Работа содержит анализ принципиально новых решений по проектированию. По результатам анализа определено, что плавное изменение кривизны профиля, с использованием клотоиды, позволяет увеличить передачу максимальной осевой нагрузки на долото для проектируемого профиля с большими отходами от вертикали и малой глубиной залегания продуктивного пласта. Проведено сравнение тангенциального профиля с профилем с использованием клотоиды, предложено использовать профиль с биклотоидой, как эффективное решение при строительстве скважин с большими интенсивностями набора кривизны и зенитными углами.
Основным факторами, влияющими на выбор типа профиля скважины является проходимость бурильной и обсадной колонн и возникающие нагрузки на крюке, которые, в том числе, будут влиять на выбор типа и грузоподъемности буровой установки.
При подъеме бурильной колонны из наклонно направленной скважины нагрузка на крюке талевого блока может достигать значительных величин. Показатели этой нагрузки необходимы для оценки возможности строительства конкретной скважины при выбранном наземном буровом оборудовании и бурильных трубах.
Как известно, нагрузка на крюке зависит от типа и диаметра применяемых бурильных труб, коэффициента трения, профиля скважины. Её величину можно уменьшить за счет использования бурильных труб из легкого сплава, антифрикционных добавок в промывочную жидкость, подъема бурильной колонны с вращением, использования проектного профиля с минимальными силами сопротивления перемещения инструмента.
Параметры оптимального профиля должны удовлетворять следующим требованиям, связанными с геолого-техническими условиями бурения и последующей эксплуатацией скважины:
- длина вертикального участка профиля должна находиться в заданном интервале глубин;
- интервал начального искривления скважины отклонителем не должен пересекаться с заданным интервалом расположения и работы внутрискважинного оборудования, а зенитный угол в конце этого интервала не должен превышать заданного значения;
- зенитный угол на проектной глубине должен быть равен или меньше заданного максимального значения;
Алгоритм поиска профиля скважины с минимальными силами трения заключается в следующем. Для различных видов проектного профиля рассчитываются возможные параметры, которые удовлетворяют приведенным выше ограничениям. Затем для всех полученных вариантов проектного профиля определяется нагрузка на крюке. Профиль, для которого величина этой нагрузки минимальна, является оптимальным.
Рассчитать величину сил сопротивления, возникающих при перемещении колонны труб в наклонно направленной скважине различного профиля можно с использованием математических зависимостей, полученных при следующих допущениях:
- колона труб не вращается;
- жёсткость труб на изгиб не учитывается;
- на колонну труб действуют только силы трения скольжения,
- профиль скважины состоит из дуг окружности и тангенциальных участков.
Вся колонна бурильных или обсадных труб разбивается на секции, отличающиеся друг от друга весом единицы длины, геометрией ствола скважины, в котором они расположены, а также коэффициентом трения. По форме завершающего участка различают три типа профиля наклонно направленной скважины: S-образный, тангенциальный и J-образный. В зависимости от количества участков профиля с различной кривизной профили скважины внутри каждого типа разделяются на виды: трёхинтервальный, четырёхинтервальный и т.д. В свою очередь, профили скважины каждого вида могут отличаться друг от друга геометрическими параметрами.
Поэтому поиск оптимального профиля скважины может производиться по всем заданным типам и видам или последовательно по трем уровням:
- среди типов профиля;
- внутри каждого типа профиля;
- в пределах заданного диапазона изменения геометрических параметров вида профиля.
При поиске оптимального профиля предпочтительнее алгоритм, в соответствии с которым сначала определяется тип, потом вид, а затем и геометрические параметры профиля скважины с минимальными силами трения.
Максимальными силами трения обладает S – образный профиль, а минимальной J – образный профиль. Тангенциальный профиль в результатах расчета демонстрирует промежуточные значения, но именно данный тип профиля является перспективным в практике проектирования скважин с большим отходом от вертикали, так как тангенциальный участок позволяет достичь большего отхода, чем дуга окружности с заданным значением радиуса кривизны.
При проектировании профиля наклонно направленной скважины с большим отходом забоя от вертикали кроме сил сопротивления, возникающих при подъеме бурильной колонны из скважины немаловажным, а зачастую и определяющим, является величина максимальной осевой нагрузки на долото, создаваемой весом бурового инструмента.
Движение бурильной колонны в наклонном стволе скважины осуществляется под действием осевой составляющей собственного веса колонны. По мере роста зенитного угла ствола скважины величина осевой составляющей веса уменьшается при одновременном росте сил трения.
Тенденция к движению бурильной колонны сохраняется до тех пор, пока величина осевой составляющей превышает силы сопротивления движению бурильной колонны.
Для практических целей величина или коэффициент передачи максимальной осевой нагрузки на долото представляется в процентах от собственного веса бурильной колонны для различных зенитных углов и коэффициентов трения.
Коэффициент передачи максимальной осевой нагрузки на долото:
где G – максимальная осевая нагрузка на долото, Н;
Q – вес колонны бурильных труб, Н.
Уменьшение веса бурильной колонны является существенным фактором снижения осевых сил сопротивления, но приводит к нежелательному снижению компонентов веса колонны, определяющей нагрузку на долото и продвижение бурильной колонны. Поэтому зачастую нижняя часть, расположенная над компоновкой низа бурильной колонны, комплектуется бурильными трубами, в т.ч. толстостенными а утяжеленные бурильные трубы располагают в вертикальном участке ствола скважины.
Также, направлением снижения сил сопротивления движению бурильной колонны по стволу скважины является применение растворов на нефтяной основе или специальных смазочных добавок в буровой раствор.
Определение максимальной осевой нагрузки на долото
В свете обозначенных проблем оптимизации профиля наклонно-направленной скважины с большим отходом от вертикали проведем расчет технологических показателей тангенциального профиля, использующего дугу окружности на участке набора кривизны, и профиля, использующего симметричную биклотоиду на участке набора кривизны. Расчет будем проводить при условии, что движение бурильной колонны по стволу скважины осуществляется за счет компоненты веса бурильной колонны.
Выбор профиля с симметричной биклотоидой в качестве объекта исследования обоснован постепенным и равным изменением основных параметров профиля (радиус кривизны, зенитный угол, изгибающий момент), обеспечивающим гладкое сопряжение вертикального участка и участка стабилизации зенитного угла.
Для обоснования выбора оптимального тангенциального профиля проведем расчет максимальной осевой нагрузки на долото, с учетом величины зенитного угла ствола скважины и отхода ствола от вертикали. Для анализа были проведены расчеты нагрузки, доходящей до долота, в предположении, что колонна бурильных труб полностью разгружена на забой. Максимальная осевая нагрузка рассчитывается «сверху-вниз», т.е. сначала рассчитывается осевая нагрузка в конце самого верхнего участка колонны труб. Расчет осевой нагрузки в конце каждого расположенного ниже участка колонны труб производится с учетом осевой сжимающей силы, действующей на этот участок со стороны верхних секций колонны труб. Оценка максимальной осевой нагрузки проводится в следующей последовательности.
Вес одного погонного метра бурильных труб в буровом растворе:
Определение веса на крюке при подъеме колонны труб
Результаты показывают, что при подъеме бурильной колонны из пологой скважины нагрузка на крюке может превышать значение веса бурильной колонны. Значение этой нагрузки необходимо для оценки возможности строительства конкретной скважины при выбранном наземном оборудовании и бурильном инструменте. При расчете силы на крюке талевого блока при подъеме колонны труб сначала рассчитывается величина силы, которая должна быть приложена к верхнему концу нижней секции, поднимаемой колонны. Для каждой последующей секции колонны труб расчет производится с учетом растягивающей силы, которая приложена к предыдущей секции. Расчет проведем снизу вверх для момента отрыва колонны от забоя скважины.
Нагрузка в верхней точке участка стабилизации зенитного угла (точка Е), кг:
Результаты расчетов параметров традиционного профиля
Для наглядного представления изменения максимальной осевой нагрузки и веса на крюке по стволу скважины для тангенциального (традиционного) профиля рассмотрели вариант:
1 Глубина по вертикали – 1500 м;
2 Глубина начала набора зенитного угла – 200 м;
3 Зенитный угол - 75о;
4 Интенсивность набора зенитного угла – 3 град/10 м.
Осевая нагрузка изменяется линейно, как показано на рисунке 2. На вертикальном участке АС происходит значительное увеличение осевой нагрузки, вследствие углубления скважины и увеличения длины колонны бурильных труб. На участке набора зенитного угла – участок CD, - продолжается рост осевой нагрузки, но с меньшей интенсивностью из-за частичного прилегания бурильной колонны к стенке скважины. На тангенциальном участке DF значение максимальной осевой нагрузки падает из-за значительного трения бурильной колонны о горную породу.
Анализ полученных графиков позволяет сделать вывод о том, что потери на трение по длине ствола скважины в конце участка AD - 134 848 кг, что составляет 98 % от веса колонны. Из-за сил трения на долото на конечном забое доходит не более 2% веса колонны.
Исследование параметров специального типа профиля
Одной из сложнейших проблем, возникающих при строительстве пологих и горизонтальных скважин, является доведение нагрузки до долота. Поэтому оптимизация профиля, то есть создание энергосберегающего профиля является важной технико-экономической задачей. Произведем расчет нагрузки, доходящей на долото, в предположении, что колонна бурильных труб полностью разгружена на забой. Используем методику, применявшуюся для традиционного профиля.
Пример расчета при следующих исходных данных:
- 1500 м – глубина по вертикали
- 200 м – длина вертикального участка
- 75о – зенитный угол
- 3 градуса/10 м – интенсивность
- 33 кг/м – вес одного погонного метра с замками (127 мм ТБВК)
- 0.3 – коэффициент трения стальных труб о породу
- 1100 кг/м3 – плотность бурового раствора
- 3000 кг – вес КНБК
- Использовалась симметричная биклотоида
Анализируя данные можно сделать следующие выводы, что потери на трение по длине ствола скважины в конце участка AD составляет 94% от веса колонны, из-за сил трения на долото до забоя доходит 6% веса колонны.
Сравнение параметров традиционного профиля и профиля с использованием биклотоиды
С целью определения возможности существования всех возможных вариантов профилей наклонно-направленных скважин с большим отходом от вертикали для указанных глубин залегания продуктивного пласта и начала набора зенитного угла получены результаты расчетов для традиционного типа профиля и профиля с биклотоидой, представленные в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнение традиционного профили с профилем с биклотоидой по максимальному значению осевой нагрузки Глубина пласта -1300 м, глубина начала искривления - 200 м
На основании расчетов при сравнении двух типов профилей можно сделать следующие выводы:
1 В области средних интенсивностей набора зенитного угла (3 град/10 м) использование профиля с биклотоидой обеспечивает наилучшую передачу осевой нагрузки на долото. Снижение длины тангенциального участка и увеличение длины участка набора зенитного угла, часть которого практически прямолинейна ввиду малого изменения интенсивности набора зенитного угла, позволяет уменьшить потери на трение по стволу скважины.
2 Профиль с симметричной биклотоидой обеспечивает больший выбор вариантов профиля, что позволяет подобрать необходимое решение для конкретных геологических условий и обеспеченности буровой бригады.
Наглядным показателем эффективности энергосбережения профиля скважины с большим отходом от вертикали является коэффициент передачи максимальной осевой нагрузки на долото. Графики изменения коэффициентов передачи максимальной осевой нагрузки на долото в зависимости от зенитного угла представим для:
- вертикальной глубины 900 м и глубины начала искривления 300 м – рисунок 6;
- вертикальной глубины 1500 м и глубины начала искривления 300 м - рисунок 7.
Наглядно видно, что профиль с симметричной биклотоидой расширяет диапазон доступных значений зенитного угла в пределах заданной интенсивности набора зенитного угла, вертикальной глубины и глубины начала искривления. Коэффициент передачи максимальной осевой нагрузки для профиля с биклотоидой практически в 2 раза превышает значение этого показателя для традиционного профиля. Интересным является то, что даже при больших значениях интенсивности набора зенитного угла профиль позволяет лучше передавать осевую нагрузку на долото, чем традиционный профиль с меньшей интенсивностью.
Плавное изменение радиуса кривизны позволяет увеличить передачу максимальной осевой нагрузки на долото. Это свойство энергосберегающих профилей, и в частности биклотоиды, позволит без использования дополнительного оборудования и специальных смазочных добавок к буровым растворам достигать значительных показателей в бурении горизонтальных скважин с большим отходом от вертикали при малых глубинах залегания продуктивных пластов.
Литература
1 Гусман А.М., Оганов Г.С., Барский И.Л. К вопросу о создании энергосберегающих профилей наклоннонаправленных, многозабойных и горизонтальных скважин. ОАО «Научно-производственное объединение «Буровая техника», М.: Труды ВНИИБТ №3 (71), 2011. - С.17. С.29
2 Samuel R., Anew well path design using clothoid spiral (curvature bridging0 for ultra-extended-reach drilling, SPE Drilling & Completion, 2010. - С.363-368
3 Калинин А.Г., Никитин Б.А., Солодкий К.М., Повалихин А.С. Профили наклонных скважин и компоновки низа бурильных колонн. – М.: Недра, 1995. - С.54
