовании диаграммы бурения. Диаграмма бурения (g) – это зависимость проходки долота за один оборот от удельной (приведенной к единице диаметра долота) осевой нагрузки g. Процесс разрушения породы на забое описывается целым рядом параметров:

- механическая скорость бурения (параметр, характеризующий результат процесса);

- нагрузка на долото;

- скорость вращения;

- диаметр долота;

- дифференциальное давление на забое;

- прочность породы, оцениваемая твердостью пород или прочностью на сжатие;

- содержание твердой фазы в растворе;

- реологические и технологические параметры раствора;

- расход промывочной жидкости.

Бингхэм М.Г. развил метод анализа графика зависимости = f(g) при бурении шарошечными долотами до теории буримости. Опубликование теории буримости М.Г. Бингхэма стало важнейшим событием 60-х годов в области бурения [38].

Понятие «оптимизация» авторами вышеперечисленных работ трактуется по-разному. Считается, что оптимизация в технологии строительства скважины это процесс обоснования (в том числе с применением математических моделей) более эффективных средств, методов, способов или технологических приемов с целью повышения промежуточных или результирующих технических, экономических или временных показателей. Оптимизация является необходимой ступенью на всех этапах строительства скважины, особенно при ее углублении, так как на этом этапе чаще всего образуются осложнения или предпосылки к последующим осложнениям, что приводит к задержкам в строительстве скважины.

Обобщая выводы ряда исследователей, можно сформулировать, что оптимальный процесс бурения - это такое сочетание типоразмера долот, нагрузок, скоростей вращения ротора (ВЗД), интенсивности промывки, параметров бурового раствора, статического дифференциального давления на забой и других параметров при котором обеспечивается достижение заданных критериев оптимальности в отдельном интервале бурения и в целом по скважине. Например, максимум рейсовой скорости или минимум стоимости метра проходки.

Необходимо также отметить, что в большинстве работ авторами указывается, что процесс оптимизации неотрывно связан с этапом проектирования строительства скважин.

Анализ работ, посвященных оптимизации процесса бурения, позволяет обозначить следующие проблемы: 1) основные теории и методы оптимизации были разработаны в 40-80-е годы прошлого века без учёта современных способов получения и обработки геолого-технологической информации с буровой, моделирования технологических процессов с использованием вычислительной техники и специализированного программного обеспечения; 2) в работах доминирует дифференцированный подход, основанный на оптимизации отдельных элементов технологического процесса бурения: работы шарошечного долота, гидравлических режимов промывочной жидкости, вибраций бурильной колонны и др.

; 3) структурные изменения, произошедшие в нефтяной промышленности в последние десятилетия, существенно изменили подходы к решению проблем оптимизации.

1.2 Анализ российской и мировой практики оптимизации процесса бурения Выбор оптимального технико-технологического решения начинается на стадии проектирования строительства скважины. В России, в соответствии с действующими нормативно-регламентирующими документами, проектная документация на строительство скважины разрабатывается на основе задания на проектирование (техническое задание). Задание на проектирование строительства скважин составляется заказчиком (пользователем недр) с учетом требований проекта геологоразведочных работ и технологического проекта (схемы) разработки месторождения. Состав и требования, предъявляемые к заданию на проектирование, устанавливаются документацией, разработанной в 80-е годы прошлого века, а именно: инструкцией «О составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство скважин на нефть и газ» и Макетом рабочего проекта на строительство скважин на нефть и газ. При разработке задания на проектирование закладываются основные решения, определяющие в дальнейшем ход строительства скважины в части надежности, безопасности, качества и эффективности буровых работ.

Выбор оптимального решения (конструкция скважины, способ бурения, параметры раствора и др.) начинается на этапе предпроектных работ. На этой стадии проектировщиком и службами заказчика строительства скважины используется экспертный метод (по Осипову П.Ф.), основанный на анализе геологических и геофизических исследований, накопленного опыта бурения скважин на месторождении. Задание на проектирование согласовывается технологической, геологической и другими службами заказчика, ответственными за организацию строительства скважин, и утверждается на уровне заместителя генерального директора по бурению организации-заказчика строительства скважин.

Следующим этапом является разработка проекта на строительство скважины. Требования к проектированию определяются «Правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности», а также вышеупомянутой Инструкцией «О составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство скважин на нефть и газ» и Макетом рабочего проекта на строительство скважин на нефть и газ.

В 90-е и 2000–е годы значительно увеличивается объем разделов проектной документации, связанных с организацией производства, экологией, охраной труда и техникой безопасности. В проект закладываются типовые техникотехнологические решения для данного геологического разреза. Как правило, данные решения имеют значительный потенциал для их улучшения и оптимизации в процессе бурения скважины. Неизменными остаются техникотехнологические решения, влияющие на безопасность и надежность работ. К ним относятся: глубина спуска обсадных колонн, давления опрессовки колонн, плотности бурового раствора, высота подъема цемента при креплении и др [21, 30, 52, 67].

Проектная документация должна пройти государственную экспертизу ФАУ «Главгосэкспертиза России». Срок проведения государственной экспертизы проекта составляет до 3 месяцев [46, 47]. После завершения разработки проектной документации основной задачей проектировщика является получение положительного заключения ФАУ «Главгосэкспертиза России». Наличие положительного заключения ФАУ «Главгосэкспертиза России» позволяет сдать проект на строительство скважины заказчику, как выполненную работу.

При необходимости использования новой техники, технологии, материалов, не предусмотренных проектом, допускается составление дополнения к проектной документации. Эти дополнения подлежат экспертизе промышленной безопасности и согласованию с Госгортехнадзором России в установленном порядке.

Анализируя нормативно-регламентирующую документацию, можно отметить, что вопросы оптимизации процесса бурения в данных документах не отражаются в необходимом объеме. За прошедшие четверть века проект усложнился в сравнении с документом образца 1987 года, появилось более новых разделов. Эти разделы связаны с организаций строительства скважины, промышленной, экологической безопасностью, природопользованием. Новые разделы не направлены на стимулирование повышения качества и эффективности самого процесса строительства скважины, поиск и выбор оптимальных техникотехнологических решений исходя из фактических горно-геологических условий.

Необходимо отметить, что Постановлением Правительства РФ № 87 от февраля 2008 года «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» предусмотрено, что проектирование объектов капитального строительства должно осуществляться в две стадии: разработка проектной и рабочей документации. В области бурения скважин проектирование осуществляется в одну стадию – разработка проектной документации. Разработка рабочей документации, во многих случаях, находится в компетенции службы заказчика строительства скважины, бурового подрядчика и сервисных организаций.

Результаты анализа показывают, что проекты на строительство скважин разрабатываются на основе нормативно-регламентирующей документации, которая не учитывает современную организацию буровых работ, подходы к контролю и управлению ходом строительства скважин, уровень развития информационных технологий, средств коммуникации и связи. Следствием этого является недостаточная эффективность проектных решений при изменении горногеологических условий в ходе бурения скважины.

Анализ развития зарубежных нефтедобывающих и сервисных компаний показывает, что с 2000-х годов ХХI века активно создаются центры поддержки технологических операций. Основная задача центров поддержки технологических операций (ЦПО) - повышение качества, эффективности предоставляемых услуг, обеспечения конкурентоспособности нефтедобывающих и сервисных компаний.

Работа ЦПО базируется на получении, анализе и обработке техникотехнологической и геолого-геофизической информации, специализированном программном обеспечении, широкополосных каналах связи с буровой, междисциплинарном экспертном решении производственных проблем [80, 81].

В составе междисциплинарных групп ЦПО работают различные специалисты: буровики, геологи, геофизики, геомеханики, специалисты по разработке месторождений. В своем большинстве ЦПО оказывают услуги по следующим направлениям:

- проектирование бурения скважин и боковых стволов;

- сопровождение наклонно-направленного бурения;

- измерения и каротаж во время бурения;

- геологическое сопровождение бурения скважин;

- геолого-технологические исследования;

- заканчивание и исследование скважин;

- оптимизация бурения.

Большая часть ЦПО по бурению и заканчиванию сервисных компаний функционирует в круглосуточном режиме, что позволяет сократить численность персонала на производственных объектах, а также осуществлять экспертную поддержку вплоть до непосредственного управления операциями из центра. В составе ЦПО ключевую роль выполняют инженеры по оптимизации бурения.

Данные центры имеют следующие иностранные компании: Schlumberger, Halliburton, British Petroleum, StatoilHydro, ConocoPhilips, Petronas, Repsol YPF.

В 2007-2010 годах центры поддержки технологических операций создаются в российских компаниях: ОАО «НК «Роснефть», ОАО «Лукойл», ОАО "Оренбургнефть" ТНК-BP. Основные программные средства, используемые в российских центрах сопровождения бурения: Petris Technology, Inc. «Petris DrillNet», Schlumberger «The Drilling Office», Halliburton «Landmark Well Plan Suite», «Бурсофтпроект «Проектирование скважин», НПО «Бурение», ОАО «НК «Роснефть» ИПС «Контроль и управление строительством скважин», ООО «Петровайзер» «Удаленный мониторинг бурения», ООО «НВП Модем» [2, 5, 78, 79, 95].

В отличие от зарубежных центров поддержки операций, российскими центрами не уделяется достаточного внимания вопросам оптимизации процесса бурения. Акценты смещены на геологическое сопровождение и моделирование

–  –  –

горизонтальных скважин на месторождениях Самарской области показал, что основными проблемами являются:

- низкие коммерческие скорости бурения;

- значительные затраты времени на ликвидацию аварий, осложнений, производственного брака;

- значительные затраты времени на вспомогательные и ремонтные работы.

Анализ результатов бурения 77 наклонно-направленных и горизонтальных скважин на месторождениях Самарской области, представленный на рисунке 1.3 показывает, что существует тенденция роста количества инцидентов, связанных с прихватом бурильного инструмента.

количество инцидентов

–  –  –

Рисунок 1.3 - Количество инцидентов на месторождениях Самарской области При анализе инцидентов использовалась классификация прихватов, разработанная отечественными и зарубежными исследователями [6, 7, 22, 23, 34, 58].

Это позволило установить причины их возникновения по характерным для данных инцидентов признакам. Результаты исследований инцидентов, связанных с прихватами на месторождениях Самарской области, представлены в диаграмме на рисунке 1.4.

–  –  –

Рисунок 1.4 - Причины прихватов на месторождениях Самарской области Результаты исследований показывают, что значительное количество инцидентов связано с дифференциальными прихватами бурильного инструмента, обсадных колонн и хвостовиков.

На долю дифференциальных прихватов приходится 32 % от всех случившихся инцидентов, связанных с прихватообразованием.

В современной практике бурения на месторождениях Самарской области остаются неисследованными причины, вызывающие дифференциальный прихват бурильного инструмента в интервалах, где данное осложнение происходить не должно, исходя из проектных горно-геологических условий. К данным случаям относятся инциденты, возникновение которых происходит в неосложненном стволе, и горно-геологических условиях, где отсутствуют видимые причины для прихватообразования. Проектная и рабочая документация, используемая на буровой, также не содержит информацию об этих интервалах, как об опасных зонах, где возможны дифференциальные прихваты из-за перепада давлений.

Результаты анализа бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин показали, что большинство дифференциальных прихватов произошло при вскрытии продуктивных высокопроницаемых карбонатно-терригенных пластов в интервалах перехода непроницаемой (или слабопроницаемой) части разреза в высокопроницаемую часть или выхода из высокопроницаемой части в непроницаемую (или слабопроницаемую) часть разреза.

Наличие значительного количества случаев дифференциальных прихватов бурильного инструмента свидетельствует о несовершенстве технологических процессов в данных горно-геологических условиях и недостаточной изученности механизма данного явления. Оптимальный технологический процесс бурения в изменяющихся горно-геологических условиях должен обеспечить проводку ствола скважины без осложнений и аварий.

Таким образом, можно констатировать, что тенденция роста осложнений и аварий за последние годы, указывает на необходимость оптимизации процесса бурения скважин на месторождениях Самарской области для предупреждения инцидентов, связанных как с прихватообразованием в целом, так и дифференциальными прихватами в частности.

1.4. Выводы

1. Существующая нормативно-регламентирующая документация в области проектирования и инженерно-технологического сопровождения строительства скважин не всегда позволяет эффективно решать вопросы оптимизации технологического процесса бурения.

2. Необходимо разработать новые методы оптимизации процесса бурения, основанные на получении и обработке геолого-технологической информации с буровой.

3. Основной проблемой бурения скважин на месторождениях Самарской области является рост инцидентов, связанных с прихватами бурильного инструмента.

4. Доля дифференциальных прихватов составляет 32% от всех случаев потери подвижности бурильного инструмента на месторождениях Самарской области.

4. Значительное количество инцидентов, связанных с дифференциальными прихватами бурильного инструмента, существенно снижают техникоэкономические показатели бурения скважин на месторождениях Самарской области.

5. Необходимо исследовать причины, вызывающие дифференциальные прихваты бурильного инструмента в интервалах, сложенных чередованием непроницаемых и проницаемых пластов карбонатно-терригенного разреза на месторождениях Самарской области.

ГЛАВА 2. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМ В

ОБЛАСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

–  –  –

В научных работах 80-х годов советские исследователи относили процесс бурения к стохастической системе с большим разнообразием различных элементов [48]. В данной работе процесс бурения и проблемы, связанные с безаварийной проводкой ствола скважины, рассматриваются с позиции синергетики. Это необходимо для комплексного восприятия сложного технологического процесса бурения, происходящего в постоянно меняющихся горно-геологических условиях.

Синергетика или теория самоорганизации, в настоящее время представляется наиболее перспективным направлением, используемым для научных исследований. За несколько десятилетий существования синергетика сумела доказать универсальность подходов при исследованиях в различных направлениях и сферах научно-практической деятельности.

Синергетика является междисциплинарным направлением научных исследований, в рамках которого изучаются процессы, происходящие в открытых, неустойчивых динамических системах под действием случайных отклонений (флуктуаций). Синергетика устанавливает общие закономерности процессов перехода от хаоса к порядку и обратно (процессов самоорганизации и дезорганизации) в сложной системе, состоящей из множества подсистем.

Синергетика базируется на феномене самоорганизации открытых сложных систем под воздействием постоянного поступления внешней энергии, согласованности (когерентности) протекающих процессов в этой системе, кооперативном характере поведения её элементов (подсистем), нелинейности происходящих процессов (фазовых переходах), возрастающей сложностью подсистем и их объединения в целое с новыми свойствами, которыми не обладает отдельно взятая подсистема.

Основные идеи синергетики формулируется следующим образом:

- целое всегда больше суммы составляющих его элементов;

- целое есть нечто иное, чем сумма элементов; это взаимодействие элементов, ведущее к эмергенции новых качеств [74].

Открытая, неустойчивая динамическая система обладает следующими свойствами:

множеством подсистем;

флуктуациями (колебаниями, случайными отклонениями от средних значений);

- точками бифуркаций (критические точки перехода);

- фазовыми переходами;

- детерминированным хаосом (турбулентностью);

- генерацией информации;

- параметрами порядка;

управляющими параметрами;

самоорганизаций подсистем;

- фрактальностью;

- согласованностью (когерентностью) процессов.

Эволюция открытой неустойчивой динамической системы происходит под воздействием небольшого числа так называемых параметров порядка, подчиняющих себе все элементы сложной системы (рисунок 2.1). При этом подчиняемые элементы q1, q2,...qn также влияют на параметры порядка. В этом заключается основной принцип синергетики - взаимозависимость параметров порядка от подчинённых элементов системы q.

q f, (2.1) т.е. q становится функцией параметров порядка [70, 73].

Принцип круговой причинности: параметры порядка определяют движение элементов системы, а движение элементов системы определяет действия параметров порядка. По своему физическому смыслу параметр порядка - это корреляционная функция, определяющая степень порядка в системе.

Параметрами порядка, как правило, являются переменные величины (фазовый угол, амплитуда волны и др.).

–  –  –

Критерием выбора параметра порядка, является свойство данной величины скачкообразно изменять состояние подчиненной подсистемы.

Например, обеспечить переход от ламинарного к турбулентному движению жидкости. Графическое представление скачкообразного (фазового) перехода неустойчивой системы от одного состояния к другому, указано на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Скачкообразный (фазовый) переход неустойчивой системы от одного состояния к другому Управление открытой неустойчивой динамической системой, состоящей из множества различных и разнообразных элементов, возможно на основе изменения небольшого количества управляющих параметров данной системы.

Управляющими параметрами в процессе бурения являются физические величины (изменение нагрузки, концентрации реагента, разности давлений, температур и др.).

а) б) Рисунок 2.3 - Состояние неустойчивой системы при фазовом переходе На рисунок 2.3 (а) изображен потенциал V (управляющей параметр) скачкообразно изменяющий состояние системы. На рисунок 2.3 (б) изображена временная зависимость параметра порядка u [71, 72].

Скачкообразность процессов (ступенчатость) в физике достаточно известный эффект, обусловленный их качественным изменением. Бурение скважин не является исключением. Необходимо отметить, что скачкообразный характер зависимости механической скорости бурения v от нагрузки G неоднократно указывалась в различных работах исследователей начиная с 40 – х годов прошлого века до настоящего времени (Федоров В.С., Осипов П.Ф., Синев С.В., Юнин Е.К.).

Модели современного процесса бурения в виде зависимостей механической скорости v от нагрузки на долото G и оборотов долота n также имеют скачкообразную (ступенчатую) форму. На рисунке 2.4 (а) показан объемный график зависимости v(G, n) с двумя ступенями и зарождающуюся третью ступень с выраженным интервалом интенсивного роста скорости бурения. На рисунке 2.4 (б) объемный график с полной ступенью и интервалом интенсивного роста скорости бурения второй ступени. В интервалах интенсивного роста скорости бурения наблюдались усиленные вибрации долота.

а) б) Рисунок 2.4 - Графики v (G, n) при бурении скв. № 51 Вост. Колвинская ТиманоПечорской НГП роторным способом Трехступенчатые изменения зависимости v(G, n) в роторном бурении объясняются исследователями различными причинам: плохой очисткой забоя, длиной колонны УБТ, кавернозностью ствола скважины. Также исследователями отмечается недостаточная изученность данного процесса. Отдельные исследователи связывают этот феномен с чередой критических глубин, критическими скоростями бурения, фильтрацией флюидов, скоростью кольматации и др. [63, 64].

Анализ рисунков 2.3. и 2.4. позволяет сделать вывод о единой природе процессов, происходящих в синергетической системе и системе «горная порода скважина - бурильная колонна», существующей в ходе углубления скважины.

Можно предположить, что появление автоколебаний в бурильной колонне, резкий рост механической скорости проходки и другие физические явления представляют собой ценную информацию, сообщающую о начале перехода неустойчивой системы от одного состояния к другому [8, 12, 13].

В синергетике неустойчивое состояние сложной системы рассматривается как основное условие генерации новой ценной информации, т.к. это приводит к нарушению симметрии технологического процесса, отклонению от основных проектных параметров.

Практическая польза синергетики для отрасли бурения скважин состоит в том, что данная методология направлена на исследование сложных открытых неустойчивых динамических систем, состоящих из множества различных подсистем. Процесс бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин может быть отнесен к динамическим системам, так как обладает свойствами, присущими открытым неустойчивым системам, эволюционирующим под воздействием внешней и внутренней энергии.

Исследование проблем бурения с позиции синергетики позволит расширить границы знаний о причинах физико-химических процессов, происходящих в скважине для их прогнозирования, контроля и управления. Комплексный, междисциплинарный подход, составляющей методологическую основу синергетики, позволяет исследовать и решать проблемы, находящиеся на стыках различных профессиональных дисциплин, таких как: бурение, геология, гидродинамика, геофизика, геомеханика, петрофизика, разработка месторождений.

2.2. Динамическая модель геолого-технологической системы «проницаемый пласт – скважина - бурильная колонна»

Процесс бурения может рассматриваться как открытая динамическая система, так как углубление скважины происходит при постоянном притоке внешней энергии. Разрушение горной породы при бурении скважины происходит под воздействием технических средств с определёнными технологическими параметрами в меняющихся горно-геологических условиях. Внешняя электрическая энергия поступает из региональной энергосистемы и (или) от собственного энергетического источника на буровой (ДГУ). Далее происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию, создаваемую наземными техническими средствами и оборудованием (буровые насосы, ротор, силовой верхний привод и др.) для передачи на забой с использованием внутрискважинного оборудования (буровой инструмент, УБТ, ВЗД, долото).

Механическая энергия в процессе бурения используется для создания необходимой мощности, направленной на разрушение горной породы, промывки, обеспечения противодавления на стенки ствола скважины. Данная энергия рассеивается в процессе углубления, воздействуя на забой и стенки скважины, бурильный инструмент, ВЗД, долота. При отсутствии притока внешней энергии, динамическая система не существует. Иначе говоря, если система находится в статическом состоянии, принципы синергетики к ней не применимы.

Таким образом, можно сказать, что разрушение горных пород происходит в динамической геолого-технологической системе, существующей только в ходе углубления скважины.

Динамическая система состоит из нескольких подсистем:

а) геологической; б) гидродинамической; б) технико-технологической.

Перечисленные подсистемы обладают особыми физико-механическими и химическими свойствами. К этим свойствам может быть отнесена способность подсистем менять свое состояние, скачкообразно переходить от одного состояния к другому, т.е. совершать так называемый фазовый переход. Например, фазовый переход от ламинарного потока к турбулентному потоку при циркуляции бурового раствора.

В процессе бурения динамическая система находится под воздействием внешних и внутренних колебаний, создаваемых неустойчивым процессом углубления скважины, воздействием случайных отклонений от заданных параметров по геологическим, технологическим и другим причинам. Основным фактором неопределенности в процессе углубления скважины является геологический разрез, сложенный различными литологическими пачками.

Динамическая система подчинена принципу причинности, а именно, отклик динамической системы не происходит раньше оказанного воздействия на неё.

Особенностью динамической системы является то, что входящие в неё подсистемы (геологическая, гидродинамическая, технико-технологическая) принципиально отличаются друг от друга и подчиняются различным физикохимическим законам. В сложной динамической системе поведение и развитие отдельной подсистемы определяется в зависимости от её взаимодействия с другими подсистемами. Это создает проблему многовариантного поведения динамической системы, что не всегда может быть описано детерминистической моделью, формализованной в типовые проектные решения.

Крепление пробуренного участка скважины обсадной колонной завершает очередной этап развития динамической системы. Обсаженная скважина, представляет собой завершенное инженерное сооружение, состоящее из отдельных технических элементов: направление, кондуктор, техническая, эксплуатационная колонна (хвостовик).

В данной работе для исследования причин образования дифференциальных прихватов бурильных труб в карбонатно-терригенном разрезе на месторождениях Самарской области используется динамическая система «проницаемый пласт скважина - бурильная колонна». Это связано с тем, что дифференциальные прихваты бурильного инструмента происходят в интервалах проницаемых пластов при сложении ряда определенных технологических факторов.



Pages:   || 2 | 3 |








 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.