автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса бурения скважин ступенчатым разрушением забоя

ДО и ь а

е.:.

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭЩТЕТИКИ РСФСР

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31АМНШ НАУЧНО-ИССВДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТШИКИ

(ВНИИБТ)

На правах рукопиои

КАРАХАНОВ ЭДУАРД АЛЬБЕРТОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТШОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ СКВАЖИН СТУПЕНЧАТЫМ РАЗРУШЕНИЕМ ЗАБОЯ

Специальность 05.15.10. Бурение оквяжин

Автореферат диссертации на ооискапие ученой степени кандидата техшгчаских наук

Москва, 1992

■ Работа вшшшена во Всесоюзном ордена Трудового Краоного Знамени научно-исследовательском институте буровой техники СШИИБТ) и Волгоградском государственном научно-иоследовательоком ж проектной институте нефтяной и газовой промышленности (Волгог-радНИШнефть). Миниотеротва тошшва и энергетики РСФСР

Научный руководитель - кандидат технических наук

МИХЕЕВ В.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профеосор ИЛЬСКИЙ А.Е. кандидат технических наук КОРОШО Б.И.

Ведущее предприятие - производственное объединение "Прнхаопийбурнефть".

Защита диооертации ооотоитоя " % " ^^_1992 г.

В УО часов на заседании специализированного Совета Д.104.03.01 Воеоосзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института буровой техники (ШШБТ) по адреоу; 117957, гМосква, В-49, Ленинокий проспект, 6.

С диссертацией ыожно ознакоштьоя в библиотеке ВНИИБТ.

Автореферат разослан " ^ " ^ЛАХХл-Я 1992 г.

Ученый оекретарь

специализированного Совета /О

кацдвдат технических наук г\ А.И.Лятвинов

а

СВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ . .

Актуальность проблемы. Необходимым условием для эконсыичео-кого развития страны является полное удовлетворение потребности предприятия углеводородным сырьем и топливом. Определявшим при этом является рост объемов бурения при увеличении глубины скважины и глубины спуска промежуточных колонн большого диаметра.

Одним из эффективных опособов достижения вертикальности и качеотва отвола скважины большого диаметра является отупенчато-роторный способ бурения (СРБ), при котором одновременно разрукается круговой забой под долотом и кольцевой забой под расширителем. Однако, сегодня СРБ не нашел массового применения по ряду причин, основными из которых являются отсутствие серийно выпускаемых расширителей и недостаточность исследований особенностей технологии СРБ.

2панио механизма перераспределения нагрузок между долотом и раоширителем, закономерностей 'разрушения кольцевого забоя при СРБ в породах различной твердооти и проницаемости, влияние гидравлических параметров на эффективность процесса СРБ, особенностей вибраций при СРБ является необходимым условием разработки научно-обоснованных критериев создания режимов бурения, выбора КНБК и рекомендаций по конструирование расширителей для СРБ.

Цель работы. Совершенствование огупенчато-рогорного опоооба бурения на оонове комплекса теоретических и чхэмноловых исследований закономерностей СРБ для повышения технико-экономических показателей бурения и проводки вертикальных отводов скважин без проработок и подготовки отвода под спуок обоадных колонн при эффективной режиме разрушения пород всего интервала надсолевой толии на месторождениях фякаопля.

Основные задачи работы.

1. Разработать для ступенчато-роторного бурения (СРБ) способ определения баланса распределения общей нагрузки, создаваемой сжатой частью КНБК ыевду нагрузкой на долото и нагрузкой на рао-ширитель в различных геолого-технологических условиях бурения.

2. На основе анализа причин, определяющих эффективность применения СРБ, разработать технико-технологические мероприятия, обеспечивающие эффективность применения СРБ во всех разбуриваемых породах, о учетом их физико-механичеоких свойств.

3. Последовать влияние различных гидравлических параметров и охем промывки породоразрушасщих инструментов при СРБ и показать особенности составления гидравлической программы, обеспечивающей вффективность процесса СРБ.

4. На основе комплексного изучения причин, способствующих

• сохранению продольной устойчивости КНБК при СРБ, разработать принцип выбора ступенчатых КНБК, обеспечивающих вертикальность ствола ск1ушшн при различных геолого-технологичоских условиях бурения.

5. Определить зависпиооть частоты и амплитуды продольных

,колебаний бурильного инструмента от фвэшю-мехйнических свойств разбуриваемых горных пород, режима СРЬ и конструкций породоразру-иаюпдах инструментов.

Научная новизна. Впервые на основе промысловых экспериментов иослодованы особенности разрушения расширителем кольцевого забоя при СРБ и теоретически описано изменение напряженного состояния горшх пород, слагающих колщевой уступ, теоретически исоледован механизм перераспределения общей нагрузки, создаваемой сжатой часть КНБК, моаду нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитель при разбуривании геологического раз роза, сложенного чередующимися пропластками пород различной твердости.

Впервые экспериментально исследовало влияние режима точена?!

восходящего от долота к расширителю потока промывочной жидкости на эффективность С1Б.

Впервые при расчете КНБК для СРБ применен иетсд конечных

I

элементов.

впервые на основе промысловых экспериментов иооледованы причины возникновения продольных вибраций бурильного инструмента при СРБ в геологическом разрезе, сложенном чередующийся пропласткаии пород различной твердоотн и обоонованы причины, предотвращающие возникновение значительных вибраций бурильного инструмента при СРБ в геологическом разрезе, сложенном проплаотками пород, твердость которое незначительно различается между собой.

Практическая ценнооть. Разработал метод определения баланса распределения общей нагрузки, создаваемой ожатой чаотьо КНБК между нагрузкой на долото и натруакой на расширитель в различных геоло-го-технологичеоких условиях СРБ. Предложен алгоритм составления реолого-гидравлнчеокой программы для СЙ5.

Разработан метод подбора КНБК для СРБ, обеопечивающий сохранение продольной устойчивости низа КНБК при разбуриваяил геологического разреза, сложенного чередующимися проплаоткаыи пород различной твердости п расположенных под различными углами залегания.

Разработано наддолотное устройство, позволяющее уменьшить: интенсивность естественного иокрзвления оквахшш, время на СПО, вероятность осложнений о резьбовшш соединениями УБТ при бурении и улучшить режимные параметры бурения.

Предложены техшшо-технологнчеокие мероприятия, обеспечивающие минимальный уровень продольных колебаний бурильной колоты и минимальный интервал времени СРБ в вибрационном режиме а геологи-чеоком разрезе, сложенном чередующимися проплаотхама пород различной твердости.

. Реализация работы в промышленности. Результаты теоретичеоких к экспериментальных исследование особенностей технологии СРВ были иопользованы при проводко окважин 53-Т "и 52-Т, а также послужили основой при составлении режимно-технологической карты СРВ, ооставленной при участии автора для бурения в надсолевой толще на месторождениях Прихаспия ПО "Прикаспийбурнефть". Впервые на месторождениях Прнкаспия веоь интервал надоолевой толща пробурен сзупен-чато-роторным споообом на скважине 53 Тенгиз и было практически доказано, что при СРБ ствола скважины диаметром 393,7 мм не требуют оя дополнительных проработок ствола перед спуоком обсадной колонны диаметром 340 им. Экон'омичеокий эффект, полученный при шедро-*

нии усовершенствованной технологии СРБ на площадях Прикаспия составил £5 тыс.руб. шш 29 руб. на метр проходки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ХУШ и XIX Научно-технических конференциях молодых уч'еннг и специалистов, Москва 1987 и 1968 гг.; на краевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Краснодар, 1969 г.; на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Волгоград, 1990 г.

Публикации. По теме диссертации авторш опубликовано 12 печатных работ.

Объем работы. Диосертация оостоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы,содержащего наименований, приложения. Работа изложена на ЦАо страницах машинописного текста, содержит Л?» риоунков и таблиц.

ОСНОВНОЕ ССЩЕШНИЕ РАБОТУ Во введении сформулированы цель п основные задачи исследования о обоснованном их актуальности, научной новизны и практической ценности.

В первое главе привалов анализ современного соотоявия вопроса технологии ступенчатого роторного бурения (СИ>).

Технология СРБ основывается ва том положении, что при наличии дополнительной поверхности обнажения уменьшается сопротивление породы кольцевого уступа разрушен^. Это положение основано на экспериментальных исследованиях Владиславлева B.C., Хлобинского Б.А., Кулиева С.М., Мдавани А.Г. и др., проведенных при разрушении образцов различных пород, имеющих дополнительную поверхность обнажения.

Метод моделирования процесса расширения ствола скважины шарошечными микродолотаыи в условиях сложи он ап ряже иного ооотояния горной породы, примененный Райхертои Л Д. поаводал выявить, что на изменение механичеокой скорости расширения ( VP ) влияют коэффициент расширения ( ), скорость вращения расширителя ( h ), осевая нагрузка ( G ), и было установлено, что в повышением гидростатического давления, моделирующего плотнооть промывочной жидкости в скважине, увеличивается механическая окорооть разрушения. При одновременном разрушении кругового и кольцевого забоев важным является вопрос распределения осевой нагрузки, создаваемой сжатой частью КНБК. Исследованиям этого направления посвящены работы Цдпвшш А.Г:, Райхерта Л.А., Ыирахяна В.И., Насибова HJV. и др.

Вопрос прсыывки скважины при СРБ исследован недостаточно. Согласно Орлову A.B. я др. при СРБ, для очистки кольцевого забоя допускается несколько уменьшить расход промывочной жидкости. Однако, ключевой вопроо технологии СРБ - выбор расхода промывочной жидкости и размещение промывочных отверстий на дородоразрутающих инструментах сегодня ве решен.

Обеспечению вертпкальноота и хачеотва отвага скважшш при СРБ поовящены работы Райхерта Д.А., Фриза И.Ы., Яремейчука P.C., Гркгулецкого В.Г. и др.

Разработаны ИШК в которых реалиауатоя эффект эксцентричного

раоширенвя при СРБ в наклонно залегающих апизотропных породах. Однако, на месторождениях Прикаошш СРБ осуществляется в геологическом разрезе, представленном зачастую пропластками пород различное твердости, залегающими под небольшим углом залегания (не более 10°).

В настоящее время опубликовано ряд статей, в которых, на основе промысловых данных показано, что при СРБ амплитуда продольных колебаний бурильного инструмента намного меньше, чем при роторном буронии оплошным разрушением забоя шарошечным долотом. Однако, теоретического обоснования снижения уровня вибраций при СРБ не имеется.

На оонове анализа имеющихся публикаций показана необходимость комплексного изучения особенностей технологии СРБ и проведения ряда теоретических и промыоловых исследований с целью создания аффективной технологии СРБ, позволяющей проводить вертикальные стволы скважины диаметром 394 мм без проработок и подготовки ствола под спуск 340 мм обоадных колонн и обеспечивающей эффективный режим разрушения пород всего интервала надсолевой толщи на месторождении Тенгиз.

Во второй главо излагаются промысловые результаты СРБ под I промежуточную колонну в надсолевой толще месторождения Тенгиз и показано, что при СРБ в твердых непроницаемых породах механическая окорость проходки уотупает значению механической скорости проходки при роторном бурении оо оплошным разрушением забоя трох-шарошечным долотом диаметром 393,7 мм, а при бурении в проницаемых породах, механическая скорость проходки при СРБ выше, чем при бурении со сплошным разрушением забоя трехшарошечным долотом диаметром 393,7 мм при прочих равных условиях. Для понимания закономерностей разрушения горных пород при СРБ били проведены промысловые исследования по раздельному определению зависимости темпа углуб-

ления каждого породоразрушающего инструмента (долота и расширителя) отупеячатой компоновки от ооевой нагрузки на этот породо-разрушающий инструмент ( 4 ч при бурении в поро-

дах различной твердости и проницаемости. Способ исследований заключался в том, что нами изменялась часть КНБК, расположенная под расширителем. В различных стратиграфических пачках нами чередовались по очереди два вида отупенчатых компоновок (Л I и № 2).

Расстояние от долота до расширителя в компоновке Л I - 7,5 метра, а в компоновке Я 2 - 1,5 м.

Таким образом, в случае "перехода" от компоновки Н I к компоновке № 2 в последующем долблении, у нас появляется возможность, при расширении первых 6 метров компоновкой Л 2 определить величину углубления за оборот расширителем в зависимости от нагрузки на расширитель ( ^«ЛО»)). Следующее долбление, для определения величины углубления за оборот долотом в зависимости от осевой нагрузки ( ) осуществлялось компоновкой Я I.

Результаты исследований темпа углубления долота и расширителя при бурении в мягких породах (Р„ «400 Ша) нижнего мола показаны на рис. I.

Для ясного понимания вопроса о том, как распределяется ооевая нагрузка, создаваемая сжатой частью КНБК между нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитель, ооэдана динамическая модель перераспределения осевых нагрузок между долотом и расширителем в процессе ступенчато-роторного бурения в геологическом разрезе, сложенном проплаоткаыи пород различной твердости. Динамичеокая модель составлена по результатам оводного эксперимента, который основан на результатах отупенчато-роторного бурения в различных пропласт-ках, кроме того, рассмотрены случаи, когда отупенчатая ксшоновка "переходит" от бурения проплаогков, сложенных твердыми породами к бурению проплаотков олсосенных мягкими породами в наоборот. Ествот-

Рио.1 График зависимости темпа углубления от осевой нагрузки в мягких породах (Рш=400МПа)

а) при бурении долотом диаметром 295,3 мм

б) при расширении расширителем диаметром 393,7 мм

Точки А и А-показывают нагрузку, при которой начинается разрушение пород

Точки В и В' - показывают переход от поверхностного

режима разрушение к объемному

Точки С и С' - темп углубления при 200 кН

венно, что при таких "переходах", некоторое время долотом разбу-риваютоя породы, которые по твердости розко отличаются от пород, слагающих забой под расширителем. Анализ указанных "переходов" и тех процеооов, которыми они сопровождаются, позволяет в наиболее полном ввде понять механизм перераспределения нагрузок между нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитель.

В вводном эксперименте рассматриваотся специальный геологи-

Породи:

таэрдво

»п

сродшю "л"

иягяга-

"Ь"

твордыа

нлгкив

•г"

Уэ

ЕЙ

КЗ

|

щ

-Бр-

1Й

Ш

НЙГ

га

ш

ш

т

Полелеяло:

1У

71

УП

п

ш

Рис.2. Схема проведения сводного эксперимента для исследования распределения

нагрузка, создаваемой сжатой частьо КНБК между нагрузкой на долого и нагрузкой на рассиратель при С15 *

ческий разрез - это "мысленно сшитый" разрез, состояний из пяти пропластков.(рка.2) Каждое сочетание проплаотков реально существует в надоалевоы разрезе месторождения Тонгиэ и разбуривалось по технологии СИ5 следующей КНБК: долото I 295,3 СШ; УБТ 178 -7 м; расширитель 6РШ 393,7/269,9 МС, колонна УБТ над H1I. Режим бурения во воах рассматриваемых случаях неизменный (Р=200 кН; V\= I,5o""^í Q в 0,04 мэ/о). При анализе результатов сводного эксперимента учитывалось то, что долото и расширитель, составляющие ступенчатую компоновку, могут углубляться только синхронно, т.е. в одно и то же время на одну и ту же глубину. Именно это положение послужило ооновой составления для каждого рассматриваемого случая бурения ступенчатой компоновкой совмещенного графика Ь и Í- (Рд, Ррщ). Походные данныо для составления графика Sk = Р (Рд; Рщ) были получены при исследованиях по раздельному определению зависимоотей ¿Л £ и в соответст-

вующих проплаотках пород. По графику 4 в Р- (рд; Грщ) можно определять балано распределения общей осевой нагрузки, создаваемой сжатой частью КНБК между нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитоль в различных геолого-технологических условиях. На рио.З показан совмещенный график, построенный для положения УП в рассматриваемом сводном эксперименте, когда долотом и расширителем разрушаются мягкие породы (Ru=400 МПа). Проекция точки пересечения (М) двух графиков ABC и на ось ординат пока-

зывает темп углубления ступончатой компоновки при одновременном «

разрушении пород долотом и расширителем. Проекция точки (Ы) на ооь абсциоо показывает баланс распределения общей осевой нагрузки, создаваемой сжатой частью ИШК между нагрузкой на дсдото и нагрузкой на расширитель.

т

Ц.кЦ

Рио.з. Совмещенный график зависимости

в положении (УП), когда долотом и расширителем разрушаются мягкие породы (Рш=400 Ша)

В результате комплекса промысловых нооледований по раздельному определению зависимости темпа углубления раоширителя при расширении отвола от ооевой нагрузки о применением: раоширителей, имеющих различную контактную поверхность' о кольцевым забоем; шламоуловителей, включаемых в отупенчатую компоновку под и над расширителем; исследований темпа углубления раоширителя при рао-пирении в одних и тех 20 породах, но залегающих па различной глубине, а также аяалзга износа вооружения парепок расширителя п механической скорооти проходки при СРВ в различил геологических условиях бурения показал, что если восходящий от пилот-долота к расширителю поток промывочной гидкости обладает достаточной смы-вающой опоообноотьо (реалы течения воаходящаго потока - турбулентный), то фильтрация водной фазы раствора а проницаемые породы (50* 10~4м^) кольцевого уступа не останавливается и вена вса-

кущения фильтрационного потока возрастает. В порах и трещинах кольцевого уступа создается давление, равное динамическому давление столба промывочной жидкости, т.е. поровое давление в этом случае выравнивается до гидродинамического и разрушение проницаемых пород, слагающих кольцевой уступ происходит без влияния дифференциального давления.

Третьт глада посвящена промысловым и аналитическим исследованиям влияния различных гидравлических параметров промывки и схем расположения насадок на породоразрушающих инструментах о целью создания основ для составления гидравлической программы при СРБ.

При проведении промысловых экспериментов влияние гвдравли-чеоких факторов на процесс ступенчато-роторного бурения производили по следугхцим показателя;.!:

по механической скорооти бурения;

по отработке различных долот и расширителей в кавдом долблении; по гранулометрическому составу шлама; по оальникообразовшшю на породоразрушающих инструментах и

КНБК.

Все промысловые эксперименты можно условно разделить на следу вайе группы:

исследования при изменении геологичоских условий бурония; исследования при изменении схем промывки на долоте и расширителе, а также при различных кольцевых зазорах между стенкой опережающего ствола и УБТ, соединяющего долото о расширителем;

исследования при изменении подачи промывочной жидкости буровыми насооаии в процессе долбления;

исследования по гранулометрическому анализу разбуренной породы; наблюдение за салышкообраэопаш:ом на породоразрушающих инструментах и элементах КНБК. Ввделим следующие моменты:

1. При бурении в надоолевой толще месторождения Тенгиз механическая скорость и другие показатели бурения значительно меняются в зависимости от разбуриваемых отложений (стратиграфических пачек) поэтому было принято решение проводить комплекс исследований в четырех стратиграфических пачках: нижний мел, верхняя юра, средняя юра и тряао.

2. В каждой стратиграфической пачке показан ряд долблений

по технологии СИЗ, при проведении которых проводились эксперименты и исследования. Для сравнительного анализа с роторнш бурением со оплошным разрушением забоя долотом диаметром 393,7 мм приводятся данные аналогичных исследований по ряду долблений в надоолевой толще месторождения Тенгиз.

3. Во всех исследованиях расход промывочной жидкости изменялся от 0,025 м3/с до расхода, при которой давление на отояке в показанном долблении приближалось к 20 Ша.

Сопоставляя результата проведенных исследований в различных стратиграфических пачках можно сделать следующие выводы, которые являются ключевыми для СРБ:

1. Снижение механической скорости бурения в приведенных стратиграфических пачках при СИЗ были получены тогда, когда расширитель был оснацон самостоятельной системой промывки, следовательно, при СИ> следует применять расширители, не имеющие самостоятельной системы промывки.

2. При анализе зависимости механической скорости бурения в большинстве долблений было обнаружено резкое увеличение мехони-чеокой окорооти бурения, которое хорошо корродируется о переходом от ламинарного к турбулентному режиму точения восходящего от долота к раоширителю потока прсинвочной жадкоогн во всех четырех доследуемых отратяграфзчоекпх пачках, следовательно, исходя из

I

конкретных условий, а именно: размеров кольцевого зазора мовду

1С

отенками опережающего отвода и УБТ, соединяюще!! долото и расширитель; расхода промывочной жидкости, при которой осуществляется долбление; реологических характеристик бурового раствора необходимо ооздавать такое сочетание перечисленных факторов, при которнх на участке долото-расширитель обеспечивается турбулентный режим течения восходящего потока.

3. Во всех приведенных долблениях с увеличением гидравлической мощности, срабатываемой в насадках долота, механическая скорость бурения возрастала. При асимметричной системе нрошвки на долоте в большинстве долблений были получены более высокие ско-рооти прсосодки по сравнению с использованием в ступенчатой компоновке долот, оснащенных симметричной системой промывки, следовательно, выбор схемы промывки на долоте в ступенчатой компоновке, а также выбор чиола и диаметра насадок следует производить так, чтобы гидравлическая мощность, срабатываомая в насадках долота была максимальной для данных условий, причем промывку желательно осуществлять через две боковые гидромониторные насадки при одной заглушённой.

Завершаются исследования по гидравлике представлением особенностей составления алгоритма гидравлической программы для СРВ в котором реализованы выводы исследований, согласованы и синхронизированы различные гидравлические критерии, предъявляемые к гидравлике СРВ.

Важный момент при составлении гидравлической программы для отупенчато-роторного бурения заключается в рациональном выборе расхода промывочной жэдкости. Для этого следует раздельно (автономно) определить расхода необходимые:

для нормальной очистки долота и забоя под долотом -для нормальной очистки расширителя и забоя под РШ — ; для выноса разрушенной породы по загрубью между колотой

бурильных труб и стенками скважины - ;

для создания турбулентного режима течения восходящего потока на участке долото-расширитель - Q4 .

После того, как определены значения Qj, Qg» % и Q^ выявляется наибольшее из этих значений, которое и удовлетворит всем четырем условиям нормальной промывки при СРБ - Q мин.

Если в расширителе имеются гидромониторные насадки, то всех их обязательно следует заглушить и всю подводимую гидравлическую мощность срабатывать только в насадках пилот-долота.

С учетом вышеперечисленных особенностей дальнейшее составление реолого-гкдравличеокой программы для СРБ можно проводить согласно имеемся ИИ (например РД 39-2-1156-84).

Четвертая глава посвящена комплексному изучению причин, способствующих сохранению продольной устойчивости КНБК и факторов, обеспечивающих вертшсальнооть и качество ствола скважины при СРБ на месторождениях Прикаспия, где бурение под спуск 340 мм обсадной колонны ведется в интервале 560-3200 м. Технологически целесообразно и практически осуществляется то, что весь этот интервал бурится одной и той же КНБК. Однако, для организации эффективного (объемного) режима разрушения горных пород в верхних интервалах достаточно создания осевой нагрузки до 150 вН, а для организации эффективного режима разрушения в породах верхней юры и перыотриаса требуется создание осевой нагрузки свыше 300 кН.

Второй особенностью бурения на месторождении Тенгиз является то, что в разрезе наблюдается перемежаемооть пород по твердости. По характеру вибраций бурового инструмента, изменением механической скорости и другим признакам можно сделать вывод, что общая нагрузка, создаваемая на породоразрушающие инструменты в процессе долбления непрерывно перераспределяется между нагрузкой на долото

I

и нагрузкой на расширитель при неизменной общей нагрузке, оозда-

ваемой сжатой частью KIffiK.

Это вносит важный момент для подхода к созданию методик расчета ступенчатых КНБК при СРБ.

Во второй и третьей главах была обоснована целесообразность создания турбулентного режима течения восходящего от долота к расширителю потока промывочной жидкости и создание благоприятных условий для фильтрации в околоскватинную зону жидкой фазы промывочной жидкости на участке долото-расширитель. Естественно, что отенки опережающего ствола при таких условиях будут ослаблены и подверчены эрозии восходящим потоком. В таких условиях работы, калибратор, расположенный мевду долотом и расширителем, даже полноразмерный с номинальным диаметром опережающего ствола не может в полной мере обеопечить возлагаемые на опорно-центрирующие элементы функции. Минимальный зазор между стенками скважины и обсадной колонной предъявляет особые, жесткие требования к применяемой, при бурении этого интервала КНБК.

Все изложенное выше требует от нас выработки нового подхода для расчета КНБК при СРБ в условиях бурения на месторождениях Прикаспия и аналогичных ему меоторовдений.

На месторождении Тенгиз при СРБ использовалась следующая ■базовая КНБК:

1. долото диаметром 295,3 мм; .

2. удлинитель длиной до двух метров и диаметром 178 мм;

3. калибратор опиральный диаметром 295 мм;

4. УБТ длиной до оеми метров, диаметром 178 мм;

5. расширитель диаметром 393,7 мм;

6. калибратор опиральный диаметром 393 мм;

7. УБТ длиной четыре метра, диаметром 229 мм;

8. калибратор опиральный диаметром 393 мм;

9. УБТ длиной семь метров и диаметром 229 мм;

10. калибратор опиральный диаметром 393 мм;

11. УБТ длиной до 200 м и соответственно диаметром 229*2ОЗх х 178 ым.

Прежде чем выработать принцип подбора КНБК для СРВ, были расчитанн отклоняющие усилия, возникающие на долоте, расширителе и опорно-цонтрирующих элементах применяемой (базовой) КНБК в различных условиях бурения.

При исследовании базовой ступенчатой КНБК нас прежде всего интересовал случай самый неблагоприятный с точки зрения возможного продольного изгиба базовой КНБК и искривления ствола скважины, а именно, случай (А), когда вся нагрузка создаваемая сжатой частью КНБК, сосредоточена на долоте.

К вопросу о том, как производился расчет важно отметить следующие допущения: в рассматриваемом случае (А) расширитель в расчете принят как шарнирно-подвижная опора, на которой не действует осевое усилие. Такой случай не только идеальный, но и встречается на практике, например, при "вхождении" ступенчатой КНБК из пород нижнего мела в твердые верхнеюрские отложения. При этом, расширитель начинает работать как полноразмерный о номинальным стволом скважины калибратор. Естественно, что в "чиотом виде" такое встречается крайне редко, но допустить это для расчетов рассматриваемого случая считаем вполне приемлемым и обоснованным.

Вычисления производились по методике расчета ыногопролетной балки и методом конечных элементов.

Исследовался также случай (Б), когда вся нагрузка, создаваемая сжатой частью КНБК сосредотачивается на НИ. На практике мы встретились с таким случаем в наиболее чистом виде при бурении скважины 53 Тенгизской в интервале бурения 3077-3084 м. При разбури-ваннл этого интервала долотом разбуривались уже соли, а под РИ кольцевой забой оставался сложенным твердыми породами.

Исходя из условия, что вся нагрузка сосредоточена на расширителе и имея результаты расчета влияния части КНБК, расположенной ниже расширителя для случая (Б) ми принимаем в расчетной схеме расширитель как шарнирную опору.

Для исследования КНБК в случае (Б) бил произведен расчет, основанный на решении в безразмерном ввде системы уравнений перерезывающих сил, действующих на КНБК я расчет методом конечных элементов. Отметим, что результаты по проведенным расчетам используемых методик отличались не более, чем на 10$.

Главный вывод, вытекающий из наших расчетов применяемой на Тенгизе базовой ступенчатой КНБК заключается в том, что вое значения отклоняющих усилий, возникающих на долоте и расширителе в наиболее тяжелых для условий работы КНБК положениях имеют величину порядка 10^ - 10% и поэтому не могут вызывать продольный изгиб КНБК.

Так как отсутствует продольный изгиб в наиболее тяжелых для условий работы КНБК положениях (А и Б), то можно заключить, что не произойдет продольного изгиба во всех промежуточных положениях, при которых осевая нагрузка, создаваемой сжатой частью КНБК, распределяется между нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитель, что и было подтверждено на скважинах 53 и 52 Тенгизских.

По результатам исследований разработан принципиальный алгоритм подбора отупенчагой КНБК, обеспечивающей получение вертикального ствола при одновременной подготовке скважины к сцуску заданной обсадной колонны о учетом того, что весь интервал разбуривается одной и той же компоновкой. Алгоритм содержит следующие шаги: выбор ооевой нагрузки; обеспечение проходимости обсадной колонны; выбор угла искусственной стабилизации;

выбор учаотка КНБК, расположенного между долотам и расширителем;

выбор части КНБК, включающей долото, расширитель и первый полноразмерный с расширителем калибратор;

выбор КНБК, расположенной над расширителем.

Представленный принцип подбора ступенчатых компоновок позволяет "блокировать" (нейтрализовать) возможнооть продольного изгиба нижней части КНБК в самых тяжелых ситуациях, возникающих при СРБ. Естественно, что во всех остальных случаях нижняя часть выбранной ступенчатой КНБК не будет подвержена продольному изгибу.

Пятая глава, посвящена исследованиям вибрации бурильного инструмента при СРБ.

При СРБ на скважинах 53-Т и 52-Т била обнаружена следующая закономерность. При механичеокой скорости проходки ниже I м/ч и выше 5,5 м/ч максимальная амплитуда продольных колебаний ведущей трубы не превышала 4 мм. Бри механической скорости в диапазоне 1-5,5 м/ч амплитуда вибраций ведущей трубы при СРБ была различной, однако ее максимальная величина не превышала 26 мм, тогда как при роторном бурении трехшарошечным долотом диаметром 393,7мм в аналогичных геолого-технологических условиях амплитуда продольных колебаний ведущей трубы достигает 35 мм и более.

Для понимания причин, обуславливающих выявленную закономерность был проведен ряд промыоловых исследований. В результате сопоставления действительного геологического разреза надоолевой толщи на скважинах 53-Т и 52-Т с зафиксированными при помощи ручного вибрографа ВР-1 значениями амплитуды вибраций бурильного инструмента при бурении на соответствующей глубине удалооь выявить величины продольных колебаний ведущей трубы от соотношения категорий твердости пород, слагающих забой под долотом и эабой под расширителем (рис.4).

Рис.4. Изменение амплитуды продольных колебаний

ведущей грубы (А) в зависимости от соотношения категорий твердости пород, слагающих забой под долотом (Тпд) и забой под расширителем (Тпрш)

Из графика изображенного на рис,4 следует, что при СРБ амплитуда продольных колебаний ведущей трубы увеличивается при увеличении отношения твердооти пород одного забоя (кольцевого) к твердости пород, слагающей другой забой (круговой), причем, начиная о определенного значения отношений категорий твердости пород, слагающих кольцевой и круговой sa6oii ; ffi*- > 2,5),

loi, Inru

дальнейшее увеличение этого отношения не вызывает рост амплитуды продольных колебаний бурильного инструмента.

Наличие двух "веток" на рио.4 (а) обусловлено тем, что нами применялись расширители о пятью шарошками (6 ГШ, 7 НИ) - ветка lift и раоширитель о четырьмя шарошками (РШП) - ветка VCtt . При небольших эначониях отношения твердостей пород под долотом и расширителем (-^А- < 1,5) эти две "ветки" сливаются, но

начиная с определенного значения ( 'пА > 1,5) эти "ветки"

расходятся и амплитуда вибраций, возникающая от работы четырех-шарошечного расширителя несколько выше,чем амплитуда вибраций, возникающая при включении в компоновку пятишарошечного расширителя.

Для понимания шявлонных закономерностей (рис.4) вновь обратились к сводному эксперименту и специальный разрез, составленный во второй главе, "нарастили" снизу двумя проплаотками (чс иу ). Затем, приступили к исследованию в семи положениях (рис.5) вибраций бурильного инструмента, сопровождающих процесс СРБ при разбуривании геологического разреза, состоящего из пяти пропластков.

Метод исследования заключался в сопоставлении при каждом рассматриваемом положении (УП-ХШ) трех факторов (А,Б,В). А - частота и амплитуда продольных колебаний инструмента, которая фиксировалась, при помощи ручного вибрографа ВР-1 по перемещению ведущей трубы. Б - литология разбуриваемых долотом и расширителем горшх пород и их твердость на глубине расположения забоев (кругового и кольцевого) - определяли по каротажным замерам, производимым поело разбурквэпия исследуемого интервала. В - распределение осевой нагрузки, создаваемой сжатой частью КНБК между нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитель - определяли о

роенного для ка-эдого исследуемого положения.

В положении УП долотом и расширителем разбуриваются мягкие породы (Нл=400 Ша). Контактное давление под зубьями шарошек долота и под зубьями шарошек расширителя обеспечивает объемное разрушение пород, под долотом и расширителем и процесо углубления отупенчатой компоновки в таком положении (УП) не сопровождается заметным уровнем вибраций. Максимальная амплитуда вибраций ведущей трубы но превышает 4 мм (рис.&Д

тпрш

помощью совмощенного графика зависимости

" 1 ГР" ■

щ-

ГС —$

У з— —к

<1— ■ Я

к— 1

Гг и

ц

р & и

и ч- 1

п

1

е

и • с В о з * 3 г 1* § с и - мягкие . ■ 2 " твердые | "V/ » мягкие - у - Положение:

Рио.5. Схема проведения о водного вхопвримента для иооледований вибраций при СРП

В положении УШ рассматривается момент бурения отупенчатой компоновкой, когда долотом пересекается граница между про пласт-ком, сложенном мягкими породами и пропластхоы, сложенным твердыми порода),™, а расширителем разбуриваются мягкие породы.

В положении УШ происходит перераспределение контактных давлений (под зубьями долота и расширителя). Прсцеес перераспределения контактных давлений сопровождается увеличением амплитуды вибраций бурильного инструмента. В течении 40 сек. (60 оборотов ротора) амплитуда вибраций ведущей трубы увеличивается о 4х до 25 мм (рис.66).

В положении П рассматривается геолого-технологическая ситуация, при которой долотом разрушаются мягкие породы, а расширителем - твердые. Построив совмещенный график £ ОЧ/ ^Vj) для данных условий, мы определяем, что в положении DC нагрузка на долото - 150 кН, и нагрузка на расширитель - 50 1й. Режим разрушения пород - поверхностный (истирающий). Амплитуда продоль-та колебаний ведущей трубы поддерживается на уровне 25 мм. Частота перемещения инструмента равна 3 раза за один оборот ротора. Это говорит о том; что на забое под долотом вырабатываются ухабы и впадины. Число ухабов равно числу шарошек долота. Уступы образуются потому, что работа расширитоля не оказывает значительного влияния на процесс углубления компоновки и определяющей является работа долота (рис.бв).

В положении X рассматривается момент бурения ступенчатой компоновкой, когда расширителем пересекается граница между про-пластками, сложенными мягким и твердыми породами, а долотом разрушаются твердые породы. В данном положении происходит перераспределение контактных давлений (под зубьями долота и расширителя). Нагрузка на долото уменьшается за счет роста нагрузки на расширитель. На границе пропластков расширитель внедряется

три раза за один оборот ротора пятью шарошками в кольцевой забой. Но теперь твердооть пород под расширитель возросла, нагрузка на дслото уменьшается, нагрузка на расширитель увеличивается, углубление ступенчатой компоновки за один оборот уменьшается. Процесс перераспределения контактных давлений и нагрузок между нагрузкой на долото и нагрузкой на расширитель в данном положении (X) сопровождается уменьшением амплитуды вибраций бурильного инструмента. В течении 40 сек. (60 оборотов ротора) амплитуда вибраций ведущей трубы уменьшается от 25 мм до 4 мы. (рис.бг)

В положении X снижения вибраций бурильного инструмента еще не означает, что ухабы на круговом забое под долотом уничтожены.

В положении XI рассматривается оитуацпя, когда и долотом, я раопшрителем разрушаются твердые породы. Соотношение твердооти пород, слагающих кольцевой уступ и контактных нагрузок между аубьями расширителя о кольцевым забоем ограничивает величину углубления пятишарошечного расширителя в кольцевой забой при перекатывании долота по трехухабной рейке кругового забоя. Поэтому, в положении XI, через определенный интервал времени (порядка 15 мин.), ухабы на забое под долотом будут уничтожены. (рио.§д)

По той же причине в положении XI не может возникнуть пяти ухабов на забое под расширителем.

При бурении ступенчатой компоновкой, когда долотом и расширителем разбуриваются твердые породы, причем твердооть пород, слагающих эабой под долотом незначительно отличается от твердооти пород, слагающих кольцевой забой под раопшрителем, взаимное влияние работы долота на работу расширителя и работы расширителя на работу долота привадит к тому, что и кольцевой забой под раопшрителем и круговой забой под долотом формируются без уха-' бов. На практике, его положение подтверждается тем, что амшшту-

да продольных колебаний ведущей трубы в подобных положениях не превышает 4-6 мм.

Таким образом, для СИЗ определена зависимость частоты и амплитуды продольных колебаний бурильного инструмента от соотношения твердооти пород, слагающих забой под долотом и забой под расширителем и по результатам исследований выработан ряд технико-технологических мероприятий, позволяющий свеоти до минимума амплитуду вибраций бурильного инструмента и интервал времени бурения в вибрационном режиме при эффективном разрушении пород. Например, если при СРБ ожидавт<|Я, что в предстоящем долблении будут разбуриваться пропластки пород различной твердооти, то следует в КНБК пилот-долото максимально приблизить к расширителю, оставлял неизменной чаоть КНБК выше расширителя." А»

(мм) (мм!

2&)

20 1&

10 5 О

а)

СНЕ

КЗ

А (мм:

25 20

15

Ю1 5 О

л

ГО

V

У2.Ш

ЧоТ(с)

Рпо.6. Изменение амплитуды продольных колебаний ведущей трубы А пря СРБ в различных положениях сводного эксперимента

а) - положение УП

б) - положение УШ

в) - положение IX г) - положение X

40 -Цс)

д) - положение XI

ОСНОВНЫЕ выводы

1. Усовершенствована технология ступенчато-роторного бурения, позволяющая проводить вертикальные стволы скважины диаметром 394 им без проработок и подготовки ствола под спуск 340 мм обсадных колонн и обеопечиваодая эффективный режим разрушения пород воего интервала надсодевой толщи на месторождении Тенгиз.

2. Разработан способ определения баланса распределения общей нагрузки, создаваемой сжатой чаотью ступенчатой КНБК между нагрузкой и долото и нагруэкой на расширитель, учитывающий контактную площадь вооружения породоразрушающих инструментов и физико-механические свойства пород, слагающих забой под долотом и забой под расширителем.

3. В результате промысловых исследований выявлено, что при изменении режима течения восходящего потока от ламинарного к турбулентному на участке долото-расшпритоль, эффективность разрушения кольцевого вабоя при СРВ в проницаемых породах возрастает в 1,2-1,3 раза.

4. Показаны особенности составления гидравлической программы для ступенчато-роторного бурения.

5. Разработан метод подбора ступенчатых компоновок, предотвращающий возможность продольного изгиба низа КНБК, независимо от соотношения твердооти пород, (шагающих забой под долотом и забой под расширителем.

6. Предложена специальная компоновка БУР 394, защищенная авторским свидетельством # 1502790.

7. Определена зависимость частоты и амплитуды продольных колебаний бурильного инструмента от соотношения твердости пород, слагающих забой под долотом и аабой под раоширителем и по результатам исследований выработан рад технико-технологических мероприятий, позволяющий овеоти до минимума амплитуду вибраций буриль-

ного инструмента и интервал времени бурения в вибрационном режиме при эффективном разрушении пород.

8. Экономический эффект, полученный при внедрении усовершенствованной технологии СРБ на месторождении Тенгиз составил 66 тыс. рублей или 29 руб. на метр проходки.

Ооновные положения диссертации опубликованы в отатьях:

1. Глебов В.Л., Бозырев Ю.С., Михеев В.Л., Карлов Р.Г., Кара-ханов Э.А. Опыт проводки скв.53 Тенгиз огупенчато-роторным опособом бурения. ШИЯБТ, 1968, вып.66.

2. Караханов Э.А. К вопросу о выборе режима бурения при проводке скважин ступенчатыми компоновками. Строительство нефтяных и газовых скважин: Тез.докл. к Всесоюзной научно-техничеокой конференции молодых ученых и специалистов. Краснодар, 1988.

3. Оганов Г.С., Караханов Э.А. Расчет компоновки низа бурильной колонны для роторно-ступенчатого способа бурения. Строительство нефтяных и газовых окважин: Твз.докл. к Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Краснодар, 1968.

4. Райхерт Л.А., Караханов Э.А. Промысловые иопитания технологии ступенчато-роторпого бурения и соответствующего комплекса элементов КНБК. Техника и технология бурения скважин: Э.И. БНШОЭЗГ,-Оточ.опыт. 1988, вып.6.

5. Караханов Э.А. Особенности отупенчато-роторяого бурения в проницаемых породах. Строительство нефтяных и газовых скважин: Тез.докл. краев, научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Краснодар, 23-27 окт. 1989.

6. Караханов Э.А. Применение диаграммы Бинхома при отупен-чато-роторнсм бурении (СРБ). Строительство нефтяных и газовых скважин: Тез.докл. краев.научно-технической конференции молсдах

ученых и специалистов. Краснодар, 1969.

7. Райхерт Л.А., Михеев В.Л., Караханов Э.А. КНБК для уменьшения осложнений при бурении отводов большого диаметра. Тр.ВНШБТ, 1989, вып.67.

8. Райхерт Л.А., Авилов В.И., Иоанооян Ю.Р., Караханов Э.А. А.о. 1502798 СССР, МКИ Е 21 В 17/00, 7/10. Наддолотвый утяжелитель.

9. Караханов Э.А. Особенности распространения трещин в кольцевом уступе при отупенчато-роторном споообе бурения скважин.

Тез.докл. XII научно-гвхничеокой конференции молодых ученых и опе-циалиотов. Бугульиа, 1990.

10. Караханов Э.А. Особенности разрушения пород кольцевого уступа при отупенчато-роторном бурении. Разрушение горных пород при бурении окважин (Ш1-90): Твз^докл. 5 Всесоюзной научно-технической конференции. Уфа, 1990. Т.Ш.

11. Караханов Э.А. Влияние глинистой корки на стенках опережающего отвода на процесс разрушения кольцевого уотупа при СРБ. Тез .докл. на Всеооозной научно-гехничеокой конференции молодых ученых и специалистов. Волгоград, 1990.

12. Караханов Э.А., Михеев в .Л., севдяяов АЛ., Карлов р.Г. Положительное решение по заявке 4665894 (ссср), мки е 21 в 10/18. Буровое уотройотво.

Зак. 293. Тир. 100. Ротапринт Волгоградского ЦНТИ, 1992 г.