книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

6. ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ КУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДО ТОТАМИ

В случае “открытой” колонны при каждой новой скорости спуска (подъема) и,„ в итерационном цикле осуществляется внутренний итераци­ онный цикл с целью определения Q„ и рл). В реальном масштабе времени решение такой задачи под силу только ЭВМ.

Знание величины Q, позволяет прогнозировать перелив жидкости (“сифон”) из труб при спуске колонны, например, после наворота пустой свечи. Для этого достаточно сравнить скорость спуска труб со средней скоростью движения жидкости в трубах верхней секции г„. Если > и„, , то перелив неизбежен, и даже можно предсказать, в какой момент спуска свечи начнется перелив жидкости.

6.2.Выбор оптимальных соотношений диаметров скважины и типоразмеров бурильных труб

Очевидно, что для каждой конкретной скважины существует своя не­ которая бурильная колонна, состоящая из “базовой” части из стандартных бурильных труб и компоновки низа бурильной колонны (КНБК)и являю­ щаяся в целом оптимальной, потому что обеспечивает:

-реализацию оптимальных режимов промывки скважины при бурении гидромониторными долотами;

-реализацию оптимальных режимов бурения, в том числе и режимов промывки.

Вначале рассмотрим только первую задачу, ограничившись выбором диаметра базовой части бурильной колонны исключительно с “гидравли­ ческой” точки зрения.

Выбор “базовой” части бурильной колонны.

В работе [122], посвященной выбору оптимальных сочетаний диаметров нефтепромысловых труб (и не только бурильных) и скважины, эта задача исследована достаточно детально на примере одноразмерных бурильных колонн без КНБК и долота.

Показано, что уровень оптимальности размеров труб следует оцени­ вать исходя из следующих требований:

-обеспечение минимальных значений гидродинамических давлений при спуске (подъеме);

-минимизация общих (суммарных) гидравлических потерь давления при промывке (потерь в трубах р„ и потерь в заколонном пространстве

Ркп)->

- минимизация потерь давления в заколонном пространстве р„, при промывке скважины.

Перечисленные требования противоречивы, поэтому решение задачи сводится к поиску оптимального (компромиссного) варианта.

В работе [122] показано, что варианту сочетания диаметров бурильных труб d и скважины Д при котором достигается минимум суммарных по­

2 0 1

4 ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

терь давления при промывке р„, почти точно соответствует самый небла­ гоприятный с точки зрения спуска колонн вариант с максимумом . Ока­ залось, что зависимость pM~f(d/D), если р„, в численном эксперименте оп­ ределять с учетом поступления жидкости в трубы при спуске, имеет явно выраженный максимум, близко совпадающий с минимумум зависимости р„ = f(d/D) при промывке. Было установлено, что оптимальный компро­ мисс для большинства типоразмеров бурильных труб достигается при ве­ личинах d/D=0,52...0,57.

Ниже излагаются результаты новых численных экспериментов, кото-

Рис. 6.2.1. Влияние диаметра бурильных труб 2 и на ркп и р„ (точ­ ками помечены результаты расчетов с трубами ТБВК-102,6*9, ТБПВ-114,3*9, ТБПК-127*9,2, ТБВК-139,7.10 и СБТВ168,3*10 ): диаметр скважины 215,9 мм; плотность раствора 1200 кг/м3; т„=5 Па; ^=0,015 Па>с; скорость спуска 1,5 м/с.

рые следует рассматривать как развитие изложенных в работе [...] исследо­ ваний.

Расчеты выполнены только для скважины диаметром 215,9 мм, в кото­ рой могут разместиться практически все размеры стандартных бурильных труб, включая трубы диаметром 168,3 мм. В качестве “представителей” стандартного ассортимента труб выбраны трубы ТБВК-102,6-9; БПВ-

2 0 2

6. ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

Рис. 6.2.2. Влияние диаметра бурильных труб на гидродинамическое давление при спуске открытых колонн (условия расчета те же, что на рис. 6.2.1):

I - потери давления />„; II - потери давления рк„ .

114,3.9, ТБПК-127.9,2; ТБВК-139,7.10; СБТВ-168,3.10. На рис. 6.2.1 приведены результаты расчетов потерь давления при промывке скважины. Видно, что область минимума суммарных потерь давления приходится на интервал диаметров 135...140 мм, в котором располагается стандартный размер 139,7 мм. Из рис. 6.2.2, где те же данные показаны в относительных величинах, следует, что при использовании труб ТБВК-139,7.10 суммар­ ные потери минимальны (они взяты за единицу), но давления в заколонном пространстве составляют около 30% от суммарных потерь давления и су­ щественно превышают потери в случае использования труб меньшего диа­ метра.

Рис. 6.2.3 иллюстрирует влияние диаметра бурильных труб на увели­ чение гидродинамического давления при спуске труб открытой и закрытой (“с обратным клапаном”) колонны. За 100% взяты давления при использо­ вании труб диаметром 102,6 мм, когда закрытие труб практически не влия­ ет на давление в скважине. Оказалось, что интенсивный рост давлений происходит начиная с диаметра 140 мм и более. Особенно интенсивно воз­ растает давление при спуске закрытых колонн.

На рис. 6.2.4 показано влияние изменения диаметров труб (в пределах перечисленного ассортимента) на эквивалентную плотность раствора при промывке. Приведенные данные полностью подтверждают сформулиро­

203

6 ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

ванные выше выводы. Обращает на себя внимание тот факт, что, начиная с диаметра 140 мм, особенно опасным является спуск с промывкой.

Обобщая изложенное можно утверждать, что оптимальное соотноше­ ние диаметра труб в “базовой” части бурильной колонны и диаметра сква­ жины располагается в границах 0,52...0,58. При d/D < 0,52 существенно возрастают р„ , а область d/D > 0,57 заведомо не технологична и должна быть отвергнута, поскольку совместно увеличиваются рк„ и р„ . Если иметь в виду скважину диаметром 215,9 мм, то бурильные трубы диаметром

Рис. 6.2.3. Сравнение давлений при спуске открытой и закрытой колонн (условия расчета те же, что на рис. 6.2.1):

1 - открытая колонна; 11 - закрытая колонна.

139,7 мм и легкосплавные трубы диаметром 147 мм могут стать причиной осложнений и совершенно не допустимы к применению.

Выше, в разделе 3.4, в качестве примера было проанализировано влия­ ние на величину критерия промывки J различных по диаметру бурильных труб колонн, но “несущих” одни и те же КНБК.

Анализ показал, что для условий численного эксперимента бурильная колонна, составленная на основе труб ТБВК-139,7, явно уступает колон­ нам, составленным из труб меньшего диаметра. Неожиданно выяснилось, что применение труб ТБПВ-114,3 более эффективно по сравнению с тру­ бами ТБПК-127 до глубины 2750 м, а при больших глубинах - наоборот.

204

6. ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДО.ПО'1 АМН

Рис. 6.2.4. Влияние диаметра бурильных труб на эквивалентную плот­ ность раствора при спуске: I - открытых труб; II - закрытых труб; III - с промывкой с расходом жидкости 0,02 м3/с.

Разумеется, такой вывод справедлив только для данных конкретных усло­ вий бурения. Поэтому правомернее говорить не только о выборе опти­ мальных типоразмеров бурильных труб для данной скважины, но и о вы­ боре компоновочного варианта колонны в целом.

Дело в том, что на выбор решения, кроме диаметра труб, влияет ряд факторов:

-диаметр соединения (замка), от которого зависят потери давления в заколонном пространстве;

-конструкция замкового соединения, от чего зависит относительная величина гидравлических потерь, приходящаяся на соединение труб;

-конструкция скважины (длина обсаженной части ствола, внутренний диаметр обсадных труб);

-наличие сужений ствола и каверн;

-плотность и реологические параметры бурового раствора;

-технические возможности насосной группы в отношении создания и поддержания в течение всего долбления необходимого давления.

Анализ показывает, что нет правильной для всех случаев методики ре­ шения по выбору оптимальной конструкции бурильных колонн по косвен­ ным признакам, кроме самых общих рекомендаций. Решение может быт ь

205

6, ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

найдено только путем перебора различных вариантов. Оптимальным будет считаться тот (или те), который обеспечивает при всех прочих равных ус­ ловиях достижение самых высоких значений J по всем интервалам буре­ ния.

6.3.Алгоритм принятия решений при проектировании гидравлических программ проводки скважины

Взадаче оптимизации параметров режима промывки скважины нужно выделить 4 уровня решения:

1.Проектирование промывки для одной конкретной заданной глу­ бины бурения, когда все исходные условия задачи известны и изменены быть не могут.

2.Проектирование для одной конкретной скважины, когда все ис­

ходные условия задачи известны, не могут быть изменены и решение осу­ ществляется исключительно на основе гидравлических критериев, вне свя­ зи с выбором типоразмера долота, осевой нагрузки, скорости его враще­ ния.

3.Комплексное проектирование режима промывки в рамках общего поиска оптимального режима бурения в условиях неизменности исходной геолого-технической информации и технологических параметров бурового раствора.

4.Комплексное проектирование режима промывки в рамках общего поиска оптимального режима бурения после предварительно выполненной работы по выбору оптимальной компоновки бурильной колонны, компо­

нентного состава и рецептуры бурового раствора, обеспечивающих мини­ мизацию его плотности и оптимизацию реологических параметров.

Алгоритм решения задачи первого уровня представляет собой после­ довательный набор чисто гидравлических расчетных процедур с целью оп­ ределения оптимальных Q , d„ при выбранном числе насадок. Признаком оптимального варианта является максимум критерия гидромониторной промывки J.

Вначале с использованием специальной гидравлической программы для ЭВМ (например, с помощью описанной в разделе 7 программы effect) составляется список решений через заданный шаг по расходу жидкости Q для случая применения 3-х равноразмерных насадок. Проводится экспер­ тиза вписываемости струй, истекающих из насадок с расчетным диаметром отверстий в межшарошечное пространство конкретно выбранного долота, и если она обеспечена и если при этом J > 0, то вариант с максимальным J отбирается в качестве решения. В противном случае принимаются меры по увеличению J с целью выведения его в область положительных значений в следующей последовательности:

-применение равноразмерных насадок с максимально возможным (для данной конструкции долота) приближением их к забою;

2 0 6

(для выравнивания J) расстояние и с учетом ограничения на диаметр на­ садки с точки зрения вписываемости струи в межшарошечное пространст­ во;

-применение разноразмерных насадок в варианте d/ > d2> d3 в со­ четании с приближением насадок с d2 и d3 к забою на расчетные расстоя­ ния;

-если указанные меры не переводят Ув область положительных зна­ чений, то выполняется приближение всех разноразмерных насадок к забою

всочетании с мерами по выравниванию J по всем насадкам;

-применение насадок, создающих асимметричные струи, или спосо­ ба управляемой кавитации путем дозированной закачки в раствор сжатого воздуха.

Методики расчета диаметров равноразмерных и разноразмерных наса­ док, расстояний их до забоя и способы интенсификации промывки забоя описаны в разделе 4.

Как видно, в перечне мер по интенсификации промывки скважины нет применения двух (тем более - одной) насадки с установкой заглушки на одном из промывочных узлов. То, что при схеме промывки забоя через две насадки чаще всего имеет место неравномерный износ шарошек долота, замечено многими исследователями. Теория забойных фильтрационных процессов, кстати, хорошо объясняет это явление. В литературе обсуждал­ ся опыт применения специальных устройств - “блуждающих” шаровых клапанов, призванных перекрывать одно из отверстий по правилам слу­ чайного процесса [80], чтобы обеспечить равномерный износ долота. Од­ нако, решая частично задачу обеспечения равномерности износа, это уст­ ройство не решает главной проблемы такой асимметричной промывки: уменьшения стойкости долот при использовании гидромониторных струй. Автор считает, что применение двух насадок путем установки заглушки рекомендовать можно с большой осторожностью. Лучше всего имитиро­ вать промывку через две насадки путем использования разноразмерных насадок по схеме dt - d2 > d3 , а задачу обеспечения равномерного по ша­ рошкам износа решать приближением меньшей насадки к забою.

Задача второго уровня требует определения оптимальных параметров промывки на основе критерия J для всего разреза скважины. В принципе по методу решения она ничем не отличается от предыдущей. Разница только в том. что первая задача здесь воспроизводится многократно, при каждой смене долота. Добавляется объем исходной информации: каждое намеченное к спуску долото должно быть обследовано на вписываемость струй в межшарошечное пространство, уточнены стандартные расстояния насадок до забоя и конструктивные возможности приближения их к забою. К сожалению, в конструкциях серийных долот не предусмотрено управле­

207

*. ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПРИ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

ние расстоянием насадок до забоя, что обрекает их на малоэффективное использование.

Задача третьего уровня принципиально отличается от предыдущих. По объему она похожа на задачу второго уровня, поскольку оптимизирует­ ся режим промывки всей скважины в целом. Отличие же заключается в том, что вначале решается чисто гидравлическая задача оптимизации, и в этой части все делается так, как во второй задаче, а затем решается общая задача определения оптимальной технологии углубления скважины с по­ мощью компьютерной программы (раздел 7), реализующей математиче­ скую модель бурения шарошечным долотом. Для этой программы предва­ рительно найденные поинтервальные оптимальные параметры промывки выступают в роли исходных данных. Критерием отбора оптимальных ва­ риантов режима бурения (сочетание типоразмера долота, осевой нагрузки, скорости его вращения, а также подачи насосов, типа, числа и размера на­ садок, расстояния последних до забоя, мероприятий по интенсификации промывки забоя) становится уже не критерий промывки J , а критерий, управляющий завершением моделируемого долбления, например, стои­ мость метра проходки или рейсовая скорость. Предсказать заранее, по ка­ ким-то косвенным признакам, результат влияния того или иного варианта промывки на показатели “законченного” долбления , строго говоря, не­ возможно, потому что последние зависят не только о т7 , но и от исходных параметров диаграммы бурения, величин “силовых” параметров режима бурения, с которыми отрабатывается то или иное долото, а также от усло­ вий бурения, в том числе, например, от слаженности в работе буровой бри­ гады.

Наконец, задача четвертого уровня, которая отличается от третьей гем, что вначале оптимизируется условия применения гидромониторных долот: оптимизируются технлолгические и реологические параметры бу­ рового раствора по интервалам бурения, выбирается (на основе многова­ риантного анализа) оптимальные варианты конструкции бурильных ко­ лонн. Затем разрабатывается оптимальная пограмма промывки скважины и, наконец, решается общая задача определения оптимальных сочетаний типоразмеров долот, нагрузок на долото и скоростей его вращения после прогнозирования областей возникновения недопустимых крутильных и продольных колебаний бурильной колонны и отсева резонансноопасных вариантов режима бурения.

208

1 . РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ

Начало

~~ г ~

СВиол промысловых данных о ра боте долот и их обработка. Подготовка исходной информации по пачкам раиной буримосги.

сВыбор промывочной жидкости и се параметровг

СГидравлический расчет промывки скважины и забоя

СВыбор долота, диапазона и шага изменения скорости вращения долота, осевой нагрузки, выбор шага повремени.

g=S

Пересчет параметров диаграммы бурения для /г-той пачки буримости с учетом параметров промывки и величины щ .

Организация расчетного цикла по временным отрезкам с целью вычисления текущих значений проходки, времени бурения, израсходованных величин мозорессурсов вооружения и опоры, а также текущих значений критериев отработки долота.

Перерасчет параметров диаграммы бурения для (к+1) - ой пачки равной буримости

Расчет средних показателей за долбление. Увеличение g на один шаг изменения.

Нет

ВЫХОД или повторение расчет ов при

П= n i+|

Рис. 7.1.1. Укрупненная блок-схема расчета результатов бурения не­ однородных пород с разными g и п .

2 1 0