На правах рукописи

ХАБИБУЛЛИН ИЛЬДАР АЙРАТОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

ВЫБУРЕННОЙ ПОРОДЫ ПРИ БУРЕНИИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа-2008

Работа выполнена на кафедре Бурение нефтяных и газовых скважин Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Агзамов Фарит Акрамович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Крысин Николай Иванович;

кандидат технических наук

Самигуллин Валерий Хакимович.

Ведущая организация ОАО НПО Буровая техника-ПФ ВНИИБТ.

Защита состоится л5 декабря 2008 года в 11-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан н__ ноября 2008 года.

Ученый секретарь совета Ямалиев В.У.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время все большую актуальность приобретает бурение накнлонно направленных и горизонтальных скважин. Это связано с необходинмостью повышения производительности и снижения сроков окупаемости стронительства скважин. Кроме того, обнаружение перспективных площадей под сельскохозяйственными объектами, территорией заказников и заповедников, ограниченное пространство морских буровых требует размещения скважин с максимальной компактностью и без снижения понтенциального дебита.

Несмотря на многолетний опыт проводки горизонтальных скважин, вопросы их эффективной промывки изучены недостаточно. Нет общепринянтой методики расчета необходимых параметров промывочных жидкостей, не в полной мере при экспериментальных исследованиях учитывались необходимые критерии подобия.

Все это обусловливает необходимость более глубокого теоретического и экспериментальнного изучения процессов транспортирования шлама при проводке горизонтальной скважины с соблюденнием критериев подобия.

Цель диссертационной работы - разработка рекомендаций по повышению эффективности очистки горизонтального ствола скважины от выбуренной породы на основе исследований влияния на транспорт шлама различных факторов реологических свойств промывочных жидкостей, эксцентриситета кольцевого пространства, вращения труб и их конструкции, зенитного угла.

Задачи исследований:

1. Разработка экспериментальных установок для определения влияния различных факторов на процесс транспортирования шлама в горизонтальных и наклонно направленных участках скважин.
2. Изучение влияния реологических параметров промывочных жидкостей, эксцентриситета кольцевого пространства, зенитного угла на процесс транспортирования шлама по наклонно направленному и горизонтальному участку ствола скважины.
3. Оценка влияния спирального оребрения бурильных труб на транспортирование шлама в горизонтальных скважинах. Определение рациональных параметров оребрения.
4. Разработка математической модели расчета распределения скоростей течения жидкости по окружности эксцентричного кольцевого пространства при различных режимах течения и свойствах жидкостей.
5. Экспериментальная оценка влияния вращения бурильных труб на транспортирование шлама.

Методы решения задач

Теоретические и экспериментальные исследования с использованием ньютоновских и неньютоновских систем, физического и математического моделирования с апробацией результатов на специально созданных экспериментальных установках.

Научная новизна

1. Установлено, что оребрение бурильных труб с шагом спирали, равным 15 диаметрам трубы, позволяет снизить необходимый для транспортирования шлама расход промывочной жидкости по сравнению с гладкими трубами на 40% при неподвижной и на 60% при вращающейся бурильной колонне.
2. Оребренные бурильные трубы с шагом 4,7 диаметров трубы эффективны только при невращающейся бурильной колонне.
3. Выявлено, что увеличение динамического напряжения сдвига промывочной жидкости отрицательно влияет на транспортирование шлама при эксцентричном расположении бурильной колонны в горизонтальной скважине.
4. Обоснована и разработана математическая модель расчета распределения скоростей течения промывочной жидкости по окружности эксцентричного кольцевого пространства при различных реологических параметрах.
5. Установлено, что вращение гладких бурильных труб позволяет на 40% снизить минимально необходимый для транспортирования шлама расход промывочной жидкости.

На защиту выносятся:

1. Критерии подобия и моделирования для экспериментального изучения транспортирования шлама в эксцентричном кольцевом пространстве горизонтальных и наклонно направленных скважин.
2. Конструкции экспериментальных установок.
3. Результаты экспериментального исследования влияния реологических параметров промывочной жидкости, зенитного угла, эксцентриситета кольцевого пространства, винтового оребрения труб на транспортирование шлама в горизонтальной скважине.
4. Обоснование рациональной конструкции оребренных труб.
5. Разработанная математическая модель распределения скоростей течения промывочной жидкости по окружности эксцентричного кольцевого пространства.

Практическая ценность и реализация

1. По результатам экспериментальных исследований была обоснована геометрия винтового оребрения бурильных труб, переданная ЗАО Акватик. Изготовлена опытная партия винтовых оребренных труб, и готовятся их промысловые испытания.
2. Сконструированные две экспериментальные установки используются студентами специальности 130504 - Бурение нефтяных и газовых скважин при курсовом и дипломном проектировании. Материалы диссертационной работы используются в УГНТУ при чтении курса лекций по дисциплине Гидроаэромеханика в бурении для студентов специальности - Бурение нефтяных и газовых скважин.

Апробация работы и результатов исследований

Основные положения диссертационной работы докладывались:

1. На V конференции молодых специалистов и творческой молодежи ООО Буровая компания Евразия, 23-25 мая 2005 г., г. Самара;
2. Международной научно-технической конференции Повышение качества строительства скважины, 7-9 декабря 2005 г., г. Уфа;
3. Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, секция Бурение нефтяных и газовых скважин, 2006-2008 гг., г. Уфа;
4. Международной конференции Современные технологии разработки нефтегазовых месторождений, 19-22 сентября 2007 г., г. Ижевск.

Публикации

Содержание работы опубликовано в 9 научных трудах, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка использованных источников из 112 наименований отечественных и зарубежных авторов, 4 приложений. Изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 34 рисунка и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, цель и основные задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая ценность и апробации научных результатов.

В первом разделе приводится обзор литературных источников, связанных с транспортированием шлама в горизонтальных скважинах.

Одной из больших проблем при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин является недостаточная очистка ствола скважины, которая приводит к целому ряду осложнений и удлинению сроков строительства скважин.

Совершенствование методов очистки ведется по нескольким направлениям - улучшение реологических параметров промывочных жидкостей, совершенствование гидродинамики промывки, применение вязко-упругих буферных систем. Хорошие результаты получаются при бурении скважины с верхним приводом.

Проблема транспортирования частиц выбуренной породы по горизонтальному участку ствола скважины в некоторой степени сходна с проблемами гидротранспорта твердых материалов в промышленности.

В исследованиях, посвященных данной проблеме, были определены механизмы транспортирования твердых частиц потоком жидкости, условия осадконакопления, введены понятия гидравлической крупности частиц по их скорости оседания в воде, определены критерии процессов - параметры Архимеда (Ar), Рейнольдса оседания (Reос) и др.

Однако результаты этих исследований не могут быть прямо применены к процессу транспортирования шлама в горизонтальных скважинах, т.к. в системах напорного гидротранспорта несущей средой является вода, движущаяся в трубах, а бурение горизонтальных скважин осуществляется с промывкой растворами, относящимися к неньютоновским, в реологическом смысле, системам, движущимися в эксцентричном кольцевом пространстве.

Вопросы транспорта шлама в горизонтальных скважинах описываются в трудах отечественных авторов, таких как: Акбулатов Т.О., Алван К.А.Х., Беккер Т.Е., Данелянц С.М., Дуркин В.В., Караушев А.В., Кашкаров Н.Г., Киселев П.В., Крецул В.В., Крылов В.И., Ликушин A.M., Махоро В.А., Штамбург В.Ф., и др., а также зарубежных: Озара Дж. Дж., Окражи С., работах компании M-I Drilling fluids и др.

Среди теоретических работ по расчету промывки горизонтальных скважин следует выделить Крылова В.И. и Крецула В.В., предложивших следующую формулу для расчета необходимого расхода промывочной жидкости, обеспечивающего транспорт шлама в горизонтальной скважине:

где DС, DТ - диаметр скважины и бурильных труб соответственно;

,0 - структурная вязкость и динамическое напряжение сдвига раствора;

- плотность промывочной жидкости;

- зенитный угол ствола скважины.

Предложенная зависимость была получена для жидкостей, описываемых моделью Бингама. Из уравнения следует, что увеличение динамического напряжения сдвига 0 уменьшает необходимый расход промывочной жидкости, т. е. увеличивает ее несущую способность. В то же время в уравнении не учитывается размер транспортируемых частиц шлама, эксцентриситет кольцевого пространства.

Кашкаровым Н.Г. были проведены экспериментальные исследования влияния реонлогических параметров промывочной жидкости на очистку нижней зоны горинзонтального ствола. При этом движение потока бурового раствора производилось по щелевому каналу, расположенному под углом 26 , нижняя часть которого была заполнена мелкодисперсным шланмом диаметром 0,1 - 1,0 мм. Им было установлено, что размыв мелкодисперсного шлама наиболее интенсивно происходит при условии. В диапазоне 0 / от 1 до 10 с-1 толщина смытого слоя шлама не превышала 5-6 мм, а с увеличением этого соотношения от 150 до 920 с-1 разнмыв шлама увеличивался до 16-23 мм.

Достаточно детально результаты лабораторных исследований изложены в обзоре фирмы Drilling fluids Co. Отмечено, что осевший шлам образует дюны на наклонном участке ствола скважины. При прекращении циркуляции может наблюдаться быстрое оседание частиц шлама (эффект Байкотта). В результате наиболее сложным с точки зрения выноса шлама и предупреждения прихватов считается участок ствола скважины с зенитным углом в пределах 3555. Однако исследования проводились на установке, имеющей DC =0,1 м и длину l =4,57 м, что не в полной мере позволяло моделировать граничные условия.

Некоторые авторы для очистки скважины от выбуренной породы рекомендуют периодически прокачивать порции высоковязкого раствора.

Опыт бурения горизонтальных скважин показывает, что расход промывочной жидкости, необходимый для транспортирования шлама в них, принимается в 2-3 раза больше, чем в вертикальных скважинах.

В УГНТУ Акбулатовым Т.О. была предложена методика расчета промывки горизонтальных скважин. Согласно этой методике, движение частиц шлама по стволу горизонтальной скважины возможно при выполнении двух условий: сила воздействия потока жидкости на частицы шлама в горизонтальной плоскости больше сил сопротивления движению частиц; отсутствие застойных зон в нижней части кольцевого пространства, достигаеме при где DЗ - диаметр замка бурильных труб; DТ - диаметр бурильных труб; Р/l - градиент давления вдоль оси скважины.

Силу, с которой поток жидкости увлекает частицу шлама, предложено определять как

где СТ - касательные напряжения в потоке жидкости у стенки скважины;

SЧ - площадь проекции частицы на стенку скважины;

dЧ - эквивалентный диаметр частиц шлама.

Однако данная методика нуждается в экспериментальной проверке.

Алван К.А.Х. в своей работе показал, что транспортирование шлама можно улучшить, создавая вибрацию бурильной колонны. Но на практике сложно установить на колонне необходимое количество вибраторов, а значит, этот метод может быть реализован при небольшой длине горизонтальных участков.

Файн Г.М. на основании обзора зарубежной практики показал широкое распространение УБТ и ЛБТ с винтовым спиральным оребрением. Основная технологическая задача, решаемая их применением, - уменьшение площади контактной поверхности УБТ или ЛБТ со стенками скважины. Однако неизвестно влияние оребрения труб на транспорт шлама в горизонтальных скважинах.

Из вышеизложенного следует, что вопросы промывки горизонтальных скважин изучены еще в недостаточной степени, имеются различные мнения о влиянии реологических параметров промывочных жидкостей, в частности динамического напряжения сдвига, на процесс транспорта шлама, не изучено влияние эксцентриситета кольцевого пространства, количественное влияние вращения бурильных труб, влияние смазочных добавок, геометрической формы труб, зенитного угла скважины. Это обуславливает то, что экспериментальные исследования данных вопросов необходимо проводить, уделяя серьезное внимание моделированию граничных условий и режимных параметров.