WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Зинатуллина Эльмира Якуповна

РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЕМЫХ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИН КОЛТЮБИНГОВЫХ КОМПОНОВОК НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ

Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы»

(нефтегазовая отрасль)

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа – 2009

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Лягов Александр Васильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Габдрахимов Мавлитзян Сагитьянович;

кандидат технических наук, доцент

Самигуллин Валерий Хакимович.

Ведущая организация

Самарский государственный технический

университет

Защита состоится « 13 » ноября 2009 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 13 » октября 2009 года.

Ученый секретарь

совета Лягов А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы обусловлена необходимостью более точного выбора конструкции компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с гибкими безмуфтовыми трубами (ГБТ) для управления траекторией ствола скважины в процессе бурения колтюбинговыми установками.

Наиболее актуальными методами интенсификации добычи в настоящее время становится строительство боковых стволов (БС) из старого эксплуатационного фонда скважин для обеспечения эффективной гидравлической связи в системе скважина – пласт и вовлечение в разработку слабодренируемых застойных зон.

Известно несколько вариантов проводки БС из вырезанного окна как традиционными, так и колтюбинговыми установками:

- пилотные, которые служат для уточнения геологического строения залежи, на малоразбуренных участках месторождения либо в граничной части месторождения, где условия залегания пластов непостоянные;

- неориентированные – пробуренные без навигационного сопровождения телеметрическими системами;

- наклонно направленные – зенитный угол которых составляет менее 50°, пробуренные по заданной траектории с использованием телеметрических систем (ориентируемые);

- пологие – зенитный угол находится в пределах 50…65°;

- горизонтальные – максимальный зенитный угол превышает 65°, в том числе многоствольные.

Разработка специальных забойных компоновок с ГБТ (кКНБК) повышенной надежности для бурения скважин колтюбинговыми установками с учетом динамических процессов, происходящих при их строительстве, повышает не только качество формируемого ствола скважины, но и предопределяет дальнейшую безаварийную работу эксплуатационного оборудования.

Цель работы. Обеспечение бурения горизонтальных скважин малого диаметра колтюбинговыми установками с управлением кривизной на базе исследования и разработки гидромеханических модулей в составе кКНБК.

Задачи исследований

1 Анализ влияния горно-геологических и технико-технологических факторов и конструкции кКНБК на её работоспособность при ориентированном управлении траекторией ствола скважины с относительно большими отходами в процессе бурения.

2 Аналитическое исследование работы гидромеханических модулей (ориентатора, гидронагружателя, винтового забойного двигателя) в составе кКНБК.

3 Разработка и лабораторные испытания гидромеханических модулей (ориентатора и гидронагружателя) и выбор их параметров функционального назначения.

4 Промысловые испытания разработанных гидромеханических модулей в составе кКНБК при бурении горизонтальной скважины с относительно большим отходом.

Методы решения поставленных задач

Для решения поставленных задач использовались: апробированные современные расчетные и экспериментальные методы, показавшие хорошую сходимость лабораторных и расчетных данных, в т.ч. специальные пакеты прикладные программы математического моделирования. Основные выводы и положения работы подтверждены промысловыми и лабораторными исследованиями базовых узлов разработанных гидромеханических модулей кКНБК.

Научная новизна

1 Обоснована и предложена для колтюбингового бурения кКНБК, состоящая из гидромеханических модулей (включающих ориентатор и нагружатель долота), разработана и аналитически исследована математическая модель кКНБК как динамическая система с линейными коэффициентами при продольных колебаниях в процессе ориентированного бурения скважин колтюбинговым комплексом.

2 Уточнены аналитические зависимости для определения динамических параметров кКНБК с ориентатором и гидронагружателем при работе её в горизонтальной скважине.

3 Установлено, что для обеспечения работы предложенной кКНБК крутящий момент гидромеханического ориентатора должен быть больше суммы изгибающего момента кКНБК и момента на трение компоновки, а гидравлическая нагрузка, создаваемая гидронагружателем, должна быть больше сил трения с коэффициентом запаса, равным 1,25.

Основные защищаемые положения

1 Обоснование включения гидромеханических устройств в состав кКНБК для управления кривизной и обеспечения необходимой осевой нагрузкой на долото.

2 Необходимые соотношения изгибающего момента в кКНБК, крутящих моментов ориентатора и забойного двигателя для успешного функционирования гидромеханических модулей кКНБК.

3 Качественные закономерности показателей функционального назначения гидромеханических модулей компоновки с помощью полученных математических моделей.

4 Конструкции ориентатора и гидронагружателя для кКНБК и результаты стендовых и промысловых испытаний предложенных кКНБК.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности

1 Практическая ценность работы заключается в экспериментальном подтверждении параметров функционального назначения гидромеханических модулей кКНБК: ориентатора и гидронагружателя, для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин на аэрированном азотом буровом растворе в компоновке бурильной колонны с помощью колтюбинговой установки КМ-4001 российско-белорусского производства. Установлено, что для гидронагружателя: осевое усилие должно составлять не менее – 60 кН, рабочий ход штока – 750 мм, перепад давления кКНБК с использованием аэрированного раствора должен составлять – 5,7 МПа; для ориентатора: оптимальный крутящий момент – 1000 Н·м, дискретный угол поворота за один рабочий ход – 20.

2 Разработана, исследована и испытана кКНБК при бурении горизонтальной скважины №1619Г Асяновской площади НГДУ «Чекмагушнефть» колтюбинговой установкой КМ-4001.

3 Экспериментально исследованы гидромеханические устройства, работающие на аэрированном буровом растворе с использованием разработанного испытательного стенда на базе учебной буровой установки в ООО «ИПЦ ИНТЕХ», оснащенного современной измерительной техникой.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались:

- на 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2005 г.);

- 57-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2006 г.);

- 58-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2007 г.);

- 59-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2008 г.);

- IX Международной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2008» по секции «Машины и агрегаты нефтяной и газовой промышленности» (г. Ухта, 2008г.);

- 60-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2009 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10 публикациях, в том числе 3 статьях, одна из которых опубликована в рецензируемом журнале, включенном в перечень ВАК, получен 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка, состоящего из 134 наименований, и 2 приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, включает 30 рисунков и 6 таблиц.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Нефтегазопромысловое оборудование» УГНТУ, а также лично: Асееву Е.Г., Ишемгужину Е.И., Матвееву Ю.Г., Назарову С.В., Попову А.Н., Сидоркину Д.И., Сулейманову И.Н., Шамову Н.А. за помощь в проведении исследований, оформлении и обсуждении результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований, научная новизна, основные защищаемые положения и практическая ценность.

В первой главе представлен анализ различных факторов, влияющих на искривление ствола скважины существующими КНБК.

Одним из способов повышения продуктивности скважин является бурение боковых стволов с выходом на горизонтальный участок с помощью колтюбинговых комплексов. Нерешенной задачей при колтюбинговом бурении горизонтальных и наклонно направленных скважин, является ориентирование КНБК и оптимизация осевой нагрузки на долото на горизонтальном участке при отходе от вертикали более 60 м, что связано с динамикой работы непрерывной трубы с малой жесткостью на изгиб и кручение, силами трения и рядом других факторов, возникающих в процессе строительства скважины. Рассмотрены результаты исследований, проведенных рядом научно-исследовательских институтов и ученых, в том числе Балицким П.В., Габдрахимовым М.С., Дранкером Г.И., Иоаннесяном Р.А., Ишемгужиным Е.И., Калининым А.Г., Керимовым З.Г., Копыловым В.Е., Лебедевым Н.Ф., Ляговым А.В., Мавлютовым М.Р., Мирзаджанзаде А.Х., Огородниковым П.И., Поповым А.Н., Подаваловым Ю.А., Самигуллиным В.Х., Султановым Б.З., Эскиным М.Г., Эйгелесом Р.М., Юниным Е.К., Янтуриным А.Ш. и др.

В результате выполненного анализа работ сделаны выводы, что в состав кКНБК необходимо включать механические и гидромеханические устройства для управления процессом проводки скважины по заданной траектории, а также инструмент для преодоления сил сопротивления при движении кКНБК по сложному профилю. Кроме того, необходимо оборудование и инструмент для регламентированной передачи и контроля осевых сил к породоразрушающему инструменту.

В связи с этим, особенно актуальным становится вопрос аналитического и промыслового исследования работы новых КНБК для бурения колтюбинговыми установками.

Во второй главе рассмотрены аналитические исследования работоспособности кКНБК в сильно искривленной скважине.

Проведены расчеты потерь осевой нагрузки на трение, которые были рассчитаны по известным методикам (ВНИИБТ, БашНИПИнефть и др.). Потери на трение определены суммированием их по участкам профиля ствола скважины. При определении потерь момента кручения, например при расчете угла закручивания колонны, использовалась известная формула

, (1)

где Рi – потери осевой нагрузки на трение на i-м рассматриваемом участке колонны;

di – диаметры элементов кКНБК, контактирующих со стенкой скважины;

' – коэффициент трения при вращении колонны;

– коэффициент трения (сопротивления движению) в случае поступательного движения колонны в скважине (при бурении на технической воде в открытой части ствола =0,14…0,18; на глинистом растворе =0,16…0,25).

Выполненные результаты расчетов показали, что уже при длине наклонного участка более 60 м, особенно при зенитном угле скважины, близком к 90, получаем потери на трение, соизмеримые с максимально возможным усилием, передающимся на забойный двигатель и долото (весом кКНБК), что влечет за собой значительное снижение механической скорости бурения. Для обеспечения нормальной работы кКНБК необходимо выполнение условий достаточности осевой силы и момента поворота компоновки при её ориентировании.

Результаты расчета определения осевой нагрузки на забой скважины при колтюбинговом бурении скважин малого диаметра подтверждают следующее:

- потери осевой нагрузки на трение элементов бурильной колонны о стенки наклонно направленной скважины при бурении горизонтальных участков соизмеримы с величиной осевой нагрузки на долото;

- при бурении скважины или бокового ответвления ствола длиной свыше 60 м необходим гидронагружатель.

Для определения упруго-напряженного состояния кКНБК было рассмотрено поведение компоновки в наклонно направленной скважине вдоль оси x (совпадающей с осью скважины) путем решения дифференциального уравнения упругой линии, называемого уравнением “трех моментов”:

, (2)

где E·I – изгибная жесткость двигателя;

P – осевая нагрузка на долото, Р = 60 кН;

y – прогиб кКНБК вдоль оси x;

Q – отклоняющая сила;

q1 – поперечная составляющая от собственного веса единицы длины винтового двигателя: q1 = qВ ·sin, где qВ – вес единицы длины винтового двигателя в промывочной жидкости; – зенитный угол скважины.

Граничные условия:

при, ;

при,

где lk – расстояние от долота до точки касания винтового двигателя стенки скважины;

rк – кажущийся радиус скважины, rк = (Dскв – dдв)/2, где Dскв – диаметр скважины, dдв – диаметр двигателя.

Система уравнений решена в рамках пакета Mathcad, в результате получены закономерности изменения изгибающего момента по длине x от долота до точки касания компоновки со стенкой скважины и значения изгибающих моментов, действующих на КНБК, в зависимости от зенитного угла. Например, изгибающий момент кКНБК для скважины диаметром 123,8 мм может достигать величины более 600 Н·м при максимальных осевых нагрузках. Результаты решений обеспечили обоснование кКНБК в целом.

Далее выполнен гидравлический расчет ориентатора для определения вращающего момента, создаваемого ориентатором и необходимого для проворота части кКНБК, размещенной ниже ориентатора на горизонтальном участке скважины. Рассчитаны на прочность базовые узлы компоновки для обеспечения работоспособности конструкции.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»