автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Методы оперативного управления качеством бурового раствора

Государственная академия.нефти к газа имени И.М. Губкина

РГБ ОД

2 3 ОПТ 1535

УДК 622.244.442.063 На правах рукописи

Вартумяи Вадим Грантович Методы оперативного управления качеством бурового раствора

Специальность 05.15.10 «Бурение скважин>>

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена ка кафедре скважин ГАНГ км. И.К. Губкина

бурения нефтяных и газовых

Научный руководитель - д.т.к., проф., академик РАЕН O.K. Ангелопуло

Официальные оппонента - д.т.н., проф., Ясашин A.M.;

- д.т.к., проф.. Моисеенко A.C.

Ведущая организация - ГП НПО "Буровая техника" (Bff/i'ST)

Защита состоится "_"_1995г. в ауд. 731 в 15.00

на заседании специализированного совета при ГАНГ им. K.M. Губкина по адресу: 117917, ГСП-1, Москва. Ленинский пр., 65.

С диссертацией могно ознакомиться в библиотеке ГАНГ.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность'проблемы. От качества бурового раствора зависит эффективность технологических процессов, осуществляемых при бурении, креплении и заканчивал™ вертикальных и особенно дорогостоящих горизонтальных сквакин.- При бурений в осложненных условиях стоимость растзора достигает 10-15™ от стоимости 1 м проходки. Огромные затраты требует утилизация отработанного раствора. Из всех стадий упразления качеством бурового растзора (проектирование свойств и состава, подбор рецептур в лаборатории, приготовление и первичная обработка на буровой, оперативное управление■качеством раствора) последняя представляется наименее изученной и поэтому не формализованной.

Оперативное управление качеством (дообработка) - это комп-. лексное воздействие на коллоидно-дисперсную систему бурового раствора с помощью средств механической очистки.' дегазации, добавок химреагентов и материалов. Добавки вводятся в раствор, как празило. по циклу циркуляции, увеличивал активный объем растзора (наработка). По мере заполнения емкостей часть раствора сбрасывается в амбар или по современной безамбарной технологии подвергается утилизации. Ео многих случаях наработка раствора ухудшает экологическую обстановку в районах буровой активности, и уменьшение объема наработки является актуальным как с точки зрения экологии, так и перерасхода химреагентов и особенно утяжелителя. Процедура дообработхи осуществляется почти ежедневно на протяжении зеего периода бурения сквакины: От ее результативности зависит стабильность параметров раствора, оптимальный расход реагентов и материалов, и. как будет показано ниже, объем нарабатываемого бурового раствора. Прогноз объемов наработанного раствора на стадии проектирования позволил бы выбрать более рациональные способы его утилизации.

Результаты работ отечественных и зарубежных специалистов, вплотную,приблизившихся к решению этой проблемы (Азетисов А.Г.. Агабальянц Э. Г.. Ангелопуло O.K.. Баранов B.C.. Булатов А. И.. Га-бузов Г.Г.. Жуховицкий С.Я.. Кеворков С.А.. Кнстер Э.Г.. Круглиц-кпй H.H.. Липкес М. И.. Кавлютов М.Р.. Мариампольский H.A.. Михеев В.Л., Мухин Л.К.. Пеньков А.И.. Проселков D.M.. Радуль Г.Г.. Рез-ннченкоИ.Н.. Роджерс В. Ф.. Рябченко В.И.. Сухарев С.С.. Пзус К.Ф.. Шахмалов Д. А.. Щеголевский П. И.. Ятров С.Н." и др.). создали

необходимые предпосылки для постановки и решения новых задач.

Рель работы. Для значительного сокращения объема нарабатызае-кого раствора и перерасхода реагентов и материалов, улучшения экологической обстановки изменить традиционную схему и способы оперативного управления качеством раствора 'и создать предпосылки для планирования и автоматизации'дообработки с использованием компьютерных программ.

Основные задачи исследований:

1. Изучить факторы, предопределяющие выбор стратегии дообработки бурового раствора и сформулировать условия бурения, при которых изменение свойств раствора характеризуется обратимостью.

2. Внести изменения в принятую на практике схему планирования дообработки раствора и расчетно-аналитическим путем показать преимущества предложенных новшеств.

3. На основании статистической обработки данных о лоинтер-зальном расходе химреагентов выявить закономерности, при которых достигается удовлетворительная стабилизация параметров раствора при бурении. . -

4. Разработать расчетно-аналитические зависимости и компьютерные программы, позволяющие проектировать стратегию дообработки раствора и осуществлять коррекцию ее на стадии оперативного управления.

1 Научная новизна. . Выявлены и сформулированы условия проводки скважин, при которых существует корреляция между составом бурового раствора и-его технологическими свойствами, предложен и разработан метод проектирования и оперативного управления качеством.буровых растворов на стадии дообработки с использованием компьютерных программ.

Практическая ценность. .Доказано, что несмотря на кажущийся случайный выбор частоты и количества добавок при-дообработке. объективно совершается приближение изменяющегося состава раствора к исходной рецептуре. Полученные расчетно-аналитические зависимости описывают процессы обогащения раствора шламом и позволяют определять регламенты дообработки. компенсируя отсутствие ка буровых.про-ц-дурн прямого замера вещественного состава раствора. Предложенный

метод "регенеравдк разбавлением" уменьшает объем наработки раствора, расход реагентов и утяжелителя, а тагае загрязнение буровой площадки. Это особенно валшо в экологически уязвимых районах Севера и в условиях моря.

Реализация работы. Предложенный метод, способы решения ряда частных задач и компьютерная программа упразлеяия процессом дооб-работки освещаются в учебном процессе на кафедре бурения 'ГАНГ при подготовке студентов по новой специализации "Информационно-измерительные системы и компьютерные технологии з бурении" и на ФПК руководящих работников нефтегазовой отрасли.

Апробация работа. Основные материалы диссертации доложены на научном семинаре ВНИЙКРНефть (1992). совместном заседании кафедр бурения и вычислительной и измерительной техники ГАНГ им. И.М. Губкина (1995).

Публикации. Опубликована одна работа в "НХ". три работы, депонированы по линии РЖ "Горное дело"; з печати издательства "Нефть и газ" при FAHT находится учебно-методическое пособие для студентов специальности 09.08 и слушателей ФПК.

При подготовке диссертации автор сотрудничал со специалистами кафедры бурения и кафедры ВИТ ГАНГ, с ШИИКРКефтъ. рядом производственных организаций и выражает благодарность научному руководителю'зав. кафедрой бурения O.K. Лнгелопуло. доц. Г.К. Богаткину зав. кафедрой ВИТ. которую закончил автор, доц. кафедры бурения Л. В. Борисенко.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса. Согласно Правилам безопасности в нефтяной и газовой промышленности. (Госгортехнадзор России. 1992) начинать бурение скважины "с нуля" или углубляться после спуска очередной обсадной колонны можно только тогда, когда свойства бурового раствора адаптированы к проходимому разрезу.

S технологии бурового раствора все мероприятия следует расчленить на четыре стадии:

- проектирование состава и свойств:

- разработка рецептур-в лаборатории;

- приготовление и первичная обработка непосредственно на буровой:

- оперативнее управление свойствами раствора в процессе углубления сквазика (дообработка).

Состав раствора и рецептуры выбирают исходя из геолого-технических условий бурения, требований экологии, уровня обеспеченности реагентами и материалами, а также по канонам специалиста - "растворщика".

• Приготовление бурового раствора осуществляется путем дозиро- ■ ванного ввода компонентов через узел буровой или зазоза с центрального гликозавода и является процедурой достаточно легко выполнимой в'инженерном плане. При соответствующем оснащении она кокет быть осуществлена в автоматическом режиме.

Более сложной проблемой является оперативное управление коллоидно-химической системой раствора при бурении и сокращение времени пребывания раствора в некондиционном состоянии. При отклонениях параметров раствора нарушается режим промывки, изменяется противодавление на пласта и работа гидравлических забойных двигателей. возрастает опасность прихвата инструмента. Раствор с высокой концентрацией твердой фазы совершенно не пригоден для вскрытия продуктивных пластов, а толстая фильтрационная корка препятствует качественному разобщению пластов коллекторов при цементировании.

\На свойства раствора влияют одновременно ряд фактороз: обогащение разбуриваемыми породами; изменение концентрации, дисперсности и минералогического состава дисперсной фазы; сникение активности химреагентов под влиянием пластовых флюидов (соли. К23. С02, УВ) и высокой температуры; сброс химреагентов, с'орбирозанных на частицах шлама; неханодеструкцкя полимеров.

Процедура'формализации при этих обстоятельствах затруднена, а иногда просто невозможна. Видимо, по этой причине до настоящего времени способы оперативного 'управления системой бурового раствора не совершенны.

Необходимо Слло, по нашему мнению, значительно упростить задачу и выбрать такие условия бурения, при которых отсутствовали • бы факторы, приводящие к необратимому изменению системы бурового раствора.

■Поэтому.в первую очередь,нами рассмотрены задачи, связанные с'-

обогащением раствора неагрессивным выбуренным шламом и продуктами его диспергирования. Метод управления концентрацией твердой фаз«-' назван регенерацией раствора разбавлением.

Принятые допущения:

1. Бурение осуществляется в хорошо изученном однородном разрезе. представленном глинистыми и другими типа;« диспергирующихся в воде пород (мел и др.), пластовое давление близко к гидростатическому.

2. Используются традиционные реагента: лигнссульфонаты (ОХЛС. КССБ). гуматы. полиакрилаты. ПАА и др.

3. Сзойстза бурового раствора ухудшаются за счет обогащения разбуризаемями породами. Осыпание частиц породы со стенки скзанины отсутствует.

4. Предусмотрено применение бурового раствора с концентрацией твердой фазы разной 4-8" (рабочая). 1235 (предельно-высокая).

5'. Предельное состояние раствора характеризуется или высокой плотностью раствора и опасностью поглощений, или высокими реологическими показателями, ухудшающими процессы бурения и вскрытия про-дукглвного пласта. Остальные, не менее важные показатели качества глинистого раствора,регулируются добавками реагентов, значимо не изменяющих концентрацию твердой фаза.

6. Принимается во внимание две категории частиц: структурообразующая дисперсная фаза (глинопорошок, торф, асбест, сапропель и др.), которую необходимо восполнять, и шлам, который следует удалять из раствора путем механической очистки.

Описанные допущения соответствуют реально существующим условиям бурения сравнительно неглубоких (2,5-Зкм) скзанин в Западной и Восточной Сибири. Республике Коми. Архангельской области, а также при рагбуривании верхних интервалов глубоких и сверхглубоких скважин в большинстве регионов России и за рубехом.

Анализ зарубежного опыта показал, что проблем.а дообработки не стоит столь остро, т.к. решается за счет применения высокоэффективных очистных устройств ( до 80л). регулирования их оптимального режима работы, применения флокулянтов. ограничивающих диспергирован.злама в водной среде, и совершенных способов утилизации наработанного бурового раствора.

В диссертации систематизированы способы борьбы с обогащением

раствора выбуренным шламом.

1. Профилактика.

1.1 Уменьшение гидромеханического диспергирования шлака за

счет применения:

- совершенной промывки забоя;

- ламинарного режима течения в затрубье.

1:2 Добавка химических антидиспергаторов и флокулянтов:

- минеральных солей;

- полимеров;

-■композиций полимер+соль.

2. Удаление твердых частиц путем:

- принудительной механической очистки;

- "самоочистки", в отстойниках.

3. Разбавление, некондиционного раствора слабыми растворами реагентов.

4. Полная замена раствора.

Наиболее эффективными на современном уровне признаются мероприятия по профилактике обогащения за счет создания "недиспергирую-щей" среды (п.1.2) в сочетании с принудительной механической очисткой (п.2).

В идеальном случае должны подбираться селективные флокулянты по отношению к выбуренной породе, не затрагивающие свойства дисперсной фазы, предопределяющей состояние бурового раствора. Это реально выполнимо в случае применения полимерных растворов и вод-' ных растворов, структурированных неглинистыми материалами (торф, сапропель, модифицированный асбест.отходы целлюлозы и т.п.). Что касается традиционных глинистых растворов, ■ то борьба с обогащением выбуренной глиной дггз по объективным соображениям не мокет быть эффективной: химреагенты одновременно флокулируют и шлам, и дисперсную фазу. .Впоследствии глинистый шлам приходится выделять из глинистой-дисперсии в процессе очистки. А это'почти тупиковая ситуация.

Поэтому, на первый план наряду с, непрерывной механической очисткой и химобработкой. вышла технология разбавления глинистого раствора. Ее недостатки: периодически увеличивается концентрация несвязанной воды и усиливается набухание и размокание глин на стенке скважины; постепенно происходит конверсия дисперсной фазы в самом растворе - обогащенный глинопорошок или другой структурооб-.

разователь замещается более инертными частицами диспергированного шлама. Система требует повышенного расхода реагентов - стабилизаторов, увеличивается абразивность раствора и т.п. Разбавление заметно увеличивает объем раствора (наработка).

Сущность наших предложений. Известные, но осуществляемые спорадически в предельных ситуациях, процедуры (сброс части раствора, разбавление) нами введены в реальном времени в общую схему оперативного управления качеством бурового раствора, представленную кз рис. 1.

Скважина

Часть потока.

Ряс. 1' Принципиальная схема метода регенерации бурового раствора разбавлением

Кз потока раствора С^ц Г обогащенного шламом, через расчетный промежуток времени с определенной производительностью • ^^ отбирается порция раствора и направляется в запасную емкость, шламовый амбар или на глинозазод. Другая часть потока направляется на блок очистки и далее следует по циклу. Одновременно в приемную емкость добавляется порция раствора (У^ь = У^ и значительно меньшей концентрацией твердой фазы, а при бурении глинистой толщи это монет быть вода или истинный раствор реагента-понизителя вязкости или флокулянтг. Таким образом удается поддерживать достаточный объем циркулирующего раствора, и за счет разбавления снижать концентрацию твердой фазы, сократить объем наработанного ' раствора, расход реагентоз и утяжелителя, минимизировать срок пре-. бывания раствора в некондиционном состоянии.

Доказано, что в ракках принятых допущений изменение состава--, бурового раствора приводит к адекватному изменению его параметров, характеризующих эксплуатационные свойства. Под термином "состав" предложено 'понимать известную концентрацию основных компонентов системы бурового раствора, а под "изменением состава" - только изменение концентрации этих компонентов без какого-либо внесения посторонних реагентов и материалов.

Выведены расчетно-акалитические зависимости для стадии проектирования и при оперативном управлении процессом углубления забоя.

Преимущества предложенного метода по сравнению с традиционным, т.е. ■ разбавлением всего обьема циркулирующего раствора, показаны путем сопоставления величин удаляемых (добавляемых) объемов.

Приникаем условные обозначения: объем исходного бурово-

го раствора, обогащенного твердой -фазой (т. ф.); - концентрация т.ф. сверх допустимой; и У^ - добавляемый и удаляемый объемы раствора: Цко^- концентрация т.ф. кондиционного раствора (после разбавления): концентрация т.ф. в жидкости разбавления.

Вшкость разбавления - вода

Способ 1 - традиционный

Некондиционный раствор

Кондиционный раствор

Ruu ' VW *0- 'AcJi -l

- Rhchjf • ( Vi/сл + MjoSi)

Способ 2 - предлагаемая

Некондиционный раствор

_ Удаляемый раствор

Вода =

Кондиционный раствор

ш

к

ejd

f.Vyi

RuviVw-V») + * и [l)

Решая систему уравнений (1) и (2), получим

Rroy • MjoSi - Яиа-Vj>sz

или

Rück

\ KbHf

I./6

Vjefi

Если подставить значения, принятие выше з "Допущениях" . что 1-'. 8%. то получим = /-Г У^ или однократная

наработка раствора по традиционному способу будет на 50? выше, чем по предлагаемому.

Жидкость разбавления - разбавленная суспензия, например, ма-

- Л.М

ЛОГЛШИИ'ТЫЯ рДСТВОр (««с?- 4%).

Способ 3 - традиционный. ^ м,п м.гл

а схема аналогична' способу 1, заменяем на и >0.

Ят-Чш + ^иу-С^ + У/о?*) (3)

Способ 4 - предлагаемый. • / схема как в способе 2. заменяем на

После совместного-решения (3) и (4) получим:

С учетом принятых "Допущений"

Н.ГА „ ,/Н.ГЛ

Наработка раствора по традиционному методу будет на 100% выше, чем по предлагаемому.

Влияние степени механической' очистки на темп обогащения раствора твердой Фазы в процессе бурения. Временной параметр, в течении которого концентрация шлама 'достигнет верхнего долустимого предела Кис*. а плотность раствора - критического значения, удобно выразить количеством циклов циркуляции Мкр бурового раствора через забой. Изменение концентрации твердой фазы /? в зависимости от // и начальной концентрации Ин°ч подчиняется выведенному нами уравнению:

где - плотность твердой фазы, кг/и3 ; площадь забоя, м2; Учц- скорость проходки, м/с; £?ч - производительность насосов, м3/с; ■ Е - степень очистки очистньк устройств.

или з однородном разрезе в безразмерном виде

На рис. 2 приведен пример расчета по этому уравнению при (¡н =20л/с, Унег =20м/ч, рзсе =0,047м2 ( ^ =0. 245м).

Из графиков следует, что при отсутствии очистки {£ =0) 8%-ный раствор достигает критического состояния Мир через 4 цикла, т. е. мейьше, чем за одно-долбление. Вибросито (£=0.2) увеличивает //¡¡р на один цикл, а трехступенчатая очистка (£=0.6) - на 6 циклов. В этом случае регенерацию разбавлением, по нашему мнению, следовало бы проводить не дискретно, а непрерывно.

Полимерглинистый или торфогуматный раствор, как следует из графика, имеет больший резерв на обогащение: .при Е =0.2 /^/»увеличивается з 2 раза и при £ =0.6 ¿Цз=20 циклам. Однако, трехступенчатая очистка сопровождается значительными потерями раствора вместе со шламбм: на 1м3 шлама около 1м3 раствора. Поэтому в качестве базового был принят наиболее трудоемкий и в то же время традиционный вариант - работа с глинистым раствором при одно-дзухступенча-тон системах очистки (£=0.2 - 0.4).

У;

Рис. 2 Влияние степени очистки раствора на темп обогащения его тзердой фазой

. Регенерация разбавлением как альтернатива механической отлст^ ки ?Уравнения материального баланса, учитывающие изменение объемного содержания твердой фазы в элементарном объеме раствора в единицу времени на входе и на выходе из скважины в процессе бурения-, имеют следующий вид.

Метод разбавления без очистки:

где Ур - элементарный объем раствора, м3;

уп - объем выбуренной породы за период прокачки через забой, м3;

, объемы удаляемого и добавляемого растворов.

■ объемнке концентрации твердых частиц на входе

' ' (дисперсная фаза) и выхода (дисперсная фаза + выбуренная порода. м3/м3; - объемная концентрация дисперсной фазы в добавлле-'' мом растворе, ь^/м3.

Бурение с очисткой: где Е- степень очистки.

Приравняв левые части уравнения при услозии полу-

- = Ув

г Е г ^

чнм:

При ^ -0,12 . ?вер0,04 и£=0.2 (предполагается, что работает вибросито) ''

А при разбавлении водой {^¿=0)

Уу = ш Уп

приводятся величины ^оГили в зависимости от степени очистки при одно-, двух- к трехступенчатой системах и от диаметра долота при ^=0,12 на каждые ЮОм проходки (табл. 'Г).

Табл. 1

■ — 1 ' Е 1 I 1 0,2- 1 1 0.4 1 -г 1 1 0.6 -1

1 с^г , ММ - 1 1 1 3491 1 | а 269| 1 ! 1 1 190| 3491 269| 1 1 1 1 1901 1 ( 3491 1 1 2691 1 1901

1 1 1 48 I 1 [ 29 | 1 1 1 14 I 96 | 57 | 1 1 1 1 28 1 1 1441 1 1 86 I | 42

1 1 1 1 24 I I г | 14 1 1 1 1 1 7 | 48 |28,51 1 1 1 | 14 1 1 1 721 1 43 I ■ | 21 I

1 I 1 1 16 I 1 9 1 .......1 1 1 1 5 | 31 | 19 I 1 1 I 1 9 1 \ 1 481 * 1 29 I 1 14 1 1

Таким образом, очистка бурового раствора эквивалентна методу регенерации разбавлением при выполнении следующих условий. •

На каждые 100 м бурения долотами 190. 269 к 349 и очистки виброситом' (£=0,2) необходимо -проводить замену части раствора ( = ) в количестве:

- водой: 5. 9 и 16 м3

- раствором с 4%-ной концентрацией глины 7.'14 и 24 и3..

При 3-х ступенчатой системе очистки(£" =0.6)и тех я:е условиях требуется добавка воды 14. 29 и 48 м3, а малоглинистого раствора

21, 43 и 72 м3, что не является разумным.

Корреляция: химический состав-свойства хорошо прослеживается на стадии .первичного приготовления раствора на буровой по заранее подобранной в .лаборатории рецептуре. На стадии оперативной дообра-ботки эту связь следовало доказать. .

Мы ориентировались не на пряные замеры концентрации растворов методами аналитической химии, а на косвенные данные по расходу реагентов при бурении (по отчетным материалам). Во-первых, аналитические замеры в промысловых условиях не предусмотрены ни в России, ■ни за рубежом. Во-вторых, замеренные концентрации реагентов в фильтрате раствора, по нашему мнению, нельзя было идентифицировать с понятием "состав", так как состояние коллоидно-дисперсной системы в большей уере зависит от количества реагента, сорбированного на поверхности твердых частиц, их концентрации и распределения частиц по размерам. Гипотеза считалась бы доказанной, если бы удалось установить, что дообработка глинистого раствора в процессе бурения и выбор величины добавок реагентов, осуществляются не как набор случайных величин, а приближают состав циркулирующего раствора к составу исходного раствора, приготовленного в начале бурения данного интервала.

Для подтверждения сказанного с учетом принятых допущений были подобраны соответствующие геолого-технические условия и обработаны суточные рапорта бурового мастера по ряду скваетн ПО "Арктикмор-нефтегаз". ПО "Грознефть" и ПО "Нинневартовскнефтегаз".

В диссертационной работе приводятся данные ежесуточного расхода материалов и химических реагентов" (по рапортам) на обработку растворов для различных интервалов бурения. По исходным данным рассчитывались коэффициенты (корреляции) взаимосвязи между расходами компонент при обработке растворов е зависимости от интервалов их суммирования. Оказалось, что суммарные расходы компонент при их суммировании по 50. 100. 150 и 300 м интервалам сильно взаимосвязаны. Как показано на рис.3 коэффициент корреляции Ку =0.40-Ю. 95.

Рис. 3 Зависимость коэффициента корреляц. ч Гху расходов глинопорошка и окзила от интервала суммирования д I по четырем скважинам ( М скваздны - цифры на линиях) ПО "Артикморнефтегаз"

Как следует из рис. 3, величины коэффициентов корреляции Щу по скважинам 3, 6 и 10 зависят от протяженности интервала суммиро--вания. Так при >100 м Ггу > 0.90 границы различных пропластов пород в интервале сравнения как бы размываются и разрез "гомогенизируется". При меньших значениях лt величины добавок реагентов при дообработке носят характер случайных величин и их выбор на практике предопределяется необходимостью возвращения одного или нескольких параметров бурового раствора к исходным значениям. Например. при добагке окзила. <ШС уменьшается вязкость я СНС. при

добавке щелочного реагента повышается рН, а при добавке КМЦ'и КССБ снижается водоотдача.

lía основании анализа промысловых данных удалось установить, что в однородном разрезе при протяненности "интервала суммирования" ¿ L •> 150 м, величины отношений расходов на дообработку основных компонентов, взятых попарно в любых сочетаниях, очень близки к соотношениям концентраций этих не компонентов в исходной рецептуре глинистого раствора. Более того, данная закономерность выдерживается по соседним сквакинам и величины отношений расходов и концентраций аналогичных компонентов достаточно близки кеэду собой (расхождения до 15%).

Так по четырем скважинам в интерзале примерно 500-1100 м отношения суммарных расходов на дообработку глина: вода, вода:ККЦ. глина: лигнасульфонаты находились соответственно в пределах 8,3-9,~7; 35,3-40; 2,7-4,8; а-отношения расходов этих лее компонентов в исходном растворе составляли: 7,2-7,5" ' ¿8-30; 2,1-4.0. В этих интервалах бурили под промежуточную колонну долотом диаметром 295 мм. Разрез представлен алевритами с глинистыми пропластками (глинистость 30%). Нагрузка на долото -8 т, производительность насосов 40 л/с. В ходе бурения поддерживали следующие параметры глинистого раствора: плотность 1100-1120 кг/м3, вязкость 30-40 с, водоотдача 4-5 см3. рН 7,5.

На основании этих наблюдений последовал вывод о том, что до-обработка глинистого раствора в процессе бурения и выбор величины добавок реагентов, осуществляются не как набор случайных величин, а приближают состав циркулирующего раствора к составу исходного раствора, приготовленного в начале бурения данного интервала.

Под термином "состав" в данном случае следует понимать определенную концентрацию главных'компонентов, составляющих коллоидно-дисперсную систему бурового раствора, а под "изменением состава" - изменение концентрации этих компонентов без нарушения их вещественного состава. Путем дообработки, т.е. восстановления кон. центрации компонентов, удается возвратить параметры к исходному состоянию.

Формализация принципиальной схемы метода регенерации разбавленном. На основании упомянутых результатов можно заключить, что при определенных условиях и допущениях существует достаточно чт-

кая связь "состав - свойство".

Если вектор уо характеризует начальный набор_свойств -(СНС. вязкость, водоотдача. рН и др.), %' . уг ..... Ук ~ изменение этих свойств в процессе бурения, то можно записать выражение

V» — Ук

В результате дообрабояси вектор возвращается в исходное состояние у,.

По аналогии изменение состава можно записать ~ как й» . Поскольку система раствора обычно весьма устойчи-

ва к небольшим изменениям состава, то до определенного момента при бурении изменения свойств раствора не случиться. При этом многократные обратимые изменения состояния системы бурового раствора при углублении скважины должны происходить около устойчивых значений Го И У. •

Верхнюю и нижнюю границы изменения можно назвать предельными концентрациями или границей регулирования.

В общем виде: X & = I и где т - число компо-

нент бурового раствора, & и :. - объемная концентрация и плотность ¿-ой компоненты, () - плотность раствора.

Аналитическое доказательство возможности реализации метода "регенерации" разбавлением. Получим кокечно-разностное уравнение и используем метод акад. Л. С. Понтрягина при решении уравнения для минимизации расхода бурового раствора. Уравнение материального баланса по количеству шлама в единицу времени при условии, что весь шлам переходит в раствор, имеет следующий вид:

где К Я*" и Кйы - концентрация шлама на входе в скважину; и выходе из нее; <$н - производительность насосов: - плотность'шлама; Рзт - площадь забоя, У ми- мехскорость проходки.

После преобразования относительно имеем

О* ,

Ом + Еиг-Уни О» + •

Разделив в правей часта уравнения числитель и знаменатель обоих членоз на и введя обозначение сГг ^'^{о < сГ < 1). получим •

Физический смысл 6 - относительное приращение в единицу времени объема раствора за счет шлама.

Усложним уравнение материального баланса (по твердой Фазе) при использовании метода регенерации разбавлением. Рассмотрим полный цикл циркуляции с использованием очистных устройств ( £ -степень очистки).

йвкж • & = ' (Он ~р?)■ + + ^

где Цоц и - концентрация плана при входе в скваяшу на данном и предыдущем шклах циркуляции.

Следует отметить, что в правой части уравнения третий член -количество кондиционного -(свежего) расТЕора. которым необходимо восполнить "потерю" твердой фазы за счет выделения шлама на очист-

них устройствах, а четвертый член - количество выделенного шлама.

После совместного решения двух уразнений (1) и (2), деления всех членов на (?н . обозначения /ф-К и преобразований получим г

(3)

Это конечно-разностное уравнение. В соответствии с методом' Л. С. Понтрягияа для его решения необходимо найти значения R при начальных услозиях: Rit = Rkohj к -S" — tïïift., минимизирующее расход бурового раствора.

Найдем два крайних решения при ^^ -О и fy ~ Qh

Рассмотрим. т-е- весь раствор вкзодится из системы и

заменяется сверим на каждом щкле.

Тогда Kêd -Hhohj-CV/jîî.'

В саком деле, если отработанный раствор постоянно заменять сввж»к. то концентрация твердой фазь будет постоянна.

Если Т- е- отработанный раствор не удаляется, то подс-

тавляя значение в (3). получаем дифференциальное уравнение, решением которого является следующее:

R = R„M/ г (-/'£) л

(V

где Л/ - число циклов циркуляции раствора.

Как видно из уравнения (4) концентрация твердой фазы с увеличением циклов бурения растет. Кроме того, при Е-1 уравнение (4) выражает то, 1 что концентрация твердой фазы в растворе ■ теоретически равна входной.

Оптимальное управление по Понтр.ягину получается, если приравнять в уравнении ( 3 ) Я&а = - Икр

Это означает, что до тех пор пока концентрация твердой фазы не достигла предельного значения и соответственно число цпк

лов не превысило Мкр . управление . т.е. удаление раствора про-

изводить не нужно: ^^ = О .

Как только число циклов достигнет А/кр , необходимо на каждом цикле производить удаление раствора с некоторым расходом.

Для нахождения значения этого расхода приравняем

Ып к Кци в уравнении (3), так при данном управлении ^ концентрация твердой фаза на всех циклах бурения остается'постоянной.

Решение уразнекия (3) будет следующим:

О ,

+ §п ■({-£) • Г п '

где Ккр - предельно-допустимая концентрация твердой фазы;

А/кр - число циклов бурения, при котором концентрация достигает предельного значения.

Таким образом, мы показали, что существует решение конечно-разностного уравнения (3) и ищется в виде (5), т.е. управление f2$—f¿<>Z Реалько осуществимо. Ао для практических расчетов более.удобны формулы, о которых будет сказано ниже.

Решение прикладных задач. В общем виде уравнение материального баланса при химической обработке глинистого раствора можно представить

.где

ь

[ ' объем Удаляемого раствора при

удалении до очистных устройств;

1/^-И-В) - объем удаляемого раствора при удалении после очистных устройств

Ккс»^- заданная массозая концентрация компонентов (глинопо-рошок. реагенты-стабилизаторы, понизители водоотдачи, вязкости и т.п.). названная условно рецептурой раствора; ■

Р - масса компонентов, которые необходимо добавить в раствор для приведения его к кондиции; .

I? - фактическая рецептура раствора;

Кп - коэффициент потерь бурового раствора со шламом, выделяемым на очистных устройствах, утечках, при фильтровании и при поглощениях (не интенсивных, в данном варианте).

При управлении по поддержанию концентрации твердой фазы, которая растет, .уравнение, можно преобразовать

я™ ^ * (1-Е)- -Кп-Уп) - С7 ■ '(У/> * 14/

ПГЛ П'1

К и - Фактическая, и требуемая концентрации глинистой составляющей. Отсюда находим объем удаляемого раствора

+ а-Е-Кп)М„----(г)

Значения и К™ можно выразить через плотность и объ-

емное содержание твердой фазы

,де и - плотности глинопорошка и разбуриваемой

г

породы.

Можно принять -^га . тогда (7) примет вид

1^= Ур ' (!)

Объем добавляемого раствора с учетом компенсации потерь

Ур* =* ^

Необходимый объем раствора на период окончания бурения интервала равен

У^Ур + Уп Ш

Объем выбуренной породы, после которого необходимо производить управление определяется следующим образом:

и =_~ _ и .

Количество добавляемых реагентов при управлении по твердой фазе получается из (6) .

В диссертации дана физическая интерпретация уравнения (11). Предложено'использовать отклонение фактического значения Уя от теоретического (11) для определения эмпирического коэффициента диспергируемое™ шлама аи перехода его в активную дисперсную фазу раствора, приближающую его параметры к предельно допустимым значениям. В результате периодических замеров стандартных параметров, фиксируется глубина забоя, интервал проходки с. С и подсчитывается Чя - ~й С . Тогда сС^ш -У/ /Уп , что позволяет скорректировать (11) с учетом реальных условии и использовать <¿уш как характеристику коллоидальности пород, гидрофильности раствора, интенсивности диспергирования на забое и т. п.

В качестве примеров приводятся расчеты по определению рецептуры некондиционного раствора и величины добавок реагентов для восстановления исходной рецептуры.

Достаточно подробно рассмотрен вариант регенерации раствора, отбираемого после очистных приспособлений. Решена 'задача рационального перевода раствора из одной рецептуры в другую.

Приводятся конкретные рекомендации по приборной оснастке при реализации предлагаемого метода-( дозаторы, расходомеры и т.п.)

ОСНОВНЬЕ ВЬВОДЫ

1. Из всех стадий формирования свойств бурового раствора (обоснование и подбор рецептуры, приготовление на буровой и др.) последняя растянутая во времени стадия, названная дообработкой, признана малоизученной и нуждающейся в совершенствовании, так как от нее в решающей степени зависит качество бурения, заканчивания скважин и получение достоверной геолого-геофизической информации.

2. Предложен и разработан метод, позволяющий за счет несложных изменений принципиальной схемы циркуляции раствора на поверхности и введения в программу промывки дополнительных расчетных параметров минимизировать время пребывания раствора в некондиционном состоянии, обеспечить стабильность раствора за счет предотвращения конверсии твердой Фазы (глннопорошок выбуренная порода), снизить расход химреагентов и материалов, упростить решение экологической проблемы путем сокращения на 30-50Я объема наработанного раствора.

а также создать предпосылки для автоматического регулирования процессов дообработки и проектирования с использованием компьютерных программ.

3. В основу метода положено тривиальное соображение о том, что расход реагентов и материалов можно сократить, если обрабатывать ими не весь циркулирующий объем раствора; а только его необходимую часть. Поэтому рекомендовано удалять на устье некоторую часть зашламованного раствора (й^. р^ ), а в приемную емкость добавлять жидкость разбавления, т.е. воду, раствор реагентов, малоглинистый раствор "и, если нужно, утяжелитель. Процесс осуществляется не в предельных ситуациях, как обычно, а- в реальном времени циркуляции и углубления скважины и назван "регенерацией разбавлением'Ч

4. Получены зависимости, позволяющие еще на стадии-проектирования обосновать и заложить в ГТН периодичность и параметры дообработки с учетом известных геологических условий, геометрических размеров скважины, скорости проходки, производительности насосов, степени очистки раствора, диспергируемости выбуренного шлама и т.п.

5. Детально изучен расчетно-аналитическими методами круг вопросов, связанных с обогащением бурового раствора выбуренным шламом и последующим снижением его концентрации. Расчетами доказаны преимущества метода при • "статическом" разбавлении некондиционного раствора, по акад. Л. С. Понтрягину подтверждена возможность управления составом раствора путем разбавления в динамике бурового процесса.

6. На основании сформулированных допущений определены области применимости метода. Главное - отсутствие факторов, вызывающих необратимое изменение состояния растзора (агрессивные флюиды и породы. высокая температура) и не нарушающих корреляцию между составом раствора и его технологическими свойствами. Основное внимание сконцентрировано на растворах с низкой (4-8%) концентрацией твердой фазу, к которым относятся поликерглинистый. торфополимерный. торфогуматный. малоглинистый растворы.

7. Частота • и количество добавляемых реагентов и материалов при дообработке в отдельно взятые периоды' носит как бы случайный характер (метод проб и ошибок), а расчеты, выполненные на значительных интервалах суммирования расхода реагентов (¿^>150 м). по-

называют, что объективно происходит поддержание исходного состава раствора. •

8. Предложены численные решеюи ряда практических задач: перевод бурового раствора из одной рецептуры в другую с наименьшими затратами реагентов, оперативное управление объемом бурения в условиях ограниченных поставок реагентов, программа пользователя ПЭВМ, позволяющая - рассчитать периодичность и параметры дообработки бурового раствора, исходя из условий ГТН.

9. Метод "регенерации бурового раствора разбавлением" освещается в учебном процессе на кафедре бурения ГАНГ им. И. М. Губкина и' на занятиях со слушателями ФПК.

10. Основные процедуры по схеме (удаление из потока до вибросит 10-15% зашламованного раствора с одновременной добавкой в приемную емкость воды или раствора химреагентов) были осуществлены автором на ряде скважин. Выявлена возможность сокращения расхода воды и реагентов по сравнению с традиционной дообработкой всего объема раствора и периодическим сбрасыванием в отвал его избытка.

11. Для более корректной проверки метода и расширения объемов внедрения необходимо оснащение буровых расходомерами и дозаторами (1^, и организация работы узла кондиционирования порции удаляемого раствора (или использование установок гли-нозавода.

12. Большой эффект, по нашему мнения, может быть получен при работе с утяжеленными растворами в разрезе с высокой глино-стостыо, а также растворами любой плотности в морском бурении.

13. Предложенный принцип с некоторыми изменениями можно использовать при решении противоположной задачи - повышении концентрации дисперсной фазы при бурении карбонатных толщ или пород кристаллического фундамента с использованием глинистых, торфяных, асбестовых, сапропелевых и других типов буровых растворов.

Основные материалы дисседташти опубликованы в следующих работах:

1. Вартумян В.Г. Вывод уравнения изменения состояния бурового раствора для оптимизации его состава и параметров в процессе бурения скважин. - Библиографический указатель ВИНИТИ "Депонированные научные работы". 1992. N3. б/о 274.

2. Борисенко Л.В., Вартумян В.Г. Об оптимальном переводе бурового раствора из одной рецептуры в другую. - Нефтяное хозяйство, 1993. -N9. - 9 с.

3. Борисенко Л.В., Вартумян В.Г. Управление составом бурового раствора в процессе бурения скважин.. - Библиографический указатель "Депонированные научные работы", 1993.: N10, б/о 303.

4. Борисенко Л.В., Вартумян В, Г. Методика оптимального перевода бурового раствора из одной рецептуры в другую. - Библиографический указатель "Депонированные научные работы", 1993, N10, б/о 302. •

5; Ангелопуло 0. К., Вартумян В. Г. Оперативное управление процессом дообработки бурового раствора с использованием компьютерных программ. - М.: Нефть и газ, 1995., - 86 с. (в печати). Учебное пособие для студентов-буровиков и слукателей ФПК.