Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.15.10 - “Буріння свердловин”

Технологія ізоляції зон поглинання бурових свердловин з використанням термопластичних матеріалів

Судаков Андрій Костянтинович

Дніпропетровськ -- 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі техніки розвідки родовищ корисних копалин Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Бражененко Анатолій Макарович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Москальов Олександр Миколайович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, професор кафедри гірничих машин;

кандидат технічних наук Мартиненко Іван Іванович, Міністерство екології та природних ресурсів України (м. Київ), завідувач відділом маркетингу та інвестиційної діяльності департаменту геології і використання надр.

Провідна установа -- ВАТ "Український нафто-газовий інститут" Міністерства палива та енергетики України (м. Київ), науковий відділ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук О.В. Анциферов

Анотація

Судаков А.К. Технологія ізоляції зон поглинання свердловин з використанням термопластичних матеріалів . - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.15.10. - “Буріння свердловин” - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена питанням розробки технології ізоляції зон поглинань промивної рідини з використанням термопластичних матеріалів. На основі аналітичних, стендових, свердловинних і виробничих досліджень запропоновано принципово нову, нетрадиційну технологію ізоляції зон поглинання, яка базується на заповненні каналів поглинання розплавом легкоплавких матеріалів. Експериментально і теоретично встановлено оптимальну глибину застосування запропонованої технології, залежність температури нагрівання свердловинної рідини від теплофізичних властивостей термопластичного матеріалу. Встановлено необхідні технологічні параметри тампонування: розміри ізоляційної оболонки, а також методику їх проектування. На основі аналітичних досліджень складено математичну модель процесу теплопередачі при електротепловій обробці свердловини в зоні ускладнення.

Результати теоретичних досліджень знайшли підтвердження в ході практичних досліджень і стали базою для створення технології ізоляції зон поглинання, успішно апробованої у виробничих умовах.

Ключові слова: буріння, свердловина, поглинаючий горизонт, промивна рідина, поглинання рідини, ізоляція горизонтів, тампонажні матеріали, теплове джерело, термопластичні матеріали, розплав.

Аннотация

Судаков А.К. Технология изоляции зон поглощения буровых скважин с применением термопластичных материалов . -- Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.10. -- “Бурение скважин” -- Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена вопросам разработки технологии изоляции зон поглощений промывочной жидкости с применением неразубоживаемых пластовыми водами термопластичных материалов для тампонирования трещиноватых горных пород.

На основании аналитических, стендовых, скважинных и производственных исследований предложена принципиально новая, нетрадиционная технология тампонирования поглощающих горизонтов, для реализации которой необходимо выполнить следующие технологические операции: доставку гранулированного термопластичного материала на забой скважины, локальный нагрев промывочной жидкости в призабойной зоне скважины, плавление и задавливание расплава термопластичного материала в каналы поглощения. Применяются термопластичные, неразубоживаемые пластовыми водами материалы с низкой температурой плавления, расплав которых, проникая в каналы поглощения промывочной жидкости, затвердевает там, образуя надежную, непроницаемую изоляционную оболочку. Для различных геолого-технических условий разработаны технологические схемы и способы изоляции поглощающих горизонтов термопластичными материалами, а также методика их проектирования. На основании экспериментальных и теоретических исследований установлена оптимальная глубина применения предлагаемой технологии. Экспериментально и аналитически установлены зависимости: температуры нагрева скважинной жидкости от теплофизических свойств термопластичного материала; количества тепловой энергии, расходуемой при процессе плавления термопластичного материала в зоне поглощения промывочной жидкости от условий нагрева; времени и скорости плавления термопластичного материала от мощности нагревателя при контактном плавлении.

Установлены необходимые технологические параметры тампонирования и радиальные размеры изоляционной оболочки. На основании аналитических исследований составлена математическая модель температурного поля, описывающая процесс теплопередачи при электротепловой обработке скважины в зоне осложнения.

Выполнена оценка экономической эффективности применения технологии изоляции поглощающих горизонтов с использованием тампонажных термопластичных материалов на основе природной серы. Доказано, что предлагаемый способ изоляции позволяет за счет низкой стоимости, физико-механических свойств предложенного тампонажного материала, оптимизации технологического процесса и т.п., достичь значительного снижение материальных затрат и времени на изоляцию поглощающего горизонта.

Результаты теоретических исследований нашли подтверждение в ходе практических исследований и явились базой для создания технологии изоляции поглощающих горизонтов, успешно апробированной в производственных условиях.

Ключевые слова: бурение скважин, скважина, поглощающий горизонт, промывочная жидкость, поглощение, изоляция, тампонажные материалы, забойный тепловой источник, термопластичные материалы, расплав.

Summary

Sudakov A.C. Technology of Isolation of Swallowing Zones by Thermoplastic Materials. -- Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.15.10 -- “Drilling of holes” -- National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis is devoted to questions of development of technology of isolation of swallowing zones of mud by applying thermal and plastic materials.

On the basis of analytical, bench, hole and industrial researche the new, non-tradicional technology tamping of absorptive horizons based on filling the channels of swalling by melting the fusible materials is offered. The optimum depth of application of offered technology, dependence of temperature of hole fluid from thermal and physical properties of the thermoplastic material is established experimentally and theoretically. The necessary technological tamping parameters and the swalling envelope size, and sheir design technique are elaborated. The mathematical model of the heat transfer process is carried out at electrothermal processing of the hole in the complication zone taking info account the analytical research.

The results of theoretical researches were confirmed during the laboratory tests and became the base of creation of sampler's practical design, successfully tested in industrial conditions.

Key words: drilling of hole, hole, swallowing horizon, mud, swallow, isolation, tamping material, hole toe a heat source, thermal and plastic material, melt.

1. Загальна характеристика роботи

ізоляція термопластичний технологічний

Актуальність роботи. Техніко-економічні показники буріння свердловин значною мірою визначаються витратами часу і коштів на усунення ускладнень. Одним із найбільш поширених ускладнень є поглинання промивної рідини. За статистичними даними на їх ліквідацію витрачається до 20% коштів і часу від загальних витрат на спорудження свердловини. Поглинання призводить до порушення технологічного режиму буріння, провокує аварії.

В даний час більшість засобів ліквідації поглинань промивної рідини засновано на застосуванні тампонажних сумішей, які мають велику чутливість до розведення водою. У зв'язку з неминучістю контакту тампонажної суміші з рідиною в свердловині і пласті така суміш утрачає свої тампонажні властивості, розтікаючись від свердловини на значні відстані, що призводить до необхідності багаторазового повторення операцій з тампонування, до великих перевитрат тампонажних матеріалів, праці і часу.

Для вирішення цієї проблеми необхідно вести пошук нових технологій, заснованих на інших фізичних процесах і інших тампонажних матеріалах, не чутливих до розведення водою. До таких процесів відносяться методи створення ізоляційної оболонки, засновані на зміні агрегатного стану тампонажного матеріалу, що дає можливість створювати навколо свердловини малооб'ємну, але достатньо міцну і непроникну ізоляційну оболонку. Тому актуальною є задача розробки нетрадиційної технології ізоляції зон поглинання, заснованої на заповненні каналів поглинання розплавом легкоплавких матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Підставою виконання роботи є завдання на проведення науково-дослідної роботи Національною гірничою академією України згідно з координаційним планом № 39 Держкомгеології України по напрямку “Гірничі науки” і держбюджетною темою ГП-189 “Дослідження технології ізоляції поглинаючих горизонтів свердловин термопластичними матеріалами”.

Метою роботи є розробка і дослідження технології ізоляції зон поглинання термопластичними сумішами на основі природної сірки з використанням вибійних теплових джерел, моделі температурного поля та методики проектування технологічних процесів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Вибір і дослідження складу термопластичного матеріалу. 2. Розробка технологічних схем ізоляції горизонтів, що поглинають промивну рідину, термопластичними матеріалами. 3. Теоретичні дослідження температурного поля в зоні дії заглибного теплового джерела. 4. Визначення раціональних галузей застосування технології та технічних засобів для ізоляції зон поглинання промивної рідини. 5. Розробка технологічного регламенту з ізоляції термопластичними матеріалами зон поглинання промивної рідини.

Ідея дисертаційної роботи полягає в застосуванні нерозчинних пластовими водами матеріалів із низькою температурою плавлення, розплав яких, проникаючи в канали поглинання промивної рідини, твердне там, утворюючи надійну, непроникну ізоляційну оболонку.

Методика досліджень. Поставлені задачі вирішувалися комплексним методом дослідження, який включає аналіз і узагальнення літературних і патентних джерел, проведення аналітичних, експериментальних досліджень і виробничих випробувань. Обробка експериментальних даних проводилась на ПЕВМ із використанням методів математичної статистики. Оцінка ефективності отриманих результатів досліджень здійснювалася шляхом випробування у виробничих умовах.

Наукові положення, що захищаються в дисертації.

1. Ізоляція зон поглинання відбувається в результаті заповнення каналів поглинання розплавом тампонажного термопластичного матеріалу при температурі +120…150 0С із наступним твердненням, радіус поширення якого залежить від розкриття тріщини, а математична залежність радіусу від розкриття тріщин носить экспоненційно-сходимий характер. Температура перегріву свердловинної рідини щодо температури плавлення тампонажного термопластичного матеріалу зростає лінійно з співвідношенням їхніх мас.

2. Максимальна глибина застосування тампонажного термопластичного матеріалу дорівнює добутку температури його плавлення на геотермічний градієнт. У випадку застосування природної сірки як тампонажного термопластичного матеріалу максимальна глибина її застосування складе 3000...4000 м. Вартість ізоляції зон поглинання із застосуванням термопластичного матеріалу від глибини свердловини має мінімум, який визначається геолого-технічними умовами буріння свердловин і теплофізичними властивостями матеріалу.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше обґрунтовано і доведено можливість застосування природної сірки як тампонажного термопластичного матеріалу;

2. Одержала подальший розвиток, теоретичне обгрунтування й експериментальне підтвердження модель температурного поля, що дозволяє описати процес теплопередачі при електротепловій обробці свердловини в зоні ускладнення;

3. Уперше встановлено залежність проникаючої спроможності там-понажних термопластичних матеріалів на основі природної сірки від розкриття тріщин в зоні поглинання промивної рідини;

4. Вперше аналітично обґрунтовано методику визначення раціональної технології ізоляції зон поглинання термопластичними матеріалами з використанням заглибних теплових джерел.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням для досліджень відомих теоретичних і експериментальних методів теплофізики і тепломасопереносу термопластичного матеріалу, а також обсягом виконаних експериментів, що забезпечують надійність результатів - розбіжність лабораторних і теоретичних досліджень знаходяться в межах 10-15 %.

Наукове значення роботи полягає у визначенні величини температури нагрівання свердловинної рідини і її зміни з часом під дією заглибного теплового джерела та при введенні в зону нагрівання тампонажного термопластичного матеріалу, одержанні аналітичних залежностей, які дозволяють визначити режимні параметри електротеплової обробки свердловинної рідини, а також визначенні перспектив і напрямків подальших досліджень в галузі ізоляції зон поглинання.

Практичне значення роботи полягає в розробці технології і технічних засобів ізоляції зон поглинання, рецептур тампонажного термопластичного матеріалу, класифікацій тампонажних матеріалів і засобів ліквідації поглинань промивної рідини та розробці технологічного регламенту ізоляції зон поглинання.

Реалізація результатів роботи. Розроблену технологію тампонування зон поглинання термопластичними матеріалами на основі природної сірки з застосуванням заглибного теплового джерела випробувано в ДГП ”Кіровгеологія”. Результати використовуються в навчальному процесі при читанні лекцій за курсом "Технологія кріплення свердловин", використовувалися при проведенні Національною гірничою академією України науково-дослідної роботи ГП-189 “Дослідження технології ізоляції поглинаючих горизонтів свердловин термопластичними матеріалами”.

Особистий внесок автора: запропоновано нову класифікацію засобів ліквідації поглинань промивної рідини; досліджено фізико-механічні властивості природної сірки як тампонажного термопластичного матеріалу; обґрунтовано можливість застосування природної сірки як тампонажного матеріалу; розроблено заглибне теплове джерело; розроблено технологічні схеми тампонування горизонтів, що поглинають, тампонажними термопластичними матеріалами в залежності від геолого-технічних умов буріння; проведено стендові і свердловинні дослідження технології ізоляції горизонтів термопластичними матеріалами з використанням заглибних теплових джерел; за результатами аналітичних досліджень установлено раціональну область застосування розроблених технологій ізоляції горизонтів, що поглинають; установлено залежність проникаючої здатності термопластичного тампонажного матеріалу від розкриття тріщин.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на першій міжнародній науково-технічній конференції ”Эпштейнівскі читання” (м. Дніпропетровськ, НГА України, 1998 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, НГА України, 1998 р.), на 4-му Міжнародному симпозіумі з буріння свердловин в ускладнених умовах (Санкт-Петербург, СДГІ, 1998 р.), на науково-технічній конференції “Актуальні проблеми геології і раціонального природокористування” (м. Дніпропетровськ, НГА України, 1999 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Метан вугільних родовищ України” (м. Дніпропетровськ , ІГТМ НАН України, 1999 р.), на наукових семінарах кафедри ТР РКК НГА України (1995-2000 р.р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 9 статтях, 5 - у наукових фахових виданнях; 1 - у патенті України; 2 - у збірниках наукових праць конференцій.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділів, основних висновків, переліку літературних джерел і додатків. Містить 204 сторінки машинописного тексту, у тому числі 45 рисунків, 20 таблиць, список використаних джерел із 146 найменувань, а також 7 додатків.

2. Зміст роботи

Дослідженням в області розробки рецептур промивних рідин, тампонажних матеріалів і технологій для боротьби з поглинаннями промивної рідини присвячені роботи Булатова А.І, Воздвіженського Б.І., Волокітенкова О.О., Гайворонського О.О., Давиденка О.М., Доценка Ю.Г., Івачова Л.М., Кіпка Е.Я., Крилова В.І., Ліпатова М.К., Мартиненка І.І., Мислюка М.А., Полозова Ю.А., Рафієнка И.И., Спичака Ю.Н., Титкова Н.І., Тяна П.М., А.Ф., Яковлева А.М., Ясова В.Г. та інших авторів.

Аналіз проведених досліджень показує, що на сьогодні існує велике різноманіття технологій і матеріалів для ліквідації поглинання промивної рідини. У більшості випадків ліквідація поглинань забезпечується тампонуванням каналів поглинання промивної рідини тампонажними сумішами, що тверднуть або не тверднуть, шляхом створення водонепроникного екрану в породі навколо свердловини.

Для ліквідації поглинання промивної рідини найчастіше застосовують недостатньо ефективні тампонажні матеріали, які приготовляють на водній основі з введенням у їх склад мінералов'яжучих або синтетичних речовин. Основними недоліками цих матеріалів є те, що вони мають велику чутливість до розведення водою - розчини легко перемішуються з промивною рідиною і пластовими водами, особливо при наявності міжпластового перетоку. Відбувається розбавлення водою, седиментація тампонажних розчинів, що веде до підвищення часу тужавлення, розтіканню на значні відстані від свердловини і, як наслідок, веде до перевитрати тампонажних матеріалів та повторенню операцій з тампонування.

У зв'язку з цим, певний інтерес представляють тампонажні суміші на основі термопластичних матеріалів (ТПМ) із низькою температурою плавлення, розплав яких може легко проникати в канали поглинання промивної рідини і тверднути там.

Дотепер у якості ТПМ були спроби для тампоножу використувати тільки бітуми. До основних недоліків бітуму як тампонажного матеріалу відноситься його спроможність релаксувати з часом: при перепаді тиску 0,3 - 0,5 МПа він спроможний текти навіть при температурі +15 0С. Розплав бітуму має густину, близьку до густини води, і в середовищі промивної рідини спроможний розшаровуватися і спливати. Бітум погано розбурюється і забруднює буровий інструмент. Відомо дані про його канцерогенність і шкідливий вплив на навколишнє середовище. Через ці й інші недоліки бітуми не знайшли широкого застосування в якості тампонажного матеріалу.

Тампонажні матеріали, застосовувані для ізоляції поглинаючих горизонтів, при твердінні не повинні давати усадки з утворенням тріщин, розтікатися в тріщинах, повинні мати гарне зчеплення з гірськими породами, бути стійкими щодо впливу води і перепадів тиску. Ці матеріали повинні бути однокомпонентними, технологічними при доставці в зону тампонування, легко разбурюватися і змиватися з бурового інструмента та мати густину вищу за густину очисного агента.

Проведений аналіз літературних джерел з застосування сірки в якості просочуючих і в'яжучих матеріалів і дослідження фізико-механічних властивостей підтвердили принципову можливість її застосування в якості тампонажного матеріалу. Тверда сірка хімічно інертна, на неї не діють агресивні води. Сірка легко розбурюється і не налипає на технологічний інструмент. Термін збереження гранульованої сірки не впливає на її фізико-механічні властивості. Вартість сірки порівняна з вартістю цементу і набагато менша за вартість синтетичних смол. Завдяки низькій в'язкості розплаву як чистої сірки, так і сірки з добавками пластифікаторів, він може легко проникати в гірські породи з незначним розкриттям тріщин. Крихкість сірки можно усунути за рахунок додавання пластифікаторів. Міцність тампонажного каменю, отриманого при остиганні розплаву сірки, порівняна з міцністю цементного каменю, причому в ранній стадії твердіння міцність сірки на порядок вища від міцністі цементного каменю на одноосьовий стиск. Температуру плавлення тампонажного термопластичного матеріалу можна регулювати введенням пластифікаторів.

Для застосування у виробничих умовах як термопластичний тампонажний матеріал можна рекомендувати природну сірку або сірку модифіковану пластифікаторами (5-10 %). С урахуванням критеріїв подоби розроблено і виготовлено експериментальний стенд для моделювання процесів в поглинаючому горизонті із різноманітним розкриттям тріщин. Встановлено залежність зміни температури в поглинаючому пласті від потужності електронагрівача і часу нагрівання. Доведено можливість плавлення гранульованої сірки в середовищі нагрітої свердловинної рідини. Отримано залежність температури рідини від кількості термопластичного матеріалу. Встановлено, що розтічність її в каналах поглинання незначна, але достатня для утворення надійної ізоляційної оболонки, що дозволяє різко скоротити витрату тампонажного матеріалу. Розплав сірки легко відокремлюється від свердловинної рідини і перетікає зі свердловини в поглинаючий пласт. Сірка заповнює і закупорює тріщину прошарками східчасто. При цьому нижні прошарки мають більший радіус поширення ніж Верхні.

Радіус поширення сірки перевищує (у 1,5-2,0 рази) контур температури свердловинної рідини, що дорівнює температурі плавлення сірки. Це пояснюється тим, що швидкість плину розплаву сірки перевищує швидкість її остигання. Доведено, що для перекриття каналів поглинання достатньо нагріти тільки свердловинну рідину до температури, при якій забезпечується повне розплавлювання всієї маси сірки, без прогріву пласта вглиб.

У результаті свердловинних досліджень встановлено залежність зміни температури рідини по осі свердловини з часом.

Технологія застосування таких матеріалів передбачає нагрів зони ускладнення до температури, що перевищує температуру плавлення термопластичного тампонажного матеріалу за допомогою вибійного свердловинного электронагрівача. У цьому випадку задача зводиться до визначення необхідного часу роботи электронагрівача і температурного поля в зоні ускладнення. При розв'язанні цієї задачі прийнято, що перенос тепла від нерухомого джерела, розташованого в свердловині, здійснюється шляхом теплопровідності і конвекції. Враховується, що від циліндричного нагрівача, одночасно із радіальним розподілом тепла, є також відведення тепла в покрівлю і підошву пласта, що поглинає. Сам пласт розглядають як однорідне ізотропне середовище. Радіус джерела дорівнює радіусові свердловини, вісь джерела збігається з віссю свердловини, початок координат збігається з центром джерела, вісь z - із віссю свердловини, вісь r проходить через середину джерела.

Розподіл температури Т (, z, t) знайдено за допомогою рівняння теплопровідності для симетричного джерела в циліндричних координатах.

, (I зона) (1)

0 < <Г; 0 < < '; >0

, (II зона) (2)

Г < r < R

при початковій умові:

Т(r, z, 0)=T 0,

і граничних умовах

по R по Z'

або

або

де і розподіл температури відповідно в зоні I і II; а- коефіцієнт температуропровідності; с - питома теплоємність; - густина; q - питома потужність джерела; Т0 - деякий початковий розподіл температури в гірських породах і свердловинній рідині (у навколишньому середовищі); R - довжина досліджуваної області в напрямку осі r; Z' - довжина досліджуваної області в напрямку осі z.

У рівнянні (1) - теплопередача за рахунок природної конвекції, де - швидкість конвекції.

Рішення задачі здійсню-валося методом кінцевих різниць (методом сіток) за допомогою спеціальної програми на мові turbo-basic, що дозволяє, при заданих потужності электро-нагрівача, теплофізичних влас-тивостях промивної рідини і гірської породи визначити характер розподілу температури в часі і просторі. Для ре-алізації запропонованої технології необхідно виконати такі операції: доставку гранульованого ТПМ на вибій свердловини, локальний нагрів промивної рідини, плавлення ТПМ, вдавлення розплаву ТПМ у канали поглинання.

Запропонована технологія може бути застосована при бурінні геологорозвідувальних, експлуатаційних свердловин діаметром більш за 76 мм у тріщинуватих, стійких породах із розкриттям тріщин не менше 0,5 мм. Гідростатичний тиск рідини повинний бути таким, щоб забезпечити нагрів (без кипіння) свердловинної рідини до температури плавлення термопластичного матеріалу. Максимальна глибина запропонованої технології залежить від розміру геотермічного градієнту в свердловині і дорівнює глибині, при якій температура гірських порід поглинаючого горизонту дорівнюватиме температурі плавлення ТПМ. Якщо застосовувати природну сірку, то мінімальна висота стовпа рідини повинна бути 20 м, а максимальна глибина застосування запропонованої технології складе 3000…4000 м.

У комплексі робіт з проектування ізоляції поглинаючого горизонту термопластичним матеріалом з застосуванням вибійного электронагрівача необхідно виділити наступні етапи:

- збір і опрацювання геологічної інформації про характер тріщинуватості, пластовий тиск, місце розташування й інтенсивність поглинання;

- розрахунок необхідних розмірів ізоляційної оболонки й обсягу розплаву термопластичного матеріалу;

- вибір типу термопластичного матеріалу і домішок до нього;

- розрахунок режиму електротеплового опрацювання зони поглинання і вибір потужності електронагрівача.

Після завершення робіт з ізоляції горизонту навколо свердловини в зоні ускладнення утворюється непроникна оболонка.

При цьому розтікання розплаву в поглинаючому горизонті є процес богатофакторний. На його розмір впливають: свердловинний і пластовий тиск, глибина залягання горизонту і температура розплаву і пов'язана з нею в'язкість і швидкість течії розплаву в каналах. Спроби врахувати вплив усіх чинників, від яких залежить граничний розмір радіуса поширення розплаву сірки і його необхідні витрати, дотепер не давали позитивних результатів і призводили до заниження обчислених розмірів. Тому радіальний розмір ізоляційної оболонки можна визначити з емпіричної залежності, отриманої на підставі математичного опрацювання результатів стендових досліджень процесу ізоляції поглинаючого горизонту

, (3)

де R - радіус ізоляційної оболонки, м; - середнє розкриття тріщин, м.

Середнє розкриття тріщин і коефіцієнт спроможності поглинаючого горизонту визначається з формулами запропонованими І.І. Вахромеєвим і Л.М. Івачовим.

Розрахунковий радіус, а отже, і товщина ізоляційної оболонки повинні відповідати вимогам міцності. Розрахунки, виконані за методикою В.І. Крилова, показують, що мінімально припустима товщина ізоляційної оболонки, створеної з застосуванням природної сірки, повинна бути в межах 0,04…0,05 м.

Об'єм розплаву термопластичного матеріалу Sпг визначається, виходячи з геометричних розмірів оболонки і шпаруватості горизонту, за формулою Л.М. Івачова

,(4)

де D и D0 - діаметри відповідно оболонки і свердловини; М - товщина поглинаючого горизонту, м; m - шпаруватість; hн - розмір, що враховує заповнення свердловини розплавом нижче зони поглинання (hн= 1 - 2 м); hв - розмір, що враховує необхідність заповнення розплавом свердловини вище зони поглинання (hв = 2 - 3 м); Кк - коефіцієнт, що враховує наявність каверн у свердловині.

Для того, щоб забезпечити розплавлювання всієї маси термопластичного матеріалу в зоні ускладнення, свердловинна рідина повинна бути нагріта до температури tп, що дозволить його нагріти і розплавити. Ця температура визначається за формулою

(5)

де tагр. - температура плавлення ТПМ, 0С; tт - температура свердловинної рідини в зоні поглинаючого горизонту; - питома теплота плавлення термопластичного матеріалу, Дж/кг; m1 і m2 - маса відповідно свердловинної рідини і термопластичного матеріалу, кг; c1 і c2 - питома теплоємність відповідно свердловинної рідини і термопластичного матеріалу, Дж/кг 0С.

Знаючи температуру tп, за графіком визначають необхідну потужність електронагрівача при заданій тривалості прогріву зони ускладнення.

Загальна вартість проведення ізоляційних робіт при виконанні одиничного тампонування з доставкою ТПМ у контейнері залежить від витрат на спуск і підйом електронагрівача з контейнером і на нагрів свердловинної рідини до температури її перегріву над точкою плавлення ТПМ. При цьому загальна вартість С0 створення ізоляційної оболонки визначаться як

C0 = Стр +Сн, (6)

де Стр і Сн - вартість відповідно транспортування електронагрівача по стовбурі свердловини і нагрівання свердловинної рідини в зоні тампонування.

Вартість транспортування електронагрівача по свердловині визначається в такий спосіб

, (7)

де Сст. ч. - вартість верстато-години роботи бурової установки, грн; Н - глибина залягання поглинаючого горизонту, м; Vс - швидкість спуску електронагрівача, м/ч; g- прискорення вільного падіння, м/с2; Nл - потужність приводу лебідки, кВт; Q і q - маса відповідно електронагрівача і 1 м кабелю, кг.

Вартість нагрівання свердловинної рідини з урахуванням потужності нагрівача визначається за формулою

(8)

де Nн - потужність нагрівача, кВт; Сэ - вартість кіловат-години електроенергії, грн; - геотермічний щабель, м/0С; tп - температура перегріву свердловиинної рідини, 0С; tн - температура нейтрального прошарку, 0С.

З формул (7) і (8) випливає, що із зростанням глибини Н залягання поглинаючого горизонту, витрати на транспортування електронагрівача в свердловині збільшуються (рис. 8), а на нагрів за рахунок природної температури гірських порід - знижуються. Це свідчить про двоїстий вплив глибини виконання тампонажних робіт із застосуванням ТПМ на їхню вартість. У цьому зв'язку рекомендовано доцільним визначити оптимальне значення глибини Н, яка відповідає мінімуму С0.

Дослідження залежності С0 = f (H) на екстремум з урахуванням виразів (7) і (8) дозволило визначити оптимальну глибину застосування ТПМ із використанням вибійного електронагрівача

. (9)

Рішення рівняння (9) показало, що оптимальна глибина застосування запропонованої технології ізоляції поглинаючих горизонтів складає 350…400 м.

Економічний ефект від упровадження розробленого способу тампонування поглинаючих горизонтів із застосуванням термопластичних матеріалів складає 459 тис. гривень у рік при обсязі проведення тампонажних робіт у 100 свердловинах.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень дано рішення актуальної задачі, що полягає в розробці технології ізоляції поглинаючих горизонтів термопластичними сумішами на основі природної сірки, розплав яких проникає в канали поглинання з наступною зміною агрегатного стану, утворює тривку ізоляційну оболонку.

У ході виконання дисертаційної роботи отримані такі результати:

Обґрунтовано явище, що при бурінні тріщинуватих гірських порід застосування тампонажних сумішей на водяній основі призводить до значних витрат тампонажних матеріалів і часу, подорожчанню вартості свердловини. Запобігти цих витрат можливо, шляхом створення ізоляційної оболонки розплавом термопластичного матеріалу.

Розроблено й обґрунтовано рецептуру тампонажної суміші, основним компонентом якої є природна сірка. Лабораторними дослідженнями підтверджено можливість застосування термопластичних матеріалів на основі природної сірки в якості тампонажного матеріалу.

Запропоновано нову технологію ізоляції поглинаючих горизонтів тампонажними термопластичними матеріалами з застосуванням вибійних теплових джерел, яка захищена патентом України.

Розроблено технологічні схеми і засоби для ізоляції поглинаючих горизонтів термопластичними матеріалами, а також методику їх проектування.

На підставі експериментальних і теоретичних досліджень встановлено оптимальну глибину застосування запропонованої технології.

Експериментально й аналітично встановлено залежність температури нагрівання свердловинної рідини від теплофізичних властивостей термопластичного матеріалу.

Встановлено необхідні технологічні параметри тампонування і радіальні розміри ізоляційної оболонки, що дало можливість розробити “Технологічний регламент ізоляції поглинаючих горизонтів термопластичними матеріалами з застосуванням вибійних теплових джерел”, затверджений Геолкомом України.

На підставі аналітичних досліджень складено математичну модель температурного поля, яка описує процес теплопередачі при електротепловому обробці свердловини в зоні ускладнення. Розроблено програму для обчислення на ЕОМ параметрів температурного поля.

Проведено оцінку і доведено економічну ефективність застосування технології ізоляції поглинаючих горизонтів тампонажними термопластичними матеріалами на основі природної сірки. Вартість проведення технологічних операцій, пов'язаних із тампонуванням поглинаючих горизонтів у порівнянні з цементуванням може бути знижена на 4500 грн на одну операцію.

У виробничих умовах здійснено дослідну перевірку ефективності застосування розробленої технології ізоляції поглинаючих горизонтів термопластичними матеріалами.

Основні публікації

Brazenienko A.M., Dudla N.A., Sudakow A.K., Zie'ba A. Nowa technologia izolacji horyzontow chlonnych // Wydawnictwo AGH. - Krakow.- 1997. - Р. 25-30.

Бражененко А.М., Дудля Н.А., Судаков А.К. О возможности применения термопластичного материала для изоляции поглощающих горизонтов при бурении скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 1998. - № 1, 2. - С. 10-11.

Судаков А.К. методика проектирования ликвидации поглощений очистного агента зон буровых скважин // Науковий вісник НГА України. - 1999. - № 3. - С. 44-46.

Судаков А.К. Применение природной серы в качестве тампонажного термопластичного материала // Сб. научн. трудов НГА України. - 1998.- № 3. - Том 2 - С. 243-246.

Судаков А.К. Выбор технологической схемы изоляции поглощающих горизонтов термопластичными материалами. // Сб. научн. трудов НГА Украины. - 1999. -№ 6. - Том 4 - С. 36-39.

Судаков А.К. Современные технологии и материалы, применяемые для ликвидации поглощений промывочной жидкости. // Науковий вісник НГА України. - 1999. - № 5. - С. 98-102.

Патент № 21629 А UA, МКИ Е21 В36/13. Спосіб тампонування свердловин / А.М. Бражененко, М.А. Дудля, О.М. Давіденко, А.К. Судаков (UA). - № 97020756; Заявл. 20.02.97; Опубл. 30.04.98; Бюл. № 2. - С. 3.

Бражененко А.М., Дудля Н.А., Судаков А.К., Омельян Е.М. Температурное поле в зоне действия скважинного электронагревателя. // Труды научно-технической конференции “Эпштейновские чтения”. - Днепропетровск: НГАУ. - 1998. - С. 44 - 47.

Судаков А.К. Технология изоляции поглощающих горизонтов термопластичными материалами // Труды научно-технической конференции “Эпштейновские чтения”. - Днепропетровск: НГАУ. - 1998. - С. 52-54.

Размещено на Allbest.ru