автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование сил взаимодействия нижней части бурильной колонны с забоем и стенками пространственно-искривленной скважины

ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ НЕФТИ К ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи Ш Ч2ИЦИН

УДК 622.243.27

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ ВЗАШЗДЕИСТЕШ НИЖНЕЙ ЧАСТИ БУРНЛЬНОИ КОЛОННЫ С ЗАБОЕМ И СТЕНКАМИ ПРССТРАНСТВЕННО-ИСКЙ5ВЛЕННОИ СКВАЖИНЫ

специальность - 05.15.10 бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соисканиие ученой степени кандидата технических наук

/

' МССКВА-19ЭЗ

Работа выполнена на кафедре бурения нефтяных и газовых скваиш Государственной академии нефти и газа км. И.Н.Губкина.

Научный руководитель - к.т.н., с.н.с. Марков О.А.

Официальные оппоненты - д.т.н., проф. Калинин А.Г.

к.т.н., с.н.с. Ворокбктов Ы.И.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт

буровой техники.

Защита диссертации состоится "2И- ¿-¿Л?/'?^ .1593г в часов

_кинут еэ заседании специализированного совета К. 053.27.08 по

ггоисувденив ученой степени кандидата технических наук в Государственной академии нефти и газа юл. И.Ы.Губкина (И7Э17, г Москва, ГСП, Ленинский проспект. 65) в ауд.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ГАНГ им.

И.М.Губкина.

Автореферат разослан " _ 1993 года.

Ученый секретарь ^

специализированного совета Л Палий А.О.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Необходимость быстрэйЕвго развития зксно-и ставит перед работникам;! нефтяной промышленности задачу поеы-•ь эффективность и улучшить качество бурения. Эта задача включает ззбя как увеличение технико-экономических показателей бурения, : и повышение качества буровых работ. Один из ваянейиих факторов ынэння качества — проведение бурения вертикальных и наклскно-равлешшх схвакин строго по проекту. Поэтому управление траект:-й сквакин путем регулирования сил взаимодействия бурильной оееы с забоем з стенкагд! пространственно-искривленных сквакин яется актуальной проблемой. При этом важное значение присбретзе" данне пакета прикладных программ для ЭВМ. Целями работы являются создание математической модели бурилъ-колонны в пространственно-искривленной сквагинэ, разработка ме-тсл исследования сил взаимодействия отвесной ККБК с забоем и яками пространственно-искривленной скважины и совершенствование эдики проектирования оптимальных отвесных исмпсновок при бурении эвышэнными осевыми нагрузками на забей с привлечением ЭЕМ. Уетодикз исследования. На основе детального анализа опублик;-исследований по вопросам расчета отезсных ККБК строится гматаческая модель бурильной колонн?.» в скважине, искривленной ~о эали. Указанная модель реализуется б виде численных алгоритмов и •рамм для ПЗЕМ.

Научная новизна. Построена модель взаимодействия ниг-зюй части ¡льней колонны с забоем стенкой екзз^ннн, искривленной по с.ти-: постоянного зага, радиуса л направления.

практическая данность, разработано программное обеспечение, иэухщзе ярэдлозкзннув модель бурильной колонка в пространственно-

искривлекной скважине и позволяющее учитывать технические и техноло гические параметры.

Численным расчетом получены графики изменения технологических параметров в пространственно-искривленной скважине, что позволяет дать рекомендации по выбору допустимых осевых нагрузок на долоте и размещению центраторов. Разработанные методика и программа позволяют повысить качество бурения скважины за счет регулирования технико-технологических параметров бурения.

На защиту выносятся: I) математическая модель бурильной колонны в пространственно-искривленной скважине; 2) алгоритм расчете нижней части бурильной колонны и нагрузки на долото при буреню пространственно-искривленной скважины; 3) результаты численных расчетов сил взаимодействия бурильной колонны с забоем и стенкой пространственно-искривленной скважины в зависимости от технико-технологических параметров и параметров траектории скважины.

Структура и объем работы. Диссертация состоит кз введения четырех глав, заключения, приложения,' списка литературы из 90 наименований. Общий объем работы-92 страницы машинописного текста, 51 рисунков и 4 таблиц.

Содержание работы Во введении показана актуальность темы диссертационной работы В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса дан краткий обзор литературы по исследованию сил взаимодействи бурильной колонны с забоем и стенкой скважины, в том числе раба М.М.Александрова, Бай Цзячжи, П.З.Балицкого, В. М.Беляева, Г.Вудс (н. г,'сю;Ы, В.Г.Гркгулеакого, ii.II. Гули заде, А.К.Диннкка, Е.А.Дунг евского (У.А.Ггиаауеугку), А.Г.Калинина, А.Дубииского (А.ЬиМпзку! 5.Т.Лукьянова, 0.А.Маркова, А.С.Оггнсэа, С.А.Огановз, А.Н.Сарояк.-

'.Хоча (R.Hooh) и др., сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке матёматической модели для «¡следования величины и направления сил взаимодействия нижней части ювращащейся бурильной колонны с забоем и стенкой простравственно-[скривленной скважины, которые определяют искривление скважины и иное центраторов, и принципов решения систем уравнений.

Одним из главных исходных предположений моделей бурильной ко-гонны является предположение о представлении упругой оси бурильной :олонны в пространственно-искривленной скважине ее проекциями на [вэ взаимоперпендикулярные плоскости SOY и XOZ.

Компоновка нижней части бурильиой колонны представляется непр-1ывной утяжеленной бурильной трубой (предполагается, что жесткость, [аружвый -диаметр забойного двигателя и УНТ равны) без центраторов [ с центратораг.от, на которые действуют различные сосредоточенные и laczrpeделенные нагрузки. Ниже приводится система уравнений для 1дкого случая, когда б компоновке отсутствуют центраторы (рис.1):

да Е - модуль Юнга для материала труб,

J - момент инерции поперечного сечения труб, Р - осевая нагрузка на забой, q - вес единицы длины труб,

q - поперечная составлявшая нагрузки в плоскости хоу, 1=0,1,2, Q - поперечная составляющая нагрузки в плоскости XOZ, i=0,I,2, а - зенитный угол оси спирали.

Помимо этого прэдполозэния, в насей работе принято, что ось кважиЕЫ характеризуется уравнениями:

( I )

[ Qxo + ( q'X-Cosa - Р )-g§-) + q-X-Sina , ( 2 )

-е-

Y. = + R • Sin(2lf + Ф ) ( 3 )

Z, = R • Cos [2%- — + Ф ) , ( 4 )

где R-радиус спиралькой оси, т-шаг спирали, Ф — угол, характ( -изугакй полокение долота на оси спирали относительно оси Z в пло:

кости, параллельной ZOY; * знак "+" относится к правой спирал] знак к лезой.

Гас. 1 . Схема амгл-1Тнчссхого исследопр.чия ки»ного участка бурильной холодны в скил;М!не, лрострекстяепно 'ьсхриялйьноЯ го спирали пастслмнсго шага, радиуса и

1 - /золото, 2 - УБТ, о - ст-зсл •i - точка касания со стен.чэГ. ск:за ;;кнь'..

Предположение о спиральной форме оси пространственно-искривленной скважины, сделанное в данной работе, естественно, является здеализированным представлением оси реальных скзанпн. Оно основано 1в том, что анализ фактических данных геофизических исследований жважин (ГИС), в том числе инклинограмм и профилеграш, подтверждает возможность разделения всей скважины на участки, ось которых с учетом погрешностей измерений при ГКС описывается уравнением спирали ; соответствующими радиусом, шагом и направлением.

Решение дифференциальных уравнений упругой оси бурильной юлонкы для каждой проекции пространственно-искривленной скважины фвдстазляем так же, как при решении плоской задачи сделано А.Лу-¡инским и другими исследователя;,и, в виде степенного ряда

и = S а • z" ( 5 )

L " •

'де ап - коэффициент степенного ряда.

[рк этом используются следующие решения дифференциальных уравне-нй:

Y = - ( Р (ß,X) + at- G (ß.3C) + С,- H (ß,X) + С ), ( о ) Z = Ьо- F (Р,Х) + b • О (ß,X) + С2- Н (ß,X) + g t

- Sira-R(ß,X} , i 7 )

де ao, at , az, b , b , b2, c, g - постоянные,

ß= - параметр, характеризующий осевую нагрузку на забой,

?Cß,s), G(ß.x), H(ß,z), R(ß,X) - функции, представляемые в ме функций Бессэля дробных порядков.

Решая исходные уравнения с использованием Граниных условий, срзделяем искомые коэффициенты уравнений (6) к !7}. Отметим, что ризеденная выше методика решения дифференцигльннх уравнений (I),

(2) пригодна для практически любой комбинации граничных условий.

На никнем конце бурильной колонны (у долота) граничные условия отражают рэвенство следующих поперечных перемещений и изгибающих моментов в двух плоскостях:

Yo = + R-Sin® , (8)

Z = R-СозФ , (9)

о 1

К' = + R' )Х ' sin® ■ (10)

К = " R-)2 • Сов® . (11)

В точке касания со стенкой скважины прогиб колонны определяют следующие выражения, а касательная к изогнутой оси колонны параллельна оси скважины.

Yk = ± р • Slní-^-'V ф> • (12)

\ = р • Ф) . ' (13)

\ - • Cost-^-V Ф) . (14)

\ = - R-.( • Ф) . (15)

где р - суммарный прогиб.

Выше точки касания со стенкой скважины утяжеленные бурильные трубы располагаются непосредственно на стенке скважины и поэтому удовлетворяется следущее выражение:

( + - ( Р f =0'- (16)

Из уравнений (6) и (7), граничных условий (3) - (IS) формулируется краевая задача для исследования нижнего участка Обильной колонны в пространственно - искривленной скважине.

Алгоритм расчетов кратко можно записать следующим образом: I. Задаемся конкретным технологическим! параметрами, предва-

рительно выразив их в безразмерном виде.

2. Решается система уравнений и определяются коэффициенты ряда соответственно для кавдого участка системы.

3. С использованием формул (6) и (7) и других для первых и вторых производных с учетом Граниных условий рассчитываются поперечные силы.

Здесь уместно подчеркнуть, что наибольшую теоретическую и практическую ценность имеют закономерности изменения и численные значения поперечных составлялцих сил взаимодействия долота с забоем скЕажшзы и центраторов со стенкой сквазяны. Исследование поперечных сил в тех частях компоновки низа бурильной колонны, которые не взаимодействуют со стенкой сквакины, не входит в задачу настоящей работы.

Указанная процедура расчетов треб; больного количества вычисления и должна проводиться с применением ЭБУ. 1Ьше на стр.10 при-дена расчетная схема для ПЭЕМ (рис.2).

3 третьей главе приводен анализ результатов расчета попереч-ес составлящих сил взаимодействия долота с забоем и центраторов со стенкой в зависимости от осевой нагрузки на долото, радиуса, шага спиральной оси скважины и полшгения одного и дзул центратороз в о те е снс-й КНВК.

При анализе закономерностей изменения поперечны:,. составлянгих О , а и расстояния Ь от долота до потжсй точки касания КНЕК С-зз

го у о * 4

центраторов установлено следующее:

I. Отличие поперечных составляющих вектора нагрузки на долото з с:шрально-ис"физ;)енной скважине от поперечной ссстззлящей з пло-ско-искр5голенной скзакине составляет от 20,? до 1С0%. Поэтсму д.:л решения задач управления искривлением скззбзш необходимо принимать зо внимание параметры пространственного искривления и могло польза-

Г"ис. 2 Расчётная схена

ваться. программа?, для ШВЫ, разработанной в данной работе.

2. Установлены области секторов шага спирали (значения угла <5 для которых целесообразно еэсти расчет КНБК, удовлетворяющих требованиям предутзекдгния искривления скзакин. '

3. Выявлен диапазон гага спирали, для которого проведенное исследозаниэ имеет <1кзический смысл. Полученный диапазон, состазли сий от 3 до 20 длин участка колонны от долота до точки касания 1*31 сс стенкой скзазкины, обычно встречается б практике бурения скЕаик,

4. Установлено, что абсолютное Евачьние 0 в области |г/ъ=&+1С

го

укенысгэтся в пределах 165, в области 2/1,>10 уменьшается всего лиги на 1-3*. с изменяется па 16-ВОЙ и имеет низкие абсолютные значени

ус

ь пределам: 700К.

Рассмотрение результатов исследования компоновок с одним цент-тором позволило обнаружить^следующее:

1. По мере роста шага спирали в диапазоне Т/Ь=5-20 абсолютное значение поперечной составляющей 01О нагрузки на долото уменьшается. Причем изменение 0го протекает более плавно, чем в случае отсутствия центратора. При больших и малых Т/1 значение <Зуо кратно отличаются друг от друга. Причем изменение <Эуо более существенно, чем в случае отсутствия центраторов.

2. Оценивая влияние радиуса спирали И на <Зго и 0уо, можно отметить скачкообрэзннй характер зависимости для умеренных нагрузок. Отличие минимума и максимума находится в пределах 2-8% от абсолютного значения, а отличие 0уо достигает 300^. Поэтому решение пространственной задачи в случае применения одного центратора важно только для определения составляющей 0уо вектора умеренной нагрузки на долото. При высоких нагрузках на долото (р^6.8) изменение 0го по мере роста и уже достигает 10$ и более и поэтому для определения следует пользоваться решением пространственной задачи.

3. Как и в плоско-искривленкой скважине, установка центратора повышает эффективность управления зенитным углом пространственно-искривленной скважины.

4. При установке центратора в оптимальном положении отмечается наиболее слабая тенденция к изменению азимута скзанины.

5. Значение сил прижатия центратора к стенке .скважины может превышать поперечную составляющую вектора нагрузки на долото в два раза.

6. Для конструирования центраторов можно пользоваться значение?« силы контактного дззлэния, полученным путем решения более простой плоской задачи, применяя повышающий коэффициент запаса 1,2.

При исследовании сил ззаимодействкя нижней части бурильной

колонны, включающей два центратора, с заСоем и стенкой пространст вензо-искривленной скважины определили оптимальное расстояние мезд долотом и первым центратором и двумя центраторами и поперечные сос тавлянцие сил взаимодействия КНБК с забоем и стенкой скважины. Про грамма расчетов на ЭВМ позволяет определить поперечные силы для любого сочетания параметров. Однако, иллюстрируя возможности это! программа общими закономерностями для идеального сочетания параметров, мозно отметить слэдуадее:

1. Установка двух центраторов (не калибраторов) на близко» расстоянии от долота не является оптимальной для предотвращения отклонения скважины от вертикали.

2. Управление искривлением отвесной компоновкой с 2 центраторами менее -эффективно^-чем-компоновкой, включающей I центратор.-

3. При оптимальном расположении двух центраторов обеспечивается снижение сил контактного давления центраторов на стенку скважины по сравнению с неоптимглънш положением двух центраторов или оптимальным' положением одного центратора. Поэтому применение двуз центраторов выгодно в условиях, где наблюдается повыяэнный износ одного центратора.

В главе 4 дана оценка достоверности полученных результатов путем сопоставления их с результатами исследований, проведенных ранее в разные годы другими исследователями.

Кроме того, на основе этого сопоставления сформулированы рекомендации о целесообразных значениях параметров, которые слу::ат критериями при расчете КНБК с учетом пространственного искривления сквааин.

И, наконец, для обеспечения возможности применения результатов, полученных в данном исследовании, з практика бурения разработана методика обработки фактических икклинометричаскж данных про-

ранственно-искривленных скважин, позволящая, разбив траекторию зажины на отдельные участки, аппроксимировать каждый участок тра-гории скважины идеализированной винтовой линией с соответствущкми "ом и радиусом, закладываемыми в разработанную в данной диссерта-I программу расчетов КНБК и нагрузки на долото на ЭВМ.

Таблица 1

Сравнение полученных результатов поперечных составляэоикх ;тора нагрузки на долото в скважине с диаметром БС=295ыы для юнны БН=229им и 1)В=90ми с результатами других исследований при |размерноЯ нагрузке 3,4 <200кЮ.

Параметры о \ Автор а \ К=0 К=100мы

0=е(кН) а10(кн) ^(кН)

Ип Ыах М1П Мят

1 А. Лубннский -0,309

Юй Чжипин -0,292 0,193 -0,903 0,0430 -0,448

-5,5

10 А. Лубннский -3,09

ИЯ Чжнцин -2,89 -2,227|-5,400 -0,047 -0,200

АСр: -6,5 1 1

Из табл. I видно, что расхождение наших результатов с резуль-ами А.кубинского находится в пределах 6.5%. Такая хорошая сходить является надежным признаком достоверности результатов иссле-ания.

В табл.2 дан пример сопоставления значений составляших попе- • ной силы на долоте, полученных для компоновок с одним и двумя траторами в случаях рэше:з:я плоской и пространственной задач.

Как к ранее, видна хорошая сходимость значений 0_о для конпо-ох с одним центратором. Кроме того, табл.2 подтверждает з^зод о

Таблнца 2

Сравнение полученных результатов поперечных составляющих вектора нагрузки на долото в отвесных компоновках с одним и двумя центрагорами Ви=292ым в скважине диаметром БС=293иы для колонны ш=229им и БВ=90ыи с результатами других исследований прк безразмерной нагрузке 3,4 С200кЮ.

Параметры О." Для одного центратора Для двух центраторов

Ояв(кК) «»„О"1)

10 А. Лубинсккй СН=0ыи> -4,00

ЕЯ Чжицин СК=100мы> -3,98 -0,53 -3,43 -0,245

ДО? -2,3

том, что отвесная компоновка с двумя центраторами в пространственно искривленной скважине обладает меньшим "эффектом отвеса", чем компоновка с одним центратором..

Таблица 3

Сравнение полученных результатов силы давления центратора Бц=292мк на стенку скважины с результатами других исследований в скважине диаметром для колонны ЕН=229мм и БВ=90ми при

безразмерной нагрузке 3,4 С200кЮ.

\{1араметры Автор^ч. Для одного центратора Для двух центраторов

Ог1(кН) <3 , (КИ) (кй) 0у, (кн) 0 (кЮ

Антамаиов С. И. и др. СН=0мм> 1,4 0,2 1,2

Вй Чжицин СИ=100мм> 1,07 0,01 0,1В- 0,12 0,83 0,04

А0% 24 10 31

Исходя из сравнительных данных о значениях сил давления центраторов на стенку скзакины, полученных ранее экспериментальным путем

Антамановым С.И. и др. и в настоящей работе, можно говорить об их близости и надежности исследования этих величин с помощью математической модели КНБК с привлечением ПЭВМ (табл.3).

Основные выводы:

1. Предложена математическая модель нижней части бурильной колонны в пространственно-искривленной скезжинв.

2. Впервые разработаны обобщенная методика исследования сил взаимодействия КНБК с забоем и стенкой пространственно-искривленной скзакины и рабочие программы расчета на ЭВМ КНБК без центраторов а КНБК с одним и двумя центраторами.

3. Отличие поперечных составляющих вектора нагрузки на долото в спирально-искривленной скважине от поперечной составляющей е плоско-искривленной скважине составляет от 20% до 100%. Поэтому для решения задач управления искривлением скважин необходимо принимать во внимание параметры пространственного искривления и могло пользоваться программой для ПЭВМ, разработанной в данной работе.

4. При установке центратора в оптимальном положении отмечается наиболее слабая тенденция к изменению азимута скважины.

5. Для конструирования центраторов можно пользоваться значением сплы контактного давления, полученным путем решения более простой плоской задачи, применяя повышающий коэффициент запаса, равный J.,2.

G. Для управления искривлением пространствешс-иошивленных скважин применение КНБК с двумя центраторами не имеет преимуществ перед KHSK, Еключащпх I центратор.

7. Хорошая сходимость насих результатов с данными А.Лубинскогэ, Антзмановз С.К. и др. является надежным признаком достоверности результатов исследования.

По теме диссертации подготовлены следукпиа статы-;: I. С.трэделлже air. взажсдействпя части бурильной колснны с

забоем пространственно-искривленной скважины.

2. Определение сил взаимодействия нижней части бурильной колонны, шлвчапцей один центратор, с забоем ' и стенкой простракстванно-вскривленной скважины.

ы

Подписано к печати I8.G5.S3 Формат 6GxS0/IS Объем 1,0 уч.-изд.л. Заказ 103 Тираз 100 экз.

Отдел оперативной полиграфии ГАНГ игл. И..М. Губкина