автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Технология очистки ствола наклонно направленной скважины от шлама при бурении в осложненных условиях

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ ООО ПРИВОЛЖСКОЕ УБР ДОАО БУРГАЗ ОАО ГАЗПРОМ

На правах рукописи

ЛИХУШИН АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

УДК 622. 245. 5(622.248.3) ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТВОЛА НАКЛОННО* НАПРАВЛЕННОЙ СКВАЖИНЫ ОТ ШЛАМА ПРИ БУРЕНИИ В ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор, академик АГН РФ, член-корреспондент РАЕН

K.M. Тагиров

Саратов -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ СОВЕРШЕННОЙ ОЧИСТКИ ОТ ШЛАМА СТВОЛОВ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН........................... 11

1.1. Аналитический обзор современных представлений о закономерно-

17

стях промывки и выноса шлама в стволе НН и ГС.............................................

1.2. Осложнения, связанные с несовершенной очисткой ствола НН и ГС

34

и методы их предупреждения............................................................

42

1.3. Цель и задачи исследования..................................................

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫНОСА

ШЛАМА В СТВОЛЕ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОЙ СКВАЖИНЫ.... 43

43

2.1.Обоснование метода моделирования..........................................

2.2.Разработка стендовой установки и методика проведения эксперимен-

44

TOB..........................................................................................

2.3. Исследование влияния угла наклона оси скважины на поведение частиц шлама в процессе их транспортирования восходящим потоком

53

жидкости.................................................................................

2.4. Исследование влияния эксцентричного расположения бурильной

62

колонны на вынос шлама.............................................................

3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫНОСА ШЛАМА В СТВОЛЕ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОЙ И ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ................................................. 64

3.1. Аналитическое определение подъемной силы, действующей на частицу шлама при ламинарном движении ньютоновской жидко-

66

сти..........................................................................................

3.2. Аналитическое определение подъемной силы, действующей на час-

тицу шлама в потоке вязкопластичной жидкости при структурном движении...................................................................................... 71

3.3. Аналитическое определение подъемной силы, действующей на частицу шлама в потоке ньютоновской жидкости при турбулентном режиме движения................................................................................. 76

3.4. Аналитическое определение скорости восходящего потока ньютоновской жидкости, необходимой для выноса частиц шлама в стволе наклонно-направленной и горизонтальной скважины............................. 79

3.5. Аналитическое определение скорости восходящего потока бинга-мовской жидкости, необходимой для выноса частиц шлама в стволе наклонно-направленной и горизонтальной скважины............................. 89

3.6. Аналитическое исследование поведение частицы шлама, находящейся на нижней стенке скважины................................................. 98

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТВОЛА НАКЛОННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИНЫ ОТ ВЫБУРЕННОЙ ПОРОДЫ........ 103

5. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ.................................................................. 117

5.1. Методика проведения промысловых исследований......................... 117

5.2. Промысловые исследования...................................................... 122

6. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ОСЛОЖНЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ................................................................ 131

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.................................................................. 138

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Выбор критериев подобия....................................... 148

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Методика статистической обработки экспериментальных данных............................................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты экспериментального исследования , и оцен-

ка пригодности экспериментальных данных по О - критерию......................157

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Мероприятия по предупреждению осложнений..........................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.Акт об использовании технологии очистки ствола НН и

ГС от шлама..................................................................................................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Расчет экономической эффективности от использования

технологии очистки ствола ННС от шлама........................................................................169

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Важнейшим направлением повышения эффективности разработки месторождений и эксплуатации ПХГ стало строительство наклонно-направленных скважин, в том числе с горизонтальным окончанием ствола (НН и ГС). Результаты эксплуатации таких скважин однозначно доказали экономическую оправданность их бурения за счет кратного повышения их производительности. Горизонтальное вскрытие продуктивного пласта позволяет повысить коэффициент извлечения углеводородной продукции [50]. В настоящее время наклонно-направленное бурение получило широкое распространение, в том числе и на месторождениях со сложными инженерно-геологическими условиями проводки. В ряде случаев бурение скважин с горизонтальным окончанием ствола является единственно возможным способом разбуривания площадей, недоступных для размещения вертикальных скважин (вблизи и на территории населенных пунктов и т.п.). В последнее время такое бурение стало находить свое применение и в практике строительства ПХГ, в частности на территории Саратовской губернии. Одновременно с ростом объемов наклонно-направленного и горизонтального бурения стало расти и число научных публикаций по этой теме. Но эта литература пока не в состоянии дать ответ на некоторые вопросы, возникающие при проектировании и бурении НН и ГС. Значительное число публикаций носит чисто теоретический характер, затрудняющих возможность

непосредственного применения исследований в практике бурения. Сложность решения ряда проблем, как, например, неполный вынос шлама при бурении и формы его скоплений на нижней стенке скважины, условия лавинного обрушения скоплений, поведение неустойчивых пластов в наклонном стволе и т.п., связана с принципиальным отличием процессов происходящих при бурении НН и ГС, в отличие от аналогичных, вертикальных. В значительной мере такие процессы зависят от конкретных условий геологического строения разбуриваемых месторождений. Научные работы, ставящие целью обоснование практических мероприятий по их регулированию, могут осуществляться только с учетом региональной привязки на основе стендовых испытаний, промысловых исследований с последующей апробацией в конкретных инженерно-геологических условиях. Представленная к защите работа является результатом именно такого исследования, проведенного соискателем для разработки новой технологии очистки от шлама ствола НН и ГС при бурении в осложненных условиях. Предпосылкой к постановке задачи поиска новых решений стала сложная научно-техническая проблема, возникшая при проводке первой экспериментальной горизонтальной скважины №479 Елшано-Курдюмского ПХГ через пласт неустойчивых глинистых пород.

Отсутствие полного выноса выбуренной породы на дневную поверхность, непредсказуемость лавинообразных вывалов глин и шламовых скоплений, повторяющиеся прихваты бурильной колонны поставили под сомнение возможность бурения НН и ГС на Елшано-Курдюмской площади.

Проблема обеспечения совершенной очистки ствола НН и ГС от шлама потребовала поиска принципиально новых решений как теоретических, так и экспериментальных исследований в лабораторных и промысловых условиях.

Таким образом, актуальность диссертационной работы была обусловлена практической необходимостью решения вопросов, возникших при строительстве НН и ГС в осложненных условиях.

В свете изложенного разработка технологии очистки ствола НН и СГ от шлама, особенно в неустойчивых пластах, является весьма актуальной.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, также подчеркивается ее соответствием отраслевому плану НИОКР РАО «Газпром» на 1998-1999 годы и договорам с СевКавНИПИгаз № 61Г/96.98, 64Г/98.99 «Разработать технические и технологические решения, направленные на повышение эффективности строительства скважин», в выполнении которых соискатель принимал непосредственное участие (задание 8 и 14).

Цель работы: Разработка технологии очистки ствола НН и ГС от шлама, предупреждающей возникновение осложнений при бурении в неустойчивых горных породах.

Поставленная цель достигалась в результате решения следующих задач исследования:

- обобщение и развитие представлений о процессе очистки ствола НН и ГС от шлама, в интервалах, сложенных неустойчивыми горными породами;

- создание стендовой установки и разработка методики проведения

исследований процесса транспортирования шлама в наклонных и горизонтальных участках стволов скважин;

- исследование влияния угла наклона скважины на распределение транспортируемого шлама в кольцевом пространстве при различных режимах промывки;

- аналитическое исследование динамики движения частиц шлама в потоке бурового раствора в процессе очистки НН и ГС;

- исследование условий возникновения прихватов бурильной колонны и других осложнений при несовершенной очистке НН и ГС от шлама;

- разработка технологии очистки ствола НН иГС от шлама при бурении в осложненных условиях;

- определение эффективности применения разработанной технологии при бурении НН и ГС в осложненных условиях.

Научная новизна.

1. Выявлены закономерности накопления шлама на нижней стенке скважины в зависимости от зенитного угла наклона ее ствола.

2. Впервые определены оптимальные значения скорости восходящего потока бурового раствора, обеспечивающие качественную очистку наклонного ствола с зенитным углом более 40° в интервале залегания неустойчивых глинистых горных пород на Елшано-Курдюмской площади бурения.

3. Доказана необходимость использования специальных технологических приемов для обеспечения качественной очистки НН и ГС от шлама.

1. Впервые разработана технология и схема обвязки бурового оборудования, обеспечивающая качественную очистку ствола наклонной скважины от шлама с зенитным углом ее ствола более 40°.

Практическая значимость. Разработанная технология очистки стволов НН и ГС от шлама позволяет предупредить осложнения, возникающие при бурении в неустойчивых горных породах.

Основные защищаемые положения:

- методика проведения экспериментальных исследований;

- результаты аналитических и экспериментальных исследований по определению оптимальных скоростей восходящего потока бурового раствора, обеспечивающих качественную очистку от шлама стволов наклонных и горизонтальных скважин;

- результаты промысловых исследований и методика оперативного контроля выноса шлама при бурении НН и ГС и рекомендации по совершенствованию технологии очистки НН и ГС от шлама в осложненных условиях.

Реализация работы. Разработанная новая технология очистки ствола ННС от шлама внедрена при бурении горизонтальной скважины № 480 Елшано-Курдюмской площади, что позволило предупредить прихваты бурильной колонны, связанные с несовершенной очисткой. Экономический эффект составил 52104 рублей (в ценах 1991 г). Результаты работы использованы при проектировании НН и ГС на Елшано-Курдюмской и Талов-ской площадях Саратовской области, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре в СевКавНИПИгазе (г. Ставрополь, июнь 1998г.), на заседании секции « Техника и технология бурения скважин» научно-технического совета ОАО «Газпром» (г. Ставрополь, сентябрь 1998г) и на межотраслевой научно-практической конференции «Техника и технология вскрытия продуктивных пластов при депрессии

на пласт» (г. Анапа, октябрь 1998г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ. Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы содержащего 69 наименований и шести приложений.

Работа изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 19 рисунков и 11 таблиц.

Гпава 1.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСОВ СОВЕРШЕННОЙ ОЧИСТКИ ОТ ШЛАМА СТВОЛОВ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН.

Постановку задач исследований предопределила проблемная, реальная ситуация, которая сложилась в процессе бурения первой экспериментальной скважины с горизонтальным окончанием ствола на Елшано-Курдюмской площади. Бурение этой скважины на ПХГ, расположенном в непосредственной близости от г. Саратова, было предпринято в 1996 году с целью вовлечения в эксплуатацию южной части хранилища, где бурение с поверхности вертикальных скважин невозможно из-за занятости территории пригородными садами Конструкция скважины представлена на рисунке L

Вести набор зенитного угла предполагалось с глубины 550 м в известняках протвинского и серпуховско-окского горизонтов долотами диаметром 215,9 мм отклоняющими компоновками, дающими радиус кривизны 230 м. Интервал глубин 800- 1000 м по неустойчивым глинам тульского горизонта предполагалось пройти со стабилизацией зенитного угла равного 73°. Далее, продолжить набор зенитного угла в продуктивных песчаниках и известняках бобриковского и верхней части кизеловского горизонтов до 90° и провести 300 м горизонтального ствола в 5-ти метровом коридоре в кровельной части газонасыщенного кизеловского известняка.

Строительство скважины планировалось завершить креплением всего ствола 168x146 мм эксплуатационной колонной.

Конструкция скважины № 479 Елшано-Курдюмской ПХГ.

Рис. 1

Фактически бурение наклонного участка велось компоновками, включающими забойные двигатели Д-5-172 или ОШ-172 и

л

регламентирующими производительность бурового насоса 25-30 дм /е.. Максимальная скорость восходящего потока не превышала 0,53 м/с.. В скважине, при достигнутом зенитном угле 65-70°, на глубине 1007м в тульском горизонте, сложенном неустойчивыми глинами, при проведении спускоподъемных операций, произошел прихват бурильной колонны с потерей циркуляции промывочной жидкости. Аварийные работы по освобождению

колонны оказались безрезультатными. По первоначальному предположению, основной причиной допущенной аварии явилось образование при подъеме бурильной колонны плотного сальника на выступающих частях КНБК с последующим защемлением его в номинальной части ствола. Материалом для такого сальника могла послужить рыхлая глинистая корка, образовавшаяся на стенке скважины в растянутом, из-за наклона скважины, интервале высокопористого, продуктивного песчаника. Поэтому при перебуривании скважины вторым стволом снизили водоотдачу промывочной жидкости до 4 см / ЗОмин., но, несмотря на принятые меры, в процессе СПО получили в новом стволе аналогичный прихват бурильной колонны практически на той же глубине. Бурильную колонну удалось освободить.

В результате сопоставления количества вынесенного на дневную поверхность шлама при бурении наклонно-направленного участка ствола скважины № 479 с количеством выносимого шлама при бурении верхнего вертикального участка того же ствола, был сделан вывод: часть выбуренной породы не выносится на поверхность, а остается в скважине и может стать фактором, способствующим образованию в скважине прихватоопасной ситуации. Было сделано предположение, требующее дальнейших исследований, о том, что эффективность выноса шлама зависит, при прочих равных условиях, от угла наклона ствола наклонно-направленной скважины.

Другим серьезным препятствием, снижающим вынос выбуренной породы на дневную поверхность, явилось наличие в разрезе скважины неустойчивых

глинистых образований тульского горизонта, залегающих над кровлей продуктивного пласта. Здесь, на участках, осложненных кавернами, из-за снижения скорости восходящего потока в кольцевом пространстве, происходило скопление шламо-глинистой взвеси, которое при проведении спускоподъемных операций могло создавать плотный сальник на бурильных трубах, вплоть до полного перекрытия затрубного пространства с потерей циркуляции.

Тульские глины имеют на 80% гидрослюдистый и на 10% монтмориллонитовый состав, содержат незначительное количество пирита и углистых остатков. Проведенные на керновом материале электронно-микроскопические и механические исследования показали четко выраженную способность глин к разбуханию при химическом взаимодействии с буровым раствором и тенденцию образования массивных вывалов [32]. Слабая механическая прочность тульских глин способствует интенсивному размыванию их при циркуляции бурового раствора. Химическая и механическая неустойчивость глин прогрессирует во времени. С определенного момента, составляющего по опыту получ