Разработка гидродинамических методов для повышения эффективности технологии бурения горизонтально-направленных скважин

· анализ тенденций и основных проблем технологий бурения горизонтально-направленных скважин;

· исследование факторов, вызывающих осложнения в процессе бурения горизонтальных скважин;

· установление условий формирования устойчивого вращательно-поступательного течения ньютоновских и неньютоновских жидкостей непосредственно энергией потока в кольцевом канале;

· оценка влияющих факторов на транспортирующую способность промывочной жидкости с различными реологическими свойствами при вращательно-поступательном течении в горизонтальном кольцевом канале;

· исследование процессов преобразования структуры вращательно-поступательного течения потока, установление допустимых значений определяющих параметров для регулирования технологических процессов;

· установление закономерностей и обоснование физических и математических моделей для проектирования процесса промывки горизонтально-направленных скважин;

· обоснование принципов проектирования и расчета специальных гидродинамических элементов в комплексе с компоновкой низа бурильной колонны, обеспечивающих управление технологическими процессами бурения. бурение скважина гидродинамический

Методика исследований.

Исследования проводились по следующей общей схеме:

· анализ и обобщение отечественных и зарубежных литературных данных;

· разработка методик исследования на основании теории подобия, размерностей и планирование экспериментов;

· аналитические, лабораторные, экспериментальные исследования на специальных стендах, обеспечивающих вращательно-поступательное течение потока, запись осциллограмм, визуализацию процессов;

· математическая статистика, разработка программ для обработки результатов исследований на ЭВМ;

· разработка рекомендаций и технологии промывки горизонтально-направленных скважин вращательно-поступательным течением промывочной жидкости в кольцевом канале для внедрения в практику бурения при различных геолого-промысловых условиях.

Научная новизна работы заключается в установлении и экспериментальном подтверждении возможности формирования устойчивого вращательно-поступательного течения, промывочной жидкости в кольцевом канале при бурении горизонтально-направленных скважин и регулирования гидродинамических параметров в режиме постоянства циркуляции или по закону «твердого тела».

Защищаемые научные положения:

1. Высокими транспортирующими свойствами обладают потоки устойчивого вращательно-поступательного течения, которое обеспечивается как для ньютоновских, так и неньютоновских жидкостей начиная от минимального значения числа Фруда равного 1 (Fr1), при этом силы вязкости оказывают стабилизирующую роль и для ньютоновской жидкости минимальное значение критерия Рейнольдса составляет 45 (Re_вр45) при прямопропорциональной его связи с окружной скоростью (), а для неньютоновских Re_вр 20, при функциональной связи по параболическому закону .

2. Переход структуры вращательно-поступательного течения жидкости к структуре, приобретающей свойство «твердого тела», достигается при параболическом распределении осевой скорости потока на входе в лопастной завихритель, а на выходе создаются условия, когда окружная составляющая скорости больше осевой при степенном законе распределения , если n= - 1, при этом инерционные силы должны преобладать над силами вязкости, а массовые силы консервативно влиять на поток.

3. Одним из основных направлений повышения эффективности технологии бурения горизонтально-направленных скважин является формирование процессов движения в кольцевых каналах промывочной жидкости с устойчивым вращательно-поступательным течением с заданными свойствами, которые возможно осуществлять за счет включения в компоновку низа бурильной колонны специальных гидродинамических элементов, обеспечивающих степенной закон закрутки .

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с использованием контрольно-измерительной аппаратуры высокого класса, современных компьютерных технологий. Степень точности полученных экспериментальных данных оценивалась с вероятностью 0,9-0,95. Достоверность подтверждается высокой сходимостью расчетных величин с опытными данными.

Практическая значимость работы.

· Доказана принципиальная осуществимость, потенциальные возможности и эффективность технологии бурения горизонтально-направленных скважин без осложнений за счет формирования и регулирования энергией потока устойчивого вращательно-поступательного течения промывочной жидкости в кольцевом канале.

· Определены критериальные параметры, при которых обеспечивается устойчивое вращательно-поступательное течение промывочной жидкости с различными реологическими свойствами в соответствии с законом .

· Получены закономерности перехода устойчивого вращательно-поступательного течения потока к структуре вращения по закону «твердого тела» при различной концентрации твердых частиц.

· Обоснован принцип проектирования и расчета специальных гидродинамических элементов в комплексе с компоновкой низа бурильной колонны, обеспечивающих регулирование дифференциального давления в режиме: компрессия, равновесие, декомпрессия.

· Технические решения, обоснованные теоретическими и экспериментальными исследованиями защищены Патентами РФ № 2160818, № 2270159.

Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2004, 2005); VII Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, Московский государственный геолого-разведочный университет МГГРУ, 2005); Международная конференция «Второй международный симпозиум «Геотехнология: скважинные способы освоения месторождений полезных ископаемых»« (Москва, Российский университет дружбы народов РУДН, 2005); Международная конференция «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет УГНТУ, 2005); Международная конференция «Drilling oil & gas» (Poland, Cracow, АGH University of Science and Technology, 2006); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы нефтегазового дела» (Октябрьский, филиал Уфимского государственного нефтяного университета ОФУГНТУ, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ и получено 2 патента РФ.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 24 иллюстраций, списка литературы, включающего 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В своих исследованиях автор опирался на труды известных отечественных и зарубежных ученых в области термогидродинамических процессов таких, как Аветисов А.Г., Акзамов Ф.А., Булатов А.И., Варламов Е.П., Горшков Л.К., Гольдштик М.А., Григорян Н.А., Калинин А.Г., Кафаров В.В., Кудряшов Б.Б., Леонов Е.Г., Мавлютов М.Р., Мирзаджанзаде А.Х., Николаев Н.И., Прокопенко В.С., Рейнер М., Санников Р.Х., Седов Л.И., Слюсарев Н.И., Тейлор Г., Устименко Б.П., Шищенко Р.И., Щукин В.И. и др.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе обобщен отечественный и зарубежный опыт разработки углеводородных месторождений новыми технологиями на основе горизонтально-направленных скважин, получившими широкое развитие. Высокая эффективность обеспечивается за счет увеличения производительности скважин на 150-400%, увеличение извлекаемых геологических запасов нефти на 5-10%, способствует снижению общего числа скважин до 70% и соответственно снижения расходов на бурение. В то же время сложность строительства горизонтальных скважин (ГС) свидетельствует о том, что по основным нефтегазодобывающим регионам России практическая эффективность остается более низкой по сравнению с расчетной.

Одной из основных причин снижения фактической продуктивности ГС, сравнительно с их потенциальными возможностями, являются техногенные изменения природного состояния продуктивного пласта в призабойной зоне, т.к. при бурении воздействие буровых агентов и гидродинамики промывочной жидкости осуществляется в течение продолжительного периода и ствол подвергается более сложным и интенсивным деформационным процессам.

Важный резерв повышения эффективности бурения ГС - предотвращение осложнений и сокращение затрат на борьбу с авариями. Анализ промысловых данных свидетельствует, что число аварий увеличивается по мере роста применения горизонтальной технологии. При этом из общего числа аварий, более 80% приходится на прихваты по причине сужения ствола скважины, вследствие оседания шлама и утяжелителя.

В буровой практике замечено, что вращение бурильной колонны существенным образом повышает транспортирующие свойства промывочных жидкостей. Вопрос о влиянии вращения на гидравлические потери в бурящихся скважинах изучался Э.А.Акоповым, Н.Г. Дадашевым, А.С.Денисовым, Е.Г.Леоновым, Б.С.Филатовым и др., но полученные результаты показывают только качественную характеристику процесса.

На принципе использования энергии вращения промывочной жидкости Н.И. Слюсаревым обоснован эффект вихревого насоса непосредственно в процессе бурения алмазным породоразрушающим инструментом, что позволяет существенно снижать гидравлические сопротивления в призабойной зоне, повышать скорость проходки и выход керна, снижать расход алмазов.

Рассмотренные явления свидетельствуют, что одной из первостепенных задач по совершенствованию гидродинамических процессов, для предотвращения осложнений и повышения эффективности технологии бурения горизонтально-направленных скважин, является формирование устойчивого вращательно-поступательного течения в кольцевом канале.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы устойчивости циркуляционного течения жидкости. Для одномерно вращающегося потока по отношению к одномерным возмущениям, справедливым является неравенство - критерий Релея . Более точно интерпретация этого результата была выполнена Т.Карманом. Он установил, что условием равновесия, является математическая связь:

.

С.Чандрасекар дает утверждение, что критерий Релея сохраняет силу и для двухмерных возмущений во вращательно-поступательном потоке с произвольно установившимися профилями скоростей и . Принимая во внимание условие по Т.Карману, устойчивость вращательно-поступательного потока может характеризоваться зависимостью

При определенных значениях окружной скорости u распределение осевой скорости трансформируется в профиль с обратным током. Результаты расчетов на основе уравнений Навье-Стокса свидетельствуют, что при малых значениях критерия Рейнольдса (Re_вр=8,10,12) проявляется условие возникновения обратного тока.

В области малых чисел Рейнольдса, вращение становится вялым и стремится к затуханию. Важное значение имеет частный случай вращательно-поступательного движения жидкости, совершающей течение, как целое квазитвердое тело.

Подобное явление освещено в работах Л.И.Седова. При закрутке потока в трубе с помощью лопастного завихрителя, конструкция закручивающего устройства определяет скоростное поле. В.К.Щукиным обосновано, что более эффективно закрутку лопастного завихрителя можно задавать степенной зависимостью , при этом, если n=1 реализуется закрутка по закону постоянства циркуляции, при n=0 обеспечивается постоянство окружной скорости по радиусу, а при n=-1 закрутка осуществляется по особым свойствам потока, по закону «твердого тела».

Для условий бурения скважин с горизонтальным стволом, где стенки скважины являются технологически созданным цилиндром, наиболее рационально, конструктивно устанавливать лопастные завихрители на невращающиеся бурильные трубы в местах крепления центратора. Формирование регулируемого поля скоростей будет обеспечиваться подачей насоса промывочной жидкости, за счет преобразования гидравлической мощности в механическую работу лопастного завихрителя. На основе теоретического анализа, поставлены цели и задачи исследования, которые в основном заключаются в обосновании гидродинамических процессов формирования вращательно-поступательного движения промывочной жидкости в кольцевых каналах горизонтально-направленных скважин и конструктивных параметров гидродинамических элементов.

В третьей главе обоснована методика исследований. При этом особые требования предъявлены к конструкции экспериментального стенда, который обеспечивал визуализацию структуры потока, при внешней прозрачной трубе, вводе в жидкости специальных красителей и по форме шелковых нитей закрепленных в кольцевом канале и регистрацию вращательно-поступательного течения осциллографом возникновением ЭДС, при вводе магнитного порошка.

Диаметр лопастного завихрителя был практически равен внутреннему диаметру прозрачной трубы, что позволяло определять окружную скорость при вращательно-поступательном течении по уравнению .

Скорость потока по радиусу в поперечном сечении кольцевого канала определялась косвенным методом по измеренному давлению специальными датчиками, согласно уравнению .

В качестве промывочной жидкости использовались минерализованный водный раствор, малоглинистый раствор и раствор на водной основе 0,1% полиакриламида. В качестве реологических свойств использовалась эффективная вязкость, определяемая на ротационном вискозиметре ВСН-2, обеспечивающего плавное изменение скорости сдвига 5<г?1000 c^-1.

В качестве критериальных характеристик для моделирования процесса использовался критерий и , а параметра геометрического подобия - эквивалентный диаметр d_э.

Для установления закономерностей применялся графоаналитический метод с использованием результатов опытных данных.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований реологических параметров выбранных жидкостей, транспортирующих свойств потоков при осевом течении, условия формирования и области существования устойчивого вращательно-поступательного течения и закономерности перехода к вращению по закону «твердого тела» и их функциональная связь с критериальными параметрами.

Экспериментально установлено, что при транспортировании твердых частиц при равной допустимой концентрации одними и теми же растворами в горизонтальном канале, необходимая скорость потока в 2,0-2,5 раза превышает скорость в вертикальном канале, определяемую по общепринятой методике - скорости витания (рис.1).

Рис. 1. Сравнительные характеристики транспортирующих свойств ньютоновской жидкости.

На рис.2 представлена осциллограмма, которая свидетельствует о существовании вращательно-поступательного течения жидкости.

Рис. 2. Фрагмент осциллограммы подтверждающей вращение жидкости.

Опытными данными (рис.3) подтверждено, что область устойчивого вращательно-поступательного течения, как ньютоновской, так и неньютоновской жидкости наступает при значении Fr?1.

Рис. 3. Характеристика вращательно-поступательного течения жидкости в кольцевом канале и его зависимость от критерия Fr и Re_вр.

----- - ньютоновская жидкость; -- - неньютоновская жидкость; - область неустойчивого вращения жидкости; =45; =20.

При этом эффективная вязкость выполняет стабилизирующую роль. Значение критерия Re для маловязкой жидкости в 2 раза ниже по сравнению с водой Re^*_вр?20, Re_вр?45. Функциональная связь параметра Рейнольдса для неньютоновской жидкости прямо пропорциональна Re_вр?u, а для неньютоновской - по параболическому закону Re_вр=. Визуальные наблюдения позволили качественно установить область перехода от неустойчивого вращательно-поступательного течения жидкости к устойчивой его структуре. При значениях Fr<0,7, Re_вр^*<15 и Re_вр<40 наблюдаются пульсации потока, в структуре потока наблюдается отклонение шелковой нити, закрепленной на внутренней трубе от направления общего потока, что может характеризовать появление в осевой части противотока. Экспериментальными данными установлена характерная закономерность перехода устойчивого вращательно-поступательного течения в структуру потока со свойствами «твердого тела». В первом приближении это условие достигается когда значение отношения окружной скорости к радиусу в поперечном сечении остается постоянной величиной (рис. 5).

Рис.4. Влияние отношения окружной скорости к осевой составляющей на структуру вращательно-поступательного течения.

Рис.5. Характер формирования структуры вращательно-поступательного течения потока при степенном законе.

1 - область неустойчивого движения жидкости; 2 - область устойчивого вращательно-поступательного потока; 3 - область движения потока по «закону твердого тела».

Рис.6. Функциональная связь кинематической вязкости и массовых сил в закрученных потоках.

1 - область неустойчивого вращения жидкости; 2 - область устойчивого вращательно-поступательного течения жидкости; 3 - область перехода к вращению по «закону твердого тела»; 4 - вращение по «закону твердого тела».

На основании опытных данных установлены условия перехода от неустойчивого к устойчивому вращательно-поступательному течению и вращению потока вокруг своей оси со свойствами «твердого тела». Характерно заметить, что трансформация профиля скоростей до структуры потока со свойствами «твердого тела» происходит плавно, при этом соблюдается неразрывная связь Re_вр= . Особенностью такого перехода является постепенное превышение окружной составляющей по отношению к осевой (рис.4). При этом инерционные силы превышают силы вязкости, которые не оказывают влияния на структуру потока (рис.6). Это очень важная закономерность, т.к. вращение потока со свойствами «твердого тела» можно формировать для неньютоновских и ньютоновских жидкостей и в этом случае массовые силы консервативно влияют на структуру потока, что позволяет задавать концентрацию твердых частиц до 30% и существенно снизить энергозатраты (рис.7).

Рис. 7. Характеристика выносных способностей вращательно-поступательного потока.

¦ - малоглинистый раствор; ^ - минерализованная вода; ¦ - раствор на полимерной основе.

Для формирования структуры потока, очень важное значение имеет характер ввода жидкости в завихритель. При осевом входе, режим неустановившийся и после выхода из завихрителя обеспечивается только условие , при , т.е. соблюдается закрутка по закону постоянства циркуляции. При стабилизированном вводе по параболическому закону, обеспечивается область с вращением по закону «твердого тела» рис.8.

Рис. 8. Влияние осевого ввода циркуляционной жидкости в лопаточный завихритель на профилирование потока по зависимости .

1- нестабилизированный ввод; 2 - стабилизированнный ввод (параболический).

Для проектирования и расчета устройств, обеспечивающих закрутку по степенному закону, очень важным показателем является длина кольцевого канала, в котором сохраняются заданные технологические свойства вращательно-поступательного течения промывочной жидкости. На основании опытов получена зависимость соотношения шага в конце S_к и в начале канала после завихрителя S_н от значения критерия Рейнольдса (рис.9).

Рис.9. Зависимость отношения шага витка удаленного на 6 м к шагу витка у завихрителя от критерия Re_вр.

Установленная зависимость позволяет обосновать расстояние между лопастными завихрителями в кольцевом канале в компоновке с центраторами в зависимости от интенсивности задаваемого вращательно-поступательного течения и решать обратную задачу - какая интенсивность будет создаваться в горизонтальном кольцевом канале при расчетах требуемой скорости восходящего потока в кольцевом канале на устье, определяемой по классической методике - скорости витания частиц.

Общие выводы и рекомендации: