CC BY
91
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 622.43.92
И. В. Воевидко, И. И. Чудык
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН ПРИ
НЕОРИЕНТИРОВАННОМ БУРЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЗАБОЙНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
UDC 622.43.92
I. V. Voievidko, 1.1. Chudyk
FORECASTING OF WELL DEVIATION IN NON-ORIENTED WELL-BORING WITH HYDRAULIC DOWNHOLE DRILLING MOTORS CALCULATION OF CENTRIFUGAL MAGNETIC DEHUMIDIFIERS
Аннотация
Дан краткий анализ разработанных аналитических моделей движения долота при бурении в анизотропной среде и указаны их недостатки. Представлено уравнение для расчёта интенсивности искривления ствола скважины при бурении в сложных геологических условиях гидравлическими забойными двигателями. Изложена суть методики прогнозирования интенсивности искривления скважин. Предложен критерий оценки точности проводки наклонно направленных скважин. Достоверность разработанной методики подтверждена результатами её промышленной апробации.
Ключевые слова:
математическая модель, искривление скважины, отклоняющий фактор, зенитный угол, траектория скважины, круг допуска, план траектории скважины.
Abstract
The developed analytical models of the motion of a boring head during drilling in an anisotropic medium are analyzed briefly and their shortcomings are provided. The equation is presented which calculates the intensity of deviation of a wellbore hole in drilling by hydraulic downhole motors in difficult geological conditions. The essence of the method of forecasting the intensity of wells deviation is given. The criterion for evaluating the accuracy of performing directional drilling of slant wells is provided. The reliability of the proposed method is confirmed by the results of its industrial testing.
Key words:
mathematical model, well deviation, deflecting factor, inclination angle, well trajectory, target area, plan of well trajectory.
Направленное бурение скважин предусматривает реализацию мероприятий естественного и искусственного их искривления. При этом используются определённые способы и технические средства во взаимосвязи с конкретными геологическими условиями бурения.
© Воевидко И. В., Чудык И. И., 2015
В процессе бурения, отклоняясь под влиянием геологических факторов от расчетной траектории, скважины могут не вскрыть нефтегазоносные слои и, как следствие, не выполнить свои проектные задачи. Однако накопленный фактический материал по естественно-
му искривлению, а также разработанные теоретические положения процесса искусственного искривления ствола скважины позволили установить ряд общих закономерностей. В то же время во многих случаях проектная траектория ствола скважины не совпадает с фактической, что вызвано определенными факторами, которые не всегда учитываются в математических моделях пространственного формирования ствола скважины [1-4].
Известны уравнения, описывающие темп искривления скважины при бурении в анизотропной среде неориентированными компоновками низа бурильной колонны (КНБК), использующими силы гравитации [5-8].
Все математические модели в качестве причины искривления принимают образование траекторного угла -угла между касательной к оси скважины и направлением вектора скорости бурения. Однако указанные математические модели или не являются универсальными, или предусматривают использование несовершенных расчетных схем, допускающих целый ряд не всегда обоснованных упрощений.
Практика бурения направленных скважин в сложных горно-геологи-
ческих условиях показывает, что успешная проводка скважин без учёта основных закономерностей их искривления исключена [9, 10]. Установить закономерности процесса искривления в конкретных геологических условиях представляется возможным путем изучения необходимого промыслового материала для выявления качественной причины этого процесса. Однако использование несовершенных математических моделей искривления скважин не позволяет достоверно оценить этот процесс количественно, что приводит к значительным отклонениям проектного профиля от фактического [11].
В статье отображены результаты теоретических исследований в плане разработки математической модели искривления ствола скважины с учётом специфики условий бурения, а также основные подходы к методике расчета его пространственного положения.
В результате изучения особенностей работы гидравлических забойных двигателей и низа бурильной колонны в сложных геологических условиях получены следующие уравнения для расчёта интенсивности искривления ствола скважины:
ёа 2 2
* = Т 'фа= Г ■
У
Л
в0 +9 + Ксобвп +— Бт2ш■ соба
■■ос у
= Т ■ (фта + Фга ) ' (1)
ёф 2 А 2 __!- = _■ ф =--
ёБ Ь ф Ь ■ а
Б ^ И
Во +9 + К■ БтВп + —■ вт2ш■ БШа 0 б 2
хот у ^
Т (ФТФ+ Фф) (2)
где Ь - длина направляющего участка от долота до первой точки контакта со стенкой скважины; ро - угол несоосности КНБК; 0 - поворот оси долота под действием приложенных нагрузок; К - коэффициент фрезерующей способности долота; Бот, Бос - отклоняющая сила и осевая нагрузка на долото соответственно; рп - угол поворота плоскости изгиба компоновки под действием
реактивного момента забойного двигателя; И - буровой индекс анизотропии; ю - угол встречи долота с плоскостью пласта геологической структуры; а - угол между апсидальной плоскостью и плоскостью действия отклоняющего фактора анизотропии.
Как видно из (1) и (2), темпы изменения зенитного а и азимутального ф углов зависят от алгебраической суммы
составляющих технико-технологического отклоняющего фактора ФТа и ФТф, а также от составляющих отклоняющего фактора анизотропной среды ФТа и ФТф. Фа и Фф представляют собой тра-екторные углы или, другими словами, полные отклоняющие факторы, определяющие характер соответственно зенитного и азимутального искривлений.
da Л dф — > 0, — ds ds
При Фа> 0 и Фф> 0 —> 0, -;-!-> 0, а
_ . _ . da _ dф _ при Фа< 0 и Фф<0 — < 0, — < 0. а ф ds ds
При нулевом значении одного из отклоняющих факторов происходит стабилизация соответствующего угла.
Анализ уравнений (1) и (2) показал, что составляющие технико-технологического фактора р0 и 0 и функциональный показатель FOT характеризуют КНБК, в состав которой входит откло-нитель любой конструкции. В данном случае к углу рп следует добавить угол установки отклонителя. Здесь необходимо отметить, что величина угла рп рассчитывается в соответствии с разработанной методикой [12]. Таким образом, полученные уравнения могут быть также использованы при расчете траектории наклонно направленной скважины в случае бурения КНБК с отклони-телями различных конструкций, что расширяет возможности их применения.
Из уравнений (1) и (2) также следует, что составляющие отклоняющего фактора анизотропной геологической среды ФТа и ФТф зависят, в первую очередь, от величины бурового индекса анизотропии h и числовых значений геометрических критериев ю и о, что подтверждает влияние отклоняющего фактора неоднородной геологической структуры. При увеличении угла ю величины ФТа и ФТф возрастают. При увеличении угла а составляющая Фга уменьшается, а Фгф, наоборот, возрастает.
Точность реализации проектного профиля в значительной мере зависит от его формы. Наиболее рациональным
следует считать профиль, близкий к профилю естественного искривления в конкретных геологических условиях. Поэтому тип профиля скважины выбирают, прежде всего, на основе анализа геологических условий бурения исходя из необходимости обеспечения высокого качества скважины как объекта последующей эксплуатации, а также с учётом технических возможностей, экономической эффективности и безаварийных условий её бурения и крепления.
При проводке наклонных скважин в условиях, когда геологические факторы имеют значительное влияние на траекторию скважины, используют профили пространственного типа, предполагающие участки с естественным изменением зенитного угла и азимута. При этом проектный профиль должен быть максимально приближен к естественным условиям искривления в рамках допустимых величин.
В процессе бурения наклонных скважин отклоняющие факторы геологического характера действуют независимо от технико-технологических факторов искривления и могут в соответствии с направлением действия или усиливать их влияние на процесс искривления скважин, или, наоборот, ослаблять. Поэтому исходя из принципа суперпозиции представляется возможным отдельно рассчитывать интенсивность искривления скважины под действием факторов различного характера.
Исходя из вышеуказанного вполне закономерно сделать вывод о целесообразности отдельного расчёта формирования траектории ствола скважины под действием исключительно фактора искривления геологического характера, что даст возможность проанализировать процесс её естественного искривления. Далее необходимо провести расчёт траектории скважины под комплексным воздействием факторов как геологического, так и технико-технологического характера.
При расчёте искривления скважины под действием только факторов геологического характера следует использовать следующие уравнения:
ёа И . „ — = —■ 81п2ш- соб а; ёБ Ь
ёф И . „ б1п а
— = —■ 81п2ш--.
ёБ Ь б1п а
(3)
(4)
При уточнённом расчете траектории скважины с учетом всех факторов искривления необходимо применять формулы (1) и (2).
На рис. 1 показан пример проектных планов траектории скважины под действием геологического фактора и
под комплексным влиянием факторов геологического и технико-технологического характера.
Профиль указанной скважины, проводку которой предусмотрено осуществлять с использованием закономерностей естественного искривления, состоит из четырёх участков: условно вертикального (0...300 м), перехода на расчетный азимут и набора зенитного угла (300.600 м), прямолинейно-наклонного со стабилизацией зенитного и азимутального углов (600.1600 м), естественного искривления с прогнозированным изменением зенитного угла и азимута на конечном этапе бурения (1600.3000 м).
Рис. 1. Проектный план траектории скважины: 1 - при искривлении под действием в основном геологического фактора; 2 - при искривлении под комплексным влиянием факторов геологического и технического характера
Из рис. 1 видно, что естественные факторы искривления способствуют проводке наклонной скважины в заданном направлении, однако конечная точка профиля на глубине 3000 м находится на расстоянии приблизительно 250 м от центра круга допуска. Проектный план скважины при искривлении под комплексным влиянием факторов показывает, что конечная точка её траектории попала в круг допуска и располагается возле его границы. Для более точного попадания в круг допуска необходимо уменьшить зенитный угол скважины при бурении с отклонителем на втором участке с 33 до 31° при сохранении прежнего азимутального направления.
Успех направленного бурения в значительной степени зависит от точности реализации профиля скважины в процессе бурения, что, в свою очередь, констатирует достоверность методики его прогнозирования.
Для оценки точности проводки наклонной скважины по всей её длине предлагается следующий критерий:
К„ =
Z "иК
n
(5)
где Кт1 - коэффициент точности проводки наклонной скважины на текущей глу-
г
бине, Кг = —; п - количество промежу-
ГЛ1
точных коэффициентов.
Промышленная апробация методики прогнозирования искривления скважин проводилась при бурении скважины 12-Лопушна в сложных горно-геологических условиях Карпат.
На рис. 2 представлены проектный и фактический планы траектории указанной наклонной скважины, анализ которых показал, что максимальное отклонение оси её ствола от проектного положения составило 24,3 м, т. е. почти вдвое меньше допустимого. В данном случае коэффициент точности проводки скважины Кт = 0,46, что свидетельствует о её вполне удовлетворительном качестве.
Рис. 2. Планы траектории скважины 12-Лопушна: 1 - проектный; 2 - фактический
Таким образом, разработана математическая модель пространственного искривления ствола наклонной скважины при бурении в сложных геологических условиях неориентированными КНБК с учетом специфики условий бурения, позволяющая прогнозировать интенсивность изменения ее зенитного
угла и азимута как функцию отклоняющих факторов. На основе вышеуказанной модели предложена методика расчета и прогнозирования искривления наклонных скважин, которая достоверно описывает процесс её пространственного формирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бурение наклонных и горизонтальных скважин / А. Г. Калинин [и др.]. - М. : Недра, 1997. -
650 с.
2. Профили направленных скважин и компоновки низа бурильной колонны / А. Г. Калинин [и др.]. - М. : Недра, 1995. - 305 с.
3. Управление искривлением наклонных скважин в Западной Сибири / Л. Я. Сушон [и др.]. - М. : Недра, 1988. - 124 с.
4. Воевидко, И. В. Неориентированные компоновки повышенной активности на базе винтовых двигателей для борьбы с искривлением скважин / И. В. Воевидко // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2013. - № 3. - С. 4-6.
5. Вудс, Г. Искривление скважин при бурении / Г. Вудс, А. Лубинский. - М. : Гостоптехиздат, 1960. - 124 с.
6. Гулизаде, М. П. Закономерности искривления наклонных скважин и критерии стабилизации угла наклона / М. П. Гулизаде, Л. Я. Кауфман, Л. Я. Сушон // Нефтяное хозяйство. - 1972. - № 3. - С. 1-4.
7. Гулизаде, М. П. Расчёт темпа пространственного искривления наклонных скважин при бурении неориентированными КНБК / М. П. Гулизаде, О. К. Мемедбеков // Теория и практика бурения наклонных скважин. - Баку : АзИНЕФТЕХИМа, 1982. - Вып. 1. - 63 с.
8. Тимофеев, Н. С. Формула темпа приращения кривизны для расчета профиля практически вертикальных скважин / Н. С. Тимофеев, В. О. Белоруссов, О. Ю. Бергштейн // Нефтяное хозяйство. -1968. - № 8. - С. 32-34.
9. Белорусов, В. О. Прогнозирование и расчёт естественного искривления скважин : справ. пособие / В. О. Белоруссов, Т. М. Боднарук. - М. : Недра, 1988. - 175 с.
10. Использование естественного искривления при проводке наклонно направленных скважин / Т. М. Боднарук [и др.] // Нефтяное хозяйство. - 1981. - № 3. - С. 14-16.
11. Калинин, А. Г. Бурение наклонных скважин : справочник / А. Г. Калинин, Н. А. Григорян, Б. З. Султанов. - М. : Недра, 1990. - 348 с.
12. Гулизаде, М. П. Регулирование азимутального искривления при бурении наклонно направленных скважин с применением неориентированных КНБК / М. П. Гулизаде, О. К. Мемедбеков // Обзорная инфор. Сер. Строительство скважин. - 1989. - Вып. 1. - 63 с.
Статья сдана в редакцию 26 декабря 2014 года
Игорь Владимирович Воевидко, д-р техн. наук, проф., Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. E-mail: [email protected].
Игорь Иванович Чудык, д-р техн. наук, проф., Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа. E-mail: [email protected].
Igor Vladimirovich Voievidko, DSc (Engineering), Prof., Ivano-Frankovsk National Technical University of Oil and Gas. E-mail: [email protected].
Igor Ivanovich Chudyk, DSc (Engineering), Prof., Ivano-Frankovsk National Technical University of Oil and Gas. E-mail: [email protected].
