автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Повышение скорости бурения скважин использованием полимерных растворов

ГРОЗНЕНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НЕ5ПНОЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Д.НИЛЛИОНШИКОВА

На правах рукописи

РУБАЙЛО БОРИС ГАВРИЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ИСПОЛЬЗОВАНИИ! ПОЛИМЕРНЫХ

РАСТВОРОВ

Специальность 05.15,10 - Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Грозный 1991 г.

Работа выполнена в Грозненском нефтяном институте имени академика М.Д.Миллионаикова

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Н.А.Колесников, кандидат технических наук, доцент А.А.Брыков

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Н.Ф.Ряэанцев, доктор технических наук, профессор А.А-О.Мовсумов

Ведущее предприятие - ПО Грознефть г.Грозный

Защита состоится: " ¿р^зХ^нА 1991 г. на заседании специализированного совета К 063.60.02 Грозненского нефтяного института имени акад. М.Д.Ииллионвшкова. 364902, г.Грозный, пр.Революции, 21.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Грозненского нефтяного института.

Автореферат разослан " 1991 г.

.Учений секретарь

специализированного

совета, кандидат ___

технических наук В.И.Ееленко

ОБЩАЯ ХАРЙПЕРИСТИКЛ РАБОТЫ.

Актуальность темы. Б условиях возрастающего спрос на энергоресурсы, особенно такие экономически выгодные, как нефть и газ, удовлетворение потребностей страны в углеводородном сырье и топливе должно достигаться за счет повышения технико-окономи-ческих показателей буровых работ и дальнейшего совершенствования их организации. Опыт бурения показывает, что именно в регулировании качества бурового раствора, дифференциального и угнетающего давлений непосредственно в процессе бурения и совершенствовании технологии промывки заключается главный резерв сокращения затрат времени на проходку, ликвидацию осложнений и аварий, освоение скважин.

Применение полимерных растворов приводит к возрастанию механической скорости, увеличению проходки на долото, а также способствует укреплению стенок скважины, снижает кавернозность ствдла. Поэтому применение буровых растворов малой плотности -полимерных растворов - при бурении скважин является большим резервом снижения себестоимости проводки скважин. Однако успешному использованию полимерных растворов препятствует отсутствие научно-обоснованных критериев, позволяющих выбирать растворы с заданными параметрами, обеспечивающими оптимальные режимы проводки скважин, исключающие возникновение осложнений при достаточно высоких скоростях бурения.

Поэтому, теоретические и экспериментальные исследования, проводимые для установления научно-обоснованных критериев применения полимерных растворов являются весьма актуальными.

Цель работы; Улучшение эффективности бурения на основе изучения механизма фильтрации полимерных растворов в проницаемые горные порода и создание научно-обосновалных рекомендаций их применения при проводке сквакин.

Основные задачи исследований.

1. Анализ современного состояния изученности влияния свойств бурового раствора на показатели бурения и на процессы в око.лосквакинной зона.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование фильтрации полимерных растворов в проницаемые горные породы.

3. Определение дифференциального давления при бурении на полимерных растворах.

4. Разработка рекомендаций по применению полимерных раст-^ воров-.

Метода решения задач.

Критический анализ ранее проведенных исследований по рассматриваемой проблема, с целью обоснования основных направлений диссертационной работы; теоретические исследования процесса проникновения полимерного раствора в проницаемые горные породы и его влияния на величину дифференциального давления; экспериментальные исследования фильтрации полимерного раствора в пр^ицае-мые горные породы с целью проверки полученных теоретических зависимостей и'определения параметров полимерного раствора; внедрение полученных результатов з промышленность.

Б процессе исследований были использованы труды советских и зарубежных ученнх по эатрагизаекщм в диссертации вопросам.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований впервые получены аналитические зависимости проникновения полимерного раствора в околоскважинную и призабой-ную зону и определены значения добавочного фильтрационного сопротивления движению полимерного раствора.

Практическая полезность работы.

Полученные аналитические зависимости позволяют рассчитать: глубину проникновения полимерного раствора и вместе с этим определить количество полимерного раствора проникшего в пласт за период бурения скважины; величину дифференциального давления, что дает возможность прогнозировать изменение механической скорости и наметить пути ускорения проводки скважин.

Результаты исследований также предназначены для создания руководящих документов по применению полимерных растворов при бурении глубоких скважин.

Реализация работы в промышленности.

Разработанная методика по приготовлению и применению полимерных растворов различного состава была использована на буровых предприятиях Западной Сибири.

Экономический эффект от внедрения предложенной методики составил 199,7 тыс.рублей (см.приложение).

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены:

- на П Всесок^ной научной конференции "Нефть и гдэ Западной Сибири", Тюмень, 1989 г.

- на Всесоюзной школе-семинаре "Эффективность применения полимерных растворов при бурении и заканчивании глубоких разведочных скважин на нефть и газ", Тюмень, 1989 г.

- на Всесоюзном семинаре "Эффективность вскрытия и методов оценки сложнопостроенных продуктивных пластов при бурении и опробовании глубоких разведочных скважин", Тюмень, 1УУ0 г.

- на Краевой Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Строительство нефтяных и газовых скважин", Краснодар, 1989 г.

»

- на У Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении скважин", Уфа, 1990 г.

- на Всесоюзной школе-семинаре по гидравлика промывочных и тампонажных растворов, Ивано-Франковск, 1990 г.

- на международной конференции "Механика горных пород при бурении", Грозный, 1991 г.

В полном объеме работа докладовалась на расширенном заседании кафедры "Бурение нефтяных и газовых скважин" Грозненского нефтяного института.

Публикация. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4 работах.

Объем работц. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 60 наименований, приложений, изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 26 рисунков.

СОДЕНИЛНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность применения полимерных буровых растворов и дана обтая характеристика работы.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ БУРОВОГО РАСТВОРА НА ПОКАЗАТЕЛИ БУРЕНИН И СОСТОЯНИЕ ОКОЛОСКВАЖИННОЙ ЗОНЫ. Установлено, что одним из основных факторов сникающим технико-экономические показатели (ТОП) и в частности механическую скорость бурения, является величина дифференциального и угнетавшего давлений. Поэтому в работе основное внимание уделено.-анализу влияния свойств глинистого бурового раствора и сопутствующих процессов возникавших при его применении в лризабойной зоне (таких как коркообразование, кольматации) на величину дифференциального и угнетающего давлений.

Ка основании проведенного анализа, установлено, что свойства применяемых в бурении глинистых растворов не позволяют значительно снизить величину дифференциального давления, тем самым увеличить механическую скорость проходки.

В данном разделе такке рассматривается влияние свойств глинистых растворов на состояние околоскважинной зоны, заканчивание и епробывание сквакин. 4

В последний годы в бурении стали применять полимерные растворы. Опыт применения показал их преимущества: улучшение состояния ствола скважин;.снижение осложнений; повышение механической скорости проходки. Однако успешному использо?анию полимерных растворов препятствует отсутствие ьаучно-обэснованных критериев, позволяющих выбирать растворы с параметрами, обеспечивающими достаточно высокие скорости бурения и исключающие

возникновение осложнений. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов фильтрации полимерных буровых растворов в проницаемые горные породы позволит выработать научно-обоснованные методы расчета дифференциального давления в процессе бурения скважин, рассчитать объем фильтрата проникшего в около-скважинную зону и установить величину параметров характериэую-иих фильтрационные свойства полимерных растворов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ исследование ФИЛЬТРАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ В ПРОНИЦАЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ.

Разнообразие свойств полимерных буровых растворов предполагает выбор той или иной модели жидкости для описания движения в проницаемых средах, поскольку при различных типах полимерных растворов и их концентрациях возможно преобладавшее влияние или одного из свойств, например вязкости, или совместное влияние нескольких параметров вязкости и начального градиента сдвига. Поэтому рассматривалась фильтрация полимерных растворов имеювих свойства вязких и вязкопластических жидкостей. При фильтрации жидкости геометрия потока различна, поэтому при теоретических исследованиях рассматриваются прямолинейно-парал-лс.льнуй и плоскорадиальный фильтрационные потоки.

В результате теоретических исследований плоско-радиального фильтрационного потока вязкой жидкости получены формулы для определения расхода полимерного раствора

2ЛНк СРс - Р*)

---— . ■ (2Л)

/иСаеяуг+еп-^)

Как следуэт из формулы (2.1) для определения расхода, необходимо знать положение фронта полимерного раствора р уравнение движения которого имяот вид:

(2.2)

где: ¿р - расход полимерного раствора; - радиус контура питания; Г^ - радиус скважины; Г - координата фронта; а - кои<!фициент кратности изменения скорости фильтрации полимерного раствора; - зязкость жидкости; Л - толрина пласта; К - коэффициент водопроницаемости; ДРС - перепад давления.

При движении однородной жидкости С[ = I {вода) из (2.1) имэем формулу Долги. 4

4 /йен

Для оценки характера изменения расхода полимерного растет

вора, составляем отношение — : где Ц - расход вода.

й'

¿7___^Т^Г__(2.4)

'с '

Результаты расчетов по формуле (2.4) показывают, что даже при небольших значениях радиуса фронта, расход полимерного раствора сильно уменьшается по сравнению с расходом поды, при одинаковых условиях. Особенно выражен этот эффект при больших значениях параметра " ¿7

При теоретических исследованиях прямолинейпо-перьллельного фильтрационного потока, вязко-пластической жидкости была выведена формула для определэния расхода:

ГкРСХт-л:)

АРс

где: » г ' площадь поперечного сочения;

р - начальный градиент сдвига; X - координата движения жидкости: X - максимальное расстояние на

т

которое может проникнуть полимер.

<

формула (2.5) является основой для описания фильтрации вязко-пластической жидкости при проведении лабораторных исследований с целью определения величины коэффициента добавочного сопротивления, величины начального.градиента сдвига и других параметров.

При рассмотрении плоско-радиального.фильтрационного потока вязко-<1ластической жидкости, получена формула для определения расхода:

[ЛРС "Г(г'Гс)\

У =-——р—а—лГГ ' (2-6)

¡и (а ¿п

Для описания динамики проникновения вязко-пластической жидкости в пласт составляем отношение:

где: Гт - максимальное расстояние на которое может проникнуть полимерный раствор.

Кроме того, получена формула для определения координаты фронта полимерного раствора , которая в виду громоздкости в автореферате не приводится.

Эти зависимости позволяют анализировать динамику продвижения полимерного раствора в пласт, что необходимо для расчета потерь раствора при бурении и при оценке степени загрязненности продуктивных пластов.

Расчеты показывают, что расход промывочной жидкости падает до нуля при сравнительно небольших значениях координаты фронта нагнетаемой жидкости. Предельное положение контура раздела при котором ¿7=0 зависит от начального градиента сдвига.

Следует отметить, что зто достигается при ^ —оо . Таким образом, наличие начального градиента сдвига существенно влияет на темп замедления расхода жидкости. На основании анализа результатов расчета можно сделать вывод, что более эффективным является применение растворов с небольшой вязкостью, но большим начальным градиентом сдвига, чем растворов с высокой вязкостью, но малым градиентом сдвига.

аеп-^+еп-^

(2.7)

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ В ПРОНИЦАЕМЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ.

С целью установления закономерностей фильтрации полимерных растворов в образцах горной породы была спроектирована и изготовлена специальная установка для экспериментальных исследований при постоянном перепаде давлений, позволяющая:

- определять водопроницаемость исследуемых образцов горных пород;

- фиксировать величину начального градиента сдвига;

- выявлять закономерности фильтрации промывочных жидкостей, проводя серии экспериментов по их фильтрации при различных перепадах давления и различных расходах;

- определять величину коэффициента кратности изменения скорости фильтрации полимерного раствора при различных концентра даях;

- плавно регулировать перепад давления в пределах от 0 до 5,0 МПа.

Для проведения исследования фильтрации полимерных растворов необходимо иметь образцы горной породы различной проницаемости. Была разработана методика изготовления образцов горных пород, отличающаяся от существующих методик меньшими временными и материальными затратами. Разработанная методика позволяет получать образцы горной породы с широким диапазоном проницаемостей

2

от 0,0009 до 0,85 мкм . Кроме этого образцы имеют хорошую механическую прочность, однородность наполнителя после спекания и стабильно сохраняют свои фильтрационные свойства.

В результате экспериментальных исследования установлено,

что при фильтрации полимерных растворов отсутствует начальный градиент сдвига, о закон Фильтрации полимерного раствора - это закон Дарси, т.е. полимерный раствор ведет себя как вязкая жидкость.

Впервые определена величина коэффициента кратности изменения скорости фильтрации полимерного раствора ¿2 . Анализ величины численных значений " а " показывает', что с возрастанием концентрации полимерного раствора значения параметра " ¿7 " резко увеличиваются. Экспериментально установлено, что величина проницаемости горной породы (в интервале значений от 0,05£ мкм^ до 0,4 мкм^) оказывает малое влияние на величину параметра " ¿7 ".

Кроме этого проводились опыты по вытеснению полимерного раствора водой, с целью ответа на вопрос о восстановлении первоначального значения коэффициента проницаемости горной породы, что важно при вскрытии продуктив{гых горизонтов.

Опыты по вытеснению полимерного раствора водой проводились на образце проницаемостью 0,4 мкм^ с раствором полимера, имеющим концентрацию 0,4%. При промывке прокачивалась вода в количестве, составлявшем 10 объемов парового пространства образца и создавался перепад давлений 0,5 МПа и 4 1Ша,

В таких условиях проницаемость образца ъ периом случае

о

восстанавливалась до 0,2 мкм"", что составило Ь0% первоначальной проницаемости, во втором до 0,3 мкм^, что составило 75% первоначальной проницаемости.

С увеличением объема вытесняющей вода вдвое, проницаемость восстанавливалась до 6С% и 90^- соответственно.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ БУРЕНИИ НА ПОЛИМЕРНЫХ ЯРОВЫХ РАСТВОРАХ.

Теоретически исследованы гидродинамические процессы происходящие в привьбойной зоне при бурении на полимерном растворе. Полученные■формулы позволяющие определять перепад давления на глубине разрушения:

а) для случая, если глубина разрушения больше глубины проникновения фильтрата )

(4Л>

б) для случая, если глубина разрушения меньше глубины проникновения фильтрата

Перепад давления на глубине проникновения фильтрата

с'ита )

Ге

где: С - находится из уравнения:

тя-с* о, (4.4)

¿у - коэффициент пьезопроводности.

Предложенные зависимости позволяют рассчитать давление в зоне разрушения горной породы при бурении скваяин и определять дифференциальное давление.

Для выяснения границ применимости предлагаемых формул были проведены вычисления по формулам (4.1), (4.2) и (4.3) и общеизвестным формулам теории упругого режима движения однородной жидкости. Результаты вычислений, показывают, что в том случае, если число Фурье Fo £ 100 дифференциальное давление определяется по приближенным формулам с погрешностью не превышающей 5$. Для числа Фурье 25 погрешность вычислений возрастает и достигает 105?.

Результаты расчетов показывают также, что погрешность вычислений не меняется с изменением глубины разрушения.

Проведены расчеты дифференциального давления при различных значениях параметра Ci . При выполнении расчетов параметры пласта принимались такими же, что и при определении дифференциального давления при бурении на воде.

Полученные данные показывают, что с увеличением коэффициента добавочного сопротивления движению полимерного раствора величина дифференциального давления возрастает. Это приводит к снижению механической скорости бурения.

Однако, с увеличением коэффициента Ц глубина, на которую проникает полимерный раствор, уменьшается, что является положительным фактором при вскрытии продуктивных пластов.

При бурении на растворах, содержащих твердую фазу, величину дифференциального давления определяют по формуле (1.56) из работы Н.А.Колесникова, А.К.Рахимова, А.А.Брыкова, А.И.Булатова. Процессы разрушены горных пород и резёрвы повышения скоростей бурения. - Ташкент: Фан, 1989, 188 с.

По расчетам определения величины дифференциального давления при бурении на растворах содержащих твердую фазу и полимерных растворах построены совмещенные графики (рис.4.1) изменения диф-

ференциального давления от глубины разрушения.

График 4.1 наглядно показывает, что дифференциальное давление при бурении на полимерном растворе меньше, чем дифференциальное давление при бурении на глинистом растворе.

Таким образом при использовании полимерных растворов вместо глинистых вследствии умеьошения дифференциального давления будет происходить возрастание механической скорости проходки в адекватных условиях.

Аналогичные результаты получаются при любых практически возможных сочетаниях параметров горных пород и полимерных растворов.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ В ПРАКТИКЕ БУРЕНИЯ.

Учитывая требования предъявляемые к буровым растворам была составлена программа работ по приготовлению и применению полимерного бурового раствора на основе полиаИ/э^яорида.

На основании составленной программы на буровой Р-77 ПГО "Хангы-Майнсийск-нефтегазгеология" было осуществлено бурение на полимерном растворе. Результаты бурения буровой Р-77 сравнивались с результатами бурения буровой Р-512, которая бурилс ^ь на глинистом раствор^.

Результаты бурения показали, что рост коммерческой скорости составил 181,55'. Рост проходки составил 89,7^, механической скорости бурения - 55,8Я.

Креме того примененные полимерные растворы стабильны, обеспечивают устойчивость стенок сквакин, исключают прихваты и повышают основные технико-экономические показатели бурения и качество вскрытия продуктивных пластов.

ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ Д{ф®РЕНЩЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ 3 ЗАВИСИМОСТИ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведены теоретические и лабораторные исследования движения полимерных растворов в проницаемых горных породах, позволившие впервые получить аналитические зависимости и установить параметры, описывающие гидродинамические процессы при фильтрации полимерного бурового раствора в проницаемые горные породы.

2. Теоретически рассмотрены особенности плоскорадиального

г

и прямолинейно-параллельного фильтрационных потоков вязкой и вязкопластичной жидкости в условиях вытеснения пластовых флюидов, что позволило выявить влияние основных параметров полимерного бурового растьора на перераспределение давления в пласте и рассчитать объем жидкости, профильтровавшейся в пласт, что в свою очередь, послужило основой для создания полимерных буровых растворов, улучшающих показатели работы долот и увеличивающих механическую скорость проход!:,., а также уменьшающих вероятность возникновения осложнений в процессе проводки скважин.

3. Спроектирована и изготовлена установка для исследования фильтрации буровых растворов в проницаемых горных породах при постоянном перепаде давления с автоматической записью расхода,

позволяющая определить водопроницаемость образцов, фиксировать величину начального градиента сдвига, определять величину коэффициента добавочного фильтрационного сопротивления движению полимерного раствора.

4. Разработана методика изготовления искусственных образцов различной проницаемости, сохраняющих заданные фильтрационные свойства в процессе проведения экспериментов.

5. Установлено, что в интервалах изменения проницаемости

горной породы в пределах 0,052т0,4 мкм при фильтрации полимерных растворов с концентрацией 0,140,8% отсутствует начальный градиент сдвига, а закон фильтрации полимерного раствора подчиняется закону Дарси, т.е. полимерный раствор ведет себя как вязкая жидкость (в пределах исследованных концентраций, прони-цаемостей и скоростей фильтрации).

6. Определены коэффициенты сопротивления движению полимер-лого раствора в зависимости от концентрации полимерного раствора и проницаемости горных пород.

7. Установлено, что величина проницаемости в интервале

р

0,052-0,4 мкм практически не влияет на изменение величины коэффициента сопротивления движению полимерного раствора, что упрощает выбор необходимой концентрации полимерного раствора.

8. Получены аналитические зависимости, позволяющие определять величину дифференциального давления в зависимости от параметров полимерного раствора и фильтрационных свойств пород.

9. Установлено, что при бурении в одинаковых условиях с использованием полимерного раствора величина дифференциального давления меньше, чем при промывке глинистым раствором, что является одной из причин повышения скорости проходки.

10. Экономическая эффективность внедренных в промышленность разработок, созданных под руководством и участием автора, составляет 199,7 тыс.рублей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Брыков A.A., Рубайло Б.Г., Колесников H.A. Экспериментальные исследования движения полимерных растворов в горных породах. Эффективность применения полимерных растворов при бурении и заканчивании глубоких разведочных скважин на нефгь и газ. /Тезисы докладов/. Тюмень, 1989, с.80.

2. Ахалаия Ы.Ф., Рухая Ф.Г., Дмитриев В.Г., Рубайло Б.Г. Определение напряжений в скелете горной породы. Тезисы докладов международной конференции "Механика горних пород при бурении", Грозный, 199I, с.23.

3. Брыков A.A., Колесников H.A., Рубайло Б.Г., Определение дифференциального давления при бурении скважин с применением полимерных буровых растворов. Тезисы докладов международной конференции "Механика горных пород при бурении", Грозный, 199I, с.96-99.

4. Брыков A.A., Колесников H.A., Рубайло Б.Г., Шарипов А.У. Определение количества полимерного раствора проникшего в пласт

в процессе бурения. Тезисы докладов международной конференции "Механика горных пород при бурении", Грозный, 1991, с.100-105.