Метод поддержания требуемой осевой нагрузки на долото при бурении и капитальном ремонте скважин с герметизированным устьем Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© С. Б. Бекетов, Ю.К. Димитриади, 2004

УДК 661.185

С.Б. Бекетов, Ю.К. Димитриади

МЕТОД ПОДДЕРЖАНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО ПРИ БУРЕНИИ И КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ СКВАЖИН С ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫМ УСТЬЕМ

ДНИМ ИЗ приоритетных путей ПОВЫСЬ шения качества строительства и ремонта скважин на современном этапе является вскрытие продуктивных отложений (в т.ч. вторичное) с регулируемым давлением в системе скважина-пласт, т.е. проведение работ, как в условиях репрессии, так и депрессии на пласт.

Использование технологической схемы, предусматривающей возможность проведения работ с заданным избыточным давлением на устье скважины, позволяет оперативно регулировать забойное давление в определенных пределах на всех этапах проводки и ремонта скважины путем изменения давления на устье. Опыт бурения свидетельствует о высокой эффективности углубления скважин при пониженном забойном давлении (минимальная репрессия, депрессия) [1, 2]. Данная технология бурения и ремонта имеет свои специфические особенности, которые определяют необходимость применения дополнительно специального технологического оборудования:

- вращающийся превентор;

- дистанционно управляемый дроссель.

Регулирование забойного давления путем

изменения давления на устье позволяет безопасно вести бурение за счет оперативного реагирования на изменение забойного давления и его регулирования, а также повысить качество вскрытия за счет создания заданного диффе-

Рис. 1. Графики распределения давлений в скважине: 1

- распределение по глубине гидростатического давления

-I

промывочной жидкости плотностью р ; 2 - распределение по глубине гидростатического давления промывочной жидкости плотностью р ; 3 - распределение по глубине давления в скважине, создаваемое совместно гидростатическим давлением промывочной жидкости плотностью р и устьевым давлением Ру.

ренциального давления (при необходимости создавая равновесие в системе скважина-пласт, репрессию или депрессию на пласт). Это достигается в результате уменьшения плотности промывочной жидкости, которая тем меньше, чем больше величина создаваемого избыточного давления на устье [3]. Представленные на рис. 1 графики распределения давлений в системе скважина-пласт иллюстрируют данное условие.

На оси абсцисс (давлений) отмечены значения давлений на устье и пластовое Рпл.

На оси ординат (глубины) отмечены значения глубин залегания кровли Нк и подошвы Н„ пласта. При этом значения плотности промывочной жидкости определяются по выражениям:

, Р..

Р =

Р

Я ■ нк

= Рп, - Ру

Я • нк

Отметим, что:

(1)

(2)

Рш p'gHK

tga =

Нк

Рш - Ру p"gH,

= Pg

н,.

■ = pg

(3)

(4)

но допустимом плотности промывочной жидкости п” = о :

г г mm

Нк .

Причем: tgp) tga р' ) р",

где tgfi - тангенс угла наклона прямой 1 к оси глубин; tga - тангенс угла наклона прямой 2 к оси глубин.

Из формулы (4) видно, что для обеспечения равновесия забойного и пластового давлений создание давления на устье позволяет существенно снижать плотность промывочной жидкости (в т.ч. использовать пенные системы). В случае вскрытия пластов с аномально высоким пластовым давлением наименьшее значение плотности жидкости ограничивается лишь технологической целесообразностью, а давление на устье следующим неравенством:

Р ^ Р — о gH

у max пл гдф& к (5)

Р

где у max - рабочее давление устьевого оборудования при бурении и обеспечивается техническими возможностями, Па; - плотность дис-

персионной среды промывочной жидкости, кг/м3.

Минимальное значение плотности может быть найдено из условия приложения макси-

pmzx.

мального устьевого давления 31 , величина которого должна быть меньше рабочего давления устьевого оборудования при бурении на величину снижения давления ДРа , связанного с поступлением газа в промывочную жидкость с выбуренной породой. Это снижение определяется по известной формуле [4]:

ДР = Sзаб^мm ' Z ‘ Рпл р ln Рпд (6)

a p0Q ' 0 р0

С учетом выражения (6) величина максимального устьевого давления определяется по формуле:

S-у,. ■ m • Р., ■ z ■ ln| /Q (7)

D max _ р

у y max

Подставив в качестве значения р в

формулу (2), на основании вышеизложенного имеем выражение для определения минималь-

Pmin = -

Рш - Py max +| Ssa6 -VM ■ m ■ Pm ■ z • ln | /Q

(8)

где - минимально допустимая плотность

промывочной жидкости в начальный момент вскрытия газоносного пласта, кг/м3.

Для выполнения условия равновесия давлений в системе скважина-пласт при вскрытии пласта бурением с промывочной жидкостью минимально допустимой плотности необходимо создавать избыточное устьевое давление. В процессе углубления скважин с герметизированным устьем требуется вести постоянный контроль величины осевой нагрузки на долото из-за переменного характера сил сопротивления в уплотнителе вращающегося превентора (ПВ) [5]. Это обстоятельство в определенных условиях может привести к искривлению ствола скважины или даже к поломке бурильного инструмента.

Уплотнитель по своему техническому использованию предназначен для того, чтобы возникающие в зоне контакта резины с металлом напряжения при заданных деформациях могли обеспечивать герметичность соединения по этой контактной поверхности при заданном давлении жидкости или газа. Механические характеристики уплотнителя зависят от свойств резины, которые являются определяющими: однородность; изотропность; несжимаемость; упругость; ползучесть; релаксация напряжений; влияние температуры; старение; саморазогрев.

Также влияют параметры изделия (размер, формы) и в каких условиях оно работает (нагружается статически, нагружается быстроме-няющейся во времени нагрузкой).

Как показывает наш опыт бурения и ремонта скважин с применением ПВ, на сопротивления оказывают значительное влияние следующие факторы:

- температура окружающей среды;

- шероховатость труб;

- износ резинового элемента превентора;

- применяемая жидкость для смачивания труб при проталкивании через уплотнитель.

Определение зависимости сил сопротивления уплотнителя ПВ от внешнего (устьевого) давления возможно только эмпирическим путем, и ее математическое описание

са

С

устьевое давление Ру, МПа

Рис. 2. Схематические зависимости силы сопротивления в уплотнителе ПВ от создаваемого устьевого давления при прохождении различных элементов компоновки инструмента: 1 - труба бурильная; 2 - ведущая труба; 3 -замок бурильной трубы

является аппроксимацией экспериментальных результатов. При существующей технологии изготовления серийно выпускаемых резиновых технических изделий отклонения механических характеристик от среднего значения составляют 10-20 %. Разумной точностью расчета считают ту, которая соответствует точности изготовления изделия [6].

Согласно вышеизложенному, можно записать выражение для определения силы сопротивления в уплотнителе ПВ в виде:

F = Fo + Fa + Fed = Fo + (Sm + ks) • Py (9) где F - сила сопротивления, н; F0 - упругая сила материала (обусловленная первоначальным натягом между резиновым элементом и трубой при = 0), н; Fa - выталкивающая сила давления в скважине, н; Fgd - сила прижатия резинового элемента к трубе, обусловленная напряжениями, возникающими под действием давления в скважине (затрубное пространство) Ру, н; Sm - площадь поперечного сечения инструмента, м2; ks - параметр сопротивления уплотнителя превентора, м2; Ру, - давление на устье в затрубном пространстве, Па.

Нами были выполнены исследования сил сопротивления с применением ПВ различных конструкций, производства ОАО «СевКавНИ-ПИгаз» и «Grant» (США). Исследования с использованием ПВ «Grant» проводились в Болгарии, в процессе бурения скважин Е-33, Е-50 на Чиренском ПХГ, при этом использовались

уплотнители, изготовленные из резины различного состава. Схематично полученные результаты можно описать зависимостями, представленными на рис. 2. Из графиков видно, что сила сопротивления F прямо пропорциональна давлению перед дросселем и включает постоянную величину силы трения, обусловленную первоначальным натягом между резиновым элементом и трубой (упругая сила материала) при Ру = 0. Следует отметить, что сила прижатия Fe$ равна произведению коэффициента трения f, контактной поверхности уплотнителя с трубой Sg, давления на устье Ру и некоторого коэффициента п, учитывающего упругость нагружаемого элемента. Даже если принять, что коэффициент трения f = const в процессе всего времени эксплуатации, то сила Fe$ не является постоянной в течение единичного нагружения и зависит от изменения (увеличения) площади контакта рабочей поверхности уплотнителя с трубой в начале нагружения внешним давлением. Кроме того, деформационные свойства резин зависят от множества технических и рецептурно - технологических факторов, в частности от упругих свойств резины. Учитывая довольно сложную геометрическую конфигурацию резинового элемента, расчет диапазона изменения площади контакта в зависимости от приложенного давления представляет определенную сложность, и в данной работе не рассматривается. На рис. 2 четко прослеживаются две области I и II. Как видно, в I области происходит резкое увеличение силы F, что связано в первую очередь с увеличением площади контактной поверхности Sg при увеличении за-трубного давления. После того, как Sg достигнет своего максимального значения, рост F

обусловлен, главным образом изменениями Е0

и Fвд.

В результате аппроксимации экспериментальных данных, был сделан вывод, что можно представить выражение (9) для определения силы сопротивления уплотнителя в зависимости от давления на устье скважины в удобной для пользователя форме:

^ ^ + а ■ Ру (10)

здесь а = Б + к , гДе а - эмпирический коэффициент, различный для ПВ разных конструкций.

В свою очередь, полученные выражения дают возможность определить величину разгрузки инструмента на крюке, необходимую для доведения до заданной осевой нагрузки на долото с учетом устьевого давления:

Д<2 = 2» - ^ - а • ру (П)

где А2 - вес инструмента на крюке, кг; 2 -

показания ГИВ при подходе долота к забою перед бурением с промывкой и открытым дросселем, т.е. при Ру = 0, кг, Од - требуемая осевая нагрузка на долото, н.

Из выражений (11) видно, если поддерживать величину Д2 постоянной по мере углубления скважины при переменном Ру , т.е. без учета изменения устьевого давления, при бурении скважины возникает либо опасность осложнений из-за неконтролируемого увеличе-

1. Тагиров К.М., Гноевых А.Н., Лобкин А.Н. Вскрытие продуктивных нефтегазовых пластов с аномальными давлениями. - М.: Недра. - 1996. - С. 183.

2. Бурение при пониженном давлении в стволе скважины / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. Зарубежный опыт. №1. М.: ВНИИО-ЭНГ, 1997.

3. Патент РФ №2148698 МПК7 Е 21 В 21/08 Способ вскрытия продуктивного газоносного пласта бурением / Тапиров К.М., Гноевых А.Н., Димитриади Ю.К и др. Заявл. 14.07.98, опубл. 10.05.2000. ОБ №13.

ния осевой нагрузки на долото при уменьшении Ру, либо зависание инструмента при увеличении Ру. Как показывает опыт, эффект зависания инструмента особенно часто играет ощутимую роль при капитальном ремонте скважин с использованием в качестве рабочих труб диаметром 60-73 мм и глубинах скважин до 500 м.

Таким образом, изменяя разгрузку на крюке Д2 в зависимости от устьевого давления, можно обеспечить постоянство заданной Од.

Предлагаемый метод поддержания требуемой осевой нагрузки на долото при бурении (ремонте) скважин с герметизированным устьем (избыточным устьевым давлением) заключается в следующем:

- проведение замеров усилий пропуска бурильной колонны через уплотнитель ПВ при переменном устьевом давлении;

- определение зависимости силы сопротивления уплотнителя ПВ от создаваемого устьевого давления;

- определение зависимости разгрузки инструмента на крюке от противодавления на устье скважины.

Следует отметить, что необходимо периодически проводить экспериментальное определение величины силы сопротивления, в связи с изменением характеристики бурового раствора и изнашиванием резино-металлического уплотнителя ПВ в процессе эксплуатации.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Куксов А.К., Бабаян Э.В., Шевцов В.Д. Предупреждение и ликвидация газонефтеводопроявлений при бурении. - М.: Недра. - 1992. - С. 251.

5. Тагиров К.М., Дубенко В.Е., Димитриади Ю.К. Особенности контроля за осевой нагрузкой на долото при бурении с герметизированным устьем. / Строительство газовых и газоконденсатных скважин: Сб. науч. тр. ВНИИгаз. М.: 1997. С. 90-92.

6. Лавандел Э.Э. Расчет резинотехнических изделий.

- М.: Машиностроение, 1976. - С. 182.

— Коротко об авторах ------------------------------------------

Бекетов Сергей Борисович - кандидат технических наук, главный геолог ООО "Кавказтрансгаз". Димитриади Юлиана Константиновна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО «СевКавНИПИгаз».