Подготовка скважины к спуску обсадных колонн на примере ООО «Ичалковский карьер»

Введение
Выбор темы определился рядом факторов. Во-первых, добыча гипса и известняка является важной отраслью промышленности, и подготовка скважин для спуска обсадных колонн играет решающую роль в успешной добыче данных материалов. Во-вторых, данная тема достаточно актуальна в настоящий момент времени, так как спрос на гипс и известняк растет, в связи, с чем необходимо развивать и совершенствовать способы и технологии добычи.
Эта тема интересна для обучающегося в данный момент времени, так как она позволяет получить глубокие знания о процессе подготовки скважин, а также о применяемых при этом технологиях и оборудовании. Эти знания будут полезным и актуальным ресурсом для будущей профессиональной деятельности, связанной с добычей гипса и известняка или с нефтегазовой отраслью в целом.
Исследование данной темы в рамках ВКР является актуальным и необходимым, так как позволит применить полученные знания и навыки на практике. Результаты исследования могут способствовать оптимизации процесса подготовки скважин и повышению эффективности добычи гипса и известняка. Кроме того, они могут быть использованы для разработки новых технологий и рекомендаций, которые будут полезны для практической деятельности конкретных органов, занимающихся добычей данных материалов.
Таким образом, изучение и исследование рассматриваемой темы является актуальным и необходимым, так как позволяет получить глубокие знания и навыки, применим на практике, а также может привести к оптимизации процесса добычи и разработке новых технологий.
Степень разработанности выбранной темы. Различные зарубежные исследователи, такие как М.П. Гулизаде, Ф.А. Дашдамиров и А.А. Шамсиев, М.К. Сеид-Рза, М.Л. Кисельман, А.К. Самотой, В.Е. Хелмик, А.Дж. Лонгли, Е.Л. Хейден, Г.Р. Уэлч, посвятили свои исследования изучению сил сопротивления и природы явлений, происходящих при движении колонны труб в скважине.
Значительный вклад в развитие и прогресс науки и практики в области проектирования и строительства наклонно направленных и горизонтальных скважин внесли ученые и специалисты: М.М. Александров, Л.П. Балицкий, С.Н. Бастриков, В.Ф. Буслаев, А.И.Булатов, В.Г. Григулецкий, М.П. Гулизаде, А.Г.Калинин, Б.А. Никитин, С.А. Оганов, Н.Г Середа и др.
Объектом исследования выступает спуск обсадных колонн при добыче гипса и известняка.
Предмет исследования анализ промыслового опыта и определение оптимальных параметров и методов для подготовки и спуска обсадных колонн в скважины с большим коэффициентом смещения забоя от вертикали.
Цель исследования заключается в подготовке скважины к спуску обсадных колонн на примере добычи гипса и известняка.
Задачи исследования:
- анализ методик вычисления сил, которые воздействуют при спуске обсадной колонны в скважину;
- прогнозирование осложнений при спуске обсадных колонн;
- анализ траекторий по факту стволов скважин на примере ООО «Ичалковский карьер»;
- исследование осложнений, которые возникают в ходе спуска обсадной колонны на скважинах карьера.
В рамках исследования проводится методы оснащения спуска обсадной колонны до глубины в длинный участок скважины по горизонтали; вычисление с помощью методов математической статистики.
Практическая значимость исследования заключается в возможности применения полученных результатов и рекомендаций при проектировании и эксплуатации скважин для добычи гипса и известняка. Оптимизация процесса подготовки и спуска обсадных колонн позволит снизить риски осложнений, повысить производительность и качество добычи, а также сократить затраты на работу скважин. Это будет важным вкладом в развитие горнодобывающей промышленности и различных отраслей экономики, использующих гипс и известняк.
Структура работы состоит из введения, трех глав, пятнадцати параграфов, заключения и списка литературы.















Глава 1. Анализ промыслового опыта спуска обсадных колонн в скважины с большим коэффициентом смещения забоя от вертикали
1.1 Анализ методик расчета сил, действующих при спуске обсадной колонны в скважину
Основной причиной сопротивления при бурении скважины является трение меж колонной труб и стенками ствола скважины. Трение обусловлено породами, из чего состоит ствол, и корками из глины, образовавшиеся из-за перепадов давления и температуры поверхности из буррастворов разносоставного типа. Процесс включает передвижение буринструмента в продольном направлении во время спуска и подъема, подачу долота на дно скважины и установку обсадных колонн.
Сложный характер сил сопротивления, которые возникают в скважине, обусловлен реологическими и химико-физическими процессами, вытекающими в ходе трения колонны труб о стенки скважины. [4, 7] Из-за этого невозможно провести аналитические исследования, но возможно экспериментальное исследование сил в промысловых условиях и в лаборатории.
В период конца 50-х годов, М.М. Александров [1, 2, 3] провел серию измерений сил сопротивления в скважинах Старогрозненского нефтепромыслового управления. Для измерения нагрузок на талевую систему применялся манометр весового индикатора ГИВ-2. В процессе измерений определялся собственный вес буринструмента, а также нагрузки при подъеме и опускании инструмента к забою с разной скоростью подачи. Исследования проводились в скважинах различной глубины (1100-1700 м) и с разным характером искривления на разных участках. Всего было проведено около 40 измерений в 7 скважинах.
По мнению М.М. Александрова: «Сила сопротивления в скважине определяется многочленной зависимостью от различных факторов, включая природные, силовые, геометрические и химико-физические. В нормальных условиях и активном движении колонны труб и силу сопротивления выразим как произведение силы прижима и коэффициента сопротивления. Воздействие адгезионных сил можно определить по численной величине коэффициента сопротивления» [2].
А.И. Втюрин [12] изучал силы сопротивления при спуске буртруб (168 и 141 мм в диаметре) различного диаметра и предложил коэффициент f для описания этого процесса. Итоговые замеры привели к тому, что силы f становятся выше, когда растет вес груза, а среднее значение коэффициента f около 0,15. При этом величина остается постоянным при спуске обеих труб и вне зависимости от углов искривления скважины и длины колонны. Такое весовое увеличение каждого трубного метра также вызывает рост силы f.
М.Л. Кисельман [25] провел измерения нагрузок при подъеме буринструмента из прямого искривления скважин на Гудермесском месторождении. Для этого применялся гидравлический индикатор веса с манометром, обороты его были зарегистрированы с помощью механических часов. Записи делались во время нормального процесса подъема инструмента. Анализируя полученные сведений, М.Л. Кисельман приходит к заключению: нагрузка, измеренная индикатором веса, линейно зависит от длины подвешенного инструмента вне зависимости от профиля скважины. С ростом длины инструмента, силы f растет по линейной зависимости, которая наблюдается в пределах глубины 400-700 м. Отдельно взятая скважина имеет угол наклона линии графика по отношению к оси абсцисс, в том числе, если вес инструмента один и тот же в жидкости.
Для вычисления силы f М.Л. Кисельман предположил применить эмпирическую зависимость, представленную в виде уравнения прямых линий. Очевидно, каждое уравнение применимо только к определенной скважине.
В.И. Тарасевич и В.А. Богатырев [37] в начале 60-х годов провели эксперимент измерения сил f на территории Самарской области. Они воспользовались электрическим индикатором веса в сочетании с индикатором на гидравлике, чтобы записать усилия в неподвижной части каната. Для определения силы f, применяли формулу для вычисления, где вычитали из нагрузки талевой системы при движении буринструмента его вес.
После проведения анализа итогов измерений, В.И. Тарасевич и В.А. Богатырев выдвинули предположение, что даже при малом угле кривизны скважины (в 5°), существуют значимые силы f, которые доходят до десятков кН. В случае скважин с большим углом кривизны сила f растет, и многие скважины имеют линейную зависимость меж силой f и глубиной скважины. Проведенный анализ оценил силу f, которая появляется в ходе движения буринструмента в скважине и вычислить реальную нагрузку на талевую систему при разных производственных операциях. Сведения были использованы при решении нескольких инженерных задач.
Однако данные исследования, невзирая на их важность, не могут однозначно определить общий характер изменения силы f при обработке буррастворов химико-физическим способом. Потому другие ученые провели исследования трения в скважине на экспериментальных установках [20, 13, 25, 26, 33, 30], используя законы Кулона и Дерягина, которые учитывают автоматическое и адгезионное реакции меж трением тел F (формулы 1.1, 1.2).
(1.1)
(1.2)
где N – нормальная нагрузка прижима;
A и N0 – равнодействующие силы адгезионных реакций и притяжений меж трущимися телами;
µ – коэффициент трения.
Хотя лабораторные эксперименты не могут быть применены для прямого расчета силы f в скважинах, которые могут полностью исследовать влияние разных факторов на межмолекулярное контактирование и коэффициент трения. В.С. Федоров [38] в 1934 г. провел пионерские исследования с использованием установки на базе сверлильного станка, позволяющей измерять силу трения при вращении стального образца горных пород с бурраствором. Расчетные значения коэффициента F, учитывающие специфику установки составили 0,045 - 0,060 для пары сталь-глина и 0,18 для пары сталь-песчаник.
В своем исследовании В.С. Баранова [5] использовался прибор ВСЕГИНГЕО для изучения механических свойств глинистых корок и горных пород. При изучении сопротивления сдвигу при разных нагрузках были выявлены значения сцепления и коэффициенты трения. Эксперименты проводились на образцах уплотненных под нагрузкой 400 кН/м2. Для глинистых корок значения сцепления колебались 0,008 - 0,027 МПа, а коэффициенты F - 0,12-0,30. Для пластичных глин сцепление варьировало 0,01-0,15 МПа, а коэффициенты F - 0,1-0,5. В чистых песках сцепление было отсутствующим, а коэффициенты трения колебались 0,58-0,84.
Исследование, проведенное Ф.А. Дашдамировым и А.А. Шамсиевым [17] с целью выяснить причины заедания бурильного инструмента в процессе бурения скважин и выяснить, как липкость и коэффициент F корок из глины влияют на это явление. В рамках исследования были использованы экспериментальные установки, позволяющие определить коэффициент F через перемещения стального образца по поверхности глинистой корки, а также липкость при отрыве образца от корки. В результате проведенных экспериментов ученые обнаружили, что коэффициент трения принимал значения 0,10-0,51 при давлениях на корку в диапазоне 0,8-3,2 МПа. На основании результатов исследования, авторы пришли к следующим выводам:
- Увеличение давления при обжатии глинистой корки приводит к существенному снижению коэффициента трения.
- Образовавшиеся корки из утяжеленных буррастворов, имеют более высокий коэффициент трения, чем корки из не утяжеленных растворов.
- Значения коэффициента F корок из глины практически не меняются от свойств бурраствора, и стабилизация происходит первые 2-4 минуты контакта.
- Липкость корок из глины не является причиной захвата бурильного инструмента, так как она не наблюдается в корках, образовавшихся при давлениях выше 0,2 МПа.
В работе М.К. Сеид-Рза, Н.М. Шерстнева и А.О. Бабаева [34], исследовавших механизм прихвата бурильного инструмента под воздействием перепада давлений, были получены следующие результаты:
- При увеличении разности давлений до уровня ниже критического давления формирования корки из глины, сила трения увеличивается за счет роста механических сил.
- Механические силы контактируют, превышая адгезионные силы в ходе перепада давлений свыше 5,0 МПа. Эти силы увеличиваются по мере увеличения разности давлений и времени взаимодействия. Максимальное значение этих сил при разнице давлений 16,0 МПа и времени 60 мин равно 1,2 МН/м², а коэффициент трения - 0,079.
- Увеличение плотности бурраствора, формирующего глинистую корку, 1280-1700 кг/м³ приводит к росту коэффициента трения 0,032-0,079.
- Коэффициент трения существенно зависимо от времени появления корки. Рост времени с 0 до 100 мин уменьшает коэффициент трения в 16 раз, и он становится равным 0,008.
Исследователи, измерив силу трения на экспериментальных установках, моделирующих прихват в стволе скважины с круглым сечением и желобообразными выработками, путем перемещения металлических образцов (цилиндрической и плоской формы) по коркам из глины, при шли к выводу, что глинистые корки формировались под воздействием статических условий фильтрации раствора при разных перепадах давлений (1-16 МПа) и времени контакта (10 -60 минут).
Исходя из исследования А.К. Самотой [30, 31], основной причиной прихвата бурильного инструмента при бурении скважин в Ставропольском крае является изменение давлений. В этом случае сцепление между металлом инструмента и буровыми отложениями обусловлено адгезией и трением, вызванным деформацией материала. Силы адгезии составляют около половины от общей силы сопротивления.
Для изучения воздействия времени, температуры и перепадов давлений на силу трения, автор провел серию экспериментов на спецустановке. Установка представляет собой камеру высокого давления, где металлокерамический фильтр с прозрачностью 0,5*10-12 м2 использовался в качестве имитации пласта, а буринструментом стал металлический пуансон диаметром 30 мм.
Исследование показало, что при увеличении температуры с 293 до 353 и 413 К силы сопротивления сдвигу пуансона растет на 22% и 45% соответственно. При увеличении перепада давлений до 4,0 МПа адгезионные силы увеличиваются (максимальное значение - 305 кН/м2), но коэффициент трения практически не меняется (максимальное значение - 0,0685).
В ходе исследования, проведенного Э.Г. Кистером и В.Л. Михеевым [25], было изучено, как взаимодействие трения и адгезии между фильтрационными корками и породами влияет на силы, препятствующие движению буринструмента. Для измерения уровня напряжений сдвига и коэффициента трения разных слоев корок и пород был создан специальный ротационный прибор.
Результаты исследования привели к тому, что фильтры в качестве корок из глины как бурраствор становятся более концентрированными и прочными при углублении и уплотнении в корке. Силы трения, возникающие при передвижении бурильного инструмента по корке, обусловлена от прочности внутреннего слоя и обычно превосходят силы сцепления до 25-100 кН/м2. Коэффициент трения равен 0,02-0,60. Прочность корок увеличивается только до определенного порога давления, после чего стабилизируется из-за уплотнения корок. Фильтрационные корки могут полностью выдавливаться с поверхности при нормальных нагрузках, а фрикционные сопротивления в горных породах значительно выше, чем в глинистых корках.
Эксперименты, проводимые в лаборатории сверхглубокого бурения в компании АзИНЕФТЕХИМ имени М. Азизбекова при участии М.П. Гулизаде, которые были направлены на изучение сил сопротивления, коэффициента трения и сил адгезии при движении буртруб в наклонных скважинах. [14-16] В результате экспериментов на различных установках, имитирующих условия скважин, было выяснено, что различные факторы, такие как нормальная нагрузка, время контакта, скорость и число перемещений, а также механико-физические свойства бурраствора, влияют на коэффициент трения и силы адгезии при движении стального образца по коркам из глины. Итоги исследований указали на то, что движение колонны труб в скважине хорошо описывается двучленной формулой, описывающей физическую картину и характер сил на поверхности взаимодействия сталь-корка.
Проведенные авторами исследования, представленные в отчетах [13], привели к противоречивым выводам. В итоге исследования отмечают, что коэффициент трения коррок из глины, которые образовались из необработанных буррастворов, остается неизменным и составляет 0,168, несмотря на изменение параметров корок. Одновременно силы адгезии значительно увеличиваются при увеличении основных параметров буррастворов и представляют собой значительную часть сопротивления. Увеличение плотности буррастворов баритом от 1260 до 1640 кг/м3 приводит к росту коэффициента трения корок с 0,168 до 0,257 и значений сил адгезии от 1,40 до 5,68 Н.
Согласно исследованию [26], изменение параметров бурраствора, в равных условиях, приводит к изменению сил сопротивления, возникающих при формировании глинистой корки. Изменения в основном объясняются смене сил притяжения. При этом изменение плотности бурраствора не влияет на силы притяжения.
Исследование Измайлова Т.З. [20] показывает, что при увеличении доли УЩР до 5% в составе бурраствора сила трения между стальной поверхностью и фильтрационной коркой уменьшается на 16%. При содержании УЩР свыше 5%, сила трения резко растет из-за адгезионных сил. Коэффициент трения не меняется от содержания УЩР. Увеличение доли барита в растворе увеличивает механическую часть силы трения. Рост плотности бурраствора до 2000 кг/м3 провоцирует рост коэффициента трения корок с 0,027 до 0,140, одновременно с этим содержание барита не влияет на силы адгезии.
В ходе своих исследованиях ученые из США А.Дж. Лонгли, В.Е. Хелмик [50], Г.Р. Уэлч и Е.Л. Хейден [51], изучили силу трения при смещении стального образца по корке из глины с использованием специальных экспериментальных установок. Целью исследования было воссоздание условий бурения скважин в пористых средах.
Результатом исследований стало то, что силы адгезии равные 45% от силы трения, а коэффициент трения попадает в диапазон 0,015-0,115 при изменении типа и плотности бурраствора, используемый для намывания корки из глины.
В работе Соловьева Е.М. [36] проведено исследование растягивающих нагрузок, возникающих при спуске обсадных колонн, и уточняется методика их расчета, учитывая сопротивление окружающей среды. В расчет не бралась информация о том, как меняется сила сопротивления с глубиной, оценка их количественных характеристик и влияние разных факторов на адгезионный контакт и коэффициент трения между трущимися телами.
Из проведенного обзора видно, что в сегодня отсутствуют исследования по изучению сил сопротивления при спуске обсадных колонн на промысловых и на лабораторных объектах. Методика измерения фрикционных и адгезионных свойств коррок из глины также не унифицирована. Разные исследователи [17] считают, что взаимодействие преимущественно механическое, в то время как другие утверждают об адгезионных свойствах. В отдельных работах силы оцениваются как приблизительно равные, но есть и признание того, что глинистые корки, разрытые при давлениях свыше 0,2 МПа, не проявляют свойств адгезии. Такие разногласия по степени влияния могут быть обусловлены дефицитом применяемых методов оценки фрикционных и адгезионных свойств корок.
Большинство исследований, связанных с измерениями адгезии и трения, проводились в обычных условиях, без учета влияние факторов внутри скважины. В отдельных случаях оценка адгезии и трения производилась с применением малого числа методов. В современных исследованиях эти параметры измерялись в условиях бурраствора под воздействием давления. При этом эксперименты не учли такие факторы: физико-химические свойства глины, температура и т.д.
Все эти исследования позволят более полно и глубоко изучить природу силы сопротивления в скважине, более точно оценить величину и значение каждой из ее компонентов, найти эффективные методы снижения сил сопротивления и обеспечить безопасный спуск обсадных колонн на заданные глубины.
1.2 Прогнозирование возможных осложнений при спуске обсадных колонн
Основными причинами, которые могут привести к осложнениям при спуске обсадных труб, являются плохая подготовка ствола скважины к спуску, некачественная подготовка труб и элементов обсадной колонны, а также проблемы с использованием спускоподъемного оборудования и цементировочной техники. Неправильная технология цементирования также может быть причиной проблем.[6, 9, 35]
Правильная подготовка ствола скважины является ключевым этапом, определяющим надежность и качество крепления. Однако, несмотря на продолжительные и сложные работы, всё ещё возникают проблемы, аварии и случаи закрытия скважин из-за неправильно установленных обсадных колонн.[25, 42, 43, 45, 46]
Дефицит эффективности в подготовке скважин к установке обсадных колонн объясняется отсутствием строгих стандартов для ствола, а также для техники и технологии подготовительных работ. Для устранения