автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Совершенствование методики оптимизации параметров режима бурения скважин трехшарошечными долотами

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи

БЕРКУНОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ СКВАЖИН ТРЕХШАРОШЕЧНЫМИ ДОЛОТАМИ

Специальность 05.15.10 - Бурение нефтяных и

газовых скважин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Леонов Е.Г.

Москва 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 7 1.1 .Модель оптимизации режимов бурения 8 1.2.Обзор исследований закономерностей износа долота 12

1.3 .Оценка способов контроля износа долота 17

1.4 .Цель и основные задачи дальнейших исследований 21

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ ДОЛОТА НА ЗАБОЕ 24

2.1.Нестационарная задача. Изменение механической скорости проходки во времени 24

2.2.Начальная механическая скорость проходки 27 2.3.Оптимальное время бурения для достижения максимума

рейсовой скорости проходки 32 2.4.Оптимальные нагрузка и частота вращения долота для

достижения максимальной рейсовой скорости 37

2.5.Стационарная задача. Осреднение механической скорости проходки в течение периода работы долота 40

2.6.Уравнение износа долота 43

2.7.Совершенствование сбора данных для учета отработки

и износа трехшарошечных долот 45

2.8.Выбор расхода промывочной жидкости 52

3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РОТОРНОГО БУРЕНИЯ 55 3.1.Оптимизация режимов бурения по критерию максимума

рейсовой скорости 55 3.2.Оптимизация режимов бурения по критерию минимума

стоимости метра проходки 60

3.3.Определение адаптационных коэффициентов в уравнении механической скорости проходки 64 3.4.Тестовый расчет при роторном способе бурения 67

4. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ 81

4.¡.Постановка задачи и ее решение по критерию стоимости метра проходки 84

4.2.Тестовый расчет оптимальной нагрузки на долото при

турбинном бурении 86

5. ОПТИМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ БУРЕНИЯ ВИНТОВЫМИ ЗАБОЙНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 98

5.¡.Проектирование гидравлической программы промывки скважины с помощью ВЗД 98

5.2.Промысловая методика определения параметров режима бурения ВЗД по давлению жидкости в стояке 106 5.3 .Оптимизационная задача бурения с ВЗД 110 5.4.Тестовый расчет оптимальной нагрузки на долото при бурении с помощью ВЗД 113 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 125 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127

ВВЕДЕНИЕ

Среди технологических задач бурения проблему оптимизации работы долота на забое можно считать одной из наиболее актуальных, поскольку выбор лучшего типа долота и оптимальных параметров режима бурения скважин на площади являются важнейшими путями повышения технико-экономических показателей без привлечения дополнительных капиталовложений. С помощью определения рационального типа долота и оптимального режима бурения, по данным отечественных и зарубежных исследователей [13,61 и др.], общее время бурения и стоимость скважины могут быть снижены в 1,5-2 раза. Например, на пяти морских наклонных скважинах, где производилась оптимизация бурения, уменьшение общих затрат составило 31,3%, суточная проходка возросла на 45,2%. В скважинах глубиной 4000-4500 м проходка за рейс повысилась с 240 до 360-370 м, затраты на 1 м проходки сократились с 274 до 169-211 долл. [78].

Библиография из многочисленных публикаций, содержащая не менее 1000 работ по отдельным аспектам проблемы работы долота, свидетельствует о большом внимании к ней. Вместе с тем, имеющиеся в отечественной и зарубежной литературе открытые работы по оптимизации процесса углубления забоя носят фрагментарный характер. Комплексные методики и программы оптимизации режимных параметров видимо, являются конфиденциальной собственностью таких фирм, как Амако, Бритиш петролеум, Рид Тул и т.д., так как сотрудники этих фирм используют результаты расчетов по программам на практике, не имея доступа к ним. В настоящее время выбор лучших типов долот и режимов бурения производят в два этапа:

1) на стадии составления технологического проекта с помощью статистической информации накопленной при строительстве предшествующих скважин в аналогичных геолого-технических условиях выбирают лучшие типы долот и рассчитывают оптимальные режимы, которые отражаются в геолого-

техническом наряде и режимно-технологической карте и регламентируют действия бурильщика;

2) по данным, поступающим в ходе отработки долот при отклонении от проектных параметров, производится оперативная корректировка проектного режима вручную или с помощью более эффективных специальных технических систем контроля и управления (СКУ).

В отечественном массовом бурении пока основное значение при решении оптимизационной задачи имеет первый этап, поскольку до настоящего времени СКУ применяются редко, и управление работой долота на забое осуществляется вручную субъективным бурильщиком лишь по данным показаний индикатора веса, давления промывочной жидкости в стояке и скорости перемещения ведущей трубы.

Для разработки методик выбора лучших типов долот и оптимальных режимов бурения при роторном способе бурения основополагающее значение имела работа Е. Галле и X. Вудса [77]. Исследования других авторов в основном подтвердили предложенную в этой публикации модель работы долота из трех уравнений: буримости, износа опор и вооружения. Однако ряд важных вопросов остались не решенными. В частности, в модели не обоснован переход от нестационарного уравнения буримости к стационарному; не были учтены необходимые при рассмотрении задач оптимизации: ограничения по характеристикам долот, особенности бурения, широко применяемыми в России, гидравлическими забойными двигателями.

Для устранения этих пробелов в настоящей работе для всех применяемых в промышленности способов бурения (турбинного, роторного и с винтовыми забойными двигателями) усовершенствована и аналитически решена система уравнений, необходимая для оптимизации процесса углубления забоя и учитывающая ограничения по прочности и характеристике долота, степень износа

отработанных долот, характеристику турбобура или винтового забойного двигателя (ВЗД).

Особое значение имеет впервые построенная программа гидравлических расчетов при бурении с помощью ВЗД, на базе которой, в частности, разработана методика определения оптимальных режимных параметров по измерениям давления промывочной жидкости в стояке, необходимая при проводке наклонных и горизонтальных скважин, когда индикатор веса оказывается неинформативным.

1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Начиная с 40-х годов проектирование режимов бурения претерпело 2 этапа развития.

На первом этапе [7,63,64,71 и др.] выбор лучших долот и режимов бурения осуществлялся на основании статистических данных отработки долот в пачке пород примерно одинаковой буримости в ранее построенных скважинах на площади. После отбраковки из них дефектных данных информацию об оставшихся рейсах делили на группы, в которых бурение велось одинаковыми типоразмерами долот при близких режимных параметрах. По средним для каждой группы значениям (проходки и времени бурения) рассчитывали рейсовую скорость или стоимость метра проходки. Типы долот и режимы, при которых эти показатели оказывались лучшими, принимались рациональными или оптимальными.

Недостатки изложенной схемы выбора лучших долот и режимов известны. Они присущи всем стохастическим подходам [26,49 и др.]:

1) лучшие долота и режимы определяются лишь после бурения достаточно большого числа скважин;

2) отсутствие детерминированной математической модели процесса углубления забоя не позволяет выявить уже при бурении первых скважин основные факторы, определяющие эффективность работы долот, найти оптимальный режим.

Можно считать, что второй этап развития проектирования режимных параметров начался с разработки методики проводки опорно-технологических скважин [38,39,41,42,32] и исследований Галле и Вудса [77]. В этих работах сделан первый шаг по определению оптимальных режимных параметров с помощью системы уравнений для механической скорости проходки, стойкости

вооружения и опор шарошек, рейсовой скорости или стоимости метра проходки.

1.1. Модель оптимизации режимов бурения

ЭкспериментальныеЧтеоретические исследования последних десятилетий по изучению работы долота на забое позволили сформулировать математическую модель углубления из трех уравнений, описывающих зависимость механической скорости проходки, износа опор и вооружения шарошек от определяющих процесс факторов: нагрузки на долото и частоты его вращения, времени отработки долота [77 и др.].

Указанные уравнения рассматривают совместно с четвертым соотношением (критерием оптимизации), которое позволяет из конкурирующих типов долот выбрать лучшее и найти оптимальное сочетание параметров режима бурения, приводящее к наиболее высоким технико-экономическим показателям [50,51,52,69,70 и др.].

В практике бурения применяется три группы критериев оптимизации.

1. Критерии, характеризующие лишь взаимодействие долота с породой:

«

максимум механической скорости проходки

Уж=> шах Ум, (1.1.1)

максимум проходки на долото

Н => шах Н. (1.1.2)

2. Критерий, учитывающий технический уровень бурового процесса:

максимум рейсовой скорости

ур = Н/(Т+ТСП) => шах ур, (1.1.3)

где Т - время работы долота до полного износа опор или вооружения; Тсп -время на технологические операции, без которых углубление не может продолжаться (СПО с наращиванием, смена долота и т.п.); Н - проходка за рейс.

3. Универсальный критерий, отражающий в обобщенном виде, как технические, так и экономические показатели буровой установки: минимум стоимости метра проходки

С = [С, (Т+Тсп)+Сд]/Н => min С, (1.1.4)

где С - эксплуатационные затраты на 1 м проходки; Сч - стоимость одного часа работы буровой установки по затратам, зависящим от времени ее работы (с учетом типа буровой установки и ее привода, цели и способа бурения, района буровых работ и интервала глубин); Сд - стоимость долота данного типоразмера; Т - стойкость долота. Следует отметить, что за рубежом используют только критерий (1.1.4).

Уравнения в моделях работы долота можно разделить на 2 группы: нестационарные и стационарные. В нестационарных уравнениях механическая скорость проходки, износ вооружения и опор считаются изменяющимися во время работы долота, а в стационарных они принимаются неизменными в течение рейса.

При неизменных условиях промывки забоя и ствола наиболее известная нестационарная модель Галле и Вудса содержит три эмпирические формулы [72,77]:

1) механическая скорость проходки

vM = k6(DaGßD(I), (1.1.5)

где кб - коэффициент буримости, зависящий от большого числа факторов: конструкции долота и степени износа его вооружения, свойств породы и промывочной жидкости, совершенства промывки забоя и т.п.; G = G/da; G, с!д -нагрузка на долото и его диаметр; со - частота вращения долота; ß = 0,6—1,0; а = 0,43••••0,75 - коэффициенты, зависящие также от многих факторов; D(I) = 1/(0,93IB2+6IB+IB)° - функция, учитывающая износ вооружения с течением времени; 1в - относительная высота изношенного вооружения, зависящая от времени отработки долота; с = 0,5—-1,0 - коэффициент заострения зубьев.

Формула (1.1.5) изучена и подтверждена многими исследованиями [13,52,63 и др.]. Ее пытались изменить, например, усложняли в виде [13,14,51,52]

к®абР /1 i ^ VM=——ITs (1-1.6)

l + (bG) kcoaG2

или VM =—7"=^' (1Л-7)

l + (bG)

где Ь, 8 - дополнительные эмпирические коэффициенты, предназначенные учитывать степень очистки забоя от шлама.

2) относительный износ вооружения шарошек di. 1 i(ffl)

dt Afa(lB)m(G)'

(1.1.8)

где Af - коэффициент абразивности породы; 1(со) = со+4,348+10"5со3 -функция частоты вращения; а(1в) = 0,931в+61в+1 - функция износа вооружения; ш - функция нагрузки на долото.

3) относительный износ опор шарошек

(1-1-9)

dt БЦО)

где в - коэффициент, учитывающий абразивное влияние промывочной жидкости на опору; ЦО) - функция нагрузки на долото.

Другим примером зависимости механической скорости проходки в нестационарном виде может служить уравнение, предложенное Р.А. Бадаловым [10]:

^ + Фупм=0 (1.1.10)

или его широко используемое частное решение при п=1 в виде [1,11,53 и др.] ум = у0ехр(-ф1), (1.1.11)

где ф, n - эмпирические коэффициенты, учитывающие условия бурения; vG - начальная механическая скорость проходки в момент t=0.

Поскольку в критерии оптимизации (1.1.1), (1.1.3), (1.1.4) входят осред-ненные по времени значения механической скорости и стойкости долота, то в методике проводки опорно-технологических скважин ВНИИБТ [38,39,41,42] сделана важная, но недостаточно обоснованная попытка перехода от нестационарных уравнений (1.1.5) - (1.1.9) или (1.1.10) и (1.1.11) к стационарным при 1В=1 или 10п=1, т.е. при полном износе наиболее слабого элемента (опоры или вооружения) в течение периода времени Т, равного его стойкости (долговечности).

Система уравнений записана в виде [39,44,45]

VP =í^T + Tcn)=>maxVP' (1.1.12)

vM=kcoaGp, (1.1.13)

T = k1-k2G-k3co, (1.1.14)

где k, ki,k2,k3,a, |3 - эмпирические коэффициенты.

Постановка задачи (1.1.12)-(1.1.14) не лишена недостатков. В частности, не рассмотрена оценка и пересчет фактического, как правило, частичного износа отработанных долот на полный износ (стойкость).

В настоящее время общепринято стойкость элемента долота описывать формулой [13,14,52,63 и др.]

Т = , (1.1.15)

со G9

где А, 8, ф - эмпирические коэффициенты. Видимо, обнаружив при исследовании на экстремум функции рейсовой скорости vp(co,G), что система (1.1.12), (1.1.13) и (1.1.15) не имеет решения в работах [39,41,44,45] без необходимых обоснований формулу стойкости (1.1.15) лиане-ризовали в виде (1.1.14). Очевидно, что с помощью формулы (1.1.14) можно с

достаточной точностью аппроксимировать лишь ограниченные отрезки, описываемые выражением (1.1.15).

Вместе с этим, в работах [38,39,41,42] также оказались не учтены:

1) ограничения по прочности долот;

2) характеристики работы низкооборотных долот при роторном способе бурения;

3) внешние характеристики турбобуров и винтовых забойных двигателей.

Отмеченные недостатки не позволили сформулировать оптимизационную задачу в полном виде, разработать комплексную методику проектирования оптимальных режимных параметров и выбора долот с помощью обычной промысловой информации.

1.2. Обзор исследований закономерностей износа долота

В шарошечных долотах в основном подвержены износу 2 элемента: вооружение (в том числе на калибрующих венцах) и опоры.

На износ обоих элементов во время бурения влияют многочисленные факторы: режим бурения, свойства промывочной жидкости и разбуриваемых пород, конструкция долота и качество материала фрезерованного и твердосплавного вооружения, компоновка бурильной колонны, дифференциальное давление, совершенство очистки забоя от шлама и металла и т.д.

Увеличение износа долота в процессе работы на забое приводит к повышению крутящего момента на нем и снижению механической скорости проходки во времени.

Влияние перечисленных выше факторов на износ рассмотрено во многих работах [2,6,15,34,40,74,63,30,57,58 и т.д.].

При сложившихся примерно неизменных условиях бурения на площади наиболее оперативно и просто можно управлять лишь параметрами режима бу-

рения. Поэтому исследованию их влияния на износ уделено максимальное внимание. Получены конкретные зависимости функции

I = f(G,co,t), (1.2.1)

где I - текущий относительный износ, соответствующего элемента долота; t = ton, tB - время работы элемента; G, со - нагрузка на долото и частота его вращения.

Рассмотрим некоторые известные количественные соотношения функции (1.2.1), сперва для износа опоры, потом - вооружения.

Связь времени работы ton с износом опоры Галле-Вудс описали формулой

= О-2-2)

G со

где G = G/da; G - нагрузка на долото; с1д - диаметр долота; А, ср - коэффициенты; I - относительный износ опоры долота. Для нового долота 1=0; для полностью изношенного 1=1 и формула (1.2.2) характеризует стойкость опоры долота.

Частный случай зависимости (1.2.2) при ср=2 получен во ВНИИБТ [51,69] PG со

где Р=1/А.

Упрощенная линейная зависимость для долговечности опоры Топ предложена в работе [39]

Топ = кг - k2G - к3ш , (1.2.4)

где кьк2,кз - коэффициенты, зависящие от горно-технологических условий (к2=0,45, кз=0,02). Величина ki соответствует как бы потенциальному ресурсу долота.

Для узкого диапазона частот вращения или нагрузок стойкость долота по опоре также определяют в виде отдельных зависимостей [7,11]

Топ=а-ЬС,

(1.2.5)

(1.2.6)

где а, аь Ь, Ь1 - коэффициенты, зависящие от конкретных условий. В работе Аллена [73] долговечность долота по опоре описана формулой

где с0 - коэффициент времени износа; т - коэффициенты. Исследованиями износа опор шарошек, как с подшипниками качения, так и скольжения, установлено, что время работы опор шарошек до их полного износа, можно охарактеризовать в общем случае, гиперболической зависимостью [63,64 и др.]

где А, 5, ф - коэффициенты, зависящие от типа разбуриваемой породы, конструкции долота, компоновки бурильной колонн