автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Развитие теории управления искривлением скважин при бурении

РГ6 од

о 9 ФЕ^

На правах рукописи

Лукьянов Владимир Тимофеевич

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЕМ СКВАЖИН ПРИ БУРЕНИИ

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

, Автореферат диссертации на соискание ученой степе™ доктора технических наук

Краснодар 1998

Работа выполнена в Ухтинском индустриальном институте.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессф

A.Г. Аветисов.

Доктор технических наук, профессор

B.О. Белоруссов.

Доктор технических наук, Б.А. Никитин.

Ведущее предприятие - Государственное федеральное унитарное предприятие "УХТАНЕФТЕГАЗГЕОЛОГИЯ"

Защита состоится " 4&" 1998 года в " ^^ " час. на

заседании диссертационного Совета Д 104.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Открытом Акционерном Обществе "Научно - производственное объединение "Бурение" по адресу: 350624, г. Краснодар, улица Мира, дом 34, ОАО. "НПО"Бурение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО "НПО "Бурение".

Автореферат разослан ""¿-Г" " 199?года.

Ученый секретарь диссертационного Совета о^^^^Д.И. Рябова

Актуальность работы. Проблема предупреждения, ограничения, а затем и в целом управления искривлением скважин берет свое начало с момента получения первых сведений о наличии самопроизвольных отклонений скважин от вертикального направления. Начиная с 40-х - 50" годов в СССР и за рубёжом ее решением' успешно занимались P.P. Алишайян, П.В. Балицкий, |3.0. Белоруссов, Ю.Л. Боярко, A.C. ; Бронзой, Ю.С. Васильев, М.П. Гулизаде, М.Т. Гусман, М.Г. Давлетбаев, В.П. Зиненко, 'P.A. Ионеннесян Н.Ф. Кагарманов, А.Г. 'Калинин, А.Е. Колесников, H.A. Кулигнв, К.И. Лошкарев, Н.Я. Мелещъев, Ю.Т. Морозов, С.А. Оганов, Н.Г. Середа, Л.Е. Симонянц, С.С.-Сулакшин A.C. Станищевский, Н.С. Тимофеев,- B.C. Федоров, А.Н. Шаньгин, К.Б. Шахбазбеков, Г.А. Шетлер, Г.С. КЗзбашев, Дж. Бернгард, Р. Хоч, А. Лубинсккй,1 Г. Вудс, Дж. Уилсон и другие.

Новый импульс в развитии теории и практики .управления искривлением дало увеличение объемов бурения в стране наклонно направленных скважин. Появляются,новые технические средства наклонно направленного "и вертикального бурения,-большое внимание уделяется теоретическим аспектам управления искривлением скважин и, в частности, методам расчета КНБК, созданию математических моделей, позволяющих прогнозировать кривизну скважины, разрабатываются различные методы ; интерпретации . инклинометрических данных, моделирования поверхностей пластов, изучается 1 взаимодействие вооружения долрт с анизотропными породами на забое и т.д. Этот этап развитая науки и техники бур'ения связан с именами Александрова М.М., Аветисова А.Г., . Беляева В.М., Буслаева Ц.Ф., Вадецкого Ю.В., Гайсина P.M., Гержберга Ю.М., Григоряна H.A., Грягулецкого р.Г.. Дороднова И.П., сЗарипова Г.Г., Зельмановича Г.М., Ишемгужина Е.И., Калинина А.Г., Каплуна В.А., Кауфмана Л.Я., Крылова В.Й., Куксова А.К., Кулйева С.М., Мавлютова М.Р., Мамедбекова O.K., Маркова O.A., Мельничука И.П., Никитина Б.А., ' Оганова A.C.,

Повавдхина A.C., Попова А.Н., Поташннкова В.Д., Райхерта JI.A., Сарояна А.Е., Сёмака Г.Г., Солодаого K.M., Спивака .А.И., Султанова. Б.З., Сушона* Л .Я., Федорова А.Ф., Эпштейна Е.Ф., Юнина Е.К., Яреиийчука P.C., Ясайина А.М., Калласа ' Н., Миллхейма К., Тугэна П., Уолкера Б. и многих других.

Несмотря на очевидные успехи в области бдения -вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин целый ряд важных проблем прогнозирования и управления их искривлением до настоящего времени не решен. Нуждаются в дальнейшем изучении причины изменения направления поступательного движения долота в зенитной и азимутальной плоскостях с учетом взаимодействия вооружения дОлот разных типов с анизотропной породой на забое, величин опрокидывающего момента на долоте и "геологических" сил . В свою очередь, это предопределяет необходимость разработки аналитических методов навигации забоя и оси скважины в трехмерном геологическом пространстве, т.е. определения взаимного положения бурящейся скважины и пласта. Повышение эффективности- управления величинами действующих на долото в зенитном и азимутальном направлениях поперечных сил. особенно при бурении неориентируемыми КНБК, требует решения задач функционирования (расчета) компоновок в трехмерной системе координат в том числе, с учетом фрикционных сил, динамики вращения труб, действия опрокидывающих моментов, поиска дополнительных технологических и новых технических средств регулирования поперечных сил на долоте. Наконец, главными нерешенными проблемами бурения остаются прогнозирование и управление зенитным и азимутальным искривлением скважин. Важными и требующими некоторых уточнений и совершенствование, составными частями технологии проводки естественно искривленных, наклонно направленных и, особенно, горизонтальных скважин являются выбор необходимой и достаточной для бурения длины УБТ в КНБК, контроль

осевой. нагрузки на долото (с учетом сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине). Представляется очевидным, что решение перечисленных проблем, являющееся дальнейшим развитием теории управления искривлением ¿кважик при бурении, имеет большое научное и практическое значение и будет способствовать повышению скоростей и качества строительства скважин, снижению их стоимости.

Поскольку предлагаемая диссертационная работа и посвящена решению названных зыше проблей, ее тема является актуальной и перспективной.

Целью работы является повышение надежности прогнозирования и эффективности управления зенитным и азимутальным искривлением скважин за счет уточнения закономерностей процесса формирования траектории поступательного движения долота при бурении, комплексного учета геологических, технико - технологических факторов, количественно определяющих характер этого процесса, разработки соответствующих алгоритмов расчетов, создания и внедрения новых технических средств, обеспечивающих дополнительные возможности в управлении искривлением скважин.

Основные задачи работы.

1). Изучение взаимодействия вооружения долот с анизотропной породой на забое и выявление количественного влияния анизотропии пород, параметров режима бурения, типоразмера долота на углы его мгновенного перемещения,,результирующие поперечные силы на долоте, величины "геологических" сил и опрокидывающего момента.

2). Создание алгоритмов определения взаимного положения скважины и пласта (навигации забоя и оси скважины в трехмерном геологическом пространстве).

3). Изучение, возможностей и разработка способов управления поперечными силами, действующими на долото в зенитном и азимутальном Направлениях .путеад решения задач статики и динамики функционирования КНБК в трехмерной системе координат; поиска технологических и новых технических средств регулирования статических поперечных сил на долоте, практическая реализация Полученных решений.

4). Создание алгоритма прогнозирования искривления скважин в трехмерной / системе координат и разработка методов управления их зенитной и азимутальной кривизнами.

. 5). Получение расчетных формул для выбора необходимой и достаточной для бурения искривленных скважин длины УБТ в КНБК, составление алгоритма и программы расчета сил сопротивления, возникающих при движении бурильного инструмента в скважине.

Методика исследований использует анализ и обобщение имеющихся промысловых, лабораторных и теоретических данны* по теме диссертации и состоит в собственных промысловых и аналитических исследованиях с использованием методов теоретической механики, теории упругости, теории сплайн - аппроксимаций, методов геостатистики и статистики, дифференциальной геометрии, дифференциального и вариационного исчислений,- моделирования на ЭВМ и др.

Научная новизна.

1). Систематически, по промысловым данным, для нескольких площадей бурения, вычислены числовые величины коэффициента боковой фрезерующей способности шарошечных долот и индекса анизотропии пород, необходимых при прогнозировании искривления скважин;

2). Изучено взаимодействие вооружения долот разных типов с анизотропной породой на забое и получены аналитические зависимости для вычисления статических и* динамических "геологических" сил и

опрокидывающих моментов; уточнены зависимости для определения углов мгновенного перемещения долота при бурении. *

3). Создан геолого - технологический комплекс алгоритмов вычисления угловых и лирейных параметров, характеризующих взаимное положение.скважины и пластов при бурении.

, 4). Сформулированы условия, при которых возникающие на долоте за счет вращения КНЁК динамические силы могут непосредственно и ощутимо влиять на траекторию поступательного движения долота и показана первостеленная роль в формировании этой траектории статических поперечных сил на долоте.

5). Сделано предположение о возможности изменения величин статических поперечных сил на долоте за счет динамических эффектов вращения компоновки, для реализации которого на уровне изобретения предложены УБТ с неравными главными осевыми моментами инерции площади их поперечного сечения^ (УБТЭ, буква Э означает "эллиптические" - одна из возможных форм поперечного сечения труб); разработаны и приведены их технические характеристики.

6). Проведено аналитическое из/чение функционирования КНБК с УБТЭ в трехмерной системе координат, получены и решены новые дифференциальные уравнения их изгибнмх колебаний; обоснованы и сформулированы граничные условия при, расчете КНБК в трехмерной

ч> -ч —

системе координат с учетом опрокидывающих моментов на долоте, наката

элементов комионовки на стенки скважины для неориентируемых и

ориентируемых КНБК с отклонителем; дйя определения угла наката даны 1 ; как точные, так и рриближенные формулы.

7). На основе полученных уравнений для результирующих поперечных сил на долоте ("геологических" и обусловленных изгибом и массой КНБК), разработаны способы управления этими силами с целью обеспечения требуемого направления поступательного движения долота.

* \

8). Проведен численный анализ функционирования КНБК с УБТЭ и выявлены особые режимы их "работы - когда за счет определенного сочетания длины. УБТЭ, осевой "нагрузки на долото и. частоты его вращения резко, но известным образом, изменяются величины поперечных сил на долоте в'зенитном и азимутальном направлениях; этот режим назван нами режимом • динамического изменения статических поперечных сил на долоте.

9). Составлены уравнения процесса формирования траектории поступательного движения долота при бурении и предложено общее решение задачи прогнозирования и управления зенитным и азимутальным

искривлением скважин, в том числе с учетом опрокидывающего момента

* " « ?

на долоте, произвольной формы оси "старого" ствола, "копировального" эффекта и разработан соответствующий алгоритм расчета; с помощью составленной программу на ЭВМ проведены численные; эксперименты по моделированию искривления скважин при различных вариантах геологических условий, типах КНБК, параметрах режима бурения.

10). Выявлены ограничения на возможность практического применения в наклонно ■ направленном бурении, существующих рекомендаций по выбору длины УБТ для создания "необходимой осевой нагрузки на долото при бурении и предложен способ устранения этих ограничений; определены критические осевые нагрузки, ниже которых трубы сохраняет обусловленную криволинейной формой оси скважины форму своей устойчивости и предложена формула для определения длины УБТ, достаточной для создания требуемой осевой нагрузки на долото.

Основные защищаемые положения.

1). Коэффициенты,' учитывающие влийние на траекторий» поступательного перемещения долота его типоразмера и анизотропии породы (коэффициент боковой фрезерующей способности долота, буровой

индекс анизотропии) необходимо и практически можно определять по промысловым данным об искривлении скважин.

2). При бурении на забое скважины возникают статические и динамические "геологические" силы и опрокидывающие моменты сил взаимодеиствия вооружения долота с анизотропной породой, величины которых зависят от типа и диаметра долота, твёрдости и ¡степени анизотропии породы, осевой нагрузки на долото и частоты его вращения; эти силы и моменты сил нужно рассчитывать по предложенным нами формулам и их статические составляющие следует учитывать при решении задач управления искривлением скважин.

3). В основу прогнозирования и управления искриплением скважин-должны быть положены уточненные нами зависимости для определения углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях (или, что то же самое, уравнения для результирующих поперечных сил на долоте).

4). Алгоритмы прогнозирования и управления искривлением скважин должны включать в себя созданный нами геолого -технологический комплекс алгоритмов вычисления угловых и линейных параметров, характеризующих взаимное положение скважины и пластов в процессе ее углубления.

3). Оказывающие основное влияние на- искривление скважины величины статических поперечных сил на долоте в' зенитаом и азимутальном направлениях можно изменять за счет динамических )ффг«шв вращения компоновки; с этой целыо необходимо использовать предл '.кенные нами УБТ с /неравными главными осевыми моментами инерции площади своего поперечного -сечения (УБТЭ).

6), Полученные дифференциальные уравнения наиболее полно, из известных, описывают изгибные колебания КНБК в скважине и эти уравнения следует использовать при расчетах и оптимизации КНБК, предназначенных для управления искривлением скважин.

10 .

7). Задачи прогнозирования зенитного и азимутального искривления скважины, нужно решать, имея в виду произвольность формы „оси "старого" ствола и наличие "копировального*',эффекта.

8). Главным принципом прогнозирования и управления искривлением • скважин являются условия равенства нулю углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях (или, что то же самое, равенства нулю в этих плоскостях результирующих поперечных сил - условия баланса сил на долоте).

9). При бурении на искривленных участках скваЯсины длина УБТ должна определяться по предложенной нами формуле с учетом- понятия о критической нагрузке для бурильных труб в отклоненном от вертикали стволе.

Практические ценность и реализация работы.

Практическая значимость работы характеризуется соответствием направлений исследований составляющих ее частей содержанию научно -технических программ, в том числе: целевой комплексной научно -технической программе на 1981 - !985годы 0-Ц.005 "Создать и освоить технологические процессы и технические средства для бурения нефтяных и газовых скважиу со скоростью, превышающей достигнутую в 2 - 3 раза", утвержденной постановлением ГКНТ при СМ СССР и Госплана СССР №515/271 от29.12.1981 г.; научно-техническойпрограмме01.Ц.04.01.01. "Разработка природоохранных мероприятий, экологически безвредных технологий и оборудования для освоения газовых и газоконденсаТных месторождений полуострова Ямал", утвержденной первым замминистра Мингазпрома P.M. Вяхиревым 11.01.86 г. ; программам госбюджетных фундаментально - прикладных НИР по Единным заказ - нарядам Министерства общего и профессионального образования РФ на 1994 -1996 годы " Создание и развитие научных основ геолого - технических решений по разведке месторождений нефти и газа кустами наклонных и горизонтальных скважин" и на 1996 - 2000 годы "Разработка и развитие

актуальных вопросов бурения и заканчивания направленных скважин на Севере Европейской части России".

Практическая ценность работы заключается в том, что:

!)• Результаты приведенных исследований по определению "геологических" сил и моментов, возникающих при взаимодействии вооружения долот различных типов с анизотропной породой на забое можно использовать для сравнения потенциальных возможностей тех или иных КНБК , проектирования трасс скважин и выбора КНБК и режимов бурения для их реализации, для создания алгоритмов прогнозирования и управления искривлением скважин.

2). Разработанные алгоритмы расчетов По определению взаимного положения скважины и пласта, могут быть реализованы в программном обеспечении технологии проводки вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин для целей управления их искривлением, контроля очередности проходимых пластов, местоположения забоя относительно поверхностей (кровли и подошвы) пласта и др.

3). На уровне изобретения предложены и изготовлены УБТ с неравными главными осевыми моментами инерции площади их поперечного сеченая (УБТЭ) - в форме кольца со срезанными сегментами; разработаны и приведены их технические характеристики; выявлена возможность при бурении с такими трубами, регулируя частоту вращения, управлять величиной боковых статических ¿ил на долоте.

4). Алгоритмы расчета неориентируемых и ориентируемых КНБК (включающих ориентируемый в скважине отклонитель) с учетом опрокидывающих моментов на долоте, наката элементов компоновки на сгенки скважины чржно использовать для совершенствования компоновок любого типа, как при роторном, так и при турбинном способах бурения. •

5). Изложены способы управления поперечными силами на долоте с целью обеспечения требуемого направления поступательного движения

долота при бурении; их следует использовать для оптимизации параметров КНБК при заданных критерии и условии" оптимальности (например, минимум величины угла мгновенного перемещения долота, минимум кривизны скважины).

6). Разработан алгоритм прогнозирования искривления скважины ,в трехмерной системе координат,, на ЭВМ проведены численные эксперименты по искривлению скважины при различных вариантах геологических условий^ типах КНБК, параметрах режима бурения, анализ результатов которых позволяет сделать вывод об адекватности предложенного алгоритма прогнозирования реально существующим закономерностям искривления скважин; приведены и оценен* < по своей значимое™ управляющие воздействия на характер зенитного и азимутального искривления скважин.

7). Разработан метод определения требуемой длины УБТ при бурении, главным образом, в наклонно направленных и горизонтальных скважинах, ,¡который рекомендуется к практическому использованию, поскольку он под шерждается фактически сложившейся промысловой практикой. .

8). Предложены алгоритм и программа расчетов на ПЗВМ сил сопротивления движению (бурильного инструмента в скважине, позволяющая решать и обратную задачу - определение коэффициента сопротивления; при бурении скважин ца Уренгойском ГКМ проведены эксперименты и с использованием программы расчетов определены числовые величины коэффициентов сопротивления.

Практическая реализация работы состоит в следующем:

- данные по расчету величин бурового индекса анизотропии на

\

Пашнинском месторождении АО "Коминефть" нашли практическое использование при проектировании профилей 3-х естественно искривленных скважин на этом месторождении;

- пакет программ для расчетов взаимного положения скважины и проходимых пластов на ПЭВМ использовался при составлении проектно - сметной и технологической документации в институте "ПечорНИПИнефтъ", в соотвегсгвии с которой осуществлялось бурение 16 скважин (в том числе горизонтальных) на четырех площадях АО "Коминефть";

- методические указания по применению компоновок нижней части бурильной колонны с одним и двумя центраторами, жестких КНБК с эксцентрическим переводником для ограничения искривления скважин и формирования качественных их стволов были утверждены и с положительным эффектом применялись при бурении 19 скважин (общая проходка 30 тыс. метров) в предприятии '"Севергазпром";

- утяжеленные бурильные трубы с неравными главными осевыми моментами инерции площади поперечного сечения (УБТЭ) нескольких размеров были изготовлены и прошли промысловые испытания в ПО "Грознефть", при этом удалось уменьшить естественное искривление при бурении 25 скважин (общая проходка 26 тыс. метров);

- программа расчета сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине используется в учебном процессе кафедры бурения Ухтинского индустриального института.

Кроме того, основные положения настоящих исследований используются автором в лекционных курсах "Технолотч бурения нефтяных и газовых скважин", "Моделирование буровых процессов" для студентов специальности 090800 "Бурение нефтяных и газовых скважин" на кафедре бурения Ухтинского индустриального института.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно - технических конференциях (НТК) по проблемам бурения: 2 я и 3"» Ухтинские НТК (г. Ухта, 1980 и 1982 годы); 1" отраслевая конференция МНП (г. Краснодар, 1980 год); НТК по проблемам и перспективам развития сверхглубокого

бурения (г. Грозный, 1982 год); республиканская НТК (г. Шевченко, 1982 год); краевая НТК (г. Краснодар, 1982 год); 19« и 20"« НТК "Повышение эффективности научно - исследовательских работ и улучшения качества подготовки специалистов" (г. Грозный, 1980 и 1983 годы); 3;я Всесоюзная конференция по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (г. Баку, 1983 год); 2-« зональная НТК "Нефть и газ Западной Сибири" (г, Тюмень, 1983 год); 5"я НТК (г. Ашхабад, 1985 год); НТК ВНИИгаза (г. Ухта, 1985 и 1990 годы); Всесоюзная конференция (г. Грозный - п. Агой, 1988 год); Международная конференция (г. Краснодар, 1990 год); отраслевая конференция АО "Газпром" (г.Ухта, 1995 год); региональная НТК "Строительство скважин и охрана окружающей Среды на Севере" (г. Ухта, 1997 год). Кроме того, некоторые аспекты работы обсуждались на ежегодных координационных совещаниях Мингазпромд (концерна "Газпром") в 1984 - 1992 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 42 печатные работы, в тем числе 2 монографии и 1 авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 301 странице машинописного текста, зключает 27 рисунков и 13 таблиц, 5 приложений на 12 страницах. '

Работа состоит из введения, шести глав, основных вьшодов и списка литературы, включающего 170 наименований.

Автор выражает глубокую признательность своему учителю, ны..: покойному доктору технических наук, профессору Михаилу Михайловичу Александрову, искреннюю благодарность ученым и * производственникам Ю.Н. Близнюкову, докт. техн. наук В.Ф. Буслаеву, докт. техн. наук, профессору В.Г. Григулецкому и другим, сотрудникам Ухтинского индустриального института за сотрудничество, ценные замечания при обсуждении диссертации и помощь в подготовке работы.

Содержание работы Введепие. Обоснована- актуальность проблемы, сформулированы цель, задачи и методы исследований, обозначены научная новизна и практическая реализация работы. '

1. Направление поступательного движения долота при бурении в анизотропных горных породах.

В работе обосновывается возможность и целесообразность учета влияния на искривление скважин неоднородности горных пород со слоистой, сланцеватой и массивной текстурами с использованием понятия о буровом индексе анизотропии пород Ь.

Первоначально исследовались закономерности зенитного искривления скважин и была предложена формула для вычисления угла мгновенного перемещения долота при бурении, на основании Которой по 79 интерзалам роторного бурения скважин на площадях Октябрьская, Гудермесская и Гейт - Корт ПО "Грознефть"'с достаточной для практики точностью рассчитаны фактические числовые значения величин И в сарматских, карагано - чокракеких, майкопских и меловых отложениях. Одновременно, с относительной погрешностью до 10%, были определены' величины коэффициента боковой фрезерующей способности долота к для трехшарошечных долот диаметром 244,5 - 393,7 мм типа С, М (к = 0,262 - 0,337) и для одношарошечных доЛот диаметром ¡39,7 - 190.5 мм типа ТЗ, СЗ (к = 0,251 - 0,295). Аналогичные исследования проведены по данным о бурении верхних интервалов разреза Октябрьской площади ПО "Грознефть" турбинно - роторным способом трехшарошечными долотами 295 мм типа М с лопастным пилотным расширителем и по Пашнинской площади АО "Коминефть" в девонских отложениях, разбуриваемых роторным способом трехшарошечными долотами 215,9 мМ типа Т, ТК, К. Найденные в результате анализа числовые значения бурового индехса

анизотропии характеризовались малым разбросом данных и применялись в практике бурения.

С целью обобщения решений на случай искривление скважин в пространстве проведено изучение взаимодействия вооружения долот с ' анизотропной породой на забое. В результате были получены и приведены в работе общие аналитические зависимости для определения величин "геологических" сил (притнводейстаующих внедрению вооружения долота в породу и корректирующих направление этого внедрения), опрокидывающих моментов на долоте (аследствии ассиметркчного разрушения забоя); результирующих поперечных сил и углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях искривления.

Оказалось, что "геологические" силы и опрокидывающие моменты на долоте имеют средние (за один оборот долота), статические значения и сравнительно небольшие (до 13 - 15 % от статических) гармонические динамические составляющие, которые способствуют уширению ствола, возникновению продольных, поперечных и крутильных колебаний КНБК не оказывая, при этом, непосредственного влияния на искривление скважины, в связи с чем они в дальнейшем анализе не учитывались.

Введена система координат ОХУЗ, связанная с центром забоя скважины (ось X - касательная к оси скважины у забоя; ось У лежит в плоскости зенитного искривления и направлена вниз; горизонтальная ось Ъ, если смотреть от забоя, направлена вправо). Статические составляющие "геологических" сил Ргу,Т^ действующих в плоскости забоя вдоль осей У и Ъ опрокидывающих моментов Му, М2, действующих, например, на трехшарощечное (трехлопастное) долото в плоскостях ХОУ и рассчитываются по формулам:

Бг, = - -\VoE2 ; = - \УоЕз;

М, = - (ЗРд/8)[ Р'„ Ез + Ро Ег1; М* = (ЗОд/8)[ Р„ Е2- Рс £з), (1)

где Wo - осевая нагрузка на долото; Ег , Ез (и, далее Ei, Е4 - Е«) -параметры, зависящие от угла восстания разбуриваемого пласта у, анизотропных свойств слагающих его транстропных или ортотропных пород, зенитного угла скважины а, разницы азимутов скважины и восстания пласта Лср; Da - диаметр долота; Fo - результирующее усилие на лопасти (шарошке, секторе вооружения, далее - лопасти), обусловленное крутящим моментом на долоте, действующее в плоскости • забоя и направленное перпендикулярно радиальной оси лопасти; Р0 - сила, действующая в радиальном направлении вдоль лопасти и возникающая за счет осевой нагрузки и вращения долота (формулы для вычисления параметров Ei - Е«, а также для сил F0, Ро - полученные на основе работ А,И. Сппвака, А.Н. Попова и др., приведены в работе).

Величины и направления действия сил Fo, Ро зависят от типомодели и диаметра долота, твердости породы на забое и параметров режима бурения. В данном случае, эти силы дня всех лопастей принимаются постоянными; в реферируемой работе рассмотрен и общий случай различия величин сил Fo, Ро,для каждой лопасти.

Анализ зависимостей (1) и проведенные расчеты для случая транстропных пород показали следующее:

- силы Fry и Frz могут быть достаточно велики (до 20 кН), они прямопропорциональны величине h и при данных а , у достигают максимума соответственно при Дф » 0е и Лф « ± 90°; для управления искривлением скважины, в случае необходимости, влияние действия "геологических" сил приходится, по возможности, приодолевать созданием на долоте противоположно действующих усилий - за счет КНБК , соответствующих параметров режима бурения;

- сила Fn почти всегда направлена в сторону линии восстания пластов, т.е. возникая, эта сила противодействует отходу скважины от названной линии. Поэтому, если не гтршшмать во внимание

опрокидывающий момент М2 , то геологические причины будут способствовать стремлению пробурить скважину по направлению восстания пласта, и отклонение скважины от него является следствием влияния технических факторов;

- сила Игу направлена к нормали к поверхности пласта, т.е. если а > у, то Ргу < 0 , и наоборот; таким образом, при бурении наклонно направленных скважин в пологозалегающих пластах приходится приодолевать стремление "геологических" сил уменьшить зенитный угол;

- долота режуще - скалывающего, режуще - истирающего действия, трехшарошечные долот с высокой скалывающей способностью (типа МС - М) при бурении быстрей разрушают левую и верхнюю части забоя, т.е. опрокидывающие моменты(М2 < О, Му > 0) действуют в сторону искривления скважины вправо и вниз относительно линии восстания пласта;

- трехшарошечные долота с низкой скалывающей способностью (тала Т - ОК) быстрей разрушают правую и верхнюю части забоя, т.е. опрокидывающие моменты (М2 > О, Му > 0) действуют в сторону искривления скважины влево и вниз относительно линии восстания пласта; долота со средней скалывающей способностью (типа С - СТ) по характеру воздействия на азимутальное искривление занимают промежуточное положение между указанными выше двумя типами долот;

- наибольшие абсолютные значения Му имеет при бурении по простиранию пласта, а Мг - при бурении по восстанию (или падению) пласта, при этом абсолютные числовые величины Му, М2 не превышают 0,3 - 0,4 кНм, что примерно на порядок меньше изгибающего момента в УБТ в плоскости зенитного и сопоставимо с моментом изгиба труб в плоскости азимутального искривления т.е. М2 может оказывать вполне значимое влияние на азимутальное искривление скважины;

- для долот режуще - скалывающего и режуще - истирающего действия опрокидывающий момент больше, тем для шарошечных; в общем случае, чем больше диаметр доЛота, осевая нагрузка, анизотропия пород, чем меньше частота вращения долота, тем больше опрокидывающий момент.

Описанные выше закономерности необходимо учитывать прн проектировании профилей скважин, выборе технических средств и технологий наклонно направленного и горизонтального бурения. В ортотропных породах указанные закономерности имеют более сложный характер и зависят от соотношения величин буровых индексов анизотропии в соответствующих двух, взаимноперпсндикулярнш плоскостях.

' Составлены уравнения для вычисления результирующих поперечных сил на дологе, на основании чего получены формулы для определения углов мгновенного перемещения долота при бурении' в плоскостях зенитного (Ца) и азимутального (щ,) искривления скважины:

м -Е2-ь[ра(1-Е4)-р„Еб] .

^ л с \ ' 'Г<»|

(1-Е,)

-ез+[рф(1-Е5)-раеб) ^

^По —

где ра , [3, - углы наклона приложенной к долоту результирующей силы соответственно в плоскостях зенитного и азимутального исхривления; эти углы отсчитываются от оси долота и при их определении (при расчете КНБК) углы наклона долота Са и С+ относительно оси X (касательной к оси скважины у забоя) во внимание не принимаются. Сомножители с к в правых частях последних уравнений характеризуют процесс бокового фрезерования долотом стенки скважины, а углы и - ассиметричное разрушение забоя. Из уравнений (2) видна взаимосвязь (через углы р„ , (3,, и параметры Е] - Ее) между зенитным и

азимутальным искривлением скважины, но она достаточно сложна и может быть проанализировала, только при заданных конкретных исходных данных:

Полученные формулы для углов мгновенного перемещения долота необходимы при решения задач прогнозирования и управления искривлением скважин в пространстве.

В заключении представлены выводы и рекомендации.

2. Определение взаимного положения скважины и пластов.

Наличие достоверной информации о геологическом строении проходимого скважиной разреза и об ее фактическом положении в пространстве совершенно необходимо при прогнозировании и управлении искривлением скважины.

С использованием кубической сплайн - функции получены и в реферируемой работе приведены общие уравнения для трехточечного метода расчета фактических координат любых точек на оси скважины в системе координат ОХУг, связанной с устьем скважины (ось 2 -вертикаль, X - направлена на север, У - направлена на восток); в частности, при одинаковом расстоянии ко между точками замеров инклинометрам, их координаты рекомендуется подсчитывать по реккурентным формулам: .

Х(+1 = Хи + Ьо(з1пШ-гСО$Ср[-1+ 4 БШСи-СОБСр! + + вшсц+гсозфн-О/З;

У|+1 = + Ьо^там -ышрм + 4 втсц-викт + (3)

+ $тш+1-8т(|ц+|УЗ;

Х|+1 = Ъ\л + МсоБаи ь 4 оксц + собс^УЗ,

где а, <р - соответственно зенитный угол и азимут скважины в точке замера; 1 - номер точки замера инклинометром в начале каждого участка; 1 = 1,2,3...п, где 1 = 1- первая от устья точка замера; п - последняя точка, соответствующая забою скважины (общее число участков).

Проведенные вычисления указывают на большую, по сравнению с обычно применяемыми методами расчета (балансный тангенциальный, по радиусу кривизны) точность метода кубической сплайн - аппроксимации, при этом он не сложней любого из двухточечных способов.

Моделирование поверхностей пластов на ограниченном участке . площади без тектонических нарушений вокруг .бурящейся скважины осуществлено с использованием натурального трехмерного сплайна, • который реализует мембранную механическую аналогию:

Ф(Х,У) = %[ЛкК(Х - Хк, У - У*)] + аХ + ЬУ + с, (4)

где Ф(Х,У) - символ сплайна (• численно Ф представляет собой глубину залегания поверхности пласта 2)\ К, а, Ь, с - постоянные коэффициенты; К - функция (воспроизводящее ядро), отражающая силы реакции в точках, где зафиксирована упругая мембрана; к - номер точки. с известными кoopдинafaми поверхности пласта (номер скважины по порядку), к = 1,2, 3... р, где р - число точек с известными координатами поверхности, участвующих в моделировании; X, У - текущие координаты (север, восток) точки лежащей на кровле или подошве пласта;

К(Х-Хк,У-Ук) = = 0,5 |(Х- Хк)2 + (У- Ук)2] /л1(Х- Хк)2 + (У- Ук)21, (5)

причем, при X = Хк, У= Ук АТ = 0.

С учетом работ В.Н. Милькова и др., для повышения точности моделирования, кроме линейных (X, У, использованы и комбинации известных линейных и угловых координат (X, У, уг - угол восстания пласта по какому - либо азимуту ч>а) в известной точке, принадлежащей к его поверхности:

£ {А*1(Х-Хк)со5<р5+(У-Ук)51П<р!1(1+/л[(Х-Хк)2+ (У-Ук)2])}+

+ а 008(1)5 + Ь втер, = - tg уг. (6)

В работе получены система уравнений для определения неизвестных коэффициентов в уравнениях (4) и (6) и приведен числовой пример моделирования поверхностей пласта.

Составлены алгоритмы определения параметров, характеризующих взаимное положение скважины и пластов: алгоритм вычисления координат точки входа скважины в пласт, зенитного угла и азимута скважины, угла и азимута восстания пласта в этой точке; алгоритм определения расстояния от забоя до точки возможного выхода скважины из пласта; алгоритм вычисления расстояний по вертикали от забоя скважины до кровли и подошвы пласта; алгоритм вычисления направляющих косинусов углов встречи скважины с пластом. Приведен пример определения направляющих косинусов углов встречи скважины и пласта, подтверждающий практическую возможность реализации перечисленных алгоритмов, не только на ЭВМ, но и на микроЭВМ.

В заключении представлены выводы и рекомендации.

3. Управление величиной и направлением

приложенных к долоту поперечных сил.

В работе показацо решающее влияние на процесс искривления скважин статических поперечных сил на долоте. Эти силы могут либо противодействовать "геологическим" силам, либо дополнять их - в зависимости от ориентации скважины относительно вертикали и пласта, анизотропии пород, типа КЙБК, параметров режима бурения. Проанализированы возможности управления статическими силами при использовании различных КНрК (ориентируемых и неориентируемых маятниковых, жестких, отклоняющих) и сформулированы условия, при которых возникающие на долоте при вращении труб боковые динамические силы можно использовать для управления искривлением скважины. Показан наиболее эффективный путь реализации этих условий -нижняя часть бурильной колонны должна быть сконструирована таким

образом, чтобы при бурении существовала взаимосвязь между динамическими и статическими прогибами и силами, тогда изменяя, например, частоту вращения труб, можно увеличивать или уменьшать статические составляющие боковой силы на долоте. С этой целью, на уровне изобретения, предложено использовать утяжеленные бурильные трубы с неравными главными осевыми моментами инерции площади поперечного сечения (УБТЭ), рис.1. В работе обосновываются рациональные форма (в виде кольца со срезанными сегментами) и размеры поперечного сечения УБТЭ, приводятся технические характеристики этих труб (в том числе изготовленных и испытанных), отмечаются их эксплуатационные преимущества перед обычными УБТ.

Приводятся результаты аналитического изучения функционирования КНБК с такими УБТ в трехмерной системе координат, причем из них следуют частные выводы об изгибных деформациях при бурении обычных (круглых) УБТ, забойных двигателей и КНБК с эксцентрическим переводником.

С использованием вариационного принципа наименьшего действия и общепринятых идеализации получена система> дифференциальных уравнений изгиба участка КНБК в искривленном стволе скважины: О.ЗЕГ^РО - 0,5ЕГрип'(Х) + Мк5"'(Х) +

+0М>- яХсоха)У"(Х) = яята; 0,5Е1,8М(Х) - 0,5Е1РТ7(Х) - МК\Д"(Х) 4

+(\У„ - яХсо5а)8"(Х) = - цХ; (7)

0,5Е1Л/'(Х) - 0,5Е1РУ'"(Х) - МкТ"'(Х) +

+(\У0 - qXcosа)U,l(X) - 4то)^и(Х) = 0; 0,5Е1,Т,У(Х) - 0,5Е1Р8М(Х) + Мки'"(Х) +

+ (\У„ - чХсо5а)Т"(Х) - 4пия2Т(Х) = 0,

Г

J

А ij

А

iL

н

Длина трубы L = 6000 - 9000 мм. Длина фрезерованной части трубы Ц, = 5000 - 8000 мм.

Вид А - А

Е) - диаметр кольца УБТЭ; б - внутренний диаметр трубы; Н - расстояние между гранями; 9 = 34 - 35°

Рис.1. Утяжеленная бурильная труба' с неравными главными -осевыми моментами инерции площади поперечного сечения (УБТЭ).

где EI. = Eis +• EIq ; Elp -~EIr - EIq ; EIr,.EIq,- соответственно наибольшая и наименьшая изгибные жесткости УБТЭ; Мк - крутящий

. > • <4 ...

момент на додоте (скручивающий момент в КНБК); q; m - соответственно вес в жидкости и масса единицы длины труб; со - углОвая скорость.

вращения труб; ц - составляющая скручивающего момента, равная ц = [Mk/(GJp )] q sina,' где GJp - жесткость тела трубы при кручешш; V(X), S(X) - функции статического; а U(X), T(X) - динамического изгиба труб; направления прогибов Y(X) и V(X), Z(X) и S(X) совпадают. Смысл остальных обозначений, ясен из предыдущего; система координат OXYZ связана с центром забоя скважины.

Установлен планетарный режим вращении УБТЭ ff стволе скважины (вокруг собственной оси я вокруг оси* своего статического прогиба), обусловленный различием в осевых моментах инерции сечения трубы во взаимноперпендикулярных направлениях; соответствующим, образом изменяются и величины поперечных сил на долоте и углов его наклона: Ry(0,t) = Rv + Ru cos2ot + RT sin2cot; Rz(0,t) = R, + R„sin2a>t - Rrcos2mt;

^y(0,t) = Qy + cos2a)t + Q, sin2o)t; (8)

СДО,0 = С» + С. sin2cot - ^Tcos2o)t,

где t - время; Rv, R», Ru, Rt и Q,•, C?, C,a , QT - соответственно поперечные силы на долоте и углы его наклона в плоскостях VOX, SOX, UOX, ТОХ; причем R; ,R> являются статическими, главными

составляющими поперечных сил и углов, а R„, RT, £u , - динамическими составляющими, характеризующими гармонические колебания величин сил и углов относительно средних (статических) значений и не оказывающими непосредственного влияния на искривление скважины. Поэтому, в дальнейшем анализе . силы Ru , Rt и углы , £т не рассматривались и принимались очевидные тождества: ■ Ry = R*, Ri = R*> = = = Qy-

В работе показано, что идеально круглые трубы в наклонном стволе вращаются преимущественно вокруг собственной оси. Обычные трубы совершают беспорядочные биения, но относительно оси своего

статического прогиба, поэтому дм расчета КНБК из круглых УБТ (или с забойным двигателем) следует использовать статические уравнения их изгиба (первые два уравнения из системы (7) при Е1Р = 0).

Приводится решение уравнений (7) для компоновок с УБТЭ и без них, обосновываются и принимаются граничные условия и условия неразрывности оси КНБК, в том числе, в случае использования ориентируемых компоновок с кривым переводником, накладкой на турбобуре, неориентируемых компоновок с эксцентрическим переводником. В граничных условиях учтено действие опрокидывающих моментов на долоте, сил трения и наката элементов КНБК на стенки скважины (при роторном и турбинном способах бурения), кривизна скважины в зенитной и азимутальной плоскостях. Для определения углов наката даны точные и приближенные решения.

Результирующие поперечные силы на долоте, действующие вдоль осей Y и Z рассчитываются по формулам:

Fy = - kWoEz + k [(1 - Е4) Ny - EtNJ + (WoQ; Fz - - kWoEs + k [(1. Es) Nz - E6NyJ+ (WoQ, (9)

где fT - коэффициент трения долота о сгенки скважины; Ny = (Ry + RifT)/(l+fT2); Nz = (Rz - R/T)/(l+fr2), причем следует иметь в виду, что ра = N,AV0; РФ= Nz/Wc.

Показано большое влияние трения боковой поверхности долота о стенки скважины при использовании отклоняющих и маятниковых КНБК на величину и направление действия сил Ny и Nz, определяющих скорость фрезерования долотом стенок скважины и проанализированы возможности управления этими силами.

Получены формулы для расчета действующих на долото статических поперечных сил со стороны КНБК (Ry, WoC« и Rz, Wo^q) а случаях бурения компоновками с УБТЭ и с обычными (круглыми) УБТ, с забойным двигателем, в том числе с кривым переводником, накладкой на турбобуре.

Из анализа этих формул, в частности, следует, что при использовании УБТЭ (в отличии от обычных УБТ) функции статического и динамического прогиба труб взаимосвязаны (поскольку EIL * 0), поэтому статические поперечные силы Ry, (Wo£.) и Rz, (Wot^,) складываются из двух частей: собственно статических сил, таких же, как и при | использовании круглых УБТ и статических сил, обусловленных вращением УБТЭ (динамических составляющих статических сил); другими' словами, величины статических поперечных сил на долоте в компоновках с УБТЭ зависят от динамики вращения труб.

В этом и заключается основное преимущество компоновок с УБТЭ, при бурении с которыми можно, путем регулирования частоты вращения КНБК управлять величиной статических поперечных сил на долоте.

Для ограничения зенитного искривления при проектировании компоновок предложено использовать условие k»Ry /Wo + = min. , в соответствии с которым (и с учетом реальных значений коэффициента к) были рассчитаны характеристики маятниковых ТСНБК с одним, двумя центраторами и жестких КНБК с эксцентрическим переводником практически для всех диаметров одно- и трехшарошечных долот; разработаны и утверждены соответствующие методические указания, использовавшиеся при бурении предприятием "Севергазпром"'.

В работе, на основании уравнений (9) и формул для расчета входящих в эти уравнения сил и углов подробно описаны способы регулирования величин результирующих поперечных сил на долоте, действующих в направлениях зенитного и азимутального искривления скважины. В частности установлено, что опрокидывающие моменты на долоте мало сказываются на величинах сил Ry, (WoQ, но могут заметно влиять на силы Rz, (WoC9), особенно в прямолинейном стволе скважины. Отмечены ограниченные возможности неориентируемых КНБК в управлении азимутальным искривлением.

Для расширения возможностей управления статическими поперечными силами на долоте предложено использовать КНБК с УБТЭ. Проведен численный анализ функционирования таких компсновок с одним центратором, который показал, что в целом, за пределами определенных сочетаний длины УБТЭ, осевой нагрузки на долото и частоты его вращения динамические составляющие статических поперечных сил на долоте составляют по величине 10 - 15% от общего числового значения соответствующих статических сил.

Вместе с тем, существуют и такие сочетания длины УБТЭ, осевой нагрузки на долото и частоты его вращения когда (при данных геометрических размерах сечения труб) динамические силы возрастают настолько, что уже именно они определяют поведение КНБК при бурении. При таком сочетании названных параметров статические составляющие' прогиба КНБК У(Х), Б(Х) резко, но известным образом изменяют свои числовые значения и, в зависимости от конкретных условий (КНБК, частоты вращения, осевой нагрузки), могут быть как положительными, так и отрицательными. Соответственно резко изменяются (в том числе, по знаку) величины статических сил ОМД,) и . Такой режим

бурения можно назвать режимом динамического изменения статических поперечных сил. Он может обеспечить условия увеличения или уменьшения сил Ру, и определяется критическими условиями

колебаний труб в зоне, близкой к резонансной.

Существование этого режима имеет место при достаточно больших вариациях факторов, влияющих на его возникновение, что свидетельствует о возможности его практической реализации, поскольку в процессе углубления скважины всегда имеются некоторые отклонения параметров режима бурения и длины УБТЭ от расчетных. В работе даны графики для определения "критических" длин УБТЭ с разными размерами поперечного сечения для маятниковых КНБК (при низкооборотном

бурении с частотой вращения компоновки 40 - 100 мин-1 критическая длина больше 10 ■• 12 м и мало зависит от \У0) и указано на существование режима динамического изменения статических поперечных сил при малых длинах УБТЭ (3 - "5 м) в жестких и отклоняющих КНБК. Приведен числовой пример, из которого видно, что за счет регулирования частоты вращения компоновки с УБТЭ возможно существенное изменение величин сил Бу, Рг (в том числе, по знаку) даже при бурении в сильноанизотропных породах. Для управления поперечными силами на долоте, в каждом конкретном случае требуемую частоту вращения (так же, как и длину УБТЭ, осевую нагрузку) рекомендовано рассчитывать по приведенным в работе уравнениям.

В заключении представлены выводы и рекомендации.

4. Прогнозирование и управление искривлением скважин

при буренки.

В работе приведен анализ существующих подходов к прогнозированию искривления скважин и обоснован главный принцип предлагаемого метода определения будущей формы оси скважины, состоящий в утверждении, что равновесное состояние системы "КНБК -скважина" (монотонное снижение, увеличение или постоянство зенитного угла, азимута) имеет место при условии Бу = Б/ = 0 или, что то же самое, -4 равенства нулю углов мгновенного перемещения долота р^ и ц,. Таким образом, в каждый момент времени после начала углубления забоя, вектор направления мгновенного поступательного перемещения дологга в точке центра забоя является касательным к формирующейся в этот момент оси скважины, поскольку траектория движения точки, связанной с центром забоя и есть кривая оси скважины. При этом, на кривизну будущего ствола скважины существенно влияет кривизна ствола выше

забоя, где находится "активная" часть КНБК, длиной 30 - 40 м, т.е. имеет место так называемый копировальный эффект.

В работе дано, краткое описание составленных раннее автором алгоритмов для программ на ЭВМ и микрокалькуляторах, позволяющих прогнозировать зенитное искривление скважины с учетом сформулированного выше принципа и отмечается хорошее совпадение полученных результатов с практическими данными, в частности, при бурении скважин в ПО Грознефтъ и на полуострове Ямал.

Предложенный в работе алгоритм прогнозирования искривления скважин основывается на уравнениях (9) при сформулированном выше условии Бу = Бг = 0. Эти уравнения равновесия результирующих поперечных статических сил на долоте можно 'назвать уравнениями процесса формирования траектории поступательного движения долота при бурении и с достаточной для практики точностью записать в виде:

- к\У„Е2 + к (Ыу + - 0;

- к\У0Ез + к (Иг - К/тУа+Ъ2) + \VoC4, = 0. (10)

В алгоритме учитывается копировальный эффект, для чего на каждом шаге прогнозирования рассчитываются и удерживаются в памяти параметры кривой оси ствола выше забоя, поскольку именно в нем происходит изгиб расположенной гам КНБК.

Проекции кривой оси нижней части уже пробуренного ствола скважины(Оу, Ог) на соответствующие координатные плоскости ХОУ и ХОХ аппроксимируются двухчленными зависимостями:

Оу(Х) = аХ2 + ЬХ3; Ог(Х) = сХ2 + (IX V

где а, Ь, с, <1 - коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов по известным зенитным и азимутальным углам скважины; (осп , а.п-1 , <Хп-2... и (рп , фп-1 , <рп-2...) в точках на оси скважины в пределах 40 м выше забоя, причем точки а„ , <рп принадлежат забою, а другие расположены выше на расстояниях, соответственно, Н, 2Н, ЗН и т.д.

Для уменьшения погрешностей в расчетах, величину Н рекомендовано принимать постоянной и равной, например, 10 м, как при прогнозировании будущей кривизны скважины, так и при решении обратной задачи - определении величин бурового индекса анизотропии пород по фактическим данным об искривлении'скважин.

Прогнозирование искривления производится шагами через длину Н и начинается с задания точке на забое первых приближений значений будущих углов ап, (р п и передвижения ее вниз; в процессе первого шага начало координат также передвигается ниже предыдущего забоя на расстояние Н и координатные оси поворачиваются в соответствии со значениями этих будущих углов; числовые значения углов в вышележащих точках переприсваиваются (ап-1 = ап-2, <м = срп-г и т.д.), последняя от забоя точка не учитывается. Вычисляются коэффициенты а,Ь,с,с! и определяются зависимости Оу(Х), В2(Х) ; с учетом величин ап , фп определяется взаимное положение скважины и проходимого пласта; вычисляются опрокидывающие моменты и " "геологические" силы; производится расчет КНБК (при новых зенитном угле и кривизнах скважины) , вычисляются дейсгвующие на долоте статические поперечные силы Яу, , ЛУоС., \VoCip- Проверяется соблюдение условий (10). Если они выполняются, то принятые значения зенитного и азимутального углов ап, фп считаются действительными; производится расчет координат точки на "новом" забое скважины в общей системе координат, связанной с устьем скважины; на этом первый шаг прогнозирования искривления скважины счцгается завершенным. Второй и последующие шаги осуществляются совершенно аналогично первому.

Если условия (10) не соблюдаются, то задаются (по определенным правилам) новые значения углов ап, <Рп и все вышеописанные процедуры выполняются вновь; это повторяется до тех пор, пока не будут удовлетворены условия равенства нулю результирующих поперечных сил

на долоте (10). Упомянутые правила изменения углов основываются на практически линейных зависимостях между величинами поперечных сил Иу, , У/оСд, \VoCp и значениями прогнозируемых углов <хп, фп.

Блок - схема алгоритма прогнозирования искривления скважины при бурении дана на рис.2.

Рис.2. Блок - схема алгоритма прогнозирования искривления скважины при бурении.

В соответствии с разработанными алгоритмом, на ЭВМ была составлены программа расчетов, с помощью которой проведены

численные эксперименты по прогнозированию искривления скважины при бурении различными КНБК (маятниковыми и отклоняющими), в условиях изменяющихся углов и азимутов восстания пластов, их анизотропных свойств, варьирования осевой нагрузки на долото, коэффициента его боковой фрезерующей способности, коэффициентов трения элементов . компоновки о стенки скважины. Анализ результатов экспериментов указывает на адекватность разработанного алгоритма реальным условиям бурения; при этом он лишен внутренних противоречий, соответствует большинству нынешних представлений о закономерностях искривления скважин и, поэтому, может быть рекомендован к практическому использованию.

Управление искривлением скважины осуществляется путем регулирования приложенных к долоту поперечных сил. При наличии соответствующего программного обеспечения „(на основе приведенного алгоритма), исходных данных об анизотропных свойствах пластов и ориентации их в пространстве, о текущем искривлении скважины и требованиях к ее будущей траектории в большинстве случаев можно рассчитать и подобрать параметры КНБК, режимы бурения с целью выполнения этих требований. При этом, следует пользоваться методом прогонки различных вариантов решений и выярления из них наиболее полно удовлетворяющего условиям поставленной задачи.

В работе проанализированы возможности и дан механизм управления искривлением скважин з пространстве на основе уравнений равновесия сил (10), Выбраны основные управляющие воздействия на текущее искривление скважины, которое определяют величины Оу , О* . Такими управляющими воздействиями являются: 1) длина, вес и жесткость первого участка КНБК; 2) изгибающие моменты сил, действующие со стороны второго участка КНБК и зависящие от формы оси скважины выше первого центратора (кривого переводника, накладки на турбобуре), угла изгиба и установки кривого переводника (толщины накладки, зазора

по центратору), диаметра, веса и жесткости УБТ (турбобура) на этом и следующем участках; углов наката первого центратора и расположенных выше труб на боковую стенку скважины; 3) коэффициенты боковой фрезерующей способности долота и трения его боковой поверхности о стенки скважины (зависящие от типомодели долота); 4) опрокидывающие моменты сил на долоте, зависящие от типа и диаметра долота, осевой нагрузки, удельного крутящего момента (а, следовательно, частоты вращения долота), анизотропных свойств пласта и углов встречи с ним скважины; 5) осевая нагрузка на долото, определяющая величины "геологических" сил; 6) частота вращения КНБК, существенно влияющая на величину и направление поперечных сил на долоте при использовании УБТЭ; 7) радиальный зазор по центратору (особенно если центратор расположен в непосредственной близости от долота).

Отмечаегся, что суммарное воздействие всех перечисленных выше факторов на искривление скважины весьма сложно, поэтому, в каждом конкретном случае, варьируя ими, необходимо проводить многовариантные расчеты возможных трасс скважины на ПЭВМ (имея соответствующую программу расчета) и выбирать из них такие их сочетания, при которых наилучшим образом обеспечиваются возможности управления искривлением скважины в соответствии с принятыми проектными решениями по конфигурации ее оси.

В заключении представлены выводы и рекомендации.

5. Выбор длины УБТ и определение сил сопротивления

движению бурильного инструмента при проводке скважин.

В работе обосновываются ограничения на возможность использования существующих указаний по выбору дпины УБТ для создания гребуемой осевой нагрузки на долото при бурении наклонно направленных скважин и предлагается способ устранения этих ограничений. Длину УБТ в скважинах, отклоненных от вертикали на угол

более 10 - 12° при турбинном и 20 - 25® при роторном способах бурения, рекомендуется определять по формуле:

Ьу6г = [(0\Уо - \Укр )/(ко'сова) - ЪЩуъ, (11)

где С - коэффициент запаса веса УБТ, равный (согласно существующим указаниям) 1,33 - 1,15; ко - коэффициент, учитывающий выталкивающие силы, действующие на колонну труб в жидкости; а - средний зенитный уг ол скважины в интервале расположения УБТ; В - вес в воздухе всех элементов КНБК (УБТ, турбобура и др.), кроме УБТ основного размера ; яУбт - вес в воздухе единицы длины УБТ основного размера (под УБТ основного размера понимаются утяжеленные трубы, расположенные выше активной (длиной до 30 - 40 м) части компоновки).

У/ц, - критическая (наименьшая) сжимающая нагрузка, при которой трубы, контактируя с верхней стенкой искривленной скважины, сохраняют принятую криволинейную форму равновесия; действующая в бурильных трубах осевая сила при бурении должна быть меньше этой критической нагрузки - с целью исключения чрезмерных, разрушающих тело, резьбы труб и замков усилий.

Для определения критической нагрузки получена формула:

ш = 2с^псс (\у\

41 ■■ 1Ва2 + гцвта/Е!!1'1 ' 1 '

где В1, ц - соответственно жесткость тела бурильной трубы при изгибе и вес ее единицы длины в жидкости; г - радиальный зазор по телу трубы; 5а - зенитная кривизна скважины.

При 8„ = 0 последняя формула соответствует экспериментальным данным Т. Деллингера, Г. Вудса и А. Лубинского и совпадает с известной формулой П. ГГеслея и Д. Боги, которая, таким образом, является частным случаем приведенного общего решения.

Расчеты по формулам (12) - (I!) указывают на возможность уменьшения требуемой длины УБТ при бурении искривленных скважин до

практически приемлемых величин (не более 180 - 200 м), что снизит опасность прихвата труб, стоимосто ремонта УБТ (перерезки резьб), транспортные расходы и др.

Практическое использование уже предложенных методов определения сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине (что необходимо для контроля фактической осевой нагрузки на долото при управлении искривлением скважины) затрудняется сложностью расчетов, поэтому была составлена соответствующая программа "Force" на ПЭВМ.

С учетом результатов исследований М.М. Александрова, расчет сил сопротивления на i - том (начиная снизу) участке колонны труб производился по формуле:

Ti = fc{[q,ALiSinoci'- Aa.Wi - 3EIi Aa.ViL,2]2 +

+ sincia [aq>ciWi- 3EIiAq>ciV&L ¡2]} "2, (13)

где fc - коэффициент сопротивления; Aa, Aipc, ac - соответственно изменения зенитного угла и азимута скважины на участке aL и средний зенитный угол на этом участке; i = 1... п, причем i = 1 для первого от нкза колонны участка, i = п - для последнего участка у устья скважинь:.

п

Общая сила сопротивления движению труб равна: Т = £ Т,.

1

Текущее осевое усилие в трубах рассчитывалось по формуле:

V/i = - Wo + 0,5q,L,cosaci + £ q,L,cosac, ± £ Ti, (14)

t i

где Wo - реакция забоя скважины (осеЕая нагрузка на долото); знаки перед символом второй суммы: (+) - соответствует подъему труб; (-) -спуску труб (проработке, бурению).

Разгрузка на крюке ЛП для создания требуемой Wo равна:

ДП = Тс + W0 ,

где Тс - общая сила сопротивления движению труб при бурении (движение инструмента при бурении имитирует операция "спуск").

Реккурентные уравнения (13) - (14) допускают решение прямой и обратной задач; в обратной задаче, по замеренным в скважинах силам сопротивления рассчитываются коэффициенты сопротивления, что и было сделано по 17 представительным замерам в скважинах Уренгойского месторождения. В работе описываются возможности программы расчетов "Force" и даны рекомендации по ее использованию. "

В заключении представлены выводы й рекомендации.

6. Практическая реализация результатов работы.

Проведенные в работе исследования позволили получить результаты, которые были использованы при строительстве, ежважив на Северном Кавказе и на Севере европейской част*и России, в ходе учебного процесса в Ухтинском индустриальном институте.

Приводятся сведения о практическом применении с положительным эффектом полученных -данных об анизотропных свойствах народ при составлении проектно- сметной документации и строительстве естественно искривленных скважин 38, 185; 14. йа Пашнинском месторождении; -об использовании пакета программ на ПЭВМ для определения взаимного положения скважины и пластов в процессе составления проектно- сметной документации и строительстве !6-ти скважин в АО "Коминефть"; об успешном использования при бурении 19 ти скважин в предприятии "Севергазпром" (проходка 30 гыс. м) методических указаний по применению КНБК с одним, двумя центраторами и жестких КНБК с эксцентрическим переводником; о по ложительных результатах применения KiiBK с УБ'ХЭ при бурении 25-ти скважин в ПО "Грознефтъ" (общая проходка 26 тыс. м; отмечено уменьшение- зенитного искривления скважин, увеличение механической скорости и проходки на долото; экономический эффект 260 тыс. рублей в ценах 1982 года); об использовании программы расчета на ПЭВМ сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине "Force" з

учебном процессе на кафедре бурения Ухтинского индустриального института при проведении занятий по дисциплине "Технология бурения нефтяных и газовых скважин" со студентами 3-5 курсов, обучающихся по специальности 090800 "Бурение нефтяных и газовых скважин". Справки, подтверждающие практическую реализацию работы даны в Приложениях.

I

Основные выводы и рекомендации.

I .Получены аналитические зависимости для вычисления статических и динамических "геологических" сил и опрокидывающих моментов на долоте при бурении; уточнены формулы для определения углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях; показана необходимость использования установленных 'зависимостей при проектировании трасс скважин и управлении их искривлением.

2. Создан геолого - технологический комплекс алгоритмов расчетов угловых и линейных параметров, характеризующих взаимное положение скважины и пластов; его рекомендуется использовать в программном обеспечении технологии проводки скважин для целей управления искривлением скважин, определения расстояний от забоя до кровли и подошвы пласта, контроля очередности проходимых пластов и др.

3. Установлена первостепенная роль в формировании траектории поступательного перемещения долота статических поперечных сил на долоте и показана возможность их регулирдвания за счет изменения частоты вращения КНБК, включающих утяжеленные бурильные трубы особой конструкции - с неравными главными осевыми моментами инерции площади своего поперечного сечения(УБТЭ); разработаны • и приведены технические характеристики таких труб.

4. Проведено аналитическое изучение функционирования КНБК с УБТЭ; получены и решены дифференциальные уравнения их изгибных колебаний; для неориентируемых и ориентируемых КНБК обоснованы и

сформулированы граничные условия с учетом опрокидывающих моментов на долоте, наката элементов компоновки на стенки скважины; для определения угла наката даны как точные, так и приближенные формулы.

5. На основе полученных уравнений результирующих поперечных сил на долоте разработаны способы управления этими силамй с целью обеспечения требуемого направления поступательного движения долота при бурении.

6. Проведен численный анализ функционирования КНБК с УБТЭ и выявлены особые режимы их работы - когда резко, но известным образом, изменяются величины статических поперечных сил на долоте в зенитном и азимутальном направлениях; ".тот резким назван режимом динамического изменения статических поперечных сил на долот0, его реализация значительно расширяет возможности управления искривлением скважин.

7. УБТЭ, с поперечным сечением в форме кольца со срезанными сегментами и размерами 127-105 мм; 165-135 мм; 178-149 мм; 203-167 мм; 229-190 мм (большой размер - внешний диаметр кольца, меньший -расстояние между гранями) были изготовлены И успешно прошли промысловые испытания в ПО "Грознефть"; при.этом-удалось значительно уменьшить естественное искривление скважин; на этом основании КНБК с УБТЭ рекомендуются к практическому применению.

8. При расчете>и проектировании КНБК рекомендуется использовать полученные решения' дифференциальных , уравнений их изгиба и соответствующие граничные условия с учетом наката долота п других элементов компоновки на стенки скважины, действующих опрокидывающих.моментов.

9.Разработан и реализован на ЭВМ алгоритм прогнозирования искривления скважин, проведены численные эксперименты при различных вариантах геологических условий, типах КНБК, параметрах режима бурения. Обоснована возможность решения обратной задачи -определение входящих в уравнения эмпирических величин по фактическим

данным об искривлении скважин; результаты численных экспериментов свидетельствуют об адекватное™ предложенного алгоритма реально существующим закономерностям искривления скважин и, поэтому, он рекомендуется к практической реализации на современных ПЭВМ.

10. Проанализированы возможности, и выявлены, важнейшие воздействия на характер искривления скважины, позволяющие управлять им в процессе бурения;* полученные результаты рекомендуется использовать при решении теоретических и практических задач управления искривлением* скважин.

11. Предложен и -рекомендован к широкому практическому применению новый подход к определению длины УБТ, достаточной для создания требуемой осевой нагрузки на долото при бурении.

12. Для контроля осевой нагрузки на долото предложен алгоритм и, составлена программа расчетов на ПЭВМ сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине, позволяющая решать и обратную задачу - определение коэффициента сопротивления; программа рекомендуется к практическому использованию.

В заключении даны предложения о направлениях дальнейших исследований. -

Основное содержанке диссертационной рдботы опубликовано в 42 печатных работах:

1. A.C. 560056 (СССР). Утяжелённая ^бурильная труба / В.Т. Лукьянов, В.В.Петров, Ю.Н. Блшнюков. - Опубл. в EJJ., 1977, № 20.

2.Кулнгин В.Н., Лукьяноз В.Т., Чечин Ю.А., Солдатов Г.М. Износостойкая наплавка для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания. - Инф. листок №562-78. Ростовский межотраслевой террит. центр науч. - техн. информ. и пропаганды. - РосТов-на-Д'ону, 1978. - 2 с.

3. Близгаоков Ю.К.. Лукьянов В.Т., Петров В.В., Григулецкнй В.Г. К анализу работы компоновок нижней части бурильной колонны с утяжелешшми бурильными трубами эллиптического поперечного сечешш.

- В кн.: Техника и технология бурения глубоких скважин Северного Кавказа./ Тр. СевкавНИПИнефтъ, 1979, вып. 31, с. 31 - 37.

4. Лукьянов В.Т. О работе КНБК, состоящих из утяжеленных бурильных труб", имеющих неравные главные осевые моменты инерции сечения. - Тез. докл. 2 Ухтинской науч.-техн. конф., Ухта, 1980, с. 117.

5. Александров М.М., Григулецкий В.Г., Лукьянов В.Т. О факторах^ влияющих на искривление, скважин.- В кн.:Технология бурения нефтяных и газовых скважин. Межвуз. науч.- тем. сб. Уфимский нефт. ин-т. Уфа, 1980, вып. 7, с. 119-121.

6. Васин Э.С., Кулигин В.Н., Лукьянов В.Т., Григулецкий В.Г. Искривление скважин при бурении турбинно - роторным способом.

- Нефтяное хозяйство, 1980, № 5, с. 20 - 24.

7. Кулигин В.Н., Лукьянов В.Т. Результаты применения долот ИСМ в Октябрьском УБР. - РНТС Бурение, 1980, выя. 8, с. 5 - 7..

8. Лукьянов В.Т. Рациональная конструкция утяжеленных бурильных труб. - РНТС Машины и нефтяное оборудование, 1981, вып. 6, с. 25 - 27.

9. Лукьянов В.Т. Расчет КНБК с пилотным расширителем и определение максимального угла стабилизации искрибления при бурении с одновременной расширкой. В кн,: Материалы 7 отраслевой конф. молод, спец., МНП, Краснодар, 1980. - М., 1982, с. 42 - 53.

10. Лукьянов В.Т. О критериях расчета компоновок низа бурильной колонны. - Известия вузов, сер. Нефть и газ, 1982, № 3 с. 25 - 27.

11. Лукьянов В.Т.,. Александров М.М., Григулецкий В.Г. Выбор оптимальных параметров КЦБК с учетом закономерностей искривления скважины. - Нефтяное хозяйство, 1982, № 1!, с. 14 - 17.

12. Зюзюков В.В., Лукьянов В.Т. Расчет оптимальных компоновок нижней части бурильной колонны для ограничения искривления скважин.

- В кн.: Разведка^, бурение и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. Тез. докл. к краевой науч.- техн. конф., посвящ. 60 - летию образ. СССР, Краснодар, 1982, с. 56 -59.

13. Александров М.М., Лукьянов В.Т. Исследование влияния технико - технологических факторов на процесс искривления скважин. В кн.: Тезисы докладов респ. науч. - практич. конф. на тему: Особенности геологического строения, бурения и освоения доюрских отложений Мангышлака, Шевченко, 1982, с. 44.

л

14. Лукьянов В.Т., Александров М.М., Григулецкии В.Г. Динамика работы компоновок нижней части бурильной колонны с УБТ, имеющими неравные главные осевые моменты инерции площади сечения. - Тез. докл. третьей Всесоюзной конференции по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования, Баку, 1983, с.18.

15. Лукьянов В.Т. Прогнозирование траекторий наклонно направленных скважин. - Тез. докл. 2-ой зональной науч. - техн. конф. по комплексной программе Минвуза РСФСР "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень, 1983, с. 86 - 87.

16. Лукьянов В. Г. Применение КНБК, работающих в динамическом режиме для предупреждения искривления скважин. В кн.4. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. Межвуз. научн. - темат. сборник. -Уфа, Уфимский нефт. ин-т, 1984, с. 89 - 93.

17. Алгоритм прогнозирования траектории бурящейся скважины/ Лукьянов В.Т. - ЭИ,сер. Автоматизация к телемеханизация в нефтяной н газовой промышленности,-ВНИИОЭНГ, 1984,вып. 2, с. 19-23.

!8. Прогнозирование искривления скважин с использование^ микрокалькулятора "Электроника БЗ - 34"./ Лукьянов В.Т. - Э.И., сер. Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. -ВНИИОЭНГ, 1984, вып., с. 16 - 20.

19. Совершенствование КНБК с эксцентричным переводником/ Лукьянов В.Т. - Э.И. Газовая промышленность, сер. Геология, бурение и разработка газовых и морских нефтяных месторождений. - М.: ВНИИОЭГАЗПром, 1985, вып. 3,с. ¡6 -18.

20. СлавгороДский С.Г., Лукьянов В.Т. Расчет бурового индекса анизотропии по данным об искривлении скважин. В кн.: Перспективы развития нефтедобычи на Европейском Севере СССР. Сб. научн. трудов. -М.: ВНИИОЭНГ, 1985, с. 32 - 36.'

21. Лукьянов В.Т.; Григулецкий В.Г. Нестационарные холебания колонн бурильных труб в искривленных и вертикальных скважинах. Э.И. Геология, бурение и разработка газовых и морских нефтяных месторождений. - ВНИИЭГАЗнром, М„ 1985, вып. 6, с. 23.

22. Лукьянов В.Т; Расчет траекторий бурящихся скважин. - В кн.: Проблемы технологии сооружения газовых и газоконденсатных скважин. Сб. научных трудов. - ВНИИГАЗ, М., 1985, с. 9-16.

23. Лукьянов В.Т. Прогнозирование траектории бурящейся скважины. Депонирована во ВНИИОЗНГ№ 1202 НГ-85. Деп. от 19.11.85. - Нефтяное хозяйство, 1985, № 12, с. 67.

24. Лукьянов В.Т. Основы расчета траекторий бурящихся скважин. В кн.: Совершенствование техники и технологии- строительства глубоких скважин в условиях сложного геологического строения Восточной Туркмении. Тез. докл. 5 науч. - практ. конференции. Ашхабад, ТуркменНИИНТИ, 1985, с. 29 - 30.

25. Касьянов Г.Е., Лукьянов В.Т., Григулецкий В.Г. Оценка жесткости компоновок нижней части бурильных и обсадных колонн. -Нефтяное хозяйство, 1986, №7, с. 22 - 24.

26. Лукьянов В. Т., Коровко А.Й., Горшенев С.Д. Забуривание нозых стволов скважин. - В кн.: Повышение скоростей и качества строительства газовых скважин. Сб. научных трудоз. ВНИИГАЗ, М., 1986, с. 58-63.

27. Лукьянов В.Т., Касьянов Г.Е., Григулецкий В.Г. Выбор компоновки нижней части бурильной колонны по ее условной жесткости. -В кн.: Технология/ строительства газовых и морских нефтяных скважин в

сложных горно - геологических условиях. Сб. научных статей. ВНИИГАЗ, М, 1987, с. 50 - 56.

28. Лукьянов В.Т. Прогнозирование траектории скважины. В кн.: Технология бурения глубоких скважин. Межвуз. сб. научи, трудов. Грозный: ГНИ, 1987, с. 96 - 102.

29. Лукьянов В.Т., Погорелов Е.В. Влияние анизотропии пород на траекторию скважины в пространстве. Тез. докл. Всесоюзной конференции "Механика горных пород при бурении", 3-я секция Технолог, процессы при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин, Грозный - Агой, 1988, с. 15-16.

30. Касьянов Г.Е., Лукьянов В.Т., Григулецкий В.Г. Выбор КНБК для подготовки стволов скважин к спуску обсадные колонн. - Нефтяное хозяйство, 1988, №1, с. 10 -12.

31. Лукьянов В.Т., Погорелов Е.В. Регулирование зенитного угла скважины при наклонно направленном бурении. - В кн.: Совершенствование техники и технологии строительства газовых и газоконденсатных скважин. Сб. научн. тр. ВНИИГАЗ, М.: 1989, с. 41 - 46.

32. Лукьянов В .Т., Погорелов Е.В. Возможности управления азимутальным искривлением скважины. - В кн.: Совершенствование техники и технологии строительства газовых и газоконденсатных скважин. Сб. научн. тр. ВНИИГАЗ, М.: 1989, с. 46 - 50.

33. Близнюков В.Ю., Лукьянов В.Т., Близнкжов Ю.Н. Промысловые испытания новых КНБК. - Нефтяное хозяйство, 1989, № 11, с. 14 - 18.

34. Палееик В.Л., Лукьянов В.Т., Холодилов В.Е., Григулецкий В.Г. Устойчивость форм равновесия приустьевой части газовой скважины при

г >

наличии 'ореола растепления зоны мерзлых пород. - В. кн.: Разработка газоконденсатных месторождений/ Междукар. конф., Краснодар:-ВНИЙКРнефть, 1990, с. 54 - 55.

35. Григулецкий В.Г., Лукьянов В.Т. Проектирование компоновок нижней части бурильной колонны. - М,¿Недра, 1990. - 302 с.

36. Лукьянов В.Т. Выбор длины УБТ при бурении наклонно направленных скважин. В кн.: Техника и технология строительства газовых и газоконденсатных скважин. Сб. научн. трудов, М.: ВНИИГАЗ, 1990.-с.35- 37.

37. Григулевдий В.Г., Лукьянов В.Т., Погорелов Е.В., Бойченко В.А. Микрокалькуляторы в бурении. - М.: Недра, 1992. - 125 с.

37. Лукьянов В.Т, Расчет необходимой длины УБТ при бурении в искривленных скважинах. - НТЖ "Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море", № 11 - 12, 1994, с. 29 - 30.

39. Лукьянов В.Т. Эффект запаздывания в искривлении скважин. В кн.: Проблемы развития газодобывающей и газотранспортной систем отрасли и их роль в энергетике Северо - западного региона России. Тез. докл., СеверНИПИгаз, Ухта: 1995, с. 35 •• 36.

40. Лукьянов В.Т. Определение сил сопротивления движению бурильного инструмента на Уренгойском месторождении. - Известия вузов. Нефть-и газ. 1997, № 2, с. 31 - 33.

41. Лукьянов В.Т. Динамика КНБК с УБТ, имеющими неравные главные осевые моменты инерции сечения. - Известия вузов. Нефть и газ, 1997, №3, с. 50-55.

42. Лукьянов В.Т. Моделирование положения скважины и пластов с использованием сплайнов. - Известия вузов. Нефть и газ, 1997, № 4, 7 - 19.

Соискатель

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УХТИНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВ ВЛАДИМИР ТИМОФЕЕВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЕМ СКВАЖИН

ПРИ БУРЕНИИ Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Оглавление

Введение..........................................................................................5

1. Направление поступательного движения долота

при бурении в анизотропных горных породах...................23

1.1. Геологические и технико - технологические причины зенитного и азимутального искривления скважин.... 25

1.2. Угол мгновенного перемещения долота с учетом его боковой фрезерующей способности при зенитном искривлении скважин............................................................... 39

1.3. Взаимодействие вооружения долота с поверхностью

забоя в анизотропных породах................................................. 44

1.4. Углы мгновенного перемещения долота при искривлении скважины в пространстве................................. 77

1.5. Выводы и рекомендации........................................................ 80

2. Определение взаимного положения скважины

и пластов....................................................................................... 82

2.1. Расчет фактической трассы бурящейся скважины............... 84

2.2. Моделирование поверхностей пластов в окрестности бурящейся скважины................................................................... 93

2.3. Взаимное положение скважины и пластов........................... 101

2.3.1. Алгоритм вычисления координат точки входа скважины в пласт, зенитного угла и азимута скважины

в этой точке................................................................................... 103

2.3.2. Алгоритм определения расстояния от забоя до точки возможного выхода скважины из пласта.............................. 105

2.3.3. Алгоритм вычисления расстояний по вертикали

от забоя скважины до кровли и подошвы пласта..................... 106

2.3.4. Алгоритм вычисления направляющих косинусов

углов встречи скважины с пластом.......................................... 107

2.3.5. Пример определения направляющих косинусов

углов встречи скважины и пласта.......................................... 110

2.4, Выводы и рекомендации...................................................... 115

3. Управление величиной и направлением приложенных

к долоту поперечных сил............................................................ 116

3.1. Анализ функционирования КНБК

в трехмерной системе координат....................................... 121

3.2. Дифференциальные уравнения изгиба КНБК.................... 125

3.3. Решение дифференциальных уравнений...............................136

3.4. Граничные условия и условия

неразрывности при расчете КНБК......................................... 144

3.5. Определение угла наката элементов КНБК на стенки скважины, влияния трения на величину поперечных сил на долоте........................................................ 15В

3.6. Технические характеристики утяжеленных бурильных труб с неравными главными осевыми моментами инерции площади поперечного сечения................................ 169

3.7. Управление поперечными силами на долоте при бурении.. 175

3.8. Выводы и рекомендации........................................................ 202

4. Прогнозирование и управление искривлением скважин

при бурении................................................................................... 205

4.1. Анализ существующих подходов к прогнозированию искривления скважин................................................................. 205

4.2. Прогнозирование искривления скважины......................... 214

4.3. Управление искривлением скважин................................... 231

4.4. Выводы и рекомендации....................................................... 235

5. Выбор длины УБТ и определение сил сопротивления движению бурильного инструмента при проводке скважин.. 237

5.1. Выбор длины УБТ при бурении скважин............................. 23В

5.2. Определение сил сопротивления движению бурильного инструмента при проводке скважин............................................ 250

5.3. Выводы и рекомендации........................................................ 257

6. Практическая реализация результатов работы....................... 259

Основные выводы и рекомендации............................................. 268

Литература...................................................................................... 272

Приложения................................................................................... 290

Приложение 1.................................................................................291

Приложение 2.................................................................................293

Приложение 3.................................................................................295

Приложение 4.................................................................................297

Приложение 5.................................................................................300

Введение

Актуальность работы.

Проблема предупреждения, ограничения, а затем и в целом управления искривлением скважин берет свое начало с момента получения первых сведений о наличии самопроизвольных отклонений скважин от вертикального направления еще в конце 19 века. Из исторических данных, приведенных, например, в книгах [33,36,55] следует, что в отечественной технической литературе первые описания результатов измерения угла наклона буровой скважины были даны горными инженерами А.К. Болдыревым, Л.И, Волковым. В 1916 году

И.С. Васильев впервые предложил объяснения причин и негативных последствий отклонения скважин от вертикали. Наиболее интенсивно изучением искривления скважин в СССР стали заниматься с 1929 года. Примерно к этому периоду относятся работы Б.И. Воздвиженского, А.Н. Динника, М.А. Жданова, К.П. Калицкого, М.А. Капелюшникова, Л.С. Лейбензона, М.Г. Танасевича, Ф.А. Шамшева, Н.О. Якоби и других.

В их исследованиях приводятся геологические и технические причины искривления скважин, способы его предупреждения, разрабатываются методы инклинометрии скважин.

Одновременно появляется и получает развитие наклонно направленное бурение, которое впервые предложил использовать инженер П.Н. Потоцкий на месторождении Бибиэйбат еще в 1906 году. Первые наклонно направленные скважины бурились на поднадвиговые отложения в Грозном роторным способом с применением уипстоков в 1934 году и турбинным способом ( с использованием кривой трубы) в Баку в 1935 году. В развитие теории и практики этого нового вида бурения, управления искривлением скважин с того времени до наших дней большая роль

принадлежит A.C. Бронзову, Ю.С. Васильеву, М.А. Гейману, В.И. Григорьеву, М.П. Гулизаде, М.Т. Гусману, P.A. Ионеннесяну, H.A. Кулигину, К.И. Лошкареву, И.М. Мурадову, В.А. Петросяну,

A.C. Сквирскому, Э.И. Тагиеву, Н.С. Тимофееву, А.Н. Шаньгину, К.Б. Шахбазбекову, А.И. Шахназарову, Г.А. Шетлеру, П.П. Шумилову и многим другим.

Начиная с 40"х - 50 х годов в СССР и за рубежом появляется множество работ, посвященных предупреждению и ограничению естественного искривления скважин, его прогнозированию, актуальность которых возрастала в связи с увеличением глубин бурения в геологических условиях, способствующих интенсивному искривлению скважин (Грозный, Баку, Дагестан, Краснодарский и Ставропольский края, Западная Украина и другие районы страны и мира). Решением этих задач успешно занимались P.P. Алишанян, С.И. Антаманов, П.В. Балицкий, В.О. Белоруссов, М.П. Гулизаде, В.И. Григорьев, М.Г. Давлетбаев, Н.Ф. Кагарманов, Мавлютова М.Р., С.А. Оганов, Н.Г. Середа, H.A. Сидоров, JI.E. Симонянц, A.C. Станишевский, Н.С. Тимофеев, B.C. Федоров, А.Н. Шаньгин, Г.С. Юзбашев и, в США, Дж. Бернгард, Р. Хоч, А. Лубинский, Г. Вудс, Дж. Уилсон и другие. Большое внимание исследованию причин (особенно геологических) отклонения скважин от первоначального направления в названное, и в последующее время уделялось в колонковом бурении Ю.Л. Боярко,

B.П. Зиненко, А.Г. Калининым, А.Е. Колесниковым, Н.Я. Мелентьевым, Ю.Т. Морозовым, С.С. Сулакшиным и многими другими.

В трудах перечисленных ученых и производственников заложены основы теории искривления скважин, на которых в той или иной мере базируются современные представления о закономерностях формирования траектории поступательного перемещения долота при бурении, практика проводки скважин в условиях, когда необходимо управление их искривлением.

Новый импульс в развитии этих представлений дало увеличение объемов бурения наклонно направленных скважин в Баку, Куйбышеве,Татарии, Башкирии, Западной Сибири, Коми, на Сахалине и других регионах, проводка сверхглубоких скважин на Северном Кавказе и, наконец, наблюдаемый сейчас всплеск активности в строительстве горизонтальных скважин. Появляются новые технические средства наклонно направленного и вертикального бурения (турбинные отклонители, эксцентрические упругие ниппели, короткие турбобуры и винтовые двигатели, "гибкие" звенья (элементы), валолопастные отклонители для роторного бурения, устройства для ориентирования отклонителя, забойные телеметрические системы, квадратные, треугольные, спиральные УБТ, несбалансированные УБТ, сверхтяжелые УБТ на основе вольфрамовых и урановых сплавов, эксцентрические переводники, наддолотные стабилизирующие устройства, шарнирные компоновки и др.). Одновременно, большое внимание уделяется теоретическим аспектам управления искривлением и, в частности, методам расчета КНБК, созданию математических моделей, позволяющих прогнозировать кривизну, зенитный и азимутальный углы скважины, разрабатываются различные методы интерпретации инклинометрических данных, моделирования поверхностей пластов, изучается взаимодействие вооружения долот с анизотропными породами и т.д. Этот этап развития науки и техники бурения связан с именами Александрова М.М., Аветисова А.Г., Беляева В.М., Буслаева В.Ф., Вадецкого Ю.В., Гайсина P.M., Гержберга Ю.М., Григоряна H.A., Гулизаде М.П., Григулецкого В.Г., ДородноваИ.П., Зарипова Г.Г., Зельмановича Г.М., Исаченко В.Х., Ишемгужина Е.И., Калинина А.Г., Каплуна В.А., Кривошеева В.В., Крылова В.И., Куксова А.К., Кулиева С.М., Мамедбекова O.K., Маркова O.A., Мелик - Шахназарова A.M., Мельничука И.П., Никитина Б.А., Оганова A.C., Повалихина A.C., Поташникова В.Д., Попова А.Н., Райхерта JLA., Рукавицына В.Н.,

Сарояна А.Е., Семака Г.Г., Середы Н.Г., Ситдыкова Г.А., Солодкого K.M., Спивака А.И., Султанова Б.З., Сушона Л.Я., Федорова А.Ф., Эпштейна Е.Ф., Яремейчука P.C., Юнина Е.К., Ясашина A.M., Брауна И., Калласа Н., Макламора Р., Миллхейма К., Тутэна П., Уолкера Б. и многих других.

Несмотря на очевидные успехи в области бурения вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин целый ряд важных проблем прогнозирования и управления их искривлением до настоящего времени не решен. Нуждаются в дальнейшем изучении причины изменения направления поступательного движения долота в зенитной и азимутальной плоскостях с учетом силового взаимодействия вооружения долот разных типов с анизотропной породой на забое, величин опрокидывающего момента на долоте и "геологических" сил . В свою очередь, это предопределяет необходимость разработки достаточно простых в реализации и точных аналитических методов навигации забоя и оси скважины в трехмерном геологическом пространстве, т.е. определения взаимного положения бурящейся скважины и пласта. Повышение эффективности управления величинами действующих на долото в зенитном и азимутальном направлениях поперечных сил, особенно при бурении неориентируемыми КНБК, требует решение задач функционирования (расчета) компоновок в трехмерной системе координат в том числе, с учетом фрикционных сил, динамики вращения труб, действия опрокидывающих моментов, поиска дополнительных технологических и новых технических средств регулирования поперечных сил на долоте. Наконец, главными нерешенными проблемами бурения условно вертикальных и наклонно направленных скважин остаются прогнозирование и управление их зенитным и азимутальным искривлением. Важными и требующими некоторых уточнений и совершенствования, составными частями технологии проводки естественно искривленных, наклонно направленных и, особенно,

горизонтальных скважин являются выбор необходимой и достаточной для бурения длины УБТ в КНБК, методы расчета (при планировании и проведении технологических операций) сил сопротивления, возникающих при движении бурильного инструмента в скважине. Представляется очевидным, что решение перечисленных проблем, являющееся дальнейшим развитием теории управления искривлением скважин при бурении, имеет большое научное и практическое значение и будет выражаться в повышении скоростей и качества строительства скважин, снижении их стоимости.

Поскольку предлагаемая диссертационная работа и посвящена решению названных выше проблем, ее тема является актуальной и перспективной.

Целью работы является повышение надежности прогнозирования и эффективности управления зенитным и азимутальным искривлением скважин за счет уточнения закономерностей процесса формирования траектории поступательного движения долота при бурении, комплексного учета геологических, технико - технологических факторов, количественно определяющих характер этого процесса, разработки соответствующих алгоритмов расчетов, создания и внедрения новых технических средств, обеспечивающих дополнительные возможности в управлении искривлением скважин.

Основные задачи работы,

Сформулированная цель работы достигается решением следующих основных задач:

1). Изучение взаимодействия вооружения долот с анизотропной горной породой на забое и выявление количественного влияния анизотропии пород, параметров режима бурения, типоразмера долота на угол его мгновенного перемещения, результирующие поперечные силы на

долоте (в зенитной и азимутальной плоскостях искривления), величины "геологических" сил и опрокидывающего момента.

2). Создание и практическая реализация алгоритмов определения взаимного положения скважины и пласта (навигации забоя и оси скважины в трехмерном геологическом пространстве) на основе выбора достаточно простого и точного метода расчета фактических координат точек на оси скважины; выбора не требующего длительной предварительной подготовки к использованию метода объемного моделирования поверхностей пластов в окрестности бурящейся скважины; получение расчетных зависимостей для вычисления углов и азимутов восстания пласта в точке нахождения забоя и в любой другой точке на кровле, подошве или внутри пласта.

3). Изучение возможностей и разработка методов управления поперечными силами, действующими на долото в зенитном и азимутальном направлениях путем решения задач функционирования (расчета) КНБК в трехмерной системе координат с учетом фрикционных сил, опрокидывающих моментов на долоте, в том числе в динамической постановке; поиск технологических и новых технических средств регулирования поперечных сил на долоте, практическая реализация полученных решений.

4). Создание алгоритма прогнозирования искривления скважин в трехмерной системе координат и разработка методов управления их зенитной и азимутальной кривизнами и углами.

5). Получение расчетных формул для выбора необходимой и достаточной для бурения искривленных скважин длины УБТ в КНБК , составление алгоритма и программы расчета сил сопротивления, возникающих при движении бурильного инструмента в скважине.

Методика исследований.

Методика проводимых в настоящей диссертации исследований использует анализ и обобщение имеющихся промысловых, лабораторных и теоретических данных о закономерностях искривления скважин, процессов взаимодействия вооружения долота с анизотропной породой (образцами породы) при бурении, способов определения геометрий оси скважины и поверхностей пластов, расчетных схем КНБК, принципов прогнозирования искривления скважин, рекомендаций по определению длины УБТ в КНБК и сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине и состоит в собственных промысловых и аналитических исследованиях в ходе решения задач, реализующих выполнение поставленной цели, с использованием методов теоретической механики, теории упругости, теории сплайн - аппроксимаций, методов геостатистики и статистики, дифференциальной геометрии, дифференциального и вариационного исчислений, моделирования на ЭВМ и др.

Научная новизна.

В процессе выполнения работы получены следующие новые научные результаты:

1). Впервые, систематически, по промысловым данным, для нескольких площадей бурения, вычислены числовые величины коэффициента боковой фрезерующей способности шарошечных долот и индекса анизотропии пород, необходимых при прогнозировании искривления скважин; показана область применения метода Г. Вудса и А. Лубинского учета анизотропии пород - если эпюра скоростей разрушения под разными углами к напластованию в полярных координатах имеет форму эллипса (эллипсоида вращения).

2). В новой постановке изучено взаимодействие вооружения долот разных типов с анизотропной породой на забое и получены аналитические зависимости для вычисления возникающих при этом как статических, так и динамических "геологических" сил и опрокидывающих моментов, определены необходимость и способ учета опрокидывающих моментов на долоте при расчетах КНБК; уточнены зависимости для определения углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях с учетом его типа и коэффициента бок�